KR20220133175A - 도액의 제조 방법 및 단열재의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
에어로젤 입자, 소수성기를 갖는 수용성 고분자 및 액상 매체를 준비하는 준비 공정과, 상기 준비 공정에서 준비된 상기 에어로젤 입자, 상기 수용성 고분자 및 상기 액상 매체를 혼합하여 상기 에어로젤 입자를 응집시켜, 상기 에어로젤 입자의 응집체, 상기 수용성 고분자 및 상기 액상 매체를 함유하는 도액을 얻는 혼합 공정을 포함하는, 도액의 제조 방법.
Description
본 발명은, 도액(塗液)의 제조 방법 및 단열재의 제조 방법에 관한 것이다.
단열성이 우수한 재료로서 에어로젤이 알려져 있다. 또, 에어로젤을 입자상으로 가공하여, 단열재의 구성 재료로서 이용하는 방법이 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 및 2). 특허문헌 1에서는, 입자상의 에어로젤을, 단열창을 구성하는 수지판 등의 사이의 충전재로서 이용하는 것이 제안되고 있다. 특허문헌 2에서는, 에어로젤 입자와 유기 섬유를 포함하는 수분산액을 조제한 후, 물을 증발시킴으로써 얻어지는 중간 생성물을 더 프레스 성형함으로써, 단열재(성형체)를 제조하는 방법이 나타나 있다.
에어로젤 입자를 수지 성분 중에 분산시킨 복합 재료는 우수한 내열성이 기대된다. 그러나, 이와 같은 복합 재료를 도액화한 경우, 에어로젤 입자의 미세 구멍 내에 수지 성분이 침투하여 미세 구멍 구조가 소실되어 단열성이 저하되거나, 도막의 강도가 충분히 얻어지지 않아 균열이 발생하기 쉽다는 과제가 있었다.
따라서 본 발명은, 에어로젤 입자의 미세 구멍 내로의 수지 성분의 침투가 억제되어, 높은 단열성 및 높은 성막성을 갖는 단열재를 얻는 것이 가능한, 단열재의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또 본 발명은, 상기 단열재를 형성하기 위한 도액 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면은, 에어로젤 입자, 소수성기를 갖는 수용성 고분자 및 액상 매체를 준비하는 준비 공정과, 상기 준비 공정에서 준비된 상기 에어로젤 입자, 상기 수용성 고분자 및 상기 액상 매체를 혼합하여 상기 에어로젤 입자를 응집시켜, 상기 에어로젤 입자의 응집체, 상기 수용성 고분자 및 상기 액상 매체를 함유하는 도액을 얻는 혼합 공정을 포함하는, 도액의 제조 방법에 관한 것이다.
상기 제조 방법으로 얻어지는 도액은, 에어로젤 입자의 응집에 의하여 에어로젤 입자와 수지 성분의 접촉 계면이 적어져, 에어로젤 입자의 미세 구멍 내로의 수지 성분의 침투가 억제되어 있다. 또, 상기 제조 방법으로 얻어지는 도액은, 미리 준비한 에어로젤 입자의 응집체를 배합한 것은 아니고, 에어로젤 입자를 다른 성분과의 혼합 시에 응집시킨 것이기 때문에, 에어로젤 입자 및 그 응집체가 균일하게 분산되어 있으며, 에어로젤 입자의 편재(偏在)에 의한 도막의 불균일화, 균열 등을 억제할 수 있다. 또한 상기 제조 방법에서는, 수지 성분으로서 소수기를 갖는 수용성 고분자를 이용하고 있기 때문에, 에어로젤 입자의 분산성이 더 향상되고, 에어로젤 입자의 충전율을 높게 한 경우에서도 에어로젤 입자 및 그 응집체가 균일하게 분산된 도액을 얻을 수 있다. 이 때문에, 상기 제조 방법으로 얻어지는 도액에 의하면, 높은 단열성 및 높은 성막성을 갖는 단열재가 얻어진다.
일 양태에 있어서, 상기 응집체의 평균 직경은, 상기 준비 공정에서 준비된 상기 에어로젤 입자의 평균 직경의 2~40배여도 된다. 이와 같은 응집체를 형성함으로써, 상술한 효과가 보다 현저하게 나타난다.
일 양태에 있어서, 상기 도액을 희석한 희석액을 광학 현미경에 의하여 관찰했을 때, 관찰 시야 내의 상기 에어로젤 입자 및 상기 응집체가 차지하는 면적 중, 직경 20μm 이상의 상기 응집체가 차지하는 면적은, 50% 이상이어도 된다. 이로써, 상술한 효과가 보다 현저하게 나타난다.
일 양태에 있어서, 상기 도액 중의 상기 에어로젤 입자 및 상기 응집체의 합계 함유량은, 고형분의 전체 체적 기준으로, 70체적% 이상이어도 된다.
일 양태에 있어서, 상기 수용성 고분자는, 셀룰로스계 수지를 포함하고 있어도 된다.
본 발명의 다른 일 측면은, 상기 제조 방법으로 제조된 도액을 지지체 상에 도포하여, 도막을 얻는 도포 공정과, 상기 도막으로부터 상기 액상 매체의 적어도 일부를 제거하여 단열재를 얻는 제거 공정을 포함하는, 단열재의 제조 방법에 관한 것이다. 이와 같은 제조 방법에 의하면, 에어로젤 입자의 미세 구멍 내로의 수지 성분의 침투가 억제되어, 높은 단열성 및 높은 성막성을 갖는 단열재를 용이하게 얻을 수 있다.
일 양태에 있어서, 상기 단열재의 미세 구멍 용적은, 0.15cm3/g 이상이어도 된다.
본 발명의 또 다른 일 측면은, 에어로젤 입자의 응집체, 소수성기를 갖는 수용성 고분자 및 액상 매체를 함유하는 도액이며, 상기 도액을 희석한 희석액을 광학 현미경에 의하여 관찰했을 때, 관찰 시야 내의 상기 에어로젤 입자 및 상기 응집체가 차지하는 면적 중, 직경 20μm 이상의 상기 응집체가 차지하는 면적이 50% 이상인, 도액에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 에어로젤 입자의 미세 구멍 내로의 수지 성분의 침투가 억제되어, 높은 단열성 및 높은 성막성을 갖는 단열재를 얻는 것이 가능한, 단열재의 제조 방법이 제공된다. 또 본 발명에 의하면, 상기 단열재를 형성하기 위한 도액을 용이하게 제조 가능한, 도액의 제조 방법이 제공된다.
이하, 본 발명의 적합한 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 본 명세서에 있어서, "~"를 이용하여 나타난 수치 범위는, "~"의 전후에 기재되는 수치를 각각 최솟값 및 최댓값으로서 포함하는 범위를 나타낸다. "A 또는 B"란, A 및 B 중 어느 일방을 포함하고 있으면 되고, 양방을 포함하고 있어도 된다. 본 실시형태에서 예시하는 재료는, 특별히 설명하지 않는 한, 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 이용할 수 있다.
본 실시형태에 관한 도액의 제조 방법은, 에어로젤 입자, 소수성기를 갖는 수용성 고분자 및 액상 매체를 준비하는 준비 공정과, 준비 공정에서 준비된 에어로젤 입자, 수용성 고분자 및 액상 매체를 혼합하여 에어로젤 입자를 응집시켜, 에어로젤 입자의 응집체, 수용성 고분자 및 액상 매체를 함유하는 도액을 얻는 혼합 공정을 포함한다.
본 실시형태의 제조 방법으로 얻어지는 도액은, 에어로젤 입자의 응집에 의하여 에어로젤 입자와 수지 성분의 접촉 계면이 적어져, 에어로젤 입자의 미세 구멍 내로의 수지 성분의 침투가 억제되어 있다. 또한, 접촉 계면을 적게 하기 위하여, 미리 에어로젤 입자의 응집체를 준비하는 것도 생각되지만, 이 경우, 도액 중에 응집체를 분산시키는 것이 곤란하고, 분산을 위한 교반 조작 등에 의하여 응집체가 붕괴될 우려도 있다. 본 실시형태에서는, 에어로젤 입자를 다른 성분과의 혼합 시에 응집시킴으로써, 에어로젤 입자 및 그 응집체가 균일하게 분산되고, 에어로젤 입자의 편재에 의한 도막의 불균일화, 균열 등이 억제된다. 또, 본 실시형태에서는, 수지 성분으로서 소수기를 갖는 수용성 고분자를 이용함으로써, 에어로젤 입자의 분산성이 더 향상되고 있고, 에어로젤 입자의 충전율을 높게 한 경우에서도 에어로젤 입자 및 그 응집체가 균일하게 분산된 도액을 얻을 수 있다. 이 때문에, 본 실시형태의 제조 방법에 의하면, 높은 단열성 및 높은 성막성을 갖는 단열재를 형성 가능한 도액을 얻을 수 있다.
본 실시형태에 관한 단열재의 제조 방법은, 상기 방법으로 제조된 도액을 지지체 상에 도포하여, 도막을 얻는 도포 공정과, 도막으로부터 액상 매체의 적어도 일부를 제거하여 단열재를 얻는 제거 공정을 포함한다. 본 실시형태에 관한 단열재의 제조 방법은, 상기 방법으로 도액을 얻는 도액 제조 공정을 더 포함하고 있어도 된다.
본 실시형태의 제조 방법에 의하면, 에어로젤 입자의 미세 구멍 내로의 수지 성분의 침투가 억제되어, 높은 단열성 및 높은 성막성을 갖는 단열재를 용이하게 얻을 수 있다.
<에어로젤>
좁은 의미로는, 습윤 젤에 대하여 초임계 건조법을 이용하여 얻어진 건조 젤을 에어로젤, 대기압하에서의 건조에 의하여 얻어진 건조 젤을 제로젤, 동결 건조에 의하여 얻어진 건조 젤을 크라이오젤이라고 칭하지만, 본 실시형태에 있어서는, 습윤 젤의 이들의 건조 수법에 관계없이, 얻어진 저밀도의 건조 젤을 "에어로젤"이라고 칭한다. 즉, 본 실시형태에 있어서, "에어로젤"이란, 넓은 의미의 에어로젤인 "Gel comprised of a microporous solid in which the dispersed phase is a gas(분산상(相)이 기체인 미(微)다공성 고체로 구성되는 젤)"를 의미한다. 일반적으로, 에어로젤의 내부는, 그물코상의 미세 구조를 갖고 있으며, 2~20nm 정도의 입자상의 에어로젤 성분이 결합된 클러스터 구조를 갖고 있다. 이 클러스터에 의하여 형성되는 골격 사이에는, 100nm에 못 미치는 미세 구멍이 있다. 이로써, 에어로젤은, 3차원적으로 미세한 다공성의 구조가 형성되어 있다.
본 실시형태에 관한 에어로젤은, 예를 들면, 실리카를 주성분으로 하는 실리카 에어로젤이다. 실리카 에어로젤로서는, 예를 들면, 유기기(메틸기 등) 또는 유기쇄를 도입한, 이른바 유기-무기 하이브리드화된 실리카 에어로젤을 들 수 있다.
본 실시형태에 관한 에어로젤로서는, 예를 들면, 이하의 양태를 들 수 있다. 이들 양태를 채용함으로써, 단열성, 난연성, 내열성 및 유연성이 우수한 에어로젤을 얻는 것이 용이해진다. 각각의 양태를 채용함으로써, 각각의 양태에 따른 단열성, 난연성, 내열성 및 유연성을 갖는 에어로젤을 얻을 수 있다.
(제1 양태)
본 실시형태에 관한 에어로젤은, 하기 일반식 (1)로 나타나는 구조를 가질 수 있다. 본 실시형태에 관한 에어로젤은, 식 (1)로 나타나는 구조를 포함하는 구조로서, 하기 일반식 (1a)로 나타나는 구조를 가질 수 있다.
[화학식 1]
[화학식 2]
식 (1) 및 식 (1a) 중, R1 및 R2는 각각 독립적으로 알킬기 또는 아릴기를 나타내고, R3 및 R4는 각각 독립적으로 알킬렌기를 나타낸다. 여기에서, 아릴기로서는 페닐기, 치환 페닐기 등을 들 수 있다. 또한, 치환 페닐기의 치환기로서는, 알킬기, 바이닐기, 머캅토기, 아미노기, 나이트로기, 사이아노기 등을 들 수 있다. p는 1~50의 정수를 나타낸다. 식 (1a) 중, 2개 이상의 R1은 각각 동일해도 되고 상이해도 되며, 동일하게, 2개 이상의 R2는 각각 동일해도 되고 상이해도 된다. 식 (1a) 중, 2개의 R3은 각각 동일해도 되고 상이해도 되며, 동일하게, 2개의 R4는 각각 동일해도 되고 상이해도 된다.
상기 식 (1) 또는 식 (1a)로 나타나는 구조를 에어로젤 성분으로서 에어로젤의 골격 중에 도입함으로써, 저열전도율 또한 유연한 에어로젤이 된다. 이와 같은 관점에서, 식 (1) 및 식 (1a) 중, R1 및 R2로서는 각각 독립적으로 탄소수가 1~6인 알킬기, 페닐기 등을 들 수 있고, 당해 알킬기로서는 메틸기 등을 들 수 있다. 또, 식 (1) 및 식 (1a) 중, R3 및 R4로서는 각각 독립적으로 탄소수가 1~6인 알킬렌기 등을 들 수 있고, 당해 알킬렌기로서는 에틸렌기, 프로필렌기 등을 들 수 있다. 식 (1a) 중, p는 2~30으로 할 수 있고, 5~20이어도 된다.
(제2 양태)
본 실시형태에 관한 에어로젤은, 지주부(支柱部) 및 가교부를 구비하는 래더형 구조를 갖고, 또한 가교부가 하기 일반식 (2)로 나타나는 구조를 가질 수 있다. 이와 같은 래더형 구조를 에어로젤 성분으로서 에어로젤의 골격 중에 도입함으로써, 내열성과 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서 "래더형 구조"란, 2개의 지주부(struts)와 지주부끼리를 연결하는 가교부(bridges)를 갖는 것(이른바 "사다리"의 형태를 갖는 것)이다. 본 양태에 있어서, 에어로젤의 골격이 래더형 구조로 이루어져 있어도 되지만, 에어로젤이 부분적으로 래더형 구조를 갖고 있어도 된다.
[화학식 3]
식 (2) 중, R5 및 R6은 각각 독립적으로 알킬기 또는 아릴기를 나타내고, b는 1~50의 정수를 나타낸다. 여기에서, 아릴기로서는 페닐기, 치환 페닐기 등을 들 수 있다. 또, 치환 페닐기의 치환기로서는, 알킬기, 바이닐기, 머캅토기, 아미노기, 나이트로기, 사이아노기 등을 들 수 있다. 또한, 식 (2) 중, b가 2 이상의 정수인 경우, 2개 이상의 R5는 각각 동일해도 되고 상이해도 되며, 동일하게 2개 이상의 R6도 각각 동일해도 되고 상이해도 된다.
상기의 구조를 에어로젤 성분으로서 에어로젤의 골격 중에 도입함으로써, 예를 들면, 종래의 래더형 실세스퀴옥세인에서 유래하는 구조를 갖는(즉, 하기 일반식 (X)로 나타나는 구조를 갖는) 에어로젤보다 우수한 유연성을 갖는 에어로젤이 된다. 실세스퀴옥세인은, 조성식: (RSiO1.5)n을 갖는 폴리실록세인이며, 케이지형, 래더형, 랜덤형 등의 다양한 골격 구조를 가질 수 있다. 또한, 하기 일반식 (X)로 나타내는 바와 같이, 종래의 래더형 실세스퀴옥세인에서 유래하는 구조를 갖는 에어로젤에서는, 가교부의 구조가 -O-이지만, 본 실시형태에 관한 에어로젤에서는, 가교부의 구조가 상기 일반식 (2)로 나타나는 구조(폴리실록세인 구조)이다. 단, 본 양태의 에어로젤은, 일반식 (2)로 나타나는 구조에 더하여, 실세스퀴옥세인에서 유래하는 구조를 더 갖고 있어도 된다.
[화학식 4]
식 (X) 중, R은 하이드록시기, 알킬기 또는 아릴기를 나타낸다.
지주부가 되는 구조 및 그 쇄길이, 및 가교부가 되는 구조의 간격은 특별히 한정되지 않지만, 내열성과 기계적 강도를 보다 향상시킨다는 관점에서, 래더형 구조로서는, 하기 일반식 (3)으로 나타나는 래더형 구조를 갖고 있어도 된다.
[화학식 5]
식 (3) 중, R5, R6, R7 및 R8은 각각 독립적으로 알킬기 또는 아릴기를 나타내고, a 및 c는 각각 독립적으로 1~3000의 정수를 나타내며, b는 1~50의 정수를 나타낸다. 여기에서, 아릴기로서는 페닐기, 치환 페닐기 등을 들 수 있다. 또, 치환 페닐기의 치환기로서는, 알킬기, 바이닐기, 머캅토기, 아미노기, 나이트로기, 사이아노기 등을 들 수 있다. 또한, 식 (3) 중, b가 2 이상의 정수인 경우, 2개 이상의 R5는 각각 동일해도 되고 상이해도 되며, 동일하게 2개 이상의 R6도 각각 동일해도 되고 상이해도 된다. 또, 식 (3) 중, a가 2 이상의 정수인 경우, 2개 이상의 R7은 각각 동일해도 되고 상이해도 되며, 동일하게 c가 2 이상의 정수인 경우, 2개 이상의 R8은 각각 동일해도 되고 상이해도 된다.
또한, 보다 우수한 유연성을 얻는 관점에서, 식 (2) 및 (3) 중, R5, R6, R7 및 R8(단, R7 및 R8은 식 (3) 중에서만)로서는 각각 독립적으로 탄소수가 1~6인 알킬기, 페닐기 등을 들 수 있고, 당해 알킬기로서는 메틸기 등을 들 수 있다. 또, 식 (3) 중, a 및 c는, 각각 독립적으로 6~2000으로 할 수 있지만, 10~1000이어도 된다. 또, 식 (2) 및 (3) 중, b는, 2~30으로 할 수 있지만, 5~20이어도 된다.
(제3 양태)
본 실시형태에 관한 에어로젤은, 가수분해성의 관능기 또는 축합성의 관능기를 갖는 규소 화합물, 및, 가수분해성의 관능기를 갖는 규소 화합물의 가수분해 생성물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 함유하는 졸의 축합물인 습윤 젤의 건조물(졸로부터 생성된 습윤 젤을 건조하여 얻어지는 것: 졸 유래의 습윤 젤의 건조물)이어도 된다. 또한, 지금까지 설명해 온 에어로젤도, 이와 같이, 규소 화합물 등을 함유하는 졸로부터 생성된 습윤 젤을 건조함으로써 얻어지는 것이어도 된다.
가수분해성의 관능기 또는 축합성의 관능기를 갖는 규소 화합물로서는, 폴리실록세인 화합물을 이용할 수 있다. 즉, 상기 졸은, 가수분해성의 관능기 또는 축합성의 관능기를 갖는 폴리실록세인 화합물, 및, 가수분해성의 관능기를 갖는 폴리실록세인 화합물의 가수분해 생성물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 화합물(이하, 경우에 따라 "폴리실록세인 화합물군"이라고 한다)을 함유할 수 있다.
폴리실록세인 화합물에 있어서의 관능기는, 특별히 한정되지 않지만, 동일한 관능기끼리 반응하거나, 혹은 다른 관능기와 반응하는 기로 할 수 있다. 가수분해성의 관능기로서는, 알콕시기를 들 수 있다. 축합성의 관능기로서는, 수산기, 실란올기, 카복실기, 페놀성 수산기 등을 들 수 있다. 수산기는, 하이드록시알킬기 등의 수산기 함유기에 포함되어 있어도 된다. 또한, 가수분해성의 관능기 또는 축합성의 관능기를 갖는 폴리실록세인 화합물은, 가수분해성의 관능기 및 축합성의 관능기와는 상이한 반응성기(가수분해성의 관능기 및 축합성의 관능기에 해당하지 않는 관능기)를 더 갖고 있어도 된다. 반응성기로서는, 에폭시기, 머캅토기, 글리시독시기, 바이닐기, 아크릴로일기, 메타크릴로일기, 아미노기 등을 들 수 있다. 에폭시기는, 글리시독시기 등의 에폭시기 함유기에 포함되어 있어도 된다. 이들 관능기 및 반응성기를 갖는 폴리실록세인 화합물은 단독으로, 또는 2종류 이상을 혼합하여 이용해도 된다. 이들 관능기 및 반응성기 중, 예를 들면, 에어로젤의 유연성을 향상시키는 기로서는, 알콕시기, 실란올기, 하이드록시알킬기 등을 들 수 있고, 이들 중, 알콕시기 및 하이드록시알킬기는, 졸의 상용성을 보다 향상시킬 수 있다. 또, 폴리실록세인 화합물의 반응성의 향상과 에어로젤의 열전도율의 저감의 관점에서, 알콕시기 및 하이드록시알킬기의 탄소수는 1~6으로 할 수 있지만, 에어로젤의 유연성을 보다 향상시키는 관점에서 2~5여도 되고, 2~4여도 된다.
분자 내에 하이드록시알킬기를 갖는 폴리실록세인 화합물로서는, 하기 일반식 (A)로 나타나는 구조를 갖는 것을 들 수 있다. 하기 일반식 (A)로 나타나는 구조를 갖는 폴리실록세인 화합물을 사용함으로써, 일반식 (1) 및 식 (1a)로 나타나는 구조를 에어로젤의 골격 중에 도입할 수 있다.
[화학식 6]
식 (A) 중, R1a는 하이드록시알킬기를 나타내고, R2a는 알킬렌기를 나타내며, R3a 및 R4a는 각각 독립적으로 알킬기 또는 아릴기를 나타내고, n은 1~50의 정수를 나타낸다. 여기에서, 아릴기로서는 페닐기, 치환 페닐기 등을 들 수 있다. 또, 치환 페닐기의 치환기로서는, 알킬기, 바이닐기, 머캅토기, 아미노기, 나이트로기, 사이아노기 등을 들 수 있다. 또한, 식 (A) 중, 2개의 R1a는 각각 동일해도 되고 상이해도 되며, 동일하게 2개의 R2a는 각각 동일해도 되고 상이해도 된다. 또, 식 (A) 중, 2개 이상의 R3a는 각각 동일해도 되고 상이해도 되며, 동일하게 2개 이상의 R4a는 각각 동일해도 되고 상이해도 된다.
상기 구조의 폴리실록세인 화합물을 함유하는 졸의 축합물인(졸로부터 생성된) 습윤 젤을 이용함으로써, 저열전도율 또한 유연한 에어로젤을 더 얻기 쉬워진다. 이와 같은 관점에서, 식 (A) 중, R1a로서는 탄소수가 1~6인 하이드록시알킬기 등을 들 수 있고, 당해 하이드록시알킬기로서는 하이드록시에틸기, 하이드록시프로필기 등을 들 수 있다. 또, 식 (A) 중, R2a로서는 탄소수가 1~6인 알킬렌기 등을 들 수 있고, 당해 알킬렌기로서는 에틸렌기, 프로필렌기 등을 들 수 있다. 또, 식 (A) 중, R3a 및 R4a로서는 각각 독립적으로 탄소수가 1~6인 알킬기, 페닐기 등을 들 수 있고, 당해 알킬기로서는 메틸기 등을 들 수 있다. 또, 식 (A) 중, n은 2~30으로 할 수 있지만, 5~20이어도 된다.
상기 일반식 (A)로 나타나는 구조를 갖는 폴리실록세인 화합물로서는, 시판품을 이용할 수 있고, X-22-160AS, KF-6001, KF-6002, KF-6003 등의 화합물(모두, 신에쓰 가가쿠 고교 주식회사제), XF42-B0970, Fluid OFOH 702-4% 등의 화합물(모두, 모멘티브사제) 등을 들 수 있다.
분자 내에 알콕시기를 갖는 폴리실록세인 화합물로서는, 하기 일반식 (B)로 나타나는 구조를 갖는 것을 들 수 있다. 하기 일반식 (B)로 나타나는 구조를 갖는 폴리실록세인 화합물을 사용함으로써, 일반식 (2) 또는 (3)으로 나타나는 가교부를 갖는 래더형 구조를 에어로젤의 골격 중에 도입할 수 있다.
[화학식 7]
식 (B) 중, R1b는 알킬기, 알콕시기 또는 아릴기를 나타내고, R2b 및 R3b는 각각 독립적으로 알콕시기를 나타내며, R4b 및 R5b는 각각 독립적으로 알킬기 또는 아릴기를 나타내고, m은 1~50의 정수를 나타낸다. 여기에서, 아릴기로서는 페닐기, 치환 페닐기 등을 들 수 있다. 또, 치환 페닐기의 치환기로서는, 알킬기, 바이닐기, 머캅토기, 아미노기, 나이트로기, 사이아노기 등을 들 수 있다. 또한, 식 (B) 중, 2개의 R1b는 각각 동일해도 되고 상이해도 되며, 2개의 R2b는 각각 동일해도 되고 상이해도 되며, 동일하게 2개의 R3b는 각각 동일해도 되고 상이해도 된다. 또, 식 (B) 중, m이 2 이상의 정수인 경우, 2개 이상의 R4b는 각각 동일해도 되고 상이해도 되며, 동일하게 2개 이상의 R5b도 각각 동일해도 되고 상이해도 된다.
상기 구조의 폴리실록세인 화합물 또는 그 가수분해 생성물을 함유하는 졸의 축합물인(졸로부터 생성된) 습윤 젤을 이용함으로써, 저열전도율 또한 유연한 에어로젤을 더 얻기 쉬워진다. 이와 같은 관점에서, 식 (B) 중, R1b로서는 탄소수가 1~6인 알킬기, 탄소수가 1~6인 알콕시기 등을 들 수 있고, 당해 알킬기 또는 알콕시기로서는 메틸기, 메톡시기, 에톡시기 등을 들 수 있다. 또, 식 (B) 중, R2b 및 R3b로서는 각각 독립적으로 탄소수가 1~6인 알콕시기 등을 들 수 있고, 당해 알콕시기로서는 메톡시기, 에톡시기 등을 들 수 있다. 또, 식 (B) 중, R4b 및 R5b로서는 각각 독립적으로 탄소수가 1~6인 알킬기, 페닐기 등을 들 수 있고, 당해 알킬기로서는 메틸기 등을 들 수 있다. 또, 식 (B) 중, m은 2~30으로 할 수 있지만, 3~35여도 되고, 5~20이어도 된다.
상기 일반식 (B)로 나타나는 구조를 갖는 폴리실록세인 화합물은, 일본 공개특허공보 2000-26609호, 일본 공개특허공보 2012-233110호 등에서 보고되는 제조 방법을 적절히 참조하여 얻을 수 있다. 또, 당해 폴리실록세인 화합물로서 XR31-B1410(모멘티브사제)을 이용할 수도 있다.
또한, 알콕시기는 가수분해되기 때문에, 알콕시기를 갖는 폴리실록세인 화합물은 졸 중에서 가수분해 생성물로서 존재할 가능성이 있으며, 알콕시기를 갖는 폴리실록세인 화합물과 그 가수분해 생성물은 혼재하고 있어도 된다. 또, 알콕시기를 갖는 폴리실록세인 화합물에 있어서, 분자 중의 알콕시기의 전부가 가수분해되어 있어도 되고, 부분적으로 가수분해되어 있어도 된다.
이들, 가수분해성의 관능기 또는 축합성의 관능기를 갖는 폴리실록세인 화합물, 및, 가수분해성의 관능기를 갖는 폴리실록세인 화합물의 가수분해 생성물은, 단독으로, 또는 2종류 이상을 혼합하여 이용해도 된다.
본 실시형태에 관한 에어로젤을 제작함에 있어서, 가수분해성의 관능기 또는 축합성의 관능기를 갖는 규소 화합물로서는, 상술한 폴리실록세인 화합물 이외의 규소 화합물을 이용할 수 있다. 즉, 상기의 규소 화합물을 함유하는 졸은, 가수분해성의 관능기 또는 축합성의 관능기를 갖는 규소 화합물(폴리실록세인 화합물을 제외한다), 및, 가수분해성의 관능기를 갖는 당해 규소 화합물의 가수분해 생성물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종(이하, 경우에 따라 "규소 화합물군"이라고 한다)을, 상술한 폴리실록세인 화합물군에 더하여, 혹은 상술한 폴리실록세인 화합물군 대신에, 함유할 수 있다. 규소 화합물에 있어서의 분자 내의 규소수는 1 또는 2로 할 수 있다.
분자 내에 가수분해성의 관능기를 갖는 규소 화합물로서는, 특별히 한정되지 않지만, 알킬 규소 알콕사이드 등을 들 수 있다. 알킬 규소 알콕사이드는, 내수성을 향상시키는 관점에서, 가수분해성의 관능기의 수를 3개 이하로 할 수 있다. 이와 같은 알킬 규소 알콕사이드로서는, 모노알킬트라이알콕시실레인, 모노알킬다이알콕시실레인, 다이알킬다이알콕시실레인, 모노알킬모노알콕시실레인, 다이알킬모노알콕시실레인, 트라이알킬모노알콕시실레인 등을 들 수 있고, 구체적으로는, 메틸트라이메톡시실레인, 메틸다이메톡시실레인, 다이메틸다이에톡시실레인, 다이메틸다이메톡시실레인, 에틸트라이메톡시실레인, 헥실트라이메톡시실레인 등을 들 수 있다. 여기에서, 가수분해성의 관능기로서는, 메톡시기, 에톡시기 등의 알콕시기 등을 들 수 있다.
축합성의 관능기를 갖는 규소 화합물로서는, 특별히 한정되지 않지만, 실레인테트라올, 메틸실레인트라이올, 다이메틸실레인다이올, 페닐실레인트라이올, 페닐메틸실레인다이올, 다이페닐실레인다이올, n-프로필실레인트라이올, 헥실실레인트라이올, 옥틸실레인트라이올, 데실실레인트라이올, 트라이플루오로프로필실레인트라이올 등을 들 수 있다.
가수분해성의 관능기 또는 축합성의 관능기를 갖는 규소 화합물은, 가수분해성의 관능기 및 축합성의 관능기와는 상이한 상술한 반응성기(가수분해성의 관능기 및 축합성의 관능기에 해당하지 않는 관능기)를 더 갖고 있어도 된다.
가수분해성의 관능기의 수가 3개 이하이며, 반응성기를 갖는 규소 화합물로서, 바이닐트라이메톡시실레인, 3-글리시독시프로필트라이메톡시실레인, 3-글리시독시프로필메틸다이메톡시실레인, 3-메타크릴옥시프로필트라이메톡시실레인, 3-메타크릴옥시프로필메틸다이메톡시실레인, 3-아크릴옥시프로필트라이메톡시실레인, 3-머캅토프로필트라이메톡시실레인, 3-머캅토프로필메틸다이메톡시실레인, N-페닐-3-아미노프로필트라이메톡시실레인, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필메틸다이메톡시실레인 등도 이용할 수 있다.
또, 축합성의 관능기를 갖고, 반응성기를 갖는 규소 화합물로서, 바이닐실레인트라이올, 3-글리시독시프로필실레인트라이올, 3-글리시독시프로필메틸실레인다이올, 3-메타크릴옥시프로필실레인트라이올, 3-메타크릴옥시프로필메틸실레인다이올, 3-아크릴옥시프로필실레인트라이올, 3-머캅토프로필실레인트라이올, 3-머캅토프로필메틸실레인다이올, N-페닐-3-아미노프로필실레인트라이올, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필메틸실레인다이올 등도 이용할 수 있다.
또한, 분자 말단의 가수분해성의 관능기가 3개 이하의 규소 화합물인 비스트라이메톡시실릴메테인, 비스트라이메톡시실릴에테인, 비스트라이메톡시실릴헥세인, 에틸트라이메톡시실레인, 바이닐트라이메톡시실레인 등도 이용할 수 있다.
가수분해성의 관능기 또는 축합성의 관능기를 갖는 규소 화합물(폴리실록세인 화합물을 제외한다), 및, 가수분해성의 관능기를 갖는 당해 규소 화합물의 가수분해 생성물은, 단독으로, 또는 2종류 이상을 혼합하여 이용해도 된다.
상기의 규소 화합물(폴리실록세인 화합물을 제외한다)을 사용함으로써, 하기 일반식 (4)~(6)으로 나타나는 구조를 에어로젤의 골격 중에 도입할 수 있다. 본 실시형태에 관한 에어로젤은, 이들 구조 중 어느 하나를 단독으로, 또는 2종 이상 가질 수 있다.
[화학식 8]
식 (4) 중, R9는 알킬기를 나타낸다. 여기에서, 알킬기로서는 탄소수가 1~6인 알킬기 등을 들 수 있고, 당해 알킬기로서는 메틸기 등을 들 수 있다.
[화학식 9]
식 (5) 중, R10 및 R11은 각각 독립적으로 알킬기를 나타낸다. 여기에서, 알킬기로서는 탄소수가 1~6인 알킬기 등을 들 수 있고, 당해 알킬기로서는 메틸기 등을 들 수 있다.
[화학식 10]
식 (6) 중, R12는 알킬렌기를 나타낸다. 여기에서, 알킬렌기로서는 탄소수가 1~10인 알킬렌기 등을 들 수 있고, 당해 알킬렌기로서는 에틸렌기, 헥실렌기 등을 들 수 있다.
(제4 양태)
본 실시형태에 관한 에어로젤은, 더 강인화(强靭化)하는 관점 및 더 우수한 단열성 및 유연성을 달성하는 관점에서, 에어로젤 성분에 더하여, 실리카 입자를 더 함유하고 있어도 된다. 에어로젤 성분 및 실리카 입자를 함유하는 에어로젤을, 에어로젤 복합체라고 할 수도 있다. 에어로젤 복합체는, 에어로젤 성분과 실리카 입자가 복합화되어 있으면서도, 에어로젤의 특징인 클러스터 구조를 갖고 있으며, 3차원적으로 미세한 다공성의 구조를 갖고 있다고 생각된다.
에어로젤 성분 및 실리카 입자를 함유하는 에어로젤은, 상술한, 가수분해성의 관능기 또는 축합성의 관능기를 갖는 규소 화합물, 및, 가수분해성의 관능기를 갖는 규소 화합물의 가수분해 생성물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종과, 실리카 입자를 함유하는 졸의 축합물인 습윤 젤의 건조물이라고 할 수 있다. 따라서, 제1 양태~제3 양태에 관한 기재는, 본 실시형태에 관한 에어로젤에 대해서도 적절히 준용할 수 있다.
실리카 입자로서는, 특별히 제한 없이 이용할 수 있고, 비정질 실리카 입자 등을 들 수 있다. 비정질 실리카 입자로서는, 용융 실리카 입자, 흄드 실리카 입자, 콜로이달 실리카 입자 등을 들 수 있다. 이들 중, 콜로이달 실리카 입자는 단(單)분산성이 높아, 졸 중에서의 응집을 억제하기 쉽다. 또한, 실리카 입자로서는, 중공(中空) 구조, 다공질 구조 등을 갖는 실리카 입자여도 된다.
실리카 입자의 형상은 특별히 제한되지 않고, 구상(球狀), 누에고치형, 회합형 등을 들 수 있다. 이들 중, 실리카 입자로서 구상의 입자를 이용함으로써, 졸 중에서의 응집을 억제하기 쉬워진다. 실리카 입자의 평균 1차 입자경은, 적절한 강도 및 유연성을 에어로젤에 부여하기 쉬워, 건조 시의 내수축성이 우수한 에어로젤이 얻기 쉬운 관점에서, 1nm 이상이어도 되고, 5nm 이상이어도 되며, 20nm 이상이어도 된다. 실리카 입자의 평균 1차 입자경은, 실리카 입자의 고체 열전도를 억제하기 쉬워져, 단열성이 우수한 에어로젤이 얻기 쉬워지는 관점에서, 500nm 이하여도 되고, 300nm 이하여도 되며, 100nm 이하여도 된다. 이들 관점에서, 실리카 입자의 평균 1차 입자경은, 1~500nm여도 되고, 5~300nm여도 되며, 20~100nm여도 된다.
본 실시형태에 있어서, 에어로젤 성분의 평균 입자경 및 실리카 입자의 평균 1차 입자경은, 주사형 전자 현미경(이하 "SEM"이라고 약기한다.)을 이용하여 에어로젤을 직접 관찰함으로써 얻을 수 있다. 여기에서 말하는 "직경"이란, 에어로젤의 단면(斷面)에 노출된 입자의 단면을 원으로 간주한 경우의 직경을 의미한다. 또, "단면을 원으로 간주한 경우의 직경"이란, 단면의 면적을 동일한 면적의 진원으로 치환했을 때의 당해 진원의 직경이다. 또한, 평균 입자경의 산출에 있어서는, 100개의 입자에 대하여 원의 직경을 구하고, 그 평균을 취하는 것으로 한다.
또한, 실리카 입자의 평균 입자경은, 원료로부터도 측정할 수 있다. 예를 들면, 2축 평균 1차 입자경은, 임의의 입자 20개를 SEM에 의하여 관찰한 결과로부터, 다음과 같이 하여 산출된다. 즉, 통상 고형분 농도가 5~40질량% 정도이고, 수중에 분산되어 있는 콜로이달 실리카 입자를 예로 하면, 콜로이달 실리카 입자의 분산액에, 패턴 배선 부착 웨이퍼를 한 변이 2cm인 사각형으로 잘라 얻어진 칩을 약 30초 침지한 후, 당해 칩을 순수로 약 30초간 헹구어, 질소 블로 건조한다. 그 후, 칩을 SEM 관찰용의 시료대에 올려, 가속 전압 10kV를 가하고, 10만배의 배율로 실리카 입자를 관찰하며, 화상을 촬영한다. 얻어진 화상으로부터 20개의 실리카 입자를 임의로 선택하고, 그들 입자의 입자경의 평균을 평균 입자경으로 한다.
실리카 입자의 1g당 실란올기 수는, 내수축성이 우수한 에어로젤을 얻기 쉬워지는 관점에서, 10×1018개/g 이상이어도 되고, 50×1018개/g 이상이어도 되며, 100×1018개/g 이상이어도 된다. 실리카 입자의 1g당 실란올기 수는, 균질한 에어로젤이 얻기 쉬워지는 관점에서, 1000×1018개/g 이하여도 되고, 800×1018개/g 이하여도 되며, 700×1018개/g 이하여도 된다. 이들 관점에서, 실리카 입자의 1g당 실란올기 수는, 10×1018~1000×1018개/g이어도 되고, 50×1018~800×1018개/g이어도 되며, 100×1018~700×1018개/g이어도 된다.
상기 졸에 포함되는 폴리실록세인 화합물군의 함유량(가수분해성의 관능기 또는 축합성의 관능기를 갖는 폴리실록세인 화합물의 함유량, 및, 가수분해성의 관능기를 갖는 폴리실록세인 화합물의 가수분해 생성물의 함유량의 총합)은, 양호한 반응성을 더 얻기 쉬워지는 관점에서, 졸의 총량 100질량부에 대하여, 5질량부 이상이어도 되고, 10질량부 이상이어도 된다. 상기 졸에 포함되는 폴리실록세인 화합물군의 함유량은, 양호한 상용성을 더 얻기 쉬워지는 관점에서, 졸의 총량 100질량부에 대하여, 50질량부 이하여도 되고, 30질량부 이하여도 된다. 이들 관점에서, 상기 졸에 포함되는 폴리실록세인 화합물군의 함유량은, 졸의 총량 100질량부에 대하여, 5~50질량부여도 되고, 10~30질량부여도 된다.
상기 졸이 규소 화합물(폴리실록세인 화합물을 제외한다)을 함유하는 경우, 규소 화합물군(가수분해성의 관능기 또는 축합성의 관능기를 갖는 규소 화합물의 함유량, 및, 가수분해성의 관능기를 갖는 규소 화합물의 가수분해 생성물의 함유량의 총합)은, 양호한 반응성을 더 얻기 쉬워지는 관점에서, 졸의 총량 100질량부에 대하여, 5질량부 이상이어도 되고, 7질량부 이상이어도 되며, 10질량부 이상이어도 된다. 상기 졸에 포함되는 규소 화합물군의 함유량은, 양호한 상용성을 더 얻기 쉬워지는 관점에서, 졸의 총량 100질량부에 대하여, 50질량부 이하여도 되고, 40질량부 이하여도 되며, 30질량부 이하여도 된다.
졸이, 폴리실록세인 화합물군 및 규소 화합물군을 함께 포함하는 경우, 폴리실록세인 화합물군의 함유량과, 규소 화합물군의 함유량의 비는, 양호한 상용성이 더 얻기 쉬워지는 관점에서, 1:0.5 이상이어도 되고, 1:0.7 이상이어도 되며, 1:1 이상이어도 된다. 폴리실록세인 화합물군의 함유량과, 규소 화합물군의 함유량의 비는, 젤의 수축이 더 억제되기 쉬워지는 관점에서, 1:4 이하여도 되고, 1:3 이하여도 되며, 1:2 이하여도 된다. 이들 관점에서, 폴리실록세인 화합물군의 함유량과, 규소 화합물군의 함유량의 비는, 1:0.5~1:4여도 되고, 1:0.7~1:3이어도 되며, 1:1~1:2여도 된다.
상기 졸에 실리카 입자가 포함되는 경우, 실리카 입자의 함유량은, 적절한 강도를 에어로젤에 부여하기 쉬워져, 건조 시의 내수축성이 우수한 에어로젤이 얻기 쉬워지는 관점에서, 졸의 총량 100질량부에 대하여, 1질량부 이상이어도 되고, 2질량부 이상이어도 되며, 4질량부 이상이어도 된다. 실리카 입자의 함유량은, 실리카 입자의 고체 열전도를 억제하기 쉬워져, 단열성이 우수한 에어로젤이 얻기 쉬워지는 관점에서, 졸의 총량 100질량부에 대하여, 20질량부 이하여도 되고, 17질량부 이하여도 되며, 15질량부 이하여도 된다. 이들 관점에서, 실리카 입자의 함유량은, 졸의 총량 100질량부에 대하여, 1~20질량부여도 되고, 2~17질량부여도 되며, 4~15질량부여도 된다.
<에어로젤 입자>
본 실시형태에 있어서의 에어로젤 입자는, 예를 들면 후술하는 바와 같이 벌크의 에어로젤을 분쇄함으로써 얻을 수 있다.
에어로젤 입자의 평균 입자경 D50(평균 직경이라고도 한다.)은 0.1~1000μm로 할 수 있지만, 0.5~700μm여도 되고, 1~500μm여도 되며, 3~100μm여도 되고, 5~50μm여도 된다. 에어로젤 입자의 평균 입자경 D50이 크면, 분산성, 취급성 등이 우수한 에어로젤 입자가 얻기 쉬워진다. 한편, 평균 입자경 D50이 작으면, 분산성이 우수한 에어로젤 입자가 얻기 쉬워진다. 에어로젤 입자의 평균 입자경은, 분쇄 방법 및 분쇄 조건, 체, 분급의 방법 등에 의하여 적절히 조정할 수 있다.
에어로젤 입자의 평균 입자경 D50은 레이저 회절·산란법에 의하여 측정할 수 있다. 예를 들면, 용매(에탄올)에, 에어로젤 입자의 함유량이 0.05~5질량%가 되도록 첨가하고, 50W의 초음파 호모지나이저로 15~30분 진동시킴으로써, 에어로젤 입자의 분산을 행한다. 그 후, 분산액의 약 10mL 정도를 레이저 회절·산란식 입자경 분포 측정 장치에 주입하고, 25℃에서, 굴절률 1.3, 흡수 0으로 하여 입자경을 측정한다. 그리고, 이 입자경 분포에 있어서의 적산값 50%(체적 기준)에서의 입경을 평균 입자경 D50으로 한다. 측정 장치로서는, 예를 들면 Microtrac MT3000(닛키소 주식회사제, 제품명)을 이용할 수 있다.
또, 에어로젤 입자로서는, 시판품을 이용할 수도 있다. 에어로젤 입자의 시판품으로서는, 예를 들면, ENOVA MT1100(CABOT사제), AeroVa(JIOS AEROGEL CORPORATION사제) 등을 들 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 에어로젤 입자의 양은, 도액 중의 에어로젤 입자 및 응집체의 합계 함유량이, 고형분의 전체 체적 기준으로, 70체적% 이상이 되는 양인 것이 바람직하고, 72체적% 이상이 되는 양인 것이 보다 바람직하며, 74체적% 이상이 되는 양인 것이 더 바람직하다. 또, 에어로젤 입자의 양은, 도액 중의 에어로젤 입자 및 응집체의 합계 함유량이, 고형분의 전체 체적 기준으로, 예를 들면 99체적% 이하가 되는 양이어도 되고, 98체적% 이하가 되는 양이어도 되며, 97체적% 이하가 되는 양이어도 된다.
<에어로젤 입자의 제조 방법>
에어로젤 입자의 제조 방법은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 이하의 방법에 의하여 제조할 수 있다.
본 실시형태의 에어로젤 입자는, 졸 생성 공정과, 졸 생성 공정에서 얻어진 졸을 젤화하고, 그 후 숙성하여 습윤 젤을 얻는 습윤 젤 생성 공정과, 습윤 젤 생성 공정에서 얻어진 습윤 젤을 세정 및 (필요에 따라)용매 치환하는 세정 및 용매 치환 공정과, 세정 및 용매 치환한 습윤 젤을 건조하는 건조 공정과, 건조에 의하여 얻어진 에어로젤을 분쇄하는 분쇄 공정을 주로 구비하는 제조 방법에 의하여 제조할 수 있다.
또, 졸 생성 공정과, 습윤 젤 생성 공정과, 습윤 젤 생성 공정에서 얻어진 습윤 젤을 분쇄하는 습윤 젤 분쇄 공정과, 세정 및 용매 치환 공정과, 건조 공정을 주로 구비하는 제조 방법에 의하여 제조해도 된다.
얻어진 에어로젤 입자는, 체, 분급 등에 의하여 크기를 더 맞출 수 있다. 입자의 크기를 조정함으로써 분산성을 높일 수 있다. 또한, "졸"이란, 젤화 반응이 발생하기 전의 상태이며, 본 실시형태에 있어서는 상기 규소 화합물과, 경우에 따라 실리카 입자가 용매 중에 용해 또는 분산되어 있는 상태를 의미한다. 또, 습윤 젤이란, 액체 매체를 포함하고 있으면서도, 유동성을 갖지 않는 습윤 상태의 젤 고형물을 의미한다.
(졸 생성 공정)
졸 생성 공정은, 규소 화합물과, 경우에 따라 실리카 입자(실리카 입자를 포함하는 용매여도 된다)를 혼합하여 가수분해 반응을 행한 후, 졸을 생성하는 공정이다. 본 공정에 있어서는, 가수분해 반응을 촉진시키기 위하여, 용매 중에 산촉매를 더 첨가해도 된다. 또, 일본 특허공보 제5250900호에 나타나는 바와 같이, 용매 중에 계면활성제, 열가수분해성 화합물 등을 첨가할 수도 있다. 또한, 열선 복사 억제 등을 목적으로 하여, 용매 중에 카본 그래파이트, 알루미늄 화합물, 마그네슘 화합물, 은 화합물, 타이타늄 화합물 등의 성분을 첨가해도 된다.
용매로서는, 예를 들면, 물, 또는, 물 및 알코올의 혼합액을 이용할 수 있다. 알코올로서는, 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 2-프로판올, n-뷰탄올, 2-뷰탄올, t-뷰탄올 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 젤 벽과의 계면 장력을 저감시키는 점에서, 표면 장력이 낮고 또한 비점이 낮은 알코올로서는, 메탄올, 에탄올, 2-프로판올 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로, 또는 2종류 이상을 혼합하여 이용해도 된다.
예를 들면 용매로서 알코올을 이용하는 경우, 알코올의 양은, 규소 화합물군 및 폴리실록세인 화합물군의 총량 1몰에 대하여, 4~8몰로 할 수 있지만, 4~6.5여도 되고, 또는 4.5~6몰이어도 된다. 알코올의 양을 4몰 이상으로 함으로써 양호한 상용성을 더 얻기 쉬워지고, 또, 8몰 이하로 함으로써 젤의 수축을 더 억제하기 쉬워진다.
산촉매로서는, 불산, 염산, 질산, 황산, 아황산, 인산, 아인산, 차아인산, 브로민산, 염소산, 아염소산, 차아염소산 등의 무기산; 산성 인산 알루미늄, 산성 인산 마그네슘, 산성 인산 아연 등의 산성 인산염; 아세트산, 폼산, 프로피온산, 옥살산, 말론산, 석신산, 시트르산, 말산, 아디프산, 아젤라산 등의 유기 카복실산 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 얻어지는 에어로젤의 내수성을 보다 향상시키는 산촉매로서는 유기 카복실산을 들 수 있다. 당해 유기 카복실산으로서는 아세트산을 들 수 있지만, 폼산, 프로피온산, 옥살산, 말론산 등이어도 된다. 이들은 단독으로, 또는 2종류 이상을 혼합하여 이용해도 된다.
산촉매를 이용함으로써, 규소 화합물의 가수분해 반응을 촉진시켜, 보다 단시간에 졸을 얻을 수 있다.
산촉매의 첨가량은, 폴리실록세인 화합물군 및 규소 화합물군의 총량 100질량부에 대하여, 0.001~0.1질량부로 할 수 있다.
계면활성제로서는, 비이온성 계면활성제, 이온성 계면활성제 등을 이용할 수 있다. 이들은 단독으로, 또는 2종류 이상을 혼합하여 이용해도 된다.
비이온성 계면활성제로서는, 예를 들면, 폴리옥시에틸렌 등의 친수부와 주로 알킬기로 이루어지는 소수부를 포함하는 화합물, 폴리옥시프로필렌 등의 친수부를 포함하는 화합물 등을 사용할 수 있다. 폴리옥시에틸렌 등의 친수부와 주로 알킬기로 이루어지는 소수부를 포함하는 화합물로서는, 폴리옥시에틸렌노닐페닐에터, 폴리옥시에틸렌옥틸페닐에터, 폴리옥시에틸렌알킬에터 등을 들 수 있다. 폴리옥시프로필렌 등의 친수부를 포함하는 화합물로서는, 폴리옥시프로필렌알킬에터, 폴리옥시에틸렌과 폴리옥시프로필렌의 블록 공중합체 등을 들 수 있다.
이온성 계면활성제로서는, 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 양쪽 이온성 계면활성제 등을 들 수 있다. 양이온성 계면활성제로서는, 브로민화 세틸트라이메틸암모늄, 염화 세틸트라이메틸암모늄 등을 들 수 있고, 음이온성 계면활성제로서는, 도데실설폰산 나트륨 등을 들 수 있다. 또, 양쪽 이온성 계면활성제로서는, 아미노산계 계면활성제, 베타인계 계면활성제, 아민옥사이드계 계면활성제 등을 들 수 있다. 아미노산계 계면활성제로서는, 예를 들면, 아실글루탐산 등을 들 수 있다. 베타인계 계면활성제로서는, 예를 들면, 라우릴다이메틸아미노아세트산 베타인, 스테아릴다이메틸아미노아세트산 베타인 등을 들 수 있다. 아민옥사이드계 계면활성제로서는, 예를 들면 라우릴다이메틸아민옥사이드를 들 수 있다.
이들 계면활성제는, 후술하는 습윤 젤 생성 공정에 있어서, 반응계 내의 용매와, 성장해 가는 실록세인 중합체의 사이의 화학적 친화성의 차이를 작게 하여, 상분리를 억제하는 작용을 한다고 생각되고 있다.
계면활성제의 첨가량은, 계면활성제의 종류, 혹은 규소 화합물의 종류 및 양에도 좌우되지만, 예를 들면 폴리실록세인 화합물군 및 규소 화합물군의 총량 100질량부에 대하여, 1~100질량부로 할 수 있다. 또한, 동 첨가량은 5~60질량부여도 된다.
열가수분해성 화합물은, 열가수분해에 의하여 염기 촉매를 발생하며, 반응 용액을 염기성으로 하여, 후술하는 습윤 젤 생성 공정에서의 졸젤 반응을 촉진한다고 생각되고 있다. 따라서, 이 열가수분해성 화합물로서는, 가수분해 후에 반응 용액을 염기성으로 할 수 있는 화합물이면, 특별히 한정되지 않고, 요소; 폼아마이드, N-메틸폼아마이드, N,N-다이메틸폼아마이드, 아세트아마이드, N-메틸아세트아마이드, N,N-다이메틸아세트아마이드 등의 산 아마이드; 헥사메틸렌테트라민 등의 환상 질소 화합물 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 특히 요소는 상기 촉진 효과가 얻어지기 쉽다.
열가수분해성 화합물의 첨가량은, 후술하는 습윤 젤 생성 공정에서의 졸젤 반응을 충분히 촉진시킬 수 있는 양이면, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 열가수분해성 화합물로서 요소를 이용한 경우, 그 첨가량은, 폴리실록세인 화합물군 및 규소 화합물군의 총량 100질량부에 대하여, 1~200질량부로 할 수 있다. 또한, 동 첨가량은 2~150질량부여도 된다. 첨가량을 1질량부 이상으로 함으로써, 양호한 반응성을 더 얻기 쉬워지고, 또, 200질량부 이하로 함으로써, 결정의 석출 및 젤 밀도의 저하를 더 억제하기 쉬워진다.
졸 생성 공정의 가수분해는, 혼합액 중의 규소 화합물, 실리카 입자, 산촉매, 계면활성제 등의 종류 및 양에도 좌우되지만, 예를 들면 20~60℃의 온도 환경하에서 10분~24시간 행해도 되고, 50~60℃의 온도 환경하에서 5분~8시간 행해도 된다. 이로써, 규소 화합물 중의 가수분해성 관능기가 충분히 가수분해되어, 규소 화합물의 가수분해 생성물을 보다 확실히 얻을 수 있다.
단, 용매 중에 열가수분해성 화합물을 첨가하는 경우는, 졸 생성 공정의 온도 환경을, 열가수분해성 화합물의 가수분해를 억제하여 졸의 젤화를 억제하는 온도로 조절해도 된다. 이때의 온도는, 열가수분해성 화합물의 가수분해를 억제할 수 있는 온도이면, 어느 온도여도 된다. 예를 들면, 열가수분해성 화합물로서 요소를 이용한 경우는, 졸 생성 공정의 온도 환경은 0~40℃로 할 수 있지만, 10~30℃여도 된다.
(습윤 젤 생성 공정)
습윤 젤 생성 공정은, 졸 생성 공정에서 얻어진 졸을 젤화하고, 그 후 숙성하여 습윤 젤을 얻는 공정이다. 본 공정에서는, 젤화를 촉진시키기 위하여 염기 촉매를 이용할 수 있다.
염기 촉매로서는, 탄산 칼슘, 탄산 칼륨, 탄산 나트륨, 탄산 바륨, 탄산 마그네슘, 탄산 리튬, 탄산 암모늄, 탄산 구리(II), 탄산 철(II), 탄산 은(I) 등의 탄산염류; 탄산 수소 칼슘, 탄산 수소 칼륨, 탄산 수소 나트륨, 탄산 수소 암모늄 등의 탄산 수소염류; 수산화 리튬, 수산화 나트륨, 수산화 칼륨, 수산화 세슘 등의 알칼리 금속 수산화물; 수산화 암모늄, 불화 암모늄, 염화 암모늄, 브로민화 암모늄 등의 암모늄 화합물; 메타 인산 나트륨, 파이로인산 나트륨, 폴리 인산 나트륨 등의 염기성 인산 나트륨염; 알릴아민, 다이알릴아민, 트라이알릴아민, 아이소프로필아민, 다이아이소프로필아민, 에틸아민, 다이에틸아민, 트라이에틸아민, 2-에틸헥실아민, 3-에톡시프로필아민, 다이아이소뷰틸아민, 3-(다이에틸아미노)프로필아민, 다이-2-에틸헥실아민, 3-(다이뷰틸아미노)프로필아민, 테트라메틸에틸렌다이아민, t-뷰틸아민, sec-뷰틸아민, 프로필아민, 3-(메틸아미노)프로필아민, 3-(다이메틸아미노)프로필아민, 3-메톡시아민, 다이메틸에탄올아민, 메틸다이에탄올아민, 다이에탄올아민, 트라이에탄올아민 등의 지방족 아민류; 모폴린, N-메틸모폴린, 2-메틸모폴린, 피페라진 및 그 유도체, 피페리딘 및 그 유도체, 이미다졸 및 그 유도체 등의 함질소 복소환상 화합물류 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 수산화 암모늄(암모니아수)은, 휘발성이 높아, 건조 후의 에어로젤 입자 중에 잔존하기 어렵기 때문에 내수성을 저해하기 어렵다는 점, 나아가서는 경제성의 점에서 우수하다. 상기의 염기 촉매는 단독으로, 또는 2종류 이상을 혼합하여 이용해도 된다.
염기 촉매를 이용함으로써, 졸 중의 규소 화합물, 및 실리카 입자의, 탈수 축합 반응 또는 탈알코올 축합 반응을 촉진시킬 수 있어, 졸의 젤화를 보다 단시간에 행할 수 있다. 또, 이로써, 강도(강성)가 보다 높은 습윤 젤을 얻을 수 있다. 특히, 암모니아는 휘발성이 높아, 에어로젤 입자 중에 잔류하기 어려우므로, 염기 촉매로서 암모니아를 이용함으로써, 보다 내수성이 우수한 에어로젤 입자를 얻을 수 있다.
염기 촉매의 첨가량은, 폴리실록세인 화합물군 및 규소 화합물군의 총량 100질량부에 대하여, 0.5~5질량부로 할 수 있지만, 1~4질량부여도 된다. 0.5질량부 이상으로 함으로써, 젤화를 보다 단시간에 행할 수 있고, 5질량부 이하로 함으로써, 내수성의 저하를 보다 억제할 수 있다.
습윤 젤 생성 공정에 있어서의 졸의 젤화는, 용매 및 염기 촉매가 휘발되지 않도록 밀폐 용기 내에서 행해도 된다. 젤화 온도는, 30~90℃로 할 수 있지만, 40~80℃여도 된다. 젤화 온도를 30℃ 이상으로 함으로써, 젤화를 보다 단시간에 행할 수 있어, 강도(강성)가 보다 높은 습윤 젤을 얻을 수 있다. 또, 젤화 온도를 90℃ 이하로 함으로써, 용매(특히 알코올)의 휘발을 억제하기 쉬워지기 때문에, 체적 수축을 억제하면서 젤화할 수 있다.
습윤 젤 생성 공정에 있어서의 숙성은, 용매 및 염기 촉매가 휘발되지 않도록 밀폐 용기 내에서 행해도 된다. 숙성에 의하여, 습윤 젤을 구성하는 성분의 결합이 강해지고, 그 결과, 건조 시의 수축을 억제하는 데 충분한 강도(강성)가 높은 습윤 젤을 얻을 수 있다. 숙성 온도는, 30~90℃로 할 수 있지만, 40~80℃여도 된다. 숙성 온도를 30℃ 이상으로 함으로써, 강도(강성)가 보다 높은 습윤 젤을 얻을 수 있고, 숙성 온도를 90℃ 이하로 함으로써, 용매(특히 알코올)의 휘발을 억제하기 쉬워지기 때문에, 체적 수축을 억제하면서 젤화할 수 있다.
또한, 졸의 젤화 종료 시점을 판별하는 것은 곤란한 경우가 많기 때문에, 졸의 젤화와 그 후의 숙성은, 연속하여 일련의 조작으로 행해도 된다.
젤화 시간과 숙성 시간은, 젤화 온도 및 숙성 온도에 따라 적절히 설정할 수 있다. 졸 중에 실리카 입자가 포함되어 있는 경우는, 포함되어 있지 않은 경우와 비교하여, 특히 젤화 시간을 단축할 수 있다. 이 이유는, 졸 중의 규소 화합물이 갖는 실란올기 또는 반응성기가, 실리카 입자의 실란올기와 수소 결합 또는 화학 결합을 형성하기 때문이라고 추측된다. 또한, 젤화 시간은 10~120분간으로 할 수 있지만, 20~90분간이어도 된다. 젤화 시간을 10분간 이상으로 함으로써 균질한 습윤 젤을 얻기 쉬워지고, 120분간 이하로 함으로써 후술하는 세정 및 용매 치환 공정으로부터 건조 공정의 간략화가 가능해진다. 또한, 젤화 및 숙성의 공정 전체로서, 젤화 시간과 숙성 시간의 합계 시간은, 4~480시간으로 할 수 있지만, 6~120시간이어도 된다. 젤화 시간과 숙성 시간의 합계를 4시간 이상으로 함으로써, 강도(강성)가 보다 높은 습윤 젤을 얻을 수 있고, 480시간 이하로 함으로써 숙성의 효과를 보다 유지하기 쉬워진다.
얻어지는 에어로젤 입자의 밀도를 낮추거나, 평균 미세 구멍 직경을 크게 하기 위하여, 젤화 온도 및 숙성 온도를 상기 범위 내에서 높이거나, 젤화 시간과 숙성 시간의 합계 시간을 상기 범위 내에서 길게 해도 된다. 또, 얻어지는 에어로젤 입자의 밀도를 높이거나, 평균 미세 구멍 직경을 작게 하기 위하여, 젤화 온도 및 숙성 온도를 상기 범위 내에서 낮게 하거나, 젤화 시간과 숙성 시간의 합계 시간을 상기 범위 내에서 짧게 해도 된다.
(습윤 젤 분쇄 공정)
습윤 젤 분쇄 공정을 행하는 경우, 습윤 젤 생성 공정에서 얻어진 습윤 젤을 분쇄한다. 분쇄는, 예를 들면, 헨셸형 믹서에 습윤 젤을 넣거나, 또는 믹서 내에서 습윤 젤 생성 공정을 행하고, 믹서를 적절한 조건(회전수 및 시간)으로 운전함으로써 행할 수 있다. 또, 보다 간이적으로는 밀폐 가능한 용기에 습윤 젤을 넣거나, 또는 밀폐 가능한 용기 내에서 습윤 젤 생성 공정을 행하고, 셰이커 등의 진탕 장치를 이용하여, 적절한 시간 진탕함으로써 행할 수 있다. 또한, 필요에 따라, 제트 밀, 롤러 밀, 비즈 밀 등을 이용하여, 습윤 젤의 입자경을 조정할 수도 있다.
(세정 및 용매 치환 공정)
세정 및 용매 치환 공정은, 습윤 젤 생성 공정 또는 습윤 젤 분쇄 공정에 의하여 얻어진 습윤 젤을 세정하는 공정(세정 공정)과, 습윤 젤 중의 세정액을 건조 조건(후술하는 건조 공정)에 적합한 용매로 치환하는 공정(용매 치환 공정)을 갖는 공정이다. 세정 및 용매 치환 공정은, 습윤 젤을 세정하는 공정을 행하지 않고, 용매 치환 공정만을 행하는 형태에서도 실시 가능하지만, 습윤 젤 중의 미반응물, 부생성물 등의 불순물을 저감시켜, 보다 순도가 높은 에어로젤 입자의 제조를 가능하게 하는 관점에서는, 습윤 젤을 세정해도 된다.
세정 공정에서는, 습윤 젤 생성 공정 또는 습윤 젤 분쇄 공정에 의하여 얻어진 습윤 젤을 세정한다. 당해 세정은, 예를 들면 물 또는 유기 용매를 이용하여 반복하여 행할 수 있다. 이때, 가온함으로써 세정 효율을 향상시킬 수 있다.
유기 용매로서는, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 1-뷰탄올, 아세톤, 메틸에틸케톤, 1,2-다이메톡시에테인, 아세토나이트릴, 헥세인, 톨루엔, 다이에틸에터, 클로로폼, 아세트산 에틸, 테트라하이드로퓨란, 염화 메틸렌, N,N-다이메틸폼아마이드, 다이메틸설폭사이드, 아세트산, 폼산 등의 각종 유기 용매를 사용할 수 있다. 상기의 유기 용매는 단독으로, 또는 2종류 이상을 혼합하여 이용해도 된다.
후술하는 용매 치환 공정에서는, 건조에 의한 젤의 수축을 억제하기 위하여, 저표면 장력의 용매를 이용할 수 있다. 그러나, 저표면 장력의 용매는, 일반적으로 물과의 상호 용해도가 매우 낮다. 그 때문에, 용매 치환 공정에 있어서 저표면 장력의 용매를 이용하는 경우, 세정 공정에서 이용하는 유기 용매로서는, 물 및 저표면 장력의 용매의 쌍방에 대하여 높은 상호 용해성을 갖는 친수성 유기 용매를 들 수 있다. 또한, 세정 공정에 있어서 이용되는 친수성 유기 용매는, 용매 치환 공정을 위한 예비 치환의 역할을 할 수 있다. 상기의 유기 용매 중에서, 친수성 유기 용매로서는, 메탄올, 에탄올, 2-프로판올, 아세톤, 메틸에틸케톤 등을 들 수 있다. 또한, 메탄올, 에탄올, 메틸에틸케톤 등은 경제성의 점에서 우수하다.
세정 공정에 사용되는 물 또는 유기 용매의 양으로서는, 습윤 젤 중의 용매를 충분히 치환하여, 세정할 수 있는 양으로 할 수 있다. 당해 양은, 습윤 젤의 용량에 대하여 3~10배의 양으로 할 수 있다. 세정은, 세정 후의 습윤 젤 중의 함수율이, 실리카 질량에 대하여, 10질량% 이하가 될 때까지 반복할 수 있다.
세정 공정에 있어서의 온도 환경은, 세정에 이용하는 용매의 비점 이하의 온도로 할 수 있고, 예를 들면, 메탄올을 이용하는 경우는, 30~60℃ 정도의 가온으로 할 수 있다.
용매 치환 공정에서는, 건조 공정에 있어서의 에어로젤의 수축을 억제하기 위하여, 세정한 습윤 젤의 용매를 소정의 치환용 용매로 치환한다. 이때, 가온함으로써 치환 효율을 향상시킬 수 있다. 치환용 용매로서는, 구체적으로는, 건조 공정에 있어서, 건조에 이용되는 용매의 임계점 미만의 온도로, 대기압하에서 건조하는 경우는, 후술하는 저표면 장력의 용매를 들 수 있다. 한편, 초임계 건조를 하는 경우는, 치환용 용매로서는, 예를 들면, 에탄올, 메탄올, 2-프로판올, 다이클로로다이플루오로메테인, 이산화 탄소 등, 또는 이들을 2종 이상 혼합한 용매를 들 수 있다.
저표면 장력의 용매로서는, 20℃에 있어서의 표면 장력이 30mN/m 이하인 용매를 들 수 있다. 또한, 당해 표면 장력은 25mN/m 이하여도 되고, 또는 20mN/m 이하여도 된다. 저표면 장력의 용매로서는, 예를 들면, 펜테인(15.5), 헥세인(18.4), 헵테인(20.2), 옥테인(21.7), 2-메틸펜테인(17.4), 3-메틸펜테인(18.1), 2-메틸헥세인(19.3), 사이클로펜테인(22.6), 사이클로헥세인(25.2), 1-펜텐(16.0) 등의 지방족 탄화 수소류; 벤젠(28.9), 톨루엔(28.5), m-자일렌(28.7), p-자일렌(28.3) 등의 방향족 탄화 수소류; 다이클로로메테인(27.9), 클로로폼(27.2), 사염화 탄소(26.9), 1-클로로프로페인(21.8), 2-클로로프로페인(18.1) 등의 할로젠화 탄화 수소류; 에틸에터(17.1), 프로필에터(20.5), 아이소프로필에터(17.7), 뷰틸에틸에터(20.8), 1,2-다이메톡시에테인(24.6) 등의 에터류; 아세톤(23.3), 메틸에틸케톤(24.6), 메틸프로필케톤(25.1), 다이에틸케톤(25.3) 등의 케톤류; 아세트산 메틸(24.8), 아세트산 에틸(23.8), 아세트산 프로필(24.3), 아세트산 아이소프로필(21.2), 아세트산 아이소뷰틸(23.7), 에틸뷰티레이트(24.6) 등의 에스터류 등을 들 수 있다(괄호 안은 20℃에서의 표면 장력을 나타내고, 단위는 [mN/m]이다). 이들 중에서, 지방족 탄화 수소류(헥세인, 헵테인 등)는 저표면 장력이며 또한 작업 환경성이 우수하다. 또, 이들 중에서도, 아세톤, 메틸에틸케톤, 1,2-다이메톡시에테인 등의 친수성 유기 용매를 이용함으로써, 상기 세정 공정의 유기 용매와 겸용할 수 있다. 또한, 이들 중에서도, 추가로 후술하는 건조 공정에 있어서의 건조가 용이한 점에서, 상압에서의 비점이 100℃ 이하인 용매를 이용해도 된다. 상기의 용매는 단독으로, 또는 2종류 이상을 혼합하여 이용해도 된다.
용매 치환 공정에 사용되는 용매의 양으로서는, 세정 후의 습윤 젤 중의 용매를 충분히 치환할 수 있는 양으로 할 수 있다. 당해 양은, 습윤 젤의 용량에 대하여 3~10배의 양으로 할 수 있다.
용매 치환 공정에 있어서의 온도 환경은, 치환에 이용하는 용매의 비점 이하의 온도로 할 수 있고, 예를 들면, 헵테인을 이용하는 경우는, 30~60℃ 정도의 가온으로 할 수 있다.
또한, 젤 중에 실리카 입자가 포함되어 있는 경우, 용매 치환 공정은 필수는 아니다. 추측되는 메커니즘으로서는 다음과 같다. 즉, 실리카 입자가 3차원 그물코상의 골격의 지지체로서 기능함으로써, 당해 골격이 지지되어, 건조 공정에 있어서의 젤의 수축이 억제된다. 그 때문에, 세정에 이용한 용매를 치환하지 않고, 젤을 그대로 건조 공정에 제공할 수 있다고 생각된다. 이와 같이, 실리카 입자를 이용함으로써, 세정 및 용매 치환 공정으로부터 건조 공정의 간략화가 가능하다.
(건조 공정)
건조 공정에서는, 상기와 같이 세정 및 (필요에 따라)용매 치환한 습윤 젤을 건조시킨다. 이로써, 에어로젤(에어로젤 블록 또는 에어로젤 입자)을 얻을 수 있다. 즉, 상기 졸로부터 생성된 습윤 젤을 건조하여 이루어지는 에어로젤을 얻을 수 있다.
건조의 수법으로서는 특별히 제한되지 않고, 공지의 상압 건조, 초임계 건조 또는 동결 건조를 이용할 수 있다. 이들 중에서, 저밀도의 에어로젤을 제조하기 쉽다는 관점에서는, 상압 건조 또는 초임계 건조를 이용할 수 있다. 또, 저비용으로 생산 가능이라는 관점에서는, 상압 건조를 이용할 수 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 상압이란 0.1MPa(대기압)를 의미한다.
에어로젤은, 세정 및 (필요에 따라)용매 치환한 습윤 젤을, 건조에 이용되는 용매의 임계점 미만의 온도로, 대기압하에서 건조함으로써 얻을 수 있다. 건조 온도는, 치환된 용매(용매 치환을 행하지 않는 경우는 세정에 이용된 용매)의 종류에 따라 상이하지만, 특히 고온에서의 건조가 용매의 증발 속도를 빠르게 하여, 젤에 큰 균열을 발생시키는 경우가 있다는 점을 감안하여, 20~150℃로 할 수 있다. 또한, 당해 건조 온도는 60~120℃여도 된다. 또, 건조 시간은, 습윤 젤의 용량 및 건조 온도에 따라 상이하지만, 4~120시간으로 할 수 있다. 또한, 생산성을 저해하지 않는 범위 내에 있어서 임계점 미만의 압력을 가하여 건조를 앞당기는 것도, 상압 건조에 포함되는 것으로 한다.
에어로젤은, 또, 세정 및 (필요에 따라)용매 치환한 습윤 젤을, 초임계 건조함으로써도 얻을 수 있다. 초임계 건조는, 공지의 수법으로 행할 수 있다.
초임계 건조하는 방법으로서는, 예를 들면, 습윤 젤에 포함되는 용매의 임계점 이상의 온도 및 압력으로 용매를 제거하는 방법을 들 수 있다. 혹은, 초임계 건조하는 방법으로서는, 습윤 젤을, 액화 이산화 탄소 중에, 예를 들면, 20~25℃, 5~20MPa 정도의 조건으로 침지함으로써, 습윤 젤에 포함되는 용매의 전부 또는 일부를 당해 용매보다 임계점이 낮은 이산화 탄소로 치환한 후, 이산화 탄소를 단독으로, 또는 이산화 탄소 및 용매의 혼합물을 제거하는 방법을 들 수 있다.
이와 같은 상압 건조 또는 초임계 건조에 의하여 얻어진 에어로젤은, 또한 상압하에서, 105~200℃에서 0.5~2시간 정도 추가 건조해도 된다. 이로써, 밀도가 낮고, 작은 미세 구멍을 갖는 에어로젤을 더 얻기 쉬워진다. 추가 건조는, 상압하에서, 150~200℃에서 행해도 된다.
(분쇄 공정)
습윤 젤 분쇄 공정을 행하지 않는 경우는, 건조에 의하여 얻어진 에어로젤(에어로젤 블록)을 분쇄함으로써 에어로젤 입자를 얻는다. 예를 들면, 제트 밀, 롤러 밀, 비즈 밀, 해머 밀 등에 에어로젤을 넣고, 적절한 회전수와 시간으로 운전함으로써 행할 수 있다.
<수용성 고분자>
본 실시형태에 있어서, 수용성 고분자는, 소수성기를 갖고, 또한, 수용성을 갖고 있으면 된다.
소수성기로서는, 예를 들면, 알킬기(바람직하게는, 탄소수 6~26의 장쇄의 알킬기), 에스터기, 알콕시기, 할로젠 등을 들 수 있다. 이들 중, 소수성기로서는, 알킬기가 바람직하고, 탄소수 8~26의 장쇄의 알킬기가 보다 바람직하며, 탄소수 10~26의 장쇄의 알킬기가 더 바람직하고, 탄소수 12~26의 장쇄의 알킬기가 한층 바람직하며, 탄소수 15~26의 장쇄의 알킬기여도 된다.
수용성 고분자로서는, 예를 들면, 변성 카복실바이닐 폴리머, 변성 폴리에터유레테인, 셀룰로스계 수지, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리바이닐알코올, 폴리아크릴산염, 폴리바이닐피롤리돈, 덱스트린계 수지, 키틴계 수지, 키토산계 수지 등을 들 수 있다.
수용성 고분자로서는, 셀룰로스계 수지를 적합하게 이용할 수 있다. 셀룰로스계 수지로서는, 예를 들면, 메틸셀룰로스, 카복시메틸셀룰로스, 하이드록시에틸셀룰로스, 하이드록시프로필메틸셀룰로스, 및, 이들을 더 변성(예를 들면, 소수화)한 변성체 등을 들 수 있다.
셀룰로스계 수지로서는, 알킬기를 갖는 셀룰로스계 수지가 바람직하고, 탄소수 6~26의 장쇄 알킬기를 갖는 셀룰로스계 수지가 보다 바람직하다. 이와 같은 셀룰로스계 수지에 의하면, 본 발명의 효과가 보다 현저하게 나타난다. 장쇄 알킬기의 탄소수는, 바람직하게는 8~26이며, 보다 바람직하게는 10~26, 더 바람직하게는 12~26, 한층 바람직하게는 15~26이다.
셀룰로스계 수지로서는, 예를 들면, 하기 식 (A-1)로 나타나는 구조 단위를 갖는 셀룰로스계 수지가 바람직하다.
[화학식 11]
식 (A-1) 중, RA는, 수소 원자, 알킬기, 하이드록시알킬기, -RA1-O-RA2로 나타나는 기(RA1은 알케인다이일기 또는 하이드록시알케인다이일기를 나타내고, RA2는 알킬기를 나타낸다.)를 나타낸다. 3개의 RA는, 서로 동일해도 되고 상이해도 된다. 단, 3개의 RA 중, 적어도 하나는, 알킬기 또는 -RA1-O-RA2로 나타나는 기이다.
식 (A-1) 중, RA에 있어서의 알킬기로서는, 탄소수 1~26의 알킬기가 바람직하다. 또, RA에 있어서의 알킬기는, 탄소수 1~3의 단쇄 알킬기, 또는, 탄소수 6~26의 장쇄 알킬기인 것이 보다 바람직하다. 장쇄 알킬기의 탄소수는, 바람직하게는 8~26, 보다 바람직하게는 10~26, 더 바람직하게는 12~26, 한층 바람직하게는 15~26이다.
식 (A-1) 중, RA에 있어서의 하이드록시알킬기로서는, 탄소수 1~26의 하이드록시알킬기가 바람직하고, 탄소수 1~10의 하이드록시알킬기가 보다 바람직하며, 탄소수 1~5의 하이드록시알킬기가 더 바람직하다.
식 (A-1) 중, RA1에 있어서의 알케인다이일기는, 바람직하게는 탄소수 1~26의 알케인다이일기이고, 보다 바람직하게는 탄소수 1~10의 알케인다이일기이며, 더 바람직하게는 탄소수 1~5의 알케인다이일기이다. 또, RA1에 있어서의 하이드록시알케인다이일기는, 바람직하게는 탄소수 1~26의 하이드록시알케인다이일기이고, 보다 바람직하게는 탄소수 1~10의 하이드록시알케인다이일기이며, 더 바람직하게는 탄소수 1~5의 하이드록시알케인다이일기이다.
식 (A-1) 중, RA2로서는, 탄소수 1~26의 알킬기가 바람직하다. 또, RA2에 있어서의 알킬기는, 탄소수 1~3의 단쇄 알킬기, 또는, 탄소수 6~26의 장쇄 알킬기인 것이 보다 바람직하며, 장쇄 알킬기인 것이 보다 바람직하다. 장쇄 알킬기의 탄소수는, 바람직하게는 8~26, 보다 바람직하게는 10~26, 더 바람직하게는 12~26, 한층 바람직하게는 15~26이다.
식 (A-1)에 있어서, 3개의 RA 중 적어도 하나가 장쇄 알킬기이거나, 3개의 RA 중 적어도 하나가 -RA1-O-RA2로 나타나는 기이며 또한 RA2가 장쇄 알킬기인 것이 바람직하다.
셀룰로스계 수지에 있어서, 탄소수 6~26의 장쇄 알킬기의 함유량이, 셀룰로스계 수지의 전량 기준으로 0.01~5질량%인 것이 바람직하고, 0.01~3질량%인 것이 보다 바람직하다.
본 실시형태에 있어서, 도액 중의 수용성 고분자의 함유량은, 도액 중의 고형분의 전체 체적 기준으로, 예를 들면 0.01체적% 이상이어도 되며, 0.1체적% 이상이 바람직하고, 0.3체적% 이상이 보다 바람직하다. 또, 수용성 고분자의 함유량은, 도액 중의 고형분의 전체 체적 기준으로, 예를 들면 10체적% 이하여도 되고, 바람직하게는 5체적% 이하이며, 보다 바람직하게는 3체적% 이하이다.
<액상 매체>
액상 매체로서는, 물을 포함하는 수계 용매가 바람직하다. 수계 용매에는, 물 이외에 유기 용매가 포함되어 있어도 된다. 유기 용매는, 물과의 상용성을 갖는 것이면 되고, 예를 들면, 메탄올, 에탄올, 아이소프로판올, 뷰탄올, 에틸렌글라이콜, 프로필렌글라이콜 등의 알코올류; 다이에틸에터, 테트라하이드로퓨란, 1,4-다이옥세인 등의 에터류; 아세톤, 메틸에틸케톤 등의 케톤류; 아세트산, 프로피온산 등의 카복실산; 아세토나이트릴, 다이메틸폼아마이드, 트라이에틸아민 등의 질소 함유 화합물 등을 들 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 도액 중의 액상 매체의 함유량은 특별히 한정되지 않고, 원하는 도액의 점도 등에 따라 적절히 변경해도 된다. 예를 들면, 액상 매체의 함유량은, 도액의 고형분 농도가 후술하는 적합한 범위가 되는 양이어도 된다.
도액의 고형분 농도는, 예를 들면, 10질량% 이상이어도 되고, 바람직하게는 15질량% 이상, 보다 바람직하게는 20질량% 이상이다. 또, 도액의 고형분 농도는, 예를 들면, 70질량% 이하여도 되고, 바람직하게는 60질량% 이하, 보다 바람직하게는 50질량% 이하이다.
<그 외의 성분>
본 실시형태에 있어서, 도액은, 에어로젤 입자, 수용성 고분자 및 액상 매체 이외의 성분을 더 함유하고 있어도 된다.
본 실시형태에 관한 도액은, 예를 들면, 바인더 수지를 더 함유하고 있어도 된다. 바인더 수지로서는, 예를 들면, 에폭시 수지, 실리콘 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 폴리유레테인 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리스타이렌 수지, 폴리에스터 수지, 아크릴 수지, 폴리 염화 바이닐 수지, 폴리아세트산 바이닐 수지, 폴리아마이드 수지, 폴리이미드 수지, 폴리바이닐계 수지 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 내열성 및 강인성이라는 관점에서, 실리콘 수지, 아크릴 수지, 페놀 수지, 폴리에스터 수지 등을 적합하게 이용할 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 도액이 바인더 수지를 함유하는 경우, 도액 중의 바인더 수지의 함유량은, 고형분의 전체 체적 기준으로, 예를 들면 30체적% 이하여도 되고, 바람직하게는 28체적% 이하, 보다 바람직하게는 25체적% 이하이다. 또, 도액 중의 바인더 수지의 함유량은, 고형분의 전체 체적 기준으로, 예를 들면 0.1체적% 이상이어도 되고, 1체적% 이상이어도 된다.
또, 본 실시형태에 관한 복합 재료는, 상기 이외의 성분으로서, 증점제, 섬유상 물질, 안료, 레벨링제 등을 더 포함하고 있어도 된다.
증점제로서는, 예를 들면, 흄드 실리카, 점토 광물 등의 미립자를 들 수 있다.
섬유상 물질은 에어로젤 입자간의 앵커 기능을 발현할 수 있고, 복합 재료에 의한 도막의 강도를 보다 향상시킬 수 있다. 섬유상 물질로서는 특별히 제한되지 않고, 유기 섬유 및 무기 섬유를 들 수 있다. 유기 섬유로서는, 예를 들면, 폴리아마이드계 섬유, 폴리이미드계 섬유, 폴리바이닐알코올계 섬유, 폴리 염화 바이닐리덴계 섬유, 폴리 염화 바이닐계 섬유, 폴리에스터계 섬유, 폴리아크릴로나이트릴계 섬유, 폴리에틸렌계 섬유, 폴리프로필렌계 섬유, 폴리유레테인계 섬유, 페놀계 섬유, 폴리에터에스터계 섬유, 폴리락트산계 섬유, 폴리카보네이트계 섬유 등을 들 수 있다. 무기 섬유로서는, 예를 들면, 유리 섬유, 탄소 섬유, 세라믹 섬유, 금속 섬유 등을 들 수 있다.
<도액의 제조 방법>
본 실시형태에 있어서, 도액은, 에어로젤 입자, 수용성 고분자 및 액상 매체를 준비하는 준비 공정과, 준비 공정에서 준비된 에어로젤 입자, 수용성 고분자 및 액상 매체를 혼합하여 에어로젤 입자를 응집시켜, 에어로젤 입자의 응집체, 수용성 고분자 및 액상 매체를 함유하는 도액을 얻는 혼합 공정을 포함하는 제조 방법에 의하여 제조된다.
준비 공정에서는, 에어로젤 입자, 수용성 고분자 및 액상 매체 이외의 성분(예를 들면, 상술한 <그 외의 성분>에 기재된 성분)을 더 준비해도 된다.
혼합 공정에서는, 준비 공정에서 준비한 각 성분을, 에어로젤 입자가 응집되도록 혼합한다. 혼합 방법은, 에어로젤 입자가 응집체를 형성할 수 있는 방법이면 되고, 예를 들면, 준비 공정에서 준비한 각 성분을 교반 혼합하는 방법을 들 수 있다.
교반 속도는, 응집체의 사이즈에 영향을 준다. 교반 속도가 클수록 전단 응력이 도액에 가해지기 때문에, 응집체의 사이즈는 저하되는 경향이 있다. 따라서, 후술하는 적합한 사이즈의 응집체를 얻는 관점에서는, 작은 교반 속도로 도액을 제작하는 것이 바람직하다.
또, 혼합 시의 점도도 응집체의 사이즈에 영향을 준다. 동일한 교반 속도여도, 점도에 따라 도액에 가해지는 전단 응력은 변화한다. 점도가 높으면, 보다 큰 전단 응력이 도액에 가해지고, 응집체는 저(低)사이즈화된다. 한편, 도액 점도가 낮으면, 동일한 교반 속도여도 도액에 가해지는 전단 응력은 작아지고, 응집체는 커진다. 따라서, 도액 점도에 따라 교반 속도를 조정함으로써, 원하는 응집체 사이즈의 도액을 제작할 수 있다.
또, 첨가제에 의하여 응집체의 사이즈를 변화시킬 수도 있다. 응집체의 사이즈에 강하게 영향을 주는 첨가제로서, 표면 조정제, 계면활성제, 분산제, 에멀션 수지 등을 들 수 있다.
표면 조정제 및 계면활성제는, 에어로젤 입자와 용액의 표면 에너지를 저하시킨다. 표면 에너지가 낮을수록 계면을 작게 하고자 하는 힘이 약하여, 응집체의 사이즈는 작아지는 경향이 있다. 따라서, 표면 조정제 및 계면활성제의 첨가는, 표면 에너지를 저하시켜, 응집체를 저사이즈화시킨다.
분산제는, 입자 표면에 부착됨으로써, 정전적 또는 입체 장해적인 척력(斥力)에 의하여 입자끼리의 접근을 억제하는 것이다. 분산제는, 에어로젤 입자의 표면에 부착되어, 에어로젤 입자끼리의 접근을 억제하기 위하여, 분산제의 첨가에 의하여 응집체가 저사이즈화된다.
에멀션 수지는, 주로 분산제에 의하여 수지가 수중에 분산된 것이다. 이와 같은 에멀션 수지는, 에어로젤 입자의 표면에 흡착되어, 부수(付隨)하는 분산제에 의하여 에어로젤 입자끼리의 접근을 억제한다. 즉, 에멀션 수지의 첨가는, 응집체를 저사이즈화시킨다.
또, 혼합 시의 액상 매체의 양도 응집체의 사이즈에 영향을 준다. 최종적으로 제조되는 도액의 조성이 동일해도, (i) 혼합 초기부터 액상 매체를 전량 투입하는 방법과, (ii) 혼합 초기는 적은 액상 매체량으로 혼합하고, 그 후에 액상 매체를 추가하는 방법에서는 응집체의 사이즈가 상이하다. 상기 (ii)의 방법은 상기 (i)의 방법에 비하여, 초기의 도액 점도가 높아지고, 상술한 첨가제를 첨가한 경우는 그 농도도 높아진다. 이 때문에, 상기 (ii)의 방법은, 상기 (i)의 방법에 비하여 응집체가 저사이즈화되는 경향이 있다. 도액 조성, 혼합 장치(교반 장치) 등의 조건에 맞추어 이들 방법을 구분하여 사용함으로써, 원하는 사이즈의 응집체를 형성할 수 있다.
응집체는, 사이즈가 클수록 에어로젤과 수지 성분의 접촉 계면이 작아져, 에어로젤의 미세 구멍 내로의 수지 성분의 침투가 보다 억제되기 쉬워진다. 이 관점에서, 본 실시형태에서는, 직경 20μm 이상의 응집체가 형성되어 있는 것이 바람직하고, 직경 40μm 이상의 응집체가 형성되어 있는 것이 보다 바람직하며, 직경 50μm 이상의 응집체가 형성되어 있는 것이 더 바람직하다. 한편, 비교적 취약한 에어로젤이 연속되는 것에 의한 막강도의 저하를 피하는 관점에서는, 응집체의 직경은 400μm 이하가 바람직하고, 직경 300μm 이하가 보다 바람직하다.
본 실시형태에서는, 응집체의 평균 직경이, 준비 공정에서 준비된 에어로젤 입자의 평균 직경의 2배 이상인 것이 바람직하고, 4배 이상인 것이 보다 바람직하며, 8배 이상인 것이 더 바람직하다. 이로써, 에어로젤과 수지 성분의 접촉 계면이 보다 작아져, 에어로젤의 미세 구멍 내로의 수지 성분의 침투가 보다 억제되기 쉬워진다. 또, 응집체의 평균 직경은, 준비 공정에서 준비된 에어로젤 입자의 평균 직경의 40배 이하인 것이 바람직하고, 30배 이하인 것이 보다 바람직하며, 20배 이하인 것이 더 바람직하다. 이로써, 비교적 취약한 에어로젤이 연속되는 것에 의한 막강도의 저하가 억제되어, 보다 높은 막강도가 얻어지기 쉬워진다.
또한, 본 명세서 중, 응집체의 평균 직경은, 이하의 방법으로 측정되는 값을 나타낸다.
[도액 중의 응집체의 평균 직경의 측정 방법]
100mL 폴리 컵에 도액을 20g 정도 취하고, 스패출러를 이용하여 교반하면서 물을 2g씩 더함으로써, 서서히 풀면서 희석한다. 희석한 샘플을 유리 플레이트 상에 취하고, 광학 현미경(OLYMPUS제, 형번: BX51)을 이용하여 샘플의 현미경 사진을 취득한다. 얻어진 현미경 사진을, 화상 편집 소프트웨어 ImageJ를 이용하여 해석하고, 현미경 사진 내의 복수의 응집체의 직경을 구한다. 얻어진 값의 평균값을, 응집체의 평균 직경으로 한다.
또, 본 명세서 중, 에어로젤 입자의 평균 직경이란, 상술한 에어로젤 입자의 평균 입자경 D50과 동일한 의미이다.
본 실시형태에서는, 도액을 희석한 희석액을 광학 현미경에 의하여 관찰했을 때, 관찰 시야 내의 에어로젤 입자 및 응집체가 차지하는 면적 중, 직경 20μm 이상의 응집체(보다 바람직하게는 직경 50μm 이상의 응집체)가 차지하는 면적이, 50% 이상인 것이 바람직하고, 60% 이상인 것이 보다 바람직하며, 70% 이상인 것이 더 바람직하고, 100%여도 된다.
또한, 본 명세서 중, 도액을 희석한 희석액 및 당해 희석액의 관찰 방법은, 상술한 [도액 중의 응집체의 평균 직경의 측정 방법]에서 조제한 샘플 및 당해 샘플의 관찰 방법과 동일해도 된다. 또, "관찰 시야 내의 …면적"은, 현미경 사진을 화상 편집 소프트웨어 ImageJ를 이용하여 해석하여 구할 수 있다.
<단열재의 제조 방법>
본 실시형태에 있어서, 단열재는, 상기 도액을 지지체 상에 도포하여, 도막을 얻는 도포 공정과, 도막으로부터 액상 매체의 적어도 일부를 제거하여 단열재를 얻는 제거 공정을 포함하는 제조 방법에 의하여 제조된다. 이 제조 방법에 의하면, 도액 중에서 에어로젤 입자의 응집체가 형성되어, 에어로젤 미세 구멍 내로의 수지의 침투가 충분히 억제되어 있기 때문에, 높은 단열성 및 높은 성막성을 갖는 단열재가 얻어진다.
도액을 도포하는 지지체는 특별히 한정되지 않는다. 지지체는, 단열재를 제조 후에 단열재로부터 박리되어도 되며, 단열재로부터 박리되지 않고 사용되어도 된다. 지지체는, 예를 들면, 단열재의 적용 대상이어도 된다. 대상물을 구성하는 재료는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 금속, 세라믹, 유리, 수지, 이들의 복합 재료 등이어도 된다. 또, 지지체의 형태는, 사용 목적, 재질 등에 따라 적절히 선택해도 되고, 예를 들면, 블록상, 시트상, 파우더상, 섬유상 등이어도 된다.
도액의 도포 방법은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 딥 코트, 스프레이 코트, 스핀 코트, 롤 코트 등을 들 수 있다.
도액의 도포 방법으로서는, 도액에 가해지는 압력이 1.5MPa 이하인 도포 방법이 바람직하다. 이와 같은 도포 방법에 의하면, 도포 시의 부하에 의한 도액 중의 응집체의 해쇄가 억제되어, 상술한 효과가 보다 현저하게 나타난다. 예를 들면 롤러 코팅, 인두 코팅, 에어 스프레이 등의 도포 방법은, 도액에 가해지는 압력을 저감시키기 쉽기 때문에 바람직하다.
제거 공정에서는, 도막으로부터 액상 매체의 적어도 일부를 제거함으로써, 에어로젤 입자의 응집체와 수용성 수지를 함유하는 복합 재료로 이루어지는 단열재가 형성된다.
도액으로부터 액상 매체를 제거하는 방법은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 가열(예를 들면, 40~150℃) 처리, 감압(예를 들면, 10000Pa 이하) 처리, 또는 그들 양 처리를 행하는 방법을 들 수 있다.
단열재의 두께는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 0.01~30mm여도 되고, 0.1~20mm여도 된다.
단열재는, 에어로젤 입자에 기인하는 미세 구멍을 갖고 있다. 단열재의 미세 구멍 용적은, 보다 높은 단열성이 얻어지는 관점에서, 0.15cm3/g 이상이 바람직하고, 0.20cm3/g 이상이 보다 바람직하며, 0.60cm3/g 이상이 더 바람직하다. 단열재의 미세 구멍 용적의 상한은 특별히 한정되지 않는다. 단열재의 미세 구멍 용적은, 예를 들면 5.0cm3/g 이하여도 된다.
단열재의 열전도율은, 예를 들면 0.05W/(m·K) 이하이고, 바람직하게는 0.04W/(m·K) 이하, 보다 바람직하게는 0.035W/(m·K) 이하이다. 단열재의 열전도율의 하한은 특별히 한정되지 않는다. 단열재의 열전도율은, 예를 들면 0.01W/(m·K) 이상이어도 된다.
본 실시형태의 제조 방법에 의하여 제조되는 단열재는, 에어로젤에서 유래하는 우수한 단열성, 내열성, 난연성 등을 갖는다. 이 때문에, 당해 단열재는, 극저온 용기, 우주 분야, 건축 분야, 자동차 분야, 가전 분야, 반도체 분야, 산업용 설비 등에 있어서의 단열재로서의 용도 등에 적용할 수 있다. 또한, 당해 단열재는, 단열재로서의 용도 외에, 발수재, 흡음재, 정진재, 촉매 담지재 등으로서도 이용할 수 있다.
이상, 본 발명의 적합한 실시형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
실시예
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
500mL 세퍼러블 플라스크에, 수용성 고분자로서 산젤로스 90L(다이도 가세이 고교 주식회사제) 6질량부, 아이소프로필알코올(후지필름 와코 준야쿠 고교 주식회사제, 시약) 46질량부, 열수 840질량부를 취하고, 메커니컬 스터러를 이용하여 200rpm으로 1분간 교반하여, 분산액을 얻었다. 계속해서, 플라스크를 빙수욕으로 냉각하면서, 메커니컬 스터러를 이용하여 200rpm으로 교반하여 산젤로스 90L을 용해하여, 산젤로스 90L의 수용액인 프리젤을 얻었다. 플래니터리 믹서(프라이믹스사제, 2P-1형)에, 상기 프리젤 892질량부와 아크릴 수지 에멀션 수용액(DIC 주식회사제, 제품명: 본코트 DV759-EF) 1000질량부를 취하고 100rpm으로 교반했다. 계속해서 에어로젤 입자(CABOT제, 제품명: ENOVA MT1100, 입자 직경 2-24μm, 평균 입자경(D50) 10μm) 100질량부를 첨가하고, 그 후 100rpm으로 교반하여 도액을 얻었다. 또한, 도액 중, 고형분의 전체 체적 기준으로, 에어로젤 입자의 함유량은 74.7체적%, 수용성 고분자의 함유량은 0.4체적%, 아크릴 수지의 함유량은 24.9체적%였다.
(실시예 2)
실시예 1의 도액을, 150mL 타이트 보이 TB-2(애즈원 주식회사제)에 분취하고, 자전 공전 교반 믹서(THINKY제, 제품명: 아와토리 렌타로, 형번: ARE-310)를 이용하여 1000rpm의 교반을 5분간 행하여, 실시예 2의 도액을 얻었다.
(실시예 3)
수용성 고분자의 양을 5질량부로, 아이소프로필알코올의 양을 80질량부로, 열수의 양을 950질량부로 각각 변경하고, 유리 섬유(닛토 보세키 주식회사제, 제품명: CS 3J-891) 20질량부를 더 첨가한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 분산액을 얻어, 당해 분산액으로부터 실시예 1과 동일한 방법으로 프리젤을 얻었다. 이 프리젤을 이용한 것, 아크릴 수지 에멀션 수용액의 양을 500질량부로 변경한 것, 및, 에어로젤 입자 첨가 후의 교반 속도 및 교반 시간을 100rpm 및 60분으로 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 도액을 얻었다. 또한, 도액 중, 고형분의 전체 체적 기준으로, 에어로젤 입자의 함유량은 84.85체적%, 수용성 고분자의 함유량은 0.35체적%, 아크릴 수지의 함유량은 14.14체적%, 유리 섬유의 함유량은 0.65체적%였다.
(실시예 4)
수용성 고분자를 마포로즈 MP-30000(마쓰모토 유시 세이야쿠 주식회사제) 5질량부로 변경한 것, 아이소프로필알코올의 양을 40질량부로 변경한 것, 및, 에어로젤 입자 첨가 후의 교반 속도 및 교반 시간을 25rpm 및 15분으로 변경한 것 이외에는, 실시예 3과 동일한 방법으로 도액을 얻었다. 또한, 도액 중, 고형분의 전체 체적 기준으로, 에어로젤 입자의 함유량은 84.85체적%, 수용성 고분자의 함유량은 0.35체적%, 아크릴 수지의 함유량은 14.14체적%, 유리 섬유의 함유량은 0.65체적%였다.
(실시예 5)
수용성 고분자를 마포로즈 MP-30000(마쓰모토 유시 세이야쿠 주식회사제) 5질량부로 변경한 것, 아이소프로필알코올의 양을 880질량부로 변경한 것, 및, 에어로젤 입자 첨가 후의 교반 속도 및 교반 시간을 100rpm 및 90분으로 변경한 것 이외에는, 실시예 3과 동일한 방법으로 도액을 얻었다. 또한, 도액 중, 고형분의 전체 체적 기준으로, 에어로젤 입자의 함유량은 84.85체적%, 수용성 고분자의 함유량은 0.35체적%, 아크릴 수지의 함유량은 14.14체적%, 유리 섬유의 함유량은 0.65체적%였다.
(실시예 6)
수용성 고분자의 양을 50질량부로, 아이소프로필알코올의 양을 80질량부로, 열수의 양을 1900질량부로 각각 변경하고, 유리 섬유(닛토 보세키 주식회사제, 제품명: CS 3J-891) 40질량부를 더 첨가한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 분산액을 얻어, 당해 분산액으로부터 실시예 1과 동일한 방법으로 프리젤을 얻었다. 이 프리젤을 이용한 것, 아크릴 수지 에멀션 수용액의 양을 500질량부로 변경한 것, 및, 에어로젤 입자 첨가 후의 교반 속도 및 교반 시간을 50rpm 및 30분으로 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 도액을 얻었다. 또한, 도액 중, 고형분의 전체 체적 기준으로, 에어로젤 입자의 함유량은 81.72체적%, 수용성 고분자의 함유량은 3.40체적%, 아크릴 수지의 함유량은 13.62체적%, 유리 섬유의 함유량은 1.26%였다.
(실시예 7)
아이소프로필알코올의 양을 160질량부로 변경한 것 이외에는 실시예 3과 동일한 방법으로 도액을 얻었다. 또한, 도액 중, 고형분의 전체 체적 기준으로, 에어로젤 입자의 함유량은 84.85체적%, 수용성 고분자의 함유량은 0.35체적%, 아크릴 수지의 함유량은 14.14체적%, 유리 섬유의 함유량은 0.65체적%였다.
(실시예 8)
유리 섬유의 양을 50질량부로 변경한 것, 및, 에어로젤 입자 첨가 후의 교반 속도 및 교반 시간을 25rpm 및 30분으로 변경한 것 이외에는, 실시예 3과 동일한 방법으로 도액을 얻었다. 또한, 도액 중, 고형분의 전체 체적 기준으로, 에어로젤 입자의 함유량은 84.03체적%, 수용성 고분자의 함유량은 0.35체적%, 아크릴 수지의 함유량은 14.00체적%, 유리 섬유의 함유량은 1.62체적%였다.
(실시예 9)
수용성 고분자로서, 산젤로스 90L(다이도 가세이 고교 주식회사제) 10질량부 및 마포로즈 MP-30000(마쓰모토 유시 세이야쿠 주식회사제) 10질량부를 이용하고, 아이소프로필알코올의 양을 160질량부로 변경하며, 열수의 양을 2800질량부로 변경하고, 유리 섬유의 양을 40질량부로 변경하며, 아크릴 수지 에멀션 수용액의 양을 600질량부로 변경하고, 에어로젤 입자 첨가 후의 교반 속도 및 교반 시간을 50rpm 및 30분으로 변경한 것 이외에는, 실시예 3과 동일한 방법으로 도액을 얻었다. 또한, 도액 중, 고형분의 전체 체적 기준으로, 에어로젤 입자의 함유량은 81.17체적%, 수용성 고분자의 함유량은 1.35체적%, 아크릴 수지의 함유량은 16.23체적%, 유리 섬유의 함유량은 1.25체적%였다.
(실시예 10)
수용성 고분자로서, 산젤로스 90L(다이도 가세이 고교 주식회사제) 4질량부 및 마포로즈 MP-30000(마쓰모토 유시 세이야쿠 주식회사제) 4질량부를 이용하고, 아이소프로필알코올의 양을 16질량부로 변경하며, 열수의 양을 100질량부로 변경하고, 아크릴 수지 에멀션 수용액의 양을 80질량부로 변경하며, 에어로젤 입자 첨가 후의 교반 속도 및 교반 시간을 50rpm 및 30분으로 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 도액을 얻었다. 또한, 도액 중, 고형분의 전체 체적 기준으로, 에어로젤 입자의 함유량은 96.77체적%, 수용성 고분자의 함유량은 0.65체적%, 아크릴 수지의 함유량은 2.58체적%였다.
(실시예 11)
수용성 고분자의 양을 5질량부로 변경하고, 아이소프로필알코올의 양을 40질량부로 변경하며, 열수의 양을 950질량부로 변경하고, 아크릴 수지 에멀션 수용액의 양을 50질량부로 변경하며, 에어로젤 입자 첨가 후의 교반 속도 및 교반 시간을 50rpm 및 60분으로 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 도액을 얻었다. 또한, 도액 중, 고형분의 전체 체적 기준으로, 에어로젤 입자의 함유량은 97.96체적%, 수용성 고분자의 함유량은 0.41체적%, 아크릴 수지의 함유량은 1.63체적%였다.
(실시예 12)
아크릴 수지 에멀션 수용액의 양을 1250질량부로 변경하고, 에어로젤 입자 첨가 후의 교반 속도 및 교반 시간을 50rpm 및 30분으로 변경한 것 이외에는, 실시예 11과 동일한 방법으로 도액을 얻었다. 또한, 도액 중, 고형분의 전체 체적 기준으로, 에어로젤 입자의 함유량은 70.38체적%, 수용성 고분자의 함유량은 0.29체적%, 아크릴 수지의 함유량은 29.33체적%였다.
(비교예 1)
실시예 1의 도액을, 150mL 타이트 보이 TB-2(애즈원 주식회사제)에 분취하고, 자전 공전 교반 믹서(THINKY제, 제품명: 아와토리 렌타로, 형번: ARE-310)를 이용하여 1500rpm의 교반을 5분간 행하여, 비교예 1의 도액을 얻었다.
(비교예 2)
실시예 1의 도액을, 150mL 타이트 보이 TB-2(애즈원 주식회사제)에 분취하고, 자전 공전 교반 믹서(THINKY제, 제품명: 아와토리 렌타로, 형번: ARE-310)를 이용하여 2000rpm의 교반을 5분간 행하여, 비교예 2의 도액을 얻었다.
실시예 1~12, 비교예 1~2의 각 도액에 대하여, 이하의 방법으로 평가했다. 결과를 표 1~3에 나타낸다.
<도액의 현미경 관찰>
100mL 폴리 컵에 도액을 20g 정도 취하고, 스패출러를 이용하여 교반하면서 물을 2g씩 더하여, 서서히 풀면서 희석했다. 희석한 샘플을 유리 플레이트 상에 취하고, 광학 현미경(OLYMPUS제, 형번: BX51)을 이용하여, 도액 중의 에어로젤 입자 및 그 응집체를 관찰하여, 현미경 사진을 얻었다. 얻어진 현미경 사진에 대하여 화상 편집 소프트웨어 ImageJ를 이용하여 해석하고, 에어로젤 입자의 응집체의 평균 직경을 구했다.
<단열재의 균열 평가>
알루미늄박(주식회사 UACJ제, 제품명: 마이 포일 두꺼운 형 50, 두께: 50μm) 상에 불소 수지로 제작한 가로세로 40mm, 두께 2mm의 프레임을 준비하고, 스패출러를 이용하여 그 프레임 내에 도액을 도포했다. 실온 23℃에서 12시간 방치하여 도액으로부터 액상 매체를 제거하여, 단열재를 얻었다. 얻어진 단열재에 관하여, 단열재 전체에 금이 없는 것을 A, 일부에 금이 있는 것을 B, 전체에 금이 있는 것을 C로 하여, 균열 상태를 평가했다.
<단열재의 미세 구멍 용적의 평가>
상기 <단열재의 균열 평가>와 동일한 방법으로 단열재를 제작했다. 제작한 단열재를 100mg 채취하고, 고감도 가스 흡착 애널라이저(Quantachrome사제, AutoSorb iQ)를 이용하여, 미세 구멍 용적을 산출했다.
<단열재의 열전도율의 평가>
알루미늄박(주식회사 UACJ제, 제품명: 마이 포일 두꺼운 형 50, 두께: 50μm) 상에 불소 수지로 제작한 가로세로 200mm, 두께 3mm의 프레임을 준비하고, 스패출러를 이용하여 그 프레임 내에 도액을 도포했다. 실온 23℃에서 12시간 방치하여 도액으로부터 액상 매체를 제거하여, 단열재를 얻었다. 얻어진 단열재의 열전도율은 열전도율 측정 장치 "HFM-446"(NETZSCH사제, 제품명)에 의하여 정상법(定常法)으로 측정했다.
실시예 1~12 및 비교예 1~2에 있어서의 각 성분의 배합량(표 중의 (1), 질량부), 도액 중의 각 성분의 함유량(표 중의 (2), 고형분의 전체 체적 기준의 체적%), 및, 평가 결과를 표 1~3에 나타낸다.
[표 1]
[표 2]
[표 3]
표 1~3에 나타내는 바와 같이, 실시예 1~12에서는, 높은 미세 구멍 용적 및 높은 단열성이 실현되고, 성막 시의 균열도 억제되었다. 한편, 비교예 1 및 비교예 2에서는, 에어로젤 입자보다 큰 응집체가 확인되지 않고, 미세 구멍 용적이 작으며, 열전도율이 크고, 성막 시에 전체에 균열이 발생했다.
Claims (8)
- 에어로젤 입자, 소수성기를 갖는 수용성 고분자 및 액상 매체를 준비하는 준비 공정과,
상기 준비 공정에서 준비된 상기 에어로젤 입자, 상기 수용성 고분자 및 상기 액상 매체를 혼합하여 상기 에어로젤 입자를 응집시켜, 상기 에어로젤 입자의 응집체, 상기 수용성 고분자 및 상기 액상 매체를 함유하는 도액을 얻는 혼합 공정을 포함하는, 도액의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 응집체의 평균 직경이, 상기 준비 공정에서 준비된 상기 에어로젤 입자의 평균 직경의 2~40배인, 제조 방법. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 도액을 희석한 희석액을 광학 현미경에 의하여 관찰했을 때, 관찰 시야 내의 상기 에어로젤 입자 및 상기 응집체가 차지하는 면적 중, 직경 20μm 이상의 상기 응집체가 차지하는 면적이 50% 이상인, 제조 방법. - 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도액 중의 상기 에어로젤 입자 및 상기 응집체의 합계 함유량이, 고형분의 전체 체적 기준으로, 70체적% 이상인, 제조 방법. - 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수용성 고분자가, 셀룰로스계 수지를 포함하는, 제조 방법. - 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법으로 제조된 도액을 지지체 상에 도포하여, 도막을 얻는 도포 공정과,
상기 도막으로부터 상기 액상 매체의 적어도 일부를 제거하여 단열재를 얻는 제거 공정을 포함하는, 단열재의 제조 방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 단열재의 미세 구멍 용적이 0.15cm3/g 이상인, 제조 방법. - 에어로젤 입자의 응집체, 소수성기를 갖는 수용성 고분자 및 액상 매체를 함유하는 도액이며,
상기 도액을 희석한 희석액을 광학 현미경에 의하여 관찰했을 때, 관찰 시야 내의 상기 에어로젤 입자 및 상기 응집체가 차지하는 면적 중, 직경 20μm 이상의 상기 응집체가 차지하는 면적이 50% 이상인, 도액.
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