TW202041613A - 塗液、複合材料及塗膜 - Google Patents
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Abstract
一種塗液,含有氣凝膠粒子、具有疏水性基的水溶性高分子、及液狀介質。
Description
本發明是有關於一種塗液、複合材料及塗膜。
作為絕熱性優異的材料,已知有氣凝膠。另外,提出一種將氣凝膠加工成粒子狀而用作絕熱材的構成材料的方法(例如,專利文獻1及專利文獻2)。於專利文獻1中提出將粒子狀的氣凝膠用作構成絕熱窗的樹脂板等之間的填充劑。於專利文獻2中示出如下的方法:製備包含氣凝膠粒子與有機纖維的水分散液後,進一步對藉由使水蒸發而獲得的中間生成物進行壓製成型,藉此製造絕熱材(成型體)。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2012-91943號公報
[專利文獻2]日本專利特開2014-35044號公報
[發明所欲解決之課題]
氣凝膠粒子的填充率高的複合材料期待優異的耐熱性。但是,若欲對此種複合材料進行塗液化,則有難以使氣凝膠粒子分散於塗液中的情況。另外,包含此種複合材料的塗膜有氣凝膠粒子偏向存在、或無法獲得充分的膜強度的情況。
因此,本發明的目的在於提供一種氣凝膠粒子的填充率高、可形成膜強度優異的塗膜、且氣凝膠粒子的分散性優異的塗液。另外,本發明的目的在於提供一種氣凝膠粒子的填充率高、成膜時的膜強度優異的複合材料。進而,本發明的目的在於提供一種氣凝膠粒子的填充率高、膜強度優異的塗膜。
[解決課題之手段]
本發明的一方面是有關於一種塗液,其含有氣凝膠粒子、具有疏水性基的水溶性高分子、及液狀介質。此種塗液藉由具有疏水性基的水溶性高分子而氣凝膠粒子的分散性提高,因此可形成氣凝膠粒子的偏向存在少、且具有充分的膜強度的塗膜。
以固體成分的總體積基準計,所述氣凝膠粒子的含量可為70體積%以上。
所述疏水性基可為碳數1~26的烷基。
所述水溶性高分子可包含纖維素系樹脂。
所述纖維素系樹脂可具有由下述式(A-1)所表示的結構單元。
[化1]
[式中,RA
表示氫原子、烷基、羥基烷基、由-RA1
-O-RA2
所表示的基(RA1
表示烷二基,RA2
表示烷基)。三個RA
可相互相同亦可不同。其中,三個RA
中至少一個為烷基或由-RA1
-O-RA2
所表示的基]
所述液狀介質可為包含水的水系溶媒。
本發明的另一方面是有關於一種複合材料,其含有氣凝膠粒子、及具有疏水性基的水溶性高分子。
所述氣凝膠粒子的含量可為70體積%以上。
所述疏水性基可為碳數1~26的烷基。
所述水溶性高分子可包含纖維素系樹脂。
所述水溶性高分子可具有由下述式(A-1)所表示的結構單元。
[化2]
[式中,RA
表示氫原子、烷基、羥基烷基、由-RA1
-O-RA2
所表示的基(RA1
表示烷二基,RA2
表示烷基)。三個RA
可相互相同亦可不同。其中,三個RA
中至少一個為烷基或由-RA1
-O-RA2
所表示的基]
本發明的又一方面是有關於一種塗膜,其包含所述複合材料。
[發明的效果]
本發明可提供一種氣凝膠粒子的填充率高、可形成膜強度優異的塗膜、且氣凝膠粒子的分散性優異的塗液。另外,本發明可提供一種氣凝膠粒子的填充率高、成膜時的膜強度優異的複合材料。進而,本發明可提供一種氣凝膠粒子的填充率高、膜強度優異的塗膜。
以下,對本發明的較佳實施形態進行詳細說明。其中,本發明並不限定於以下的實施形態。本說明書中,使用「~」來表示的數值範圍表示包含「~」的前後所記載的數值分別作為最小值及最大值的範圍。所謂「A或B」,只要包含A及B的其中任一者即可,亦可包含兩者。本實施形態中例示的材料只要無特別說明,則可單獨使用一種或將兩種以上組合而使用。
<塗液>
本實施形態的塗液含有氣凝膠粒子、具有疏水性基的水溶性高分子、及液狀介質。本實施形態的塗液藉由具有疏水性基的水溶性高分子而氣凝膠粒子的分散性提高,因此可形成氣凝膠粒子的偏向存在少、且具有充分的膜強度的塗膜。
以塗液中的固體成分的總體積基準計,塗液中的氣凝膠粒子的含量例如可為70體積%以上,較佳為72體積%以上,更佳為74體積%以上。另外,以塗液中的固體成分的總體積基準計,塗液中的氣凝膠粒子的含量例如可為99體積%以下,較佳為97體積%以下。
<氣凝膠>
狹義而言,將對濕潤凝膠使用超臨界乾燥法而獲得的乾燥凝膠稱為氣凝膠,將藉由大氣壓下的乾燥而獲得的乾燥凝膠稱為乾凝膠(xerogel),將藉由冷凍乾燥而獲得的乾燥凝膠稱為凍凝膠(cryogel),但本實施形態中,不論濕潤凝膠的該些乾燥方法如何,均將所獲得的低密度的乾燥凝膠稱為「氣凝膠」。即,本實施形態中,所謂「氣凝膠」是指廣義的氣凝膠「由分散相為氣體的微多孔性固體所構成的凝膠(Gel comprised of a microporous solid in which the dispersed phase is a gas)」。一般而言,氣凝膠的內部具有網眼狀的微細結構,且具有2 nm~20 nm左右的粒子狀的氣凝膠成分結合而成的簇(cluster)結構。於由該簇所形成的骨架間存在小於100 nm的細孔。藉此,氣凝膠中形成有三維性微細的多孔性的結構。
本實施形態的氣凝膠例如是以二氧化矽(silica)作為主成分的二氧化矽氣凝膠。作為二氧化矽氣凝膠,可列舉導入有例如有機基(甲基等)或有機鏈的所謂經有機-無機混合(hybrid)化的二氧化矽氣凝膠。
作為本實施形態的氣凝膠,例如可列舉以下的態樣。藉由採用該些態樣,容易獲得絕熱性、阻燃性、耐熱性及柔軟性優異的氣凝膠。藉由採用各態樣,可獲得具有與各態樣對應的絕熱性、阻燃性、耐熱性及柔軟性的氣凝膠。
式(1)及式(1a)中,R1
及R2
分別獨立地表示烷基或芳基,R3
及R4
分別獨立地表示伸烷基。此處,作為芳基,可列舉苯基、經取代的苯基等。再者,作為經取代的苯基的取代基,可列舉:烷基、乙烯基、巰基、胺基、硝基、氰基等。p表示1~50的整數。式(1a)中,兩個以上的R1
分別可相同亦可不同,同樣地,兩個以上的R2
分別可相同亦可不同。式(1a)中,兩個R3
分別可相同亦可不同,同樣地,兩個R4
分別可相同亦可不同。
藉由將所述式(1)或式(1a)所表示的結構作為氣凝膠成分而導入至氣凝膠的骨架中,而成為低導熱率且柔軟的氣凝膠。就此種觀點而言,式(1)及式(1a)中,作為R1
及R2
,分別獨立地可列舉碳數為1~6的烷基、苯基等,作為該烷基,可列舉甲基等。另外,式(1)及式(1a)中,作為R3
及R4
,分別獨立地可列舉碳數為1~6的伸烷基等,作為該伸烷基,可列舉伸乙基、伸丙基等。式(1a)中,p可設為2~30,亦可為5~20。
(第二態樣)
本實施形態的氣凝膠具有包括支柱部及橋聯部的階梯(ladder)型結構,且橋聯部可具有下述通式(2)所表示的結構。藉由將此種階梯型結構作為氣凝膠成分而導入至氣凝膠的骨架中,可提高耐熱性與機械強度。再者,本實施形態中所謂「階梯型結構」是具有兩根支柱部(struts)以及將支柱部彼此連結的橋聯部(bridges)者(具有所謂「梯子」的形態者)。本態樣中,氣凝膠的骨架可包含階梯型結構,但氣凝膠亦可部分性地具有階梯型結構。
[化5]
式(2)中,R5
及R6
分別獨立地表示烷基或芳基,b表示1~50的整數。此處,作為芳基,可列舉苯基、經取代的苯基等。另外,作為經取代的苯基的取代基,可列舉:烷基、乙烯基、巰基、胺基、硝基、氰基等。再者,式(2)中,於b為2以上的整數的情況下,兩個以上的R5
分別可相同亦可不同,同樣地,兩個以上的R6
亦分別可相同亦可不同。
藉由將所述結構作為氣凝膠成分而導入至氣凝膠的骨架中,例如成為較具有由現有的階梯型矽倍半氧烷(silsesquioxane)而來的結構(即,具有下述通式(X)所表示的結構)的氣凝膠而言,具有更優異的柔軟性的氣凝膠。矽倍半氧烷為具有組成式:(RSiO1.5
)n
的聚矽氧烷,可具有籠型、階梯型、無規型等多種骨架結構。再者,如由下述通式(X)所示般,具有由現有的階梯型矽倍半氧烷而來的結構的氣凝膠中,橋聯部的結構為-O-,但本實施形態的氣凝膠中,橋聯部的結構為所述通式(2)所表示的結構(聚矽氧烷結構)。其中,本態樣的氣凝膠除了具有通式(2)所表示的結構以外,亦可進而具有由矽倍半氧烷而來的結構。
[化6]
式(X)中,R表示羥基、烷基或芳基。
式(3)中,R5
、R6
、R7
及R8
分別獨立地表示烷基或芳基,a及c分別獨立地表示1~3000的整數,b表示1~50的整數。此處,作為芳基,可列舉苯基、經取代的苯基等。另外,作為經取代的苯基的取代基,可列舉:烷基、乙烯基、巰基、胺基、硝基、氰基等。再者,式(3)中,於b為2以上的整數的情況下,兩個以上的R5
分別可相同亦可不同,同樣地,兩個以上的R6
亦分別可相同亦可不同。另外,式(3)中,於a為2以上的整數的情況下,兩個以上的R7
分別可相同亦可不同,同樣地,於c為2以上的整數的情況下,兩個以上的R8
分別可相同亦可不同。
再者,就獲得更優異的柔軟性的觀點而言,式(2)及式(3)中,作為R5
、R6
、R7
及R8
(其中,R7
及R8
僅在式(3)中),分別獨立地可列舉碳數為1~6的烷基、苯基等,作為該烷基,可列舉甲基等。另外,式(3)中,a及c分別獨立地可設為6~2000,但亦可為10~1000。另外,式(2)及式(3)中,b可設為2~30,但亦可為5~20。
(第三態樣)
本實施形態的氣凝膠亦可為作為如下溶膠(sol)的縮合物的濕潤凝膠的乾燥物(將由溶膠生成的濕潤凝膠乾燥而獲得者:由溶膠而來的濕潤凝膠的乾燥物),所述溶膠含有選自由具有水解性官能基或縮合性官能基的矽化合物、以及具有水解性官能基的矽化合物的水解生成物所組成的群組中的至少一種。再者,以上所述的氣凝膠亦可為如所述般藉由將由含有矽化合物等的溶膠生成的濕潤凝膠進行乾燥而獲得者。
作為具有水解性官能基或縮合性官能基的矽化合物,可使用聚矽氧烷化合物。即,所述溶膠可含有選自由具有水解性官能基或縮合性官能基的聚矽氧烷化合物、以及具有水解性官能基的聚矽氧烷化合物的水解生成物所組成的群組中的至少一種化合物(以下,視情況稱為「聚矽氧烷化合物群組」)。
聚矽氧烷化合物中的官能基並無特別限定,但可設為相同官能基彼此進行反應或者與其他官能基進行反應的基。作為水解性官能基,可列舉烷氧基。作為縮合性官能基,可列舉:羥基、矽烷醇基、羧基、酚性羥基等。羥基亦可包含於羥基烷基等含羥基的基中。再者,具有水解性官能基或縮合性官能基的聚矽氧烷化合物亦可進而具有與水解性官能基及縮合性官能基不同的反應性基(與水解性官能基及縮合性官能基不相當的官能基)。作為反應性基,可列舉:環氧基、巰基、縮水甘油氧基、乙烯基、丙烯醯基、甲基丙烯醯基、胺基等。環氧基亦可包含於縮水甘油氧基等含環氧基的基中。具有該些官能基及反應性基的聚矽氧烷化合物可單獨使用或將兩種以上混合使用。該些官能基及反應性基中,例如,作為提高氣凝膠的柔軟性的基,可列舉:烷氧基、矽烷醇基、羥基烷基等,該些基中,烷氧基及羥基烷基可進一步提高溶膠的相容性。另外,就提高聚矽氧烷化合物的反應性及降低氣凝膠的導熱率的觀點而言,烷氧基及羥基烷基的碳數可設為1~6,就進一步提高氣凝膠的柔軟性的觀點而言,亦可為2~4。
作為分子內具有羥基烷基的聚矽氧烷化合物,可列舉具有下述通式(A)所表示的結構者。藉由使用具有下述通式(A)所表示的結構的聚矽氧烷化合物,可將通式(1)及式(1a)所表示的結構導入至氣凝膠的骨架中。
[化8]
式(A)中,R1a
表示羥基烷基,R2a
表示伸烷基,R3a
及R4a
分別獨立地表示烷基或芳基,n表示1~50的整數。此處,作為芳基,可列舉苯基、經取代的苯基等。另外,作為經取代的苯基的取代基,可列舉:烷基、乙烯基、巰基、胺基、硝基、氰基等。再者,式(A)中,兩個R1a
分別可相同亦可不同,同樣地,兩個R2a
分別可相同亦可不同。另外,式(A)中,兩個以上的R3a
分別可相同亦可不同,同樣地,兩個以上的R4a
分別可相同亦可不同。
藉由使用作為含有所述結構的聚矽氧烷化合物的溶膠的縮合物的(由溶膠生成的)濕潤凝膠,更容易獲得低導熱率且柔軟的氣凝膠。就此種觀點而言,式(A)中,作為R1a
,可列舉碳數為1~6的羥基烷基等,作為該羥基烷基,可列舉羥基乙基、羥基丙基等。另外,式(A)中,作為R2a
,可列舉碳數為1~6的伸烷基等,作為該伸烷基,可列舉伸乙基、伸丙基等。另外,式(A)中,作為R3a
及R4a
,分別獨立地可列舉碳數為1~6的烷基、苯基等,作為該烷基,可列舉甲基等。另外,式(A)中,n可設為2~30,但亦可為5~20。
作為具有所述通式(A)所表示的結構的聚矽氧烷化合物,可使用市售品,可列舉:X-22-160AS、KF-6001、KF-6002、KF-6003等化合物(均為信越化學工業股份有限公司製造)、XF42-B0970、Fluid OFOH 702-4%等化合物(均為邁圖(Momentive)公司製造)等。
作為分子內具有烷氧基的聚矽氧烷化合物,可列舉具有下述通式(B)所表示的結構者。藉由使用具有下述通式(B)所表示的結構的聚矽氧烷化合物,可將具有通式(2)或通式(3)所表示的橋聯部的階梯型結構導入至氣凝膠的骨架中。
[化9]
式(B)中,R1b
表示烷基、烷氧基或芳基,R2b
及R3b
分別獨立地表示烷氧基,R4b
及R5b
分別獨立地表示烷基或芳基,m表示1~50的整數。此處,作為芳基,可列舉苯基、經取代的苯基等。另外,作為經取代的苯基的取代基,可列舉:烷基、乙烯基、巰基、胺基、硝基、氰基等。再者,式(B)中,兩個R1b
分別可相同亦可不同,兩個R2b
分別可相同亦可不同,同樣地,兩個R3b
分別可相同亦可不同。另外,式(B)中,於m為2以上的整數的情況下,兩個以上的R4b
分別可相同亦可不同,同樣地,兩個以上的R5b
亦分別可相同亦可不同。
藉由使用作為含有所述結構的聚矽氧烷化合物或其水解生成物的溶膠的縮合物的(由溶膠生成的)濕潤凝膠,更容易獲得低導熱率且柔軟的氣凝膠。就此種觀點而言,式(B)中,作為R1b
,可列舉碳數為1~6的烷基、碳數為1~6的烷氧基等,作為該烷基或烷氧基,可列舉:甲基、甲氧基、乙氧基等。另外,式(B)中,作為R2b
及R3b
,分別獨立地可列舉碳數為1~6的烷氧基等,作為該烷氧基,可列舉甲氧基、乙氧基等。另外,式(B)中,作為R4b
及R5b
,分別獨立地可列舉碳數為1~6的烷基、苯基等,作為該烷基,可列舉甲基等。另外,式(B)中,m可設為2~30,但亦可為5~20。
具有所述通式(B)所表示的結構的聚矽氧烷化合物可適宜參照日本專利特開2000-26609號公報、日本專利特開2012-233110號公報等中報告的製造方法而獲得。另外,作為該聚矽氧烷化合物,亦可使用XR31-B1410(邁圖(Momentive)公司製造)。
再者,烷氧基會水解,故具有烷氧基的聚矽氧烷化合物具有於溶膠中作為水解生成物而存在的可能性,具有烷氧基的聚矽氧烷化合物與其水解生成物亦可混在一起。另外,具有烷氧基的聚矽氧烷化合物中,分子中的烷氧基可全部水解,亦可部分性地水解。
該些具有水解性官能基或縮合性官能基的聚矽氧烷化合物、以及具有水解性官能基的聚矽氧烷化合物的水解生成物可單獨使用或將兩種以上混合使用。
於製作本實施形態的氣凝膠時,作為具有水解性官能基或縮合性官能基的矽化合物,可使用所述聚矽氧烷化合物以外的矽化合物。即,除所述聚矽氧烷化合物群組以外、或者代替所述聚矽氧烷化合物群組而可含有所述含有矽化合物的溶膠,所述含有矽化合物的溶膠可含有選自由具有水解性官能基或縮合性官能基的矽化合物(聚矽氧烷化合物除外)、以及具有水解性官能基的該矽化合物的水解生成物所組成的群組中的至少一種(以下,視情況稱為「矽化合物群組」)。矽化合物中的分子內的矽數可設為1或2。
作為分子內具有水解性官能基的矽化合物,並無特別限定,可列舉烷氧化烷基矽等。就提高耐水性的觀點而言,烷氧化烷基矽可將水解性官能基的個數設為三個以下。作為此種的烷氧化烷基矽,可列舉:單烷基三烷氧基矽烷、單烷基二烷氧基矽烷、二烷基二烷氧基矽烷、單烷基單烷氧基矽烷、二烷基單烷氧基矽烷、三烷基單烷氧基矽烷等,具體可列舉:甲基三甲氧基矽烷、甲基二甲氧基矽烷、二甲基二乙氧基矽烷、二甲基二甲氧基矽烷、乙基三甲氧基矽烷、己基三甲氧基矽烷等。此處,作為水解性官能基,可列舉甲氧基、乙氧基等烷氧基等。
作為具有縮合性官能基的矽化合物,並無特別限定,可列舉:矽烷四醇、甲基矽烷三醇、二甲基矽烷二醇、苯基矽烷三醇、苯基甲基矽烷二醇、二苯基矽烷二醇、正丙基矽烷三醇、己基矽烷三醇、辛基矽烷三醇、癸基矽烷三醇、三氟丙基矽烷三醇等。
具有水解性官能基或縮合性官能基的矽化合物亦可進而具有與水解性官能基及縮合性官能基不同的所述反應性基(與水解性官能基及縮合性官能基不相當的官能基)。
作為水解性官能基的個數為三個以下且具有反應性基的矽化合物,亦可使用:乙烯基三甲氧基矽烷、3-縮水甘油氧基丙基三甲氧基矽烷、3-縮水甘油氧基丙基甲基二甲氧基矽烷、3-甲基丙烯醯氧基丙基三甲氧基矽烷、3-甲基丙烯醯氧基丙基甲基二甲氧基矽烷、3-丙烯醯氧基丙基三甲氧基矽烷、3-巰基丙基三甲氧基矽烷、3-巰基丙基甲基二甲氧基矽烷、N-苯基-3-胺基丙基三甲氧基矽烷、N-2-(胺基乙基)-3-胺基丙基甲基二甲氧基矽烷等。
另外,作為具有縮合性官能基且具有反應性基的矽化合物,亦可使用:乙烯基矽烷三醇、3-縮水甘油氧基丙基矽烷三醇、3-縮水甘油氧基丙基甲基矽烷二醇、3-甲基丙烯醯氧基丙基矽烷三醇、3-甲基丙烯醯氧基丙基甲基矽烷二醇、3-丙烯醯氧基丙基矽烷三醇、3-巰基丙基矽烷三醇、3-巰基丙基甲基矽烷二醇、N-苯基-3-胺基丙基矽烷三醇、N-2-(胺基乙基)-3-胺基丙基甲基矽烷二醇等。
進而,亦可使用分子末端的水解性官能基為三個以下的矽化合物,即,雙三甲氧基矽烷基甲烷、雙三甲氧基矽烷基乙烷、雙三甲氧基矽烷基己烷、乙基三甲氧基矽烷、乙烯基三甲氧基矽烷等。
具有水解性官能基或縮合性官能基的矽化合物(聚矽氧烷化合物除外)、以及具有水解性官能基的該矽化合物的水解生成物可單獨使用或將兩種以上混合使用。
藉由使用所述矽化合物(聚矽氧烷化合物以外),可將下述通式(4)~通式(6)所表示的結構導入至氣凝膠的骨架中。本實施形態的氣凝膠可單獨具有該些結構中的任一種或具有兩種以上。
式(4)中,R9
表示烷基。此處,作為烷基,可列舉碳數為1~6的烷基等,作為該烷基,可列舉甲基等。
式(5)中,R10
及R11
分別獨立地表示烷基。此處,作為烷基,可列舉碳數為1~6的烷基等,作為該烷基,可列舉甲基等。
式(6)中,R12
表示伸烷基。此處,作為伸烷基,可列舉碳數為1~10的伸烷基等,作為該伸烷基,可列舉伸乙基、伸己基等。
(第四態樣)
就進一步強韌化的觀點以及進一步達成優異的絕熱性及柔軟性的觀點而言,本實施形態的氣凝膠除氣凝膠成分以外,亦可進而含有二氧化矽粒子。亦可將含有氣凝膠成分及二氧化矽粒子的氣凝膠稱為氣凝膠複合體。儘管氣凝膠複合體複合化有氣凝膠成分與二氧化矽粒子,但認為其具有作為氣凝膠的特徵的簇結構,並具有三維性微細的多孔性的結構。
含有氣凝膠成分及二氧化矽粒子的氣凝膠可稱為作為如下溶膠的縮合物的濕潤凝膠的乾燥物,所述溶膠含有所述的選自由具有水解性官能基或縮合性官能基的矽化合物、以及具有水解性官能基的矽化合物的水解生成物所組成的群組中的至少一種,以及二氧化矽粒子。因而,關於第一態樣~第三態樣的記載亦可適宜適用於本實施形態的氣凝膠。
作為二氧化矽粒子,可無特別限制地使用,可列舉非晶質二氧化矽粒子等。作為非晶質二氧化矽粒子,可列舉:熔融二氧化矽粒子、燻製(fumed)二氧化矽粒子、膠質(colloidal)二氧化矽粒子等。該些中,膠質二氧化矽粒子的單分散性高,且容易抑制於溶膠中的凝聚。再者,作為二氧化矽粒子,亦可為具有中空結構、多孔質結構等的二氧化矽粒子。
二氧化矽粒子的形狀並無特別限制,可列舉球狀、繭型、締合型等。該些中,藉由使用球狀的粒子作為二氧化矽粒子,容易抑制於溶膠中的凝聚。就容易對氣凝膠賦予適度的強度及柔軟性,容易獲得乾燥時的耐收縮性優異的氣凝膠的觀點而言,二氧化矽粒子的平均一次粒徑可為1 nm以上,亦可為5 nm以上,抑或可為20 nm以上。就容易抑制二氧化矽粒子的固體導熱,容易獲得絕熱性優異的氣凝膠的觀點而言,二氧化矽粒子的平均一次粒徑可為500 nm以下,亦可為300 nm以下,抑或可為100 nm以下。就該些觀點而言,二氧化矽粒子的平均一次粒徑可為1 nm~500 nm,亦可為5 nm~300 nm,抑或可為20 nm~100 nm。
本實施形態中,氣凝膠成分的平均粒徑及二氧化矽粒子的平均一次粒徑可藉由使用掃描式電子顯微鏡(以下略記為「SEM(scanning electron microscope)」)對氣凝膠直接進行觀察而獲得。此處所謂的「直徑」是指將在氣凝膠的剖面露出的粒子的剖面視為圓的情況下的直徑。另外,所謂「將剖面視為圓的情況下的直徑」是將剖面的面積置換為相同面積的正圓時的該正圓的直徑。再者,算出平均粒徑時,對於100個粒子求出圓的直徑,取其平均值。
再者,二氧化矽粒子的平均粒徑亦可根據原料來測定。例如,雙軸平均一次粒徑是根據利用SEM來觀察任意的20個粒子的結果,以如下方式算出。即,若以通常固體成分濃度為5質量%~40質量%左右且分散於水中的膠質二氧化矽粒子為例,則於膠質二氧化矽粒子的分散液中,浸漬將帶有圖案配線的晶圓切割為2 cm見方而獲得的晶片約30秒後,將該晶片以純水沖洗約30秒鐘,進行氮吹(nitrogen blow)乾燥。之後,將晶片載置於SEM觀察用的試樣台上,施加10 kV的加速電壓,以10萬倍的倍率來觀察二氧化矽粒子,拍攝圖像。自所獲得的圖像中任意地選擇20個二氧化矽粒子,將該些粒子的粒徑的平均值作為平均粒徑。
就容易獲得耐收縮性優異的氣凝膠的觀點而言,二氧化矽粒子每1 g的矽烷醇基數可為10×1018
個/g以上,亦可為50×1018
個/g以上,抑或可為100×1018
個/g以上。就容易獲得均質的氣凝膠的觀點而言,二氧化矽粒子每1 g的矽烷醇基數可為1000×1018
個/g以下,亦可為800×1018
個/g以下,抑或可為700×1018
個/g以下。就該些觀點而言,二氧化矽粒子每1 g的矽烷醇基數可為10×1018
個/g~1000×1018
個/g,亦可為50×1018
個/g~800×1018
個/g,抑或可為100×1018
個/g~700×1018
個/g。
就更容易獲得良好的反應性的觀點而言,相對於溶膠的總量100質量份,所述溶膠中所含的聚矽氧烷化合物群組的含量(具有水解性官能基或縮合性官能基的聚矽氧烷化合物的含量、以及具有水解性官能基的聚矽氧烷化合物的水解生成物的含量的總和)可為5質量份以上,亦可為10質量份以上。就更容易獲得良好的相容性的觀點而言,相對於溶膠的總量100質量份,所述溶膠中所含的聚矽氧烷化合物群組的含量可為50質量份以下,亦可為30質量份以下。就該些觀點而言,相對於溶膠的總量100質量份,所述溶膠中所含的聚矽氧烷化合物群組的含量可為5質量份~50質量份,亦可為10質量份~30質量份。
於所述溶膠含有矽化合物(聚矽氧烷化合物除外)的情況下,就更容易獲得良好的反應性的觀點而言,相對於溶膠的總量100質量份,矽化合物群組(具有水解性官能基或縮合性官能基的矽化合物的含量、以及具有水解性官能基的矽化合物的水解生成物的含量的總和)可為5質量份以上,亦可為10質量份以上。就更容易獲得良好的相容性的觀點而言,相對於溶膠的總量100質量份,所述溶膠中所含的矽化合物群組的含量可為50質量份以下,亦可為30質量份以下。就該些觀點而言,所述溶膠中所含的矽化合物群組的含量可為5質量份~50質量份,亦可為10質量份~30質量份。
於溶膠一同包含聚矽氧烷化合物群組及矽化合物群組的情況下,就更容易獲得良好的相容性的觀點而言,聚矽氧烷化合物群組的含量與矽化合物群組的含量的比可為1:0.5以上,亦可為1:1以上。就更容易抑制凝膠的收縮的觀點而言,聚矽氧烷化合物群組的含量與矽化合物群組的含量的比可為1:4以下,亦可為1:2以下。就該些觀點而言,聚矽氧烷化合物群組的含量與矽化合物群組的含量的比可為1:0.5~1:4,亦可為1:1~1:2。
於所述溶膠中包含二氧化矽粒子的情況下,就容易對氣凝膠賦予適度的強度、容易獲得乾燥時的耐收縮性優異的氣凝膠的觀點而言,相對於溶膠的總量100質量份,二氧化矽粒子的含量可為1質量份以上,亦可為4質量份以上。就容易抑制二氧化矽粒子的固體導熱、容易獲得絕熱性優異的氣凝膠的觀點而言,相對於溶膠的總量100質量份,二氧化矽粒子的含量可為20質量份以下,亦可為15質量份以下。就該些觀點而言,相對於溶膠的總量100質量份,二氧化矽粒子的含量可為1質量份~20質量份,亦可為4質量份~15質量份。
<氣凝膠粒子>
本實施形態的氣凝膠粒子例如如後述般,可藉由將整體(bulk)的氣凝膠粉碎而獲得。
氣凝膠粒子的平均粒徑D50可設為1 μm~1000 μm,但亦可為3 μm~700 μm,亦可為5 μm~500 μm,亦可為10 μm~100 μm,亦可為10 μm~50 μm。藉由氣凝膠粒子的平均粒徑D50為1 μm以上,容易獲得分散性、操作性等優異的氣凝膠粒子。另一方面,藉由平均粒徑D50為1000 μm以下,容易獲得分散性優異的氣凝膠粒子。氣凝膠粒子的平均粒徑可藉由粉碎方法及粉碎條件、篩分、分級的方式等來適宜調整。
氣凝膠粒子的平均粒徑D50可藉由雷射繞射-散射法來測定。例如,以氣凝膠粒子的含量成為0.05質量%~5質量%的方式添加於溶媒(乙醇)中,利用50 W的超音波均質機進行15分鐘~30分鐘振動,藉此進行氣凝膠粒子的分散。之後,將分散液的約10 mL左右注入至雷射繞射-散射式粒徑分佈測定裝置中,於25℃下設為折射率1.3、吸收0來測定粒徑。然後,將該粒徑分佈中的累計值50%(體積基準)下的粒徑設為平均粒徑D50。作為測定裝置,例如可使用麥奇克(Microtrac)MT3000(日機裝股份有限公司製造,製品名)。
另外,作為氣凝膠粒子,亦可使用市售品。作為氣凝膠粒子的市售品,例如可列舉艾諾瓦(ENOVA)IC3100(卡博特(CABOT)公司製造)、艾勞瓦(AeroVa)(喬斯氣凝膠公司(JIOS AEROGEL CORPORATION)製造)等。
<氣凝膠粒子的製造方法>
氣凝膠粒子的製造方法並無特別限定,例如可藉由以下的方法來製造。
本實施形態的氣凝膠粒子可藉由主要包括以下步驟的製造方法來製造:溶膠生成步驟;濕潤凝膠生成步驟,將溶膠生成步驟中獲得的溶膠進行凝膠化,之後加以熟化而獲得濕潤凝膠;清洗及溶媒置換步驟,對濕潤凝膠生成步驟中獲得的濕潤凝膠進行清洗及(視需要的)溶媒置換;乾燥步驟,對經清洗及溶媒置換的濕潤凝膠進行乾燥;以及粉碎步驟,對藉由乾燥而獲得的氣凝膠進行粉碎。
另外,亦可藉由主要包括以下步驟的製造方法來製造:溶膠生成步驟;濕潤凝膠生成步驟;濕潤凝膠粉碎步驟,對濕潤凝膠生成步驟中獲得的濕潤凝膠進行粉碎;清洗及溶媒置換步驟;以及乾燥步驟。
所獲得的氣凝膠粒子可藉由篩分、分級等進一步使大小一致。可藉由調整粒子的大小來提高分散性。再者,所謂「溶膠」是產生凝膠化反應之前的狀態,於本實施形態中是指所述矽化合物與視情況的二氧化矽粒子溶解或分散於溶媒中的狀態。另外,所謂濕潤凝膠,是指雖包含液體介質,但不具有流動性的濕潤狀態的凝膠固形物。
(溶膠生成步驟)
溶膠生成步驟為如下步驟:將矽化合物、與視情況的二氧化矽粒子(亦可為包含二氧化矽粒子的溶媒)混合並進行水解反應後,生成溶膠。本步驟中,為了促進水解反應,亦可於溶媒中進而添加酸觸媒。另外,亦可如日本專利第5250900號公報所示,於溶媒中添加界面活性劑、熱水解性化合物等。進而,以熱射線輻射抑制等為目的,亦可於溶媒中添加碳石墨、鋁化合物、鎂化合物、銀化合物、鈦化合物等成分。
作為溶媒,例如可使用水、或者水及醇的混合液。作為醇,可列舉:甲醇、乙醇、正丙醇、2-丙醇、正丁醇、2-丁醇、第三丁醇等。該些中,就降低與凝膠壁的界面張力的方面而言,作為表面張力低且沸點低的醇,可列舉:甲醇、乙醇、2-丙醇等。該些可單獨使用或將兩種以上混合使用。
例如於使用醇作為溶媒的情況下,相對於矽化合物群組及聚矽氧烷化合物群組的總量1莫耳,醇的量可設為4莫耳~8莫耳,但亦可為4~6.5,或者亦可為4.5莫耳~6莫耳。藉由將醇的量設為4莫耳以上,更容易獲得良好的相容性,另外,藉由設為8莫耳以下,更容易抑制凝膠的收縮。
作為酸觸媒,可列舉:氫氟酸、鹽酸、硝酸、硫酸、亞硫酸、磷酸、亞磷酸、次磷酸、溴酸、氯酸、亞氯酸、次亞氯酸等無機酸;酸性磷酸鋁、酸性磷酸鎂、酸性磷酸鋅等酸性磷酸鹽;乙酸、甲酸、丙酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸、檸檬酸、蘋果酸、己二酸、壬二酸等有機羧酸等。該些中,作為進一步提高所獲得的氣凝膠的耐水性的酸觸媒,可列舉有機羧酸。作為該有機羧酸,可列舉乙酸,但亦可為甲酸、丙酸、乙二酸、丙二酸等。該些可單獨使用或將兩種以上混合使用。
藉由使用酸觸媒,可促進矽化合物的水解反應,可以更短的時間獲得溶膠。
相對於聚矽氧烷化合物群組及矽化合物群組的總量100質量份,酸觸媒的添加量可設為0.001質量份~0.1質量份。
作為界面活性劑,可使用非離子性界面活性劑、離子性界面活性劑等。該些可單獨使用或將兩種以上混合使用。
作為非離子性界面活性劑,例如可使用:含有聚氧乙烯等親水部及主要包含烷基的疏水部的化合物、包含聚氧丙烯等親水部的化合物等。作為含有聚氧乙烯等親水部及主要包含烷基的疏水部的化合物,可列舉:聚氧乙烯壬基苯基醚、聚氧乙烯辛基苯基醚、聚氧乙烯烷基醚等。作為包含聚氧丙烯等親水部的化合物,可列舉聚氧丙烯烷基醚、聚氧乙烯與聚氧丙烯的嵌段共聚物等。
作為離子性界面活性劑,可列舉:陽離子性界面活性劑、陰離子性界面活性劑、兩離子性界面活性劑等。作為陽離子性界面活性劑,可列舉溴化鯨蠟基三甲基銨、氯化鯨蠟基三甲基銨等,作為陰離子性界面活性劑,可列舉十二烷基磺酸鈉等。另外,作為兩離子性界面活性劑,可列舉:胺基酸系界面活性劑、甜菜鹼系界面活性劑、胺氧化物系界面活性劑等。作為胺基酸系界面活性劑,例如可列舉醯基麩胺酸等。作為甜菜鹼系界面活性劑,例如可列舉月桂基二甲基胺基乙酸甜菜鹼、硬脂基二甲基胺基乙酸甜菜鹼等。作為胺氧化物系界面活性劑,例如可列舉月桂基二甲基胺氧化物。
認為該些界面活性劑於後述的濕潤凝膠生成步驟中發揮如下作用:減小反應系統中的溶媒與成長而來的矽氧烷聚合體之間的化學親和性的差異、抑制相分離。
界面活性劑的添加量亦受到界面活性劑的種類或矽化合物的種類以及量的影響,例如相對於聚矽氧烷化合物群組及矽化合物群組的總量100質量份,可設為1質量份~100質量份。再者,該添加量亦可為5質量份~60質量份。
據信,熱水解性化合物藉由熱水解而產生鹼觸媒,使反應溶液成為鹼性,來促進後述的濕潤凝膠生成步驟中的溶膠凝膠反應。因此,作為該熱水解性化合物,只要為可於水解後使反應溶液成為鹼性的化合物,則並無特別限定,可列舉:脲;甲醯胺、N-甲基甲醯胺、N,N-二甲基甲醯胺、乙醯胺、N-甲基乙醯胺、N,N-二甲基乙醯胺等酸醯胺;六亞甲基四胺等環狀氮化合物等。該些中,特別是脲容易獲得所述促進效果。
熱水解性化合物的添加量只要為可充分促進後述的濕潤凝膠生成步驟中的溶膠凝膠反應的量,則並無特別限定。例如,於使用脲作為熱水解性化合物的情況下,相對於聚矽氧烷化合物群組及矽化合物群組的總量100質量份,其添加量可設為1質量份~200質量份。再者,該添加量亦可為2質量份~150質量份。藉由將添加量設為1質量份以上,更容易獲得良好的反應性,另外,藉由設為200質量份以下,更容易抑制結晶的析出及凝膠密度的下降。
溶膠生成步驟的水解亦受到混合液中的矽化合物、二氧化矽粒子、酸觸媒、界面活性劑等的種類及量的影響,例如可於20℃~60℃的溫度環境下進行10分鐘~24小時,亦可於50℃~60℃的溫度環境下進行5分鐘~8小時。藉此,矽化合物中的水解性官能基充分地水解,而可更確實地獲得矽化合物的水解生成物。
然而,於在溶媒中添加熱水解性化合物的情況下,亦可將溶膠生成步驟的溫度環境調節為抑制熱水解性化合物的水解而抑制溶膠的凝膠化的溫度。此時的溫度只要為可抑制熱水解性化合物的水解的溫度,則可為任意的溫度。例如,於使用脲作為熱水解性化合物的情況下,溶膠生成步驟的溫度環境可設為0℃~40℃,但亦可為10℃~30℃。
(濕潤凝膠生成步驟)
濕潤凝膠生成步驟為如下步驟:將溶膠生成步驟中獲得的溶膠進行凝膠化,之後加以熟化而獲得濕潤凝膠。於本步驟中,為了促進凝膠化,可使用鹼觸媒。
作為鹼觸媒,可列舉:碳酸鈣、碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸鋇、碳酸鎂、碳酸鋰、碳酸銨、碳酸銅(II)、碳酸鐵(II)、碳酸銀(I)等碳酸鹽類;碳酸氫鈣、碳酸氫鉀、碳酸氫鈉、碳酸氫銨等碳酸氫鹽類;氫氧化鋰、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化銫等鹼金屬氫氧化物;氫氧化銨、氟化銨、氯化銨、溴化銨等銨化合物;偏磷酸鈉、焦磷酸鈉、多磷酸鈉等鹼性磷酸鈉鹽;烯丙基胺、二烯丙基胺、三烯丙基胺、異丙基胺、二異丙基胺、乙基胺、二乙基胺、三乙基胺、2-乙基己基胺、3-乙氧基丙基胺、二異丁基胺、3-(二乙基胺基)丙基胺、二-2-乙基己基胺、3-(二丁基胺基)丙基胺、四甲基乙二胺、第三丁基胺、第二丁基胺、丙基胺、3-(甲基胺基)丙基胺、3-(二甲基胺基)丙基胺、3-甲氧基胺、二甲基乙醇胺、甲基二乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺等脂肪族胺類;嗎啉、N-甲基嗎啉、2-甲基嗎啉、哌嗪及其衍生物、哌啶及其衍生物、咪唑及其衍生物等含氮雜環狀化合物類等。該些中,氫氧化銨(氨水)於以下方面優異:由於揮發性高,難以殘存於乾燥後的氣凝膠粒子中,故難以損害耐水性的方面;以及經濟性的方面。所述鹼觸媒可單獨使用或將兩種以上混合使用。
藉由使用鹼觸媒,可促進溶膠中的矽化合物、及二氧化矽粒子的脫水縮合反應或脫醇縮合反應,且可以更短的時間進行溶膠的凝膠化。另外,藉此可獲得強度(剛性)更高的濕潤凝膠。特別是氨的揮發性高,難以殘留於氣凝膠粒子中,因此藉由使用氨作為鹼觸媒,可獲得耐水性更優異的氣凝膠粒子。
相對於聚矽氧烷化合物群組及矽化合物群組的總量100質量份,鹼觸媒的添加量可設為0.5質量份~5質量份,但亦可為1質量份~4質量份。藉由設為0.5質量份以上,可以更短的時間進行凝膠化,藉由設為5質量份以下,可進一步抑制耐水性的下降。
濕潤凝膠生成步驟中的溶膠的凝膠化可以溶媒及鹼觸媒不揮發的方式於密閉容器內進行。凝膠化溫度可設為30℃~90℃,但亦可為40℃~80℃。藉由將凝膠化溫度設為30℃以上,可以更短的時間進行凝膠化,可獲得強度(剛性)更高的濕潤凝膠。另外,藉由將凝膠化溫度設為90℃以下,容易抑制溶媒(特別是醇)的揮發,因此可一面抑制體積收縮一面進行凝膠化。
濕潤凝膠生成步驟中的熟化可以溶媒及鹼觸媒不揮發的方式於密閉容器內進行。藉由熟化,構成濕潤凝膠的成分的結合變強,結果為,可獲得對於抑制乾燥時的收縮而言充分的強度(剛性)高的濕潤凝膠。熟化溫度可設為30℃~90℃,但亦可為40℃~80℃。藉由將熟化溫度設為30℃以上,可獲得強度(剛性)更高的濕潤凝膠,藉由將熟化溫度設為90℃以下,容易抑制溶媒(特別是醇)的揮發,因此可一面抑制體積收縮一面進行凝膠化。
再者,由於難以判別溶膠的凝膠化結束時間點的情況多,故溶膠的凝膠化與之後的熟化亦可連續地以一系列的操作來進行。
凝膠化時間與熟化時間可根據凝膠化溫度及熟化溫度而適宜設定。與溶膠中不包含二氧化矽粒子的情況相比,溶膠中包含二氧化矽粒子的情況下特別是可縮短凝膠化時間。推測其原因在於:溶膠中的矽化合物所具有的矽烷醇基或反應性基與二氧化矽粒子的矽烷醇基形成氫鍵或化學鍵。再者,凝膠化時間可設為10分鐘~120分鐘,但亦可為20分鐘~90分鐘。藉由將凝膠化時間設為10分鐘以上,容易獲得均質的濕潤凝膠,藉由設為120分鐘以下,可實現後述的清洗及溶媒置換步驟至乾燥步驟的簡化。再者,作為凝膠化及熟化的步驟整體,凝膠化時間與熟化時間的合計時間可設為4小時~480小時,但亦可為6小時~120小時。藉由將凝膠化時間與熟化時間的合計設為4小時以上,可獲得強度(剛性)更高的濕潤凝膠,藉由設為480小時以下,更容易維持熟化的效果。
為了降低所獲得的氣凝膠粒子的密度、或增大平均細孔徑,亦可於所述範圍內提高凝膠化溫度及熟化溫度,或於所述範圍內延長凝膠化時間與熟化時間的合計時間。另外,為了提高所獲得的氣凝膠粒子的密度,或減小平均細孔徑,亦可於所述範圍內降低凝膠化溫度及熟化溫度,或於所述範圍內縮短凝膠化時間與熟化時間的合計時間。
(濕潤凝膠粉碎步驟)
於進行濕潤凝膠粉碎步驟的情況下,對濕潤凝膠生成步驟中獲得的濕潤凝膠進行粉碎。粉碎例如可藉由以下方式進行:將濕潤凝膠放入亨舍爾(Henschel)型混合機中或者於混合機內進行濕潤凝膠生成步驟,並使混合機於適度的條件(轉速及時間)下運轉。另外,更簡易而言,可藉由將濕潤凝膠放入可密閉的容器中或者於可密閉的容器內進行濕潤凝膠生成步驟,並使用振動器等振盪裝置進行適度時間的振盪來進行。再者,視需要亦可使用噴射磨機、輥磨機、珠磨機等調整濕潤凝膠的粒徑。
(清洗及溶媒置換步驟)
清洗及溶媒置換步驟為具有以下步驟的步驟:對藉由濕潤凝膠生成步驟或濕潤凝膠粉碎步驟而獲得的濕潤凝膠進行清洗的步驟(清洗步驟);以及將濕潤凝膠中的清洗液置換為適合於乾燥條件(後述的乾燥步驟)的溶媒的步驟(溶媒置換步驟)。清洗及溶媒置換步驟亦可以不進行對濕潤凝膠進行清洗的步驟,而僅進行溶媒置換步驟的形態來實施,但就減少濕潤凝膠中的未反應產物、副生成物等雜質,可製造純度更高的氣凝膠粒子的觀點而言,亦可對濕潤凝膠進行清洗。
清洗步驟中,對藉由濕潤凝膠生成步驟或濕潤凝膠粉碎步驟而獲得的濕潤凝膠進行清洗。該清洗可使用例如水或有機溶媒來反覆進行。此時,可藉由加溫來提高清洗效率。
作為有機溶媒,可使用:甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1-丁醇、丙酮、甲基乙基酮、1,2-二甲氧基乙烷、乙腈、己烷、甲苯、二乙醚、氯仿、乙酸乙酯、四氫呋喃、二氯甲烷、N,N-二甲基甲醯胺、二甲基亞碸、乙酸、甲酸等各種有機溶媒。所述有機溶媒可單獨使用或將兩種以上混合使用。
於後述的溶媒置換步驟中,為了抑制由乾燥引起的凝膠的收縮,可使用低表面張力的溶媒。但是,低表面張力的溶媒一般與水的相互溶解度極低。因此,於溶媒置換步驟中使用低表面張力的溶媒的情況下,作為清洗步驟中使用的有機溶媒,可列舉對水及低表面張力的溶媒兩者具有高的相互溶解性的親水性有機溶媒。再者,清洗步驟中所使用的親水性有機溶媒可發揮用以進行溶媒置換步驟的預置換的作用。所述有機溶媒中,作為親水性有機溶媒,可列舉:甲醇、乙醇、2-丙醇、丙酮、甲基乙基酮等。再者,甲醇、乙醇、甲基乙基酮等於經濟性的方面優異。
清洗步驟中所使用的水或有機溶媒的量可設為可將濕潤凝膠中的溶媒充分置換、清洗的量。相對於濕潤凝膠的容量,該量可設為3倍~10倍的量。可反覆進行清洗,直至清洗後的濕潤凝膠中的含水率相對於二氧化矽質量而成為10質量%以下。
清洗步驟中的溫度環境可設為清洗中使用的溶媒的沸點以下的溫度,例如於使用甲醇的情況下,可設為30℃~60℃左右的加溫。
於溶媒置換步驟中,為了抑制乾燥步驟中的氣凝膠的收縮,將經清洗的濕潤凝膠的溶媒置換為規定的置換用溶媒。此時,可藉由加溫來提高置換效率。作為置換用溶媒,具體而言,乾燥步驟中於在未滿乾燥中所使用的溶媒的臨界點的溫度下,在大氣壓下進行乾燥的情況下,可列舉後述的低表面張力的溶媒。另一方面,於進行超臨界乾燥的情況下,作為置換用溶媒,例如可列舉:乙醇、甲醇、2-丙醇、二氯二氟甲烷、二氧化碳等、或者將該些溶媒混合兩種以上而成的溶媒。
作為低表面張力的溶媒,可列舉20℃下的表面張力為30 mN/m以下的溶媒。再者,該表面張力可為25 mN/m以下,或者可為20 mN/m以下。作為低表面張力的溶媒,例如可列舉:戊烷(15.5)、己烷(18.4)、庚烷(20.2)、辛烷(21.7)、2-甲基戊烷(17.4)、3-甲基戊烷(18.1)、2-甲基己烷(19.3)、環戊烷(22.6)、環己烷(25.2)、1-戊烯(16.0)等脂肪族烴類;苯(28.9)、甲苯(28.5)、間二甲苯(28.7)、對二甲苯(28.3)等芳香族烴類;二氯甲烷(27.9)、氯仿(27.2)、四氯化碳(26.9)、1-氯丙烷(21.8)、2-氯丙烷(18.1)等鹵化烴類;乙醚(17.1)、丙醚(20.5)、異丙醚(17.7)、丁基乙醚(20.8)、1,2-二甲氧基乙烷(24.6)等醚類;丙酮(23.3)、甲基乙基酮(24.6)、甲基丙基酮(25.1)、二乙基酮(25.3)等酮類;乙酸甲酯(24.8)、乙酸乙酯(23.8)、乙酸丙酯(24.3)、乙酸異丙酯(21.2)、乙酸異丁酯(23.7)、丁酸乙酯(24.6)等酯類等(括弧內表示20℃下的表面張力,單位為[mN/m])。該些中,脂肪族烴類(己烷、庚烷等)為低表面張力且作業環境性優異。另外,該些中,藉由使用丙酮、甲基乙基酮、1,2-二甲氧基乙烷等親水性有機溶媒,可兼用作所述清洗步驟的有機溶媒。再者,該些中,就後述的乾燥步驟中的乾燥更容易的方面而言,亦可使用常壓下的沸點為100℃以下的溶媒。所述溶媒可單獨使用或將兩種以上混合使用。
溶媒置換步驟中所使用的溶媒的量可設為可將清洗後的濕潤凝膠中的溶媒充分置換的量。相對於濕潤凝膠的容量,該量可設為3倍~10倍的量。
溶媒置換步驟中的溫度環境可設為置換中使用的溶媒的沸點以下的溫度,例如於使用庚烷的情況下,可設為30℃~60℃左右的加溫。
再者,於在凝膠中包含二氧化矽粒子的情況下,溶媒置換步驟並非必需。所推測的機制如以下般。即,藉由二氧化矽粒子作為三維網眼狀的骨架的支撐體而發揮功能,該骨架被支撐,乾燥步驟中的凝膠的收縮得到抑制。因此,認為可不置換用於清洗的溶媒,而將凝膠直接賦予至乾燥步驟。如此,藉由使用二氧化矽粒子,可實現清洗及溶媒置換步驟至乾燥步驟的簡化。
(乾燥步驟)
乾燥步驟中,如所述般使經清洗及(視需要的)溶媒置換的濕潤凝膠進行乾燥。藉此,可獲得氣凝膠(氣凝膠塊體(block)或氣凝膠粒子)。即,可獲得將由所述溶膠生成的濕潤凝膠進行乾燥而成的氣凝膠。
作為乾燥的方法,並無特別限制,可使用公知的常壓乾燥、超臨界乾燥或冷凍乾燥。該些方法中,就容易製造低密度的氣凝膠的觀點而言,可使用常壓乾燥或超臨界乾燥。另外,就可以低成本來生產的觀點而言,可使用常壓乾燥。再者,本實施形態中,所謂常壓是指0.1 MPa(大氣壓)。
氣凝膠可藉由將經清洗及(視需要)溶媒置換的濕潤凝膠,於未滿乾燥中所使用的溶媒的臨界點的溫度下且於大氣壓下進行乾燥而獲得。乾燥溫度根據所置換的溶媒(於未進行溶媒置換的情況下為清洗中所使用的溶媒)的種類而不同,但鑑於存在特別是高溫下的乾燥加快溶媒的蒸發速度而使凝膠產生大的龜裂的情況的方面,可設為20℃~150℃。再者,該乾燥溫度亦可為60℃~120℃。另外,乾燥時間根據濕潤凝膠的容量及乾燥溫度而不同,可設為4小時~120小時。再者,於不阻礙生產性的範圍內施加未滿臨界點的壓力來加快乾燥的情況亦包含於常壓乾燥中。
另外,氣凝膠亦可藉由將經清洗及(視需要的)溶媒置換的濕潤凝膠進行超臨界乾燥而獲得。超臨界乾燥可利用公知的方法來進行。作為進行超臨界乾燥的方法,例如可列舉以濕潤凝膠中所含的溶媒的臨界點以上的溫度及壓力來去除溶媒的方法。或者,作為進行超臨界乾燥的方法,可列舉如下方法:藉由以例如20℃~25℃、5 MPa~20 MPa左右的條件,將濕潤凝膠浸漬於液化二氧化碳中,而將濕潤凝膠中所含的溶媒的全部或一部分置換為臨界點低於該溶媒的二氧化碳,然後將二氧化碳單獨去除,或者將二氧化碳及溶媒的混合物去除。
藉由此種的常壓乾燥或超臨界乾燥而獲得的氣凝膠亦可進而於常壓下,於105℃~200℃下追加乾燥0.5小時~2小時左右。藉此,更容易獲得密度低、具有小的細孔的氣凝膠。追加乾燥亦可於常壓下,於150℃~200℃下進行。
(粉碎步驟)
於不進行濕潤凝膠粉碎步驟的情況下,對藉由乾燥而獲得的氣凝膠(氣凝膠塊體)進行粉碎,藉此獲得氣凝膠粒子。例如,可藉由將氣凝膠放入噴射磨機、輥磨機、珠磨機、錘磨機等中並以適度的轉速與時間進行運轉來進行。
<水溶性高分子>
本實施形態中,水溶性高分子只要具有疏水性基且具有水溶性即可。
作為疏水性基,例如可列舉:烷基(較佳為碳數6~26的長鏈烷基)、酯基、烷氧基、鹵素等。該些中,作為疏水性基,較佳為烷基,更佳為碳數8~26的長鏈烷基,進而佳為碳數10~26的長鏈烷基,進一步佳為碳數12~26的長鏈烷基,亦可為碳數15~26的長鏈烷基。
作為水溶性高分子,例如可列舉:改質羧基乙烯基聚合物、改質聚醚胺基甲酸酯、纖維素系樹脂、聚環氧乙烷、聚乙烯基醇、聚丙烯酸鹽、聚乙烯基吡咯啶酮、糊精系樹脂、幾丁質系樹脂、殼聚糖系樹脂等。
作為水溶性高分子,可較佳地使用纖維素系樹脂。作為纖維素系樹脂,例如可列舉:甲基纖維素、羧甲基纖維素、羥基乙基纖維素、羥基丙基甲基纖維素、及將該些進而改質(例如,疏水化)而成的改質體等。
作為纖維素系樹脂,較佳為具有烷基的纖維素系樹脂,更佳為具有碳數6~26的長鏈烷基的纖維素系樹脂。根據此種纖維素系樹脂,可更顯著地發揮本發明的效果。長鏈烷基的碳數較佳為8~26,更佳為10~26,進而佳為12~26,進一步佳為15~26。
作為纖維素系樹脂,例如較佳為具有下述式(A-1)所表示的結構單元的纖維素系樹脂。
式(A-1)中,RA
表示氫原子、烷基、羥基烷基、-RA1
-O-RA2
所表示的基(RA1
表示烷二基或羥基烷二基,RA2
表示烷基)。三個RA
可相互相同亦可不同。其中,三個RA
中至少一個為烷基或-RA1
-O-RA2
所表示的基。
式(A-1)中,作為RA
中的烷基,較佳為碳數1~26的烷基。另外,RA
中的烷基更佳為碳數1~3的短鏈烷基、或碳數6~26的長鏈烷基。長鏈烷基的碳數較佳為8~26,更佳為10~26,進而佳為12~26,進一步佳為15~26。
式(A-1)中,作為RA
中的羥基烷基,較佳為碳數1~26的羥基烷基,更佳為碳數1~10的羥基烷基,進而佳為碳數1~5的羥基烷基。
式(A-1)中,RA1
中的烷二基較佳為碳數1~26的烷二基,更佳為碳數1~10的烷二基,進而佳為碳數1~5的烷二基。另外,RA1
中的羥基烷二基較佳為碳數1~26的羥基烷二基,更佳為碳數1~10的羥基烷二基,進而佳為碳數1~5的羥基烷二基。
式(A-1)中,作為RA2
,較佳為碳數1~26的烷基。另外,RA2
中的烷基更佳為碳數1~3的短鏈烷基、或碳數6~26的長鏈烷基,更佳為長鏈烷基。長鏈烷基的碳數較佳為8~26,更佳為10~26,進而佳為12~26,進一步佳為15~26。
式(A-1)中,較佳為三個RA
中至少一個為長鏈烷基、或三個RA
中至少一個為-RA1
-O-RA2
所表示的基且RA2
為長鏈烷基。
纖維素系樹脂中,以纖維素系樹脂的總量基準計,碳數6~26的長鏈烷基的含量較佳為0.01質量%~5質量%,更佳為0.01質量%~3質量%。
本實施形態的塗液中,以塗液中的固體成分的總體積基準計,水溶性高分子的含量例如可為0.01體積%以上,較佳為0.1體積%以上,更佳為0.3體積%以上。另外,以塗液中的固體成分的總體積基準計,水溶性高分子的含量例如可為10體積%以下,較佳為5體積%以下,更佳為3體積%以下。
<液狀介質>
作為液狀介質,較佳為包含水的水系溶媒。於水系溶媒中除水以外可包含有機溶媒。有機溶媒只要為與水具有相容性者即可,例如可列舉:甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇等醇類;二乙醚、四氫呋喃、1,4-二噁烷等醚類;丙酮、甲基乙基酮等酮類;乙酸、丙酸等羧酸;乙腈、二甲基甲醯胺、三乙基胺等含氮化合物等。
本實施形態的塗液中,液狀介質的含量並無特別限定,亦可根據所需的塗液的黏度等來適宜變更。例如,液狀介質的含量可為塗液的固體成分濃度成為後述的較佳範圍的量。
塗液的固體成分濃度例如可為10質量%以上,較佳為15質量%以上,更佳為20質量%以上。另外,塗液的固體成分濃度例如可為70質量%以下,較佳為60質量%以下,更佳為50質量%以下。
<其他成分>
本實施形態的塗液亦可進而含有氣凝膠粒子、水溶性高分子及液狀介質以外的成分。
本實施形態的塗液例如亦可進而含有黏合劑樹脂。作為黏合劑樹脂,例如可列舉:環氧樹脂、矽酮樹脂、苯酚樹脂、脲樹脂、三聚氰胺樹脂、聚胺基甲酸酯樹脂、聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚酯樹脂、丙烯酸樹脂、聚氯乙烯樹脂、聚乙酸乙烯酯樹脂、聚醯胺樹脂、聚醯亞胺樹脂、聚乙烯基系樹脂等。於該些中,就耐熱性及強韌性的觀點而言,可較佳地使用矽酮樹脂、丙烯酸樹脂、苯酚樹脂、聚酯樹脂等。
於本實施形態的塗液含有黏合劑樹脂的情況下,以固體成分的總體積基準計,黏合劑樹脂的含量例如可為30體積%以下,較佳為28體積%以下,更佳為25體積%以下。另外,以固體成分的總體積基準計,黏合劑樹脂的含量例如可為0.1體積%以上,亦可為1體積%以上。
另外,本實施形態的複合材料亦可進而包含增稠劑、纖維狀物質、顏料、調平劑等作為所述以外的成分。
作為增稠劑,例如可列舉燻製二氧化矽、黏土礦物等微粒子。
纖維狀物質可表現出氣凝膠粒子間的錨定功能,可進一步提高複合材料帶來的塗膜的強度。作為纖維狀物質,並無特別限制,可列舉有機纖維及無機纖維。作為有機纖維,例如可列舉:聚醯胺系纖維、聚醯亞胺系纖維、聚乙烯基醇系纖維、聚偏二氯乙烯系纖維、聚氯乙烯系纖維、聚酯系纖維、聚丙烯腈系纖維、聚乙烯系纖維、聚丙烯系纖維、聚胺基甲酸酯系纖維、酚系纖維、聚醚酯系纖維、聚乳酸系纖維、聚碳酸酯系纖維等。作為無機纖維,例如可列舉:玻璃纖維、碳纖維、陶瓷纖維、金屬纖維等。
根據本實施形態的塗液,藉由塗液的塗佈及液狀介質的去除,可容易地形成包含後述的複合材料的塗膜。
塗佈塗液的方法並無特別限制,例如可列舉浸漬塗佈、噴塗、旋塗、輥塗等。
自塗佈的塗液中去除液狀介質的方法並無特別限制,例如可列舉進行加熱(例如,40℃~150℃)處理、減壓(例如,10000 Pa以下)處理、或該些兩處理的方法。
塗佈塗液的對象物並無特別限定。構成對象物的材料例如可為金屬、陶瓷、玻璃、樹脂、該些的複合材料等。另外,對象物的形態可根據使用目的、材質等來適宜選擇,例如可為塊體狀、片狀、粉末狀、纖維狀等。
<複合材料、塗膜>
本實施形態的複合材料含有氣凝膠粒子與水溶性高分子。本實施形態的複合材料可為自所述塗液中去除液狀介質者。即,作為複合材料中的各成分,可例示與所述塗液中的各成分相同者,複合材料中的各成分的含量可與所述塗液中的各成分的含量相同。
本實施形態的塗膜包含所述複合材料。本實施形態的塗膜可藉由所述塗液的塗佈及液狀介質的去除而形成。
塗膜的厚度並無特別限定,例如可為0.01 mm~30 mm,亦可為0.1 mm~20 mm。
本實施形態的複合材料及塗膜具有由氣凝膠而來的優異的絕熱性、耐熱性、阻燃性等。因此,該複合材料及塗膜可適用於作為極低溫容器、太空領域、建築領域、汽車領域、家電領域、半導體領域、產業用設備等中的絕熱材的用途等。再者,該複合材料及塗膜除作為絕熱材的用途以外,亦可用作撥水材、吸音材、定振材、觸媒擔載材等。
以上,對本發明的較佳實施形態進行了說明,但本發明並不限定於所述實施形態。
[實施例]
以下,藉由實施例來對本發明進一步進行詳細說明,但本發明並不限定於該些實施例。
<製作例1>
(氣凝膠粒子A的製作)
將作為含二氧化矽粒子的原料的100.0質量份的PL-2L(扶桑化學工業股份有限公司製造,製品名)、80.0質量份的水、作為酸觸媒的0.5質量份的乙酸、作為陽離子性界面活性劑的1.0質量份的溴化鯨蠟基三甲基銨(和光純藥工業股份有限公司製造)、以及作為熱水解性化合物的150.0質量份的脲進行混合,於其中加入作為矽化合物的60.0質量份的甲基三甲氧基矽烷(信越化學工業股份有限公司製造,製品名:KBM-13)、20.0質量份的二甲基二甲氧基矽烷(信越化學工業股份有限公司製造,製品名:KBM-22)、20.0質量份的具有所述通式(B)所表示的結構的兩末端二官能烷氧基改質聚矽氧烷化合物(以下,稱為「聚矽氧烷化合物A」),於25℃下反應2小時而獲得溶膠。將所獲得的溶膠於60℃下進行凝膠化後,於60℃下熟化48小時而獲得濕潤凝膠。
再者,所述「聚矽氧烷化合物A」是以如下方式來合成。首先,於包括攪拌機、溫度計及戴氏冷卻管的1升的三口燒瓶中,將100.0質量份的兩末端具有矽烷醇基的二甲基聚矽氧烷XC96-723(日本邁圖高新材料(Momentive Performance Materials Japan)合同公司製造,製品名)、181.3質量份的甲基三甲氧基矽烷及0.50質量份的第三丁基胺混合,於30℃下反應5小時。之後,於1.3 kPa的減壓下、140℃下對該反應液進行2小時加熱而將揮發成分去除,藉此獲得兩末端二官能烷氧基改質聚矽氧烷化合物(聚矽氧烷化合物A)。
之後,將所獲得的濕潤凝膠移至塑膠製瓶中並加以密閉,然後使用極限磨機(Extreme Mill)(亞速旺(AS ONE)股份有限公司製造,MX-1000XTS),以27,000 rpm進行10分鐘粉碎而獲得粒子狀的濕潤凝膠。將所獲得的粒子狀的濕潤凝膠浸漬於2500.0質量份的甲醇中,於25℃下花24小時進行清洗。一面更換為新的甲醇一面進行合計三次的該清洗操作。其次,將經清洗的粒子狀的濕潤凝膠浸漬於作為低表面張力溶媒的2500.0質量份的庚烷中,於25℃下花24小時進行溶媒置換。一面更換為新的庚烷一面進行合計三次的該溶媒置換操作。將經清洗及溶媒置換的粒子狀的濕潤凝膠於常壓下、40℃下乾燥96小時,之後進而於150℃下乾燥2小時。最後,施加至篩子(東京網屏股份有限公司製造,孔徑45 μm,線徑32 μm),從而獲得具有所述通式(3)、通式(4)及通式(5)所表示的結構的氣凝膠粒子A。
<實施例1>
(塗液的製備)
於500 mL可分離式燒瓶中取作為水溶性高分子的桑吉洛斯(Sangelose)90L(大同化成工業股份有限公司製造)4質量份、異丙醇(和光純藥工業股份有限公司製造,試劑)20質量份、熱液350質量份,使用機械攪拌器以200 rpm攪拌1分鐘,從而獲得分散液。繼而,一面利用冰水浴冷卻燒瓶,一面使用機械攪拌器以200 rpm攪拌,而溶解桑吉洛斯(Sangelose)90L,從而獲得作為桑吉洛斯(Sangelose)90L的水溶液的預凝膠。於行星式混合機(譜萊密克司(Primix)公司製造,2P-1型)取所述預凝膠374質量份與丙烯酸樹脂(日立化成股份有限公司製造,製品名:KH-CT-865)100質量份,以100 rpm攪拌。繼而,將所述氣凝膠粒子A 100質量份分為5次,一面以100 rpm攪拌一面添加,從而獲得塗液。再者,塗液中以固體成分的總體積基準計,氣凝膠粒子的含量為85.2體積%,水溶性高分子的含量為0.6體積%,黏合劑樹脂的含量為14.2體積%。
以目視觀察所獲得的塗液,將氣凝膠粒子良好地分散的情況設為A,將氣凝膠粒子分離、凝聚或沈澱的情況設為B,並評價分散性。將結果示於表1。
(塗膜的形成)
藉由金屬壓勺,以厚度成為2 mm或3 mm的方式將塗液塗佈於鋁箔(UACJ股份有限公司製造,製品名:麻依虹璐厚度型號50,厚度:50 μm)上。然後,於室溫23℃下放置12小時,自塗液中去除液狀介質,從而獲得帶鋁箔的塗膜。自所獲得的帶鋁箔的塗膜剝離鋁箔,作為性能評價用的塗膜。利用以下的方法測定所獲得的塗膜的拉伸強度及絕熱性。
(拉伸強度的測定)
將所獲得的塗膜加工為2 mm×5 mm×50 mm的尺寸,作為測定樣品。作為測定裝置,使用小型桌上試驗機「EZTest」(島津製作所股份有限公司製造,製品名)。再者,負載單元是使用500 N。使用上下配置的螺釘式平面形夾具,將上下間距離設為25 mm來設置樣品,以2.5 mm/min的速度進行拉伸。測定是設為於樣品斷裂的時間點結束。
(絕熱性的測定)
將所獲得的塗膜加工為200 mm×200 mm×3 mm的尺寸,作為測定樣品。所獲得的塗膜的導熱率是藉由導熱率測定裝置「HFM-446」(耐馳(NETZSCH)公司製造,製品名)並利用穩態法來測定。將結果示於表1。
<實施例2>
(塗液的製備)
於500 mL可分離式燒瓶中取桑吉洛斯(Sangelose)90L(大同化成工業股份有限公司製造)1質量份、異丙醇(和光純藥工業股份有限公司製造,試劑)20質量份、熱液250質量份,使用機械攪拌器以200 rpm攪拌1分鐘,從而獲得分散液。繼而,一面利用冰水浴冷卻燒瓶,一面使用機械攪拌器以200 rpm攪拌,而溶解桑吉洛斯(Sangelose)90L,從而獲得作為桑吉洛斯(Sangelose)90L的水溶液的預凝膠。於行星式混合機(譜萊密克司(Primix)公司製造,2P-1型)取所述預凝膠271質量份與丙烯酸樹脂(迪愛生(DIC)股份有限公司製造,製品名:邦可(Bonkote)DV759-EF)200質量份,以100 rpm攪拌。繼而,將氣凝膠粉末(喬斯氣凝膠(JIOS Aerogel)公司製造,艾勞瓦(AeroVa))100質量份分為5次,一面以100 rpm攪拌一面添加,從而獲得塗液。再者,塗液中以固體成分的總體積基準計,氣凝膠粒子的含量為88.1體積%,水溶性高分子的含量為0.1體積%,黏合劑樹脂的含量為11.7體積%。
以目視觀察所獲得的塗液,將氣凝膠粒子良好地分散的情況設為A,將氣凝膠粒子分離、凝聚或沈澱的情況設為B,並評價分散性。將結果示於表1。
(塗膜的形成)
藉由無氣噴槍(固瑞克(Graco)公司製造,ULTRA),以厚度成為2 mm或3 mm的方式將塗液塗佈於鋁箔(UACJ股份有限公司製造,製品名:麻依虹璐厚度型號50,厚度:50 μm)上。然後,於室溫23℃下放置12小時,自塗液中去除液狀介質,從而獲得帶鋁箔的塗膜。自所獲得的帶鋁箔的塗膜剝離鋁箔,作為性能評價用的塗膜。利用與實施例1相同的方法測定所獲得的塗膜的拉伸強度及絕熱性。將結果示於表1。
<實施例3>
(塗液的製備)
於500 mL可分離式燒瓶中取納陶皂魯普拉斯格萊特(Natrosol Plus Grade)(亞跨龍(Aqualon)公司製造)10質量份、異丙醇(和光純藥工業股份有限公司製造,試劑)10質量份、水50質量份,使用機械攪拌器以500 rpm攪拌10分鐘,從而獲得預凝膠。於行星式混合機(譜萊密克司(Primix)公司製造,2P-1型)取所述預凝膠70質量份與矽酮樹脂(信越化學股份有限公司製造,製品名:泡隆(POLON)-MF-56)500質量份,以100 rpm攪拌。繼而,將氣凝膠粉末(卡博特(CABOT)公司製造,艾諾瓦(ENOVA)IC3100)100質量份分為5次,一面以100 rpm攪拌一面添加,從而獲得塗液。再者,塗液中以固體成分的總體積基準計,氣凝膠粒子的含量為74.1體積%,水溶性高分子的含量為1.2體積%,黏合劑樹脂的含量為24.7體積%。
以目視觀察所獲得的塗液,將氣凝膠粒子良好地分散的情況設為A,將氣凝膠粒子分離、凝聚或沈澱的情況設為B,並評價分散性。將結果示於表1。
(塗膜的形成)
藉由金屬壓勺,以厚度成為2 mm或3 mm的方式將塗液塗佈於鋁箔(UACJ股份有限公司製造,製品名:麻依虹璐厚度型號50,厚度:50 μm)上。然後,於室溫23℃下放置12小時,自塗液中去除液狀介質,從而獲得帶鋁箔的塗膜。自所獲得的帶鋁箔的塗膜剝離鋁箔,作為性能評價用的塗膜。利用與實施例1相同的方法測定所獲得的塗膜的拉伸強度及絕熱性。將結果示於表1。
<比較例1>
於行星式混合機(譜萊密克司(Primix)公司製造,2P-1型)取丙烯酸樹脂(迪愛生(DIC)股份有限公司製造,製品名:邦可(Bonkote)DV750-EF)200質量份,將所述氣凝膠粒子A 100質量份分為5次,一面以100 rpm攪拌一面添加,從而獲得塗液。
以目視觀察所獲得的塗液,將氣凝膠粒子良好地分散的情況設為A,將氣凝膠粒子分離、凝聚或沈澱的情況設為B,並評價分散性。將結果示於表1。
(塗膜的形成)
使用比較例1中獲得的塗液嘗試塗膜的形成,但於塗液中氣凝膠粒子分離,因此難以形成均質的塗膜。
[表1]
實施例1 | 實施例2 | 實施例3 | 比較例1 | |
塗液的分散性 | A | A | A | B |
塗膜的拉伸強度(MPa) | 0.4 | 0.3 | 0.2 | - |
塗膜的絕熱性(mW/m·K) | 32 | 27 | 30 | - |
無
無
Claims (12)
- 一種塗液,含有: 氣凝膠粒子; 水溶性高分子,具有疏水性基;以及 液狀介質。
- 如請求項1所述的塗液,其中以固體成分的總體積基準計,所述氣凝膠粒子的含量為70體積%以上。
- 如請求項1或請求項2所述的塗液,其中所述疏水性基為碳數1~26的烷基。
- 如請求項1至請求項3中任一項所述的塗液,其中所述水溶性高分子包含纖維素系樹脂。
- 如請求項1至請求項5中任一項所述的塗液,其中所述液狀介質為包含水的水系溶媒。
- 一種複合材料,含有: 氣凝膠粒子;以及 水溶性高分子,具有疏水性基。
- 如請求項7所述的複合材料,其中所述氣凝膠粒子的含量為70體積%以上。
- 如請求項7或請求項8所述的複合材料,其中所述疏水性基為碳數1~26的烷基。
- 如請求項7至請求項9中任一項所述的複合材料,其中所述水溶性高分子包含纖維素系樹脂。
- 一種塗膜,包含如請求項7至請求項11中任一項所述的複合材料。
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