JP4375982B2 - Organic-inorganic hybrid glassy material and method for producing the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゾルゲル法により作製されたゲルと無水酸塩基反応法により作製された物質を出発材料とする新しいガラス状物質とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
600℃以下で軟化する材料としては、高分子材料や低融点ガラスなどが有名であり、古くから封着・封止材料、パッシベーションガラス、釉薬など、多くのところで用いられてきた。高分子材料と低融点ガラスでは、その諸物性が異なるので、その使用できる環境に応じて使い分けられてきた。一般的には、耐熱性や気密性能が優先される場合にはガラスが、耐熱性や気密性能以外の特性が優先される分野では高分子材料に代表される有機材料が使われてきた。しかし、昨今の技術進歩に伴い、これまで要求されなかった特性も着目され、その特性をもった材料の開発が期待されている。
【0003】
このため、耐熱性や気密性能を増能させた高分子材料や、軟化領域を低温化させたガラスいわゆる低融点ガラスの開発が積極的になされている。特に、耐熱性や気密性能が要求される電子材料市場において、PbO-SiO2-B2O3系あるいはPbO-P2O5-SnF2系ガラスなどに代表される低融点ガラスは、電子部品の封着、被覆などの分野で不可欠の材料となっている。また、低融点ガラスは高温溶融ガラスに比べ、その成形加工に要するエネルギーひいてはコストを抑えられるため、省エネルギーに対する昨今の社会的要請とも合致している。さらに、光機能性能の有機物を破壊しない温度で溶融することが可能ならば、光機能性有機物含有(非線形)光学材料のホストとして光スイッチなどの光情報通信デバイスなどへの応用が期待される。このように、一般的な溶融ガラスの特徴である耐熱性や気密性能を有し、かつ高分子材料のように種々の特性を得やすい材料は多くの分野で要望され、特に低融点ガラスにその期待が集まっている。さらに、有機無機ハイブリッドガラスも低融点ガラスの一つとして着目されている。
【0004】
低融点ガラスでは、例えば、Sn−Pb−P−F−O系ガラス(例えば、非特許文献1参照)に代表されるTickガラスが有名であり、100℃前後にガラス転移点を持ち、しかも優れた耐水性を示すので、一部の市場では使われてきている。しかしながら、この低融点ガラスはその主要構成成分に鉛を含むので、昨今の環境保護の流れから代替材料に置き換える必要性がでてきている。さらには、Tickガラスに対する要求特性も大きく変化していると同時に、その要望も多様化している。
【0005】
一般的なガラスの製造方法としては、溶融法と低温合成法が知られている。溶融法はガラス原料を直接加熱することにより溶融してガラス化させる方法で、多くのガラスがこの方法で製造されており、低融点ガラスもこの方法で製造されている。しかし、低融点ガラスの場合、融点を下げるために、鉛やアルカリ、ビスマスなどの含有を必要とするなど、構成できるガラス組成には多くの制限がある。
【0006】
一方、非晶質バルクの低温合成法としては、ゾルゲル法、液相反応法及び無水酸塩基反応法が考えられている。ゾルゲル法は金属アルコキシドなどを加水分解−重縮合し、500℃を超える温度(例えば、非特許文献2参照)、通常は700〜1600℃で熱処理することにより、バルク体を得ることができる。しかし、ゾルゲル法で作製したバルク体を実用材料としてみた場合、原料溶液の調製時に導入するアルコールなど有機物の分解・燃焼、又は有機物の分解ガス若しくは水の加熱過程における蒸発放出などのために多孔質となることが多く、耐熱性や気密性能には問題があった。このように、ゾルゲル法によるバルク製造ではまだ多くの問題が残っており、特に低融点ガラスをゾルゲル法で生産することはなされていない。
【0007】
さらに、液相反応法は収率が低いために生産性が低いという問題の他、反応系にフッ酸などを用いることや薄膜合成が限度とされていることなどから、現実的にバルク体を合成する手法としては不可能に近い状態にある。
【0008】
無水酸塩基反応法は、近年開発された手法であり、低融点ガラスの一つである有機無機ハイブリッドガラスの製作も可能(例えば、非特許文献3参照)であるが、まだ開発途上であり、すべての低融点ガラスが製作できているわけではない。
【0009】
したがって、多くの低融点ガラスの製造は、低温合成法ではなく、溶融法により行われてきた。このため、ガラス原料を溶融する都合上からそのガラス組成は制限され、生産できる低融点ガラスとなると、その種類は極めて限定されていた。
【0010】
なお、現時点では耐熱性や気密性能から、低融点ガラスが材料として有力であり、低融点ガラスに代表される形で要求物性が出されることが多い。しかし、その材料は低融点ガラスにこだわるものではなく、要求物性が合致すれば、ガラス以外の低融点あるいは低軟化点物質で大きな問題はない。
【0011】
公知技術をみれば、ゾルゲル法による石英ガラス繊維の製造方法(例えば、特許文献1参照)が、ゾルゲル法による酸化チタン繊維の製造方法(例えば、特許文献2参照)が、さらにはゾルゲル法による半導体ドープマトリックスの製造方法(例えば、特許文献3参照)が開示されている。また、溶融法によるP2O5−TeO2−ZnF2系低融点ガラスが開示されている(例えば、特許文献4参照)。
【0012】
【特許文献1】
特開昭62-297236号公報
【特許文献2】
特開昭62-223323号公報
【特許文献3】
特開平1-183438号公報
【特許文献4】
特開平7-126035号公報
【非特許文献1】
P.A.Tick, Physics and Chemistry of Glasses, vol.25 No.6, pp.149-154(1984).
【非特許文献2】
神谷寛一、作花済夫、田代憲子,窯業協会誌,pp.614−618,84(1976).
【非特許文献3】
高橋雅英、新居田治樹、横尾俊信,New Glass, pp.8-13,17(2002).
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
多くの低軟化点材料、特に低融点ガラスの製造は、溶融法により行われてきた。このため、そのガラス組成には多くの制限があり、ガラス原料を溶融する都合上、生産できる低融点ガラスは極めて限られていた。
【0014】
一方、低温合成法のゾルゲル法で製造した場合、緻密化のために500℃以上の処理温度が必要となるが、その温度で処理すると低融点ガラスとはならないので、結果として耐熱性や気密性能の良好な低融点ガラスを得ることはできなかった。特に、電子材料分野では、厳しい耐熱性や気密性能と低融点化に対応する低融点ガラスはなかった。さらに、耐熱性や気密性能を満足するガラス以外の低融点材料もこれまで見出されていない。
【0015】
特開昭62-297236号公報、特開昭62-223323号公報及び特開平1-183438号公報で開示された方法は、高温溶融でのみ対応可能であった材料生産を低温でも可能としたという功績はあるが、低融点ガラスを製造することはできない。また、ゾルゲル処理後には、500℃以上での処理も必要である。一方、特開平7-126035号公報の方法では、転移点が3百数十℃のガラスを作製できることが開示されている。しかし、それ以下の転移点をもつガラスを鉛やビスマスなどを始めとする低融点化材料なしで製作した例はこれまでなかった。
【0016】
すなわち、これまでの低融点ガラスの製造方法では、厳しい耐熱性や気密性能と低融点特性を同時に満たすガラスを作ることはできなかった。また、ガラス以外の材料でもこのような特性を満たすものはなかった。また、その製造方法も確立されていない。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明は、有機無機ハイブリッドガラス状物質を製造する場合において、ゾルゲル法で作製されたゲル体と無水酸塩基反応法により得られた物質とを、混合し、加熱して溶融し、さらに熟成された有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法である。
【0018】
また、本発明は、ゾルゲル法で作製されたゲル体がRSiO3/2若しくはR2SiO(R:有機官能基)を含む上記の有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法である。
【0019】
また、本発明は、無水酸塩基反応法により得られたガラス状質がR2SiO、P2O5及びSnOを含む上記の有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法である。
【0020】
また、本発明は、加熱による溶融工程が30℃以上400℃以下の温度で処理される上記の有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法である。
【0021】
また、本発明は、熟成工程が30℃以上400℃以下の温度でかつ5分以上の時間で処理される上記の有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法である。
【0022】
また、本発明は、上記の方法で製造された有機無機ハイブリッドガラス状物質である。
【0023】
また、本発明は、有機無機ハイブリッドガラス状物質の一部又はすべてに不規則網目構造を有する有機無機ハイブリッドガラス状物質である。
【0024】
この有機無機ハイブリッドガラス状物質は、低融点ガラス材料、光導波路、蛍光体や光触媒などの光機能性材料、湿式太陽電池や電子材料基板などの封止材等に使うことができる。また、光ファイバーなどの機能性繊維や機能性薄膜にも使うことができる。さらに、他の材料と組み合わせることにより、又は単独でも、建築材料、車両材料など、多くの応用が可能である。
【0025】
【発明の実施形態】
本発明は、有機無機ハイブリッドガラス状物質を製造する場合において、ゾルゲル法で作製されたゲル体と無水酸塩基反応法により得られた物質とを、混合し、加熱して溶融し、さらに熟成された有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法である。上記の異なる2つの方法で作製されたゲル体と得られた物質を混合する工程が先ず必要である。この混合工程がなければ、両者の長所を生かした有機無機ハイブリッドガラス状物質を作製することはできない。
【0026】
ゾルゲル法で作製されたゲル体がRSiO3/2若しくはR2SiO(R:有機官能基)を含む上記の有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法である。このように、ゾルゲル法により作製されたゲル体構造中に有機官能基を持つ金属ユニットを有することが極めて重要な意味をもつ。作製されたゲル体構造中に有機官能基を持つ金属ユニットを有しない場合、焼結はするが、溶融はしない。
【0027】
なお、この有機官能基Rは、アルキル基やアリール基が代表的である。アルキル基としては、直鎖型でも分岐型でもさらには環状型でも良い。アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基(n−、i−)、ブチル基(n−、i−、t−)、ペンチル基、ヘキシル基(炭素数:1〜20)などが挙げられ、特に好ましいのはメチル基とエチル基である。さらに、アリール基としては、フェニル基、ピリジル基、トリル基、キシリル基などがあり、特に好ましいのはフェニル基である。当然ながら、有機官能基は上述のアルキル基やアリール基に限定されるものではない。
【0028】
無水酸塩基反応法により得られた物質がR2SiO、P2O5及びSnOを含むことは、有機無機ハイブリッドガラス状物質を作製する上で極めて重要である。R2SiO、P2O5及びSnOを含まずに耐熱性及び気密性能、さらに低溶融性をもつ有機無機ハイブリッドガラス状物質を作製することは極めて難しい。
【0029】
そのゲル体と物質の混合物を加熱し、溶融状態とすることが次の重要な工程である。例えば、これまでのゾルゲル法では、ゲル体を溶融するという概念はほとんどなく、そのまま焼結工程に入っていた。このような場合、ゲル体をそのまま焼結しても、例えば高融点の透明状材料を得ることはできるが、低融点材料を得ることはできない。
【0030】
加熱による溶融工程が30℃以上400℃以下の温度で処理される有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法である。30℃よりも低い温度では、実質上溶融できない。また、400℃を超えると、網目を形成する金属元素と結合する有機基が燃焼するために所望のガラス状物質を得られないばかりか、破砕したり、気泡を生じて不透明になったりする。望ましくは、100℃以上300℃以下である。
【0031】
前記の溶融工程の後に、熟成工程に入ることが本製造法の特徴である。この熟成工程も極めて重要である。例えば、従来のゾルゲル法では、前記の溶融工程がないため、当然ながらその後の熟成工程もなかった。しかし、溶融工程をもったとしても、その後の熟成工程を経なければ、所望の有機無機ハイブリッドガラス状物質を得ることはできない。
【0032】
熟成工程が30℃以上400℃以下の温度で処理する有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法である。30℃よりも低い温度では、実質上熟成できない。400℃を超えると、熱分解することがあり、安定した有機無機ハイブリッドガラス状物質を得ることは難しくなる。望ましくは、100℃以上300℃以下である。さらに、この熟成温度は、溶融下限温度よりも低い温度では効果がない。一般的には、溶融下限温度〜(溶融下限温度+150℃)程度が望ましい。さらに、熟成に要する時間は5分以上必要である。熟成時間は、その処理量、処理温度及び反応活性な水酸基(−OH)の許容残留量により異なるが、一般的には5分未満では満足できるレベルに到達することは極めて難しい。また、長時間では生産性が下がってくるので、望ましくは10分以上1週間以内である。
【0033】
ゾルゲル法での出発原料は金属アルコキシド、金属アセチルアセトナート、金属カルボキシレート、硝酸塩、金属水酸化物、又は金属ハロゲン化物であり、先ずゾルゲル法によりゲル体を製作する。この出発原料は、上記以外でも、ゾルゲル法で使われているものであれば問題はなく、上記の出発原料に限定されない
無水酸塩基反応法での出発原料としては、例えばトリアルキルクロロシラン(R3SiCl)、ジメチルジクロロシラン(Me2SiCl2)およびリン酸(例えば、H3PO4、H3PO3)を用いることが多いが、当然ながら上述の原料に限定はされない。
【0034】
上述した2つの方法を組み合わせることにより、これまでできなかった厳しい耐熱性や気密性能と低融点特性を同時に満たす低融点ガラスの要求特性に対応することができる。また、その要求物性に容易に対応も可能となる。
【0035】
なお、加熱による溶融工程若しくは熟成工程において、不活性雰囲気下で行ったり、減圧下で行なったりすることで、時間が短縮できる傾向にある。また、マイクロ波加熱も有効である。
【0036】
また、上記の方法で製造された有機無機ハイブリッドガラス状物質は当然ながら全て対象となるが、その一部又はすべてに不規則網目構造をもつ有機無機ハイブリッドガラス状物質である。
【0037】
【実施例】
以下、実施例に基づき、述べる。
(実施例1)
ゾルゲル法での出発原料には金属アルコキシドのフェニルトリエトキシシラン(PhSi(OEt)3)とエタノールを用いた。容器中でフェニルトリエトキシシランに水、エタノール、触媒である塩酸を加え、室温で2時間撹拌し、ゲル化させた。その後、約100℃で乾燥した。
【0038】
無水塩基反応法での出発原料にはオルトリン酸(H3PO4)、ジメチルジクロロシラン(Me2SiCl2)、ジエチルジクロロシラン(Et2SiCl2)塩化スズ(SnCl2)を用いた。窒素雰囲気の反応装置中でオルトリン酸を40℃に加熱して液体にした後にジアルキルジクロロシランを加え、3時間加熱・撹拌した。この過程で徐々に昇温し、100℃まで加熱した。この段階で塩化スズを添加した。これを同じく窒素雰囲気下250℃でさらに1時間加熱し、透明状物質を得た。
【0039】
そのゲル体と透明状物質を混合し、150℃で1時間溶融し、それに引き続いて200℃で5時間熟成することにより新たな透明状物質を得た。
【0040】
10℃/minで昇温したTMA測定での収縮量変化から軟化挙動開始点を求め、その開始温度を軟化温度としたところ、この物質の軟化温度は60℃であった。また、Nicolet社の赤外吸収スペクトロメーターAVATOR360型及びJEOL社の磁気共鳴測定装置CMX-400型でケイ素ユニットが存在していることを確認した。不規則網目構造を有していたことも考慮すると、今回得た透明状物質は有機無機ハイブリッドガラス構造をとる物質、すなわち有機無機ハイブリッドガラス状物質である。
【0041】
この有機無機ハイブリッドガラス状物質の気密性能をみるため、得られた有機無機ハイブリッドガラス状物質の中に有機色素メチレンブルーを入れ、1ヶ月後の染み出し状態を観察した。この結果、染み出しは全く認められず、気密性能を満足していることが分かった。また、100℃の雰囲気下に300時間置いたこの有機無機ハイブリッドガラス状物質の転移点を測定したが、その変化は認められず、耐熱性にも問題がないことが確認された。さらに、得られた有機無機ハイブリッドガラス状物質を1ヶ月間、大気中に放置したが、特に変化は認められず、化学的耐久性に優れていることも確認できた。
【0042】
(実施例2)
ゾルゲル法での出発原料には金属アルコキシドのエチルトリエトキシシラン(EtSi(OEt)3)とエタノールを用いた。容器中でエチルトリエトキシシランに水、エタノール、触媒である塩酸を加え、室温で2時間撹拌し、ゲル化させた。 無水塩基反応法での出発原料には亜リン酸(H3PO3)、ジメチルジクロロシラン(Me2SiCl2)、ジエチルジクロロシラン(Et2SiCl2)塩化スズ(SnCl2)を用いた。窒素雰囲気の反応装置中で亜リン酸を40℃に加熱して液体にした後にジアルキルジクロロシランを加え、3時間加熱・撹拌した。この過程で徐々に昇温し、100℃まで加熱した。この段階で塩化スズを添加した。これを同じく窒素雰囲気下250℃でさらに1時間加熱し、透明状物質を得た。
【0043】
そのゲル体と透明状物質を混合し、150℃で1時間溶融し、それに引き続いて200℃で5時間熟成することにより新たな透明状物質を得た。
【0044】
10℃/minで昇温したTMA測定での収縮量変化から軟化挙動開始点を求め、その開始温度を軟化温度としたところ、この物質の軟化温度は120℃であった。また、Nicolet社の赤外吸収スペクトロメーターAVATOR360型及びJEOL社の磁気共鳴測定装置CMX-400型でケイ素ユニットが存在していることを確認した。不規則網目構造を有していたことも考慮すると、今回得た透明状物質は有機無機ハイブリッドガラス構造をとる物質、すなわち有機無機ハイブリッドガラス状物質である。
【0045】
この有機無機ハイブリッドガラス状物質の気密性能をみるため、得られた有機無機ハイブリッドガラス状物質の中に有機色素を入れ、1ヶ月後の染み出し状態を観察した。この結果、染み出しは全く認められず、気密性能を満足していることが分かった。また、100℃の雰囲気下に300時間置いたこの有機無機ハイブリッドガラス状物質の転移点を測定したが、その変化は認められず、耐熱性にも問題がないことが確認された。さらに、得られた有機無機ハイブリッドガラス状物質を1ヶ月間、大気中に放置したが、特に変化は認められず、化学的耐久性に優れていることも確認できた。
【0046】
(比較例1)
実施例1とほぼ同様の原料を用い、それぞれの方法で得られたゲル体とガラス状物質を混合後、600℃で焼成した。
【0047】
この結果、得られた物質は800℃でも軟化せず、低融点物質とは言えなかった。
【0048】
(比較例2)
実施例2とほぼ同様の原料を用い、それぞれの方法で得られたゲル体とガラス状物質を混合後、700℃で焼成した。
【0049】
この結果、得られた物質は800℃でも軟化せず、低融点物質とは言えなかった。
【0050】
【発明の効果】
本発明によれば、これまで作製が極めて難しいとされてきた厳しい耐熱性や気密性能と低融点特性を同時に満たす、更には種々の要求物性に容易に対応できる有機無機ハイブリッドガラス状物質とその製造方法を得ることができた。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a new glassy substance starting from a gel produced by a sol-gel method and a substance produced by an acid-base reaction method, and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
As materials that soften at 600 ° C. or lower, polymer materials and low-melting glass are well known, and have been used in many places such as sealing and sealing materials, passivation glasses, glazes, and the like. Polymer materials and low-melting glass have different physical properties, so they have been used properly according to the environment in which they can be used. In general, glass is used when heat resistance and hermetic performance are prioritized, and organic materials represented by polymer materials are used in fields where properties other than heat resistance and hermetic performance are prioritized. However, along with recent technological progress, attention has been paid to properties that have not been required so far, and development of materials having such properties is expected.
[0003]
For this reason, the development of polymer materials with increased heat resistance and airtight performance and so-called low-melting glass, which is a glass with a softened region lowered in temperature, has been actively carried out. Especially in the electronic materials market where heat resistance and airtightness are required, low melting point glass such as PbO-SiO 2 -B 2 O 3 or PbO-P 2 O 5 -SnF 2 It is an indispensable material in fields such as sealing and coating. In addition, the low melting point glass can reduce the energy required for the molding process and the cost compared to the high temperature molten glass, and therefore, it meets the recent social demand for energy saving. Furthermore, if it can be melted at a temperature that does not destroy the organic substance having optical functional performance, it can be expected to be applied to an optical information communication device such as an optical switch as a host of the optical functional organic substance-containing (nonlinear) optical material. As described above, materials having heat resistance and airtightness, which are the characteristics of general molten glass, and easily obtaining various properties such as polymer materials are demanded in many fields. Expectations are gathered. Furthermore, organic-inorganic hybrid glass is also attracting attention as one of low-melting glass.
[0004]
As the low melting point glass, for example, Tick glass represented by Sn-Pb-PFO glass (for example, see Non-Patent Document 1) is famous, and has a glass transition point around 100 ° C., and is excellent. It has been used in some markets due to its water resistance. However, since this low melting point glass contains lead as a main component, it is necessary to replace it with an alternative material from the recent trend of environmental protection. Furthermore, the required characteristics for Tick glass have changed greatly, and at the same time the demands have diversified.
[0005]
As a general glass production method, a melting method and a low-temperature synthesis method are known. The melting method is a method in which a glass raw material is directly heated to be melted and vitrified. Many glasses are produced by this method, and low-melting glass is also produced by this method. However, in the case of a low-melting glass, there are many restrictions on the glass composition that can be constructed, such as the need to contain lead, alkali, bismuth, etc. in order to lower the melting point.
[0006]
On the other hand, as a low-temperature synthesis method of amorphous bulk, a sol-gel method, a liquid phase reaction method, and an acid anhydride base reaction method are considered. In the sol-gel method, a bulk body can be obtained by hydrolysis-polycondensation of metal alkoxide and the like, and heat treatment at a temperature exceeding 500 ° C. (for example, see Non-Patent Document 2), usually 700 to 1600 ° C. However, when the bulk material produced by the sol-gel method is viewed as a practical material, it is porous due to the decomposition and combustion of organic substances such as alcohol introduced during the preparation of the raw material solution, or evaporative emission during the heating process of the decomposition gas or water of organic substances. In many cases, there were problems in heat resistance and airtightness. As described above, many problems still remain in bulk production by the sol-gel method, and in particular, low-melting glass has not been produced by the sol-gel method.
[0007]
In addition, the liquid phase reaction method has a low yield, resulting in low productivity, the use of hydrofluoric acid in the reaction system and the limited synthesis of thin films. It is almost impossible to synthesize.
[0008]
The anhydride-base reaction method is a technique developed in recent years, and it is possible to produce an organic-inorganic hybrid glass that is one of low-melting glasses (for example, see Non-Patent Document 3), but it is still under development. Not all low-melting glasses can be made.
[0009]
Therefore, many low-melting-point glasses have been manufactured not by a low-temperature synthesis method but by a melting method. For this reason, the glass composition is limited for the convenience of melting the glass raw material, and the kind of the low melting glass that can be produced is extremely limited.
[0010]
At present, low-melting glass is a promising material due to heat resistance and airtightness, and required physical properties are often obtained in a form typified by low-melting glass. However, the material is not particular about the low melting point glass, and if the required physical properties match, there is no major problem with a low melting point or low softening point substance other than glass.
[0011]
From a known technique, a method for producing quartz glass fibers by the sol-gel method (for example, see Patent Document 1), a method for producing titanium oxide fibers by the sol-gel method (for example, see Patent Document 2), and further a semiconductor by the sol-gel method. A method for manufacturing a dope matrix (see, for example, Patent Document 3) is disclosed. Further, P 2 O 5 —TeO 2 —ZnF 2 -based low-melting glass by a melting method is disclosed (for example, see Patent Document 4).
[0012]
[Patent Document 1]
JP 62-297236 A [Patent Document 2]
JP 62-223323 [Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 1-183438 [Patent Document 4]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-126035 [Non-Patent Document 1]
PATick, Physics and Chemistry of Glasses, vol.25 No.6, pp.149-154 (1984).
[Non-Patent Document 2]
Kamiya, K., Sakuhana, K., Tashiro, No., Journal of Ceramic Association, pp.614-618, 84 (1976).
[Non-Patent Document 3]
Masahide Takahashi, Haruki Niida, Toshinobu Yokoo, New Glass, pp.8-13, 17 (2002).
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
Many low softening point materials, particularly low melting glass, have been manufactured by melting methods. For this reason, the glass composition has many restrictions, and the low melting glass which can be produced was very limited on account of melting a glass raw material.
[0014]
On the other hand, when manufactured by the low temperature synthesis sol-gel method, a processing temperature of 500 ° C. or higher is required for densification, but if it is processed at that temperature, it does not become a low melting point glass, resulting in heat resistance and airtight performance. No good low melting point glass could be obtained. In particular, in the field of electronic materials, there has been no low-melting glass corresponding to severe heat resistance, airtight performance and low melting point. Furthermore, no low-melting-point material other than glass that satisfies heat resistance and hermetic performance has been found so far.
[0015]
The methods disclosed in JP-A-62-297236, JP-A-62-223323, and JP-A-1-183438 made it possible to produce materials at low temperatures that could only be handled by high-temperature melting. Although there is an achievement, low melting glass cannot be manufactured. Further, after sol-gel treatment, treatment at 500 ° C. or higher is also necessary. On the other hand, the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-126035 discloses that a glass having a transition point of 3 and several tens of degrees Celsius can be produced. However, there has been no example of manufacturing a glass having a transition point lower than that without a low melting point material such as lead or bismuth.
[0016]
In other words, conventional low-melting glass manufacturing methods have not been able to produce a glass that satisfies severe heat resistance, airtightness and low-melting characteristics at the same time. In addition, no material other than glass satisfies such characteristics. Moreover, the manufacturing method is not established.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In the case of producing an organic-inorganic hybrid glassy material, the present invention mixes a gel body prepared by a sol-gel method and a material obtained by an acid-anhydride reaction method, melts by heating, and is further aged. This is a method for producing an organic-inorganic hybrid glassy material.
[0018]
Further, the present invention is produced gel body RSiO 3/2 or R 2 SiO in a sol-gel method: a method of manufacturing the organic-inorganic hybrid glassy material containing (R organic functional group).
[0019]
Further, the present invention is a method of manufacturing the organic-inorganic hybrid glassy material glassy substance obtained by anhydrous acid-base reaction method comprises R 2 SiO, P 2 O 5 and SnO.
[0020]
Moreover, this invention is a manufacturing method of said organic inorganic hybrid glassy substance by which the melting process by heating is processed at the temperature of 30 degreeC or more and 400 degrees C or less.
[0021]
Moreover, this invention is a manufacturing method of said organic-inorganic hybrid glassy substance by which a ripening process is processed at the temperature of 30 to 400 degreeC for 5 minutes or more.
[0022]
Moreover, this invention is the organic-inorganic hybrid glassy substance manufactured by said method.
[0023]
The present invention is also an organic-inorganic hybrid glassy material having an irregular network structure in part or all of the organic-inorganic hybrid glassy material.
[0024]
This organic-inorganic hybrid glassy substance can be used for low melting glass materials, optical waveguides, optical functional materials such as phosphors and photocatalysts, sealing materials such as wet solar cells and electronic material substrates, and the like. It can also be used for functional fibers such as optical fibers and functional thin films. Furthermore, many applications such as building materials and vehicle materials are possible by combining with other materials or alone.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the case of producing an organic-inorganic hybrid glassy material, the present invention mixes a gel body prepared by a sol-gel method and a material obtained by an acid-anhydride reaction method, melts by heating, and is further aged. This is a method for producing an organic-inorganic hybrid glassy material. A step of mixing the gel body prepared by the two different methods and the obtained substance is first required. Without this mixing step, an organic-inorganic hybrid glassy material that takes advantage of both advantages cannot be produced.
[0026]
This is a method for producing the above organic-inorganic hybrid glassy material in which the gel body produced by the sol-gel method contains RSiO 3/2 or R 2 SiO (R: organic functional group). Thus, having a metal unit having an organic functional group in a gel body structure produced by a sol-gel method is extremely important. When the prepared gel body structure does not have a metal unit having an organic functional group, it is sintered but not melted.
[0027]
The organic functional group R is typically an alkyl group or an aryl group. The alkyl group may be linear, branched or cyclic. Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group (n-, i-), a butyl group (n-, i-, t-), a pentyl group, a hexyl group (carbon number: 1 to 20). Particularly preferred are methyl and ethyl groups. Furthermore, examples of the aryl group include a phenyl group, a pyridyl group, a tolyl group, and a xylyl group, and a phenyl group is particularly preferable. Of course, the organic functional group is not limited to the above-described alkyl group or aryl group.
[0028]
The fact that the material obtained by the acid-base reaction method contains R 2 SiO, P 2 O 5 and SnO is extremely important in producing an organic-inorganic hybrid glassy material. It is extremely difficult to produce an organic-inorganic hybrid glassy material that does not contain R 2 SiO, P 2 O 5, and SnO and has heat resistance, airtightness, and low meltability.
[0029]
The next important step is to heat the gel body and substance mixture to a molten state. For example, in the conventional sol-gel method, there is almost no concept of melting the gel body, and it has entered the sintering process as it is. In such a case, even if the gel body is sintered as it is, for example, a transparent material having a high melting point can be obtained, but a low melting point material cannot be obtained.
[0030]
This is a method for producing an organic-inorganic hybrid glassy material in which a melting step by heating is performed at a temperature of 30 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. At temperatures lower than 30 ° C., it cannot be melted substantially. Further, when the temperature exceeds 400 ° C., the organic group bonded to the metal element forming the network burns, so that a desired glassy substance cannot be obtained, and it is crushed or becomes bubbled and opaque. Desirably, it is 100 degreeC or more and 300 degrees C or less.
[0031]
It is a feature of this production method that the aging step is entered after the melting step. This aging process is also extremely important. For example, in the conventional sol-gel method, since there is no melting step, there is naturally no subsequent aging step. However, even if it has a melting step, a desired organic-inorganic hybrid glassy material cannot be obtained unless a subsequent aging step is performed.
[0032]
This is a method for producing an organic-inorganic hybrid glassy material in which an aging step is performed at a temperature of 30 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. At a temperature lower than 30 ° C., it cannot be aged substantially. If it exceeds 400 ° C., it may be thermally decomposed, making it difficult to obtain a stable organic-inorganic hybrid glassy substance. Desirably, it is 100 degreeC or more and 300 degrees C or less. Furthermore, this aging temperature has no effect at a temperature lower than the melting lower limit temperature. Generally, the lower limit of melting temperature to the lower limit of melting temperature (+ 150 ° C.) is desirable. Furthermore, the time required for aging is 5 minutes or more. The aging time varies depending on the processing amount, processing temperature, and allowable residual amount of reactive hydroxyl group (—OH), but generally it is extremely difficult to reach a satisfactory level in less than 5 minutes. Moreover, since productivity falls in a long time, it is 10 minutes or more and less than 1 week desirably.
[0033]
The starting material in the sol-gel method is a metal alkoxide, metal acetylacetonate, metal carboxylate, nitrate, metal hydroxide, or metal halide. First, a gel body is produced by the sol-gel method. Other than the above, this starting material is not a problem as long as it is used in the sol-gel method. For example, trialkylchlorosilane (R 3) SiCl), dimethyldichlorosilane (Me 2 SiCl 2 ), and phosphoric acid (eg, H 3 PO 4 , H 3 PO 3 ) are often used, but of course, the raw materials are not limited to the above.
[0034]
By combining the two methods described above, it is possible to meet the required characteristics of low-melting-point glass that satisfies the severe heat resistance and hermetic performance and low-melting-point characteristics that have not been possible so far. In addition, the required physical properties can be easily handled.
[0035]
In the melting step or aging step by heating, the time tends to be shortened by carrying out under an inert atmosphere or under reduced pressure. Microwave heating is also effective.
[0036]
Of course, all the organic-inorganic hybrid glassy materials produced by the above-mentioned method are targets, but some or all of them are organic-inorganic hybrid glassy materials having an irregular network structure.
[0037]
【Example】
Hereinafter, description will be made based on examples.
Example 1
The starting materials in the sol-gel method were metal alkoxides phenyltriethoxysilane (PhSi (OEt) 3 ) and ethanol. In a container, water, ethanol, and hydrochloric acid as a catalyst were added to phenyltriethoxysilane, and the mixture was stirred at room temperature for 2 hours to gel. Then, it dried at about 100 degreeC.
[0038]
Orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ), dimethyldichlorosilane (Me 2 SiCl 2 ), diethyldichlorosilane (Et 2 SiCl 2 ) tin chloride (SnCl 2 ) were used as starting materials in the anhydrous base reaction method. In a nitrogen atmosphere reactor, orthophosphoric acid was heated to 40 ° C. to form a liquid, and then dialkyldichlorosilane was added thereto, followed by heating and stirring for 3 hours. During this process, the temperature was gradually raised and heated to 100 ° C. At this stage tin chloride was added. This was further heated at 250 ° C. for 1 hour under a nitrogen atmosphere to obtain a transparent substance.
[0039]
The gel body and the transparent material were mixed, melted at 150 ° C. for 1 hour, and then aged at 200 ° C. for 5 hours to obtain a new transparent material.
[0040]
The starting point of softening behavior was determined from the change in shrinkage in the TMA measurement with the temperature raised at 10 ° C / min, and the starting temperature was taken as the softening temperature. The softening temperature of this substance was 60 ° C. It was also confirmed that silicon units were present in Nicolet infrared absorption spectrometer AVATOR360 type and JEOL magnetic resonance measuring device CMX-400 type. In consideration of having an irregular network structure, the transparent material obtained this time is a material having an organic-inorganic hybrid glass structure, that is, an organic-inorganic hybrid glassy material.
[0041]
In order to check the airtight performance of the organic-inorganic hybrid glassy material, the organic dye methylene blue was put into the obtained organic-inorganic hybrid glassy material, and the bleeding state after one month was observed. As a result, no oozing was observed and it was found that the airtight performance was satisfied. Further, the transition point of this organic-inorganic hybrid glassy substance placed in an atmosphere of 100 ° C. for 300 hours was measured, but no change was observed, and it was confirmed that there was no problem in heat resistance. Furthermore, although the obtained organic-inorganic hybrid glassy substance was left in the atmosphere for one month, no particular change was observed, and it was confirmed that it was excellent in chemical durability.
[0042]
(Example 2)
The starting materials in the sol-gel method were metal alkoxides ethyltriethoxysilane (EtSi (OEt) 3 ) and ethanol. In a container, water, ethanol, and hydrochloric acid as a catalyst were added to ethyltriethoxysilane, and the mixture was stirred at room temperature for 2 hours to gel. Phosphorous acid (H 3 PO 3 ), dimethyldichlorosilane (Me 2 SiCl 2 ), diethyldichlorosilane (Et 2 SiCl 2 ) tin chloride (SnCl 2 ) were used as starting materials in the anhydrous base reaction method. After heating phosphorous acid to 40 degreeC and making it a liquid in the reaction apparatus of nitrogen atmosphere, the dialkyl dichlorosilane was added and it heated and stirred for 3 hours. During this process, the temperature was gradually raised and heated to 100 ° C. At this stage tin chloride was added. This was further heated at 250 ° C. for 1 hour under a nitrogen atmosphere to obtain a transparent substance.
[0043]
The gel body and the transparent material were mixed, melted at 150 ° C. for 1 hour, and then aged at 200 ° C. for 5 hours to obtain a new transparent material.
[0044]
The starting point of the softening behavior was determined from the change in shrinkage in the TMA measurement with the temperature raised at 10 ° C./min. The starting temperature was taken as the softening temperature, and the softening temperature of this substance was 120 ° C. It was also confirmed that silicon units were present in Nicolet infrared absorption spectrometer AVATOR360 type and JEOL magnetic resonance measuring device CMX-400 type. In consideration of having an irregular network structure, the transparent material obtained this time is a material having an organic-inorganic hybrid glass structure, that is, an organic-inorganic hybrid glassy material.
[0045]
In order to check the airtight performance of the organic-inorganic hybrid glassy material, an organic dye was put into the obtained organic-inorganic hybrid glassy material, and the bleeding state after one month was observed. As a result, no oozing was observed and it was found that the airtight performance was satisfied. Further, the transition point of this organic-inorganic hybrid glassy substance placed in an atmosphere of 100 ° C. for 300 hours was measured, but no change was observed, and it was confirmed that there was no problem in heat resistance. Furthermore, although the obtained organic-inorganic hybrid glassy substance was left in the atmosphere for one month, no particular change was observed, and it was confirmed that it was excellent in chemical durability.
[0046]
(Comparative Example 1)
The raw materials substantially the same as in Example 1 were used, and the gel body and glassy material obtained by each method were mixed and then fired at 600 ° C.
[0047]
As a result, the obtained substance was not softened even at 800 ° C. and could not be said to be a low melting point substance.
[0048]
(Comparative Example 2)
Using substantially the same raw materials as in Example 2, the gel body and glassy material obtained by the respective methods were mixed and then fired at 700 ° C.
[0049]
As a result, the obtained substance was not softened even at 800 ° C. and could not be said to be a low melting point substance.
[0050]
【The invention's effect】
According to the present invention, an organic-inorganic hybrid glassy material that simultaneously satisfies severe heat resistance, airtightness, and low melting point characteristics, which have been considered extremely difficult to produce, and can easily meet various required physical properties, and production thereof. Could get the way.
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