JP7660414B2 - Method for producing spherical silica aerogel - Google Patents
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Description
本発明は、球状シリカエアロゲルの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing spherical silica aerogel.
エアロゲルは、高い空隙率を有する材料であり、吸油性に優れる。ここで言うエアロゲルとは、多孔質な構造を有し分散媒体として気体を伴う固体材料を意味し、特に空隙率60%以上の固体材料を意味する。なお、空隙率とは、見掛けの体積中に含まれている気体の量を体積百分率で表した値である。エアロゲルは、上記空隙率が高いことに起因して、優れた吸油性を有している。
中でも、シリカエアロゲルの用途は様々であるが、化粧品材料として有用であり、ファンデーションを例に挙げると、皮膚に塗布した際の、その外観持続性を向上させるための添加剤として用いられている。詳述すれば、シリカエアロゲルの多孔質な構造は、皮脂を良く吸収するため、皮膚が皮脂で濡れて光の正反射率を高まりテカリが生じることが防止できる。しかも、シリカエアロゲルは、疎水化して製造されたものであると、ファンデーション等の化粧品材料の有機成分と親和性が良くなり均一に分散するため、上記テカリ防止の外観持続性効果を一層に高める。
また、これらシリカエアロゲルは、化粧品に配合した際に、滑らかな触感を得るために、粒径は1~数10μmであり、且つ肌へのローリング性を向上させるために、その形状が球状であることが望ましい。
Aerogel is a material with high porosity and excellent oil absorption. Aerogel here means a solid material with a porous structure and gas as a dispersion medium, and particularly means a solid material with a porosity of 60% or more. The porosity is the amount of gas contained in the apparent volume expressed as a volume percentage. Aerogel has excellent oil absorption due to the high porosity.
Among them, silica aerogel has various applications, but is useful as a cosmetic material, and in the case of foundation, for example, it is used as an additive to improve the appearance durability when applied to the skin. More specifically, the porous structure of silica aerogel absorbs sebum well, and prevents the skin from getting wet with sebum, which increases the regular reflectance of light and causes shine. Moreover, if silica aerogel is produced by being hydrophobic, it has good affinity with organic components of cosmetic materials such as foundation and disperses uniformly, further enhancing the appearance durability effect of preventing shine.
In addition, it is desirable that the particle size of these silica aerogels be 1 to several tens of μm in order to obtain a smooth feel when blended into cosmetics, and that their shape be spherical in order to improve rolling properties on the skin.
こうした適度な粒径を有する球状シリカエアロゲルの製造方法として、例えば次の方法が提案されている。
特許文献1には、水性シリカゾルを調製する工程、該水性シリカゾルを疎水性溶媒中に分散させてW/Oエマルションを形成させる工程、シリカゾルをゲル化させて、W/O型エマルションをゲル化体の分散液へと変換する工程、ゲル化体中の水分を、20℃における表面張力が30mN/m以下である溶媒に置換する工程、ゲル化体を疎水化剤(シリル化剤)により疎水化処理(シリル化処理)する工程、上記置換した溶媒を除去する工程を上記順に有する球状シリカエアロゲルを製造する方法が開示されている。なお、特許文献1では、ゲル化体のシリル化処理は有機溶媒中で行われており、シリル化剤によるゲル化体への表面処理が不十分であることが問題となっていた。
そこで、特許文献2には、前記W/O型エマルションをゲル化体の分散液へと変換する工程で得られたゲル化体の分散液を、O相とW相の2層に分離させる工程、W相に塩基性物質を加えて、該W相に分散するゲル化体を熟成する工程、W相に分散するゲル化体をシリル化処理する工程、疎水性有機溶媒でゲル化体を抽出する工程、ゲル化体を回収し、疎水性の球状シリカエアロゲルからなる粉体を得る工程を順に有する球状シリカエアロゲルを製造する方法が開示されている。なお、特許文献2では、ゲル化体のシリル化処理は水溶媒中で行われており、シリル化剤によるゲル化体への表面処理を十分に行うことができる。
As a method for producing such spherical silica aerogel having an appropriate particle size, for example, the following method has been proposed.
Patent Document 1 discloses a method for producing spherical silica aerogel, which includes the steps of preparing an aqueous silica sol, dispersing the aqueous silica sol in a hydrophobic solvent to form a W/O emulsion, gelling the silica sol to convert the W/O emulsion into a dispersion of a gelled body, replacing the water in the gelled body with a solvent having a surface tension of 30 mN/m or less at 20° C., subjecting the gelled body to a hydrophobizing treatment (silylation treatment) with a hydrophobizing agent (silylating agent), and removing the substituted solvent, in the above order. Note that in Patent Document 1, the silylation treatment of the gelled body is performed in an organic solvent, and there is a problem in that the surface treatment of the gelled body with the silylation agent is insufficient.
Therefore, Patent Document 2 discloses a method for producing spherical silica aerogel, which includes the steps of separating the gelled dispersion obtained in the step of converting the W/O emulsion into a gelled dispersion into two layers, an O phase and a W phase, adding a basic substance to the W phase to age the gelled dispersion in the W phase, silylation of the gelled dispersion in the W phase, extracting the gelled dispersion with a hydrophobic organic solvent, and recovering the gelled dispersion to obtain a powder of hydrophobic spherical silica aerogel. In Patent Document 2, the silylation of the gelled dispersion is carried out in an aqueous solvent, and the surface treatment of the gelled dispersion with a silylation agent can be sufficiently carried out.
しかしながら、特許文献2の方法では、疎水化処理(シリル化処理)をする際に大量の酸を加えているので、分散液が強酸性となっており、通常使用されるステンレス製の反応槽の内側にグラスライニングなどを施さねばならず、設備コストが非常に高くなるという問題があった。また、反応時間が長いため、設備的に大きなものを使用する必要があるので、経済的ではないという問題もあった。
ここで、シリル化処理を中性条件下で行うと反応が進行し難いという問題があった。また、酸を添加せずにシリル化処理を行った場合、強塩基性(pH10~13)となるため、シリカ粒子が溶けてしまい、得られるシリカエアロゲルの物性が悪化するという問題があった。
そこで、本発明は通常の反応装置で処理が行え、効率よくシリル化処理ができる球状シリカエアロゲルの製造方法を提供することを目的とする。
However, in the method of Patent Document 2, a large amount of acid is added during the hydrophobization treatment (silylation treatment), so the dispersion becomes strongly acidic, and the inside of a stainless steel reaction tank that is normally used must be lined with glass, resulting in a problem of extremely high equipment costs. In addition, the reaction time is long, so large equipment must be used, which is uneconomical.
However, there was a problem that the reaction did not proceed smoothly when the silylation treatment was performed under neutral conditions, and there was also a problem that the silica particles were dissolved and the physical properties of the obtained silica aerogel were deteriorated when the silylation treatment was performed without adding an acid because the solution became strongly basic (pH 10 to 13).
Therefore, an object of the present invention is to provide a method for producing spherical silica aerogel that can be efficiently silylated using a conventional reaction apparatus.
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、シリル化処理工程において、分散液のpHを8以上10以下に調整することで、通常の反応装置で反応が行え、効率よくシリル化処理ができることを見いだし、本発明を完成させるに至った。
即ち、本発明は、
(1)水性シリカゾルを調製する工程
(2)該水性シリカゾルを疎水性溶媒中に分散させてW/O型エマルションを形成させる工程
(3)前記W/O型エマルションをゲル化体の分散液へと変換する工程
(4)該分散液を、O相とW相の2層に分離する工程
(5)W相に塩基性物質を加えて、該W相に分散するゲル化体を熟成する工程
(6)O相を除去する工程
(7)W相に分散するゲル化体をシラザン類でシリル化処理する工程
(8)W相をpH1.0~7.0に調整する工程
(9)疎水性有機溶媒でシリル化したゲル化体を抽出する工程
(10)シリル化したゲル化体を回収し、疎水性の球状シリカエアロゲルからなる粉体を得る工程を上記順に含んでなる、球状シリカエアロゲルの製造方法において、前記シリル化処理する工程では、分散液のpHを8以上10以下に調整することを特徴とする球状シリカエアロゲルの製造方法である。
As a result of extensive research to solve the above problems, the inventors discovered that by adjusting the pH of the dispersion liquid in the silylation treatment step to a range of 8 or more and 10 or less, the reaction can be carried out in a conventional reaction apparatus and the silylation treatment can be carried out efficiently, thereby completing the present invention.
That is, the present invention provides:
(1) a step of preparing an aqueous silica sol; (2) a step of dispersing the aqueous silica sol in a hydrophobic solvent to form a W/O type emulsion; (3) a step of converting the W/O type emulsion into a dispersion of a gel; (4) a step of separating the dispersion into two layers, an O phase and a W phase; (5) a step of adding a basic substance to the W phase to age the gelled body dispersed in the W phase; (6) a step of removing the O phase; (7) a step of silylation-treating the gelled body dispersed in the W phase with a silazane; (8) a step of adjusting the pH of the W phase to 1.0 to 7.0; (9) a step of extracting the silylated gelled body with a hydrophobic organic solvent; and (10) a step of recovering the silylated gelled body to obtain a powder of hydrophobic spherical silica aerogel.
本発明である球状シリカエアロゲルの製造方法は、シリル化処理工程において、従来は酸性条件下で行っていた反応を、pH8以上10以下の塩基性条件下で行うことにより、酸に弱い材質の反応装置でも使用することが可能となると共に、反応性が高いシリル化剤を使用でき、反応効率を向上させることができた。 In the method for producing spherical silica aerogel according to the present invention, the reaction in the silylation process, which was previously carried out under acidic conditions, is carried out under basic conditions (pH 8 to 10). This makes it possible to use reaction equipment made of materials that are sensitive to acid, and also allows the use of highly reactive silylation agents, improving the reaction efficiency.
本発明の球状シリカエアロゲルの製造方法は以下の工程を含む。即ち、
(1)水性シリカゾルを調製する工程
(2)該水性シリカゾルを疎水性溶媒中に分散させてW/O型エマルションを形成させる工程
(3)前記W/O型エマルションをゲル化体の分散液へと変換する工程
(4)該分散液を、O相とW相の2層に分離する工程
(5)W相に塩基性物質を加えて、該W相に分散するゲル化体を熟成する工程
(6)O相を除去する工程
(7)W相に分散するゲル化体をシラザン類でシリル化処理する工程(分散液のpHを8以上10以下に調整する)
(8)W相をpH1.0~7.0に調整する工程
(9)疎水性有機溶媒でシリル化したゲル化体を抽出する工程
(10)シリル化したゲル化体を回収し、疎水性の球状シリカエアロゲルからなる粉体を得る工程を順に行うことである。
上記の製造方法を、順序立てて以下に詳述する。
The method for producing spherical silica aerogel of the present invention includes the following steps:
(1) a step of preparing an aqueous silica sol; (2) a step of dispersing the aqueous silica sol in a hydrophobic solvent to form a W/O type emulsion; (3) a step of converting the W/O type emulsion into a dispersion of a gel; (4) a step of separating the dispersion into two layers, an O phase and a W phase; (5) a step of adding a basic substance to the W phase to mature the gelled body dispersed in the W phase; (6) a step of removing the O phase; and (7) a step of subjecting the gelled body dispersed in the W phase to a silylation treatment with silazanes (adjusting the pH of the dispersion to 8 or more and 10 or less).
(8) a step of adjusting the pH of the W phase to 1.0 to 7.0; (9) a step of extracting the silylated gelled body with a hydrophobic organic solvent; and (10) a step of recovering the silylated gelled body and obtaining a powder consisting of hydrophobic spherical silica aerogel.
The above manufacturing method will be described in detail below in an orderly manner.
(1)水性シリカゾルを調製する工程
本発明の製造方法では、まず水性シリカゾルを調製する。ここでいうシリカとは二酸化ケイ素のことであって、二酸化ケイ素で構成されている物質の総称を指し、SiO2と表す。
水性シリカゾルの調製方法は公知の方法を適宜採用すればよいが、一例として、ケイ酸アルカリ金属塩を用いる方法をあげると以下の通りである。
ケイ酸アルカリ金属塩を用いる場合には、塩酸、硫酸等の鉱酸で中和することによってシリカゾルを調製することが好ましく、具体的には、酸の水溶液に対して、該水溶液を撹拌しながらケイ酸アルカリ金属塩の水溶液を添加する方法や、酸の水溶液とケイ酸アルカリ金属塩の水溶液とを配管内で衝突混合させる方法が挙げられる(例えば特公平4-54619号公報参照)。より具体的には、水性シリカゾルを調製する際に用いる酸の量は、ケイ酸アルカリ金属塩のアルカリ金属分に対する水素イオンのモル比として、1.05~1.2とすることが望ましい。酸の量をこの範囲にした場合には調製したシリカゾルのpHは1~5程度となる。より好ましくは、調製したシリカゾルのpHが2.5~3.5となるよう、酸の量を調整する。
(1) Step of preparing aqueous silica sol In the manufacturing method of the present invention, an aqueous silica sol is first prepared. Here, silica refers to silicon dioxide, which is a general term for materials composed of silicon dioxide and is represented as SiO2 .
The aqueous silica sol can be prepared by any known method. One example is a method using an alkali metal silicate, as described below.
When an alkali metal silicate is used, it is preferable to prepare a silica sol by neutralizing it with a mineral acid such as hydrochloric acid or sulfuric acid. Specifically, a method of adding an aqueous solution of an alkali metal silicate to an aqueous solution of an acid while stirring the aqueous solution, or a method of impinging and mixing an aqueous solution of an acid and an aqueous solution of an alkali metal silicate in a pipe (see, for example, JP-B-4-54619). More specifically, the amount of acid used in preparing an aqueous silica sol is preferably 1.05 to 1.2 in terms of the molar ratio of hydrogen ions to the alkali metal content of the alkali metal silicate. When the amount of acid is within this range, the pH of the prepared silica sol is about 1 to 5. More preferably, the amount of acid is adjusted so that the pH of the prepared silica sol is 2.5 to 3.5.
上記の方法により作成したシリカゾルの濃度としては、ゲル化が比較的短時間で完了し、またシリカ粒子の骨格構造の形成を十分なものとして乾燥時の収縮を抑制でき、大きな細孔容量を得られやすい点で、シリカ分の濃度(SiO2換算濃度)として50g/L以上とすることが好ましい。その一方で、シリカ粒子の密度を相対的に小さくして、良好な細孔容積を得、また吸油量を多くできやすい点で、160g/L以下とすることが好ましく、100g/L以下とすることがより好ましい。更に好ましくは90~100g/Lである。
水性シリカゾルの濃度を上記下限値以上とすることにより、得られるエアロゲルのBJH法による細孔容積を8mL/g以下とすることが容易になるほか、エアロゲルのBJH法による細孔半径のピークを50nm以下とすることが容易になる。また、水性シリカゲルの濃度を上記上限値以下とすることにより、エアロゲルのBJH法による細孔容積を2mL/g以上とすることが容易になるほか、エアロゲルのBJH法による細孔半径のピークを10nm以上とすることが容易になる。
The concentration of the silica sol prepared by the above method is preferably 50 g/L or more in terms of silica content ( SiO2 equivalent concentration) in order to complete gelation in a relatively short time, to sufficiently form the skeletal structure of the silica particles, to suppress shrinkage during drying, and to easily obtain a large pore volume. On the other hand, in order to relatively reduce the density of the silica particles, to obtain a good pore volume, and to easily increase the oil absorption, it is preferably 160 g/L or less, and more preferably 100 g/L or less. It is even more preferably 90 to 100 g/L.
By setting the concentration of the aqueous silica sol to the above lower limit or more, it becomes easy to set the pore volume of the aerogel obtained by the BJH method to 8 mL/g or less, and to set the peak pore radius of the aerogel by the BJH method to 50 nm or less. In addition, by setting the concentration of the aqueous silica gel to the above upper limit or less, it becomes easy to set the pore volume of the aerogel by the BJH method to 2 mL/g or more, and to set the peak pore radius of the aerogel by the BJH method to 10 nm or more.
(2)該水性シリカゾルを疎水性溶媒中に分散させてW/O型エマルションを形成させる工程
本発明の球状シリカエアロゲルを製造するには、上記のようにして調整した水性シリカゾルを疎水性溶媒中に分散させて、W/Oエマルションを形成させる。このようなW/Oエマルションを形成することにより、シリカゾルは表面張力等により球状になるので、該球状形状で疎水性溶媒中に分散しているシリカゾルをゲル化させることにより、球状のゲル化体を得ることができる。このように、W/Oエマルションを形成するエマルション形成工程を経ることにより、0.8以上の高い円形度を有するエアロゲルを製造することが可能になる。
(2) Step of dispersing the aqueous silica sol in a hydrophobic solvent to form a W/O type emulsion To produce the spherical silica aerogel of the present invention, the aqueous silica sol prepared as described above is dispersed in a hydrophobic solvent to form a W/O emulsion. By forming such a W/O emulsion, the silica sol becomes spherical due to surface tension, etc., so that the silica sol dispersed in the hydrophobic solvent in the spherical shape can be gelled to obtain a spherical gelled body. In this way, by going through the emulsion formation step of forming a W/O emulsion, it is possible to produce an aerogel having a high circularity of 0.8 or more.
当該疎水性溶媒としては、水性シリカゾルとW/Oエマルションを形成できる程度の疎水性を有した溶媒であればよい。そのような溶媒としては、例えば、炭化水素類やハロゲン化炭化水素類等の有機溶媒を使用することが可能である。より具体的にはヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、ジクロロプロパン等が挙げられる。これらの中でも、適度な粘度を有するヘプタンを特に好適に用いることができる。なお必要に応じて、複数の溶媒を混合して用いてもよい。また水性シリカゾルとW/Oエマルションを形成できる範囲であれば、低級アルコール類などの親水性溶媒を併用する(混合溶媒として使用する)ことも可能である。
使用する疎水性溶媒の量は、エマルションがW/O型となる程度の量であれば特に限定されることはない。ただし、一般的には、水性シリカゾル1体積部に対して疎水性溶媒が1~10体積部程度となる量を使用する。
The hydrophobic solvent may be a solvent having hydrophobicity to the extent that it can form a W/O emulsion with the aqueous silica sol. For example, organic solvents such as hydrocarbons and halogenated hydrocarbons can be used as such solvents. More specifically, hexane, heptane, octane, nonane, decane, dichloromethane, chloroform, carbon tetrachloride, dichloropropane, etc. can be mentioned. Among these, heptane having a suitable viscosity can be particularly preferably used. If necessary, a plurality of solvents may be mixed and used. In addition, it is also possible to use a hydrophilic solvent such as lower alcohols in combination (as a mixed solvent) as long as it can form a W/O emulsion with the aqueous silica sol.
The amount of the hydrophobic solvent used is not particularly limited as long as it is an amount that makes the emulsion a W/O type, but generally, the amount of the hydrophobic solvent used is about 1 to 10 parts by volume per part by volume of the aqueous silica sol.
上記のW/Oエマルションを形成する際には、界面活性剤を添加することが好ましい。使用する界面活性剤としては、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、及びノニオン系界面活性剤のいずれも使用することが可能である。これらの中でも、W/Oエマルションを形成しやすい点で、ノニオン系界面活性剤が好ましい。本発明においては、シリカゾルが水性であるため、界面活性剤の親水性及び疎水性の程度を示す値であるHLB値が3以上6以下の界面活性剤を好適に用いることができる。なお本発明において「HLB値」とは、グリフィン法によるHLB値を意味する。
上述したように、本発明においては、W/Oエマルションの液滴の形状によってエアロゲル粒子の形状がほぼ定められる。好適に用いることのできる界面活性剤の具体的としては、ソルビタンモノオレート、ソルビタンモノステアレート、ソルビタンモノセスキオレート等が挙げられる。
界面活性剤の使用量は、W/Oエマルションを形成させる際の一般的な量と変わるところがない。具体的には、水性シリカゾル100mlに対して0.05g以上10g以下の範囲を好適に採用することができる。界面活性剤の使用量が多いと、W/Oエマルションの液滴がより微細になり易く、逆に界面活性剤の使用量が少ないと、W/Oエマルションの液滴がより大きくなり易い。したがって界面活性剤の使用量を増減することにより、エアロゲルの平均粒径を調整することが可能である。
When forming the above W/O emulsion, it is preferable to add a surfactant. The surfactant to be used may be any of anionic surfactants, cationic surfactants, and nonionic surfactants. Among these, nonionic surfactants are preferred because they are easy to form a W/O emulsion. In the present invention, since the silica sol is aqueous, a surfactant having an HLB value of 3 or more and 6 or less, which is a value indicating the degree of hydrophilicity and hydrophobicity of the surfactant, can be suitably used. In the present invention, the "HLB value" means the HLB value according to the Griffin method.
As described above, in the present invention, the shape of the aerogel particles is determined almost entirely by the shape of the droplets of the W/O emulsion. Specific examples of surfactants that can be suitably used include sorbitan monooleate, sorbitan monostearate, and sorbitan monosesquioleate.
The amount of surfactant used is the same as the general amount used to form a W/O emulsion. Specifically, a range of 0.05 g to 10 g per 100 ml of aqueous silica sol can be suitably adopted. If a large amount of surfactant is used, the droplets of the W/O emulsion tend to become finer, and conversely, if a small amount of surfactant is used, the droplets of the W/O emulsion tend to become larger. Therefore, it is possible to adjust the average particle size of the aerogel by increasing or decreasing the amount of surfactant used.
W/Oエマルションを形成する際に、水性シリカゾルを疎水性溶媒中に分散させる方法としては、W/Oエマルションの公知の形成方法を採用することができる。工業的な製造の容易性などの観点からは、機械乳化によるエマルション形成が好ましく、具体的には、ミキサー、ホモジナイザー等を使用する方法を例示できる。好適には、ホモジナイザーを用いることができる。W/Oエマルション中のシリカゾル液滴の平均粒径とエアロゲルの平均粒径とは概ね対応関係にある。同時に、このようにエマルション中のシリカゾル液滴の粒径を十分小さくすることにより、シリカゾル液滴の形状が乱されにくくなるので、より高い円形度を有する球状のシリカエアロゲルを得ることが一層容易になる。 When forming a W/O emulsion, a known method for forming a W/O emulsion can be used as a method for dispersing an aqueous silica sol in a hydrophobic solvent. From the viewpoint of ease of industrial production, it is preferable to form the emulsion by mechanical emulsification, and specifically, a method using a mixer, homogenizer, etc. can be exemplified. A homogenizer can be preferably used. The average particle size of the silica sol droplets in the W/O emulsion and the average particle size of the aerogel are roughly in correspondence with each other. At the same time, by making the particle size of the silica sol droplets in the emulsion sufficiently small in this way, the shape of the silica sol droplets is less likely to be disturbed, making it easier to obtain spherical silica aerogel with a higher circularity.
(3)前記W/O型エマルションをゲル化体の分散液へと変換する工程
本発明の球状シリカエアロゲルを製造するには、このようなW/Oエマルション中のシリカゾルをゲル化させる。酸性領域にあるシリカゾルは加熱により容易にゲル化する。従って、該ゲル化は、上記W/Oエマルションを加熱すればよい。
ゲル化温度は、50℃~80℃にすることが好ましく、60℃~70℃にすることがより好ましい。ゲル化温度が上記範囲を超えて高いと比表面積が低くなり、低いとゲル化が十分に進行しない。
また、ゲル化時間は、30分~24時間とすることが好ましく、5~12時間とすることがより好ましい。
ゲル化することで、W/O型エマルションをゲル化体の分散液へと変換する。
(3) Step of converting the W/O emulsion into a dispersion of a gel To produce the spherical silica aerogel of the present invention, the silica sol in the W/O emulsion is gelled. Silica sol in the acidic range is easily gelled by heating. Therefore, the gelling can be achieved by heating the W/O emulsion.
The gelation temperature is preferably 50° C. to 80° C., and more preferably 60° C. to 70° C. If the gelation temperature is higher than the above range, the specific surface area will be low, and if it is lower, gelation will not proceed sufficiently.
The gelation time is preferably 30 minutes to 24 hours, and more preferably 5 to 12 hours.
By gelling, the W/O type emulsion is converted into a dispersion of a gel.
(4)該分散液を、O相とW相の2層に分離する工程
本発明の球状シリカエアロゲルを製造するには、このようにして得たゲル化体を分離し、回収する。始めに、O相とW相を分離する操作は、一般的には解乳とも呼ばれている操作である。解乳後、前記工程により得られたゲル化体は、W相側に分散して存在する。
当該解乳方法としては、公知の方法を採用することが可能であるが、具体的には、水溶性有機溶媒の添加、塩の添加、遠心力の付与、酸の添加、濾過、容積比の変化(水又は疎水性溶媒の添加)等から選ばれる一つ、あるいは複数を組み合わせて実施することができる。好適には、一定量の水溶性有機溶媒を、必要に応じて水と共にエマルション中に加えてO相とW相に分離することができる。解乳工程を経ると、一般に、上層がO相(有機層)、下層がW相(水層)となる。
(4) Step of separating the dispersion into two layers, O phase and W phase To produce the spherical silica aerogel of the present invention, the gelled body thus obtained is separated and recovered. The operation of separating the O phase and the W phase is generally called demulsification. After demulsification, the gelled body obtained by the above step is dispersed in the W phase.
The demulsification method may be any known method, and specifically may be one or a combination of methods selected from the following: addition of a water-soluble organic solvent, addition of a salt, application of centrifugal force, addition of an acid, filtration, change in volume ratio (addition of water or a hydrophobic solvent), etc. Preferably, a certain amount of a water-soluble organic solvent can be added to the emulsion together with water as necessary to separate it into an O phase and a W phase. After the demulsification process, the upper layer is generally an O phase (organic layer), and the lower layer is a W phase (aqueous layer).
上記の水溶性有機溶媒としては、アセトン、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等が挙げられる。このうち、イソプロピルアルコールは、後述のシリル化処理の際にも、処理の効率を高める上で効果があるため、好適に用いることができる。
上記の水溶性有機溶媒の添加量は、エマルション形成時に用いた界面活性剤の種類および量によって調整することが好ましい。例えば、W/O型エマルジョンの界面活性剤としてソルビタンモノオレエートを用いた場合には、O相の量に対して質量で0.1~0.4倍程度の水溶性有機溶媒を加え、必要に応じて撹拌後、静置することにより、好適にO相とW相に分離することができる。また、上記水溶性有機溶媒と供に、水も、O相の量に対して質量で0.6~0.9倍程度の添加量で加えるのが好ましい。また、該分離操作を行う際の温度は特に限定されないが、通常は、20~70℃程度で行うことができる。
Examples of the water-soluble organic solvent include acetone, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, etc. Among these, isopropyl alcohol is preferably used since it is effective in increasing the efficiency of the silylation treatment described below.
The amount of the water-soluble organic solvent added is preferably adjusted depending on the type and amount of the surfactant used in forming the emulsion. For example, when sorbitan monooleate is used as the surfactant for the W/O emulsion, the water-soluble organic solvent is added in an amount of about 0.1 to 0.4 times by mass relative to the amount of the O phase, and the mixture is stirred as necessary and then allowed to stand, whereby the mixture can be suitably separated into the O phase and the W phase. In addition to the water-soluble organic solvent, water is preferably added in an amount of about 0.6 to 0.9 times by mass relative to the amount of the O phase. The temperature at which the separation operation is carried out is not particularly limited, but it can usually be carried out at about 20 to 70°C.
(5)W相に塩基性物質を加えて、該W相に分散するゲル化体を熟成する工程
本発明の製造方法においては、上記のようにしてW相中にゲル化体が分散されたものを得た後、ゲル化体の熟成を行う。該熟成は、O相と層分離されたW相(ゲル化体が分散)に塩基性物質を加えてW相のpHを弱酸性ないし塩基性に調整し、ゲルの熟成を行うことで実施する。
前記W相に対する塩基性物質を加えることで、酸性域下にあるW相のpHは上昇して、弱酸性ないし塩基性が呈される状態になるが、具体的には、W相のpHは4.5~10とすることが好ましく、5.0~8.0とすることがより好ましく、6.0~7.5とすることが特に好ましい。上記塩基性物質としては、アンモニア、苛性ソーダ、アルカリ金属ケイ酸塩等を用いることができる。中でも苛性ソーダを用いることがpH調整を容易に行うことができるため好ましい。
(5) Step of adding a basic substance to the W phase and maturing the gelled material dispersed in the W phase In the production method of the present invention, after obtaining a gelled material dispersed in the W phase as described above, the gelled material is maturated by adding a basic substance to the W phase (in which the gelled material is dispersed) separated from the O phase to adjust the pH of the W phase to a weak acidic or basic state, and maturing the gel.
By adding a basic substance to the W phase, the pH of the W phase, which is in the acidic range, increases to a state of weak acidity or basicity, and specifically, the pH of the W phase is preferably 4.5 to 10, more preferably 5.0 to 8.0, and particularly preferably 6.0 to 7.5. As the basic substance, ammonia, caustic soda, alkali metal silicate, etc. can be used. Among them, caustic soda is preferably used because it can easily adjust the pH.
また、上記ゲルの熟成は、熟成温度を室温~80℃程度で保持することによって行うことができる。熟成時間は、W相のpHと熟成温度によって適宜設定すればよいが、0.5~12時間程度である。
上記のようにして、親水性のゲル化体がW相に分散している液を得ることができるが、該ゲル化体を単純にろ別等により回収し、乾燥を行ったのでは、収縮により細孔がつぶれてしまい、エアロゲルとすることができない。該収縮を抑制する方法としては超臨界乾燥と、以下に述べるようなゲル化体を疎水化し、その後乾燥する方法が知られている。
The gel can be aged by maintaining the aging temperature at room temperature to about 80° C. The aging time may be appropriately set depending on the pH of the W phase and the aging temperature, and is about 0.5 to 12 hours.
As described above, a liquid in which the hydrophilic gel is dispersed in the W phase can be obtained, but if the gel is simply collected by filtration or the like and then dried, the pores will be crushed due to shrinkage and it will not be possible to obtain an aerogel. Methods for suppressing this shrinkage include supercritical drying and a method of hydrophobizing the gel and then drying it, as described below.
(6)O相を除去する工程
なおゲル化体をシリル化処理するに際しては、その処理効率を向上させるため、該W相をO相から分離する。分離方法は特に限定されないが、2相に分かれているO相とW相とを、例えばデカンテーション等でO相を除去し、W相を回収することができる。なおこの分離は、前記熟成前に行っても良い。
ここで、完全にO相を分離除去する必要はないが、当該W相に含まれるゲル化体をシリル化処理する工程において、効率的にシリル化処理を行うためにはO相の割合はなるべく少ない方が良く、W相の量に対して20wt%以下となるようにすることが好ましく、さらに好ましくは10wt%以下である。
(6) Step of Removing O Phase When the gelled body is subjected to silylation treatment, the W phase is separated from the O phase in order to improve the efficiency of the treatment. The method of separation is not particularly limited, but the O phase can be removed by decantation or the like to recover the W phase, which is separated into two phases, the O phase and the W phase. This separation may be performed before the aging.
Here, it is not necessary to completely separate and remove the O phase, but in order to carry out the silylation treatment efficiently in the process of silylation treatment of the gelled body contained in the W phase, it is better for the proportion of the O phase to be as small as possible, and it is preferable for it to be 20 wt % or less of the amount of the W phase, and even more preferably 10 wt % or less.
(7)W相に分散するゲル化体をシラザン類でシリル化処理する工程
W相に分散するゲル化体の疎水化は、シリル化剤を用いてゲル化体をシリル化処理する。シリル化処理によって得られる球状シリカエアロゲルは疎水性を呈するものになり、該ゲル化体を乾燥する際に収縮が抑制されて、エアロゲルとしての多孔質な構造を保持した粉体を得ることを可能にさせる。
また、シリル化処理を行う際に、酸を添加して溶液のpHを8以上10以下とすることにより、良好な物性を有するシリカエアロゲルを製造できる。用いる酸としては、塩酸、硫酸、酢酸等が挙げられる。このうち、塩酸を好適に用いることができる。なお、シリル化剤と酸を添加する順番は、どちらが先でも物性に影響は及ぼさない。
(7) Step of subjecting the gelled body dispersed in the W phase to silylation treatment with silazanes The gelled body dispersed in the W phase is hydrophobized by silylation treatment with a silylating agent. The spherical silica aerogel obtained by the silylation treatment exhibits hydrophobicity, and shrinkage is suppressed when the gelled body is dried, making it possible to obtain a powder that retains the porous structure of the aerogel.
In addition, when performing the silylation treatment, an acid is added to adjust the pH of the solution to 8 or more and 10 or less, thereby producing a silica aerogel with good physical properties. Examples of the acid that can be used include hydrochloric acid, sulfuric acid, and acetic acid. Of these, hydrochloric acid is preferably used. The order in which the silylation agent and the acid are added does not affect the physical properties.
ここで、本発明において使用可能なシリル化剤としてはシラノール基:
M-OH (2)
[式中、Mはゲル化体を形成しているSi原子を表す。式(2)においてはMの残りの原子価は省略されている。以下の式において、すべて同じ。]
と反応し、これを
(M-O-)(4-n)SiRn (3)
[式(3)中、nは1~3の整数であり、Rは炭化水素基であり、nが2以上である場合には、複数のRは同一でも相互に異なっていてもよい。]へと変換することが可能なシリル化剤を一例として挙げることができる。このようなシリル化剤を用いてシリル化処理を行うことにより、エアロゲル粉体表面のヒドロキシ基が疎水性のシリル基でエンドキャッピングされて不活性化されるので、表面ヒドロキシ基相互間での脱水縮合反応を抑制できる。よって、臨界点未満の条件で乾燥を行っても乾燥収縮を抑制できるので、2mL/g以上のBJH細孔容積を有するシリカエアロゲルを得ることが可能になる。
Here, the silylating agent that can be used in the present invention is a silanol group:
M-OH (2)
[In the formula, M represents a Si atom forming a gelled body. In formula (2), the remaining valences of M are omitted. The same applies to all the following formulas.]
This reacts with (M-O-) (4-n) SiR n (3)
[In formula (3), n is an integer of 1 to 3, R is a hydrocarbon group, and when n is 2 or more, the multiple Rs may be the same or different from each other.] can be given as an example. By performing silylation treatment using such a silylation agent, the hydroxyl groups on the surface of the aerogel powder are end-capped with hydrophobic silyl groups and inactivated, so that dehydration condensation reaction between the surface hydroxyl groups can be suppressed. Therefore, even if drying is performed under conditions below the critical point, drying shrinkage can be suppressed, so that it is possible to obtain a silica aerogel having a BJH pore volume of 2 mL/g or more.
上記のシリル化剤としては、以下の一般式(4)、(5)で示される化合物が知られている。
RnSiX(4-n) (4)
[式(4)中、nは1~3の整数を表し;Rは炭化水素基等の疎水基を表し;Xはヒドロキシ基を有する化合物との反応においてSi原子との結合が開裂して分子から脱離可能な基(脱離基)を表す。nが2以上のとき複数のRは同一でも異なっていてもよい。また、nが2以下のとき複数のXは同一でも異なっていてもよい。]
Known examples of the above silylating agent include compounds represented by the following general formulas (4) and (5).
R n SiX (4-n) (4)
[In formula (4), n represents an integer of 1 to 3; R represents a hydrophobic group such as a hydrocarbon group; and X represents a group (leaving group) that can be cleaved from the molecule by cleaving the bond with the Si atom in a reaction with a compound having a hydroxy group. When n is 2 or more, multiple Rs may be the same or different. Also, when n is 2 or less, multiple Xs may be the same or different.]
上記式(4)において、Rは炭化水素基であり、好ましくは炭素数1~10の炭化水素基であり、より好ましくは炭素数1~4の炭化水素基であり、特に好ましくはメチル基である。
Xで示される脱離基としては、-NH-SiR3で示される基(式中、Rは式(4)におけるRと同義である)等を例示できる。
上記式(4)で示されるシリル化剤を具体的に例示すると、ヘキサメチルジシラザン、1,3-ビス(3,3,3-トリフルオロプロピル)-1,1,3,3、-テトラメチルジシラザン、1,3-ビス(クロロメチル)テトラメチルジシラザン、1,1,3,3-テトラメチルヂシラザン、1,3-ジフェニルテトラメチルジシラザン、1,3-ジビニルー1,1,3,3-テトラメチルジシラザン等が挙げられる。反応性が良好である点で、ヘキサメチルジシラザンが特に好ましい。
脱離基Xの数(4-n)に応じて、エアロゲル粉体骨格上のヒドロキシ基と結合する数は変化する。例えば、例えば、nが2であれば:
(M-O-)2SiR2 (7)
という結合が生じることになる。また、nが3であれば:
M-O-SiR3 (8)
という結合が生じることになる。このようにヒドロキシ基がシリル化されることにより、シリル化処理がなされる。
In the above formula (4), R is a hydrocarbon group, preferably a hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms, more preferably a hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms, and particularly preferably a methyl group.
Examples of the leaving group represented by X include a group represented by -NH- SiR3 (wherein R has the same meaning as R in formula (4)).
Specific examples of the silylating agent represented by the above formula (4) include hexamethyldisilazane, 1,3-bis(3,3,3-trifluoropropyl)-1,1,3,3,-tetramethyldisilazane, 1,3-bis(chloromethyl)tetramethyldisilazane, 1,1,3,3-tetramethyldisilazane, 1,3-diphenyltetramethyldisilazane, 1,3-divinyl-1,1,3,3-tetramethyldisilazane, etc. Hexamethyldisilazane is particularly preferred in terms of good reactivity.
Depending on the number of leaving groups X (4-n), the number of bonds with hydroxy groups on the aerogel powder skeleton changes. For example, if n is 2:
(MO-) 2 SiR 2 (7)
If n is 3, then:
M-O-SiR 3 (8)
The following bond is formed. By silylating the hydroxy group in this manner, a silylation treatment is carried out.
上記式(5)において、R1はアルキレン基、-SiR2R3で示される基又は-(SiR2-NH-SiR2)m-で示される基(式中、Rは式(4)におけるRと同義である。mは1~5)である。
上記式(5)において、R2及びR3は各々独立に炭化水素基であり、好ましい基としては、式(4)におけるRと同様の基を挙げることができる。R4は水素原子又は炭化水素基を示し、炭化水素基である場合には、好ましい基としては、式(4)におけるRと同様の基を挙げることができる。この式(5)で示される環状シラザン類でゲル化体を処理した場合には、ヒドロキシ基との反応によりSi-N結合が開裂するので、ゲル化体中のエアロゲル粉体骨格表面上には
(M-O-)2SiR2R3 (9)
という結合が生じることになる。このように上記式(5)の環状シラザン類によっても、ヒドロキシ基がシリル化され、シリル化処理がなされる。
上記式(5)で示される環状シラザン類を具体的に例示すると、2,2,4,4,6,6-ヘキサメチルシクロトリシラザン、オクタメチルシクロテトラシラザン、2,4,6-トリメチル-2,4,6-トリビニルシクロトリシラザン等が挙げられる。
In the above formula (5), R 1 is an alkylene group, a group represented by --SiR 2 R 3 or a group represented by --(SiR 2 --NH--SiR 2 ) m -- (wherein R has the same meaning as R in formula (4), and m is 1 to 5).
In the above formula (5), R2 and R3 are each independently a hydrocarbon group, and preferred groups include the same groups as R in formula (4). R4 represents a hydrogen atom or a hydrocarbon group, and in the case of a hydrocarbon group, preferred groups include the same groups as R in formula (4). When a gelled body is treated with the cyclic silazanes represented by formula (5), the Si-N bond is cleaved by reaction with the hydroxyl group, and the following structure is formed on the surface of the aerogel powder skeleton in the gelled body : (M-O-) 2SiR2R3 ( 9 )
In this way, the cyclic silazanes of the above formula (5) also silylate the hydroxyl groups, thereby carrying out the silylation treatment.
Specific examples of the cyclic silazanes represented by the above formula (5) include 2,2,4,4,6,6-hexamethylcyclotrisilazane, octamethylcyclotetrasilazane, 2,4,6-trimethyl-2,4,6-trivinylcyclotrisilazane, and the like.
上記のシリル化処理の際に使用するシリル化剤の量としては、処理剤の種類にもよるが、ヘキサメチルジシラザンをシリル化剤として用いる場合には、シリカ(使用したシリカゾル量から計算されるSiO2量)100質量部に対して10~150質量部が好適である。より好ましくは20~130質量部であり、更に好ましくは30~120質量部である。
上記のシリル化処理の条件は、W相に対して、シリル化剤を加え、一定時間反応させることにより行うことができる。例えば、シリル化剤としてヘキサメチルジシラザンを用い、処理温度を60℃とした場合には、2~3時間程度保持することで行うことができる。
当該シリル化処理工程においては、W相中へのシリル化剤の溶解度を高めて、反応の効率を高める目的で、水溶性有機溶媒を加えることが好ましい。この水溶性有機溶媒としては、アセトン、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等が挙げられる。このうち、イソプロピルアルコールを好適に用いることができる。上記水溶性有機溶媒は、ゲル化体を含むW相中の濃度で20~80wt%程度になるように加えることが好ましい。
The amount of the silylating agent used in the above silylation treatment varies depending on the type of the treating agent, but when hexamethyldisilazane is used as the silylation agent, it is preferably 10 to 150 parts by mass per 100 parts by mass of silica (the amount of SiO2 calculated from the amount of silica sol used), more preferably 20 to 130 parts by mass, and even more preferably 30 to 120 parts by mass.
The above silylation treatment can be carried out by adding a silylation agent to the W phase and reacting for a certain period of time. For example, when hexamethyldisilazane is used as the silylation agent and the treatment temperature is set to 60° C., the treatment can be carried out by maintaining the mixture for about 2 to 3 hours.
In the silylation process, it is preferable to add a water-soluble organic solvent for the purpose of increasing the solubility of the silylation agent in the W phase and increasing the efficiency of the reaction. Examples of the water-soluble organic solvent include acetone, methanol, ethanol, and isopropyl alcohol. Of these, isopropyl alcohol is preferably used. The water-soluble organic solvent is preferably added so that its concentration in the W phase containing the gel is about 20 to 80 wt %.
(8)W相をpH7以下に調整する工程
本発明の製造方法においては、シリル化処理した分散液(W相)に、酸性物質を加えてW相をpH7以下(中性~酸性)にする。前記W相に酸性物質を加えることで、塩基性域下にあるW相のpHは下降して、中性ないし酸性が呈される状態になるが、具体的には、W相のpHは1.0~7.0とすることが好ましく、1.5~5.0とすることがより好ましく、1.5~3.0とすることが特に好ましい。上記酸性物質としては、塩酸、硫酸等を用いることができる。中でも塩酸を用いることがpH調製を容易に行うことができるため、好ましい。
またW相をpH7以下に調整する工程は、室温~80℃程度で保持することによって行うことができる。時間は、W相の温度によって適宜設定すればよいが、0.25~1時間程度である。
(8) Step of adjusting the pH of the W phase to 7 or less In the production method of the present invention, an acidic substance is added to the silylated dispersion (W phase) to adjust the pH of the W phase to 7 or less (neutral to acidic). By adding an acidic substance to the W phase, the pH of the W phase, which is in the basic range, drops to a neutral or acidic state. Specifically, the pH of the W phase is preferably 1.0 to 7.0, more preferably 1.5 to 5.0, and particularly preferably 1.5 to 3.0. As the acidic substance, hydrochloric acid, sulfuric acid, etc. can be used. Among them, the use of hydrochloric acid is preferable because the pH adjustment can be easily performed.
The step of adjusting the pH of the W phase to 7 or less can be carried out by holding the W phase at room temperature to about 80° C. The time can be appropriately set depending on the temperature of the W phase, but is about 0.25 to 1 hour.
(9)疎水性有機溶媒でシリル化したゲル化体を抽出する工程
W相をpH7以下に調整した後に、ゲル化体を疎水性有機溶媒中に抽出する。これにより、乾燥時の収縮を抑制しやすくなる。即ち、疎水化されたゲル化体は疎水性有機溶媒への親和性が高くなっているため、疎水性有機溶媒を加えて撹拌等を行うことにより、該疎水性有機溶媒側へ移動する。ゲル化体抽出に用いる疎水性有機溶媒の選定基準としては、後の乾燥の際、乾燥収縮を起こさないために表面張力が小さいことが挙げられる。具体的にはヘキサン、ヘプタン、ノナン、デカン、ジクロロメタン、メチルエチルケトン、トルエン等を用いることができ、好適にはヘキサン、ヘプタン、デカン、トルエンを用いることが出来る。使用する疎水性有機溶媒の量は、W相の体積に対して0.5倍~10倍を目処に適宜設定すればよい。
上記の疎水性有機溶媒への抽出を行った後に、ゲル化体に含まれる塩分や、疎水性有機溶媒中に含まれる硫酸塩等を除去するために、当該有機溶媒を水或いはアルコールの水溶液で洗浄を行うことが好ましい。この洗浄操作は公知の方法で行うことができ、いわゆる液/液抽出の操作として周知の方法を採用できる。洗浄効率を上げる上では、数10wt%程度のイソプロピルアルコールの水溶液を用いることが好ましい。また、疎水性有機溶媒の沸点を超えない範囲で、高温にすることが洗浄効率を高める上では好ましい。通常は、45~70℃の範囲で行うことができる。
(9) Step of extracting the silylated gelled body with a hydrophobic organic solvent After adjusting the pH of the W phase to 7 or less, the gelled body is extracted into the hydrophobic organic solvent. This makes it easier to suppress shrinkage during drying. That is, since the hydrophobized gelled body has a high affinity for the hydrophobic organic solvent, it moves to the hydrophobic organic solvent side by adding a hydrophobic organic solvent and stirring or the like. The selection criterion for the hydrophobic organic solvent used for extracting the gelled body is that it has a small surface tension so as not to cause drying shrinkage during subsequent drying. Specifically, hexane, heptane, nonane, decane, dichloromethane, methyl ethyl ketone, toluene, etc. can be used, and hexane, heptane, decane, and toluene can be preferably used. The amount of the hydrophobic organic solvent used may be appropriately set to be 0.5 to 10 times the volume of the W phase.
After extraction into the hydrophobic organic solvent, it is preferable to wash the organic solvent with water or an aqueous solution of alcohol in order to remove salts contained in the gelled body and sulfates contained in the hydrophobic organic solvent. This washing operation can be performed by a known method, and a well-known method can be adopted as a so-called liquid/liquid extraction operation. In order to increase the washing efficiency, it is preferable to use an aqueous solution of isopropyl alcohol of about several tens of wt %. In addition, in order to increase the washing efficiency, it is preferable to raise the temperature to a high level within a range not exceeding the boiling point of the hydrophobic organic solvent. Usually, the washing can be performed in the range of 45 to 70°C.
(10)シリル化したゲル化体を回収し、疎水性の球状シリカエアロゲルからなる粉体を得る工程
上記のようにして不純物となる塩等を除去したゲル化体を液中から回収する。回収においては、疎水性有機溶媒に分散しているゲル化体を濾別すればよい。ついで、濾別して得られたゲル化体から疎水性有機溶媒を除去(すなわち乾燥)する。乾燥する際の温度は、溶媒の沸点以上で、シリル化剤等の表面処理剤の分解温度以下であることが好ましく、圧力は常圧ないし減圧下で行うことが好ましい。
このようにして、球状シリカエアロゲルを製造することができる。
(10) Step of recovering the silylated gelled body and obtaining a powder of hydrophobic spherical silica aerogel The gelled body from which impurities such as salts have been removed as described above is recovered from the liquid. In the recovery, the gelled body dispersed in the hydrophobic organic solvent may be filtered off. Next, the hydrophobic organic solvent is removed (i.e., dried) from the gelled body obtained by filtration. The drying temperature is preferably equal to or higher than the boiling point of the solvent and equal to or lower than the decomposition temperature of the surface treatment agent such as the silylation agent, and the pressure is preferably normal pressure or reduced pressure.
In this manner, spherical silica aerogel can be produced.
(球状シリカエアロゲル)
上記のようにして製造した粉体は、球状シリカエアロゲルにより構成されている。なお、シリカエアロゲル粉末であるとは、質量基準で50%以上がシリカから構成されていることをいう。好ましくは同60%以上、より好ましくは同75%以上である。シリカ以外の成分としては、疎水化処理剤に由来する成分が含まれる。
(Spherical silica aerogel)
The powder produced as described above is composed of spherical silica aerogel. The term "silica aerogel powder" means that the powder is composed of 50% or more of silica by mass. The content is preferably 60% or more, and more preferably 75% or more. Components other than silica include components derived from the hydrophobizing agent.
(平均円形度)
また、上記製造方法によれば、シリカエアロゲルはシリカエアロゲル粒子の平均円形度が0.8以上の球状であることが通常である。該平均円形度は0.85以上であることが好ましい。
なお上記「平均円形度」とは、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、観察したSEM像を得、画像解析により個々の粒子について下記式(1)によって定義される値C(円形度)を求め、この円形度Cを2000個以上の粒子について相加平均値として出した値である。なお、この際、一個の凝集粒子を形成している粒子群は1粒子として計数する。
C=4πS/L2 (1)
[上記式において、Sは当該粒子が画像中に占める面積(投影面積)を表す。Lは画像中における当該粒子の外周部の長さ(周囲長)を表す。]
該平均円形度が1に近くなるほど、粒子は真球に近い形状となる。
(Average circularity)
Furthermore, according to the above-mentioned production method, the silica aerogel particles are usually spherical with an average circularity of 0.8 or more, and preferably 0.85 or more.
The "average circularity" is a value obtained by obtaining an SEM image observed with a scanning electron microscope (SEM), determining a value C (circularity) defined by the following formula (1) for each particle by image analysis, and calculating the arithmetic mean value of this circularity C for 2000 or more particles. In this case, a particle group forming one aggregate particle is counted as one particle.
C=4πS/L 2 (1)
[In the above formula, S represents the area (projected area) that the particle occupies in the image, and L represents the length (perimeter) of the outer periphery of the particle in the image.]
The closer the average circularity is to 1, the closer the particle shape is to a perfect sphere.
また、上記した本発明の製造方法により製造した球状シリカエアロゲル粉末は、エアロゲル本来の特性を発現させやすい点で以下のような特性を有しているのが通常である。 The spherical silica aerogel powder produced by the above-mentioned manufacturing method of the present invention usually has the following characteristics in that it is easy to express the inherent properties of aerogel.
(D50)
粒径については、コールターカウンター法により測定される体積累積50%径(D50)が、通常は1~30μmの範囲にあり、1~20μmの範囲、さらには1~10μmの範囲にすることが可能である。該粒径はW/Oエマルション形成時の粒径に依存する。
(D50)
Regarding the particle size, the volume cumulative 50% diameter (D50) measured by the Coulter counter method is usually in the range of 1 to 30 μm, and can be in the range of 1 to 20 μm, or even in the range of 1 to 10 μm. The particle size depends on the particle size at the time of forming the W/O emulsion.
(比表面積)
窒素吸着法によるBET法による比表面積は、通常は400~1000m2/gである。球状シリカエアロゲルの比表面積が大きいほど、独立粒子の多孔質構造(網目構造)を構成する一次粒子の粒径が小さいことを示し、化粧品の添加剤として用いた際に増粘効果が高まる。増粘効果が高いと皮膚または頭髪等に塗布した際、液垂れを防止することが可能である。したがって、上記比表面積は500m2/g以上であることが好ましく、550m2/g以上であることがより好ましい。
一方、球状シリカエアロゲル粉末の比表面積は、大きくなりすぎると細孔容積が小さくなり、吸油量が小さくなることから、850m2/g以下であることが好ましく、750m2/g以下であることがより好ましい。通常、比表面積が1000m2/gを超えて大きいエアロゲルを得ることは困難である。
なお、本発明において、当該BET法による比表面積は、測定対象のサンプルを、1kPa以下の真空下において、150℃の温度で2時間以上乾燥させ、その後、液体窒素温度における窒素の吸着側のみの吸着等温線を取得し、BET法により解析して求めた値であり、解析時の分圧(P/P0)の範囲は0.1~0.25である。
(Specific surface area)
The specific surface area measured by the BET method using a nitrogen adsorption method is usually 400 to 1000 m 2 /g. The larger the specific surface area of the spherical silica aerogel, the smaller the particle size of the primary particles that make up the porous structure (network structure) of the independent particles, and the greater the thickening effect when used as an additive in cosmetics. A high thickening effect makes it possible to prevent dripping when applied to the skin or hair. Therefore, the specific surface area is preferably 500 m 2 /g or more, and more preferably 550 m 2 /g or more.
On the other hand, if the specific surface area of the spherical silica aerogel powder is too large, the pore volume becomes small and the oil absorption becomes small, so it is preferably 850 m 2 /g or less, and more preferably 750 m 2 /g or less. Usually, it is difficult to obtain an aerogel with a specific surface area exceeding 1000 m 2 /g.
In the present invention, the specific surface area measured by the BET method is a value obtained by drying a sample to be measured at a temperature of 150° C. for 2 hours or more under a vacuum of 1 kPa or less, and then obtaining an adsorption isotherm only on the nitrogen adsorption side at liquid nitrogen temperature, and analyzing it by the BET method, and the range of partial pressure (P/P 0 ) during analysis is 0.1 to 0.25.
(細孔容積)
BJH法による細孔容積は通常は2~8ml/gである。細孔容量が大きい程、優れた吸油性能が得られるため好ましい。下限値は、より好ましくは2.5ml/g以上、特に好ましくは4ml/g以上である。また上限は6ml/g以下であることがより好ましい。細孔容積が2ml/g以下である場合には、優れた吸油性能を得ることはできない。また、8ml/gを超えて大きなものを得ることは、通常、困難である。
本発明において、BJH法による、球状シリカエアロゲル粉末の細孔容積は、前記BET比表面積測定の際と同様に吸着等温線を取得し、BJH法(Barrett, E. P.; Joyner, L. G.; Halenda, P. P., J. Am. Chem. Soc. 73, 373 (1951)により、解析して得られたものである(以下において、「BJH細孔容積」ということがある)。本方法により測定される細孔は、半径1~100nmの細孔であり、この範囲の細孔の容積の積算値が本発明における細孔容積となる。
(Pore volume)
The pore volume according to the BJH method is usually 2 to 8 ml/g. The larger the pore volume, the better the oil absorption performance, which is preferable. The lower limit is more preferably 2.5 ml/g or more, and particularly preferably 4 ml/g or more. The upper limit is more preferably 6 ml/g or less. If the pore volume is 2 ml/g or less, it is not possible to obtain good oil absorption performance. Also, it is usually difficult to obtain a pore volume exceeding 8 ml/g.
In the present invention, the pore volume of the spherical silica aerogel powder by the BJH method is obtained by obtaining an adsorption isotherm in the same manner as in the BET specific surface area measurement, and analyzing it by the BJH method (Barrett, EP; Joyner, LG; Halenda, PP, J. Am. Chem. Soc. 73, 373 (1951) (hereinafter, sometimes referred to as "BJH pore volume"). The pores measured by this method are pores with a radius of 1 to 100 nm, and the integrated value of the volume of the pores in this range is the pore volume in the present invention.
(細孔半径のピーク)
本発明の球状シリカエアロゲル粉末のBJH法による細孔半径のピークは、通常は通常10~50nmの範囲にある。なお、該細孔半径のピークも、前記BET比表面積測定の際と同様に吸着等温線を取得し、BJH法により解析して得られたものである。該細孔半径のピークは、細孔半径の対数による累積細孔容積(体積分布曲線)が最大のピーク値をとる細孔半径の値である。
(Pore radius peak)
The peak pore radius of the spherical silica aerogel powder of the present invention measured by the BJH method is usually in the range of 10 to 50 nm. The peak pore radius is also obtained by obtaining an adsorption isotherm in the same manner as in the BET specific surface area measurement and analyzing it by the BJH method. The peak pore radius is the value of the pore radius at which the cumulative pore volume (volume distribution curve) based on the logarithm of the pore radius has the maximum peak value.
(吸油量)
シリカエアロゲルは、通常は高い吸油量を有することが特徴であり、本発明の球状シリカエアロゲルも、吸油量が400mL/100g以上であることが好ましく、550mL/100g以上であることがより好ましく、650mL/100g以上であることが特に好ましい。吸油量は大きいほど、化粧品用途に用いた際のテカリ防止効果が得られるため、好ましい。吸油量の上限は特に限定されるものではないが、最大で750mL/100g程度である。
なお、本発明において、当該吸油量の測定は、JIS K6217-4「オイル吸収量の求め方」記載の方法により行うものとする。
(Oil Absorption)
Silica aerogel is usually characterized by having a high oil absorption, and the spherical silica aerogel of the present invention also has an oil absorption of preferably 400 mL/100 g or more, more preferably 550 mL/100 g or more, and particularly preferably 650 mL/100 g or more. The higher the oil absorption, the more effective it is in preventing shine when used in cosmetics, so it is preferable. The upper limit of the oil absorption is not particularly limited, but is about 750 mL/100 g at most.
In the present invention, the oil absorption is measured by the method described in JIS K6217-4 "Determination of oil absorption."
(疎水性の確認)
疎水性であることにより、経時劣化の原因となる水分の吸着が少なく、疎水性の樹脂との馴染みが向上するため疎水性の樹脂に分散させる場合に極めて有用である。また、エアロゲルが疎水性であることは、このものを超臨界乾燥および溶媒置換を伴わずに製造できるという観点からも、意義を有する。球状シリカエアロゲルの疎水化は、具体的には、該球状シリカエアロゲルをシリル化剤により処理することにより、その表面に有機シリル基が導入すること等により達成できる。
ここで、シリカエアロゲルが疎水性であるか否かは、当該粉末を純水と一緒に容器に入れ攪拌等を行うことにより極めて容易に確認できる。疎水性であれば、その粉末は水に分散することなく、かつ、静置すれば水を下層、粉末を上層とする2層に分かれた状態を取り戻す。
(Confirmation of hydrophobicity)
Being hydrophobic reduces the adsorption of moisture, which causes deterioration over time, and improves compatibility with hydrophobic resins, making it extremely useful when dispersed in hydrophobic resins. The hydrophobicity of aerogels is also significant from the viewpoint that they can be produced without supercritical drying or solvent replacement. Specifically, the hydrophobization of spherical silica aerogels can be achieved by treating the spherical silica aerogels with a silylating agent to introduce organic silyl groups onto the surface.
Here, whether or not silica aerogel is hydrophobic can be confirmed very easily by putting the powder in a container together with pure water and stirring, etc. If the powder is hydrophobic, it will not disperse in water, and when left to stand, it will regain its two-layer structure with water as the lower layer and powder as the upper layer.
(M値)
また、疎水性、及びその程度についてはM値で評価することも可能である。なお、M値は、実施例に記載した測定方法にしたがって測定した値である。本発明の球状シリカエアロゲルからなる粉体のM値は30~55vol%であることが好ましく、35~55vol%であることがより好ましく、40~55vol%であることが特に好ましい。
(M value)
Hydrophobicity and its degree can also be evaluated by the M value. The M value is a value measured according to the measurement method described in the Examples. The M value of the powder made of the spherical silica aerogel of the present invention is preferably 30 to 55 vol%, more preferably 35 to 55 vol%, and particularly preferably 40 to 55 vol%.
(炭素含有量)
また、本発明の球状シリカエアロゲルが疎水性であることを示す指標の一つとして、炭素含有量を挙げることができる。疎水性の球状シリカエアロゲル含まれる炭素含有量は、表面処理剤に由来するものであって、1000~1500℃程度の温度において、空気中、若しくは酸素中で酸化処理した際に発生する二酸化炭素の量を定量することにより、測定することができる。
本発明の球状シリカエアロゲルは、上記炭素含有量が5~12質量%であることが好ましく、6~10質量%であることがより好ましい。炭素含有量が多いほど、本発明の疎水性の球状シリカエアロゲルをファンデーション用の添加剤として用いた場合に、汗による化粧崩れを防止することができるため好ましいが、本発明の疎水性の球状シリカエアロゲルからなる粉体において、一般的な疎水化処理により12質量%を超えて大きなものを得ることは難しい。
(Carbon Content)
The carbon content can be cited as one of the indicators showing that the spherical silica aerogel of the present invention is hydrophobic. The carbon content in the hydrophobic spherical silica aerogel is derived from the surface treatment agent and can be measured by quantifying the amount of carbon dioxide generated when the spherical silica aerogel is subjected to oxidation treatment in air or oxygen at a temperature of about 1000 to 1500°C.
The spherical silica aerogel of the present invention preferably has a carbon content of 5 to 12% by mass, more preferably 6 to 10% by mass. A higher carbon content is preferable because it can prevent makeup from being ruined by sweat when the hydrophobic spherical silica aerogel of the present invention is used as an additive for foundation, but it is difficult to obtain a powder made of the hydrophobic spherical silica aerogel of the present invention with a carbon content of more than 12% by mass by a general hydrophobization treatment.
(用途)
本発明の製造方法で製造される球状シリカエアロゲルにおいて、化粧品用添加剤として適度な粒度分布及び比表面積にあり、具体的にはファンデーションの添加剤として利用した際に、外観保持性に優れ、滑らかな触感が得られる。加えて、シリカエアロゲルとして、吸油量が高く、皮膚及び頭皮表面の脂分を効率良く吸収し、また、疎水性を呈し汗をはじく効果もあることから、上記ファンデーション以外の、ペースト、クリームタイプのメイクアップ・スキンケア化粧料、さらにはデオドラント用品、整髪料などの化粧品としても好適に用いることができる。
無論、前記適度な粒子性状を備えていることから、断熱性付与剤、艶消し剤等の各種用途材料にも好適に用いることができる。
(Application)
The spherical silica aerogel produced by the method of the present invention has an appropriate particle size distribution and specific surface area for use as a cosmetic additive, and when used as a foundation additive, it has excellent appearance retention and a smooth feel. In addition, the silica aerogel has a high oil absorption capacity, efficiently absorbs oil from the skin and scalp surface, and is hydrophobic and has the effect of repelling sweat, so it can be suitably used in cosmetics other than the foundation, such as paste and cream type makeup and skin care cosmetics, and even deodorant products and hair styling products.
Of course, since the toner has the appropriate particle properties, it can be suitably used as a material for various applications such as a heat insulating agent and a matting agent.
以下、本発明を具体的に説明するため、実施例を示すが、本発明はこれらの実施例のみに制限されるものではない。なお、実施例及び比較例の評価は以下の方法で実施した。
<評価方法>
実施例1~3及び比較例1~3で製造した疎水性の球状シリカエアロゲルに対して、以下の項目について試験を行った。
In the following, examples are shown to specifically explain the present invention, but the present invention is not limited to these examples. The examples and comparative examples were evaluated by the following methods.
<Evaluation method>
The hydrophobic spherical silica aerogels produced in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were subjected to tests for the following items.
(D50)
シリカエアロゲル粉末をエタノールに添加し、30分超音波分散を行った。得られたエタノール分散液をベックマン・コールター株式会社製精密粒度分布測定装置Multisizer3を用い、50μmのアパチャーチューブを使用して、D50を測定した。
(D50)
The silica aerogel powder was added to ethanol and ultrasonically dispersed for 30 minutes. The obtained ethanol dispersion was measured for D50 using a precision particle size distribution measuring device Multisizer 3 manufactured by Beckman Coulter, Inc., with a 50 μm aperture tube.
(比表面積、細孔容積及び吸油量)
BET比表面積、及びBJH細孔容積の測定は、上述の定義に従ってマイクロトラック・ベル株式会社製BELSORP-maxにより行った。吸油量の測定は、JIS K6217-4「オイル吸収量の求め方」により行った。
(Specific surface area, pore volume and oil absorption)
The BET specific surface area and the BJH pore volume were measured according to the above definitions using a BELSORP-max manufactured by Microtrac-Bell Co., Ltd. The oil absorption was measured according to JIS K6217-4 "Determination of oil absorption."
(M値)
疎水性シリカエアロゲルは水には浮遊するが、メタノールには完全に懸濁する。このことを利用し、以下の方法によって測定した修飾疎水度をM値として、シリカエアロゲル表面疎水基による疎水化処理の指標とした。
シリカエアロゲル0.2gを容量200mLのビーカー中の50mlの水に加え、マグネティックスターラーで攪拌した。これに、ビュレットを使用してメタノールを加え、シリカエアロゲルの全量がビーカー内の溶媒に濡れて懸濁した時点を終点として、滴下した。この際、メタノールが直接試料に触れないように、チューブで溶液内に導いた。終点におけるメタノール-水混合溶媒中のメタノールの容量%を疎水度(M値)とした。
M値=メタノール滴下量(ml)/(メタノール滴下量(ml)+50ml)
(M value)
Hydrophobic silica aerogel floats in water but completely dissolves in methanol. Taking advantage of this, the degree of modified hydrophobicity measured by the following method was taken as the M value and used as an index of the hydrophobic treatment by the hydrophobic groups on the silica aerogel surface.
0.2 g of silica aerogel was added to 50 ml of water in a 200 mL beaker and stirred with a magnetic stirrer. Methanol was added to the mixture using a burette, and the end point was when the entire amount of silica aerogel was wetted and suspended in the solvent in the beaker. At this time, the methanol was introduced into the solution using a tube so that it would not come into direct contact with the sample. The volume percent of methanol in the methanol-water mixed solvent at the end point was taken as the hydrophobicity (M value).
M value = amount of methanol dropped (ml) / (amount of methanol dropped (ml) + 50 ml)
(平均円形度)
シリカエアロゲル粉末について日立ハイテクノロジーズ製SEM(S-5500)を用いて、加速電圧3.0kV、二次電子検出、倍率1000倍で観察した。得られたSEM画像を画像解析することにより、下記式によりシリカエアロゲル粒子の円形度を算出した。なお、平均円形度は、2000個以上のシリカエアロゲル粒子について円形度を算出し、平均したものである。
C=4πS/L2
[上記式において、Sは当該粒子が画像中に占める面積(投影面積)を表す。Lは画像中における当該粒子の外周部の長さ(周囲長)を表す。]
(Average circularity)
The silica aerogel powder was observed using a Hitachi High-Technologies SEM (S-5500) at an acceleration voltage of 3.0 kV, secondary electron detection, and a magnification of 1000 times. The obtained SEM image was analyzed to calculate the circularity of the silica aerogel particles using the following formula. The average circularity was calculated by averaging the circularities of 2000 or more silica aerogel particles.
C = 4πS/ L2
[In the above formula, S represents the area (projected area) that the particle occupies in the image, and L represents the length (perimeter) of the outer periphery of the particle in the image.]
(炭素含有量)
エレメンター・ジャパン株式会社製の元素分析装置(vario MICRO cube)を用い、炭素含有量を測定した。
(Carbon Content)
The carbon content was measured using an elemental analyzer (vario MICRO cube) manufactured by Elementor Japan Co., Ltd.
<実施例1>
(1)硫酸100gを撹拌羽で撹拌しながら、珪酸ナトリウム100gを徐々に添加し、水性シリカゾルを調整した。このとき、pHは2.9であった。
(2)上記調整した水性シリカゾル139gに、129gのヘプタンを加え、ソルビタンモノオレエートを1.5g添加した。この溶液をホモジナイザーを用いて、8600回転/分の条件で2.5分撹拌することで、W/Oエマルションを形成させた。
(3)得られたW/Oエマルションを撹拌羽で撹拌しながら、70℃、1時間かけてゲル化した。
(4)続けて、イソプロピルアルコール77gとイオン交換水52gを加えて、攪拌羽で攪拌しながらO相とW相を分離した。
(5)続けて、0.5mol/L水酸化ナトリウム水溶液を4.83g添加した。このとき、W相のpHは6.7であった。60℃、1時間かけて、ゲル化体の熟成を行った。
(6)デカンテーションにより、O相を除去することで、W相を回収した。
(7)得られたW相に35%塩酸を1.5g、ヘキサメチルジシラザンを7.7g添加し、撹拌しながら60℃のウォーターバスで2時間保持することにより、シリル化処理を行った。このときのpHは9.3であった。
(8)シリル化処理後、攪拌羽で攪拌しながら35%塩酸を6.6g添加し、中和処理を行った。このときのpHは2.1であった。
(9)続いて、ヘプタン90gを加え、ゲル化体を抽出し、イソプロピルアルコール77gとイオン交換水52gを加えて、2回洗浄を行った。
(10)得られたシリル化後のゲル化体を吸引濾過機により濾別した。ゲル化体の乾燥を真空圧力下、150℃で12時間以上加熱することで、本発明の疎水性の球状シリカエアロゲルからなる粉体を得た。
表1に、表面処理時のpH、得られた粉体のD50、比表面積、細孔容積、細孔半径のピーク、吸油量、M値、炭素含有量、平均円形度、表面処理温度、表面処理時間を示す(以下の実施例についても同様)。
Example 1
(1) 100 g of sodium silicate was gradually added to 100 g of sulfuric acid while stirring with a stirring blade to prepare an aqueous silica sol. At this time, the pH was 2.9.
(2) 129 g of heptane was added to 139 g of the aqueous silica sol prepared above, and 1.5 g of sorbitan monooleate was added. The solution was stirred for 2.5 minutes at 8600 rpm using a homogenizer to form a W/O emulsion.
(3) The obtained W/O emulsion was gelled at 70° C. for 1 hour while being stirred with a stirring blade.
(4) Subsequently, 77 g of isopropyl alcohol and 52 g of ion-exchanged water were added, and the mixture was stirred with a stirring blade to separate the O phase and the W phase.
(5) Subsequently, 4.83 g of a 0.5 mol/L aqueous sodium hydroxide solution was added. At this time, the pH of the W phase was 6.7. The gel was aged at 60° C. for 1 hour.
(6) The O phase was removed by decantation, and the W phase was recovered.
(7) 1.5 g of 35% hydrochloric acid and 7.7 g of hexamethyldisilazane were added to the W phase obtained, and the mixture was stirred and held in a water bath at 60° C. for 2 hours to carry out a silylation treatment. The pH at this time was 9.3.
(8) After the silylation treatment, 6.6 g of 35% hydrochloric acid was added while stirring with a stirring blade to carry out neutralization treatment. The pH at this time was 2.1.
(9) Next, 90 g of heptane was added to extract the gel, and 77 g of isopropyl alcohol and 52 g of ion-exchanged water were added to wash the extract twice.
(10) The gelled body obtained after silylation was filtered using a suction filter, and dried by heating at 150° C. for 12 hours or more under vacuum pressure, to obtain a powder of hydrophobic spherical silica aerogel of the present invention.
Table 1 shows the pH during the surface treatment, the D50 of the obtained powder, the specific surface area, the pore volume, the peak pore radius, the oil absorption amount, the M value, the carbon content, the average circularity, the surface treatment temperature, and the surface treatment time (the same applies to the following examples).
<実施例2>
エマルション形成工程において、4600回転/分で撹拌したこと、及びシリル化処理において、pHを8.7に調整した以外は、実施例1と同様の操作を行った。
<実施例3>
シリル化処理において、pHを8.2に調整した以外は、実施例1と同様の操作を行った。
Example 2
The same procedure as in Example 1 was carried out, except that in the emulsion formation step, stirring was carried out at 4,600 rpm, and in the silylation treatment, the pH was adjusted to 8.7.
Example 3
The same procedure as in Example 1 was carried out except that in the silylation treatment, the pH was adjusted to 8.2.
<比較例1>
シリル化処理する際に35%塩酸を10g、シリル化処理剤としてヘキサメチルジシロキサンを12g添加し、撹拌しながら70℃のウォーターバスで12時間保持した。
シリル化処理後、撹拌しながら24%水酸化ナトリウム水溶液を14.2g添加し、中和処理を行った以外は実施例1と同様の操作を行った。
<比較例2>
シリル化処理する際に35%塩酸を添加しなかった。また、中和処理を行わなかった以外は実施例1と同様の操作を行った。
<比較例3>
シリル化処理する際に35%塩酸を添加しなかった以外は実施例1と同様の操作を行った。
<比較例4>
シリル化処理において、pHを7.1に調整した以外は、実施例1と同様の操作を行った。
<比較例5>
シリル化処理において、pHを0.4に調整した以外は、実施例1と同様の操作を行った。
<Comparative Example 1>
During the silylation treatment, 10 g of 35% hydrochloric acid and 12 g of hexamethyldisiloxane as a silylation treatment agent were added, and the mixture was kept in a water bath at 70° C. for 12 hours with stirring.
The same procedure as in Example 1 was repeated, except that after the silylation treatment, 14.2 g of a 24% aqueous sodium hydroxide solution was added with stirring to carry out neutralization.
<Comparative Example 2>
The same operations as in Example 1 were carried out except that 35% hydrochloric acid was not added during the silylation treatment and that the neutralization treatment was not carried out.
<Comparative Example 3>
The same procedure as in Example 1 was carried out, except that 35% hydrochloric acid was not added during the silylation treatment.
<Comparative Example 4>
The same procedure as in Example 1 was carried out except that in the silylation treatment, the pH was adjusted to 7.1.
<Comparative Example 5>
The same procedure as in Example 1 was carried out except that in the silylation treatment, the pH was adjusted to 0.4.
実施例1~3では、表面処理時のpHを8以上10以下の塩基性条件下で行うことで、良好な物性のシリカエアロゲル粉末を得ることができた。また、反応性が高いシリル化剤を使用したことで、表面処理時間を従来12時間以上要していたところを2時間にまで短縮でき、反応効率を向上させることできた。
比較例1では、従来のシリカエアロゲル粉末を作る製法のため、物性は良好ではあるが、表面処理時間を12時間要した。また、表面処理時のpHは強酸性のため、設備的に検討する必要がある。
比較例2では、表面処理時のpHを10以上で行い、且つ表面処理後に中和処理を行わなかったため、物性が悪化した。これはpHが高すぎたため、シリカエアロゲルが一部溶解したことに起因する。
比較例3では、表面処理時のpHを10以上で行ったため、物性の悪化が見られた。これはpHが高すぎたことにより、シリカエアロゲルが一部溶けたことに起因する。
比較例4では、表面処理時のpHを8以下で行ったため、物性が悪化した。これは、塩酸を必要以上に入れたため、ヘキサメチルジシラザンが消費されたことで、表面処理が不十分になったことに起因する。
比較例5では、表面処理時のpHを強酸性で行ったため、物性が悪化した。これは、比較例4と同様の原因が考えられる。さらに、強酸性であることから、設備的にも検討する必要がある。
In Examples 1 to 3, silica aerogel powder with good physical properties could be obtained by performing the surface treatment under basic conditions with a pH of 8 to 10. In addition, by using a highly reactive silylating agent, the surface treatment time, which was previously required 12 hours or more, could be shortened to 2 hours, improving the reaction efficiency.
In Comparative Example 1, the physical properties were good because of the conventional method for producing silica aerogel powder, but the surface treatment time required 12 hours. In addition, the pH during the surface treatment was strongly acidic, so it was necessary to consider the equipment.
In Comparative Example 2, the surface treatment was performed at a pH of 10 or more, and no neutralization treatment was performed after the surface treatment, so the physical properties were deteriorated. This is because the silica aerogel was partially dissolved due to the pH being too high.
In Comparative Example 3, the surface treatment was performed at a pH of 10 or more, and therefore the physical properties were deteriorated. This is because the silica aerogel was partially dissolved due to the pH being too high.
In Comparative Example 4, the surface treatment was performed at a pH of 8 or less, and therefore the physical properties were deteriorated. This is because more hydrochloric acid than necessary was added, which resulted in consumption of hexamethyldisilazane, resulting in insufficient surface treatment.
In Comparative Example 5, the surface treatment was performed at a strongly acidic pH, which resulted in poor physical properties. This is thought to be due to the same reasons as in Comparative Example 4. Furthermore, since the treatment was strongly acidic, it was necessary to consider the equipment.
Claims (2)
(2)該水性シリカゾルを疎水性溶媒中に分散させてW/O型エマルションを形成させる工程
(3)前記W/O型エマルションをゲル化体の分散液へと変換する工程
(4)該分散液を、O相とW相の2層に分離する工程
(5)W相に塩基性物質を加えて、該W相に分散するゲル化体を熟成する工程
(6)O相を除去する工程
(7)W相に分散するゲル化体をシラザン類でシリル化処理する工程
(8)W相をpH1.0~7.0に調整する工程
(9)疎水性有機溶媒でシリル化したゲル化体を抽出する工程
(10)シリル化したゲル化体を回収し、疎水性の球状シリカエアロゲルからなる粉体を得る工程を上記順に含んでなる、球状シリカエアロゲルの製造方法において、
前記シリル化処理する工程では、分散液のpHを8以上10以下に調整することを特徴とする球状シリカエアロゲルの製造方法。 (1) a step of preparing an aqueous silica sol; (2) a step of dispersing the aqueous silica sol in a hydrophobic solvent to form a W/O type emulsion; (3) a step of converting the W/O type emulsion into a dispersion of a gelled body; (4) a step of separating the dispersion into two layers, an O phase and a W phase; (5) a step of adding a basic substance to the W phase to age the gelled body dispersed in the W phase; (6) a step of removing the O phase; (7) a step of subjecting the gelled body dispersed in the W phase to a silylation treatment with a silazane; (8) a step of adjusting the pH of the W phase to 1.0 to 7.0 ; (9) a step of extracting the silylated gelled body with a hydrophobic organic solvent; and (10) a step of recovering the silylated gelled body to obtain a powder of hydrophobic spherical silica aerogel,
The method for producing a spherical silica aerogel, wherein in the silylation treatment, the pH of the dispersion is adjusted to 8 or more and 10 or less.
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