JP7741002B2 - Method for producing silica particles - Google Patents
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Description
本発明は、シリカ粒子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing silica particles.
半導体封止材等の電子材料またはフィルム製造用等の各種樹脂組成物の充填材として、シリカ粒子が用いられている。精密かつ均一な封止のためには、粒子径の変動が少ない、単分散性の高いシリカ粒子が求められている。 Silica particles are used as a filler in various resin compositions for electronic materials such as semiconductor encapsulation or for film manufacturing. To achieve precise and uniform encapsulation, highly monodisperse silica particles with little variation in particle size are required.
単分散性の高いシリカ粒子を製造する方法として、ケイ素アルコキシドの加水分解および重縮合によりシリカ粒子を生成する、いわゆるゾルゲル法が知られている(例えば、特許文献1~3)。特許文献1に示されるように、ゾルゲル法において、反応を行う際の反応条件を調整することにより、粒子径および粒度分布を調整できることが知られている。 The sol-gel method, in which silica particles are produced by hydrolysis and polycondensation of silicon alkoxide, is known as a method for producing highly monodisperse silica particles (see, for example, Patent Documents 1 to 3). As shown in Patent Document 1, it is known that in the sol-gel method, the particle size and particle size distribution can be adjusted by adjusting the reaction conditions during the reaction.
ゾルゲル法では、ケイ素アルコキシドから微小なシリカ小粒子を生成し、その後、シリカ小粒子を目的の粒子径まで成長させて、シリカ粒子を得る。ここで、シリカ小粒子の粒子径は、反応温度または攪拌条件等の生成条件による影響を受けやすい。 In the sol-gel method, tiny silica particles are produced from silicon alkoxide, and then grown to the desired particle size to obtain silica particles. Here, the particle size of the silica particles is easily affected by production conditions such as reaction temperature and stirring conditions.
生成条件の軽微な差異により生じるシリカ小粒子の粒子径の変動は、シリカ小粒子を成長させた後におけるシリカ粒子の粒子径に大きく影響する。そのため、シリカ粒子の粒子径を製造バッチ間で均一化することが困難となる問題が生じていた。 Variations in the particle size of small silica particles caused by slight differences in production conditions have a significant impact on the particle size of the silica particles after the small silica particles have grown. This has created the problem of making it difficult to standardize the particle size of silica particles between production batches.
本発明の一態様は、粒子径の均一性が高いシリカ粒子を再現性よく製造する方法を実現することを目的とする。 One aspect of the present invention aims to realize a method for reproducibly producing silica particles with highly uniform particle size.
記シリカ小粒子の一部である第1小粒子と、第2ケイ素アルコキシドを含む第1成長液とを混合して、前記第1小粒子の粒子径を成長させ前記シリカ小粒子よりも粒子径が大きいシリカ粒子を得る第1成長工程と、を含む。 The method includes a first growth step in which first small particles, which are a portion of the silica small particles, are mixed with a first growth liquid containing a second silicon alkoxide to grow the particle size of the first small particles and obtain silica particles having a particle size larger than the silica small particles.
本発明の一態様に係るシリカ粒子の製造方法は、前記第1成長工程とは独立して、前記シリカ小粒子において前記第1小粒子以外の部分である第2小粒子の少なくとも一部と、第3ケイ素アルコキシドを含む第2成長液とを混合して、当該第2小粒子の粒子径を成長させる第2成長工程をさらに含んでいてもよい。 The method for producing silica particles according to one embodiment of the present invention may further include, independent of the first growth step, a second growth step in which at least a portion of second small particles, which are the portion of the silica small particles other than the first small particles, is mixed with a second growth solution containing a third silicon alkoxide to grow the particle size of the second small particles.
本発明の一態様に係るシリカ粒子の製造方法は、前記第1成長液と前記第2成長液との成分組成が同条件であり、かつ、前記第2成長工程における前記第2小粒子と前記第2成長液との量比および混合温度は、前記第1成長工程における前記第1小粒子と前記第1成長液との量比および混合温度と同条件とするものであってもよい。 In one embodiment of the present invention, the method for producing silica particles may be such that the component compositions of the first growth liquid and the second growth liquid are the same, and the quantitative ratio and mixing temperature of the second small particles to the second growth liquid in the second growth step are the same as the quantitative ratio and mixing temperature of the first small particles to the first growth liquid in the first growth step.
本発明の一態様に係るシリカ粒子の製造方法は、前記第1ケイ素アルコキシドはテトラエトキシシランであり、前記第2ケイ素アルコキシドはテトラメトキシシランであってもよい。 In one aspect of the method for producing silica particles according to the present invention, the first silicon alkoxide may be tetraethoxysilane, and the second silicon alkoxide may be tetramethoxysilane.
本発明の一態様によれば、粒子径の均一性が高いシリカ粒子を再現性よく製造する方法を実現できる。 One aspect of the present invention provides a method for reproducibly producing silica particles with highly uniform particle size.
本発明の一実施形態について以下に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、以下に説明する各構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲で種々の変更が可能である。また、異なる実施形態および実施例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態および実施例についても本発明の技術的範囲に含まれる。また、本明細書において「A~B」とは、特に指定しない限りA以上B以下であることを示している。 One embodiment of the present invention is described below, but the present invention is not limited to this. The present invention is not limited to the configurations described below, and various modifications are possible within the scope of the claims. Furthermore, embodiments and examples obtained by appropriately combining the technical means disclosed in different embodiments and examples are also included in the technical scope of the present invention. Furthermore, in this specification, "A to B" means greater than or equal to A and less than or equal to B, unless otherwise specified.
〔概要〕
図1に示すように、本発明の一実施形態に係るシリカ粒子の製造方法はまず、シリカ粒子の種として用いられるシリカ小粒子を生成する生成工程を実施し、その後にシリカ小粒子を成長させる成長工程を実施する。本発明の一実施形態では、生成工程において、1回の成長工程に用いるシリカ小粒子よりも多量のシリカ小粒子を生成する。これにより、1回の生成工程において生成したシリカ小粒子から、2回以上の成長工程を実施することが可能となる。なお、本発明の一実施形態に係るシリカ粒子の製造方法によれば、球形度の高い、球状のシリカ粒子が得られる。
〔overview〕
As shown in Figure 1, a method for producing silica particles according to one embodiment of the present invention first involves a production step for producing small silica particles to be used as seeds for silica particles, followed by a growth step for growing the small silica particles. In one embodiment of the present invention, a larger amount of small silica particles are produced in the production step than the number of small silica particles used in one growth step. This makes it possible to carry out two or more growth steps from the small silica particles produced in one production step. Note that the method for producing silica particles according to one embodiment of the present invention allows for the production of spherical silica particles with high sphericity.
生成工程における生成液および成長工程における成長液はそれぞれ、ケイ素アルコキシドならびにケイ素アルコキシドの加水分解および重縮合を進行させる成分を含む。すなわち、生成工程および成長工程は、いわゆるゾルゲル法を利用したシリカ粒子の製造方法であるといえる。 The production liquid in the production process and the growth liquid in the growth process each contain silicon alkoxide and components that promote the hydrolysis and polycondensation of silicon alkoxide. In other words, the production process and growth process can be considered methods for producing silica particles using the so-called sol-gel method.
従来は、生成工程と成長工程とを一連の製造工程として行っていた。成長工程ごとに生成工程をそれぞれ実施する場合、各生成工程において生じるシリカ小粒子の粒子径に差異が生じ得る。そのため、例えば製造バッチ間でシリカ小粒子の粒子径に差異が生じた場合、成長工程後のシリカ粒子の粒子径をこれらの製造バッチ間で揃えることは困難となる。 Conventionally, the production process and growth process have been carried out as a single manufacturing process. When a production process is carried out separately for each growth process, differences in the particle size of the small silica particles produced in each production process can occur. Therefore, for example, if differences in the particle size of the small silica particles occur between production batches, it becomes difficult to ensure that the particle size of the silica particles after the growth process is consistent between these production batches.
また、粒子の球形度および粒子径の均一性(単分散性)が高いシリカ粒子を得るためには、初期のシリカ小粒子の時点において、粒子径の均一性が高いことが重要となる。シリカ小粒子の段階において粒子径にばらつきが生じると、成長工程後のシリカ粒子の粒子径にもばらつきが生じる。 In addition, in order to obtain silica particles with high particle sphericity and particle size uniformity (monodispersity), it is important that the particle size is highly uniform at the initial small silica particle stage. If there is variation in particle size at the small silica particle stage, there will also be variation in the particle size of the silica particles after the growth process.
この点、1回の生成工程により得られた均一性の高いシリカ小粒子の集団内であれば、いずれの集団においても粒子径の均一性は極めて高い。そのため、1回の生成工程により得られたシリカ小粒子を、複数の成長工程においてそれぞれ用いれば、これらの複数の成長工程間において得られるシリカ粒子の粒子径を揃えることが容易となる。また、複数の成長工程において、それぞれ異なる粒子径のシリカ粒子を製造する場合でも、これらの成長工程でそれぞれシリカ粒子の粒子径の均一性を確保することが容易となる。 In this regard, within a population of highly uniform small silica particles obtained in a single production process, the uniformity of particle size is extremely high within each population. Therefore, if the small silica particles obtained in a single production process are used in multiple growth processes, it becomes easy to make the particle size of the silica particles obtained between these multiple growth processes uniform. Furthermore, even when silica particles with different particle sizes are produced in multiple growth processes, it becomes easy to ensure uniformity of the particle size of the silica particles in each of these growth processes.
したがって、例えば、生成工程において大量にシリカ小粒子を生成しておき、その一部を成長工程に用いると共に、残りのシリカ小粒子を保管しておいて、後日の別バッチのシリカ粒子製造時に、当該保管していたシリカ小粒子を用いてもよい。このような構成によれば、複数の製造バッチで、目的の粒子径を有するシリカ粒子を再現性よく製造できる。 Therefore, for example, a large amount of small silica particles can be produced in the production process, some of which can be used in the growth process, while the remaining small silica particles can be stored and used when producing a different batch of silica particles at a later date. This configuration allows silica particles having the desired particle size to be produced reproducibly across multiple production batches.
このように、生成工程実施後のシリカ小粒子を複数の独立した成長工程にそれぞれ用いることは、生成工程と成長工程とを一連の工程として行うという従来の技術常識を覆すものである。本発明者らは、このような新規な知見に基づいて鋭意検討を行った結果、本発明を完成させるに至った。以下、本発明の一実施形態に係るシリカ粒子の製造方法について説明する。 In this way, using the small silica particles after the production process in multiple independent growth processes overturns the conventional technical wisdom that the production process and growth process are carried out as a series of steps. Based on this novel finding, the inventors conducted extensive research and eventually completed the present invention. Below, we will explain a method for producing silica particles according to one embodiment of the present invention.
〔シリカ粒子の製造方法〕
本発明の一実施形態に係るシリカ粒子の製造方法は、シリカ小粒子を生成する生成工程と、当該シリカ小粒子を成長させる第1成長工程とを含む。第1成長工程は、上述した複数の成長工程の一つであってよい。本明細書において、単に「成長工程」と称する場合、特記しない限り、第1成長工程と、後述する第2成長工程との総称を意図する。
[Method for producing silica particles]
A method for producing silica particles according to one embodiment of the present invention includes a generation step for generating small silica particles and a first growth step for growing the small silica particles. The first growth step may be one of the above-described multiple growth steps. In this specification, when the term "growth step" is used, it is intended to collectively refer to the first growth step and the second growth step described below, unless otherwise specified.
本発明の一実施形態に係るシリカ粒子の製造方法は、ゾルゲル法によりシリカ粒子を製造する方法であってよい。ゾルゲル法では、例えば、ケイ素アルコキシドを、水と触媒とを含有する反応溶媒中において加水分解および重縮合させ、シリカ粒子を含むシリカゾルを生成する(生成工程および成長工程)。また、当該シリカゾルをゲル化して生成した固形分を取り出して乾燥する工程等を経て、粉末状のシリカ粒子を得てもよいし、当該粉末状のシリカ粒子をさらに焼成および解砕する工程を行ってもよい。このように、本発明の一実施形態に係るシリカ粒子の製造方法は、生成工程および成長工程以外の工程を含んでいてもよい。 A method for producing silica particles according to one embodiment of the present invention may be a method for producing silica particles by a sol-gel method. In the sol-gel method, for example, silicon alkoxide is hydrolyzed and polycondensed in a reaction solvent containing water and a catalyst to produce a silica sol containing silica particles (production step and growth step). Powdered silica particles may also be obtained by gelling the silica sol and removing and drying the resulting solid, or the powdered silica particles may be further calcined and crushed. In this way, a method for producing silica particles according to one embodiment of the present invention may include steps other than the production step and growth step.
(生成工程)
生成工程は、第1ケイ素アルコキシドを含む生成液から複数のシリカ小粒子を生成する工程である。生成工程では、第1ケイ素アルコキシドを含む生成液中において、第1ケイ素アルコキシドの加水分解および重縮合を行うことによりシリカ小粒子を生成する。シリカ小粒子は、生成工程後に行う成長工程により得られるシリカ粒子よりも粒子径が小さい。シリカ小粒子は、成長工程においてシリカ粒子を得るための種となることから、「種粒子」と呼ばれることもある。
(Generation process)
The production step is a step of producing a plurality of small silica particles from a production solution containing a first silicon alkoxide. In the production step, the small silica particles are produced by hydrolysis and polycondensation of the first silicon alkoxide in the production solution containing the first silicon alkoxide. The small silica particles have a smaller particle size than the silica particles obtained in the growth step performed after the production step. The small silica particles are sometimes called "seed particles" because they serve as seeds for obtaining silica particles in the growth step.
第1ケイ素アルコキシドとしては、ゾルゲル法によるシリカ粒子の製造に一般的に用いられるケイ素アルコキシド(アルコキシシラン)であれば、特に制限されない。第1ケイ素アルコキシドとしては、例えば、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシランおよびテトラブトキシシランが挙げられる。中でも、メチルトリメトキシシラン、テトラメトキシシランおよびテトラエトキシシランが、入手および取扱いの容易性の観点から好ましい。これらケイ素アルコキシドは、1種のみを使用してもよく、2種以上を併用してもよい。 The first silicon alkoxide is not particularly limited, as long as it is a silicon alkoxide (alkoxysilane) commonly used in the production of silica particles by the sol-gel method. Examples of the first silicon alkoxide include methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, and tetrabutoxysilane. Of these, methyltrimethoxysilane, tetramethoxysilane, and tetraethoxysilane are preferred from the standpoint of ease of availability and handling. These silicon alkoxides may be used alone or in combination of two or more.
第1ケイ素アルコキシドは、生成するシリカ小粒子の粒子径を揃えやすくする観点から、比較的反応速度が小さいケイ素アルコキシドを単独で用いることが好ましく、テトラエトキシシランを単独で用いることが特に好ましい。 In order to make it easier to produce small silica particles with a uniform particle size, it is preferable to use a silicon alkoxide with a relatively slow reaction rate alone as the first silicon alkoxide, and it is particularly preferable to use tetraethoxysilane alone.
第1ケイ素アルコキシドを含む生成液は、第1ケイ素アルコキシドの加水分解および重縮合が進行可能な組成を有するものであれば、特に限定されない。このような生成液は、第1ケイ素アルコキシドに加え、例えば、溶媒と、触媒とを含むものであってよい。また、第1ケイ素アルコキシドの加水分解には水を要することから、溶媒および触媒の少なくとも一方は水を含むものとする。 The product liquid containing the first silicon alkoxide is not particularly limited as long as it has a composition that allows the hydrolysis and polycondensation of the first silicon alkoxide to proceed. In addition to the first silicon alkoxide, such a product liquid may contain, for example, a solvent and a catalyst. Furthermore, because water is required for the hydrolysis of the first silicon alkoxide, at least one of the solvent and the catalyst must contain water.
溶媒は、極性溶媒であることが好ましい。極性溶媒は、水であってもよく、常温・常圧下で100gあたり10g以上の水を溶解可能な有機溶媒であってもよく、水と当該有機溶媒との混合溶媒であってもよい。溶媒がこのような有機溶媒を含む場合、有機溶媒は1種であってもよく、2種以上であってもよい。溶媒が2種以上の有機溶媒を含む場合、有機溶媒の混合物として上記の水溶解性の要件を満たせばよい。 The solvent is preferably a polar solvent. The polar solvent may be water, an organic solvent capable of dissolving 10 g or more of water per 100 g at room temperature and pressure, or a mixed solvent of water and such an organic solvent. When the solvent contains such an organic solvent, the organic solvent may be one type, or two or more types. When the solvent contains two or more types of organic solvents, the mixture of organic solvents should satisfy the above-mentioned water solubility requirements.
有機溶媒としては、例えば、アルコール、エーテルおよびアミド化合物を挙げることができる。アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールおよびブタノールが挙げられる。エーテルとしては、例えば、テトラヒドロフランおよびジオキサンが挙げられる。アミド化合物としては、例えば、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドおよびN-メチルピロリドンが挙げられる。 Examples of organic solvents include alcohols, ethers, and amide compounds. Examples of alcohols include methanol, ethanol, isopropyl alcohol, and butanol. Examples of ethers include tetrahydrofuran and dioxane. Examples of amide compounds include dimethylformamide, dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone.
生成工程および成長工程では、ケイ素アルコキシドの加水分解によりアルコールが副生する。そのため、製造したシリカ粒子の分散液中における不純物混入の低減および加熱による除去容易性等の観点から、有機溶媒はアルコールであることが好ましい。 During the production and growth processes, alcohol is produced as a by-product due to the hydrolysis of silicon alkoxide. Therefore, from the standpoint of reducing impurities in the dispersion of the produced silica particles and making it easier to remove by heating, it is preferable that the organic solvent be alcohol.
触媒は、酸性触媒であってもよく、塩基性触媒であってもよい。粒子径の均一性が高い球状粒子を得る観点からは、触媒は塩基性触媒であることが好ましい。塩基性触媒としては、ゾルゲル法の反応によるシリカ粒子の製造に一般的に用いられる塩基性触媒であれば、特に制限されない。塩基性触媒としては、例えば、アミン化合物および水酸化アルカリ金属を挙げることができる。 The catalyst may be an acidic catalyst or a basic catalyst. From the perspective of obtaining spherical particles with a highly uniform particle size, the catalyst is preferably a basic catalyst. There are no particular restrictions on the basic catalyst, as long as it is a basic catalyst commonly used in the production of silica particles by a sol-gel reaction. Examples of basic catalysts include amine compounds and alkali metal hydroxides.
高純度のシリカ小粒子を得る観点からは、塩基性触媒はアミン化合物であることが好ましい。アミン化合物としては、例えば、アンモニア、メチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミンおよびトリエチルアミンが挙げられる。揮発性が高く除去しやすいことから、塩基性触媒はアンモニアであることが好ましい。塩基性触媒は、これらのうち1種であってもよく、2種以上を含むものであってもよい。 From the perspective of obtaining high-purity small silica particles, the basic catalyst is preferably an amine compound. Examples of amine compounds include ammonia, methylamine, dimethylamine, trimethylamine, ethylamine, diethylamine, and triethylamine. Because it is highly volatile and easy to remove, the basic catalyst is preferably ammonia. The basic catalyst may be one of these, or may contain two or more of them.
触媒は、例えばアンモニア水のように、水または有機溶媒に溶解して使用してもよい。生成工程の反応速度を調整する観点からは、触媒を、水に溶解して濃度を調整した水溶液として使用することが好ましい。触媒を水溶液として使用する場合、水溶液中における触媒の濃度は、例えば1~30質量%であってよい。 The catalyst may be used dissolved in water or an organic solvent, such as aqueous ammonia. From the perspective of adjusting the reaction rate of the production process, it is preferable to use the catalyst as an aqueous solution in which the catalyst has been dissolved in water and the concentration has been adjusted. When using the catalyst as an aqueous solution, the catalyst concentration in the aqueous solution may be, for example, 1 to 30% by mass.
生成液における、水、有機溶媒および触媒の割合は、生成工程の反応速度、シリカ小粒子の目標粒子径および生成工程後のシリカ小粒子分散液におけるシリカ小粒子の目標濃度によって、適宜決定してよい。 The proportions of water, organic solvent, and catalyst in the product solution may be determined appropriately depending on the reaction rate of the production process, the target particle size of the small silica particles, and the target concentration of small silica particles in the small silica particle dispersion after the production process.
生成液における水の割合は、1~30質量%であることが好ましく、5~20質量%とすることがより好ましい。また、生成液が有機溶媒を含む場合、生成液における有機溶媒の割合は、50~95質量%であることが好ましく、70~90質量%とすることがより好ましい。また、生成液に含まれる触媒の量は、第1ケイ素アルコキシドの量に対して0.1~60質量%とすることが好ましく、0.5~40質量%とすることがより好ましい。 The proportion of water in the product liquid is preferably 1 to 30% by mass, and more preferably 5 to 20% by mass. Furthermore, if the product liquid contains an organic solvent, the proportion of the organic solvent in the product liquid is preferably 50 to 95% by mass, and more preferably 70 to 90% by mass. Furthermore, the amount of catalyst contained in the product liquid is preferably 0.1 to 60% by mass, and more preferably 0.5 to 40% by mass, relative to the amount of the first silicon alkoxide.
生成工程は、ゾルゲル法の反応によるシリカ粒子の製造に一般的に用いられる反応容器を用いて行ってよい。このような反応容器は、例えば、攪拌翼を備えた円筒形状の容器であってよい。 The production process may be carried out using a reaction vessel commonly used for producing silica particles by sol-gel reactions. Such a reaction vessel may be, for example, a cylindrical vessel equipped with a stirring blade.
生成液の調整方法は特に限定されないが、例えば図2に示すように、反応容器に溶媒および触媒を添加し(S1)、ここに第1ケイ素アルコキシドを添加する(S2)方法が挙げられる。この方法によれば、粒子径の均一性が高い、球状のシリカ小粒子を再現性良く製造できる。この場合、例えば、先に第1ケイ素アルコキシドの一部を反応容器に添加した後に、残りの第1ケイ素アルコキシドを添加してもよい。また、第1ケイ素アルコキシドと触媒とを略同時に添加してもよい。さらに、第1ケイ素アルコキシドが2種以上のケイ素アルコキシドを含む場合、各々を同時に添加してもよく、各々を順次に添加してもよい。 The method for preparing the product solution is not particularly limited, but an example is a method in which a solvent and catalyst are added to a reaction vessel (S1), and then a first silicon alkoxide is added thereto (S2), as shown in Figure 2. This method allows for the reproducible production of small spherical silica particles with a highly uniform particle size. In this case, for example, a portion of the first silicon alkoxide may be added to the reaction vessel first, and then the remaining first silicon alkoxide may be added. Alternatively, the first silicon alkoxide and catalyst may be added approximately simultaneously. Furthermore, when the first silicon alkoxide contains two or more types of silicon alkoxide, they may be added simultaneously or sequentially.
生成液からシリカ小粒子の生成を行う反応温度は、生成液の成分組成およびシリカ小粒子の目標粒子径に応じて、適宜選択すればよい。当該反応温度としては、例えば、-10~60℃の範囲であってよい。このような反応温度により、第1ケイ素アルコキシドの加水分解および重縮合を進行させる(S3、生成工程)ことで、シリカ小粒子を生成できる。 The reaction temperature for producing small silica particles from the product solution can be selected appropriately depending on the component composition of the product solution and the target particle size of the small silica particles. The reaction temperature may be, for example, in the range of -10 to 60°C. At such a reaction temperature, the hydrolysis and polycondensation of the first silicon alkoxide proceed (S3, production step), thereby producing small silica particles.
生成工程により生成するシリカ小粒子の粒子径は、成長工程後におけるシリカ粒子の目標粒子径よりも小さい限りにおいて特に限定されないが、例えば、0.40μm以下であってよく、0.30μm以下であってもよく、0.20μm以下であることが好ましく、0.10μm以下であることがより好ましい。また、シリカ小粒子の粒子径が過度に小さいと、粒子径のごく微小な差異が、成長工程後のシリカ粒子の粒子径に影響してしまいやすく、また凝集しやすくなり、成長工程で粒子径の均一性が得られにくくなる。そのため、シリカ小粒子の粒子径は、0.05μm以上であることが好ましい。 The particle size of the small silica particles produced in the production process is not particularly limited as long as it is smaller than the target particle size of the silica particles after the growth process. For example, it may be 0.40 μm or less, 0.30 μm or less, preferably 0.20 μm or less, and more preferably 0.10 μm or less. Furthermore, if the particle size of the small silica particles is excessively small, even minute differences in particle size will likely affect the particle size of the silica particles after the growth process, and they will be more likely to aggregate, making it difficult to achieve uniform particle size in the growth process. Therefore, it is preferable that the particle size of the small silica particles be 0.05 μm or more.
このような粒子径であれば、粒子径の均一性が高いシリカ小粒子の集団が得られやすく、また、生成工程の反応時間が過大となり製造効率が低下することを防止できる。 With such a particle size, it is easy to obtain a group of small silica particles with a highly uniform particle size, and it is also possible to prevent the reaction time in the production process from becoming too long and reducing production efficiency.
シリカ小粒子の粒子径の測定方法は特に限定されず、例えば、レーザ回折散乱法により集団の平均粒子径を求めてもよく、電子顕微鏡像等の撮像画像から各シリカ小粒子の粒子径を求めてもよい。これは、後述のシリカ粒子の粒子径についても同様である。なお、シリカ小粒子およびシリカ粒子の「粒子径」とは、体積基準累積50%径を意図する。 The method for measuring the particle size of small silica particles is not particularly limited. For example, the average particle size of a group may be determined by laser diffraction scattering, or the particle size of each small silica particle may be determined from an image captured by an electron microscope or the like. This also applies to the particle size of silica particles, which will be described later. Note that the "particle size" of small silica particles and silica particles refers to the cumulative 50% diameter on a volume basis.
(成長工程)
本発明の一実施形態に係るシリカ粒子の製造方法において、生成工程にて得られたシリカ小粒子の粒子径を成長させる成長工程を行う。成長工程としては、少なくとも第1成長工程を行う。また、第1成長工程とは独立して、第2成長工程をさらに行うことが好ましい。第1成長工程および第2成長工程はいずれも、シリカ小粒子を成長させる工程であり、1回の生成工程により得られたシリカ小粒子をそれぞれ用いる。第2成長工程は、複数回に分けて行ってもよい。
(growth process)
In a method for producing silica particles according to one embodiment of the present invention, a growth step is carried out to grow the particle size of the small silica particles obtained in the production step. As the growth step, at least a first growth step is carried out. It is also preferable to further carry out a second growth step independently of the first growth step. Both the first growth step and the second growth step are steps for growing small silica particles, and each uses small silica particles obtained in a single production step. The second growth step may be carried out multiple times.
第1成長工程では、生成工程にて生成した複数のシリカ小粒子の一部である第1小粒子と、第2ケイ素アルコキシドを含む第1成長液とを混合する。これにより第1小粒子の粒子径を成長させ、シリカ小粒子よりも粒子径が大きいシリカ粒子を得る。第1成長工程において、第1小粒子の粒子径の成長は、生成工程と同様に、第2ケイ素アルコキシドの加水分解および重縮合により進行する。 In the first growth process, the first small particles, which are part of the multiple small silica particles produced in the production process, are mixed with a first growth solution containing a second silicon alkoxide. This causes the particle size of the first small particles to grow, resulting in silica particles with a larger particle size than the small silica particles. In the first growth process, the growth in particle size of the first small particles proceeds through hydrolysis and polycondensation of the second silicon alkoxide, just as in the production process.
第2成長工程では、第1成長工程とは独立して、生成工程にて生成したシリカ小粒子において第1小粒子以外の部分である第2小粒子の少なくとも一部と、第3ケイ素アルコキシドを含む第2成長液とを混合して、当該第2小粒子の粒子径を成長させる。第2成長工程において、第2小粒子の粒子径の成長は、生成工程と同様に、第3ケイ素アルコキシドの加水分解および重縮合により進行する。 In the second growth process, which is independent of the first growth process, at least a portion of the second small particles (i.e., the portion of the small silica particles produced in the production process other than the first small particles) is mixed with a second growth solution containing a third silicon alkoxide to grow the particle size of the second small particles. In the second growth process, the growth in particle size of the second small particles proceeds through hydrolysis and polycondensation of the third silicon alkoxide, just as in the production process.
「第1成長工程とは独立して」とは、第1成長工程とは異なる時間(例えば、第1成長工程よりも後)に第2成長工程を行う場合と、第1成長工程と略同時に、第1成長工程とは別個体の反応容器を用いて第2成長工程を行う場合と、の両方を少なくとも含む。 "Independently from the first growth step" includes at least both cases where the second growth step is carried out at a different time from the first growth step (for example, later than the first growth step), and cases where the second growth step is carried out substantially simultaneously with the first growth step using a separate reaction vessel from the first growth step.
第1成長工程では、生成工程にて得られたシリカ小粒子の全部ではなく、一部のみを使用する。シリカ小粒子の当該一部を、「第1小粒子」と称する。また、生成工程において得られたシリカ小粒子のうち、第1小粒子以外の部分を「第2小粒子」と称する。 In the first growth process, only a portion of the small silica particles obtained in the production process is used, not all of them. This portion of the small silica particles is referred to as the "first small particles." Furthermore, the portion of the small silica particles obtained in the production process other than the first small particles is referred to as the "second small particles."
第1小粒子の量は、生成工程にて生成したシリカ小粒子の全量でなければ特に限定されない。第1小粒子の量は、生成工程にて生成したシリカ小粒子全量の50質量%以下であってよく、40質量%以下であってもよく、30質量%以下であってもよく、20質量%以下であってもよく、10質量%以下であってもよい。多くの製造バッチにおいて、1回の生成工程から得られたシリカ小粒子を用いる観点から、第1小粒子の量は、生成工程にて生成したシリカ小粒子の20質量%以下であることが好ましい。 The amount of the first small particles is not particularly limited, as long as it is equal to the total amount of the silica small particles produced in the production process. The amount of the first small particles may be 50% by mass or less of the total amount of the silica small particles produced in the production process, 40% by mass or less, 30% by mass or less, 20% by mass or less, or 10% by mass or less. From the perspective of using the silica small particles obtained from a single production process in many production batches, it is preferable that the amount of the first small particles be 20% by mass or less of the silica small particles produced in the production process.
第2小粒子は、第2成長工程において用いることが好ましい。第2小粒子は、1回の第2成長工程において全量を用いてもよく、一部のみ用いてもよい。例えば、第2成長工程を2回以上行う場合、第2小粒子を、第2成長工程を行う回数分に分けて、それぞれの第2成長工程において各部分を用いてもよい。例えば、第2成長工程を9回(すなわち、第1成長工程と合わせて10製造バッチ)行う場合、第1小粒子を生成工程にて生成したシリカ小粒子の10質量%とする。そして、各第2成長工程にて、それぞれ第2小粒子の1/9量(生成工程にて生成したシリカ小粒子の10質量%)を用いればよい。 The second small particles are preferably used in the second growth process. The second small particles may be used in their entirety in one second growth process, or only a portion may be used. For example, if the second growth process is performed two or more times, the second small particles may be divided into portions corresponding to the number of second growth processes performed, and each portion may be used in each second growth process. For example, if the second growth process is performed nine times (i.e., 10 production batches including the first growth process), the first small particles should be 10% by mass of the silica small particles produced in the production process. Then, 1/9 of the second small particles (10% by mass of the silica small particles produced in the production process) should be used in each second growth process.
第1成長工程および複数回の第2成長工程を合わせた数が、1回の生成工程により得られたシリカ小粒子を用いてシリカ粒子を製造する製造バッチ数となる。これらの製造バッチ間では、成長前のシリカ小粒子の粒子径が高い均一性を有していることから、成長工程後のシリカ粒子についても、製造バッチ間で粒子径について高い均一性を得ることが容易である。 The total number of the first growth process and multiple second growth processes is the number of production batches in which silica particles are produced using the small silica particles obtained in a single production process. Because the particle size of the small silica particles before growth is highly uniform between these production batches, it is easy to achieve high uniformity in particle size between production batches for the silica particles after the growth process as well.
第2ケイ素アルコキシドおよび第3ケイ素アルコキシドはそれぞれ、第1ケイ素アルコキシドとして例示した化合物の中の1種または2種以上であってよい。第1ケイ素アルコキシド、第2ケイ素アルコキシドおよび第3ケイ素アルコキシドは、いずれも同一のケイ素アルコキシドであってもよく、それぞれ異なるケイ素アルコキシドであってもよい。第1成長工程と第2成長工程との間でシリカ粒子の粒子径を揃えるためには、第2ケイ素アルコキシドと第3ケイ素アルコキシドとは同種のケイ素アルコキシドであることが好ましい。 The second silicon alkoxide and the third silicon alkoxide may each be one or more of the compounds exemplified as the first silicon alkoxide. The first silicon alkoxide, the second silicon alkoxide, and the third silicon alkoxide may all be the same silicon alkoxide, or they may each be different silicon alkoxides. In order to ensure that the particle size of the silica particles is consistent between the first and second growth steps, it is preferable that the second silicon alkoxide and the third silicon alkoxide are the same type of silicon alkoxide.
第2ケイ素アルコキシドは、第1ケイ素アルコキシドよりも反応効率が高いケイ素アルコキシドであることが好ましい。例えば、第1ケイ素アルコキシドがテトラエトキシシランである場合、第2ケイ素アルコキシドはテトラメトキシシランであることが好ましい。テトラメトキシシランは、テトラエトキシシランよりも分子におけるSi率が大きいため、シリカ粒子分散液中のシリカ粒子の濃度を高めやすい。 The second silicon alkoxide is preferably a silicon alkoxide with a higher reaction efficiency than the first silicon alkoxide. For example, if the first silicon alkoxide is tetraethoxysilane, the second silicon alkoxide is preferably tetramethoxysilane. Tetramethoxysilane has a higher Si content in its molecule than tetraethoxysilane, making it easier to increase the concentration of silica particles in the silica particle dispersion.
このように、生成工程と成長工程とでそれぞれ異なるケイ素アルコキシドを用いる構成によれば、シリカ粒子の粒子径の均一性を保ちながら、シリカ粒子の収率を高めることで製造コストを低減できる。 In this way, by using different silicon alkoxides in the generation process and the growth process, it is possible to reduce production costs by increasing the yield of silica particles while maintaining uniformity in the particle size of the silica particles.
第1成長液および第2成長液はそれぞれ、第2ケイ素アルコキシドまたは第3ケイ素アルコキシドに加え、生成液において例示した溶媒および触媒を含む溶液であってよい。生成液、第1成長液および第2成長液におけるケイ素アルコキシド以外の成分組成は、互いに同条件であってもよく、異なっていてもよい。例えば、生成液では、粒子径を揃えるため水および/または触媒の割合を少なくしてゆっくり反応を進める一方、第1成長液および第2成長液では、反応効率を重視して水および/または触媒の割合を増加させてもよい。 The first growth liquid and the second growth liquid may each be a solution containing the second silicon alkoxide or the third silicon alkoxide, as well as the solvent and catalyst exemplified for the product liquid. The component compositions other than the silicon alkoxide in the product liquid, the first growth liquid, and the second growth liquid may be the same or different. For example, in the product liquid, the proportion of water and/or catalyst may be reduced to ensure a consistent particle size, allowing the reaction to proceed slowly, while in the first growth liquid and the second growth liquid, the proportion of water and/or catalyst may be increased to prioritize reaction efficiency.
第1成長工程と第2成長工程との間でシリカ粒子の粒子径を揃える場合、第1成長液および第2成長液の成分組成は同条件であることが好ましい。なお、本明細書において「同条件」とは、製造計画(製造プロトコル)上の条件が同一であればよく、製造実施において生じ得る誤差は許容する概念である。 When the particle size of the silica particles is to be consistent between the first and second growth steps, it is preferable that the component compositions of the first and second growth solutions be the same. Note that, in this specification, "the same conditions" refers to the same conditions in the manufacturing plan (manufacturing protocol), and is a concept that allows for errors that may occur during manufacturing.
第1成長工程は、生成工程にて用いる反応容器と同様の反応容器により行われてよい。また、生成工程と第1成長工程とでは、ケイ素アルコキシド等の原料の使用量が異なる場合がある。そのため、第1成長工程において用いる反応容器は、生成工程において用いる反応容器とは容量が異なる反応容器であってもよい。 The first growth step may be carried out in a reaction vessel similar to that used in the production step. Furthermore, the amounts of raw materials, such as silicon alkoxide, used in the production step and the first growth step may differ. Therefore, the reaction vessel used in the first growth step may have a different capacity from the reaction vessel used in the production step.
第1成長液の調整方法は特に限定されないが、例えば図2に示すように、反応容器に第1小粒子、溶媒および触媒を仕込み(S4)、第2ケイ素アルコキシドと触媒とを略同時に添加する(S5)方法が挙げられる。この方法によれば、粒子径の均一性が高い、球状のシリカ粒子を再現性良く製造できる。この場合、例えば、先に第2ケイ素アルコキシドの一部を反応容器に添加した後に、残りの第2ケイ素アルコキシドと触媒とを同時に添加してもよい。 The method for preparing the first growth solution is not particularly limited, but an example is a method as shown in Figure 2, in which the first small particles, solvent, and catalyst are charged into a reaction vessel (S4), and the second silicon alkoxide and catalyst are added at approximately the same time (S5). This method allows for the reproducibility of spherical silica particles with a highly uniform particle size. In this case, for example, a portion of the second silicon alkoxide may be added to the reaction vessel first, and then the remaining second silicon alkoxide and catalyst may be added simultaneously.
また、第2ケイ素アルコキシドが2種以上のケイ素アルコキシドを含む場合、各々を同時に添加してもよく、各々を順次に添加してもよい。第1成長液に含まれる各成分の割合は、シリカ粒子の目標粒子径に応じて適宜選択すればよい。 Furthermore, when the second silicon alkoxide contains two or more types of silicon alkoxide, they may be added simultaneously or sequentially. The proportions of each component contained in the first growth solution may be selected appropriately depending on the target particle size of the silica particles.
第1成長液からシリカ小粒子の成長を行う反応温度は、第1成長液の成分組成およびシリカ粒子の目標粒子径に応じて、適宜選択すればよい。反応温度としては、例えば、-10~60℃の範囲であってよい。このような反応温度により、第2ケイ素アルコキシドの加水分解および重縮合を進行させる(S6、成長工程)ことで、第1小粒子の粒子径が成長する。 The reaction temperature at which small silica particles are grown from the first growth liquid may be selected appropriately depending on the component composition of the first growth liquid and the target particle size of the silica particles. The reaction temperature may be, for example, in the range of -10 to 60°C. At this reaction temperature, hydrolysis and polycondensation of the second silicon alkoxide proceed (S6, growth step), thereby growing the particle size of the first small particles.
第2成長工程における、反応容器、第2成長液の調整方法および反応温度については、第1成長工程と同様に適宜決定してよい。第1成長工程と第2成長工程との間でシリカ粒子の粒子径を揃える場合は、第2成長工程における第2小粒子と第2成長液との量比および混合温度を、第1成長工程における第1小粒子と第1成長液との量比および混合温度と同条件とすることが好ましい。また、これら以外の各条件についても、第1成長工程と第2成長工程との間で同条件とすることがより好ましい。 The reaction vessel, method for preparing the second growth liquid, and reaction temperature in the second growth step may be determined appropriately, as in the first growth step. When the particle size of the silica particles is to be consistent between the first and second growth steps, it is preferable that the quantitative ratio of the second small particles to the second growth liquid and the mixing temperature in the second growth step be the same as the quantitative ratio of the first small particles to the first growth liquid and the mixing temperature in the first growth step. It is also more preferable that all other conditions be the same between the first and second growth steps.
第1成長工程により得られるシリカ粒子の粒子径は、特に限定されない。なお、シリカ粒子の目標粒子径が、例えば1.5μm以上のように比較的大きい場合、第1成長工程の後にシリカ粒子をさらに成長させる、追加成長工程を行ってもよい。例えば、生成工程において生成した約0.2μmの粒子径を有するシリカ小粒子を用いて、第1成長工程により約0.4μmの粒子径を有するシリカ粒子(中間粒子)を得る。その後、当該中間粒子の粒子径を成長させる追加成長工程を行い、約1.5μmまたはそれ以上の粒子径を有するシリカ粒子を得てもよい。 The particle size of the silica particles obtained by the first growth process is not particularly limited. If the target particle size of the silica particles is relatively large, for example, 1.5 μm or more, an additional growth process may be performed after the first growth process to further grow the silica particles. For example, small silica particles having a particle size of approximately 0.2 μm produced in the production process are used to obtain silica particles (intermediate particles) having a particle size of approximately 0.4 μm by the first growth process. Then, an additional growth process may be performed to grow the particle size of the intermediate particles, resulting in silica particles having a particle size of approximately 1.5 μm or more.
追加成長工程は、第2成長工程の後に行ってもよい。シリカ粒子の粒子径を製造バッチ間で揃えるためには、第1成長工程後に追加成長工程を行った場合、第2成長工程後にも、同様の追加成長工程を行うことが好ましい。また、追加成長工程における反応条件は、第1成長工程または第2成長工程と同条件であってもよく、異なる条件であってもよい。 The additional growth step may be performed after the second growth step. In order to make the particle size of the silica particles uniform between production batches, if an additional growth step is performed after the first growth step, it is preferable to perform a similar additional growth step after the second growth step. Furthermore, the reaction conditions in the additional growth step may be the same as or different from those in the first or second growth step.
(第2小粒子の保管)
第1成長工程よりも後に第2成長工程を行う場合、第2小粒子は、第2成長工程を行うまで保管しておくことができる。第2小粒子の保管条件は特に限定されない。
(Storage of second small particles)
When the second growth step is carried out after the first growth step, the second small particles can be stored until the second growth step is carried out. The storage conditions for the second small particles are not particularly limited.
第2小粒子を保管する場合は、第2小粒子の凝集を防ぐ観点から、分散媒を添加してもよい。第2小粒子の保管中に第2小粒子を分散させる分散媒は、特に限定されないが、例えば、生成液において例示した溶媒であってよい。 When storing the second small particles, a dispersant may be added to prevent aggregation of the second small particles. The dispersant used to disperse the second small particles during storage is not particularly limited, but may be, for example, the solvents exemplified for the production liquid.
第2小粒子は、第2小粒子を分散させる分散媒に対して反応性を有さない保管容器内に保存することが好ましい。このような保管容器としては、例えば、ステンレス等の金属製または樹脂製の保管容器が挙げられる。また、第2小粒子の保管温度は、溶媒の気化を防ぐ観点からは、常温であることが好ましい。具体的には、例えば30℃以下であることが好ましく、20℃以下であることがより好ましい。また、分散媒の凝固を防ぐ観点から、分散媒の凝固点以上の温度であることが好ましく、例えば0℃以上であることが好ましい。 The second small particles are preferably stored in a storage container that is not reactive with the dispersion medium in which the second small particles are dispersed. Examples of such storage containers include storage containers made of metal such as stainless steel or resin. Furthermore, the storage temperature of the second small particles is preferably room temperature to prevent evaporation of the solvent. Specifically, for example, a temperature of 30°C or less is preferred, and 20°C or less is more preferred. Furthermore, to prevent solidification of the dispersion medium, a temperature above the freezing point of the dispersion medium is preferred, for example, 0°C or higher is preferred.
第2小粒子を保管する雰囲気は、特に限定されないが、例えば空気または窒素等の不活性ガスであってよい。また、粒子同士の凝集を防ぐ観点からは、第2小粒子を常時、または定期的に攪拌することが好ましい。なお、第2小粒子は粒子径が小さく沈降速度が遅いため、保管中の攪拌は省略しても、十分に長期間の保管が可能である。 The atmosphere in which the second small particles are stored is not particularly limited, but may be, for example, air or an inert gas such as nitrogen. Furthermore, from the perspective of preventing aggregation of particles, it is preferable to constantly or periodically stir the second small particles. Since the second small particles have a small particle size and a slow settling rate, they can be stored for a sufficiently long period of time even if stirring during storage is omitted.
第2小粒子は、粒子径および分散媒等の条件にもよるが、一般的には生成工程後から約半年は、安定して分散媒中に分散した状態で保管可能である。以下は、第2小粒子の沈降速度について検討した結果である。 The second small particles can generally be stored in a stable dispersed state in the dispersion medium for approximately six months after the production process, although this depends on conditions such as particle size and dispersion medium. The following are the results of an investigation into the sedimentation rate of the second small particles.
条件は、粒子径(d)を0.06μm、粒子の密度(ρs)を2000kg/m3、分散媒の密度(ρL)を840kg/m3、分散媒の粘性(μL)を0.622kg/m・s、重力加速度(g)を9.8m/s2とした。 The conditions were particle diameter (d) of 0.06 μm, particle density (ρ s ) of 2000 kg/m 3 , dispersion medium density (ρ L ) of 840 kg/m 3 , dispersion medium viscosity (μ L ) of 0.622 kg/m·s, and gravitational acceleration (g) of 9.8 m/s 2 .
粒子の密度については、第2小粒子が未焼成のシリカ小粒子であることを考慮した値とした。また、分散媒は水とメタノールとの2:8混合溶媒と仮定した。第2小粒子は球状であり、粒子径は十分に小さいことからストークスの法則が成立すると仮定し、下記式(1)により第2小粒子の沈降速度(ut)を求めた。 The particle density was determined taking into account that the second small particles were unsintered silica small particles. The dispersion medium was assumed to be a 2:8 mixed solvent of water and methanol. Since the second small particles were spherical and had sufficiently small particle diameters, it was assumed that Stokes' law held true, and the settling velocity (u t ) of the second small particles was calculated using the following formula (1):
ut=d2(ρs-ρL)g/(18μL) (1)
この結果、上記条件における第2小粒子の沈降速度(ut)は、3.65×10-12m/sであった。これは、第2小粒子が分散媒中で沈降する距離が、半年で約0.05mm、1年でも約0.1mmであることを示している。この結果は、第2小粒子は沈降距離が非常に小さいため粒子同士の凝集が起こりにくく、少なくとも半年は安定して保管可能であることを示唆するものである。なお、保管容器中の第2小粒子を常時、または定期的に攪拌する場合、保管期間はさらに長期間としてよい。
u t =d 2 (ρ s −ρ L )g/(18 μ L ) (1)
As a result, the settling velocity (u t ) of the second small particles under the above conditions was 3.65×10 −12 m/s. This indicates that the settling distance of the second small particles in the dispersion medium is approximately 0.05 mm in six months, and approximately 0.1 mm in one year. This result suggests that the second small particles have an extremely small settling distance, making them less likely to aggregate, and that they can be stored stably for at least six months. Note that if the second small particles in the storage container are constantly or periodically stirred, the storage period may be even longer.
このように、第2小粒子は安定した状態で長期間の保管が可能である。そのため、本発明の一実施形態に係るシリカ粒子の製造方法によれば、第1成長工程を実施した後、長期間にわたって複数回行われる製造バッチにおいて、各製造バッチ間で粒子径が揃った、良好な再現性を有するシリカ粒子の製造が可能である。 In this way, the second small particles can be stored in a stable state for a long period of time. Therefore, according to the method for producing silica particles of one embodiment of the present invention, after the first growth step is performed, it is possible to produce silica particles with good reproducibility, with consistent particle diameters between each production batch, in multiple production batches carried out over a long period of time.
本発明の一実施例および比較例について以下に説明する。 An example of the present invention and a comparative example are described below.
(実施例に係る方法)
実施例では、1回の生成工程にて得られたシリカ小粒子を用いて、6回の成長工程(第1成長工程1回および第2成長工程5回)を行い、6製造バッチのシリカ粒子を得た。
(Method according to the embodiment)
In the examples, small silica particles obtained in one production step were used to carry out six growth steps (one first growth step and five second growth steps) to obtain six production batches of silica particles.
具体的には、1m3の内容量を有する反応容器に、メタノール405.7kgおよび25%アンモニア水83kgを仕込み、液温を40℃に調整した。生成工程の第1ケイ素アルコキシドとして、テトラエトキシシラン10.4kgを用い、これをメタノール30.6kgに混合して40kg/min以上の速度で反応容器に投入した。投入終了後、液温40℃で30分間、攪拌下で生成反応を進行させる生成工程を行い、シリカ小粒子のスラリー約530kgを得た。 Specifically, 405.7 kg of methanol and 83 kg of 25% aqueous ammonia were charged into a reaction vessel having a capacity of 1 m3 , and the liquid temperature was adjusted to 40°C. 10.4 kg of tetraethoxysilane was used as the first silicon alkoxide in the production step, and this was mixed with 30.6 kg of methanol and added to the reaction vessel at a rate of 40 kg/min or more. After completion of the addition, a production step was carried out in which the production reaction was allowed to proceed with stirring at a liquid temperature of 40°C for 30 minutes, yielding approximately 530 kg of a slurry of small silica particles.
次に、シリカ小粒子のスラリーを、59.8kgの第1小粒子のスラリーと残部(約470.2kg)の第2小粒子のスラリーとに分け、第1小粒子のスラリーを用いて第1成長工程を行った。第1成長工程では、4m3の内容量を有する反応容器に、第1小粒子のスラリー59.8kg、メタノール108.1kgおよび25%アンモニア水18.2kgを仕込み、液温を45℃に調整した。第1成長工程の第2ケイ素アルコキシドとして、テトラメトキシシラン1888.0kgを用い、これをメタノール188.8kgに混合して5kg/minの速度で、また25%アンモニア水840.0kgを2kg/minの速度でそれぞれ反応容器に同時に投入した。投入開始後、液温45℃で約420分間、攪拌下で成長反応を進行させる第1成長工程を行い、シリカ粒子を得た。 Next, the slurry of small silica particles was divided into 59.8 kg of the first small particle slurry and the remaining (approximately 470.2 kg) of the second small particle slurry, and the first small particle slurry was used to carry out the first growth step. In the first growth step, 59.8 kg of the first small particle slurry, 108.1 kg of methanol, and 18.2 kg of 25% aqueous ammonia were charged into a reaction vessel with a capacity of 4 m3 , and the liquid temperature was adjusted to 45 ° C. As the second silicon alkoxide in the first growth step, 1888.0 kg of tetramethoxysilane was used, which was mixed with 188.8 kg of methanol at a rate of 5 kg/min, and 840.0 kg of 25% aqueous ammonia was simultaneously added to the reaction vessel at a rate of 2 kg/min. After the start of addition, the first growth step was carried out at a liquid temperature of 45 ° C. for approximately 420 minutes, during which the growth reaction proceeded under stirring, to obtain silica particles.
また、第1成長工程とは独立して、第2小粒子のスラリーから59.8kgずつの5部分を分取し、これらを用いて5回の第2成長工程を行った。第2成長工程の、各原料の投入量、反応温度および反応時間等の条件は全て、第1成長工程と同条件とした。このように、1回の生成工程に対して、第1成長工程および第2成長工程合わせて6製造バッチのシリカ粒子の製造を行った。 Independently from the first growth process, five portions of 59.8 kg each were taken from the second small particle slurry and used to carry out five second growth processes. All conditions for the second growth process, such as the amount of each raw material added, reaction temperature, and reaction time, were the same as those for the first growth process. In this way, a total of six production batches of silica particles were produced in the first and second growth processes for one production process.
(比較例に係る方法)
比較例では、生成工程にて得られたシリカ小粒子の全量を比較例に係る成長工程に用いる製造方法を6回行い、6製造バッチのシリカ粒子を得た。
(Comparative Example Method)
In the comparative example, the production method was repeated six times, in which all of the small silica particles obtained in the production step were used in the growth step according to the comparative example, to obtain six production batches of silica particles.
具体的には、500Lの内容量を有する反応容器に、メタノール45.8kgおよび25%アンモニア水9.4kgを仕込み、液温を40℃に調整した。シリカ粒子の原料となるケイ素アルコキシドとして、テトラエトキシシラン1.2kgを用い、これをメタノール3.5kgに混合して40kg/min以上の速度で反応容器に投入した。投入終了後、液温40℃で30分間、攪拌下でシリカ小粒子の生成反応を進行させ、シリカ小粒子のスラリー約59.9kgを得た。 Specifically, 45.8 kg of methanol and 9.4 kg of 25% aqueous ammonia were charged into a 500 L reactor, and the liquid temperature was adjusted to 40°C. 1.2 kg of tetraethoxysilane was used as the silicon alkoxide, the raw material for the silica particles. This was mixed with 3.5 kg of methanol and added to the reactor at a rate of 40 kg/min or more. After addition, the reaction to produce small silica particles was allowed to proceed with stirring for 30 minutes at a liquid temperature of 40°C, yielding approximately 59.9 kg of a small silica particle slurry.
次に、得られたシリカ小粒子のスラリー全量を用いて成長工程を行った。成長工程では、4m3の内容量を有する反応容器に、シリカ小粒子のスラリー59.9kg、メタノール108.1kgおよび25%アンモニア水18.2kgを仕込み、液温を45℃に調整した。成長工程のケイ素アルコキシドとして、テトラメトキシシラン1888.0kgを用い、これをメタノール188.8kgに混合して5kg/minの速度で、また25%アンモニア水840.0kgを2kg/minの速度でそれぞれ反応容器に同時に投入した。投入開始後、液温45℃で約420分間、攪拌下で成長反応を進行させ、シリカ粒子を得た。 Next, the entire amount of the obtained small silica particle slurry was used to carry out the growth step. In the growth step, 59.9 kg of the small silica particle slurry, 108.1 kg of methanol, and 18.2 kg of 25% aqueous ammonia were charged into a reaction vessel with an internal volume of 4 m3 , and the liquid temperature was adjusted to 45°C. As the silicon alkoxide for the growth step, 1888.0 kg of tetramethoxysilane was used, which was mixed with 188.8 kg of methanol and added at a rate of 5 kg/min, and 840.0 kg of 25% aqueous ammonia was added at a rate of 2 kg/min to the reaction vessel simultaneously. After the start of addition, the growth reaction was allowed to proceed with stirring at a liquid temperature of 45°C for approximately 420 minutes, yielding silica particles.
比較例では、上記の一連の製造方法を6回行うことで、6製造バッチのシリカ粒子の製造を行った。 In the comparative example, the above series of manufacturing methods was repeated six times to produce six batches of silica particles.
(結果)
実施例または比較例に係る方法にて得られたシリカ小粒子およびシリカ粒子の平均粒子径(体積基準累積50%径)について、レーザ回折散乱法(ベックマンコールター製、LS13320)によって求めた。実施例に係るシリカ小粒子の平均粒子径は0.06μmであった。当該シリカ小粒子を用いた6製造バッチにより得られたシリカ粒子をそれぞれ800℃で10時間焼成を行い、旋回流型ジェットミル(セイシン企業製、STJ-200)を用いて解砕処理を施した。解砕の条件は、旋回圧0.5MPa、旋回エアー量2.4m3/min、押込圧0.6MPa、供給速度10kg/hであった。シリカ粒子の平均粒子径はそれぞれ、0.765μm、0.766μm、0.757μm、0.761μm、0.761μm、0.781μmであった。シリカ粒子の球形度はそれぞれ、0.96、0.97、0.97、0.95、0.97、0.96であった。
(result)
The average particle diameter (volume-based cumulative 50% diameter) of the small silica particles and silica particles obtained by the methods according to the Examples and Comparative Examples was determined by a laser diffraction scattering method (LS13320, manufactured by Beckman Coulter). The average particle diameter of the small silica particles according to the Examples was 0.06 μm. Silica particles obtained in six production batches using the small silica particles were each fired at 800°C for 10 hours and subjected to a swirl-type jet mill (STJ-200, manufactured by Seishin Enterprises). The swirl pressure was 0.5 MPa, the amount of swirl air was 2.4 m 3 /min, the compression pressure was 0.6 MPa, and the feed rate was 10 kg/h. The average particle diameters of the silica particles were 0.765 μm, 0.766 μm, 0.757 μm, 0.761 μm, 0.761 μm, and 0.781 μm, respectively. The sphericity of the silica particles was 0.96, 0.97, 0.97, 0.95, 0.97, and 0.96, respectively.
なお、シリカ粒子の球形度は、SEM(日本電子製、JSM-6060)により観察して求めた。具体的には、1000個以上のシリカ粒子について観察し、画像処理プログラム(Soft Imaging System GmbH製、AnalySIS)を用いて各々のシリカ粒子の球形度を計測し、その平均を求めた。各々のシリカ粒子の球形度は、次式により算出した;
球形度=4π×(面積)/(周囲長)2
実施例に係る6製造バッチの平均の平均粒子径は0.765μm、標準偏差は0.008μmであった。
The sphericity of the silica particles was determined by observation using a SEM (JSM-6060, manufactured by JEOL Ltd.). Specifically, 1,000 or more silica particles were observed, and the sphericity of each silica particle was measured using an image processing program (AnalySIS, manufactured by Soft Imaging System GmbH), and the average was calculated. The sphericity of each silica particle was calculated using the following formula:
Sphericity = 4π x (area) / (perimeter) 2
The average particle size of the six production batches according to the example was 0.765 μm, with a standard deviation of 0.008 μm.
また、比較例に係る6製造バッチにより得られたシリカ小粒子の平均粒子径はそれぞれ、0.06μm、0.08μm、0.06μm、0.07μm、0.06μm、0.07μmであった。これらのシリカ小粒子から各々得られたシリカ粒子を、それぞれ実施例と同条件で焼成および解砕した。シリカ粒子の平均粒子径はそれぞれ、0.753μm、0.784μm、0.766μm、0.788μm、0.759μm、0.779μmであった。シリカ粒子の球形度はそれぞれ、0.95、0.97、0.97、0.96、0.96、0.96であった。比較例に係る6製造バッチの平均の平均粒子径は0.772μm、標準偏差は0.014μmであった。 The average particle diameters of the small silica particles obtained from the six production batches of the comparative example were 0.06 μm, 0.08 μm, 0.06 μm, 0.07 μm, 0.06 μm, and 0.07 μm, respectively. Silica particles obtained from these small silica particles were fired and crushed under the same conditions as in the examples. The average particle diameters of the silica particles were 0.753 μm, 0.784 μm, 0.766 μm, 0.788 μm, 0.759 μm, and 0.779 μm, respectively. The sphericity of the silica particles was 0.95, 0.97, 0.97, 0.96, 0.96, and 0.96, respectively. The average particle diameter of the six production batches of the comparative example was 0.772 μm, with a standard deviation of 0.014 μm.
このように、実施例に係るシリカ粒子の製造方法と比べて、比較例に係る方法では、6製造バッチ間の標準偏差が2倍近くであり、製造バッチ間のばらつきが大きかった。以上より、本発明の一実施形態に係るシリカ粒子の製造方法によれば、製造バッチ間で粒子径のばらつきが小さい、再現性の良好なシリカ粒子の製造が可能であった。 As such, compared to the method for producing silica particles according to the example, the method according to the comparative example had a standard deviation between the six production batches that was nearly twice as high, meaning there was a large variation between production batches. From the above, the method for producing silica particles according to one embodiment of the present invention made it possible to produce silica particles with good reproducibility and small variation in particle size between production batches.
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態/各実施例に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。異なる実施形態/実施例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
[Additional Notes]
The present invention is not limited to the above-described embodiments/examples, and various modifications are possible within the scope of the claims. Embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in different embodiments/examples are also included in the technical scope of the present invention.
本発明は、例えば、半導体封止材等の電子材料またはフィルム製造用等の各種樹脂組成物の充填材に用いるシリカ粒子の製造に利用することができる。 The present invention can be used, for example, to produce silica particles used as fillers in various resin compositions for electronic materials such as semiconductor encapsulants or for film manufacturing.
Claims (2)
複数の前記シリカ小粒子の一部である第1小粒子と、第2ケイ素アルコキシドを含む第1成長液とを混合して、前記第1小粒子の粒子径を成長させ前記シリカ小粒子よりも粒子径が大きいシリカ粒子を得る第1成長工程と、
前記第1成長工程とは独立して、前記シリカ小粒子において前記第1小粒子以外の部分である第2小粒子の少なくとも一部と、第3ケイ素アルコキシドを含む第2成長液とを混合して、当該第2小粒子の粒子径を成長させる第2成長工程と、を含み、
前記第1成長液と前記第2成長液との成分組成が同条件であり、かつ、
前記第2成長工程における前記第2小粒子と前記第2成長液との量比および混合温度は、前記第1成長工程における前記第1小粒子と前記第1成長液との量比および混合温度と同条件とすることを特徴とする、シリカ粒子の製造方法。 a production step of producing a plurality of small silica particles from a production solution containing a first silicon alkoxide;
a first growth step of mixing first small particles, which are a portion of the plurality of silica small particles, with a first growth solution containing a second silicon alkoxide to grow the particle size of the first small particles and obtain silica particles having a particle size larger than that of the silica small particles;
a second growth step, independent of the first growth step, of mixing at least a portion of second small particles, which are portions of the silica small particles other than the first small particles, with a second growth solution containing a third silicon alkoxide to grow the particle size of the second small particles;
The first growth solution and the second growth solution have the same component composition, and
A method for producing silica particles, characterized in that the quantitative ratio and mixing temperature of the second small particles to the second growth liquid in the second growth process are the same as the quantitative ratio and mixing temperature of the first small particles to the first growth liquid in the first growth process.
前記第2ケイ素アルコキシドはテトラメトキシシランであることを特徴とする、請求項1に記載のシリカ粒子の製造方法。 the first silicon alkoxide is tetraethoxysilane;
The method for producing silica particles according to claim 1 , wherein the second silicon alkoxide is tetramethoxysilane.
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