JP5701087B2 - 球状シリカ−チタニア複合酸化物粒子及びその製造方法 - Google Patents
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また、かかる充填材として使用する場合、樹脂に充填した際の流動性等特性向上のためや、半導体素子を傷つけないため、粒子は球状であることが望ましい。
上記要求に対して、シリカにチタニアやジルコニアを加えた複合酸化物粒子は、そのチタニアやジルコニアの添加量を変えることにより、粒子の屈折率を変化できることが知られている。その中でシリカとチタニアの複合酸化物粒子、即ち、シリカ−チタニア複合酸化物粒子は、最も屈折率の高い化合物の一つであり、チタニア量の増加に対応して複合酸化物の屈折率を直線的に増加させることができる。
また、シリカ−チタニア複合酸化物粒子は、熱膨張係数がゼロ又は負の値を示すことや、チタニアの含有率を変えることにより屈折率の微調整が可能であることなどの優れた性質を持っている。
ところが、シリカ−チタニア複合酸化物粒子においては、成分のシリカとチタニアが粒子内で分相する結果、これを充填した樹脂複合材料が白濁するという問題を有する。
例えば、シリカとチタニアを火炎中で溶融して複合化する火炎溶融法や、珪素とチタンの塩化物を原料に火炎中にて加熱する火炎加水分解法により球状シリカーチタニア複合酸化物粒子を合成する方法によれば、得られるシリカ−チタニア複合酸化物粒子は、粒子内で分相して樹脂複合材料を白濁し易いという問題がある。
また、特許文献1には、シュト−バー法と呼ばれるゾル−ゲル法によっても球状シリカ−チタニア複合酸化物粒子が得る方法が開示されているが、この方法で得られた複合酸化物中のチタニアは、必須の処理である脱炭素処理の加熱により、非晶質であったチタニアがアナターゼ型あるいはルチル型に結晶化して分相し易いという性質を有する。
また、本発明は、珪素及びチタンのアルコキサイド、水溶性高分子、酸及びチタンに対して40〜200モル%の割合でアセチルアセトンを含有するpH2以下のゾル液に対して、スピノーダル分解を伴う相分離を進行せしめて、球状のシリカ−チタニア複合酸化物粒子の集合体よりなるゲル体を生成せしめ、次いで、該ゲル体を解砕し、乾燥、焼成することを特徴とする球状シリカ−チタニア複合酸化物粒子の製造方法をも提供する。
また、本発明の球状シリカ−チタニア複合酸化物は、粒子径が1〜15μmと、比較的大きいため、溶媒や樹脂中における分散性が良く、しかも、電子顕微鏡の撮影像から求められる円形度が0.9以上であり、且つ、形状の均一性に優れるため、光散乱性能の再現性が良く、また、樹脂に高充填できる点でも優れている。
更に、本発明の球状シリカ−チタニア複合酸化物粒子は、シリカのマトリックス中へのチタニアの含有量を調整することによって、屈折率を任意に調整できるため、光半導体用封止材や歯科用コンポジットレジンなどの光を透過する必要のある樹脂への充填材として有用である。
なお、ここで円形度は、電子顕微鏡の撮影像を画像処理することによって求められる粒子の面積をS、粒子の周囲長をLとすると、以下の式によって算出される値である。
円形度=(4・π・S)/(L 2 )
前記円形度が0.9以上を有する本発明の球状シリカ−チタニア複合酸化物粒子は、樹脂中に高充填し易く、また、コーティング剤に応用した場合に剤の粘度が高くなったり、コート膜にしたときの表面にザラツキ感が出たりすることない。また、光散乱体に使用した場合、光の散乱が等方的になり、さらに光散乱性能の再現性も高くなり好ましい。
しかも、前記光半導体などを封止する透明封止材の用途においては、半導体素子を傷つけ難いという特性をも併せ有する。
即ち、上記X線回折測定において、チタニア結晶による回折ピークが確認されないということは、球状シリカーチタニア複合酸化物粒子に含まれるチタニアの大きさが粉末X線回折の回折ピークが検出されないほど小さく、シリカ−チタニア複合酸化物として均一であることを意味する。
更に詳細に説明すれば、粉末X線回折(XRD回折)測定による回折ピークの有無、その強度が複合酸化物中のチタニア分散性の尺度として利用し得る。複合酸化物中のチタニアの量が多いほどアナターゼ結晶が析出し易くなり、回折ピークも強くなるが、同じチタニア量の場合には、アナターゼ結晶の回折ピークの強度が低いほど、チタニア分散性が高いと判断できる。例えば、本発明の球状シリカーチタニア複合酸化物粒子を、高光透過率が求められる光半導体用封止材等の充填材に用いる場合には、前記X線回折のピークが確認されないためには、結晶化したチタニアの粒子径は、粒子中のチタニアの含有量にもよるが、10nm以下、好ましくは5nm以下、より好ましくは2nm以下であることが好ましい。
尚、上記結晶化したチタニア結晶の大きさは、透過型電子顕微鏡で観察することができるし、粉末X線回折の回折ピークが存在する場合は、その半値幅から計算によって求めることもできる。
前記本発明の球状シリカ−チタニア複合酸化物粒子に対して、一般に、ゾル−ゲル法で製造されるシリカ−チタニアなどの球状複合酸化物粒子は、チタニアが比較的大きく凝集しており、その製造過程における脱炭処理のための加熱においてチタニアの低温型結晶であるアナターゼ結晶の析出が起こり、X線回折におけるアナターゼ結晶の回折ピークが検出される。
即ち、珪素及びチタンのアルコキサイド、水溶性高分子、酸及びチタンに対して40〜200モル%の割合でアセチルアセトンを含有するpH2以下のゾル液に対して、スピノーダル分解を伴う相分離を進行せしめて、球状のシリカ−チタニア複合酸化物粒子の集合体よりなるゲル体を生成せしめ、次いで、該ゲル体を解砕し、乾燥することによって製造される。
本発明の製造方法において、珪素及びチタンを含有するゾル液の基本的な組成は、スピノーダル分解による相分離を起こし得るものであれば、公知のものが特に制限なく使用される。一般には、ケイ素源及びチタン源を、ポリマー(水溶性高分子)、酸、およびアセチルアセトンと共に極性溶液中に分散せしめたものが好適である。
前記ケイ素源としては、メトキシシラン、エトキシシラン等のケイ素アルコキサイドが使用される。かかるアルコキサイドの代表的なものを例示すると、例えば、一般式Si(OR)4またはSiR’n(OR)4−nで示されるシリコンのアルコキサイド、またはシリコンのアルコキサイドを部分的に加水分解して得られる低縮合物が工業的に入手し易く、その1種または2種以上の混合物が好ましく用いられる。なお、上記シリコンのアルコキサイドの一般式において、RおよびR’はアルキル基で、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基などの低級アルキル基が好適である。nは1〜3の整数である。
本発明の製造方法において、酸としては、金属アルコキサイドの加水分解重合反応の触媒として働き、ゲル化を促進する作用を有するものが特に制限無く使用される。代表的なものを例示すれば、硫酸、塩酸、硝酸等の鉱酸または有機酸が挙げられる。
本発明の製造方法において、アセチルアセトンをゾル液に含有せしめる態様は、特に制限されないが、具体的には、ケイ素およびチタン源のアルコキサイド類のアルコール溶液の調整時アセチルアセトンをほぼ同時に添加することによって、アルコキサイド類の加水分解が始まる前にゾル液に存在せしめることが好ましい。
球状シリカ−チタニア粒子の平均粒子径は、レーザー回折散乱法粒度分布計(コールター社製LS−230)により測定した。測定用の分散液の調製は「粒子計測技術」(粉体工学会編、1994年日刊工業社出版、23頁)に準じた。重量積算分布の50%となる粒子径を平均粒子径とした。
液体窒素温度における窒素の吸着量を絶対平衡吸着圧力0.35MPa以下
で、BET法により比表面積計算を行った。高速比表面積/細孔分布測定装置(QuantaChrome Autosorp 1MP)を用い、予め120℃で24時間乾燥し、秤量後200℃で2時間減圧処理した後の測定試料について、吸着等温線から比表面積と細孔径分布を算出した。
SEM観察は日本電子JSM−7600Fにより行なった。
X線回折測定は島津製作所 XRD7000にて出力40kV、30mAで行なった。
容器AにTEOS10mlを取り、よく撹拌しながら、チタンイソプロポキサイド(TIPT)を3.05mlとアセチルアセトンを0.94ml(チタンに対して100モル%)加えた。これに2-プロパノールを10ml加え、よく混和させた。別の容器Bに水を20g量り取り、そこにポリエチレングリコール(分子量20000)を0.5g加え、よく撹拌して溶解させ、60%硝酸を0.56ml加えた。容器Aに容器Bの混合物をよく撹拌しながら加え、ゾル液のpHを2以下にした。これは、チタニアとしての仕込量が20モル%となる組成である。このように調整した溶液を30℃で1日かけてゲル化させ、その後50℃で1日熟成し、次いで50℃で乾燥、さらに900℃で焼成した。該球状シリカ粉末は、円形度0.95の球状構造で存在していることを電子顕微鏡(図1)で確認し、レーザー回折散乱法により平均粒子径が4.4μmであることを確認した(図2)。また、窒素吸着法による吸着等温線(図3)から、窒素の吸着はほとんど見られず、計算される細孔容積が0.006cc/gであり、ほとんど細孔が存在しないことを確認した。また、X線回折データから(図4)、アナターゼ結晶あるいはルチル結晶の回折ピークが観測されず、チタニアの分散性が高いことがわかる。
アセチルアセトンの添加量が0.3ml(チタンに対して30モル%)である以外は実施例1と同じである。X線回折データから(図5)、アナターゼ結晶の回折ピークが観測されていることがわかり、チタニアの分散性が低いことがわかる。
Claims (2)
- 平均粒子径が1〜15μmの範囲にあり、円形度が0.9以上であり、シリカに対してチタニア結晶を4〜40モル%の割合で含有し、X線回折測定においてチタニア結晶による回折ピークが確認されないことを特徴とする球状シリカ−チタニア複合酸化物粒子。
- 珪素及びチタンのアルコキサイド、水溶性高分子、酸及びチタンに対して40〜200モル%の割合でアセチルアセトンを含有するpH2以下のゾル液に対して、スピノーダル分解を伴う相分離を進行せしめて、球状のシリカ−チタニア複合酸化物粒子の集合体よりなるゲル体を生成せしめ、次いで、該ゲル体を解砕し、乾燥、焼成することを特徴とする球状シリカ−チタニア複合酸化物粒子の製造方法。
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