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JPH0649571B2 - 調節された多孔度を持つシリカ及びその製造方法 - Google Patents

調節された多孔度を持つシリカ及びその製造方法

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JPH0649571B2
JPH0649571B2 JP2172844A JP17284490A JPH0649571B2 JP H0649571 B2 JPH0649571 B2 JP H0649571B2 JP 2172844 A JP2172844 A JP 2172844A JP 17284490 A JP17284490 A JP 17284490A JP H0649571 B2 JPH0649571 B2 JP H0649571B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、調節された多孔度を持つシリカ及びその製造
方法に関する。
[従来の技術とその問題点] シリカは、その多孔度特性の故に、ある種の用途、特に
触媒、インク、紙、食品工業などに使用される。
触媒の場合、シリカは触媒の担体として又はモノリス型
担体を覆う多孔質層として使用される。
また、シリカは、その光学的白色度及び不透明度特性の
故に、紙、特に新聞紙の装入材料として、コート紙や特
殊紙のコーチング用装入材料として使用される。シリカ
が紙に使用される場合には、インクの吸収を容易にする
ために大きな多孔度が要求される。
さらに、動物の食品の分野では、シリカは、その吸収性
の結果として、栄養物の担体として、特にメチオニン、
ビタミン(特にA及びE)、糖グリセリドなどの担体と
して使用される。
したがって、これらの用途及びその他の多くの用途にお
いては、シリカがある種の形態学的特性を有することが
要求される。
[発明が解決しようとする課題] 本発明の第一の目的は、向上した多孔度を有するシリカ
を提供することである。
本発明の第二の目的は、調節された多孔度を持つシリカ
を得るのを可能にする方法を提供することである。
[課題を解決するための手段] このため、本発明に従う沈降シリカは、20〜300m2
/gのBET比表面積、10〜200m2/gのCTAB
比表面積、80〜400cm3/100gの油取込量(D
BP)、1〜10cm3/gの細孔容積及び10〜50n
mの平均細孔直径を有する。
本発明のシリカの独創性は、それが最適化された細孔容
積、即ち、特許請求された範囲内で規定される比表面積
がどうであろうとも10〜50nmの直径を持つ細孔を
有し、その結果このシリカが最大の吸着表面と吸収力を
有するということである。
本発明のシリカは、20〜300m2/g、好ましくは6
0〜200m2/gのBET比表面積を有する。BET比
表面積は、J.Amer.Chem.Soc.vol.
60,p.309(1938年2月)及びフランス標準
規格X11−622(3.3)に記載のブルナウェル・
エメット・テラー法に従って決定される。
CTAB比表面積は通10〜200m2/g、特に60〜
200m2/gの間である。CTAB比表面積は、AST
M標準規格D3765に従って、臭化ヘキサデシルトリ
メチルアンモニウム(CTAB)吸着をpH9で行い、
かつCTAB分子の投影面積として35Åを採用する
ことによって規定される外部表面積である。
また、本発明のシリカはフランス標準規格30−022
(1953年3月)に従ってフタル酸ジブチルを使用し
て決定して、シリカ100g当り80〜400cm3の油
取込量を有することができる。
本発明のシリカの多孔度特性については、それは1〜1
0cm3/g、特に2〜5cm3/gの細孔容積を有する。
平均細孔直径は10〜50nm、好ましくは20〜30
nmの比較的小さい範囲内にある。
凝集体間細孔容積の決定及びこの細孔容積に応じた細孔
の母集団の決定は、水銀ポロシメータ(COULTRO
NICS 9300ポアサイザー)によって行われ
る。この方法では、脱ガスされた試料の細孔に水銀が浸
透せしめられ、これにより細孔容積の変化を圧力又は細
孔半径の関数として表わす多孔度曲線がプロットされ
る。この多孔度曲線は、N.M.ウィルソン及びJ.
J.シャピロ両氏によりASTM BULLETIN
p.39(1959年2月)に記載された方法に従って
プロットされる。
凝集体の積み重ねが凝集体間多孔度を生じ、その水銀に
よる充填が多孔度曲線上に階段を生じさせる。この階段
の高さから凝集体間細孔容積がわかる。また、この階段
の傾斜度は細孔の母集団の分散度を反映している。得ら
れた曲線は、凝集体間の細孔の母集団の均一性が増大す
るほど鋭いピークを表わす。
比表面積及び多孔度特性は後に詳述するが、これらは本
発明の方法によって変えることができる。
シリカの粒度はその用途に応じて適応される。凝集体の
平均直径は通常0.5〜20nm、好ましくは1〜10
μmの間である。平均直径は、凝集体の50重量%がこ
の平均直径よりも大きいか又は小さい直径を有するよう
な直径である。この凝集体平均直径コウルター(Cou
lter)カウンターによって測定される。
本発明に従うシリカのpHは、一般に4〜8、特に5〜
7の間である。このpH値は、フランス標準規格450
07(5.5)に従って決定される。
本発明のシリカは、シリカのコロイド分散体にけい酸塩
と酸を同時に添加してシリカ懸濁液となし、次いでその
pH値を3〜7となるように低下させ、シリカを分離
し、これを乾燥操作に付すことからなる独創的な方法に
よって製造することができる。
本発明に従う方法の好ましい変法、初期のシリカのコロ
イド分散体に電解質を追加的に添加することを包含す
る。
好ましくは1〜150g/の濃度を有するシリカのコ
ロイド分散体を製造する方法の一つは、けい酸塩水溶液
を例えば60〜95℃に加熱し、この水溶液に酸を8〜
10、好ましくはほぼ9.5のpHが得られるまで添加
することからなる。
けい酸塩水溶液の濃度は、SiOとして表わして、好
ましくは20〜150g/である。希釈された又は濃
厚な酸を使用することが可能であり、その規定度は0.
5〜36N、好ましくは1〜2Nの間である。
ここで、用語「けい酸塩」とは、アルカリ金属けい酸塩
を、そして好ましくはSiO/NaO重量比が2〜
4、好ましくは3.5のけい酸ナトリウムを意味するも
のとする。酸は気体状(例えば二酸化炭素ガス)又は液
状であってよく、好ましくは硫酸である。
本発明の変法によれば、コロイド分散体中のコロイドの
数を電解質の添加により制限することが可能である。一
般的には無機又は有機塩、好ましくはアルカリ金属又は
アンモニウム塩が使用される。例として、硫酸ナトリウ
ム、塩化ナトリウム、酢酸ナトリウム、硫酸アンモニウ
ム、塩化アンモンニウムなどがあげられる。
電解質は固体又は水溶液の形で使用することができ、そ
の濃度は有利にコロイド分散体1当り0〜50gの間
であってもよい。
本発明の方法によれば、けい酸塩と酸はシリカのコロイ
ド分散体に同時に添加され、そして随意として電解質も
加えられる。二つの反応剤は、pHが8〜10、好まし
くは8.5〜9.5の間に一定に保持されるように同時
に添加される。温度は有利には60〜95℃である。
けい酸塩溶液の濃度は、、SiOとして表わして、シ
リカのコロイド分散体1当り40〜250g、特に8
0〜150gであってよい。
本発明方法の次の工程において、pHは3〜7の間にも
たらされる。これは酸を添加することにより所望のpH
にもたらされる。例えば、硝酸、塩酸、硫酸若しくはり
ん酸のような無機酸又は二酸化炭素ガスを吹き込むこと
によって形成される炭酸を使用することができる。
これにより、SiOとして表わして、好ましくは40
〜80g/の濃度を有するシリカ懸濁液が得られる。
最初に使用したシリカのコロイド分散体の占める容積
は、得られる最終懸濁液の容積の10〜20%を占め、
好ましくはほぼ15%である。
次いで、反応媒体からシリカの分離が任意の知られた方
法、例えば真空濾過又はフィルタープレスによって行わ
れる。これによりシリカケーキが得られる。
本発明の好ましい具体例によれば、このシリカケーキを
洗浄することができる。これは、一般に脱イオン水で及
び(又は)2〜7のpHを持つ酸溶液で洗浄することが
できる。この酸溶液は、例えば硝酸のような無機酸の溶
液であってよい。
しかし、本発明の具体例によれば、酸溶液は有機酸、特
に錯化性有機酸の溶液であってもよい。このような酸
は、カルボン酸、ジカルボン酸、ヒドロキシカルボン酸
及びアミノカルボン酸のうちから選ぶことができる。こ
のような酸の例は酢酸であり、錯化性酸の例は酒石酸、
マレイン酸、グリセリン酸、グルコン酸及びくえん酸で
ある。
実用的な観点からは、この洗浄操作は、シリカケーキ上
に洗浄溶液を通すことによって、又は得られる懸濁液に
シリカケーキを砕解した後に導入することによって行う
ことができる。
しかして、乾燥操作に先立って、フィルターケーキは砕
解されるが、これは任意の知られた手段によって、例え
ば高速撹拌機を使用して行うことができる。
したがって、フィルターケーキは、洗浄前に又は洗浄後
に砕解され、次いで任意の知られた手段によって乾燥さ
れる。乾燥は、例えばマッフル炉若しくはトンネル炉に
おいて又は熱空気流れ中に噴霧することによって行うこ
とができ、その入口温度はほぼ200〜500℃の間で
あってよく、出口温度は80〜100℃である。滞留時
間は10秒〜5分間である。
乾燥生成物は、必要ならば所望の粒度を得るために粉砕
することができる。後者は所期の用途によって調節され
る。一般に、操作は、凝集体の平均直径が0.05〜2
0μm、好ましくは1〜10μmであるように行われ
る。製紙用のシリカの場合には粒度は有利には1〜3μ
mである。操作は、エアジェット又はナイフグラインダ
ーのような慣用の装置で行われる。
本発明の方法の実施により、前記したようなある種の形
態学的特徴を有するシリカが得られる。
本発明に従う方法の特徴の一つは、得られるシリカの形
態、特にその比表面積を調節することを可能にさせるこ
とである。しかして、得られるシリカの最終的特徴を相
関させることができ、また最初のシリカのコロイド分散
体中に存在するコロイドの数及び大きさの関数として選
定することができることが見出された。
しかし、また、この分散体中のコロイドの数及び大きさ
は、電解質を存在させ又は存在させずにかつ電解質の濃
度を選択することにより、シリカのコロイド分散体中の
シリカの濃度を選択することによって調節できることが
見出された。
添附の第1図は、電解質を存在させない場合のシリカの
コロイド分散体中のシリカ濃度(g/として表わす)
の関数として、得られたシリカのCTAB比表面積(m2
/g)の変化曲線(A)をプロットしたグラフである。
第2図は、電解質、即ち硫酸ナトリウムを20g/の
量で存在させた場合のシリカ濃度の関数として、得られ
たシリカのCTAB比表面積(m2/g)の変化曲線
(B)をプロットしたグラフである。
したがって、曲線A及びBに基けば、当業者は、所望の
比表面積特性を得るのを可能ならしめる操作条件を容易
に決定することができよう。例えば、小さい比表面積、
即ちほぼ80m2/g以下の比表面積が要求されるなら
ば、シリカのコロイド分散体の調製中に電解質を使用す
べきである。しかし、大きい比表面積、好ましくは15
0m2/g以上を望む場合には、シリカのコロイド分散体
中のシリカ濃度は低いように選定すべきであり、好まし
くは50g/以下である。
本発明に従う方法の他の特色は、これが広い比表面積の
範囲で比較的一定の凝集体間細孔寸法を導くことであ
る。これは実施例で証明される。
したがって、本発明のシリカは、その有益な形態学的特
性の結果として、広い分野の用途、特に触媒、紙、栄養
物の担体などに使用することができる。
[実施例] ここで、本発明の実施例を示す。
例1 150m2/gのCTAB比表面積を持つシリカの合成 pH及び温度制御系とタービン式撹拌系を備えた反応器
に5の脱イオン水と1の130g/けい酸ナトリ
ウム水溶液を導入する。
撹拌(350rpm)を開始した後、生じた沈降物を8
5℃に加熱し、80g/硫酸水溶液を添加することに
より8分間でpHを9.5とする。85℃の温度となっ
たときに、シリカ濃度が130g/でSiO/Na
O比が3.5である10のけい酸ナトリウム水溶液
(0.20/minの流量で)と7の80g/硫
酸水溶液とを同時に添加する。酸の流量は、媒体のpH
を9.2の一定値に保持するように調節する(平均流
量:0.14/min)。
50分間で添加した後、けい酸塩の添加を中止し、そし
て酸の添加を反応混合物のpHが5で安定化するまで続
ける。次いでこの混合物を濾過し、湿ったフィルターケ
ーキを脱イオン水により濾液の導電率が1ミリジーメン
ス以下となるまで洗浄する。得られたケーキを噴霧乾燥
し、2μmの粒度を得るためにジェットピュルベライザ
ー型粉砕機で粉砕する。
このようにして得られたシリカの物理的化学的特性は次
の通りである。
BET比表面積 200m2/g CTAB比表面積 150m2/g 油取込量 320cm3/100g 水中5%でのpH 7 硫酸塩% 0.5 105℃の湿度(%) 5.9 1000℃での強熱減量(%) 9.1 105℃でのケーキの減量(%)80 全細孔容積 3.6cm3/g 細孔平均直径 35nm 例2 120m2/gのCTAB比表面積を持つシリカの合成 温度及びpH制御系とタービン式撹拌系を備えた反応器
に4.4の脱イオン水と1.6の130g/けい
酸ナトリウム水溶液を導入する。
撹拌(250rpm)を開始した後、生じた沈降物を9
2℃に加熱し、80g/硫酸水溶液を添加することに
より8分間でpHを9.5に調節する。92℃の温度と
なったときに、シリカ濃度が130g/でSiO
NaO比が3.5である12のけい酸ナトリウム水
溶液(0.20/minの流量で)と7.2の硫酸
(80g/)水溶液とを同時に添加する。酸の流量
は、媒体のpHを9.5の一定値に保持するように調節
する(平均流量:0.12/min)。
60分間添加した後、けい酸塩の添加を中止し、そして
酸の添加を反応混合物のpHが5で安定化するまで続け
る。次いでこの混合物を濾過し、湿ったフィルターケー
キを脱イオン水により濾液の導電率が1ミリジーメンス
以下となるまで洗浄する。得られたケーキを噴霧乾燥
し、2μmの粒度を得るようにジェットピュルベライザ
ーで粉砕する。
このようにして得られたシリカの物理的化学的特性は次
の通りである。
BET比表面積 150m2/g CTAB比表面積 120m2/g 油取込量 200cm3/100g 水中5%でのpH 4 硫酸塩% 2.5 105℃の湿度(%) 4 1000℃での強熱減量(%) 9 105℃でのケーキの減量(%)80 全細孔容積 3.3cm3/g 細孔平均直径 35nm 例3 60m2/gのCTAB比表面積を持つシリカの合成 温度及びpH制御系とタービン式撹拌系を備えた反応器
に2.5の脱イオン水と2.5の130g/けい
酸ナトリウム水溶液を導入する。
撹拌(350rpm)を開始した後、生じた沈降物を9
0℃に加熱し、80g/硫酸水溶液を添加することに
より8分間でpHを9.5に調節する。90℃の温度と
なったときに、シリカ濃度が130g/でSiO
NaO比が3.5である15のけい酸ナトリウム水
溶液(0.25/minの流量で)と9の硫酸(8
0g/)水溶液とを同時に添加する。酸の流量は、媒
体のpHを9.5の一定値に保持するように調節する
(平均流量:0.15/min)。
60分間添加した後、けい酸塩の添加を中止し、そして
酸の添加を反応混合物のpHが5で安定化するまで続け
る。次いでこの混合物を濾過し、湿ったフィルターケー
キを脱イオン水により濾液の導電率が1ミリジーメンス
以下となるまで洗浄する。得られたケーキを噴霧乾燥
し、2μmの粒度を得るようにジェットピュルベライザ
ーで粉砕する。
このようにして得られたシリカの物理的化学的特性は次
の通りである。
BET比表面積 80m2/g CTAB比表面積 60m2/g 油取込量 120cm3/100g 水中5%でのpH 4 硫酸塩% 2.5 105℃の湿度(%) 4 1000℃での強熱減量(%) 8 105℃でのケーキの減量(%)80 全細孔容積 3.3cm3/g 細孔平均直径 40nm 例4 30m2/gのCTAB比表面積を持つシリカの合成 温度及びpH制御系とタービン式撹拌系を備えた反応器
に4の75g/けい酸ナトリウム水溶液及び80g
の硫酸ナトリウム水溶液を導入する。
撹拌(350rpm)を開始した後、生じた沈降物を9
0℃に加熱する。沈降物のpHを80g/硫酸を0.
058/minの一定流量で添加することにより9に
調節する。
次いで、シリカ濃度が130g/、SiO/Na
Oの比が3.5である14.4のけい酸ナトリウム
(流量0.240/minで)と濃度が80g/で
ある9.42の硫酸とを同時に添加する。酸の流量
は、媒体のpHを9.2の一定値に保持するように調節
する(平均流量:0.16/min)。
同時添加の終了時に、けい酸塩の添加を止め、そして酸
の添加を反応混合物のpHが4.2で安定化するまで
0.073/minの一定流量で続ける。次いで混合
物を濾過し、湿ったフィルターケーキを脱イオン水によ
り濾液の導電率が1ミリジーメンス以下となるまで洗浄
する。得られたケーキを噴霧乾燥し、5μの粒度を得る
ようにジェットピュルベライザーで粉砕する。
このようにして得られたシリカの物理的化学的特性は次
の通りである。
BET比表面積 50m2/g CTAB比表面積 30m2/g 油取込量 90cm3/100g 水中5%でのpH 5 全細孔容積 1.25cm3/g 平均細孔直径 50nm 例5 50m2/gのCTAB比表面積を持つシリカの合成 温度及びpH制御系とタービン式撹拌系を備えた反応器
に4の105g/けい酸ナトリウム水溶液及び80
gの硫酸ナトリウム水溶液を導入する。
撹拌(350rpm)を開始した後、生じた沈降物を9
0℃に加熱し、pHを80g/硫酸を0.138/
minの一定流量で添加することにより9に調節する。
次いで、シリカ濃度が130g/、SiO/Na
O比が3.5である14.09のけい酸ナトリウム
(流量0.235/minで)と濃度が80g/で
ある8.28の硫酸とを同時に添加する。酸の流量
は、媒体のpHを9.2の一定値に保持するように調節
する(平均流量:0.14/min)。
同時添加の終了時に、けい酸塩の添加を止め、そして酸
の添加を反応混合物のpHが4.2で安定化するまで
0.075/minの一定流量で続ける。次いで混合
物を濾過し、湿ったフィルターケーキを脱イオン水によ
り濾液の導電率が1ミリジーメンス以下となるまで洗浄
する。得られたケーキを噴霧乾燥し、5μの粒度を得る
ようにジェットピュルベライザーで粉砕する。
このようにして得られたシリカの物理的化学的特性は次
の通りである。
BET比表面積 60m2/g CTAB比表面積 50m2/g 油取込量 100cm3/100g 水中5%でのpH 5 全細孔容積 1.65cm3/g 平均細孔直径 50nm 例6 100m2/gのCTAB比表面積を持つシリカの合成 温度及びpH制御系とタービン式撹拌系を備えた反応器
に4の130g/けい酸ナトリウム水溶液及び80
gの硫酸ナトリウム水溶液を導入する。
撹拌(350rpm)を開始した後、生じた沈降物を9
0℃に加熱し、80g/硫酸を0.045/min
の一定流量で添加することにより.7のpH9に調節す
る。
次いで、シリカ濃度が130g/、SiO/Na
O比が3.5である13.64のけい酸ナトリウム
(流量0.227/minの流量で)と濃度が80g
/である5.2の硫酸とを同時に添加する。酸の流
量は、媒体のpHを9.5の一定値に保持するように調
節する(平均流量:0.157/min)。
同時添加の終了時に、けい酸塩の添加を止め、そして酸
の添加を反応混合物のpHが4.2で安定化するまで
0.073/minの一定流量で続ける。次いで混合
物を濾過し、湿ったフィルターケーキを脱イオン水によ
り濾液の導電率が1ミリジーメンス以下となるまで洗浄
する。得られたケーキを噴霧乾燥し、5μの粒度を得る
ようにジェットピュルベライザーで粉砕する。
このようにして得られたシリカの物理的化学的特性は次
の通りである。
BET比表面積 150m2/g CTAB比表面積 100m2/g 油取込量 150cm3/100g 水中5%でのpH 5 全細孔容積 2.5cm3/g 平均細孔直径 45nm
【図面の簡単な説明】
添附の第1図は、電解質を存在させない場合のシリカの
コロイド分散体中のシリカ濃度(g/として表わす)
の関数として、得られたシリカのCTAB比表面積(m2
/g)の変化曲線(A)をプロットしたグラフである。 第2図は、電解質、即ち硫酸ナトリウムを20g/の
量で存在させた場合のシリカ濃度の関数として、得られ
たシリカのCTAB比表面積(m2/g)の変化曲線
(B)をプロットしたグラフである。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】20〜300m2/gのBET比表面積、1
    0〜200m2/gのCTAB比表面積、80〜400c
    m3/100gの油取込量(DBP)、1〜10cm3/g
    の細孔容積及び10〜50nmの平均細孔直径を有する
    沈降シリカ。
  2. 【請求項2】凝集体の平均直径が0.5〜20μm、特
    に1〜10μmであることを特徴とする請求項1記載の
    シリカ。
  3. 【請求項3】pHが4〜8、特に5〜7であることを特
    徴とする請求項1又は2のいずれかに記載のシリカ。
  4. 【請求項4】シリカのコロイド分散体にけい酸塩と酸を
    同時に添加してシリカ懸濁液となし、次いでそのpH値
    を3〜7となるように低下させ、シリカを分離し、これ
    を乾燥することからなることを特徴とする請求項1〜3
    のいずれかに記載のシリカの製造方法。
  5. 【請求項5】シリカのコロイド分散体に電解質を追加的
    に添加することからなることを特徴とする請求項4記載
    の方法。
  6. 【請求項6】pHを8〜10、好ましくは8.5〜9.
    5の間に一定に保持するように二つの反応剤を同時に添
    加することを特徴とする請求項4記載の方法。
  7. 【請求項7】温度が60〜95℃であることを特徴とす
    る請求項4記載の方法。
  8. 【請求項8】けい酸塩水溶液を60〜95℃に加熱し、
    この水溶液に酸を8〜10、好ましくは9.5のpHが
    得られるまで添加することによって1〜150g/の
    シリカを含有するシリカのコロイド分散体を製造するこ
    とを特徴とする請求項4記載の方法。
  9. 【請求項9】シリカとして表わしたけい酸塩溶液の濃度
    がシリカのコロイド分散体1当り40〜250g、特
    に80〜150gであることを特徴とする請求項4記載
    の方法。
  10. 【請求項10】電解質の濃度が分散体1当り0〜50
    gであることを特徴とする請求項5記載の方法。
  11. 【請求項11】シリカのコロイド分散体が占める容積が
    得られる最終懸濁液の容積のうちの10〜20%を占
    め、特にほぼ15%であることを特徴とする請求項4記
    載の方法。
  12. 【請求項12】分離後に水洗又は酸溶液による洗浄を行
    うことを特徴とする請求項4記載の方法。
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