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疎水性シリカは、表面に化学的に結合した疎水基を持つ二酸化ケイ素（一般にシリカとして知られている）の一種です。疎水基は通常、アルキル鎖またはポリジメチルシロキサン鎖です。疎水性シリカは、フュームドシリカ、沈降シリカ、エアロゾル支援自己組織化など、さまざまな方法で処理することができ、すべてナノ粒子の形で存在します。
構造
疎水性シリカは、斜方晶系の結晶構造を 持っています（その空間群名は双錐点群の下でPmnaです）。[1]斜方晶系構造は、立方格子をその直交する2つのペアに沿って引き伸ばすことによって、直方体形状の結晶構造を生み出します。
プロパティ
疎水性シリカは、そのナノ構造と化学的性質により耐水性を発揮します。材料の表面に塗布すると、ナノ粒子はホスト材料に付着し、液体が粗い質感に浸透するのを防ぎます。水は、材料の外側をコーティングするナノ粒子の先端とのみ接触します。引力がないため、水は疎水性シリカからはじかれます。[3]
処理
シリカは、粒子の表面にシラノール(Si-OH) 基が存在するため、最初は親水性です。これらのシラノール基は、さまざまな試薬と化学反応を起こし、シリカを疎水性にします。シリカを疎水性に処理する方法は数多くありますが、主に炭化水素基を添加する方法が用いられます。
疎水性フュームドシリカ
フュームドシリカは流動床反応器内で400℃でクロロシランと反応することができる[4]
疎水性沈降シリカ
沈殿シリカは、沈殿溶液中のアルキルクロロシランやトリメチルシラノールなどを用いて疎水化することができる。疎水化されたシリカは、濾過、洗浄、乾燥され、300～400℃に加熱されて反応が終了する。[5]
疎水性プラズマポリマーコーティングシリカ
シリカ粒子はプラズマ重合によって疎水性になることができます。このプロセスでは、プラズマ重合1,7-オクタジエン（ppOD）（ジエン 炭化水素に関連）を使用して、シリカ粒子にポリマーフィルムを堆積します。ppODフィルムは、回転チャンバーを備えたリアクターとともに、無線周波数を使用して堆積されます。低比エネルギープラズマ条件を使用して、ppODフィルムは化学的にシリカ粒子を疎水性にします。[6]
ppODフィルムを使用することで、ポリマー自体の親水性極性Si-OH基は非極性C x H y炭化水素基によって隠蔽されるため、フィルムとしてシリカ粒子に適用すると、それらも疎水性になります。[7]
エアロゾル支援自己組織化
このプロセスの目的は、溶媒とシリカ粒子を含むコロイド前駆体からナノ構造粒子を迅速かつ継続的に生成することです。エアロゾル支援自己組織化は、生産率の高い 1 ステップ プロセスです。このプロセスは反応時間で数秒かかり、現像後に粒子を加熱したり化学処理したりする必要はありません。
プロセスの最初の部分は、シリカナノ粒子と溶媒からなるコロイド前駆体を作成することです。最初のシリカナノ粒子は非晶質 結晶 相にあり、溶媒はトリメチルシリルクロライド(TMCS) とエチルアルコールで構成されています。この方法を使用して疎水性ナノ構造シリカを合成するには、溶媒とシリカ粒子を含むコロイド前駆体をエアロゾル発生器で噴霧します。次に、液滴はキャリアガスによって加熱される炉に運ばれます。炉に入ると、エチルアルコールがコロイド前駆体から蒸発し、シリカ粒子と表面処理剤 TMCS の間で自己組織化が起こります。
このプロセスの結果、シリカ粒子が集まって球状のナノ構造粒子になります。これらのシリカナノ粒子をナノ構造粒子にグループ化することで、TMCS濃度の量に応じてナノ構造内に一定の割合の多孔性が生じます。TMCS濃度の量を増やすと、シリカナノ構造粒子の比表面積が減少します。疎水性は、シリカ粒子とTMCSの間で起こる化学反応の結果です。元のSiO 2 -OH基が加水分解に対して安定したSi(CH 3 )基に置き換えられると、シリカ粒子が水と相互作用するのを防ぐため、この疎水性が発生します。[8]
アプリケーション
疎水性シリカは、塗料、インク、接着剤、プラスチック、コーティング剤、トナー、消泡剤、シリコーンゴム、シーラント、化粧品、食品添加物、ポリエステル樹脂、ケーブルゲル、グリースなど、さまざまな製品の技術的問題を解決するために使用されています。分散性、安定性、耐水性、機能性などの特性を高めるために、単相複合材と多相複合材の両方として製造されることがよくあります。疎水性シリカは、ネットワーク構造を乱すことなく有機汚染物質を吸着する能力を高めるためにエアロゲルに添加されています。[9]
処理済み凝集フュームドシリカ
疎水性シリカは、他の表面を疎水性にするために使用できます。これは、シリカ粒子がホストに付着すると、その形態によります。シリカ粒子はホスト材料の表面を変化させ、疎水性表面をもたらします。
凝集したヒュームドシリカは、大きな表面に塗布して疎水性にすることができます。ボールやブロックのような形状に似たマイクロスケールおよびナノスケールの構造は、疎水性の特性に起因します。元の表面のテクスチャの変化により、表面の粗さによって疎水性が高まります。これは、水が粗い表面に接触すると、粗いテクスチャの先端にのみ触れ、空気で占められた構造の残りの部分には浸透しないためです。水は表面全体に広がることができず、疎水性の特性が得られます。[3]
追加のアプリケーション
参考文献
- ^ Flanigen, EM; et al. (1978). 「Silicate、新しい疎水性結晶シリカ分子ふるい」。Nature . 271 ( 5645): 512– 516. Bibcode :1978Natur.271..512F. doi :10.1038/271512a0. S2CID 4266556.
- ^ 「直方晶系」Wikipedia Commons 。 2014年12月6日閲覧。
- ^ ab Li, Jian; et al. (2011). 「長期安定性を備えた超疎水性表面の製造」.分散科学技術ジャーナル. 32 (7): 969– 973. doi :10.1080/01932691.2010.488513. S2CID 97889214.
- ^ ブルナー、H.シュッテ、Ｄ．（１９６５）、Ｃｈｅｍ．イング。技術。、89：437
{{citation}}:欠落または空|title=(ヘルプ) - ^ DE 2435860、ラインハルト、H. 他、1976-02-12 発行
- ^ Akhavan, Behnam; et al. (2013). 「プラズマポリマーコーティングシリカ粒子の疎水性の調整」. Powder Technology . 249 : 403–411 . doi :10.1016/j.powtec.2013.09.018.
- ^ Akhavan, Behnam; et al. (2013年11月). 「プラズマ重合1,7-オクタジエンフィルムの疎水性の進化」.プラズマプロセスとポリマー. 10 (11): 1018– 1029. doi :10.1002/ppap.201300055.
- ^ Hee Dong Jang、Dae Sup Kil、Hankwon Chang、Kuk Cho、Sun Kyung Kim、Kyoung Joon Oh (2010)。「エアロゾル支援自己組織化による疎水性ナノ構造シリカ粒子の調製」。第10 回 IEEE 国際ナノテクノロジー会議。pp. 511– 514。doi :10.1109/ NANO.2010.5697911。ISBN 978-1-4244-7033-4. S2CID 40129590。
- ^ Akhter, Faheem; Jamali, Abdul Rauf; Abbasi, Mahmood Nabi; Mallah, Mukhtiar Ali; Rao, Ahsan Atta; Wahocho, Shafeeque Ahmed; Anees-ur-Rehman, Hafiz; Chandio, Zubair Ahmed (2023-01-01). 「疎水性シリカと複合エアロゲルの包括的なレビュー：合成、特性、環境修復と生物医学的応用に向けた最近の進歩」.環境科学と汚染研究. 30 (5): 11226– 11245. doi :10.1007/s11356-022-24689-9. ISSN 1614-7499.