(57)【要約】【課題】エアロゲルを所望の形状に容易に加工することができるエアロゲルの加工方法を提供する。【解決手段】本発明に係るエアロゲルの加工方法は、パルスエネルギーが０．０００１より大きく２００μＪ未満であるレーザーにより、エアロゲルを切断する工程を備える。本発明に係るエアロゲルの加工方法によれば、エアロゲルを所望の形状に容易に加工することができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアロゲルの加工方法であって、
パルスエネルギーが０．０００１より大きく２００μＪ未満であるレーザーにより、エアロゲルを切断する工程を備える、エアロゲルの加工方法。
【請求項２】
前記エアロゲルが疎水性エアロゲルである、請求項１に記載のエアロゲルの加工方法。
【請求項３】
前記疎水性シリカエアロゲルは、ケイ素原子に炭化水素基が結合した構造を有する、請求項２に記載のエアロゲルの加工方法。
【請求項４】
前記炭化水素基がアルキル基である、請求項２又は３に記載のエアロゲルの加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアロゲルの加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリカエアロゲルは、９０％以上の空隙率で内部に細孔を有する超低密度多孔質材料である。シリカエアロゲルは、軽量で高い断熱性、透明性といった特性を活かし、高性能断熱ガラス及び吸着材用途の他、防音材、触媒担持体、分離材等の各種用途に適用できることから、次世代材料として特に注目されている。
【０００３】
近年では、シリカエアロゲルの性能をより高めるべく、種々のシリカエアロゲルが提案されている。例えば、特許文献１には、バインダーと複合化させることにより、シリカエアロゲル粒子の硬度を向上させる技術が提案されている。特許文献２には、強靭な樹脂材料であるスチレンポリマーフォーム（ＰＳフォーム）と複合化させることにより、エアロゲル粒子の圧縮応力を向上させる技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表平１０−５０９９４０号公報
【特許文献２】特開平４−２７５３４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、エアロゲルは比較的脆い材料であるので、例えば、エアロゲルを切断加工、切り欠き加工、くり抜き加工等の各種加工によって所望の形状で得ようとする場合に、エアロゲルの形状が崩れることがあり、加工性という観点において課題を有していた。特に、従来のようにエアロゲルを刃物等で切断加工等をする場合は、切断したときにエアロゲルが崩れて切断面が平坦になりにくく、ひび割れ及び亀裂も発生し、所望の加工をすることが困難であった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、エアロゲルを所望の形状に容易に加工することができるエアロゲルの加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、エアロゲルを特定のパルスエネルギーを有するレーザーで加工することにより、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、例えば、以下の項に記載の発明を包含する。
項１
エアロゲルの加工方法であって、
パルスエネルギーが０．０００１より大きく２００μＪ未満であるレーザーによりエアロゲルを切断する工程を備える、エアロゲルの加工方法。
項２
前記エアロゲルが疎水性エアロゲルである、項１に記載のエアロゲルの加工方法。
項３
前記疎水性シリカエアロゲルは、ケイ素原子に炭化水素基が結合した構造を有する、項２に記載のエアロゲルの加工方法。
項４
前記炭化水素基がアルキル基である、項２又は３に記載のエアロゲルの加工方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、エアロゲルを所望の形状に容易に加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のエアロゲルの加工方法の実施形態の一例を示す概略図である。
【図２】実施例１及び２並びに比較例１〜３にて行った加工後のエアロゲルの状態を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書中において、「含有」及び「含む」なる表現については、「含有」、「含む」、「実質的にからなる」及び「のみからなる」という概念を含む。
【００１２】
エアロゲルの加工方法は、パルスエネルギーが０．０００１より大きく２００μＪ未満であるレーザーによりエアロゲルを切断する工程を備える。
【００１３】
エアロゲルを切断する工程において、上記パルスエネルギーのレーザーを用いることで、エアロゲルにレーザーを照射して加工した場合であっても、エアロゲルの崩壊、ひび割れ及び亀裂を抑制することができる。従って、エアロゲルの加工方法によれば、例えば、エアロゲルを切断加工したときのエアロゲルの切断面が平坦になりやすく、透明性も高い。
【００１４】
エアロゲルの加工方法において使用するレーザーのパルスエネルギーが０．０００１μＪ以下である場合、エアロゲルの切断ができない。一方、レーザーのパルスエネルギーが２００μＪより強いと、レーザーを照射した部分においてエアロゲルに亀裂及びヒビが発生する。
【００１５】
エアロゲルの加工方法において使用するレーザーは、加工時のエアロゲルの崩壊を特に抑制することができ、加工後のエアロゲルの切断面等がより一層平滑になりやすいという観点から、パルスエネルギーが０．０１μＪ以上１００μＪ未満であることが好ましく、１μＪ以上５０μＪ以下であることがより好ましく、５μＪ以上４５μＪ以下であることが特に好ましい。
【００１６】
図１は、エアロゲルの加工方法の実施形態の一例を示す概略図である。具体的に図１（ａ）では、レーザー照射装置により、エアロゲルを切断している様子を示し、図１（ｂ）では、レーザー照射装置により、エアロゲルの穴掘り加工をしている様子を示す。エアロゲルの加工方法では、図１の切断加工、穴掘り加工の他、種々の加工をレーザー照射により行うことができる。
【００１７】
エアロゲルの加工方法では、各種のレーザー照射装置を使用することができる。例えば、前述のパルスエネルギーを有するレーザーを照射することができる限りは、市販のレーザー照射装置を広く採用することができる。
【００１８】
エアロゲルの加工方法において、レーザーの波長は特に限定されず、例えば、１００〜５０００ｎｍとすることができる。また、エアロゲルの加工方法において、レーザーの繰り返し周波数は特に限定されず、例えば、０．０１〜１００００ｋＨｚとすることができる。
【００１９】
上記エアロゲルの加工方法によって得られるエアロゲルは、各種電子機器、建築分野、家電製品等に使用する断熱部材、あるいは、化学薬品等の合成に使用する触媒担持体、バイオ分野等における細胞培養デバイス用部材（例えば、細胞培養基材）等、各種用途に広く適用することができる。
【００２０】
エアロゲルの加工方法において、加工の対象となるエアロゲルの種類は特に限定されず、例えば、公知のエアロゲルを広く適用することができる。
【００２１】
エアロゲルとしては、親水性エアロゲル及び疎水性エアロゲルのいずれも使用することができる。
【００２２】
疎水性エアロゲルの例としては、ケイ素原子に炭化水素基が結合した構造を有するエアロゲルが挙げられる。
【００２３】
疎水性シリカエアロゲルは、−Ｏ−Ｓｉ−Ｏ−の繰り返し単位を基本構造として有する材料である。
【００２４】
疎水性シリカエアロゲルは、例えば、四官能アルコキシシランのみを含むアルコキシシランから製造されたシリカエアロゲルよりも疎水性が高いことを意味する。好ましくは、疎水性シリカエアロゲルは、水に溶解しないことである。
【００２５】
疎水性シリカエアロゲル中の炭素の含有量は、例えば８質量％以上であり、好ましくは８．８１質量％以上である。当該炭素の含有量が８質量％以上であれば、高い疎水性を有することができる。
【００２６】
疎水性シリカエアロゲルは、ケイ素原子に炭化水素基が結合した構造を有することが好ましい。炭化水素基の種類は特に限定されない。炭化水素基は、飽和炭化水素基及び不飽和炭化水素基のいずれであってもよい。また、炭化水素基は、直鎖構造、分岐構造及び環状構造のいずれであってもよい。
【００２７】
炭化水素基としては、例えば、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルケニル基、炭素数６〜２０のアリール基等を挙げることができる。さらに具体的な炭化水素基は、メチル基、エチル基、直鎖又は分岐のプロピル基、直鎖又は分岐のブチル基、フェニル基等を挙げることができる。
【００２８】
炭化水素基は、アルキル基であることが好ましい。この場合、疎水性シリカエアロゲルの構造が安定となりやすく、また、製造も容易である。特に好ましいアルキル基の炭素数は１〜３である。この場合、疎水性シリカエアロゲルの構造を制御しやすく、レーザー加工が容易である疎水性シリカエアロゲルを製造できる。
【００２９】
疎水性シリカエアロゲルの製造方法は特に限定されない。例えば、従来から公知のシリカエアロゲルの製造方法に準じて、疎水性シリカエアロゲルを製造することができる。
【００３０】
例えば、疎水性シリカエアロゲルは、第１の加水分解性シラン化合物と、該第１の加水分解性シラン化合物以外である第２の加水分解性シラン化合物とを含む原料を加水分解反応する工程を備える製造方法によって製造することができる。以下、この工程を「工程Ａ」と表記する。
【００３１】
なお、加水分解性シラン化合物とは、ケイ素原子を有し、加水分解反応が可能な化合物であることを意味し、例えば、加水分解性シラン化合物としては、アルコキシシランを挙げることができる。
【００３２】
工程Ａで使用できる第１の加水分解性シラン化合物は、三官能アルコキシシランを挙げることができる。
【００３３】
三官能アルコキシシランとしては、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、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、ｎ−プロピルトリメトキシシラン、ｎ−プロピルトリエトキシシラン、ｉ−プロピルトリメトキシシラン、ｉ−プロピルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン等が挙げられる。これらは、単独で使用又は２種以上を併用できる。
【００３４】
工程Ａで使用できる第２の加水分解性シラン化合物は、二官能アルコキシシランを挙げることができる。二官能アルコキシシランとしては、例えば、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、メチルフェニルジエトキシシラン、メチルフェニルジメトキシシラン、ジエチルジエトキシシラン、ジエチルジメトキシシラン等が挙げられる。これらは、単独で使用又は２種以上を併用できる。
【００３５】
工程Ａで使用する原料には、前記第１の加水分解性シラン化合物及び前記第２の加水分解性シラン化合物以外の加水分解性シラン化合物も含むことができ、そのような加水分解性シラン化合物としては、例えば、四官能アルコキシシランを挙げることができる。
【００３６】
四官能アルコキシシランとしては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン等が挙げられる。また、その他のアルコシシシランとして、ビストリメチルシリルメタン、ビストリメチルシリルエタン、ビストリメチルシリルヘキサン、ビニルトリメトキシシランなどを用いることもできる。
【００３７】
なお、アルコキシシランの部分加水分解物を第１の加水分解性シラン化合物及び第２の加水分解性シラン化合物として使用することもできる。
【００３８】
工程Ａで使用する原料には、異なる二種以上の第１の加水分解性シラン化合物が含まれていてもよい。また、工程Ａで使用する原料には、異なる二種以上の第２の加水分解性シラン化合物が含まれていてもよい。
【００３９】
工程Ａで使用する原料は、第１の加水分解性シラン化合物が三官能アルコキシシランであり、前記第２の加水分解性シラン化合物が二官能アルコキシシランである組み合わせであることが好ましい。この組み合わせにおいて、三官能アルコキシシラン１モルあたり、二官能アルコキシシランの含有量は、例えば、０．００１モル以上であり、好ましくは０．００５モル以上であり、より好ましくは０．０１モル以上であり、また、例えば、０．５モル以下であり、好ましくは０．１５モル以下である。この場合、エアロゲルがより疎水性となりやすく、しかも透明性も損なわれにくい。
【００４０】
なお、工程Ａで使用する原料は、第１の加水分解性シラン化合物及び第２の加水分解性シラン化合物以外に他の材料を含むこともできる。
【００４１】
工程Ａの加水分解反応の条件は特に限定されず、例えば、公知のアルコキシシランを加水分解反応させる条件と同様の条件を採用することができる。具体的には、加水分解反応として、ゾル−ゲル法等を採用することができる。
【００４２】
ゾル−ゲル法は、第１の加水分解性シラン化合物及び第２の加水分解性シラン化合物を含む原料を溶媒の存在下で加水分解及び縮重合させ、これにより、シリカ骨格からなる湿潤状態のゲル状化合物を得る方法である。
【００４３】
ゾル−ゲル法で使用する溶媒は、特に限定されず、公知のゾル−ゲル法で使用される溶媒を選択することができる。この溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール等のアルコール、アセトン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン等が挙げられる。溶媒は二種以上の混合物であってもよく、また、水と有機溶媒の混合物であってもよい。
【００４４】
ゾル−ゲル法は、酸の存在下で行うこともできる。酸としては、例えば、塩酸、クエン酸、酢酸、硝酸、硫酸等が挙げられる。
【００４５】
ゾル−ゲル法は、塩基の存在下で行うこともできる。塩基としては、例えば、アンモニア、アミン化合物、ピペリジン、尿素等が挙げられる。
【００４６】
ゾル−ゲル法は、酸及び塩基の両方の存在下で行うこともできる。酸及び塩基は、例えば、水溶液で使用することができる。
【００４７】
ゾル−ゲル法は、その他、適宜の成分の存在下で行うことができる。適宜の成分としては、例えば、公知の界面活性剤、分散安定剤、粘度調整剤、ｐＨ調整剤等を挙げることができる。界面活性剤は、アニオン性、カチオン性及びノニオン性のいずれを使用することもできる。
【００４８】
ゾル−ゲル法における反応温度、反応時間も特に限定されず、例えば、公知と同様の条件することができる。また、ゾル−ゲル法における原料と溶媒の使用割合、任意の成分の使用量等も特に限定されず、公知のシリカエアロゲル粒子を得るための反応と同様の条件を選択することができる。
【００４９】
ゾル−ゲル法で得られたゲルは、必要に応じて熟成及び溶媒置換を行うことができる。熟成条件は特に限定されず、公知の条件と同様とすることができる。
【００５０】
溶媒置換の方法も特に限定されず、例えば、公知の方法で溶媒置換を行うことができる。溶媒置換では、例えば、ゾル−ゲル法で得られたゲル中の溶媒を、後記する超臨界乾燥が可能である溶媒に置換することが好ましい。後記の超臨界乾燥が可能である溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール；ベンゼン、トルエン等の芳香族化合物、その他、炭化水素溶媒、アミド溶媒、ケトン溶媒、エステル溶媒を挙げることができる。溶媒置換は、異なる２種以上の溶媒を使用し、それぞれの溶媒に順次置換することもできる。溶媒置換は１回のみ行うことができ、あるいは、２回以上繰り返し行うこともできる。
【００５１】
ゾル−ゲル法で得られたゲルを溶媒置換した後は、溶媒を乾燥させることにより、疎水性シリカエアロゲルが得られる。溶媒を乾燥させる方法は特に限定されず、例えば、超臨界乾燥法を採用できる。
【００５２】
超臨界乾燥法の条件は特に限定されず、公知の超臨界乾燥法を採用することができる。例えば、公知の超臨界二酸化炭素を使用した超臨界乾燥法を採用することができる。
【００５３】
超臨界乾燥を行う前に、ゾル−ゲル法で得られたゲルの粉砕処理等を行うことができる。あるいは、ゾル−ゲル法で得られたゲルの超臨界乾燥を行った後に、粉砕処理等を行うことができる。
【００５４】
以上のように、工程Ａを含み、必要に応じて、溶媒置換を行う工程及び超臨界乾燥法等による溶媒の乾燥を行う工程を備える製造方法によって疎水性シリカエアロゲルを得ることができる。
【００５５】
上記製造方法で得られた疎水性シリカエアロゲルは、例えば、バルク状、板状、膜状、スライム状、ゲル状、シート状等の形状で形成され得るので、上述した加工方法によって、所望の形状に疎水性シリカエアロゲルを切断加工することができる。
【実施例】
【００５６】
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例の態様に限定されるものではない。
【００５７】
（実施例１）
厚みが３ｍｍである疎水性エアロゲルを準備し、エアロゲルの加工に使用するレーザーのパルスエネルギーを４２μＪとした。レーザー照射装置は、紫外線パルスレーザー「ＨＧＬ−ＬＳＵ３ＥＡ」を使用し、周波数を１００ｋＨｚ、波長を３５５ｎｍとした。
【００５８】
上記パルスエネルギーを有するレーザーを疎水性エアロゲルに照射することで、疎水性エアロゲルを厚み方向に切断し、切断面を目視した。
【００５９】
なお、疎水性エアロゲルは次のように製造した。反応容器内で、界面活性剤として臭化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム（ＣＴＡＢ）０．８ｇと、尿素６．０ｇとを、０．０５ｍｏｌ／Ｌ酢酸水溶液２０ｇに溶解させて、３０分間撹拌し混合溶液Ａを得た。一方、第１の加水分解性シラン化合物としてトリメトキシメチルシラン（ＭＴＭＳ、関東化学製試薬）９．６１ｇを、第２の加水分解性シラン化合物としてジメトキリジメチルシラン０．５２ｇを混合溶液Ａに溶解させて、３０分間撹拌することで、加水分解反応を行った。つまり、三官能アルコキシシラン１モルあたり、二官能アルコキシシランが０．０５モル含まれるようにした。その後、反応容器内を６０℃に保持し、静置することで内容物をゲル化させ、続けて９６時間静置することによりゲルを熟成させた。このゲルを反応容器ごと５倍体積量のエタノールに移し、６時間保持した後、エタノールを除去し、さらに新しいエタノールを加えて溶媒交換を行った。この溶媒交換を全３回繰り返した後、ゲルを２−プロパノールに移し、同様に２−プロパノールでの溶媒交換を６時間ごとに行った。これにより、ゲル中の溶媒が２−プロパノールで溶媒置換されたゲル化物を、反応容器内に得た。
【００６０】
このゲル化物を反応容器ごと耐圧容器に収容し、二酸化炭素を供給して、耐圧容器を４０℃、９ＭＰａとして３０分保持することで、ゲル化物内の２−プロパノールを二酸化炭素に置換した。その後、耐圧容器内を二酸化炭素の超臨界条件である８０℃、１４ＭＰａにし、超臨界乾燥を約２４時間行って、反応容器内に目的の疎水性シリカエアロゲルを得た。
【００６１】
（実施例２）
エアロゲルの加工に使用するレーザーのパルスエネルギーを６μＪとした以外は実施例１と同じ方法で、疎水性エアロゲルを厚み方向に切断し、切断面を目視した。
【００６２】
（比較例１）
レーザー照射装置を使用せず、市販のカッターナイフで疎水性エアロゲルを切断した。
【００６３】
（比較例２）
エアロゲルの加工に使用するレーザーのパルスエネルギーを０．０００１μＪとした以外は実施例１と同じ方法で、疎水性エアロゲルを厚み方向に切断し、切断面を目視した。
【００６４】
（比較例３）
エアロゲルの加工に使用するレーザーのパルスエネルギーを２００μＪとした以外は実施例１と同じ方法で、疎水性エアロゲルを厚み方向に切断し、切断面を目視した。
【００６５】
（加工性評価）
図２に示すように、実施例１及び実施例２における加工では、切断面が平滑であったのに対し、比較例１における加工では、切断時に疎水性エアロゲル切断部分の崩壊が起こり、切断面を平滑にすることができなかった。また、比較例２における加工では、疎水性エアロゲルの切断が不可能であった。比較例３における加工では、エアロゲルの切断は可能であったが、レーザー照射部から周辺へのひび割れ及び亀裂が発生した。
【図１】
2019171446.tif 000002
【図２】
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