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JP2001104744A - Hydrophilic nano-porous material and method for production thereof - Google Patents

Hydrophilic nano-porous material and method for production thereof

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Publication number
JP2001104744A
JP2001104744A JP28834199A JP28834199A JP2001104744A JP 2001104744 A JP2001104744 A JP 2001104744A JP 28834199 A JP28834199 A JP 28834199A JP 28834199 A JP28834199 A JP 28834199A JP 2001104744 A JP2001104744 A JP 2001104744A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
adsorption
silica
surfactant
water
hydrophilic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP28834199A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Yokota
洋 横田
Kairei Ko
海▲冷▼ 黄
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ebara Corp
Original Assignee
Ebara Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ebara Corp filed Critical Ebara Corp
Priority to JP28834199A priority Critical patent/JP2001104744A/en
Publication of JP2001104744A publication Critical patent/JP2001104744A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24FAIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F2203/00Devices or apparatus used for air treatment
    • F24F2203/10Rotary wheel
    • F24F2203/1032Desiccant wheel
    • F24F2203/1036Details
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24FAIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F2203/00Devices or apparatus used for air treatment
    • F24F2203/10Rotary wheel
    • F24F2203/1048Geometric details

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  • Drying Of Gases (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a material for producing a dehumidifying element large in adsorbing quantity and showing no hysteresis in an adsorbing/regenerating cycle. SOLUTION: This nano-porous material is substantially composed of silica and has a nano-porous structure uniform in pore size over a range from sub- nanometer to ten several nanometer and having a specific surface area of 400-1,300 m2/g and the inner surface of the nano-porous structure is made hydrophilic.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、空調設備
において用いる除湿素子の素材であるナノ多孔体、及び
その製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to, for example, a nanoporous material used as a material for a dehumidifying element used in an air conditioner, and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】排熱利用のデシカント空調システム、吸
着冷房などにおいては、種々の作動流体と吸着材料の組
み合わせが考えられるが、例えば水と各種の吸着材料を
想定し、処理空気の含水率が相対湿度P/Psで表して
50%RHであり、再生空気の含水率が10%RHであ
ると想定すると、水分の吸着平衡特性において、イメー
ジ図である図9に示すようにP/Psが10〜50%R
Hの間でなるべく大きな吸着量変化を有する吸着材料が
必要となる。
2. Description of the Related Art In a desiccant air-conditioning system utilizing exhaust heat, an adsorption cooling system, and the like, various combinations of working fluids and adsorbing materials are conceivable. Assuming that the relative humidity is 50% RH in terms of P / Ps and the water content of the regenerated air is 10% RH, as shown in the image diagram of FIG. ~ 50% R
An adsorbent material having a change in the amount of adsorption as large as possible between H is required.

【0003】従来のゼオライトでは水蒸気圧力の低いと
ころで吸着量が大きく、目的圧力範囲の吸着量変化はあ
まり大きくない。同様に、既存のシリカゲルは、リニア
な形になっていて、ゼオライトに比べるとよりよいかも
しれないが、目的圧力範囲の吸着量変化はまだ大きいと
はいえない。理想的には、S字型の吸着平衡を有し、目
的圧力範囲で大きな吸着量変化が得られるような除湿材
料が望ましい。活性炭は、本来疎水的な吸着材料である
が、表面酸化物の寄与で比較的高水蒸気圧においてS字
型の吸着を示すことが知られている。しかしながら、大
きな吸着量変化に対応する圧力は目的圧力範囲の外側に
あるので、連続除湿に用いるには好適でない。
[0003] In the conventional zeolite, the adsorption amount is large at a low steam pressure, and the change in the adsorption amount in the target pressure range is not so large. Similarly, existing silica gel is in a linear form and may be better than zeolite, but the change in adsorption in the target pressure range is not yet large. Ideally, a dehumidifying material having an S-shaped adsorption equilibrium and capable of obtaining a large change in adsorption amount in a target pressure range is desirable. Activated carbon is a hydrophobic adsorption material by nature, but it is known that it exhibits S-shaped adsorption at a relatively high water vapor pressure due to the contribution of surface oxides. However, since the pressure corresponding to a large change in the adsorption amount is outside the target pressure range, it is not suitable for use in continuous dehumidification.

【0004】公知の除湿素子の中で代表的なものは、シ
リカゲルを主体として構成された除湿素子である。シリ
カゲル素子の除湿特性の特徴は、50%RH(相対湿
度)以下の除湿動作範囲において吸着等温線がほぼ直線
的であり、5%RH(相対湿度)以下で大きな吸着量変
化を持つことである。これは、シリカゲルの場合は除湿
素子の再生を低いRH%(相対湿度)つまりより高い温
度(例えば80℃以上)で行わなければならないことを
意味する。
A typical known dehumidifying element is a dehumidifying element mainly composed of silica gel. The characteristics of the dehumidification characteristics of the silica gel element are that the adsorption isotherm is almost linear in a dehumidification operation range of 50% RH (relative humidity) or less, and has a large change in adsorption amount at 5% RH (relative humidity) or less. . This means that in the case of silica gel, regeneration of the dehumidifying element must be performed at a low RH% (relative humidity), that is, at a higher temperature (for example, 80 ° C. or higher).

【0005】しかしながら、デシカント空調などのシス
テムでは、省エネルギー、低コスト化などの要請への対
応のために再生温度をなるべく低下させる必要がある。
例えば、再生温度を70〜60℃まで低下させた場合、
シリカゲルでは除湿素子の除湿能力を十分に回復させる
ことができず、空調システム全体の効率は低下してしま
う。つまり、従来のシリカゲルのような除湿素子では、
省エネルギー化への対応は難しいことが容易に理解され
る。
However, in systems such as desiccant air conditioning, it is necessary to lower the regeneration temperature as much as possible in order to respond to demands such as energy saving and cost reduction.
For example, when the regeneration temperature is reduced to 70-60 ° C,
Silica gel cannot sufficiently restore the dehumidifying ability of the dehumidifying element, and the efficiency of the entire air conditioning system decreases. In other words, in a conventional dehumidifying element such as silica gel,
It is easy to understand that it is difficult to respond to energy conservation.

【0006】また、吸着は発熱を伴う。既存のシリカゲ
ルの除湿素子の吸着熱は水の凝集熱の約1.3〜1.6
倍と大きく、吸着時の発熱のため、材料の相対湿度が低
下して除湿できる水分量も減ってしまう問題がある。ま
た、吸着熱が大きい場合、吸着分子の脱着(材料の再
生)に要する熱量が大きいので、再生温度をさらに上げ
ないと、連続除湿操作が成立しにくくなり、除湿システ
ムの効率の低下が避けられなくなる。
[0006] Adsorption is accompanied by heat generation. The heat of adsorption of the existing silica gel dehumidifying element is about 1.3 to 1.6 of the heat of aggregation of water.
There is a problem in that the relative humidity of the material is reduced due to heat generation during adsorption and the amount of water that can be dehumidified is also reduced. In addition, when the heat of adsorption is large, the amount of heat required for desorption of adsorbed molecules (regeneration of material) is large. Therefore, unless the regeneration temperature is further increased, continuous dehumidification operation is difficult to be achieved, and a decrease in efficiency of the dehumidification system can be avoided. Disappears.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】このようなシリカゲル
に代わる除湿素子としてAlPOが開発されている。
これは、基本的には除湿動作において大きな吸着量変化
を示すS字型の吸着特性を有しているが、単位重量当た
りの吸着量が小さく、また、吸着・再生サイクルにおい
て大きなヒステリシス性が有り、連続的な除湿操作を行
う場合に同様に素子の再生が難しくなり、除湿能力を失
ってしまう欠点がある。従って、デシカント除湿素子に
は、吸着量が大きく、かつ、吸着・再生サイクルにおい
てヒステリシス性を示さないことが要求される。
As a dehumidifying element replacing such silica gel, AlPO 4 has been developed.
This basically has an S-shaped adsorption characteristic showing a large change in the amount of adsorption in the dehumidifying operation, but has a small amount of adsorption per unit weight and has a large hysteresis in the adsorption / regeneration cycle. In addition, when performing a continuous dehumidifying operation, similarly, there is a disadvantage that the regeneration of the element becomes difficult and the dehumidifying ability is lost. Therefore, the desiccant dehumidifying element is required to have a large amount of adsorption and not exhibit hysteresis in the adsorption / regeneration cycle.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、毛管凝縮機構
に基づいた細孔径と相対圧力との相互関係より、均一な
ナノ細孔の構造を構築し及び大きさを制御することによ
って、図9に示された理想的な材料に近いS字型の吸・
脱着特性を有し、かつ吸着熱も非常に小さい親水性ナノ
多孔体の開発に成功したものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a method for constructing a uniform nanopore structure and controlling the size of the nanopore based on the correlation between the pore diameter and the relative pressure based on the capillary condensation mechanism. S-shaped suction, close to the ideal material shown in 9
We have succeeded in developing a hydrophilic nanoporous material that has desorption characteristics and a very low heat of adsorption.

【0009】請求項1に記載の発明は、実質的にシリカ
を素材とし、サブナノメーターから十数ナノメーターま
での径の均一なナノ細孔構造を有するナノ多孔材料であ
って、比表面積が400〜1300m/gであり、前
記細孔構造の内部表面が親水化されていることを特徴と
する親水性ナノ多孔材料である。素材は、純シリカでも
よく、或いは金属又は金属酸化物が修飾したシリカのナ
ノ多孔体であってもよい。
The invention according to claim 1 is a nanoporous material which is substantially made of silica and has a nanopore structure with a uniform diameter from sub-nanometer to ten-odd nanometer, and has a specific surface area of 400 nm. 11300 m 2 / g, wherein the inner surface of the pore structure is hydrophilized. The material may be pure silica or a nanoporous silica material modified with a metal or metal oxide.

【0010】なお、「ナノ細孔」とは、具体的には細孔
径が0.5〜10.0nmの範囲を言い、さらに厳密に
は0.5〜5.0nmを言う。本発明において除湿素子
に用いる場合には、0.8〜3.0nmが好適である。
また、細孔がシリカ骨格内に密に形成されているため、
その比表面積は400〜1300m/gと大きな値を
示す。
[0010] The "nanopore" specifically means a pore diameter in the range of 0.5 to 10.0 nm, and more specifically, 0.5 to 5.0 nm. In the present invention, when used for a dehumidifying element, 0.8 to 3.0 nm is preferable.
Also, because the pores are densely formed in the silica skeleton,
Its specific surface area shows a large value of 400 to 1300 m 2 / g.

【0011】ナノ細孔内においては、親水化によって水
の極性分子の接触角度が小さくなり、吸着の立ち上がる
相対蒸気圧も低くなる。極性ガスを0.05〜0.5の
範囲でのより低い相対蒸気圧から多量に吸着できる優れ
た吸着材料が初めてできたことは、本発明の特徴の一つ
である。
In the nanopores, the contact angle of polar molecules of water becomes smaller due to hydrophilicity, and the relative vapor pressure at which adsorption rises also becomes lower. One of the features of the present invention is that an excellent adsorbent material capable of adsorbing a large amount of a polar gas from a lower relative vapor pressure in the range of 0.05 to 0.5 in a large amount has been firstly produced.

【0012】請求項2に記載の発明は、前記ナノ多孔材
料が、ヒステリシスの小さな吸・脱着特性を示し、細孔
径を制御することで、水吸着において相対蒸気圧5〜5
0%の範囲に設定される、特定の10数パーセントの蒸
気圧範囲に対し、20〜60%重量比の吸着量変化を有
する吸着特性を持つことを特徴とする請求項1に記載の
親水性ナノ多孔材料である。但し、吸着対象はアルコー
ルなどの極性物質のようなものも含まれ、水に限定され
るものではない。デシカント空調機のような連続除湿シ
ステムにおいては、ヒステリシスが小さいのは、素子の
再生が容易であり、連続除湿能力が高くなり、システム
効率も向上できることを示す。
[0012] The invention according to claim 2 is characterized in that the nanoporous material exhibits absorption / desorption characteristics with small hysteresis and controls the pore diameter, so that the relative vapor pressure is 5 to 5 in water adsorption.
2. The hydrophilicity according to claim 1, having an adsorption characteristic having a change in the amount of adsorption of 20 to 60% by weight for a specific vapor pressure range of 10 and several percent set in the range of 0%. It is a nanoporous material. However, the object to be adsorbed includes a polar substance such as alcohol, and is not limited to water. In a continuous dehumidification system such as a desiccant air conditioner, a small hysteresis indicates that the element can be easily regenerated, the continuous dehumidification capacity is increased, and the system efficiency can be improved.

【0013】請求項3に記載の発明は、前記親水性ナノ
多孔材料の水の吸着熱が、水の凝縮熱の1.2倍以下で
あることを特徴とする請求項1又は2に記載の親水性ナ
ノ多孔材料であり、好ましくは1.1倍以下、さらに好
ましくは1.05倍以下である。既存の吸着材であるシ
リカゲルと比べて吸着熱が小さく、吸着及び再生におけ
る熱量の出入りが少なくなるため、除湿システムの効率
を高める効果が有る。
The invention according to claim 3 is characterized in that the heat of adsorption of water by the hydrophilic nanoporous material is 1.2 times or less the heat of condensation of water. It is a hydrophilic nanoporous material, preferably 1.1 times or less, more preferably 1.05 times or less. The heat of adsorption is smaller than that of silica gel, which is an existing adsorbent, and the amount of heat input and output during adsorption and regeneration is reduced, which has the effect of increasing the efficiency of the dehumidification system.

【0014】請求項4に記載の発明は、シリカ源と、界
面活性剤とを用い、モル比にて、シリカ:界面活性剤:
O=1:0.1〜0.5:1〜100の水溶液又は
アルコール水溶液に酸を加えた均一な溶液を調製する工
程と、この溶液を、鋳込み、コーティング、又は噴霧等
によって材料としての形状を付与する工程と、この形状
付与体から界面活性剤を除去し、規則的なナノ細孔を有
する多孔体を形成する工程と、この多孔体の内部表面を
親水化する工程とを有することを特徴とする親水性ナノ
多孔材料の製造方法である。
According to a fourth aspect of the present invention, a silica source and a surfactant are used in a molar ratio of silica: surfactant:
A step of preparing a uniform solution obtained by adding an acid to an aqueous solution or an aqueous alcohol solution of H 2 O = 1: 0.1 to 0.5: 1 to 100, and casting the solution as a material by casting, coating, spraying or the like; And a step of removing a surfactant from the shape imparting body to form a porous body having regular nanopores, and a step of hydrophilizing the internal surface of the porous body. This is a method for producing a hydrophilic nanoporous material.

【0015】界面活性剤としては、カチオン系界面活性
剤が好ましい。界面活性剤を除去する工程は、通常、乾
燥と350℃以上での焼成を行なう。親水化処理として
は、水蒸気処理が、低コストで細孔の内部まで処理でき
るので効果的である。
The surfactant is preferably a cationic surfactant. In the step of removing the surfactant, drying and baking at 350 ° C. or higher are usually performed. As the hydrophilization treatment, the steam treatment is effective because it can treat the inside of the pores at low cost.

【0016】通常のゼオライトの合成法である水熱合成
法と比較した場合、本法はビーカー内での簡単な操作で
ナノ多孔体が合成でき、さらに溶液状態から合成ができ
るため、粉末のみならず、バルクも薄膜も容易に形成で
きる。特に、薄膜では基板への密着性がよいものができ
る。このように簡単なプロセスにて規則的な細孔構造を
有するナノ多孔体が合成できる。
Compared with the hydrothermal synthesis method, which is a conventional method for synthesizing zeolite, this method can synthesize a nanoporous material by a simple operation in a beaker and can synthesize from a solution state. In addition, bulk and thin films can be easily formed. In particular, a thin film having good adhesion to a substrate can be obtained. Thus, a nanoporous material having a regular pore structure can be synthesized by a simple process.

【0017】請求項5に記載の発明は、前記界面活性剤
がC数が8〜22である直鎖アルキル基の1種又は数種
を選択することにより、前記細孔の径を制御することを
特徴とする請求項4に記載の親水性ナノ多孔材料の製造
方法である。これにより、状況に応じて必要とされる細
孔径を選択することができる。界面活性剤を複数選択し
た場合でも、得られる細孔径はそれらの配合比に応じて
一定の値になり、細孔径を制御できる。このように、本
発明は、用いる原料を選ぶことで、簡便に精度よく細孔
径を制御できるものである。
According to a fifth aspect of the present invention, the surfactant controls the diameter of the pores by selecting one or more linear alkyl groups having 8 to 22 carbon atoms. The method for producing a hydrophilic nanoporous material according to claim 4, characterized in that: Thereby, the required pore size can be selected according to the situation. Even when a plurality of surfactants are selected, the obtained pore diameter has a constant value according to the compounding ratio thereof, and the pore diameter can be controlled. As described above, in the present invention, the pore size can be easily and accurately controlled by selecting the raw material to be used.

【0018】前記シリカ源として、水ガラス、シリカコ
ロイド或いはテトラアルコキシシランを用いてもよい。
親水化処理としての好適な条件は、例えば、相対湿度3
0〜100%の水蒸気を用い、30分〜数日間処理を行
なうものである。
As the silica source, water glass, silica colloid or tetraalkoxysilane may be used.
Suitable conditions for the hydrophilization treatment are, for example, a relative humidity of 3
The treatment is performed for 30 minutes to several days using 0 to 100% steam.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して説明する。図1は本発明の1つの実施の形態の除湿
素子を示すもので、波型に形成された担体紙が枠状のフ
レームに取り付けられて構成されている。この担体は、
図2に示すように、処理空気の流れ方向に沿って貫通す
る空孔を有するハニカム状に形成され、そのハニカム構
造の内表面には、親水性多孔体からなる除湿素材が一体
に固着している。以下に、この除湿素材から順を追って
説明する。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a dehumidifying element according to one embodiment of the present invention, which is configured by attaching a carrier paper formed in a corrugated shape to a frame-like frame. This carrier is
As shown in FIG. 2, the honeycomb structure is formed in a honeycomb shape having holes penetrating along the flow direction of the processing air, and a dehumidifying material made of a hydrophilic porous body is integrally fixed to an inner surface of the honeycomb structure. I have. Hereinafter, the dehumidifying material will be described in order.

【0020】図3は、規則的なナノ細孔を有する親水性
シリカ多孔体からなる除湿素材を製造するための工程を
説明するもので、ステップ1では、シリカ源、水、pH
調整剤、界面活性剤及びエタノールなどを混合して溶液
を調製し、シリカ源の加水分解を行いながら、界面活性
剤のミセルと共存させて、攪拌、エージングを行う。こ
れにより、数10分後、ミセル−シリケート複合体の溶
液が形成される。
FIG. 3 illustrates a process for producing a dehumidifying material composed of a hydrophilic silica porous material having regular nanopores. In step 1, a silica source, water, pH
A solution is prepared by mixing a regulator, a surfactant, ethanol and the like, and the mixture is stirred and aged in the presence of micelles of the surfactant while hydrolyzing the silica source. This forms a solution of the micelle-silicate complex after several tens of minutes.

【0021】Si源としては、テトラアルコキシシラ
ン、具体的にはテトラエトキシシラン、テトラメトキシ
シラン、テトライソプロポキシシラン等が用いられる。
また、テトラアルコキシシランとともにメチルトリメト
キシシラン等のアルキルトリアルコキシシランを使用す
ることも可能である。テトラアルコキシシランは1種単
独で又は2種以上の組み合わせで使用することができ
る。安価な珪酸ナトリウムなどのSi源の利用もでき
る。
As the Si source, tetraalkoxysilane, specifically, tetraethoxysilane, tetramethoxysilane, tetraisopropoxysilane or the like is used.
It is also possible to use an alkyl trialkoxysilane such as methyltrimethoxysilane together with the tetraalkoxysilane. Tetraalkoxysilanes can be used alone or in combination of two or more. An inexpensive Si source such as sodium silicate can also be used.

【0022】シリカ源の加水分解においては、シリカ源
の種類に応じてpHの制御が必要である。テトラアルコ
キシシランの場合、酸性下、好ましくはpH1〜4にて
行い、珪酸ナトリウムの場合、好ましくはpH2〜9に
て行う。加水分解をpHの制御下で行うのは、加水分
解、縮合速度を制御することにより、均一なナノ構造が
固まる条件を整えるためである。pH調整剤としては、
フッ酸以外の酸であればいずれのものも使用可能であ
り、例えば、塩酸、臭酸、硫酸等が挙げられる。
In the hydrolysis of the silica source, it is necessary to control the pH according to the type of the silica source. In the case of tetraalkoxysilane, it is carried out under acidic conditions, preferably at pH 1 to 4, and in the case of sodium silicate, it is carried out preferably at pH 2 to 9. The reason why the hydrolysis is performed under the control of the pH is to adjust the conditions under which the uniform nanostructure is hardened by controlling the hydrolysis and condensation rates. As a pH adjuster,
Any acid other than hydrofluoric acid can be used, and examples thereof include hydrochloric acid, hydrobromic acid, and sulfuric acid.

【0023】添加する水の量は、シリカ源1モル当た
り、好ましくは0.5〜100モルであり、更に好まし
くは5〜10モルである。シリカ源が珪酸ナトリウムで
ある場合、その1モル当たり、好ましくは5〜100モ
ルである。添加する水の量が多すぎると加水分解、縮合
が進みすぎてゲル化するという不都合があり、また、少
なすぎると続いて添加される界面活性剤が溶解しないと
いう不都合がある。この加水分解は、室温で、通常、数
分乃至3時間程度行う。テトラアルコキシシランに水を
加えた直後、即ち加水分解初期の段階においては混合物
はエマルジョン状であるが、加水分解の進行に伴って均
一な溶液になる。
The amount of water to be added is preferably 0.5 to 100 mol, more preferably 5 to 10 mol, per 1 mol of the silica source. When the silica source is sodium silicate, it is preferably from 5 to 100 mol per mol. If the amount of water to be added is too large, hydrolysis and condensation may proceed too much to cause gelation, and if too small, there is a disadvantage that the subsequently added surfactant will not be dissolved. This hydrolysis is usually performed at room temperature for about several minutes to three hours. Immediately after adding water to the tetraalkoxysilane, that is, at the initial stage of hydrolysis, the mixture is in an emulsion state, but becomes a uniform solution as the hydrolysis proceeds.

【0024】添加するエタノールの量は、シリカ源1モ
ル当たり、好ましくは1〜10モルであり、更に好まし
くは5〜7モルである。適量のアルコールを添加するの
は、界面活性剤混合後に粘性のある溶液を得るためであ
り、これによりコーティング性や成形性を良くすること
ができる。
The amount of ethanol to be added is preferably 1 to 10 mol, more preferably 5 to 7 mol, per mol of the silica source. The reason why an appropriate amount of alcohol is added is to obtain a viscous solution after mixing the surfactant, thereby improving coating properties and moldability.

【0025】規則的なナノ細孔を有する親水性シリカ多
孔体を製造する際の、本発明の最大の特徴の一つは、上
記のシリカ源、界面活性剤、水などの混合液から、常温
・常圧付近の処理だけで合成することができることにあ
る。なお、その混合の順序は特に制限しない。混合後、
適宜に混合物のpHを調整しながら室温で数分間激しく
攪拌することにより、透明、均一で、粘性のある溶液が
得られる。珪酸ナトリウムの場合、pHを制御したミセ
ル水溶液と混合すると直ちに白い沈殿が生じる。ナトリ
ウムなどの除去のため、濾過、水洗する工程を加える必
要がある。
One of the greatest features of the present invention in producing a hydrophilic porous silica material having regular nanopores is that a mixture of the above-mentioned silica source, surfactant, water and the like is used at room temperature. -It can be synthesized only by processing near normal pressure. The order of mixing is not particularly limited. After mixing
By stirring vigorously at room temperature for several minutes while appropriately adjusting the pH of the mixture, a clear, uniform and viscous solution is obtained. In the case of sodium silicate, a white precipitate forms immediately upon mixing with a micelle aqueous solution whose pH is controlled. In order to remove sodium and the like, it is necessary to add a step of filtering and washing.

【0026】尚、シリカ源、界面活性剤、水などの混合
後、容器中で長時間反応させると、混合物がゲル化し、
得られる複合体のナノ細孔構造が崩れる場合があるため
注意が必要である。
If the mixture is allowed to react for a long time in a container after mixing the silica source, surfactant and water, the mixture gels,
Care must be taken because the nanopore structure of the resulting composite may be disrupted.

【0027】界面活性剤としては、通常、長鎖アルキル
基及び親水基を有する化合物を使用する。長鎖アルキル
基としては、炭素原子数8〜22のものが好ましい。界
面活性剤としては、具体的には、下記一般式(1)で表
されるアルキルアンモニウム塩(例えば、セチルトリメ
チルアンモニウムブロマイド)が好適である。 [C2n+1N(CH]X (1) 式中、nは8〜22の整数であり、Xは、臭化物イオ
ン、塩化物イオン等のハロゲン化物イオン、HSO
又は酢酸イオン等の有機アニオンである。この他に、ア
セチルアルコール等のアルキルアルコール、パルミチン
酸等の脂肪酸等が挙げられるが、上記一般式(1)で表
されるアルキルアンモニウム塩が好適である。
As the surfactant, a compound having a long-chain alkyl group and a hydrophilic group is usually used. As the long-chain alkyl group, those having 8 to 22 carbon atoms are preferable. As the surfactant, specifically, an alkylammonium salt represented by the following general formula (1) (for example, cetyltrimethylammonium bromide) is preferable. [C n H 2n + 1 N (CH 3 ) 3 ] X (1) In the formula, n is an integer of 8 to 22, X is a halide ion such as a bromide ion or a chloride ion, or HSO 4 −.
Or an organic anion such as an acetate ion. Other examples include alkyl alcohols such as acetyl alcohol, and fatty acids such as palmitic acid. Of these, alkyl ammonium salts represented by the above general formula (1) are preferable.

【0028】界面活性剤は、水溶液中にミセルを形成す
るためのテンプレート(分子鋳型)として用いられる。
このミセルの大きさは長鎖アルキル基の炭素数(鎖長)
によって変わるので、最終的に多孔体の均一細孔径の大
きさを決める最重要な因子である。図4は、界面活性剤
により形成されたミセルのX線回折パターンを示す。界
面活性剤の種類(鎖長の大きさ)及び混合比(多種界面
活性剤の場合)によってミセルの大きさが制御できる。
The surfactant is used as a template (molecular template) for forming micelles in an aqueous solution.
The size of this micelle is the number of carbon atoms (chain length) of the long-chain alkyl group.
It is the most important factor that ultimately determines the size of the uniform pore diameter of the porous body. FIG. 4 shows an X-ray diffraction pattern of the micelle formed by the surfactant. The size of micelles can be controlled by the type of surfactant (the size of the chain length) and the mixing ratio (in the case of multiple types of surfactants).

【0029】また、界面活性剤とシリカ源の仕込み組成
を変えることにより、規則的なナノ細孔を有する親水性
シリカ多孔体のシリカ層の厚さや熱的安定性を制御する
ことができる。界面活性剤とシリカ源の仕込み比(モ
ル)は、1:10〜1:1が好ましく、更に1:7〜
1:4が好ましい。界面活性剤が多すぎると、複合体形
成に寄与しない余剰の界面活性剤結晶が試料中に混在す
る等の不都合があり、少なすぎると、ミセル−シリケー
ト複合体形成に寄与しない余剰のシリカが混在し、また
シリカ層が厚くなって構造の規則性が低下する等の不都
合がある。
The thickness and the thermal stability of the silica layer of the hydrophilic porous silica having regular nanopores can be controlled by changing the charged composition of the surfactant and the silica source. The charge ratio (mol) of the surfactant and the silica source is preferably from 1:10 to 1: 1 and more preferably from 1: 7 to 1: 1.
1: 4 is preferred. If the amount of the surfactant is too large, there is a disadvantage that excessive surfactant crystals that do not contribute to the formation of the complex are mixed in the sample.If the amount is too small, excess silica that does not contribute to the formation of the micelle-silicate composite is mixed. In addition, there are inconveniences such as the silica layer being thickened and the regularity of the structure being reduced.

【0030】次に、ステップ2(図3参照)において、
この溶液を適当な基材の表面にコーティングしたり、型
に鋳込むことにより成形し、さらに、乾燥させることに
より界面活性剤を除去し、フィルム、粉末又はゲル状の
固まりのミセル−シリケート複合体を製造する。
Next, in step 2 (see FIG. 3),
This solution is coated on the surface of a suitable substrate or molded by casting into a mold, and the surfactant is removed by drying to form a micelle-silicate composite in a film, powder or gel mass. To manufacture.

【0031】ミセル−シリケート複合体を成形するため
の基材としては、一般的に用いられるものであればいず
れのものも使用することができ、例えば、ガラス、石
英、アクリル板等が挙げられ、板状、皿状等のいずれの
形状のものも使用できる。また、基材に溶液をコーティ
ングする方法としては、例えば、スピンコート法、キャ
スティング法、ディップコート法等が挙げられる。
As the substrate for forming the micelle-silicate composite, any one can be used as long as it is generally used, and examples thereof include glass, quartz, and an acrylic plate. Any shape such as a plate shape and a dish shape can be used. Examples of the method for coating the substrate with the solution include a spin coating method, a casting method, and a dip coating method.

【0032】薄膜を形成する場合には、スピンコート法
を用いる。スピナー上に基板を置き、該基板に試料を滴
下して50〜5000rpm、好ましくは2000〜5
000rpmで回転させることにより、均一な膜を形成
することができる。得られるスピンコート膜は、スピン
コートの条件により1μmから500μmの膜厚に調節
することができる。厚膜成形の場合はキャスティング法
を用いる。例えば、前記溶液を、ペトリ皿等の容器に流
し込み、乾燥することにより、厚さ1μm乃至500μ
mのキャスト膜を得ることが可能である。
When a thin film is formed, a spin coating method is used. A substrate is placed on a spinner, a sample is dropped on the substrate, and 50 to 5000 rpm, preferably 2000 to 5000 rpm.
By rotating at 000 rpm, a uniform film can be formed. The thickness of the obtained spin-coated film can be adjusted to 1 μm to 500 μm depending on the spin-coating conditions. In the case of forming a thick film, a casting method is used. For example, the solution is poured into a container such as a Petri dish and dried to have a thickness of 1 μm to 500 μm.
It is possible to obtain m cast films.

【0033】形成されたミセル−シリケート複合体の構
造の規則性及び複合体の大きさは基本的には同じである
が、成形方法によって、多少差異があることが判る。図
5は、ミセル−シリケート複合体のスピンコート膜のX
線回折パターンを示す。図6は、ミセル−シリケート複
合体のキャスティング乾燥粉末のX線回折パターンを示
す。キャスティングより、スピンコートの方は、構造が
やや規則的にみられ、ミセル−シリケート複合体のサイ
ズもやや小になる。
Although the regularity of the structure of the formed micelle-silicate composite and the size of the composite are basically the same, it can be seen that there are some differences depending on the molding method. FIG. 5 shows X of the spin-coated film of the micelle-silicate composite.
3 shows a line diffraction pattern. FIG. 6 shows an X-ray diffraction pattern of the dried micelle-silicate composite casting powder. The structure of spin coating is somewhat more regular than that of casting, and the size of the micelle-silicate composite is also slightly smaller.

【0034】このナノ複合体について、X線回折分析を
した結果から、界面活性剤が形成する棒状ミセル(直径
2〜4nm)を厚さ1〜2nmのシリカ層が包囲した周
期的な結晶構造を有するものであることが確認された。
このナノ複合体は、六方晶系に属するものであることが
確認された。
From the result of X-ray diffraction analysis of this nanocomposite, it was found that a periodic crystal structure in which a rod-like micelle (diameter: 2 to 4 nm) formed by a surfactant was surrounded by a silica layer having a thickness of 1 to 2 nm was obtained. It was confirmed that it had.
This nanocomposite was confirmed to belong to the hexagonal system.

【0035】さらに、ステップ3においてこれを焼成す
ることにより、図7に示すように、周期的なナノ構造を
有するシリカ多孔体を製造することができる。焼成のた
めの加熱温度は、いずれも好ましくは400〜1000
℃であり、更に好ましくは500〜600℃である。フ
ィルム状のミセル−シリケート複合体をそのまま使用し
た場合、フィルム状のシリカ多孔体を得ることができ、
また、ミセル−シリケート複合体を粉末状にして焼成す
ることにより、粉末状のシリカ多孔体を得ることができ
る。シリカ多孔体は、表1に示されるようにブルナウア
ー−エメット−テーラー(BET)表面積が、500〜
1200m/g以上と高く、平均孔径0.8〜2.3
nmであり、細孔径の揃ったものである。
Further, by firing this in step 3, a porous silica having a periodic nanostructure can be manufactured as shown in FIG. The heating temperature for firing is preferably 400 to 1000.
° C, more preferably 500-600 ° C. When the film-like micelle-silicate composite is used as it is, a film-like porous silica can be obtained,
Further, a powdery silica porous material can be obtained by making the micelle-silicate composite into a powder and firing it. As shown in Table 1, the porous silica has a Brunauer-Emmett-Taylor (BET) surface area of 500 to 500.
It is as high as 1200 m 2 / g or more, and the average pore diameter is 0.8 to 2.3.
nm, and the pore diameters are uniform.

【0036】[0036]

【表1】 [Table 1]

【0037】さらに、ステップ4において、焼成により
得られた純シリカ多孔体を親水化するための水蒸気処理
(沸騰した湯で30分〜5時間で蒸す)を行うことによ
り、親水性を有するシリカ多孔体を得ることができる。
Further, in Step 4, a steam treatment (steaming with boiling water for 30 minutes to 5 hours) for hydrophilizing the pure silica porous body obtained by the calcination is carried out, thereby obtaining a silica porous material having hydrophilicity. You can get the body.

【0038】それらの多孔体を用いて、水蒸気吸着等温
線を、BELSORP18自動蒸気吸着量測定装置を用いて、
20〜50℃の間のそれぞれの温度において測定した。
図8は、ナノ細孔径の異なる三種の多孔体の水蒸気吸着
等温線を示す。それらの吸着等温線は、10〜50%の
間にある狭い湿度範囲に大きな吸着量変化(ある湿度に
おいて急激に立上る現象)を示すS字型の吸・脱着特性
を示した。図9は、対照例としての現状の連続除湿材料
と、連続除湿材料の理想材料と考えられる素材に求めら
れる水蒸気吸着等温線を示す。これにより、図8に示さ
れたS字型の吸・脱着特性が従来の材料に比べてより理
想的な素材に近い連続除湿特性を有することが判る。こ
れは、本発明の最大の特徴として特筆すべきことであ
る。
Using these porous materials, a water vapor adsorption isotherm was determined using a BELSORP18 automatic vapor adsorption measuring device.
It was measured at each temperature between 20 and 50 ° C.
FIG. 8 shows water vapor adsorption isotherms of three kinds of porous materials having different nanopore diameters. The adsorption isotherms exhibited S-shaped adsorption / desorption characteristics showing a large change in adsorption amount (a phenomenon that rapidly rises at a certain humidity) in a narrow humidity range between 10 and 50%. FIG. 9 shows a water vapor adsorption isotherm required for a current continuous dehumidifying material as a control example and a material considered as an ideal material of the continuous dehumidifying material. Thus, it can be seen that the S-shaped absorption / desorption characteristics shown in FIG. 8 have continuous dehumidification characteristics closer to an ideal material than conventional materials. This is a remarkable feature of the present invention.

【0039】また、図10に示すように、親水化処理に
よってS字型の吸着等温線の立上りが低湿度へ大きくシ
フトしたことは、本来疎水的であるシリカのナノ多孔体
が親水的なものに変わったことを示している。それは、
図11に示すように、シリカの表面のシリコン原子が水
の酸素と結合して親水基のOHが生成され、親水基の
形成によって、シリカ表面における水の接触角度が低下
し、これにより毛管凝縮圧力が低下することが原因であ
ると考えられる。
Further, as shown in FIG. 10, the rise of the S-shaped adsorption isotherm greatly shifted to low humidity by the hydrophilization treatment indicates that the silica nanoporous material, which is originally hydrophobic, is hydrophilic. Has changed. that is,
As shown in FIG. 11, silicon atoms on the surface of silica combine with water oxygen to generate OH of a hydrophilic group, and the formation of the hydrophilic group reduces the contact angle of water on the silica surface, thereby reducing the capillary. It is considered that the cause is that the condensing pressure decreases.

【0040】吸着機構としては、少量の表面シラノール
親水基との水素結合力による吸着の方が、マイクロ孔ポ
テンシャルより大きいと考えられるので、水分子が3.
8Åと非常に小さいことを考えに入れると、水の第一層
吸着はマイクロ孔を含む全表面のシラノール基への水素
結合吸着であると考えられる。従って、近似的にBET
理論を使って求めた水の単分子吸着量を窒素吸着から求
めた全比表面積で割れば、全表面にある水単位表面積当
たりの吸着量が得られる。この場合、吸着水分子1個が
シラノール親水基1個に配位していると仮定すると、シ
ラノール基の表面濃度が求められる。このような方法を
用いて親水化処理によるシラノール親水基の表面濃度の
変化を評価し、親水化処理により、シラノール基の数が
数倍増加することが判った。
As an adsorption mechanism, it is considered that the adsorption by a hydrogen bonding force with a small amount of the surface silanol hydrophilic group is larger than the micropore potential.
Considering that it is very small at 8 °, it is considered that the first layer adsorption of water is hydrogen bond adsorption to silanol groups on the entire surface including the micropores. Therefore, approximately BET
Dividing the amount of single molecule water adsorbed using the theory by the total specific surface area obtained from nitrogen adsorption gives the amount of adsorbed water per unit surface area on all surfaces. In this case, assuming that one adsorbed water molecule is coordinated with one silanol hydrophilic group, the surface concentration of the silanol group is determined. Using such a method, the change in the surface concentration of the silanol hydrophilic group due to the hydrophilization treatment was evaluated, and it was found that the number of silanol groups increased several times by the hydrophilization treatment.

【0041】また、異なる温度における吸着等温線の測
定結果から、吸着材の等量吸着熱を、以下のファント・
ホッフ式の積分式(2)を用いて求めた。 Q=R(lnP-lnP)/(1/T-1/T) (2) 式中、Rは気体定数、Pは絶対圧力であり、Tは吸着温
度である。その結果の一例を、表2に示す。本発明の親
水性ナノ多孔体では、吸着熱は小さく、水の凝集熱の
1.03〜1.1倍くらいであって、従来のシリカゲル
材料(水の凝集熱の1.3〜1.6倍くらいである)よ
り小さいことがわかった。小吸着熱は、除湿操作に必要
なエネルギーが少ないことと、除湿の連続運転する時吸
着熱による除湿材料の温度上昇、除湿性能低下という不
利な影響が小さいことを意味するので、小吸着熱は除湿
システムのCOPが大きくなることを示す。これは、本
発明のもう一つの大きな特徴として特筆すべきである。
Further, based on the results of the adsorption isotherms measured at different temperatures, the isosteric heat of adsorption of the adsorbent was calculated as follows:
It was determined using the Hoff integral equation (2). Q = R (lnP 1 -lnP 2 ) / (1 / T 1 -1 / T 2 ) (2) where R is a gas constant, P is an absolute pressure, and T is an adsorption temperature. Table 2 shows an example of the result. In the hydrophilic nanoporous material of the present invention, the heat of adsorption is small, about 1.03 to 1.1 times the heat of coagulation of water, and the conventional silica gel material (1.3 to 1.6 of the heat of coagulation of water). About twice as small). The small heat of adsorption means that the energy required for the dehumidifying operation is small and that the adverse effect of increasing the temperature of the dehumidifying material due to the heat of adsorption and decreasing the dehumidifying performance during continuous dehumidifying operation is small. It shows that the COP of the dehumidification system increases. This is a remarkable feature of the present invention.

【表2】 [Table 2]

【0042】また、親水化処理によって、除湿材料の単
分子層の水の吸着サイトが増え、水の接触角度が小さく
なり、親水性が大幅に改善される。また、吸・脱着のヒ
ステリシスが急激に低下された。以上のことは、連続除
湿システムに対しては、なるべく狭い湿度条件で連続的
に除湿・再生サイクル、つまりある狭い湿度範囲で大量
吸着・大量脱着できる除湿操作を、バランスをよくとれ
る条件で行えることを意味し、システム効率の向上に繋
がる。吸・脱着のヒステリシスがないことは、本発明の
もう一つ大きな特徴として特筆すべきである。
In addition, the hydrophilic treatment increases the number of water adsorption sites in the monomolecular layer of the dehumidifying material, reduces the contact angle of water, and greatly improves the hydrophilicity. Also, the hysteresis of absorption / desorption was sharply reduced. The above indicates that for a continuous dehumidification system, the dehumidification / regeneration cycle that can be continuously performed under as narrow a humidity condition as possible, that is, the dehumidification operation that can absorb and desorb a large amount in a certain narrow humidity range can be performed under well-balanced conditions. Means the improvement of the system efficiency. The absence of absorption / desorption hysteresis is a remarkable feature of the present invention.

【0043】本発明の多孔材料の好適な実施の形態とし
て、除湿素子が挙げられる。これは、多孔材料を適当な
担体に付着させて成形し、親水化処理することにより作
製される。担体としては、温度600℃に耐えられれば
特に他の制限はないが、通気路を形成するためには、よ
りマクロな多孔体であるハニカム構造体とするのが好ま
しい。製品の用途に応じて、例えば、無機繊維のセラミ
ックス繊維、ガラス繊維またはその混合物の製紙または
不織布等を、適当な形状、サイズに成形したものを任意
に選んで使用することができる。また、機械的な強度や
耐久性のよい製品を得るためには、製造工程において吸
着材であるシリカと相性がよく、一体化しやすいほぼ同
成分のガラス繊維を用いて作られたハニカム構造体を用
いることが望ましい。
A preferred embodiment of the porous material of the present invention is a dehumidifier. This is produced by attaching a porous material to a suitable carrier, forming the porous material, and performing a hydrophilic treatment. The carrier is not particularly limited as long as it can withstand a temperature of 600 ° C., but in order to form a ventilation path, it is preferable to use a honeycomb structure that is a macroscopic porous body. Depending on the use of the product, for example, papermaking or nonwoven fabric of inorganic fibers such as ceramic fibers, glass fibers or a mixture thereof, formed into an appropriate shape and size can be arbitrarily selected and used. In addition, in order to obtain a product with good mechanical strength and durability, a honeycomb structure made of glass fiber of almost the same component that is compatible with silica as an adsorbent in the manufacturing process and easy to integrate is used. It is desirable to use.

【0044】このようなハニカム構造体にミセルーシリ
ケート複合体の溶液を含浸し、10℃〜80℃の温度で
通風乾燥して目標量をハニカムに付けるまで、含浸・乾
燥の操作を繰り返す。その後、400〜600℃、1〜
5時間保持で焼成し、分子鋳型とするミセルを除去する
ことにより、ハニカム構造体を骨格とし、規則的なナノ
細孔を有するシリカを除湿材とした強固な多孔素子が作
製される。最後に、沸騰した湯気の上に30分間くらい
蒸すことによって親水的な除湿素子が得られる。また、
大気中に長期間の放置(エージング)することも、親水
化効果を得ることも可能である。このような簡素な工程
により除湿素子が得られ、製造コストの低減も期待でき
る。
The honeycomb structure is impregnated with the solution of the micelle-silicate composite, and the operation of impregnation and drying is repeated until the target amount is applied to the honeycomb by ventilation drying at a temperature of 10 ° C. to 80 ° C. Then, 400-600 ° C, 1-
By baking for 5 hours and removing the micelles serving as molecular templates, a strong porous element using a honeycomb structure as a skeleton and silica having regular nanopores as a dehumidifying material is produced. Finally, a hydrophilic dehumidifying element is obtained by steaming on boiling steam for about 30 minutes. Also,
It is possible to leave (aging) for a long time in the air or to obtain a hydrophilic effect. By such a simple process, a dehumidifying element can be obtained, and reduction in manufacturing cost can be expected.

【0045】[0045]

【実施例】以下、実施例により本発明を更に具体的に説
明するが、これにより、本発明は何ら制限されるもので
はない。表1に、実施例に用いた素材、測定試験結果等
をまとめて示す。表1の各欄の内容は以下の通りであ
る。 シリカ源:テトラエトキシシラン 界面活性剤(Cn):トリメチルアンモニウムブロミド [C2n+1N(CH]Br 細孔径(d):窒素吸着よりHorvath-Kawazoe孔サイズ
分布曲線から算出 六方構造の大きさ(a):近隣両細孔の中心距離 a=
2d100/√3 比表面積(S):BET表面積 細孔容積(V):相対圧力0.99%時の単分子層吸着
より算出した容積 毛管凝縮圧力(P/P):毛管凝縮機構による細孔径
に対応する相対湿度
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, which should not be construed as limiting the present invention. Table 1 summarizes the materials used in the examples, the measurement test results, and the like. The contents of each column in Table 1 are as follows. Silica source: tetraethoxysilane surfactant (Cn): trimethylammonium bromide [C n H 2n + 1 N (CH 3) 3] Br pore diameter (d): calculated hexagonal structure from Horvath-Kawazoe pore size distribution curve than nitrogen adsorption Size (a): Center distance between both neighboring pores a =
2d100 / √3 Specific surface area (S): BET surface area Pore volume (V): Volume calculated from monolayer adsorption at a relative pressure of 0.99% Capillary condensation pressure (P / P 0 ): Fineness by capillary condensation mechanism Relative humidity corresponding to pore size

【0046】〔実施例1〕テトラエトキシシラン(TE
OS)10.42gにエタノール13.7gを添加し
(TEOS:エタノールのモル比は1:6)、TEOS
−エタノール溶液を準備し、同時に界面活性剤としてヘ
キサデシルトリメチルアンモニウムブロミド(C16
33N(CHBr、以下C16という)3.64
g(TEOS:C16(モル比)は4:1)に純水1
3.5gを添加して(TEOS:水のモル比は1:1
5)室温で約10分間攪拌した。この界面活性剤と純水
を攪拌して混合した溶液について、X線回折分析を行
い、均一な大きさのミセルが形成されたことを確認した
(図4参照)。そのミセルの大きさは2.57nmであ
ることが判る。このミセルの溶液に、TEOS−エタノ
ール溶液を加えて混合した。混合した直後はエマルジョ
ンであったが、数分で透明、均一な溶液になった。pH
3(塩酸で調整)にて、室温で約3時間攪拌しながら加
水分解を行った。このようにして、透明、均一で、粘性
のあるミセル−シリケート複合体溶液が得られた。
Example 1 Tetraethoxysilane (TE)
13.7 g of ethanol was added to 10.42 g of (OS) (the molar ratio of TEOS: ethanol was 1: 6).
- ethanol solution was prepared, and hexadecyltrimethylammonium bromide (C 16 H as the surfactant at the same time
33 N (CH 3 ) 3 Br, hereinafter referred to as C16) 3.64
g (TEOS: C16 (molar ratio: 4: 1)) in pure water 1
3.5 g (TEOS: water molar ratio is 1: 1)
5) The mixture was stirred at room temperature for about 10 minutes. X-ray diffraction analysis was performed on the solution obtained by stirring and mixing the surfactant and pure water, and it was confirmed that micelles having a uniform size were formed (see FIG. 4). It turns out that the size of the micelle is 2.57 nm. A TEOS-ethanol solution was added to the micelle solution and mixed. Immediately after mixing, the emulsion was an emulsion, but became a clear and uniform solution within a few minutes. pH
In 3 (adjusted with hydrochloric acid), hydrolysis was carried out while stirring at room temperature for about 3 hours. In this way, a transparent, uniform and viscous micelle-silicate composite solution was obtained.

【0047】このミセル−シリケート複合体溶液を、ガ
ラス基板上にスピンコートし、空気中で乾燥することに
より該基板上に透明フィルムを形成した。その透明フィ
ルムについてX線回折分析を行った。そのX線回折パタ
ーンを図12に示す。図12(a)に示すように、この
低角度のX線回折パターンは、2θ=2°近くでd値が
3.88nmの非常に鋭い回折ピークを示す。このd値
より、規則的なナノ構造両近隣の中心距離 a=2d1
00/√3は4.48であることが判る。また、図12
(a)の縦軸を拡大した図12(b)に示すように、2
θ=2°以外の4.0から7.0°の2θ範囲に弱い反
射を示した。d値2.57、1.96及び1.30nm
のピークが見られる。それらは、d値3.88を合わせ
てヘキサゴナル構造で指数付けることができる。それぞ
れは、(100)、(110)、(200)及び(30
0)の面間隔に相当する。つまり、このX線回折パター
ンから、六方晶系に属するシリカ−界面活性剤ナノ複合
体が基材上に形成されたことが分かった。
This micelle-silicate composite solution was spin-coated on a glass substrate and dried in air to form a transparent film on the substrate. X-ray diffraction analysis was performed on the transparent film. FIG. 12 shows the X-ray diffraction pattern. As shown in FIG. 12A, this low-angle X-ray diffraction pattern shows a very sharp diffraction peak with a d value of 3.88 nm near 2θ = 2 °. From this d value, the regular center distance between both neighboring nanostructures a = 2d1
00 / $ 3 is found to be 4.48. FIG.
As shown in FIG. 12B in which the vertical axis of FIG.
It exhibited weak reflection in a 2θ range of 4.0 to 7.0 ° other than θ = 2 °. 2.57, 1.96 and 1.30 nm d values
Peak is seen. They can be indexed in a hexagonal structure with a combined d-value of 3.88. These are (100), (110), (200) and (30)
0). That is, from the X-ray diffraction pattern, it was found that the silica-surfactant nanocomposite belonging to the hexagonal system was formed on the substrate.

【0048】上記のシリカ−C16ナノ複合体を、空気
中で873Kで5時間加熱し、複合体からC16を除去
した。焼成によってできた生成物は、そのX線回折パタ
ーンの解析によって規則的なナノ多孔体になっているこ
とを確認した(図7参照)。回折パターンは焼成により
変化しておらず、界面活性剤の除去後でさえ規則的な構
造が維持されていることがわかる。焼成生成物のd10
0値(3.01nm)は焼成前のd100値よりも約
0.87nm小さく、焼成によるシリカの収縮もあるよ
うに思われる。
The above silica-C16 nanocomposite was heated at 873 K for 5 hours in air to remove C16 from the composite. By analyzing the X-ray diffraction pattern, it was confirmed that the product formed by firing was a regular nanoporous material (see FIG. 7). The diffraction pattern did not change upon firing, indicating that a regular structure was maintained even after removal of the surfactant. D10 of calcined product
The 0 value (3.01 nm) is about 0.87 nm smaller than the d100 value before baking, and it seems that there is also shrinkage of silica due to baking.

【0049】また、このナノ多孔体の比表面積、細孔径
分布、細孔容積を窒素吸着試験によって評価した。窒素
吸着等温線の測定前に、ナノ多孔体を493Kで3時間
前処理をした。ナノ多孔体の77Kにおける窒素の吸・
脱着等温線を図13に示す。ブルナウアー−エメット−
テーラー(BET)表面積は1282m/gであっ
た。焼成生成物についてのHorvath-Kawazoe孔サイズ分
布曲線(Horvath, G. andKawazoe, K.J., J. Chem. En
g. Jpn.,16, 470-475(1983)参照)から、平均孔径は約
1.8nmと決定された。これらの測定結果から、本発
明の方法により得られた周期的なシリカ−界面活性剤ナ
ノ複合体が多孔質固体に転換したことが示された。d値
3.01より、気孔中心間の繰り返し距離はa=3.4
7nm(a=2d100/√3を用いて計算した)と計
算され、気孔中心間距離からHorvath-Kawazoe孔サイズ
を引くことにより、フレーム構造の厚さ(シリカ層の厚
さ)を約1.6nmと推定した。
The specific surface area, pore size distribution and pore volume of this nanoporous material were evaluated by a nitrogen adsorption test. Prior to measurement of the nitrogen adsorption isotherm, the nanoporous body was pretreated at 493K for 3 hours. Nitrogen absorption at 77K of nanoporous material
The desorption isotherm is shown in FIG. Brunauer-Emmet-
The tailor (BET) surface area was 1282 m 2 / g. Horvath-Kawazoe pore size distribution curve for the calcined product (Horvath, G. and Kawazoe, KJ, J. Chem. En
g. Jpn., 16, 470-475 (1983)), the average pore size was determined to be about 1.8 nm. These measurement results indicated that the periodic silica-surfactant nanocomposite obtained by the method of the present invention was converted to a porous solid. From the d value of 3.01, the repetition distance between the pore centers is a = 3.4.
The thickness of the frame structure (thickness of the silica layer) was calculated to be about 1.6 nm by subtracting the Horvath-Kawazoe pore size from the pore center distance, which was calculated to be 7 nm (calculated using a = 2d100 / √3). It was estimated.

【0050】焼成により得られた純シリカ多孔体を親水
化するための水蒸気処理(沸騰した湯で30分間蒸す)
を行った。また、親水化処理前後の水蒸気吸着特性を、
BELSORP18自動蒸気吸着量測定装置を用いて、20,
25,30,35,40,45,50℃などの温度で行
った。測定前に多孔体粉末を493Kで3時間の前処理
をした。それぞれの温度おいて、吸着等温線はある狭い
湿度範囲に大きな吸着量変化(ある湿度において急激に
立上る現象)を有するS字型の特性を示した。親水化処
理前後のシリカ多孔体について、298Kにおける水蒸
気の吸・脱着等温線の測定結果の例を、図10に示す。
親水化処理前後のシリカ多孔体は、狭い湿度範囲に大き
な吸着量変化(ある湿度において急激に立上る現象)を
示すS字型の吸・脱着特性を示している。親水化処理前
のシリカ多孔体は、相対圧50%RHにおいては、吸着
量は140ml(S.T.P.)/gで、相対圧10%RHまで
再生される場合、残留水分量は70ml(S.T.P.)/gで
あったが、S字型の急勾配は相対圧50%RHよりやや
高かった。
Steam treatment for hydrophilizing the pure silica porous body obtained by firing (steaming with boiling water for 30 minutes)
Was done. In addition, the water vapor adsorption characteristics before and after the hydrophilic treatment,
Using a BELSORP18 automatic vapor adsorption measuring device,
The tests were performed at temperatures such as 25, 30, 35, 40, 45, and 50 ° C. Before the measurement, the porous material powder was pretreated at 493K for 3 hours. At each temperature, the adsorption isotherm exhibited an S-shaped characteristic having a large change in adsorption amount (a phenomenon that rapidly rises at a certain humidity) in a certain narrow humidity range. FIG. 10 shows an example of the measurement results of the adsorption and desorption isotherms of water vapor at 298 K before and after the hydrophilic treatment.
The porous silica body before and after the hydrophilization treatment exhibits an S-shaped absorption / desorption characteristic showing a large change in the amount of adsorption (a phenomenon that rapidly rises at a certain humidity) in a narrow humidity range. The silica porous material before the hydrophilization treatment has an adsorbed amount of 140 ml (STP) / g at a relative pressure of 50% RH, and a residual water amount of 70 ml (STP) / g when regenerated to a relative pressure of 10% RH. However, the steep slope of the S-shape was slightly higher than the relative pressure of 50% RH.

【0051】親水化処理前のシリカ多孔体は、10〜5
0%RHの連続除湿条件において、除湿材料としては適
していない。しかし、親水化処理後のシリカ多孔体は、
相対圧50%RHにおいては、吸着量は600ml(S.
T.P.)/gで、相対圧10%RHまで再生される場合、
残留水分量は50ml(S.T.P.)/gであった。しかも、
S字型の急勾配は相対蒸気圧10〜50%RH以内に制
御できた。連続除湿条件においては、ほぼ前述した理想
的な材料となった。
Before the hydrophilization treatment, the silica porous material should be 10 to 5
It is not suitable as a dehumidifying material under continuous dehumidifying conditions of 0% RH. However, the silica porous body after the hydrophilic treatment is
At a relative pressure of 50% RH, the adsorption amount was 600 ml (S.
TP) / g, when the relative pressure is regenerated up to 10% RH,
The residual water content was 50 ml (STP) / g. Moreover,
The S-shaped steep slope could be controlled within a relative vapor pressure of 10 to 50% RH. Under the continuous dehumidifying condition, almost the ideal material described above was obtained.

【0052】S字型の吸着等温線の立上りが低湿度へ大
きくシフトしたことは、本来の疎水的であるシリカのナ
ノ多孔体が親水的なものに変わったことを示している。
毛管凝縮機構による細孔径に対応する相対湿度について
は、親水化処理前は0.47で、親水化処理後は0.2
9までに下がった。これは、親水化処理によって、シリ
カの表面のシリコン原子が水の酸素とつながれ、親水基
のOHが形成され、これによって、シリカ表面の水の
接触角度が低下し、毛管凝縮圧力も低下することが原因
であると考えられる。また、単分子層吸着量として相対
湿度10%である時の蒸気吸着量で比較すると、親水化
処理前は0.12g/gであり、親水化処理後は0.4
8g/gで処理前に比べると4倍ほども増大したことが
わかった。即ち、親水化処理によって、多孔体表面にあ
る親水基は数倍に増加したと思われる。
The large shift of the rise of the S-shaped adsorption isotherm to low humidity indicates that the originally hydrophobic silica nanoporous body has been changed to a hydrophilic one.
The relative humidity corresponding to the pore diameter by the capillary condensation mechanism was 0.47 before the hydrophilic treatment, and 0.2 after the hydrophilic treatment.
By nine. This is because, by the hydrophilization treatment, silicon atoms on the surface of the silica are connected to oxygen of water to form OH − of a hydrophilic group, whereby the contact angle of water on the silica surface is reduced and the capillary condensation pressure is also reduced. It is thought that this is the cause. When the amount of adsorption of the monolayer was compared with the amount of vapor adsorption when the relative humidity was 10%, the amount before the hydrophilic treatment was 0.12 g / g, and that after the hydrophilic treatment was 0.42 g / g.
At 8 g / g, it was found to be increased about 4 times as compared with that before the treatment. That is, it is considered that the number of hydrophilic groups on the surface of the porous body increased several times by the hydrophilization treatment.

【0053】吸着熱を求めるために、親水化処理後の試
料を用いて、20,25,30,35,40,45,5
0℃のそれぞれの温度においての水蒸気吸着等温線を測
定した。相対圧と吸・脱着量で表す吸着等温線の場合、
それぞれの温度で測定された吸着等温線は、温度に拘わ
らず同じ形で現れており、この現象から、ナノ多孔体に
おける吸着熱は水蒸気の凝集熱とほぼ同じであると考え
られる。異なる温度の吸着等温線の測定結果を基に、吸
着材の等量吸着熱を前述のファント・ホッフ式の積分式
より求めた。等量吸着熱の平均値は小さく、水の凝集熱
の1.1倍以下(表2参照)であって、従来のシリカゲ
ル材料(水の凝集熱の1.3〜1.6倍くらいである)
よりはるかに小さいことがわかった。
To determine the heat of adsorption, the samples after the hydrophilization treatment were used to obtain 20, 25, 30, 35, 40, 45, 5
Water vapor adsorption isotherms were measured at each temperature of 0 ° C. In the case of the adsorption isotherm expressed by the relative pressure and the adsorption / desorption amount,
The adsorption isotherms measured at each temperature appear in the same form regardless of the temperature. From this phenomenon, it is considered that the heat of adsorption in the nanoporous material is almost the same as the heat of aggregation of water vapor. Based on the measurement results of the adsorption isotherms at different temperatures, the isosteric heat of adsorption of the adsorbent was obtained from the above-mentioned integral formula of the Van Hoff formula. The average value of the heat of equivalent adsorption is small, 1.1 times or less the heat of aggregation of water (see Table 2), and is about 1.3 to 1.6 times the conventional silica gel material (1.3 to 1.6 times the heat of aggregation of water). )
Turned out to be much smaller than that.

【0054】〔実施例2〕本実施例においては、デシル
トリメチルアンモニウムブロミド(C1021N(C
Br、以下C10という)、ドデシルトリメチ
ルアンモニウムブロミド(C1225N(CH
Br、以下C12という)、テトラデシルトリメチルア
ンモニウムブロミド(C1429N(CH
r、以下C14という)又はオクタデシルトリメチルア
ンモニウムブロミド(C1833N(CH
r、以下C18という)を単独、または多種で使用した
以外は実施例1と同様の方法で、それぞれ透明なシリカ
−C10ナノ複合体フィルム、シリカ−C12ナノ複合
体フィルム、シリカ−C14ナノ複合体フィルム及びシ
リカ−C18ナノ複合体フィルム、シリカ−C
12+14+16+18(つまり、C12+C14+C
16+C18四種界面活性剤の混合)またはそれらの複
合体の粉末を得た。
Example 2 In this example, decyltrimethylammonium bromide (C 10 H 21 N (C
H 3 ) 3 Br (hereinafter referred to as C10), dodecyltrimethylammonium bromide (C 12 H 25 N (CH 3 ) 3
Br, hereinafter referred to as C12), tetradecyl trimethyl ammonium bromide (C 14 H 29 N (CH 3) 3 B
r, hereinafter referred to as C14) or octadecyltrimethylammonium bromide (C 18 H 33 N (CH 3 ) 3 B
r, hereinafter referred to as C18) alone or in combination of various kinds, in the same manner as in Example 1 to obtain transparent silica-C10 nanocomposite film, silica-C12 nanocomposite film, and silica-C14 nanocomposite, respectively. Film and silica-C18 nanocomposite film, silica-C
12 + 14 + 16 + 18 (that is, C12 + C14 + C
A mixture of 16 + C18 four surfactants) or a complex thereof was obtained.

【0055】得られたナノ複合体フィルムそれぞれにつ
いてX線回折分析を行った。そのX線回折パターンを、
それぞれ図14乃至図18に示す。それらフィルムは全
てヘキサゴナル相に帰するX線反射を示した。d100
値(C10、C12、C14、C18、及びC
12+14+16+18などナノ複合体についてそれぞ
れ3.00,3.32,3.67,4.04及び3.5
0nm)は界面活性剤のアルキル鎖長によって変化して
いる。面白いことは、四種類の界面活性剤の混合では、
そのd100値は四種類の値ではなく、一つの中間値と
なっていた。つまり、四種類の界面活性剤の混合は、四
種類のミセルを形成する訳ではなく、その中間の大きさ
のミセルだけが形成された。これは、この多種界面活性
剤の混合によって、異種界面活性剤の使用量の比によっ
て、その異種界面活性剤の中間領域でシリカ−ミセルの
複合体の大きさを精密に制御できることを意味する。界
面活性剤のミセルがナノ複合体の構造および大きさの精
密制御において重要な役割を演ずるということを裏付け
ている。
An X-ray diffraction analysis was performed on each of the obtained nanocomposite films. The X-ray diffraction pattern
These are shown in FIGS. 14 to 18, respectively. All of the films exhibited X-ray reflections attributed to the hexagonal phase. d100
Values (C10, C12, C14, C18, and C
3.00, 3.32, 3.67, 4.04 and 3.5 for nanocomposites such as 12 + 14 + 16 + 18 , respectively
0 nm) varies depending on the alkyl chain length of the surfactant. The interesting thing is that with a mixture of four surfactants,
The d100 value was not one of four values but one intermediate value. That is, mixing of the four types of surfactants did not form four types of micelles, but formed only micelles having an intermediate size. This means that by mixing the various surfactants, the size of the silica-micellar complex in the intermediate region of the different surfactant can be precisely controlled by the ratio of the amount of the different surfactant used. It confirms that surfactant micelles play an important role in the precise control of nanocomposite structure and size.

【0056】上記の各種のシリカ−ミセルナノ複合体
を、空気中で773Kで5時間加熱し、複合体からそれ
ぞれの界面活性剤を除去した。焼成によってできた生成
物は、そのX線回折パターンの解析により、規則的なナ
ノ多孔体になっていることを確認した。そのX線回折パ
ターンを図19乃至図23に示す。d100値(C1
0、C12、C14、C18、及びC
12+14+16+18のナノ多孔体について、それぞ
れ2.22,2.25,2.86,3.17及び2.7
5nm)は焼成により小さく変化したが、規則構造を表
す回折パターンは形として変わっておらず、界面活性剤
の除去後でさえ規則的な構造が維持されていることがわ
かる。また、ブルナウアー−エメット−テーラー(BE
T)表面積、平均孔径などの値を求めた。結果を、表1
にまとめて示す。
The above various silica-micellar nanocomposites were heated in air at 773 K for 5 hours to remove the respective surfactants from the composites. By analyzing the X-ray diffraction pattern, it was confirmed that the product formed by firing was a regular nanoporous material. The X-ray diffraction patterns are shown in FIGS. d100 value (C1
0, C12, C14, C18, and C
For the nanoporous material of 12 + 14 + 16 + 18 , 2.22, 2.25, 2.86, 3.17 and 2.7, respectively.
(5 nm) was slightly changed by baking, but the diffraction pattern representing the ordered structure did not change in shape, indicating that the ordered structure was maintained even after the removal of the surfactant. Also, Brunauer-Emmett-Taylor (BE
T) Values such as surface area and average pore size were determined. Table 1 shows the results.
Are shown together.

【0057】これらについて、焼成により得られた純シ
リカ多孔体を親水化するための水蒸気処理(沸騰した湯
で30分間蒸す)を行った。親水化処理前後の水蒸気吸
着特性の吸着等温線は、先の例と同じくS字型の特性を
示した。親水化処理前後のシリカ多孔体について、29
8Kにおける水蒸気の吸・脱着等温線の測定し、図24
にC10,図25にC12の結果を示す。親水化処理前
後のシリカ多孔体は、両方とも、S字型の吸・脱着特性
を示している。
These were subjected to a steam treatment (steaming with boiling water for 30 minutes) to make the pure silica porous body obtained by calcination hydrophilic. The adsorption isotherm of the water vapor adsorption characteristic before and after the hydrophilic treatment showed an S-shaped characteristic as in the previous example. Regarding the porous silica before and after the hydrophilic treatment, 29
The absorption and desorption isotherms of water vapor at 8K were measured, and FIG.
Shows the results of C10, and FIG. 25 shows the results of C12. Both of the porous silica bodies before and after the hydrophilic treatment show S-shaped absorption / desorption characteristics.

【0058】分子鋳型がC10の場合(図24)、親水
化処理前のシリカ多孔体は、相対圧25%RHにおいて
は、吸着量は32ml(S.T.P.)/gであり、相対圧10
%RHまで再生される場合、残留水分量は88ml(S.
T.P.)/gであったが、S字型の急勾配は相対圧30.
50%RHの間にある。親水化処理前のシリカ多孔体
は、10.50%RHの連続除湿条件において、必ずし
も除湿材料としては適していないとは言えないが、急勾
配は再生条件に近いところにあるのはより理想的と考え
られる。従って、親水化処理後のC10のシリカ多孔体
では、急勾配は相対圧10.30%RHの間にあるの
で、連続除湿の再生条件10%RHに対しては、より理
想的な材料と考えられる。
When the molecular template is C10 (FIG. 24), the adsorption amount of the porous silica before the hydrophilization treatment is 32 ml (STP) / g at a relative pressure of 25% RH, and the relative pressure is 10%.
% RH, the residual water content is 88 ml (S.
TP) / g, but the S-shaped steep slope was 30.
It is between 50% RH. Although the porous silica before the hydrophilization treatment is not necessarily suitable as a dehumidifying material under the continuous dehumidifying condition of 10.50% RH, it is more ideal that the steep gradient is close to the regeneration condition. it is conceivable that. Therefore, in the C10 silica porous body after the hydrophilization treatment, the steep gradient is between the relative pressures of 10.30% RH, which is considered to be a more ideal material for the continuous dehumidification regeneration condition of 10% RH. Can be

【0059】分子鋳型がC12の場合(図25)、親水
化処理前のシリカ多孔体は、相対圧30%RHにおいて
は、吸着量は40ml(S.T.P.)/gで、相対圧10%R
Hまで再生される場合、残留水分量は68ml(S.T.P.)
/gであったが、S字型の急勾配は相対圧30.50%
RHの間にある。親水化処理後のC12のシリカ多孔体
では、急勾配は相対圧20.40%RHの間にあるの
で、連続除湿の再生条件10%RHに対しては、両方と
もより理想的な材料と考えられる。
When the molecular template is C12 (FIG. 25), the adsorption amount of the porous silica before hydrophilization treatment is 40 ml (STP) / g and the relative pressure is 10% RH at a relative pressure of 30% RH.
When regenerated to H, the residual water content is 68 ml (STP)
/ G, but the S-shaped steep slope is 30.50% relative pressure
Between RH. Since the steep gradient of the C12 porous silica after the hydrophilization treatment is between the relative pressures of 20.40% RH, both materials are considered to be more ideal materials under the continuous dehumidification regeneration condition of 10% RH. Can be

【0060】S字型の吸着等温線の立上りが低湿度へ大
きくシフトしたことは、本来疎水的であるシリカのナノ
多孔体が親水的なものに変わったことを示すことを既に
実施例1に説明した。本実施例のC10、C12、C1
4、C16にしても同じ親水化効果が見られた。例え
ば、C10の場合、親水化処理前の立上り湿度は0.2
7で、親水化処理後は0.10に下がった。親水化処理
によって、親水基のOH が形成され、シリカ表面の水
の接触角度が低下し、毛管凝縮圧力も低下することがわ
かる。また、単分子層吸着量の変化から、親水化処理に
よって、多孔体表面にある親水基は数倍に増加したこと
も判る。
The rise of the S-shaped adsorption isotherm is large to low humidity
The sharp shift is due to the inherent hydrophobic nature of silica nano
Already show that the porous body has changed to a hydrophilic one
This has been described in the first embodiment. C10, C12, C1 of this embodiment
4, C16 also showed the same hydrophilizing effect. example
For example, in the case of C10, the rising humidity before the hydrophilic treatment is 0.2
7, after the hydrophilization treatment, it decreased to 0.10. Hydrophilic treatment
OH of the hydrophilic group Formed on the silica surface
Contact angle and capillary condensation pressure
Call In addition, due to changes in the amount of monolayer adsorbed,
Therefore, the number of hydrophilic groups on the porous body surface increased several times.
I understand.

【0061】〔実施例3〕実施例1のテトラエトキシシ
ラン(TEOS)のシリカ源の代わりに、低価の水ガラ
ス(珪酸ナトリウム溶液)4.555gに、界面活性剤
としてヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド
(C1633N(CHBr、以下C16とい
う)2.278g〔水ガラス:C16(モル比)は8:
1である〕に純水13.5gを添加して(水ガラス:水
のモル比は1:15)、室温で約10分間攪拌して水ガ
ラスとミセルを混合した。シリケート溶液は、はじめ強
アルカリ性を呈したが、これに塩酸を添加してpHを3
〜9に調整して、室温で約3時間攪拌しながら加水分解
を行うと、白い沈殿を生じる。得られた沈殿を濾過、水
洗、乾燥(100℃12時間)後、500℃、空気中で
5時間焼成する。このようにして、ナノ細孔構造を有す
る多孔体が得られた。
Example 3 Instead of the silica source of tetraethoxysilane (TEOS) of Example 1, 4.555 g of low-value water glass (sodium silicate solution) was added to hexadecyltrimethylammonium bromide (surfactant) as a surfactant. 2.278 g of C 16 H 33 N (CH 3 ) 3 Br (hereinafter referred to as C16) [water glass: C16 (molar ratio) is 8:
1) (water glass: water molar ratio is 1:15), and the mixture was stirred at room temperature for about 10 minutes to mix water glass and micelles. The silicate solution initially exhibited strong alkalinity, but hydrochloric acid was added to the silicate solution to adjust the pH to 3.
When the mixture is adjusted to 加 水 9 and hydrolyzed with stirring at room temperature for about 3 hours, a white precipitate is formed. The obtained precipitate is filtered, washed with water, dried (100 ° C. for 12 hours), and then calcined at 500 ° C. in air for 5 hours. Thus, a porous body having a nanopore structure was obtained.

【0062】〔実施例4〕実施例1と同様の方法で調製
したミセル−シリケート溶液をガラス基板上にキャステ
ィングし、60℃で1時間乾燥することにより、厚さ5
μmのゲル状の生成物を得た。その生成物は亀裂を生
じ、平均約3〜5mmの小さい断片になった。次に、そ
のゲル状生成物を基板から取り除き、砕いて粉末にし
た。粉末状のシリカ−C16ナノ複合体のX線回折パタ
ーンを図6に示す。そのX線回折パターンもd100値
が3.94nmであるヘキサゴナル相に指数付けられ
た。
Example 4 A micelle-silicate solution prepared in the same manner as in Example 1 was cast on a glass substrate and dried at 60 ° C. for 1 hour to obtain a film having a thickness of 5%.
A μm gel product was obtained. The product cracked into small pieces averaging about 3-5 mm. Next, the gel-like product was removed from the substrate and crushed to a powder. The X-ray diffraction pattern of the powdered silica-C16 nanocomposite is shown in FIG. The X-ray diffraction pattern was also indexed to a hexagonal phase with a d100 value of 3.94 nm.

【0063】〔実施例5〕実施例1と同様の方法で得た
ミセル−シリケート溶液をペトリ皿に流し込み、室温
(25〜27℃)で24時間乾燥することにより、厚さ
約30μmの透明な自己保持性のフィルムが得られた。
そのフィルムのX線回折パターンはd値約4.03nm
の幅の広い回折ピークを示した。本実施例の複合体が幅
の広い回折ピークを示すことは、その複合体がシリカに
囲まれた配列の向きが統計的に少々散乱するC16の円
筒形ミセルからなることを示唆するものである。尚、こ
のフィルムを空気中、500℃で焼成した後においても
そのフィルムのモルホロジー及び透明性が保持された。
また、焼成試料のX線回折パターンもd値3.0nmの
一つの回折ピークを示した。BET表面積は1100m
/gである。このようにして、透明な自己保持性の多
孔体フィルムが得られた。
Example 5 A micelle-silicate solution obtained in the same manner as in Example 1 was poured into a Petri dish and dried at room temperature (25 to 27 ° C.) for 24 hours to obtain a transparent film having a thickness of about 30 μm. A self-holding film was obtained.
The X-ray diffraction pattern of the film has a d value of about 4.03 nm.
Showed a broad diffraction peak. The fact that the composite of this example shows a broad diffraction peak suggests that the composite is composed of C16 cylindrical micelles in which the orientation of the array surrounded by silica is statistically slightly scattered. . The morphology and transparency of the film were maintained even after baking this film at 500 ° C. in air.
Further, the X-ray diffraction pattern of the fired sample also showed one diffraction peak having a d value of 3.0 nm. BET surface area is 1100m
2 / g. Thus, a transparent self-holding porous film was obtained.

【0064】〔実施例6〕以下に、上述した多孔材料を
除湿素子として用いる実施例を説明する。実施例2の中
に述べたように、分子鋳型はC10の場合、S字型の急
勾配は相対圧10−30%RHの間にあるので、連続除
湿の再生条件10%RHに対しては、より理想的な材料
と考えられる。本実施例では、ミセル−シリケート複合
体溶液としてC10を用いて除湿素子を試作した。ガラ
ス繊維からなるハニカム構造体(ハニカムの重量は9.
445g、見かけ比重は0.12g/cmの非常に低
い密度で、通孔は厚さ0.1mm、ピッチ3×1.8m
mくらいの波形である。図1と図2参照)を浸漬し、ミ
セル−シリケートを含浸し、その後、80℃の熱風で1
0分間通気乾燥を行った。ハニカムに予定した量の溶液
が付着するまでこの操作を繰り返した。次に、大気雰囲
気において温度500℃で5時間保持して焼成を行っ
た。焼成したハニカムの全重量は18.560gであっ
た。この純シリカ多孔体付きのハニカムを沸騰水で30
分間蒸すことによって親水化処理を行った。
[Embodiment 6] An embodiment in which the above porous material is used as a dehumidifying element will be described below. As described in Example 2, when the molecular template is C10, the steep slope of the S-shape is between 10-30% RH, so that the regeneration condition for continuous dehumidification is 10% RH. , Considered more ideal material. In this example, a dehumidifying element was prototyped using C10 as a micelle-silicate composite solution. Honeycomb structure made of glass fiber (the weight of the honeycomb is 9.
445 g, very low specific gravity of apparent specific gravity of 0.12 g / cm 3 , through holes having a thickness of 0.1 mm, and a pitch of 3 × 1.8 m
The waveform is about m. 1 and 2), impregnated with micelle-silicate, and then heated with hot air at 80 ° C.
Airflow drying was performed for 0 minutes. This operation was repeated until a predetermined amount of the solution adhered to the honeycomb. Next, baking was performed at a temperature of 500 ° C. for 5 hours in an air atmosphere. The total weight of the fired honeycomb was 18.560 g. The honeycomb with the porous porous silica is washed with boiling water for 30 minutes.
Hydrophilic treatment was performed by steaming for minutes.

【0065】得られた除湿素子には、重量の変化から、
基材に対して100%のシリカ吸着材(基材対吸湿材
1:1)が固定されたことがわかる。このシリカ吸着材
料では、窒素吸着の測定により、細孔径は1.1nm、
細孔容積は0.49cm/gであった(表1参照)。ま
た、BELSORP18自動蒸気吸着量測定装置によって、水
蒸気吸着試験を温度25℃で行ったところ、相対湿度1
0%で7.2g/g、相対湿度20%で16g/g、相
対湿度30%で25g/gの吸湿率を示した。(図24
参照)。上述の本発明のナノ多孔吸湿材は、ハニカムの
ガラス繊維と親和性が大きく、ガラス繊維のハニカム表
面をよく濡らすのみならず、ハニカム繊維間隙にもよく
浸透し、乾燥後ハニカムと一体となるので、補強材とし
てハニカムを強固にし、機械的強度が高い除湿素子が得
られる。
In the obtained dehumidifying element, from the change in weight,
It can be seen that 100% of the silica adsorbent (substrate to hygroscopic material 1: 1) was fixed to the substrate. In this silica adsorbing material, the pore diameter was 1.1 nm,
The pore volume was 0.49 cm / g (see Table 1). When a water vapor adsorption test was performed at a temperature of 25 ° C. using a BELSORP18 automatic vapor adsorption amount measuring device, the relative humidity was 1%.
It showed a moisture absorption of 7.2 g / g at 0%, 16 g / g at 20% relative humidity, and 25 g / g at 30% relative humidity. (FIG. 24
reference). The above-described nanoporous moisture absorbent of the present invention has a high affinity with the glass fiber of the honeycomb, and not only wets the honeycomb surface of the glass fiber well, but also penetrates well into the honeycomb fiber gap and becomes integral with the honeycomb after drying. In addition, the honeycomb can be strengthened as a reinforcing material, and a dehumidifying element having high mechanical strength can be obtained.

【0066】上記のように作製した除湿素子を、従来の
除湿材のシリカゲル(ハニカム基材に対して150%の
シリカゲル吸着材が固定された)の除湿素子と比較しな
がら、動的な吸着特性を評価した。ハニカム基材に対し
て100%のナノ細孔を有するシリカ吸着材が固定され
た除湿素子の除湿性能を評価した。評価方法は、長さ6
0mmのハニカムを用いて、その素子前面から処理空気
及び再生空気を交互に風速2m/secで一定時間送入
した。
The dynamic adsorption characteristics of the dehumidifying element prepared as described above were compared with that of a conventional dehumidifying element made of silica gel (a silica gel adsorbent of 150% was fixed to a honeycomb substrate). Was evaluated. The dehumidifying performance of a dehumidifying element in which a silica adsorbent having 100% nanopores was fixed to a honeycomb substrate was evaluated. Evaluation method is length 6
Using a 0 mm honeycomb, processing air and regeneration air were alternately fed from the front surface of the element at a wind speed of 2 m / sec for a certain period of time.

【0067】まず、処理空気として含水率11g/kg
の27℃の恒温・恒湿度の空気を流し、除湿素子に通過
させる前後の処理空気の含水率、温度、素子の含水率を
計測し、動的な除湿能力の評価試験を行った。同様に、
再生空気として含水率14g/kgの60℃と65℃の
恒温・恒湿度の空気を流し、素子を通過させる前後の再
生空気の含水率、温度、素子の含水率を計測し、動的な
再生能力を評価した。また、対照例として、従来のシリ
カゲルの除湿素子を用いて、同条件で同様な除湿性能の
評価試験を行った。
First, the treated air had a water content of 11 g / kg.
The air having a constant temperature and humidity of 27 ° C. was flowed, and the moisture content, temperature, and moisture content of the treated air before and after passing through the dehumidifying element were measured, and a dynamic dehumidifying ability evaluation test was performed. Similarly,
Air having a water content of 14 g / kg at a constant temperature and constant humidity of 60 ° C. and 65 ° C. is flowed as the regenerating air. The ability was evaluated. As a control example, a similar evaluation test of dehumidifying performance was performed under the same conditions using a conventional silica gel dehumidifying element.

【0068】図26(a)は、ハニカムに通過する前後
の吸着時間に伴う空気の含水率(入口側:χin、出口
側:χoutの変化を示す。図26(b)は、吸湿過程
のハニカムの吸湿量(m)の変化を示している。対照
例の材料(図27参照)より、本発明の実施例の方がよ
り多く湿気を吸着したことが判る。これから見ると、ハ
ニカムを通過する前(入口前)の空気の含水率は11g
/kgで安定しているが、通過した(出口近辺)後の空
気の含水率は、最初急激に下がり、その後入口前の状態
に戻っていくことが判る。本発明では、その初期の最低
値は、対照例よりやや低い。従来の材料より、本発明の
材料の方は出口の処理された空気の含水率がより低く、
より多くの湿気が除湿されたことが判った。
[0068] FIG. 26 (a) moisture content of the air due to the adsorption time before and after passing through the honeycomb (inlet side: chi in, outlet:. Showing the change in the chi out FIG. 26 (b) moisture process 5 shows the change in the amount of moisture absorption (m W ) of the honeycomb of Example 1. It can be seen that the embodiment of the present invention absorbed more moisture than the material of the control example (see FIG. 27). The water content of the air before passing through (before the entrance) is 11g
/ Kg, but the water content of the air after passing through (near the outlet) drops sharply at first, and then returns to the state before the inlet. In the present invention, the initial minimum is slightly lower than the control. The material of the present invention has a lower moisture content of the treated air at the outlet than the conventional material,
It was found that more moisture had been dehumidified.

【0069】図26及び図27に示した規則的なナノ細
孔を有する本発明の除湿素子と対照例(市販のシリカゲ
ル除湿素子)の比較試験の結果を表3にまとめて示す。
Table 3 summarizes the results of a comparison test between the dehumidifier of the present invention having regular nanopores shown in FIGS. 26 and 27 and a control (commercial silica gel dehumidifier).

【表3】 [Table 3]

【0070】なお、従来の連続除湿素子または全熱交換
用素子の製法においては、成形時に吸湿性のない有機又
は無機の接着剤を塗布する必要があったため、その部分
は吸湿性能に全く寄与せず、吸湿作用を行う有効面積が
減少するという問題点があった。本発明の製法によれ
ば、素子の成形時にシリカだけの塗布が使われているの
で、接着剤を用いた場合に比べ、素子の吸湿性能をおよ
そ数%〜数十%向上せしめることになり、しかも、先に
述べたように、素子の強度が大幅に向上している。
In the conventional method for producing a continuous dehumidifying element or a total heat exchange element, it was necessary to apply an organic or inorganic adhesive having no hygroscopic property at the time of molding. However, there is a problem that the effective area for performing the moisture absorbing action is reduced. According to the production method of the present invention, the application of only silica is used at the time of molding the element, so that the moisture absorption performance of the element is improved by about several% to several tens% compared to the case where an adhesive is used, Moreover, as described above, the strength of the element has been greatly improved.

【0071】なお、本発明により得られた湿気交換用素
子は図1に示すようなロータリー型のみならず、直交流
型、対交流型に成形して使用することもできる。
The moisture exchange element obtained according to the present invention can be used not only in a rotary type as shown in FIG. 1, but also in a cross-current type and a counter-current type.

【0072】また、本発明の多孔材料は、除湿素子のみ
ならず、全熱交換式熱交換器、吸着式除害装置、吸着冷
房装置等のような用途にも用いることができ、また、シ
リカに多少の添加剤を加えることにより、触媒槽として
も用いることができる。
Further, the porous material of the present invention can be used not only for dehumidifying elements but also for applications such as total heat exchange type heat exchangers, adsorption type abatement apparatuses, adsorption cooling apparatuses, etc. Can be used as a catalyst tank by adding a small amount of additives.

【0073】[0073]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
例えば、除湿の吸着・再生条件の湿度範囲で絶対吸着量
が大きく、再生しやすく、吸着・再生サイクルにおいて
ヒステリシス性が小さく、連続的な除湿操作が効率よく
行えるような、省エネルギー型の空調装置に用いて好適
な除湿素子を製造する素材を提供することができる。
As described above, according to the present invention,
For example, an energy-saving air conditioner that has a large absolute adsorption amount in the humidity range of the dehumidification adsorption / regeneration conditions, is easy to regenerate, has low hysteresis in the adsorption / regeneration cycle, and can perform continuous dehumidification efficiently. It is possible to provide a material for producing a suitable dehumidifying element by using the material.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態の除湿素子の一例を
示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view illustrating an example of a dehumidifying element according to a first embodiment of the present invention.

【図2】片波型のハニカムの要部を拡大して示す図であ
る。
FIG. 2 is an enlarged view showing a main part of a single-wave honeycomb.

【図3】本発明の実施の形態の工程を説明するフロー図
である。
FIG. 3 is a flowchart illustrating the steps of the embodiment of the present invention.

【図4】ミセルのナノ構造のX線回折パターンを示すグ
ラフである。
FIG. 4 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a micelle nanostructure.

【図5】ミセル−シリケート複合体のスピンコート膜の
X線回折パターンを示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a spin-coated film of a micelle-silicate composite.

【図6】ミセル−シリケート複合体のキャスティング乾
燥粉末のX線回折パターンを示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of the dried micelle-silicate composite casting powder.

【図7】規則的なナノ細孔構造を有するシリカ多孔体粉
末のX線回折パターンを示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a porous silica powder having a regular nanopore structure.

【図8】S字型吸着特性を呈する親水性ナノ多孔体の吸
着等温線である。
FIG. 8 is an adsorption isotherm of a hydrophilic nanoporous material exhibiting S-shaped adsorption characteristics.

【図9】図8の対照例として、現状の材料と理想の材料
との比較を示すグラフである
FIG. 9 is a graph showing a comparison between a current material and an ideal material as a control example of FIG. 8;

【図10】実施例1のナノ多孔体の親水化処理前後の吸
着等温線である。
FIG. 10 is an adsorption isotherm before and after a hydrophilization treatment of the nanoporous body of Example 1.

【図11】親水化処理の際の表面反応を示す化学式であ
る。
FIG. 11 is a chemical formula showing a surface reaction during a hydrophilic treatment.

【図12】実施例1のナノ多孔材料のX線回折パターン
を示すグラフである。
FIG. 12 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of the nanoporous material of Example 1.

【図13】実施例1のナノ多孔材料の窒素吸着等温線を
示すグラフである。
FIG. 13 is a graph showing a nitrogen adsorption isotherm of the nanoporous material of Example 1.

【図14】実施例2のミセル−シリケート複合体のX線
回折パターン(C10)を示すグラフである。
FIG. 14 is a graph showing an X-ray diffraction pattern (C10) of the micelle-silicate composite of Example 2.

【図15】実施例2のミセル−シリケート複合体のX線
回折パターン(C12)を示すグラフである。
FIG. 15 is a graph showing an X-ray diffraction pattern (C12) of the micelle-silicate composite of Example 2.

【図16】実施例2のミセル−シリケート複合体のX線
回折パターン(C14)を示すグラフである。
FIG. 16 is a graph showing an X-ray diffraction pattern (C14) of the micelle-silicate composite of Example 2.

【図17】実施例2のミセル−シリケート複合体のX線
回折パターン(C18)を示すグラフである。
FIG. 17 is a graph showing an X-ray diffraction pattern (C18) of the micelle-silicate composite of Example 2.

【図18】実施例2のミセル−シリケート複合体のX線
回折パターン(C12+14+1 6+18)を示すグラ
フである。
FIG. 18 is a graph showing an X-ray diffraction pattern (C 12 + 14 + 16 + 18 ) of the micelle-silicate composite of Example 2.

【図19】実施例2のナノ多孔体のX線回折パターン
(C10)を示すグラフである。
FIG. 19 is a graph showing an X-ray diffraction pattern (C10) of the nanoporous material of Example 2.

【図20】実施例2のナノ多孔体のX線回折パターン
(C12)を示すグラフである。
FIG. 20 is a graph showing an X-ray diffraction pattern (C12) of the nanoporous material of Example 2.

【図21】実施例2のナノ多孔体のX線回折パターン
(C14)を示すグラフである。
FIG. 21 is a graph showing an X-ray diffraction pattern (C14) of the nanoporous material of Example 2.

【図22】実施例2のナノ多孔体のX線回折パターン
(C18)を示すグラフである。
FIG. 22 is a graph showing an X-ray diffraction pattern (C18) of the nanoporous material of Example 2.

【図23】実施例2のナノ多孔体のX線回折パターン
(C12+14+16+18)を示すグラフである。
FIG. 23 is a graph showing an X-ray diffraction pattern (C 12 + 14 + 16 + 18 ) of the nanoporous material of Example 2.

【図24】実施例2のナノ多孔体(C10)の親水化処
理前後の吸着等温線である。
FIG. 24 shows adsorption isotherms of a nanoporous material (C10) of Example 2 before and after a hydrophilization treatment.

【図25】実施例2のナノ多孔体(C12)の親水化処
理前後の吸着等温線である。
FIG. 25 shows adsorption isotherms of the nanoporous material (C12) of Example 2 before and after a hydrophilization treatment.

【図26】実施例6の動的吸着実験の結果の一つを示す
グラフである。
FIG. 26 is a graph showing one of the results of a dynamic adsorption experiment in Example 6.

【図27】実施例6の動的吸着実験の結果の対照例を示
すグラフである。
FIG. 27 is a graph showing a control example of the results of the dynamic adsorption experiment in Example 6.

─────────────────────────────────────────────────────
────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成11年11月9日(1999.11.
9)
[Submission date] November 9, 1999 (1999.11.
9)

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing

【補正対象項目名】図3[Correction target item name] Figure 3

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【図3】 FIG. 3

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4D052 AA08 CB01 FA01 GA01 GA03 GA04 GB03 GB13 GB14 GB16 GB17 GB18 HA01 HA17 HA49 HB02 4G066 AA22B AA71A AB09D AB18A BA03 BA05 BA07 BA20 BA23 BA25 BA26 BA31 BA36 CA43 DA03 FA03 FA14 FA22 FA25 FA34 FA36 FA37 4G072 AA28 AA41 BB09 BB15 CC13 GG01 GG03 HH30 JJ11 JJ33 LL06 LL14 MM01 MM02 MM31 NN21 QQ06 RR05 RR12 TT05 UU11  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 4D052 AA08 CB01 FA01 GA01 GA03 GA04 GB03 GB13 GB14 GB16 GB17 GB18 HA01 HA17 HA49 HB02 4G066 AA22B AA71A AB09D AB18A BA03 BA05 BA07 BA20 BA23 BA25 BA26 BA31 BA36 CA43 DA03 FA03 FA14 FA22 FA FA36 FA37 4G072 AA28 AA41 BB09 BB15 CC13 GG01 GG03 HH30 JJ11 JJ33 LL06 LL14 MM01 MM02 MM31 NN21 QQ06 RR05 RR12 RR05 TT05 UU11

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 実質的にシリカを素材とし、サブナノメ
ーターから十数ナノメーターまでの径の均一なナノ細孔
構造を有するナノ多孔材料であって、比表面積が400
〜1300m/gであり、 前記ナノ細孔構造の内部表面が親水化されていることを
特徴とする親水性ナノ多孔材料。
1. A nanoporous material which is substantially made of silica and has a uniform nanopore structure having a uniform diameter from sub-nanometers to ten and several nanometers, having a specific surface area of 400
-1300 m 2 / g, wherein the inner surface of the nanopore structure is hydrophilized.
【請求項2】 前記ナノ多孔材料は、ヒステリシスの小
さな吸・脱着特性を示し、細孔径を制御することで、水
吸着において相対蒸気圧5〜50%の範囲に設定され
る、特定の10数パーセントの蒸気圧範囲に対し、20
〜60%重量比の吸着量変化を有する吸着特性を持つこ
とを特徴とする請求項1に記載の親水性ナノ多孔材料。
2. The nanoporous material exhibits a small hysteresis absorption / desorption characteristic, and controls the pore diameter to set the relative vapor pressure in the range of 5 to 50% in water adsorption. 20% for the percent vapor pressure range
The hydrophilic nanoporous material according to claim 1, wherein the hydrophilic nanoporous material has an adsorption characteristic having an adsorption amount change of 6060% by weight.
【請求項3】 前記親水性ナノ多孔材料の水の吸着熱
が、水の凝縮熱の1.2倍以下であることを特徴とする
請求項1又は2に記載の親水性ナノ多孔材料。
3. The hydrophilic nanoporous material according to claim 1, wherein the heat of adsorption of water of the hydrophilic nanoporous material is 1.2 times or less of the heat of condensation of water.
【請求項4】 シリカ源と、界面活性剤とを用い、モル
比にて、シリカ:界面活性剤:HO=1:0.1〜
0.5:1〜100の水溶液又はアルコール水溶液に酸
を加えた均一な溶液を調製する工程と、 この溶液を、鋳込み、コーティング、又は噴霧等によっ
て材料としての形状を付与する工程と、 この形状付与体から界面活性剤を除去し、規則的なナノ
細孔を有する多孔体を形成する工程と、 この多孔体の内部表面を親水化する工程とを有すること
を特徴とする親水性ナノ多孔材料の製造方法。
4. Use of a silica source and a surfactant in a molar ratio of silica: surfactant: H 2 O = 1: 0.1 to
A step of preparing a uniform solution obtained by adding an acid to an aqueous solution or an aqueous alcohol solution of 0.5: 1 to 100; a step of applying a shape as a material by casting, coating, or spraying the solution; A step of removing a surfactant from the applied body to form a porous body having regular nanopores; and a step of hydrophilizing the inner surface of the porous body. Manufacturing method.
【請求項5】 前記界面活性剤はC数が8〜22である
直鎖アルキル基の1種又は数種を選択することにより、
前記細孔の径を制御することを特徴とする請求項4に記
載の親水性ナノ多孔材料の製造方法。
5. The surfactant according to claim 1, wherein one or more linear alkyl groups having 8 to 22 carbon atoms are selected.
The method for producing a hydrophilic nanoporous material according to claim 4, wherein the diameter of the pore is controlled.
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