JPH0816003B2 - 無機酸化物の製造方法 - Google Patents

無機酸化物の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、アルカリ性有機溶媒中に有機金属化合物と
アルカリ調整水を任意の供給速度で供給することにより
加水分解及び縮合反応の速度を制御して、任意径の粒度
の揃った微粒子を得る無機酸化物の製造方法に関する。
従来工業的な製法で無機酸化物微粒子粉体を得る場
合、塊状の無機酸化物を粉砕することにより数μm以上
の大きさの粉体を製造しているが、どのような方法であ
っても粉砕法である限り、これ以下の微粒子を得ること
はできない。
又、最近気相成長法により数百Åの超微粒子粉体を製
造することは可能となったが、同法を用い大きな粒子を
製造することは無理があり、数μmから0.1μmの粒子
径の粒度の揃った粉体の製造法開発の必要性が認識され
ている。
この要求に答えるべく、以下のいくつかの方法が試み
られてきた。科学技術庁無機材質研究所報告書14号(下
平高次郎)は、SiO2の製造を目的として一定量のケイ酸
エチルを一定量のアンモニア水とバッチ反応させること
により約0.3μmの粒子径にまで粒子径を揃えながら成
長させたと報告している。
しかしながら、同方法で更に粒子径を増大させるため
にはアルコキシド濃度を高めねばならず、それによって
粒度分布の悪化という弊害が生じるため、製造可能な濃
度範囲は狭い。
これを解決すべく、同法により製造した粒度の揃った
小さな微粒子を新たな反応系に投入し、この微粒子を核
にしてバッチ反応で成長させるよう試みたが、投入粒子
の成長と同時に新たな粒子の発生があり、分散性を悪化
している。
一方、SiO2以外にもバッチ反応による方法により粒度
の揃った無機酸化物粒子の合成が試みられているが、前
記と同様に粒子径の制御は未解決の問題である。したが
って、バッチ反応による方法では0.1μmから数μmに
亘る範囲内で任意の大きさに粒度を揃えることは困難で
あった。
上記に鑑み本発明者らは、鋭意研究の結果、粒子径の
揃った酸化物微粒子の安定的、実用的な製造方法を発明
するに至ったものである。
以下、本発明の効果等に関し、より詳細に分説する。
製造方法 周期律表第I族、第II族、第III族及び第IVの元素を
その構成成分としたMOR(M:金属、R:有機基)構造を有
する加水分解可能な有機金属化合物と加水分解に必要な
アルカリ調整水をそれぞれ有機溶媒に溶解し、あらかじ
め調整した含水アルカリ有機溶媒中に任意の速度で供給
することにより、目的の粒子径に至るまで粒子を成長さ
せて粒子径の揃った無機酸化物粒子を採取する製造方法
である。
原 料 1)有機金属化合物 上記有機金属化合物は特に限定されず公知のものが使
用できるが、一般には一般式M(OR)(但しRはアル
キル基、Mは前記金属)で表示される金属アルコキシド
化合物、又は上記一般式中のアルコキシド基(OR)がカ
ルボニル基(CO)、あるいはβジカルボニル基で置換さ
れたもの、あるいは金属セッケン(RCOO)nM,キレート
のように金属と有機基が酸素を介して縮合したものが好
ましい。
2)金 属 一般式中Mは周期律表第I族、第II族、第III族及び
第IV族に属する金属であるが、特に好適に使用されるも
のを具体的に示せば、Li,K,Na,Mg,Ca,Sr,Al,Y,Ga,Sc,L
a,In,Ti,Zr,Si,Mg,Ge等である。
3)金属アルコキシド 本発明において、一般に好適に使用され得る化合物を
例示すると、第I族元素を含む金属アルコキシドとして
はNaOCH3,NaOC2H5,NaOC3H7等の有機ナトリウム化合物及
びNaをK,Li等で代替した化合物が挙げられる。同様に、
第II族元素では、Mg(OC2H52,Mg(OC3H72,Mg(OC4H
9等の有機マグネシウム化合物及びそのCa,Si等によ
る代替化合物。第III族元素ではAl(OC4H9等の有機
アルミニウム化合物及びそのGa等による代替化合物。第
IV族元素ではSi(OCH34,Si(OC2H54,Si(OC3H74,
Si(OC4H94,Si(OC5H11等の有機ケイ素化合物及
びそのTi,Zr,Ge,Sn等による代替化合物を例示し得る。
尚、本発明におけるアルコキシドは、上記例に限定さ
れることなく加水分解が可能なものであれば利用され得
る。
4)アルカリ調整水 アルカリ調整水としては、アンモニア、水酸化ナトリ
ウム等を含むpH8.0〜12.0程度のものが使用され得る。
特にSiを含む金属アルコキシドにおいては、アンモニア
を含むpH11.0〜12.0のものが最も適している。
5)溶 媒 前記有機金属化合物、及びアルカリ調整水の溶媒はこ
れらを溶解するものであるならば特に限定されずに使用
できるが、操作性、入手の容易性から、メタノール、エ
タノール、イソプロパノール、ブタノール、イソアミル
アルコール、エチレングリコール、プロピレングリコー
ル等のアルコール溶媒が好適に使用され得る。
一方、有機金属化合物及びアルカリ調整水を反応させ
る反応槽中の溶媒は、反応に一貫して1種類の有機溶媒
を使用し得るが、反応速度を制御するために最適な極性
の溶媒を適時添加することは、更に反応を制御する上で
有効な方法である。
製造フロー 本発明における前記有機金属化合物は予め有機溶媒に
希釈した溶液を準備し、これをA液とする。
同様に、前記有機溶媒に希釈したアルカリ調整水をB
液とする。
又、前記有機溶媒にアルカリ調整水を混合撹拌し、反
応槽中に設置して反応溶媒とする。
次に、A液とB液を共に反応槽中に所定の速度で投入
する。反応槽は投入前から反応終了まで撹拌を行う。
投入速度は常に一定値でも良いが、第1段階の種粒子
発生の過程では投入速度を大きく、第2段階の粒子成長
の過程では投入速度が小さくした方がより適確に粒子径
を制御し得る。反応槽の温度を低温にする程粒子径は大
きくなり、又、溶媒の極性を大きくする程粒子径は小さ
くなる。
以上により生成した粒子径が目的の大きさになったの
ち、溶媒と分離、乾燥して粉体を採取し、洗浄後乾燥す
る。得られた粉体は非晶質粒子が多いが、これを結晶質
粒子にするには、例えば数百℃で数時間焼成する。
尚、溶液中の粒子成長が終了した状態でバインダー等
を添加し、液状のままで基材に塗布、焼成等をして使用
することも可能である。
反応機構 本発明の製造方法に関する反応機構は、まだ完全に解
明されたわけではないが、反応液中での種粒子の発生と
それに続く該粒子の成長の2段階に分けて考えることが
できる。第1図を参照しつつ説明すると、まず有機金属
化合物が加水分解されて金属酸化物となり、その溶質濃
度が臨界過飽和値Cを超えると該すなわち種粒子が発
生し、溶質が消費される。それに伴って溶質濃度が低下
するため、核発生は止まり、その後は粒子の成長のため
に溶質が使われ、溶質濃度が可溶限界値Csを切るまで粒
子の成長が行われると推定される。
粒子の揃った微粒子を合成するには、臨界過飽和値を
超え時間を少なくすること、又、粒子を成長させるに
は、水酸化物濃度を臨界過飽和値と可溶限界の間に保つ
ことが重要である。
これらの濃度制御を行うためには、前記のように基本
的に核が発生するまで大量の有機金属化合物及びアルカ
リ調整水の投入を、粒子成長期には臨界過飽和値を超え
ない範囲での連続投入を行うとよい。
尚、第1図において横軸は時間、縦軸は溶質濃度を示
す。
一般的に反応は次式のように示される。
加水分解反応 M(OR)n+nH2O→M(OH)n+nROH 縮合反応 具体例として、 1)Na(OCH3)+H2O→Na(OH)+CH3OH 2Na(OH)→Na2O+H2O 2)Ca(O−isoC3H7+2H2O→Ca(OH)+2isoC3H
7OH Ca(OH)→CaO+H2O 3)Al(O−nC4H9+3H2O→Al(OH)+3n−C4H9O
H 2Al(OH)→Al2O3+3H2O 4)Si(OC2H5+4H2O→Si(OH)+4C2H5OH Si(OH)→SiO2+2H2O 製品の性状 以上の反応操作によって析出する生成物は、先述の周
期律表第I族、第II族、第III族及び第IV族の元素群を
構成成分とする金属酸化物であり、粒子径は0.1μmか
ら数μmの範囲内で均一に制御可能である。又、粒子の
形態はほとんどが球形となる。
更に、生成物はほとんどが非結晶質であるが、わずか
な熱量を加えることにより結晶質とすることも、構成成
分を選択することにより完全な非晶質物質とすることも
できる。
本発明の効果をまとめて示すと以下のようになる。
1)本発明の金属酸化物製造方法は、有機金属化合物と
共に加水分解に必要なアルカリ調整水も供給するため、
粒子径を揃えたまま数μmまで粒子を成長させることが
できる。
2)有機金属化合物、アルカリ調整水、それぞれの供給
速度を独立して調節できるため、反応槽中の溶液状態を
自由に制御することができる。
3)合成初期の反応条件とは別に、粒子の成長に適する
溶媒、アルカリ調整水、有機金属化合物を提供すること
により、合成時間を短縮できる。
4)有機金属化合物は精留によって高純度となし得るの
で、生成金属酸化物の高純度化が比較的簡単に実施でき
る。
すなわち、本発明製造方法により製造した金属酸化物
は、球状、均一粒子径を特徴とするため、従来のものに
比べ焼結性に優れており、合成樹脂の充填材料、電子材
料、スペーサ材料、歯科用材料、機械材料等々におい
て、品質の向上に大いに貢献するものと言い得る。
以下、実施例を挙げ本発明を更に具体的に説明する
が、以下の実施例で利用した種々の性状の測定は特にこ
とわらない限り、次の方法に従った。
性状の観察方法 基本的には電子顕微鏡写真をもとに観察を行った。
又、同時に遠心沈降式粒度分布測定装置でも測定を行
った。
実施例の電子顕微鏡は、日本電子株式会社製走査電子
顕微鏡JEM−T20を用い、形状、粒子径、微細構造の観察
を、又、粒子径については島津製作所製遠心沈降式粒度
分析計SA−CP3により粒度分布を測定した。
実験例1 従来技術による比較実験 1)バッチ法 実験用試薬として市販の試薬をそのまま利用した。試
薬はエタノール特級(99.5%)、アンモニア水特級(28
%以上)、ケイ酸エチル(96%以上)を用いた。
0.7molの水及び0.24molのアンモニア水を総量100mlに
なるようにエタノールで希釈し反応溶媒とした。
反応液は20±0.5℃に保ち、マグネティックスターラ
ーで撹拌した。
所定の温度になったのち、ケイ酸エチル0.01molを添
加し、添加後の時間と粒子径の関係を求めた。
時間と粒子径の関係は第3図に示す通りで、20分を経
過するとほとんど飽和してしまう。
尚、図中、横軸は時間(分)、縦軸は粒径(μm)を
示す。
2)アルカリ調整水を用いない方法 実験用試薬は実験例1と同じものを準備し、反応装置
は第2図のように設置した。図中の記号は以下のものを
示す。1.撹拌モーター、2.回転羽根、3.セパラブルカバ
ー、4.セパラブルフラスコ、5.水、6.温度調節器、7.反
応液、8.有機金属化合物、溶媒、9.ポンプ、10.チュー
ブ、11.含水アルカリ有機溶媒。
アンモニア6.8mol/及び水32mol/を含むエタノー
ル溶液50mlを調製し、これをセパラブルフラスコ内に採
取し、10℃±0.2℃に保ち撹拌を行った。
これにケイ酸エチル0.4mol/のエタノール溶液50ml
を10℃±0.2℃に保ち、これを前記のセパラブルフラス
コ内に急速に投入し1時間撹拌して種粒子を合成した。
次にエタノール450ml,ケイ酸エチル0.4mol/のエタ
ノール溶液450mlを、それぞれ0.1ml/分でセパラブルフ
ラスコ内に添加し粒子を成長させた。粒子径を測定した
ところ、投入時間が36時間(0.82μm)をピークに72時
間後(0.70μm)には粒子径が縮小し、更に糊状となり
球状ではなくなった。
結果は第4図に示すが、図中、横軸は時間(時間)、
縦軸は粒径(μm)を示す。
実験例2 本発明方法による合成 種粒子の合成のためにケイ酸エチルの0.2mol/エタ
ノール溶液を調製しA液とする。又、3.4mol/のアン
モニア、16mol/の蒸留水のエタノール溶液を調製しB
液とする。反応装置は第2図の装置を用いた。該装置の
反応槽に50mlのA液を入れ、10℃に保持して撹拌し、の
ち50mlのB液を急速に投入し、種粒子を発生させた。
100分後における5,000倍の走査型電子顕微鏡の観察写
真を第6図に示すが、種粒子の粒径はおよそ0.4μmで
あった。
次にケイ酸エチルの0.4mol/エタノール溶液をA
液、3.4mol/のアンモニア、8mol/の蒸留水を含むエ
タノール混合溶液をB液として、粒子の成長を行わせ
た。
A,B両液をそれぞれマイクロチューブポンプにより0.7
5mol/分の供給速度で、種粒子を含む上記反応槽中に投
入し、反応途中の粒子径の変化を観察し、第5図にその
結果を示す。
尚、図中、横軸は時間(時間)、縦軸は粒径を示す。
又、投入終了時の試料の電子顕微鏡写真(倍率5,000
倍)を第7図に示すが、粒径はおよそ1.5μmであっ
た。
次に得られた粉体を乾燥し、X線回折法により結晶構
造を同定したところ、第8図に示すように非晶質であっ
た。
又、この粉体を1,500℃,1時間加熱した試料につき結
晶構造を同定したところ、第9図に示すようにクリスト
バライト型の結晶相として同定された。
実験例4 実施例3の方法に従い、各種有機溶媒、金属アルコキ
シドで金属酸化物の合成を行い、粒径を測定した。結果
は第1表に示す。
【図面の簡単な説明】
第1図は反応機構説明模式図、第2図は装置の模式図、
第3図は実験例1−1)に示したバッチ法による粒子成
長図、第4図は実験例1−2)に示したアルカリ調整水
を用いない方法による粒子成長図、第5図乃至第9図
は、実験例2に示した本発明製造方法に関する図面及び
図面代用写真であり、第5図は粒子成長図、第6図は種
粒子の粒子の構造を示す走査型電子顕微鏡写真、第7図
は成長後粒子の粒子の構造を示す走査型電子顕微鏡写
真、第8図は未焼成試料のX線回析図、第9図は焼成試
料のX線回析図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C01G 17/02

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】加水分解可能な有機金属化合物と、該化合
    物を加水分解するのに必要なアルカリ調整水をアルカリ
    性有機溶媒に供給して加水分解及び縮合反応を行う方法
    において、前記方法を前記有機金属化合物の可溶限界値
    以上臨界過飽和値以下の濃度域で行うことを特徴とする
    無機酸化物の製造方法。
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