JP3539249B2 - How to make titania fiber - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はゾル−ゲル法を採用したチタニアファイバーの作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
酸化チタン(TiO2:以下、チタニアという)結晶は、3種類の結晶相を持ち、そのうち、常温ではルチル型(斜方晶)、アナターゼ型(正方晶)の2種類が安定に存在する。チタニアにバンドギャップ(ルチル3.0eV、アナターゼ3.2eV)以上のエネルギーを持つ光(紫外光)を照射すると、チタニア内部で電子とホールが発生する。そのため、表面に存在する水を水素と酸素に分解、あるいは表面に存在する有機分子を分解する効果が得られ、防曇効果や汚染防止効果を持つコーティング材料として実用化されている。この光触媒反応は、チタニア表面(チタニア−水界面あるいはチタニア−有機分子界面)で起こるため、チタニアをファイバー化し、表面積を大きくすることが、反応の促進に有利に働く。
【0003】
チタニアファイバーの作製方法としては、主としてゾル−ゲル法が用いられている。ゾル−ゲル法で作製する場合、ファイバー原料となるゾルの曳糸性は、加水分解反応の進行度に依存する。そのため、ゾルが曳糸性を保持する時間は、適度に加水分解反応が進行した状態を維持できる時間であり、それは、数時間未満と非常に短い。このため、量産性という面で問題があった。なお、ここで「ゾル・ゲル法」とは、金属の有機または無機化合物を溶液とし、溶液中で化合物の加水分解・重合反応を進ませて微粒子を含むゾル(sol)の状態を通り、更に固体の骨組みの隙間に液体あるいは気体を含むゲル(gel)の状態を経て、さらに加熱を行うことにより金属酸化物の結晶体、ガラス体あるいは焼結体を製造する方法を意味する。
【0004】
すなわち、ゾル−ゲル法では、通常、組成金属陽イオンの各々のアルコキシドを組成比で溶媒中に溶解・混合し、加水分解反応を進行させることにより、金属−酸素骨格を形成させる。そのため、加水分解反応の進行に従い溶液の粘度が上昇する。また、適度な粘性を持つ溶液は、曳糸性を示す。そのため、反応が適度に進行した状態でのみ、曳糸性が発現するが、過剰に加水分解が進行すると、粘度が過剰に上昇し、ゲル化が起こり、曳糸性は失われる。従って、従来のゾル−ゲル法による作製方法によれば、曳糸性の発現持続時間は数分〜数時間と短いため、量産性に問題があった。
【0005】
そこで、ゾル−ゲル法では、ゾルの状態を安定化させて曳糸性の発現持続時間を長く確保するために、安定化剤としてβ−ジケトンおよび、ケト酸エステル系のキレート剤を出発溶液に加える試みがなされている。しかしながら、チタニアファイバーの作製に対しては、安定化は起こるものの、量産性に優れる程度に長期間(数日から数週間程度以上)曳糸性を持つゾルを合成するには至らなかった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、量産性に優れたチタニアファイバーの作製方法に関する。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、チタンアルコキシド、アミン系キレート剤、水および溶媒からなる溶液を曳糸性を示すまで濃縮することにより得られたゾルからゲル状ファイバーを得る第1工程、得られたゲル状ファイバーを結晶化させる第2工程からなるチタニアファイバーの作製方法であって、第1工程における溶液において水のモル数がチタンアルコキシドのモル数の0.1〜0.35倍であることを特徴とするチタニアファイバーの作製方法に関する。
【0008】
本発明の方法の第1工程では、チタンアルコキシド、アミン系キレート剤および水を溶媒に混合し、均質な溶液を調製する。ここで、出発原料のチタンアルコキシドは最終的にTiO2で表されるチタニアの多結晶またはガラスセラミックスファイバーが形成され得るものであれば有機あるいは無機化合物のいずれでもよい。チタンアルコキシドは、例えば、テトラエトキシチタン、テトライソプロポキシチタン、テトラnプロポキシチタン、テトラnブトキシチタン、テトライソブトキシチタン、テトラsecブトキシチタン等を例示することができ、この中でも、テトライソプロポキシチタン、テトラnブトキシチタン等が好ましく使用される。2種以上の上記チタンアルコキシドを用いてもよい。
【0009】
チタンアルコキシドは、加水分解によりメタロキサンボンド(Ti−O−Ti)を生じる性質を有している。この化合物間の結合は、ゾルが曳糸性を発現させるために必要な構造である。
【0010】
さらに、出発原料として、チタンアルコキシドを含まなくても、所定の条件下で合成することによって、これらの化合物が合成可能な化合物であればよい。例えば、酢酸塩、アセチルアセトナート、金属単体、塩化物、硝酸塩等は、そのままでは、メタロキサンボンドを作ることはできないが、所定の条件下で化学反応させることによりチタンアルコキシドを合成することができる。
【0011】
本発明の方法においては、アミン系キレート剤を用いる。キレート剤とは、配位子分子内の複数の原子が金属イオンと結合し、金属キレート錯体を形成させる物質の総称である。本発明のアミノ系キレート剤は一般式;
NRR'R''
(式中、R、R'およびR''はそれぞれ独立して水素または炭素原子数2〜6、好ましくは2〜3のヒドロキシアルキル基もしくはアルキル基である。ただし、R、R'およびR''は同時に水素ではない。)で表される。具体的には、2−アミノエタノール、2,2'−イミノジエタノール、3−アミノプロパノール、4−アミノ1−ブタノール、Nアミノエチルエタトルアミン等を例示することができる。本発明においてはこのような安定化剤を用いることにより、ゾル溶液が安定化し、曳糸性を長期間保持でき、量産性に優れる。詳しくは曳糸性の保持時間を、半年以上とすることが可能となる。
【0012】
上記のようなアミン系キレート剤の使用量は、使用されるチタンアルコキシドの1〜4倍モル量、好ましくは1.5〜3倍モル量が好適である。少なすぎると本発明の効果が得られず、すなわちゾル溶液を安定化させ、曳糸性を長期間保持することができず、多すぎると熱処理時に炭化が起こってしまう。炭化を解消するためには必要以上に熱処理温度を高くしなければならない。
【0013】
溶媒としては、チタンアルコキシドおよび/または上記出発原料を均質に溶解できる媒体であれば使用でき、沸点、チタン原料の溶解力、安定性等を考慮して、金属化合物に対して最適な溶媒を選択すればよい。そのような溶媒として、例えば単一のアルコールまたは2種類以上のアルコールの混合液、より具体的には、2−メトキシエタノールまたは2−メトキシエタノールとエタノールの混合液を用いることができる。他にnプロパノール、iプロパノール、ブタノール等の溶媒を用いることができる。
【0014】
また、溶媒に混合される水は、調製の際に水を入れてもよいが、チタンアルコキシドの結晶水、溶媒のアルコール中の水分、大気中の水分から導入してもよい。また、それらを組み合わせても良い。前述のメタロキサンボンドを合成するためには、水分が必要である。この水分を、チタンアルコキシドの結晶水、溶媒のアルコール中の水分、大気中の水分等から導入すれば、特別に水分を導入する必要もなく工程を簡単にすることができる。
【0015】
以上、チタンアルコキシド、アミン系キレート剤、水および溶媒を混合して均質な溶液を調製するが、その際、溶媒のモル数はチタンアルコキシドのモル数の3〜20倍、好ましくは5〜15倍が望ましい。溶媒のモル数が少なすぎると大気中の水分との反応で溶液の安定性が低下して加水分解しやすくなり、沈殿が生じやすくなってしまい、多すぎると濃縮の際に大量の溶媒を除去する必要があり、生産性が低下してしまう。また、水の濃度は濃縮後のゾルの曳糸性の発現とゾルの安定性のために、チタンアルコキシドのモル数に対して水のモル数が0.1〜0.35倍となるように調整する。水のモル数が少なすぎると加水分解が不十分なため曳糸性が得られず、多すぎると加水分解が進行しすぎてゲル化すなわち固化が起こり、曳糸性が発現しない。
【0016】
なお、本発明においてはチタンアルコキシドを予め少量の溶媒に溶解しておき、当該溶液に、残りの所定量の溶媒、アミン系キレート剤および水からなる溶液を滴下混合することが好ましい。
【0017】
次に、得られた溶液を曳糸性を示すまで濃縮し、高粘性ゾルを得る。濃縮は溶媒を蒸発させることができればどのような方法、手段で行ってもよいが、作業の能率性、ゾル中の金属イオンの曳糸性に関わる反応性等の観点から、溶媒の沸点近傍の温度にて曳糸性を示すまで濃縮することが好ましい。また、ロータリーエバポレーターで濃縮を行う時、溶液中には水分が含まれている。溶液中に水分が残留していると、加水分解反応がさらに進行し、ゲル化が起こってしまう。それを防ぐために、減圧下で水を除去することが効果的である。また、作業効率のさらなる向上の観点からも上記の濃縮を減圧下で行うことがより好ましい。減圧下とは大気圧よりも低い圧力で溶媒の除去を促進するための圧力条件をいう。ここで「曳糸性」とは高分子溶液やコロイド溶液等で、粘性率の高い溶液をたらすとき、あるいは中に棒を突っ込んで手早く引き上げるとき、液体が糸を引く性質をいう。本発明において使用されているゾルは、サブミクロン以下の重合物、錯イオンが均一に分散している溶液の意味で使用されている。
【0018】
従来法によるゾル−ゲル法によるチタン酸化物材料の製造においては、ファイバーを形成する際にファイバー形状に成型している間でさえも、経時的に加水分解反応及び重合反応が進行し、高粘性ゾルの粘性が刻々と変化してしまうため、ゾルが所望の曳糸性を保持する時間は著しく短く、量産性に問題があった。本発明において使用するゾルは上記のようなアミン系キレート剤を含むため、ゾルが安定化され、貯蔵安定性に極めて優れたものとなっている。すなわち、曳糸性を有する高粘性ゾルは粘性および曳糸性の経時的変化が殆どなく安定なため、紡糸することのできる寿命が長い。そのため、量産可能で、大量の高粘性ゾルから長期に渡り以後の工程でゲル状ファイバーを一定条件で紡糸できるので製造工程が安定し、歩留まりがよく製造コストを低減させることができる。
【0019】
次に、曳糸性を有する濃縮高粘性ゾルからゲル状ファイバーを形成する。具体的な手法としては、高粘性ゾルを引き上げながらファイバー形状に成型する方法、または高粘性ゾルを小さな開口から押し出し成型する方法等を使用することができ、引き上げと同時に、または押し出しと同時に室温の大気中でゾル状態からゲル状のファイバーに成形できる。本発明の高粘性ゾルは曳糸性に優れているため、直径約5〜200μmのファイバーに成形することができる。
【0020】
第2工程では、第1工程で得られたゲル状ファイバーを加熱処理して結晶化させ、最終生成物であるファイバーを製造する。加熱処理はチタニアが結晶化する温度、すなわち400〜800℃、好ましくは450〜550℃に加熱されればよい。好ましい実施例においては、ゲルファイバー形成と加熱処理を連続して行うファイバー形成装置により、高粘性ゾルからファイバーを製造する。
【0021】
本発明の第2の方法では、前記第1工程における濃縮を大気圧より低い圧力条件で行うことを特徴とする。このように減圧下で濃縮することにより、溶液中から余分な水分を除去することができ、加水分解の過度の進行を防ぐことができる。減圧するための装置としては、ロータリーポンプやアスピレータを用いることができる。
【0022】
以下に具体的製造例を記す。なお、本明細書中、結晶化は多結晶化、ガラスセラミックス化の意味も含むものとする。
図1は、ファイバー形成装置の概略構成図である。ファイバー形成装置は、概略、底部に開口11aを有する高粘性ゾル溶液の容器11、高粘性ゾルを加圧するためのシリンダ12、シリンダ12により加圧され開口から押し出されてゲル化したゲルファイバーを加熱するためのヒータ装置13、完成したファイバー14を巻き取るための巻き取り機14から構成されている。当該ファイバー形成装置において、高粘性ゾルは、シリンダ12により開口11aから押し出され、ヒータを通して巻き取り機14に巻きとられる。巻き取り機15は、図示しないモータにより一定速度で回転駆動されており、順次ファイバーが巻き取られていく。
【0023】
上記構成において、押し出された直後のファイバーはゾル状態であるが、押し出されるに従って、次第に溶媒成分が揮発し、ゲル化したゲルファイバーとなる。このゲルファイバーをさらにヒータ装置13で、チタニアの結晶相が析出する温度で加熱することにより結晶化させることにより、チタニアファイバーを製造することができる。なお、この装置では、高粘性ゾルの粘性、巻き取り機14の巻き取り速度、及び開口11aの大きさを変化させることにより、ファイバーの径を変化させることができる。所望の径のファイバーを製造するためには、高粘性ゾルの粘性、及び巻き取り機の巻き取り速度、容器底部の開口の大きさを適宜調製すればよい。
【0024】
また、上記のようなファイバー形成装置を使用せずに、ゲルファイバーを完全に成型した後に熱処理してもよい。この場合、ゲルファイバーを乾燥雰囲気中に密閉、放置した後、熱処理してもよい。その場合のゲルファイバー形成方法を以下に記す。
【0025】
図2は、ゲルファイバー形成装置の概略構成図である。曳糸性を持つ高粘性ゾルを微小孔を有する容器21に入れ、その容器21を支持棒22でモータ23に連結する。モータ23の回転とともに、容器21が回転し、その遠心力により微小孔24からファイバー形状のゲル25が押し出される。高粘性ゾルが空気中でゲルファイバーになる。このゲルファイバーを捕集し、熱処理を行うことにより、ファイバーを得る。この方法では、微小孔の径やモータの回転速度を制御することで、ファイバー径を制御することができる。ゲルファイバー形成後における加熱温度は上記と同様である。
【0026】
本発明の方法によって得られるチタニアファイバーは優れた浄化効果を有する。例えば、図3に示すように、浄化装置1では、気体導入部34から被浄化気体を導入し、粗フィルター32により物理的汚れ(塵・埃など)を除去する。その後、該気体は、カラム33内に導入され、チタニアファイバー31に紫外光36を照射することにより、その表面で光触媒反応が起こる。反応により、有機物分子は分解され、浄化された気体が、気体排出部35から排出される。また、図4に示すように、浄化装置2では、液体導入部43から導入された液体は、反応の高効率化のため、複数のカラム42に分配され、各々に封入されたチタニアファイバー41と光触媒反応を起こすことにより浄化され、再び一つの液体排出部44から排出される。
【0027】
本発明の方法は、純粋なチタニアのファイバーを作製する場合のみに限定されるものではなく、ファイバー強度を上昇させる目的で、他の種類の酸化物を混合したファイバーを作製する場合にも適用可能である。
【0028】
【実施例】
比較例1
2−メトキシエタノール8.131g、テトライソプロポキシチタン10.123gの2種類(溶液1)、エタノール16.408g、水0.321gの2種類(溶液2)をそれぞれ(表1中組成1)秤り取り、それぞれ20分間混合する。溶液1に溶液2を全量、滴下混合し、さらに20分間混合する。次に、混合溶液をナスフラスコに入れ、145〜170℃で加熱濃縮する。粘性溶液の量が変化しなくなったら、加熱を止めた。フラスコの壁面近くで、ゲル化が起こり、白くなっている。粘度が高すぎ、曳糸性の発現は見られなかった。
【0029】
比較例2
2−メトキシエタノール8.164g、テトライソプロポキシチタン10.164gの2種類(溶液1)、エタノール16.474g、水0.161gの2種類(溶液2)をそれぞれ(表1中組成2)秤り取り、それぞれ20分間混合する。溶液1に溶液2を全量、滴下混合し、さらに20分間混合する。次に、混合溶液をナスフラスコに入れ、145〜170℃で加熱濃縮する。粘性溶液の量が変化しなくなったら、加熱を止めた。フラスコの壁面近くで、ゲル化が起こり、白くなっている。粘度が高すぎ、曳糸性の発現は見られなかった。
【0030】
比較例3
2−メトキシエタノール8.656g、テトライソプロポキシチタン10.776g、アセチルアセトン3.796gの3種類(溶液1)、エタノール17.466g、水0.171gの2種類(溶液2)をそれぞれ(表1中組成3)秤り取り、それぞれ20分間混合する。溶液1に溶液2を全量、滴下混合し、さらに20分間混合する。次に、混合溶液をナスフラスコに入れ、145〜170℃で加熱濃縮する。粘性溶液の量が変化しなくなったら、加熱を止めた。フラスコの壁面近くで、ゲル化が起こり、白くなっている。粘度が高すぎ、曳糸性の発現は見られなかった。
【0031】
比較例4
2−メトキシエタノール8.656g、テトライソプロポキシチタン10.776g、アセチルアセトン7.592gの3種類(溶液1)、エタノール17.466g、水0.171gの2種類(溶液2)をそれぞれ(表1中組成4)秤り取り、それぞれ20分間混合する。溶液1に溶液2を全量、滴下混合し、さらに20分間混合する。次に、混合溶液をナスフラスコに入れ、145〜170℃で加熱濃縮する。粘性溶液の量が変化しなくなったら、加熱を止めた。フラスコの壁面近くで、ゲル化が起こり、白くなっている。粘度が高すぎ、曳糸性の発現は見られなかった。
【0032】
比較例5
2−メトキシエタノール9.2g、テトライソプロポキシチタン11.454g、2−アミノエタノール4.923gの3種類(溶液1)、エタノール18.565g、水0.279gの2種類(溶液2)をそれぞれ(表1中組成5)秤り取り、それぞれ20分間混合する。溶液1に溶液2を全量、滴下混合し、さらに20分間混合する。次に、混合溶液をナスフラスコに入れ、140℃で加熱濃縮する。粘性溶液の量が変化しなくなったら、加熱を止めた。フラスコの壁面近くで、ゲル化が起こり、白くなっている。粘度が高すぎ、曳糸性の発現は見られなかった。
【0033】
比較例6
2−メトキシエタノール9.2g、テトライソプロポキシチタン11.454g、2−アミノエタノール4.923gの3種類(溶液1)、エタノール18.565g、水0.181gの2種類(溶液2)をそれぞれ(表1中組成5')秤り取り、それぞれ20分間混合する。溶液1に溶液2を全量、滴下混合し、さらに20分間混合する。次に、混合溶液をナスフラスコに入れ、140℃で加熱濃縮する。粘性溶液の量が変化しなくなったら、加熱を止めた。フラスコの壁面近くは、ゲル化して白くなっている。粘度が高すぎ、曳糸性の発現は見られなかった。
【0034】
実施例1
2−メトキシエタノール、テトライソプロポキシチタン、2−アミノエタノールの3種類(溶液1)、エタノール、水の2種類(溶液2)をそれぞれ表1中組成5'の組成比で全量が50mlとなるよう秤り取り、それぞれ20分間混合する。溶液1に溶液2を全量、滴下混合し、さらに20分間混合する。次に、混合溶液をナスフラスコに入れ、140℃で少し減圧(600mmHg)しながら、40分間加熱濃縮する。粘性溶液の量が変化しなくなるまで加熱濃縮を行った。
褐色で曳糸性のある液体が得られた。その液体から、図2の装置を用いて、ゲルファイバーを作成し、600℃で熱処理を行った。その結果、白色のファイバーが得られ、X線回折法により、ルチル型結晶のチタニアであることを確認した。
【0035】
実施例2
2−メトキシエタノール、テトライソプロポキシチタン、2,2−イミノジエタノールの3種類(溶液1)、エタノール、水の2種類(溶液2)をそれぞれ表1中組成6の組成比で全量が50mlとなるよう秤り取り、それぞれ20分間混合する。溶液1に溶液2を全量、滴下混合し、さらに20分間混合する。次に、混合溶液をナスフラスコに入れ、140℃で大気圧下(760mmHg)で、2時間加熱濃縮する。粘性溶液の量が変化しなくなるまで加熱濃縮を行った。
褐色で曳糸性のある液体が得られた。その液体から、図2の装置を用いて、ゲルファイバーを作成し、600℃で熱処理を行った。その結果、白色のファイバーが得られ、X線回折法により、ルチル型結晶のチタニアであることを確認した。
【0036】
なお、上記において2−メトキシエタノールとしてはナカライテスク製の特級試薬を、テトライソプロポキシチタンとしては和光純薬製の一級試薬を、アセチルアセトンとしてはナカライテスク製の特級試薬を、2−アミノエタノールとしてはナカライテスク製の一級試薬を、2,2−イミノジエタノールとしては和光純薬工業株式会社製の特級試薬を、エタノールとしてはナカライテスク製の特級試薬を、水としてはナカライテスク製の蒸留水を用いた。
【0037】
以上の結果を組成比率とともにまとめて表1に示す。なお、表中の数値はモル比を示す。
【表1】
【0038】
【発明の効果】
本発明により、ゾル溶液が安定化し、当該溶液の曳糸性を長期間保持できる。詳しくは曳糸性の保持時間を、半年以上とすることが可能となる。このため、本発明の方法は量産性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ファイバー作成装置の一例の概略構成図を示す。
【図2】ゲルファイバー形成装置の一例の概略構成図を示す。
【図3】気体浄化装置の一例の概略構成図を示す。
【図4】液体浄化装置の一例の概略構成図を示す。
【符号の説明】
11:開口を有する容器、12:シリンダ、13:ヒータ装置、14:ファイバー巻き取り機、21:微小孔を有する容器、22:支持棒、23:モータ、24:微小孔、25:チタニアファイバー、31:チタニアファイバー、32:粗フィルター、33:ガラスカラム、34:気体導入部、35:気体排出部、36:紫外光、41:チタニアファイバー、42:カラム、43:液体導入部、44:液体排出部、45:紫外光。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing titania fiber using a sol-gel method.
[0002]
[Prior art]
Titanium oxide (TiO 2 : hereinafter referred to as titania) crystals have three types of crystal phases, of which, at room temperature, two types of rutile type (orthogonal type) and anatase type (tetragonal type) are stably present. When the titania is irradiated with light (ultraviolet light) having an energy equal to or greater than the band gap (rutile 3.0 eV, anatase 3.2 eV), electrons and holes are generated inside the titania. Therefore, it has the effect of decomposing water present on the surface into hydrogen and oxygen or decomposing organic molecules present on the surface, and has been put to practical use as a coating material having an antifogging effect and a pollution preventing effect. Since this photocatalytic reaction occurs on the titania surface (titania-water interface or titania-organic molecular interface), it is advantageous to form titania into a fiber and increase the surface area, thereby promoting the reaction.
[0003]
As a method for producing titania fiber, a sol-gel method is mainly used. When produced by the sol-gel method, the spinnability of the sol as a fiber raw material depends on the degree of progress of the hydrolysis reaction. Therefore, the time during which the sol retains the spinnability is a time during which the state in which the hydrolysis reaction has proceeded appropriately can be maintained, and it is very short, less than several hours. For this reason, there was a problem in terms of mass productivity. Here, the `` sol-gel method '' means that a metal organic or inorganic compound is used as a solution, and the hydrolysis / polymerization reaction of the compound proceeds in the solution to pass through a state of a sol containing fine particles (sol). It means a method of producing a crystal, glass or sintered body of a metal oxide by further heating after passing through a state of a gel containing a liquid or a gas in a gap between solid frames.
[0004]
That is, in the sol-gel method, the metal-oxygen skeleton is usually formed by dissolving and mixing the respective alkoxides of the constituent metal cations in a solvent at a composition ratio and allowing the hydrolysis reaction to proceed. Therefore, the viscosity of the solution increases as the hydrolysis reaction proceeds. Further, a solution having an appropriate viscosity shows spinnability. Therefore, the spinnability is exhibited only in a state where the reaction has progressed appropriately, but if the hydrolysis proceeds excessively, the viscosity increases excessively, gelation occurs, and the spinnability is lost. Therefore, according to the conventional production method by the sol-gel method, there is a problem in mass productivity because the duration of spinning property is as short as several minutes to several hours.
[0005]
Therefore, in the sol-gel method, in order to stabilize the state of the sol and secure a long expression duration of spinnability, β-diketone and a keto ester-based chelating agent are used as a stabilizer in the starting solution. Attempts have been made to add. However, for the production of titania fiber, although stabilization occurs, it has not been possible to synthesize a sol having a spinnability for a long period of time (about several days to several weeks or more) so as to be excellent in mass productivity.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and relates to a method for producing titania fiber excellent in mass productivity.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a first step of obtaining a gel-like fiber from a sol obtained by concentrating a solution comprising a titanium alkoxide, an amine-based chelating agent, water and a solvent until the solution shows spinnability. A method for producing titania fiber comprising a second step of crystallizing, wherein the number of moles of water in the solution in the first step is 0.1 to 0.35 times the number of moles of titanium alkoxide. The present invention relates to a method for producing a fiber.
[0008]
In the first step of the method of the present invention, a homogeneous solution is prepared by mixing a titanium alkoxide, an amine-based chelating agent and water with a solvent. Here, the titanium alkoxide as a starting material may be either an organic or inorganic compound as long as it can finally form a polycrystalline or glass-ceramic fiber of titania represented by TiO 2 . Examples of the titanium alkoxide include tetraethoxytitanium, tetraisopropoxytitanium, tetra-n-propoxytitanium, tetra-n-butoxytitanium, tetraisobutoxytitanium, tetrasec-butoxytitanium and the like, among which tetraisopropoxytitanium, Tetra n-butoxytitanium and the like are preferably used. Two or more titanium alkoxides may be used.
[0009]
Titanium alkoxide has a property of producing a metalloxane bond (Ti-O-Ti) by hydrolysis. The bond between the compounds is a structure necessary for the sol to exhibit spinnability.
[0010]
Furthermore, it is sufficient that these compounds can be synthesized by synthesizing them under predetermined conditions without using titanium alkoxide as a starting material. For example, acetate, acetylacetonate, a simple substance of metal, chloride, nitrate, and the like cannot form a metalloxane bond as it is, but a titanium alkoxide can be synthesized by performing a chemical reaction under predetermined conditions. .
[0011]
In the method of the present invention, an amine chelating agent is used. A chelating agent is a general term for a substance in which a plurality of atoms in a ligand molecule bind to a metal ion to form a metal chelate complex. The amino chelating agent of the present invention has a general formula:
NRR'R ''
(Wherein, R, R ′ and R ″ are each independently hydrogen or a hydroxyalkyl group or an alkyl group having 2 to 6, preferably 2 to 3 carbon atoms, provided that R, R ′ and R ′ 'Is not hydrogen at the same time.) Specific examples include 2-aminoethanol, 2,2′-iminodiethanol, 3-aminopropanol, 4-amino1-butanol, N-aminoethyl ethatoramine and the like. In the present invention, by using such a stabilizer, the sol solution is stabilized, spinnability can be maintained for a long time, and mass productivity is excellent. Specifically, the spinning property holding time can be made longer than half a year.
[0012]
The amount of the amine chelating agent as described above is 1 to 4 moles, preferably 1.5 to 3 moles of the titanium alkoxide used. If the amount is too small, the effect of the present invention cannot be obtained, that is, the sol solution cannot be stabilized, and the spinnability cannot be maintained for a long time. If the amount is too large, carbonization occurs during heat treatment. In order to eliminate carbonization, the heat treatment temperature must be increased more than necessary.
[0013]
As the solvent, any medium can be used as long as it can uniformly dissolve the titanium alkoxide and / or the above-mentioned starting materials. The optimum solvent for the metal compound is selected in consideration of the boiling point, the dissolving power of the titanium raw materials, the stability, and the like. do it. As such a solvent, for example, a single alcohol or a mixture of two or more alcohols, more specifically, 2-methoxyethanol or a mixture of 2-methoxyethanol and ethanol can be used. In addition, solvents such as n-propanol, i-propanol, and butanol can be used.
[0014]
Water to be mixed with the solvent may be water at the time of preparation, but may be introduced from water of crystallization of titanium alkoxide, water in alcohol of the solvent, or water in the atmosphere. Moreover, you may combine them. In order to synthesize the aforementioned metalloxane bond, water is required. If this water is introduced from the water of crystallization of titanium alkoxide, the water in the alcohol of the solvent, the water in the atmosphere, or the like, the process can be simplified without the need to introduce any special water.
[0015]
As described above, a titanium alkoxide, an amine chelating agent, water and a solvent are mixed to prepare a homogeneous solution. In this case, the number of moles of the solvent is 3 to 20 times, preferably 5 to 15 times the number of moles of the titanium alkoxide. Is desirable. If the number of moles of the solvent is too small, the stability of the solution decreases due to the reaction with atmospheric moisture, and the solution is easily hydrolyzed, and precipitation is easily caused.If the amount is too large, a large amount of the solvent is removed during concentration. Must be performed, and productivity will be reduced. In addition, the concentration of water is adjusted so that the number of moles of water is 0.1 to 0.35 times the number of moles of titanium alkoxide for the expression of spinnability of the sol after concentration and the stability of the sol. adjust. When the number of moles of water is too small, the spinning property is not obtained due to insufficient hydrolysis, and when it is too large, the hydrolysis proceeds too much to cause gelation, ie, solidification, and the spinning property does not appear.
[0016]
In the present invention, it is preferable that titanium alkoxide is dissolved in a small amount of solvent in advance, and the remaining predetermined amount of the solvent, amine-based chelating agent and water are mixed with the solution.
[0017]
Next, the obtained solution is concentrated until it exhibits spinnability, thereby obtaining a highly viscous sol. Concentration may be performed by any method or means as long as the solvent can be evaporated.However, from the viewpoints of work efficiency, reactivity related to the spinnability of metal ions in the sol, etc., the concentration around the boiling point of the solvent is It is preferable to concentrate at a temperature until the fiber exhibits spinnability. Further, when the concentration is performed by a rotary evaporator, the solution contains water. If water remains in the solution, the hydrolysis reaction proceeds further and gelation occurs. To prevent this, it is effective to remove water under reduced pressure. Further, from the viewpoint of further improving the working efficiency, it is more preferable to perform the above concentration under reduced pressure. The term “under reduced pressure” refers to a pressure condition for promoting the removal of a solvent at a pressure lower than the atmospheric pressure. Here, the "spinnability" refers to the property that the liquid pulls a thread when a high-viscosity solution such as a polymer solution or a colloid solution is applied, or when a rod is inserted and pulled up quickly. The sol used in the present invention means a solution in which a polymer and a complex ion of submicron or less are uniformly dispersed.
[0018]
In the production of a titanium oxide material by a conventional sol-gel method, a hydrolysis reaction and a polymerization reaction progress with time, even during molding into a fiber shape when forming a fiber, resulting in high viscosity. Since the viscosity of the sol changes every moment, the time for the sol to maintain the desired spinnability is extremely short, and there is a problem in mass productivity. Since the sol used in the present invention contains the above-mentioned amine-based chelating agent, the sol is stabilized and has extremely excellent storage stability. In other words, the high-viscosity sol having spinnability has little change with time with respect to viscosity and spinnability and is stable, so that the spinning life is long. Therefore, mass production is possible, and a gel fiber can be spun from a large amount of a high-viscosity sol in a subsequent step for a long period of time under a constant condition, so that the production process is stable, the yield is good, and the production cost can be reduced.
[0019]
Next, a gel fiber is formed from the concentrated high-viscosity sol having spinnability. As a specific method, a method of molding a high-viscosity sol into a fiber while pulling it up, or a method of extruding and molding the high-viscosity sol from a small opening can be used. It can be formed into a gel fiber from the sol state in the atmosphere. The highly viscous sol of the present invention has excellent spinnability, and can be formed into a fiber having a diameter of about 5 to 200 μm.
[0020]
In the second step, the gel fiber obtained in the first step is heated and crystallized to produce a fiber as a final product. The heat treatment may be performed at a temperature at which titania crystallizes, that is, 400 to 800 ° C., preferably 450 to 550 ° C. In a preferred embodiment, the fibers are produced from the high-viscosity sol by a fiber forming apparatus that continuously performs gel fiber formation and heat treatment.
[0021]
The second method of the present invention is characterized in that the concentration in the first step is performed under a pressure condition lower than the atmospheric pressure. By concentrating under such reduced pressure, excess water can be removed from the solution, and excessive progress of hydrolysis can be prevented. As a device for reducing the pressure, a rotary pump or an aspirator can be used.
[0022]
A specific production example is described below. In this specification, crystallization includes the meanings of polycrystallization and glass ceramics.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fiber forming apparatus. The fiber forming apparatus generally includes a
[0023]
In the above configuration, the fiber immediately after being extruded is in a sol state, but as the fiber is extruded, the solvent component gradually evaporates to form a gelled gel fiber. The gel fiber is further crystallized by heating at a temperature at which a crystal phase of titania is precipitated by the
[0024]
Further, the heat treatment may be performed after the gel fiber is completely molded without using the fiber forming apparatus as described above. In this case, the gel fiber may be sealed and left in a dry atmosphere, and then heat-treated. The gel fiber forming method in that case is described below.
[0025]
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the gel fiber forming apparatus. A highly viscous sol having spinnability is placed in a
[0026]
The titania fiber obtained by the method of the present invention has an excellent purification effect. For example, as shown in FIG. 3, in the
[0027]
The method of the present invention is not limited to producing pure titania fiber, but is applicable to producing fiber mixed with other types of oxides for the purpose of increasing fiber strength. It is.
[0028]
【Example】
Comparative Example 1
8.131 g of 2-methoxyethanol and 10.123 g of tetraisopropoxytitanium (solution 1), 16.408 g of ethanol and 0.321 g of water (solution 2) were weighed (
[0029]
Comparative Example 2
8.164 g of 2-methoxyethanol and 10.164 g of tetraisopropoxytitanium (solution 1), 16.474 g of ethanol and 0.161 g of water (solution 2) were weighed (
[0030]
Comparative Example 3
8.656 g of 2-methoxyethanol, 10.776 g of tetraisopropoxytitanium, 3.796 g of acetylacetone (solution 1), 17.466 g of ethanol, and 0.171 g of water (solution 2) were used (Table 1). Composition 3) Weigh and mix for 20 minutes each.
[0031]
Comparative Example 4
8.656 g of 2-methoxyethanol, 10.776 g of tetraisopropoxytitanium, 7.592 g of acetylacetone (solution 1), 17.466 g of ethanol, and 0.171 g of water (solution 2) were used (Table 1). Composition 4) Weigh and mix for 20 minutes each.
[0032]
Comparative Example 5
Two types (solution 2) of 9.2 g of 2-methoxyethanol, 11.454 g of tetraisopropoxytitanium and 4.923 g of 2-aminoethanol (solution 1), 18.565 g of ethanol, and 0.279 g of water, respectively (solution 2) In Table 1, composition 5) Weigh and mix for 20 minutes each.
[0033]
Comparative Example 6
9.2 g of 2-methoxyethanol, 11.454 g of tetraisopropoxytitanium and 4.923 g of 2-aminoethanol (solution 1), 18.565 g of ethanol, and 0.181 g of water (solution 2) were used respectively ( In Table 1, composition 5 ') is weighed out and mixed for 20 minutes each.
[0034]
Example 1
Three types of 2-methoxyethanol, tetraisopropoxytitanium, and 2-aminoethanol (solution 1), and two types of ethanol and water (solution 2) were each adjusted to 50 ml in the composition ratio of composition 5 'in Table 1. Weigh and mix for 20 minutes each.
A brown, spinnable liquid was obtained. A gel fiber was prepared from the liquid using the apparatus shown in FIG. 2 and heat-treated at 600 ° C. As a result, a white fiber was obtained, and it was confirmed by an X-ray diffraction method that the fiber was rutile-type crystal titania.
[0035]
Example 2
Two kinds of 2-methoxyethanol, tetraisopropoxytitanium, and two kinds of 2,2-iminodiethanol (solution 1), and two kinds of ethanol and water (solution 2) are respectively 50 ml in total composition ratio of composition 6 in Table 1. And mix for 20 minutes each.
A brown, spinnable liquid was obtained. A gel fiber was prepared from the liquid using the apparatus shown in FIG. 2 and heat-treated at 600 ° C. As a result, a white fiber was obtained, and it was confirmed by an X-ray diffraction method that the fiber was rutile-type crystal titania.
[0036]
In the above, a special grade reagent manufactured by Nacalai Tesque is used as 2-methoxyethanol, a primary reagent manufactured by Wako Pure Chemical is used as tetraisopropoxytitanium, a special grade reagent manufactured by Nacalai Tesque is used as acetylacetone, and a special grade reagent manufactured by Nacalai Tesque is used as 2-aminoethanol. Nacalai Tesque's first-class reagent, 2,2-iminodiethanol is a special grade reagent from Wako Pure Chemical Industries, Ltd., ethanol is Nacalai Tesque's special grade reagent, and water is Nacalai Tesque's distilled water. Was.
[0037]
Table 1 summarizes the above results together with the composition ratio. In addition, the numerical value in a table | surface shows a molar ratio.
[Table 1]
[0038]
【The invention's effect】
According to the present invention, the sol solution is stabilized, and the spinnability of the solution can be maintained for a long time. Specifically, the spinning property holding time can be made longer than half a year. For this reason, the method of the present invention is excellent in mass productivity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of an example of a fiber producing apparatus.
FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of an example of a gel fiber forming apparatus.
FIG. 3 shows a schematic configuration diagram of an example of a gas purification device.
FIG. 4 shows a schematic configuration diagram of an example of a liquid purification device.
[Explanation of symbols]
11: Container having an opening, 12: Cylinder, 13: Heater device, 14: Fiber take-up machine, 21: Container having micro holes, 22: Support rod, 23: Motor, 24: Micro holes, 25: Titania fiber, 31: titania fiber, 32: coarse filter, 33: glass column, 34: gas inlet, 35: gas outlet, 36: ultraviolet light, 41: titania fiber, 42: column, 43: liquid inlet, 44: liquid Discharge unit, 45: ultraviolet light.
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