JP4067390B2 - Method for producing oxygen radical-containing calcium aluminate sintered body - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化触媒、イオン伝導体などの用途展開が期待されている、活性酸素種であるO2 −やO−の酸素ラジカルを高濃度に含むカルシウムアルミネート焼結体の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
O2 −やO−の酸素ラジカルは、活性酸素の1種であり、有機物や無機物の酸化過程で重要な役割を果たすことが知られている。いろいろな酸化物の固体表面上に吸着したO2 −について広範な研究が行われている(例えば、非特許文献1参照)。これらの研究のほとんどにおいては、γ線などの高エネルギーの放射線を酸化物化合物表面に照射することでO2 −を作成している。
【0003】
【非特許文献1】
J.H.Lunsford、Catal.Rev.8,135,1973、M.Che and A.J.Tench,Adv.Catal,32,1,1983
【0004】
O2 −を構成アニオンとする結晶はRO2(R=アルカリ金属)が知られているが、これらの化合物はいずれも300℃以下の低温で容易に分解してしまうため、酸化触媒、イオン伝導体などの用途には適さない。
【0005】
1970年にH.B.Bartlらは、12CaO・7Al2O3(以下、C12A7という)結晶において、2分子を含む単位胞にある66個の酸素のうち、2個はネットワークに含まれず、結晶の中に存在するケージ内の空間に「フリー酸素」として存在すると主張している(非特許文献2参照)。
【0006】
【非特許文献2】
H.B.Bartl and T.Scheller、Neues Jarhrb.Mineral.,Monatsh.1970、547
【0007】
細野らは、CaCO3とAl2O3またはAl(OH)3を原料として空気中で1200℃の温度で固相反応により合成したC12A7結晶中に1×1019/cm3程度のO2 −が包接されていることを電子スピン共鳴の測定から発見し、フリー酸素の一部がO2 −の形でケージ内に存在するというモデルを提案している(非特許文献3参照)。
【0008】
【非特許文献3】
H.Hosono and Y.Abe,Inorg.Chem.26、1193、1997
【0009】
C12A7は、融点1415℃の安定な酸化物であり、包接されるO2 −の量を増加させ、可逆的な取り込み、放出が可能となれば、酸化触媒、イオン伝導体などの用途に展開できると期待されている。
【0010】
細野らは、更に、前記O2 −を包接するC12A7について検討を行い、CaCO3、Ca(OH)2又はCaOと、Al2O3又はAl(OH)3とを原料に用い、酸素分圧104Pa以上、水蒸気分圧102Pa以下の乾燥酸化雰囲気下、1200℃以上1415℃未満に焼成し、固相反応させることで、活性酸素種であるO2 −又はO−を1020/cm3以上の高濃度で包接するC12A7を得ている(特許文献1参照)。
【0011】
【特許文献1】
特開2002―3218号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、細野らの見いだした、高濃度に活性酸素種を含有するC12A7を産業上利用する場合には、更に解決するべき課題がある。
【0013】
すなわち、高濃度の酸素ラジカルを含有するC12A7を、酸化触媒、イオン伝導体用途に適用する場合、当該用途に応じて機能を充分発揮させるためには、それぞれの用途に適合した様々な形状品とする必要がある。
【0014】
前記形状品に関しては、通常、使用時の取扱いに耐性を有するように強度を高めた焼結体が用いられるが、板や棒などの単純な形状の焼結体は、原料となるC12A7粉末またはカルシウム化合物含有粉末とアルミニウム化合物含有粉末との混合粉末を、金型等を用いて所定の形状に成形した後に焼成することによって、比較的容易に製造することができる。
【0015】
一方、用途によっては、例えば、皿型、るつぼ型、フラスコ型あるいは試験管型などの複雑形状の焼結体を作製する必要があり、この場合には、例えば原料粉末を金型等で成形した後、一旦焼結温度よりも低温で焼成して加工可能な仮焼体を作製し、所定形状に加工した後に焼結をする等の方法がしばしば適用される。しかし、この方法は、工程が多く煩雑になるだけでなく、大量の加工屑が発生するため不経済であり、しかも形状によっては加工では対応不可能なものがあった。
【0016】
加えて、本発明者らは、C12A7焼結体の形状を多様化するための手段を種々講じたところ、例えば、C12A7粉末を水に懸濁させてスラリーとし、その後吸水性を有する型に流し込んで型取りする泥漿鋳込み成形によって、比較的複雑な形状にも対応できるものの、C12A7が一旦水と接触すると、包接していた酸素ラジカルを放出するだけでなく、その後C12A7が高濃度の酸素ラジカルを包接できなくなるため、泥漿鋳込み成形をそのまま適用することは困難であるという問題に直面した。
【0017】
本発明の目的は、前記の問題を解決することを課題とし、酸化触媒、イオン伝導体用途に適用可能な、高酸素ラジカルを含有し、しかも複雑形状のカルシウムアルミネート焼結体を再現性良く、安価に提供することを目的としている。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、C12A7が有機溶剤と接触した場合には酸素ラジカルを放出したり、酸素ラジカルを包接する性質が損なわれたりしないことに着目し、C12A7粉末を非水溶媒に懸濁させてスラリーとし、これを泥漿鋳込み成形後、所定の温度及び酸素濃度雰囲気下で焼成することによって、高濃度の酸素ラジカルを含有した、皿型、るつぼ型、フラスコ型あるいは試験管型などの複雑形状のカルシウムアルミネート焼結体が容易にしかも安定して製造できることを想起し、これを実験的に確認し、本発明に至ったものである。
【0019】
すなわち、本発明は、Ca/Alのモル比が0.77以上0.96以下含有する原料粉末を、非水溶媒に懸濁させたスラリーとし、当該スラリーを用いて鋳込み成形した後、酸素分圧4×104Pa以上の雰囲気下で1100℃以上溶融温度以下に加熱することで、12CaO・7Al2O3(以下、C12A7という)を主要相とする酸素ラジカル含有カルシウムアルミネート焼結体とすることを特徴とするカルシウムアルミネート焼結体の製造方法である。
【0020】
また本発明は、前記原料粉末が、カルシウム化合物含有粉末とアルミニウム化合物含有粉末との混合粉末を、予め加熱して、C12A7が主要相の粉末としたものであることを特徴とする前記のカルシウムアルミネート焼結体の製造方法であり、好ましくは、比表面積値が1.5m2/g以上で、かつ平均粒径が10μm以下であることを特徴とする前記のカルシウムアルミネート焼結体の製造方法である。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明で得られるカルシウムアルミネート焼結体は、主たる元素がCa、Al、酸素(O)からなり、さらに主たる鉱物相がC12A7である。
【0022】
本発明で得られるカルシウムアルミネート焼結体は、その利用目的に応じて、前記Ca、Al、酸素以外の不可避的不純物成分を含むことができるが、酸化触媒やイオン伝導体用途に適用する場合には、なるべく不純物が少なく純度の高いことが要求され、前記Ca、Al、酸素の合計量が好ましくは95質量%以上、更に好ましくは98質量%以上であることが望まれる。
【0023】
そして、本発明で得られるカルシウムアルミネート焼結体は、前記構成元素から後述のいろいろなカルシウムアルミネートからなる単一相又は混合相を形成されており、その主要相がC12A7である。この理由は、カルシウムアルミネートは他に、3CaO・Al2O3(以下、C3Aという)、CaO・Al2O3(以下、CAという)、CaO・2Al2O3(CA2)、CaO・6Al2O3(CA6)などがある。これらのうちC12A7だけが酸素ラジカルを1020/cm3以上の高濃度で包接する性質を有するためである。なお、本発明に於いて、C12A7が主要相であるとは、X線回折チャートにおいて前記鉱物層の最大ピークのピーク高さの合計値に対し、C12A7の最大ピークのピーク高さが90%以上であることを意味する。
【0024】
本発明に於いて、カルシウムアルミネート焼結体の主要相をC12A7にするためには、原料中に含まれるCaとAlのモル比を0.77〜0.96の範囲に定め、1100℃以上に加熱すれば良い。CaとAlのモル比が上記以外の範囲では、C12A7以外のカルシウムアルミネートであるC3AやCAの生成量が多くなり、得られるカルシウムアルミネート焼結体中のC12A7量が減少し、それに応じてカルシウムアルミネート焼結体の酸素ラジカルを包接する性質が損なわれる。
【0025】
本発明のカルシウムアルミネート焼結体の原料として用いられるCa源の物質としては、例えば石灰石(CaCO3)、消石灰(Ca(OH)2)または生石灰(CaO)などがあげられる。またAl源の物質としてはアルミナ(Al2O3)、水酸化アルミニウム(Al(OH)3)、ボーキサイトまたはアルミ残灰などがあげられる。これらのうち、入手が容易であり安全性が高い事から、特にCaCO3及びAl2O3を好適に使用することができる。
【0026】
本発明は、前述した通りに、所定組成に配合された原料粉末、若しくは、予めC12A7を主要相として形成せしめた原料粉末を、非水溶媒を用いてスラリーとし、これを鋳込み成形した後、所定条件下で焼結させることにより、酸素ラジカルを高濃度に含有するカルシウムアルミネート焼結体が得られるという知見に基づいている。この理由は明らかでないが、本発明者は、前記事情から、C12A7が原料から生成され、焼結体を形成するまでの過程の中で、一度でも多量の水と接触するときには、C12A7が前記水と結合し、C12A7に酸素ラジカルを包接させるための加熱条件では前記結合した水が除去されないことを示していると解釈している。
【0027】
本発明において用いることのできる非水溶媒としては、メタノール、エタノール、イソプロパノール、n−ブタノール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル類、ジオキサン、テトラヒドロフラン等のエーテル類、メチルセロソルブ、ブチルセロソルブ等のセロソルブ類、n−へキサン、シクロヘキサン等の炭化水素類、クロロホルム、塩化メチレン等の塩素化炭化水素類、トルエン、キシレン等の芳香族類等の有機溶剤を用いることができる。これらのうちアルコール類、とりわけエタノールを好適に用いることができるし、また、エタノール等の一部には共沸成分として水分を含むものも知られているが、本発明の目的に支障がない限りにおいて、これを用いることができる。
【0028】
本発明に於いては、予め、C12A7が主要相とするようにカルシウム化合物含有粉末とアルミニウム化合物含有粉末との混合粉末から加熱、合成されたカルシウムアルミネート原料粉末(以下、単に、C12A7粉末という)、或いはその原料となるカルシウム化合物含有粉末とアルミニウム化合物含有粉末との混合粉末と、上記非水溶媒を、必要に応じてボールミル等を用いて、混合することによってスラリーが調製される。この際、原料粉末と有機溶剤との量比を適宜調節することによって、鋳型への流し込みに適した粘度のスラリーが調製される。
【0029】
前記スラリー調整に用いる原料粉末は、比表面積1.5m2/g以上かつ平均粒径10μm以下にすることが好ましい。比表面積1.5m2/g未満、或いは平均粒径10μmを超える原料粉末は、原料粉末を構成する粒子が沈降しやすく鋳込み成形時に鋳型に均一に着肉しないことがあるからである。なお、本発明で用いる吸液性を有する鋳型としては、スラリー中から非水溶媒を吸収し所望形状の成形体を得ることができるものならばどのような材質のものであっても構わないが、安価で入手しやすいことから、石膏を好適に用いることができる。
【0030】
鋳込み成形の方法は、所定厚さの固形分が鋳型表面に着肉した後、余剰泥漿を排出する排泥鋳込み法、型内ですべての固形分を着肉させる固形鋳込み法の何れであっても良い。着肉後、有機溶剤の沸点よりもやや低い温度で鋳込み体を乾燥させ、乾燥後鋳型から脱型することによって成形体を得る。
【0031】
脱型時及び脱型後の成形体に強度を付与するため、必要に応じて、ニトロセルロース、ポリアクリル酸エステル、ポリビニルブチラール、ポリメタクリル酸エステルあるいはエチルセルロース等の結合剤が用いられる。これらのうち、とりわけポリビニルブチラールを好適に用いることができる。これらの結合剤は通常予め有機溶剤に溶解させて使用することができる。
【0032】
本発明で得られる焼結体は、前記成形体を1100℃以上好ましくは1200℃以上、溶融温度以下で焼成することによって作製される。焼結温度が溶融温度以上になると、焼結体が溶融して不規則に変形したり、一旦溶融した後では酸素ラジカル包接が困難になる等の問題が生じるため。前記溶融温度は、原料であるC12A7粉末、カルシウム化合物含有粉末、アルミニウム化合物含有粉末の粒度、加熱雰囲気などによって変化するが、通常1380〜1420℃程度である。
【0033】
本発明において、カルシウムアルミネート焼結体中のC12A7に高濃度の酸素ラジカルを包接させるとともに、成形体が焼結をしてカルシウムアルミネート焼結体とするために加熱条件を、酸素分圧4×104Pa以上の雰囲気下、1100℃以上の非溶融温度範囲を特定する。
【0034】
酸素ラジカルを包接させるための加熱は、カルシウムアルミネート粉末のように、一旦C12A7が形成された後のものであるならば、粉末時、グリーン焼成時あるいは焼結後の何れの段階で行っても良い。但し焼結後に適用する場合においては、焼結体表面近傍にC3AやCAなど、C12A7とは異なる相が生成し、焼結体内部のC12A7への酸素の進入が阻害される場合がある。この現象を防止するためには、焼結体表面を研削、研磨する等により、C3AやCAを除去するとともに、C12A7を表面に露出させる処理をすればよい。
【0035】
また、成形体を焼結してカルシウムアルミネート焼結体とする操作と、カルシウムアルミネート焼結体中のC12A7に高濃度の酸素ラジカルを包接させる加熱操作とを別途行う場合、前者は大気中でも行うことができる。
【0036】
【実施例】
(実施例)炭酸カルシウム(CaCO3)粉末と、アルミナ(γ−Al2O3)粉末を、CaとAlのモル比が0.82になるように混合した後、大気中、1300℃で3時間焼成して白色粉末を得た。これを冷却後、ボールミルを用いてエタノール中で湿式粉砕し、乾燥することによって、比表面積2.1m2/g、平均粒径4.0μmの粉末を得た。この粉末はC12A7が主成分で、僅かにCAを含むことをX線回折測定によって確認した。
【0037】
前記粉末とエタノールとポリビニルブチラール(電気化学工業製#3000−K)とを、質量比100:100:0.5の割合で配合して、これをボールミルで1時間混合して、スラリーを作製した。前記スラリーを、径が20mmで深さが300mmの試験管形状の石膏型に流し込み、余剰泥漿を排出する排泥鋳込み法によって鋳込み成形を行った。鋳込み体を70℃で1日間乾燥した後、脱型を行って成形体を得た。
【0038】
前記成形体を大気中で1370℃、3時間加熱することによって焼結した。得られた焼結体は外径16.4mm、内径13mm、長さ230mmの試験管形状で色は薄茶色であり、さらにX線回折測定によりC12A7が主成分であることを再度確認した。またJISR 1634の方法によりかさ密度を測定し、相対密度を算出したところ、97%であった。
【0039】
前記焼結体をさらに酸素分圧5.8×104Paの雰囲気下、1250℃で2時間加熱し、冷却後焼結体の一部を粉砕して室温及び77KでのESRスペクトルを測定し、それぞれの吸収バンドの強度からO2 −イオンラジカル及びO−イオンラジカルの濃度を求めたところ、それぞれ4×1020cm−3であった。
【0040】
(比較例)比較の例として、実施例で得たC12A7粉末を用い、エタノールの代わりに水を、ポリビニルブチラールの代わりにポリビニルアルコールをそれぞれ用いたこと以外は、実施例と同様にしてスラリーを作製し、鋳込み成形し、乾燥及び焼結を行い、焼結体を得た。得られた焼結体は外径16.8mm、内径13.2mm、長さ235mmの試験管形状で色は白色であり、このものはX線回折測定により、CA及びC3Aが主成分でありC12A7は僅かしか生成していないことが判った。
【0041】
この焼結体をさらに実施例と同様にして酸素分圧5.8×104Paの雰囲気下で加熱し、冷却後、ESRスペクトルを測定してO2 −イオンラジカル及びO−イオンラジカルの濃度を求めたところ、それぞれ検出限界(1×1018cm−3)以下であった。
【0042】
【発明の効果】
本発明によれば、酸素ラジカルを高濃度に含有し、しかも用途に応じて複雑な形状、例えば、皿型、るつぼ型、フラスコ型あるいは試験管型などの形状のカルシウムアルミネート焼結体を安定して、容易に提供できることから、酸素ラジカル含有カルシウムアルミネート焼結体の新しい用途への適用が可能となり、産業上非常に有用である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is an oxidation catalyst, applications expand, such as an ion conductor is expected, O 2 is active oxygen species - and O - process for the preparation of calcium aluminate sintered body containing oxygen radicals at a high concentration.
[0002]
[Prior art]
O 2 - or O - oxygen radicals is one of the active oxygen has been known to play an important role in the oxidation process of organic substances and inorganic substances. Extensive research has been conducted on O 2 − adsorbed on solid surfaces of various oxides (see, for example, Non-Patent Document 1). In most of these studies, O 2 − is produced by irradiating the surface of an oxide compound with high-energy radiation such as γ-rays.
[0003]
[Non-Patent Document 1]
J. et al. H. Lunsford, Catal. Rev. 8, 135, 1973, M.M. Che and A.A. J. et al. Tench, Adv. Catal, 32, 1, 1983
[0004]
RO 2 (R = alkali metal) is known as a crystal having O 2 − as a constituent anion. However, since these compounds are easily decomposed at a low temperature of 300 ° C. or lower, an oxidation catalyst, ion conduction Not suitable for uses such as the body.
[0005]
In 1970, H.C. B. Bartl et al., In a 12CaO.7Al 2 O 3 (hereinafter referred to as C 12 A 7 ) crystal, 2 out of 66 oxygen atoms in a unit cell containing 2 molecules are not included in the network and exist in the crystal. It claims to exist as “free oxygen” in the space inside the cage (see Non-Patent Document 2).
[0006]
[Non-Patent Document 2]
H. B. Bartl and T.W. Scheller, Neues Jarhrb. Mineral. , Monash. 1970, 547
[0007]
Hosono et al. Have about 1 × 10 19 / cm 3 in a C 12 A 7 crystal synthesized by solid phase reaction in air at a temperature of 1200 ° C. using CaCO 3 and Al 2 O 3 or Al (OH) 3 as raw materials. O 2 - is found that it is the clathrate from the measurement of electron spin resonance, part of the free oxygen O 2 - proposes a model that exists in cages in the form of (non-patent document 3 reference ).
[0008]
[Non-Patent Document 3]
H. Hosono and Y. Abe, Inorg. Chem. 26, 1193, 1997
[0009]
C 12 A 7 is a stable oxide having a melting point of 1415 ° C. If the amount of O 2 − included is increased and reversible uptake and release are possible, oxidation catalyst, ion conductor, etc. It is expected that it can be used for various purposes.
[0010]
Hosono et al. Further studied C 12 A 7 that includes O 2 − , and used CaCO 3 , Ca (OH) 2 or CaO, and Al 2 O 3 or Al (OH) 3 as raw materials. O 2 − or O − that is an active oxygen species is obtained by baking to 1200 ° C. or more and less than 1415 ° C. in a dry oxidation atmosphere having an oxygen partial pressure of 10 4 Pa or more and a water vapor partial pressure of 10 2 Pa or less to cause a solid phase reaction. C 12 A 7 which is included at a high concentration of 10 20 / cm 3 or more is obtained (see Patent Document 1).
[0011]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-3218
[Problems to be solved by the invention]
However, when C 12 A 7 that contains active oxygen species at a high concentration found by Hosono et al. Is used industrially, there are further problems to be solved.
[0013]
In other words, when C 12 A 7 containing a high concentration of oxygen radicals is applied to an oxidation catalyst or an ion conductor, various functions suitable for each application can be used in order to sufficiently exert the function depending on the use. It needs to be shaped.
[0014]
With respect to the shape products, usually the sintered body with increased strength so as to have a resistance to handling at the time of use is used, a sintered body having a simple shape such as a plate or rod, as a raw material C 12 A 7 powder or a mixed powder of calcium compound-containing powder and aluminum compound-containing powder can be relatively easily manufactured by forming into a predetermined shape using a mold or the like and then firing.
[0015]
On the other hand, depending on the application, for example, it is necessary to produce a sintered body having a complicated shape such as a dish type, a crucible type, a flask type, or a test tube type. In this case, for example, the raw material powder is molded with a mold or the like. Thereafter, a method is often applied in which a calcined body that can be processed by firing at a temperature lower than the sintering temperature is manufactured, and sintered after being processed into a predetermined shape. However, this method is not only complicated with many steps but also uneconomical because a large amount of processing waste is generated, and there are some methods that cannot be processed depending on the shape.
[0016]
In addition, the present inventors have made various means for diversifying the shape of the C 12 A 7 sintered body. For example, the C 12 A 7 powder is suspended in water to form a slurry, and then absorbed in water. Although it is possible to cope with a relatively complicated shape by casting in a mold having the properties of casting, once C 12 A 7 comes into contact with water, not only does it release the oxygen radicals encapsulated, After that, C 12 A 7 could not include high concentration oxygen radicals, so that it was difficult to apply the slurry casting as it was.
[0017]
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and can be applied to oxidation catalysts and ion conductors. It contains a high oxygen radical, and has a complex shape calcium aluminate sintered body with good reproducibility. The purpose is to provide it cheaply.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors, or release oxygen radicals when C 12 A 7 is in contact with the organic solvent, oxygen radicals Noting that no or packaging contact properties is impaired, non-aqueous and C 12 A 7 powder It is suspended in a solvent to form a slurry, which is cast into a slurry, calcined at a predetermined temperature and in an oxygen concentration atmosphere, and then baked at a predetermined temperature and oxygen concentration atmosphere, so that it contains a high concentration of oxygen radicals, a dish type, crucible type, flask type or test tube Recalling that a calcium aluminate sintered body having a complicated shape such as a mold can be manufactured easily and stably, this has been experimentally confirmed, and the present invention has been achieved.
[0019]
That is, in the present invention, a raw material powder containing a Ca / Al molar ratio of 0.77 or more and 0.96 or less is made into a slurry suspended in a non-aqueous solvent, cast into the slurry, and then the oxygen content. Oxygen radical-containing calcium aluminate firing having 12CaO.7Al 2 O 3 (hereinafter referred to as C 12 A 7 ) as a main phase by heating to a melting temperature of 1100 ° C. or higher and under a pressure of 4 × 10 4 Pa or higher. It is a manufacturing method of the calcium aluminate sintered compact characterized by setting it as a ligature.
[0020]
Further, the present invention is characterized in that the raw material powder is obtained by preheating a mixed powder of a calcium compound-containing powder and an aluminum compound-containing powder so that C 12 A 7 is a main phase powder. Calcium aluminate sintered body, preferably having a specific surface area of 1.5 m 2 / g or more and an average particle size of 10 μm or less. It is a manufacturing method of a body.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the calcium aluminate sintered body obtained in the present invention, the main elements are Ca, Al, and oxygen (O), and the main mineral phase is C 12 A 7 .
[0022]
The calcium aluminate sintered body obtained in the present invention can contain unavoidable impurity components other than Ca, Al, and oxygen, depending on the purpose of use, but is applied to oxidation catalysts and ion conductor applications. Is required to have as little impurities as possible and have a high purity, and the total amount of Ca, Al, and oxygen is preferably 95% by mass or more, and more preferably 98% by mass or more.
[0023]
The calcium aluminate sintered body obtained by the present invention, from the constituent element is formed of a single phase or mixed phase composed of various calcium aluminate described later, the main phase is a C 12 A 7 . This is because the calcium aluminate other, 3CaO · Al 2 O 3 (hereinafter, referred to as C 3 A), CaO · Al 2 O 3 ( hereinafter, referred to as CA), CaO · 2Al 2 O 3 (CA 2), CaO.6Al 2 O 3 (CA 6 ) and the like. This is because only C 12 A 7 has the property of including oxygen radicals at a high concentration of 10 20 / cm 3 or more. In the present invention, “C 12 A 7 is the main phase” means that the peak of the maximum peak of C 12 A 7 with respect to the total peak height of the mineral layer in the X-ray diffraction chart. It means that the height is 90% or more.
[0024]
In the present invention, in order to set the main phase of the calcium aluminate sintered body to C 12 A 7 , the molar ratio of Ca and Al contained in the raw material is set in the range of 0.77 to 0.96, What is necessary is just to heat to 1100 degreeC or more. In the range a molar ratio of Ca and Al is other than the above, C 12 the amount of calcium aluminate other than A 7 C 3 A and CA is increased, C calcium aluminate sintered body to be obtained 12 A 7 The amount is reduced, and accordingly, the properties of the calcium aluminate sintered body that include oxygen radicals are impaired.
[0025]
Examples of the Ca source material used as a raw material for the calcium aluminate sintered body of the present invention include limestone (CaCO 3 ), slaked lime (Ca (OH) 2 ), and quicklime (CaO). Examples of the Al source material include alumina (Al 2 O 3 ), aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ), bauxite, and aluminum residual ash. Of these, CaCO 3 and Al 2 O 3 can be particularly preferably used because they are easily available and highly safe.
[0026]
In the present invention, as described above, a raw material powder blended in a predetermined composition or a raw material powder previously formed with C 12 A 7 as a main phase is made into a slurry using a non-aqueous solvent, and this is cast and molded. Then, it is based on the knowledge that a calcium aluminate sintered body containing oxygen radicals in a high concentration can be obtained by sintering under predetermined conditions. The reason for this is not clear, but from the above circumstances, the present inventor found that when C 12 A 7 is produced from the raw material and forms a sintered body, when it comes into contact with a large amount of water even once, 12 a 7 is coupled with the water, are interpreted as the heating conditions for inclusion of oxygen radicals in C 12 a 7 shows that water was the binding is not removed.
[0027]
Nonaqueous solvents that can be used in the present invention include alcohols such as methanol, ethanol, isopropanol, and n-butanol, ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, and cyclohexanone, methyl acetate, ethyl acetate, butyl acetate, and the like. Esters, dioxane, ethers such as tetrahydrofuran, cellosolves such as methyl cellosolve and butyl cellosolve, hydrocarbons such as n-hexane and cyclohexane, chlorinated hydrocarbons such as chloroform and methylene chloride, toluene, xylene and the like Organic solvents such as aromatics can be used. Among these, alcohols, particularly ethanol can be preferably used, and some of ethanol and the like contain water as an azeotropic component, but as long as the object of the present invention is not hindered. This can be used in
[0028]
In the present invention, a calcium aluminate raw material powder (hereinafter simply referred to as “C”), which is previously heated and synthesized from a mixed powder of a calcium compound-containing powder and an aluminum compound-containing powder so that C 12 A 7 is the main phase. 12 A 7 powder), or a mixed powder of calcium compound-containing powder and aluminum compound-containing powder as a raw material, and the non-aqueous solvent, if necessary, using a ball mill or the like to prepare a slurry. Is done. At this time, a slurry having a viscosity suitable for pouring into a mold is prepared by appropriately adjusting the amount ratio of the raw material powder and the organic solvent.
[0029]
The raw material powder used for the slurry adjustment preferably has a specific surface area of 1.5 m 2 / g or more and an average particle size of 10 μm or less. This is because the raw material powder having a specific surface area of less than 1.5 m 2 / g or an average particle diameter of more than 10 μm is likely to settle, and may not be uniformly embedded in the mold during casting. The mold having liquid absorbency used in the present invention may be made of any material as long as it can absorb a non-aqueous solvent from the slurry and obtain a molded body having a desired shape. Since it is inexpensive and easily available, gypsum can be preferably used.
[0030]
The casting molding method is either a waste mud casting method in which excess slurry is discharged after solid content of a predetermined thickness has been deposited on the mold surface, or a solid casting method in which all solid content is deposited in the mold. Also good. After the inking, the cast body is dried at a temperature slightly lower than the boiling point of the organic solvent, and the molded body is obtained by removing the mold from the mold after drying.
[0031]
A binder such as nitrocellulose, polyacrylic acid ester, polyvinyl butyral, polymethacrylic acid ester, or ethyl cellulose is used as necessary to impart strength to the molded article during and after demolding. Among these, polyvinyl butyral can be preferably used. These binders can be used by dissolving in an organic solvent in advance.
[0032]
The sintered body obtained in the present invention is produced by firing the molded body at 1100 ° C. or more, preferably 1200 ° C. or more and the melting temperature or less. If the sintering temperature is equal to or higher than the melting temperature, the sintered body melts and deforms irregularly, or once melted, oxygen radical inclusion becomes difficult. The melt temperature, C 12 A 7 powder as the raw material, the calcium compound-containing powder, aluminum compound containing powder of particle size will vary depending on the heating atmosphere, it is usually about from 1380 to 1,420 ° C..
[0033]
In the present invention, C 12 A 7 in the calcium aluminate sintered body is clathrated with a high concentration of oxygen radicals, and the molded body is sintered to form a calcium aluminate sintered body. A non-melting temperature range of 1100 ° C. or higher is specified in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 4 × 10 4 Pa or higher.
[0034]
If the heating for inclusion of oxygen radicals is once after C 12 A 7 is formed, as in calcium aluminate powder, any stage during powdering, green firing or after sintering You can go there. However, when applied after sintering, a phase different from C 12 A 7 , such as C 3 A or CA, is generated near the surface of the sintered body, and oxygen enters C 12 A 7 inside the sintered body. May be hindered. In order to prevent this phenomenon, the surface of the sintered body may be ground and polished to remove C 3 A and CA and expose C 12 A 7 to the surface.
[0035]
In addition, when separately performing an operation to sinter the molded body to obtain a calcium aluminate sintered body and a heating operation to include high concentration oxygen radicals in C 12 A 7 in the calcium aluminate sintered body, The former can be performed in the atmosphere.
[0036]
【Example】
(Example) Calcium carbonate (CaCO 3 ) powder and alumina (γ-Al 2 O 3 ) powder were mixed so that the molar ratio of Ca and Al was 0.82. A white powder was obtained by firing for a period of time. This was cooled, wet-pulverized in ethanol using a ball mill, and dried to obtain a powder having a specific surface area of 2.1 m 2 / g and an average particle diameter of 4.0 μm. This powder was confirmed by X-ray diffraction measurement to contain C 12 A 7 as a main component and slightly contain CA.
[0037]
The powder, ethanol, and polyvinyl butyral (# 3000-K, manufactured by Denki Kagaku Kogyo) were blended at a mass ratio of 100: 100: 0.5, and mixed with a ball mill for 1 hour to prepare a slurry. . The slurry was cast into a test tube-shaped gypsum mold having a diameter of 20 mm and a depth of 300 mm, and cast molding was performed by an exhaust mud casting method in which excess slurry was discharged. The cast body was dried at 70 ° C. for 1 day and then demolded to obtain a molded body.
[0038]
The molded body was sintered by heating in the atmosphere at 1370 ° C. for 3 hours. The obtained sintered body has a test tube shape with an outer diameter of 16.4 mm, an inner diameter of 13 mm, and a length of 230 mm. The color is light brown, and it is confirmed again by X-ray diffraction measurement that C 12 A 7 is a main component. did. The bulk density was measured by the method of JIS R 1634, and the relative density was calculated to be 97%.
[0039]
The sintered body was further heated at 1250 ° C. for 2 hours in an atmosphere with an oxygen partial pressure of 5.8 × 10 4 Pa. After cooling, a part of the sintered body was pulverized, and an ESR spectrum at room temperature and 77 K was measured. , O 2 from the intensity of the respective absorption band - ion radicals and O - was determined the concentration of ions radicals were respectively 4 × 10 20 cm -3.
[0040]
(Comparative Example) As a comparative example, the C 12 A 7 powder obtained in the example was used, water was used instead of ethanol, and polyvinyl alcohol was used instead of polyvinyl butyral. Slurry was produced, cast and molded, dried and sintered to obtain a sintered body. The obtained sintered body has a test tube shape with an outer diameter of 16.8 mm, an inner diameter of 13.2 mm, and a length of 235 mm, and is white in color. This is mainly composed of CA and C 3 A by X-ray diffraction measurement. It was found that only a small amount of C 12 A 7 was produced.
[0041]
This sintered body further in the same manner as in Example were heated under an atmosphere of an oxygen partial pressure of 5.8 × 10 4 Pa, after cooling, O 2 by measuring the ESR spectrum - ion radicals and O - concentration of ion radicals Were found to be below the detection limit (1 × 10 18 cm −3 ), respectively.
[0042]
【The invention's effect】
According to the present invention, a calcium aluminate sintered body containing oxygen radicals in a high concentration and having a complicated shape, for example, a dish shape, a crucible shape, a flask shape, or a test tube shape, can be stabilized. And since it can provide easily, application to the new use of an oxygen radical containing calcium aluminate sintered compact is attained, and it is very useful industrially.
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