JP5164072B2 - Manufacturing method of vanadate glass - Google Patents
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Description
【技術分野】
【0001】
本発明は、電極材料等として好適に用いられるバナジン酸塩ガラスの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来より、サーミスタ等として用いられるガラス半導体として、バナジウムを主成分や副成分とするバナジン酸塩ガラスが開発されている。バナジン酸塩ガラスは、酸化バナジウムに、五酸化二リン,酸化カリウムや酸化ナトリウム等のアルカリ金属酸化物,酸化バリウム等のアルカリ土類酸化物,酸化セリウム,酸化スズ,酸化鉛,酸化銅等を加えてガラス化したものが知られている。バナジン酸塩ガラスは通常のイオン伝導性の酸化物系ガラスとは異なり電子伝導性を示すため、比較的高い電気伝導度を有しているが、酸化バナジウム,五酸化二リン,アルカリ土類酸化物等の溶融物を急冷する通常の方法でガラスを製造したのでは、室温における電気伝導度が10−5S・cm−1程度のものしか得られなかった。そのため、バナジン酸塩ガラスはサーミスタやヒーター等の特定の用途にしか適用されていなかった。
そこで、本発明者は、バナジン酸塩ガラスの室温における電気伝導度を向上させることを目的として「酸化バナジウムを含む混合物を加熱溶融したのち急冷してガラス組成物を得た後、ガラス組成物のガラス転移温度以上、結晶化温度以下のアニーリング処理の温度に所定時間保持させるバナジン酸塩ガラスの製造方法」を開発し特許出願した(特許文献1)。
【特許文献1】
特開2003−34548号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかしながら、特開2003−34548号公報(特許文献1)に記載の発明は、以下のような点に改善の余地が残されていた。
(1)(特許文献1)に開示の技術で製造されたバナジン酸塩ガラスの室温における電気伝導度は10−4〜10−1S・cm−1程度であったため、電極材料等に用途を拡大するために10−1S・cm−1以上の高電気伝導度を有するバナジン酸塩ガラスが要求されていた。
(2)アニーリング処理の温度に保持する時間によって、バナジン酸塩ガラスの電気伝導度がばらつくことがあったため、アニーリング処理の温度に保持する時間が変動しても電気伝導度の変動の少ない生産安定性に優れるバナジン酸塩ガラスが要求されていた。
(3)高電気伝導度を有するバナジン酸塩ガラスの生産安定性を高め製品得率を高めるため、バナジン酸塩ガラスの電気伝導度を10−4S・cm−1以上の領域で精度よく設計し制御する技術が要求されていた。
[0004]
本発明は上記の要求を満足させるもので、室温において10−1S・cm−1以上の高電気伝導度を有するバナジン酸塩ガラスを製造できるとともに、所定の温度領域に30分程度の短時間保持しただけでも電気伝導度を飛躍的に高めることができ、また所定の温度領域での保持時間が変動しても電気伝導度の変動が少なく生産安定性や品質の安定性に著しく優れ、さらに室温における電気伝導度の大きさを10−4S・cm−1以上の領域で精度良く設計し制御することができ製品得率を高めることができるバナジン酸塩ガラスの製造方法を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
【0005】
上記従来の課題を解決するために本発明のバナジン酸塩ガラスの製造方法は、以下の構成を有している。
本発明の請求項1に記載のバナジン酸塩ガラスの製造方法は、バナジウムを主成分又は副成分とするバナジン酸塩ガラスの製造方法であって、バナジウム、バリウム及び鉄を含有する組成物をガラス化し酸化物ガラスを製造するガラス化工程と、前記酸化物ガラスを、前記酸化物ガラスの示差熱分析(DTA)による結晶化の発熱ピークの内、最も高温の発熱ピーク温度を超えて融点以下の温度領域に所定時間保持する再加熱工程と、を備えた構成を有している。
この構成により、以下のような作用が得られる。
(1)酸化物ガラスを酸化物ガラスの最も高温の発熱ピーク温度を超えて融点以下の温度領域に所定時間保持する再加熱工程を備えているので、酸化物ガラス中の電子をエネルギー的に高い準位に分布させて、室温において10-1S・cm-1以上の高電気伝導度を有するバナジン酸塩ガラスを製造できるとともに、所定の温度領域に30分程度の短時間保持しただけでも電気伝導度を飛躍的に高めることができ、さらに所定の温度領域での保持時間が変動しても電気伝導度の変動が少なく生産安定性に著しく優れる。
(2)再加熱工程における加熱時間や保持時間等を変えることにより、室温におけるバナジン酸塩ガラスの電気伝導度の大きさを10-4S・cm-1以上の領域で精度良く設計し制御することができ製品得率を高めることができる。
(3)バナジウム、バリウム、鉄の原子が3次元的に関連しあったガラス骨格を形成させることができ、電子ホッピングによる高い電気伝導度を発現させることができる。
(4)ガラス骨格中に4価と5価のバナジウムと3価の鉄を配置できるので、電子ホッピングの確率が高められ電気伝導度を高めることができる。
【0006】
ここで、バナジン酸塩ガラスとしては、バナジウムの他、カリウムやナトリウム等のアルカリ金属、バリウム,マグネシウム等のアルカリ土類金属、セリウム,スズ,鉛,銅,鉄等のうちの1種若しくは複数種の構成原子を有する公知のガラスが用いられる。ガラス半導体であるバナジン酸塩ガラスでは、バナジウムや鉄等の遷移金属イオン間を電子がホッピングすることによって導電性を発現する。
本発明の再加熱工程では、酸化物ガラスを結晶化温度より高温で融点以下の温度領域に保持するのに対し、特開2003−34548号公報(特許文献1)のアニーリング処理では、酸化物ガラスをガラス転移温度以上、結晶化温度以下に保持するので、本発明の再加熱工程において酸化物ガラスに与えられる熱エネルギーは、(特許文献1)のアニーリング処理の場合に酸化物ガラスに与えられる熱エネルギーより大きい。そのため、酸化物ガラス中の電子はエネルギー的に高い準位に分布することになり、電子をホッピングさせるために必要な熱エネルギー(活性化エネルギー)を(特許文献1)の場合より小さくできるので、電気伝導度を高くできるのではないかと推察している。また、再加熱工程において酸化物ガラスの結晶化温度より高温で所定時間保持することによって、(特許文献1)と同様にガラス骨格の歪みを取り除き、電子がホッピングする活性化エネルギー(バンドギャップ)を小さくすることもできるので、この結果、電気伝導度を高くすることができると推察している。
なお、バナジン酸塩ガラスの結晶が絶縁性の場合には、バナジン酸塩ガラスが結晶化すると電気伝導度は低下する。そのため、再加熱工程において酸化物ガラスの結晶化温度より高温で長時間保持すると、絶縁性結晶が析出し電気伝導度が次第に低下してしまう。そこで、再加熱工程では、バナジン酸塩ガラスの結晶が析出して電気伝導度が低下する前に結晶化温度未満に冷却する必要がある。
【0007】
結晶化温度や融点は、酸化物ガラスを示差熱分析(DTA)や示差走査熱量測定(DSC)等により実測することによって求めることができる。また、推定される構成成分の状態図を用いた熱力学的計算等を行うことで求めることもできる。
示差熱分析(DTA)によって結晶化温度を求める場合、結晶化の発熱ピークの中心点又は裾の高温側測点温度における温度を結晶化温度とする。また、示差熱分析(DTA)によって融点を求める場合、結晶化温度より高温における吸熱ピークの中心点における温度を融点とする。
【0008】
ガラス化工程において組成物をガラス化する手段としては、結晶質固体の混合物等の組成物を液体や気体に変えたのち、結晶化させないでガラス転移温度以下の固体である酸化物ガラスにできるものであれば特に制限されない。例えば、結晶質固体の混合物等の組成物を加熱溶融したのち急冷することで酸化物ガラスを得ることができる。また、結晶質固体の混合物等の組成物を、蒸着法,スパッタ法,グロー放電法等で一旦、蒸気状態にすることでも酸化物ガラスを得ることができる。また、ゾルゲル法等のようにゲルを経ることによっても酸化物ガラスを得ることができる。
【0009】
酸化物ガラスの再加熱工程において結晶化温度を超えて融点以下の温度領域に保持する手段としては、例えば、電気炉等を予め再加熱温度に設定しておき炉内の温度が一定になったところで、酸化物ガラスを炉内に入れ、目標とする時間が経過したら直ちに電気炉等から酸化物ガラスを取り出し、空気や水,氷水等の流体、冷却した銅板やステンレス板,銅製やステンレス製等のローラ等の部材で冷却するものが用いられる。あるいは、上記酸化物ガラスを電気炉等の炉内で一定時間再加熱後、炉内の温度を徐々に下げたり炉内の加熱源から少しずつ遠ざけたりして酸化物ガラスを炉内で放冷するものが用いられる。再加熱するための炉内は空気、窒素,アルゴン等の不活性ガス雰囲気等にすることができる。
【0010】
再加熱工程における保持時間は、再加熱工程を経た酸化物ガラスの電気伝導度が高くなるように適宜最適な時間に設定することができる。保持時間は、酸化物ガラスの組成や熱容量、再加熱温度によっても異なるが、例えば1〜180分に設定される。保持時間が1分より短くなると、酸化物ガラスに与えられる熱エネルギーが小さいため、電気伝導度の増加率が小さく、また増加率にばらつきがみられ、180分より長くなると、結晶が析出したり溶融したりすることにより電気伝導度が低下することがあるとともに生産性が低下するため、いずれも好ましくない。
【0011】
再加熱工程における加熱温度が酸化物ガラスの結晶化温度以下になると、酸化物ガラスに与えられる熱エネルギーが小さいため、電気伝導度の増加率が小さく、また増加率にばらつきが生じることがあり、加熱温度が酸化物ガラスの融点以上になると、酸化物ガラスの溶融や結晶の析出が促進されるので電気伝導度が低下するため、いずれも好ましくない。
【0012】
酸化物ガラス(バナジン酸塩ガラス)の25℃の室温における電気伝導度は、例えば、厚さが1mm以下のガラス片から成る試料に銀ペーストを塗り乾燥させた後、銀入り半田を用いて電極を形成し、直流二端子法又は直流四端子法によって求めることができる。
【0013】
このようにして求めた再加熱工程前の酸化物ガラス(バナジン酸塩ガラス)の25℃における電気伝導度は、10−8〜10−4S・cm−1好ましくは10−6〜10−4S・cm−1の範囲にあるのが好ましい。電気伝導度が10−6S・cm−1より低くなるにつれ、再加熱工程を経ても実用レベルまで電気伝導度を向上させることが困難になる傾向がみられ、10−8S・cm−1より低くなると、この傾向が著しくなるため好ましくない。再加熱工程前の酸化物ガラスの電気伝導度を10−4S・cm−1より高くするのは、ガラス酸化物の組成やガラス化工程の温度履歴等が制約され生産性に欠けるとともに生産安定性に欠けるため好ましくない。
再加熱工程を経た酸化物ガラス(バナジン酸塩ガラス)の電気伝導度は、25℃の室温において10−4〜1S・cm−1好ましくは10−3〜1S・cm−1の範囲に向上させることができる。電気伝導度が10−3S・cm−1より小さくなるにつれ、バナジン酸塩ガラスをサーミスタや発熱体に適用した場合には消費電力が増加し省エネルギー性に欠ける傾向がみられ、静電気による静電破壊の防止部材に適用した場合には帯電防止効果が低下する傾向がみられ、さらに、プラズマの放電電極に適用した場合には放電し難くなる傾向がみられる。特に、電気伝導度が10−4S・cm−1より小さくなると、これらの傾向が著しくなるため好ましくない。
【0014】
なお、バナジン酸塩ガラスは、AgI、NaI、Ag、Ag2O、In2O3、SnO、SnO2等の添加剤が添加されたものでもよい。添加剤の効果によって電気伝導度を高めることができるからである。また、AgI、NaI、Ag等に加えてCeO2等の還元防止剤を添加してもよい。これにより、AgI、NaI、Ag等の添加剤が還元されるのを防止して高い電気伝導度を維持できる。
【0016】
ここで、酸化物ガラス中の酸化バリウム(BaO)、酸化バナジウム(V2O5)、酸化鉄(Fe2O3)の比率は、ガラス転移現象を示すような酸化物ガラスが得られるのであれば特に限定されるものではないが、特に、酸化物ガラス中の酸化バリウム(B)の酸化バナジウム(V)に対するモル比(B:V)は、5:90〜35:50にするのが好ましい。
これにより、以下のような作用が得られる。
(1)ガラス化工程においてバナジウムを主骨格とした3次元構造のガラス骨格を形成できるので、再加熱工程において電気伝導度を飛躍的に高めることができる。
(2)再加熱工程前における酸化物ガラスの電気伝導度のばらつきが少なくなるとともに再加熱工程において結晶化し難いので、再加熱工程後の酸化物ガラスの電気伝導度を所定範囲に収めることができ生産安定性に優れる。
ここで、モル比(B:V)が5:90より小さくなると、3次元構造のガラス骨格を形成させるのが困難になるとともに均質な酸化物ガラスが得られ難くなり、モル比(B:V)が35:50より大きくなるとガラス化が困難になり、再加熱工程において結晶化し易くなり良好な導電性が発現されなくなるため好ましくない。
【0017】
また、酸化物ガラス中の酸化鉄(F)の酸化バナジウム(V)に対するモル比(F:V)は、5:90〜15:50にするのが好ましい。
これにより、以下のような作用が得られる。
(1)ガラス化工程においてバナジウムを主骨格とした3次元構造のガラス骨格を形成できるので、再加熱工程において電気伝導度を飛躍的に高めることができる。
(2)光透過性等の光学特性がある程度維持されるので、薄膜やファイバー化することによって光学素子としても用いることができる。
ここで、モル比(F:V)が5:90より小さくなるとガラス化し難くなり、モル比(F:V)が15:50より大きくなると、光透過性等の光学特性が低下するとともに均質な酸化物ガラスが得られ難くなるので、いずれも好ましくない。
【0018】
また、酸化物ガラス中の酸化バナジウム(V2O5),酸化バリウム(BaO),酸化鉄(Fe2O3)の3成分系における酸化バナジウム(V2O5)は、40〜98モル%好ましくは60〜85モル%が好適である。60モル%より少なくなるにつれ、バナジウムを主骨格とするガラス骨格を維持させるのが困難になるうえ高い電気伝導度を得ることが困難になる傾向がみられ、85モル%より多くなるにつれ、相対的に副成分の含有量が減るため、副成分による電気伝導度や機械的特性等の調整機能が低下する傾向がみられる。特に、40モル%より少なくなるか98%より多くなると、これらの傾向が著しいためいずれも好ましくない。
酸化物ガラス中の上記3成分系における酸化バリウム(BaO)は、1〜40モル%好ましくは10〜30モル%が好適である。10モル%より少なくなるにつれ均質なガラス化が困難になる傾向がみられ、30モル%より多くなるにつれ機械的強度が低下しガラス化し難くなる傾向がみられる。特に、1モル%より少なくなるか40モル%より多くなると、これらの傾向が著しいためいずれも好ましくない。
酸化物ガラス中の上記3成分系における酸化鉄(Fe2O3)は、1〜20モル%好ましくは5〜20モル%が好適である。5モル%より少なくなるにつれ、鉄の価電子による電子ホッピングへの寄与が低下し電気伝導度が向上し難くなる傾向がみられ、1モル%より少なくなるとこの傾向が著しくなるため好ましくない。また、20モル%より多くなると光透過性等の光学特性等が大幅に低下するため好ましくない。
特に、酸化バナジウム(V2O5)、酸化バリウム(BaO)、酸化鉄(Fe2O3)のモル比が、それぞれ60〜85モル%、10〜30モル%、5〜20モル%の範囲にあると、酸化物ガラスを再加熱することによって、室温における電気伝導度を数桁以上上昇させて10−1S・cm−1以上にすることができ、サーミスタや発熱体、各種電極材料、帯電防止材等として優れた特性を発現させることができる。
【0019】
本発明の請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のバナジン酸塩ガラスの製造方法であって、前記組成物が、酸化バナジウム、酸化バリウム及び酸化鉄を含有する混合物であり、前記酸化物ガラスが、前記混合物を加熱溶融したのち急冷されて得られたものである構成を有している。
この構成により、請求項1で得られる作用に加え、以下のような作用が得られる。
(1)酸化バナジウム、酸化バリウム及び酸化鉄を含有する混合物を加熱溶融したのち急冷して酸化物ガラスを得るので、低コストで量産可能で生産性に優れる。
【0020】
ここで、酸化バナジウムとしては、一酸化バナジウム(VO)、三酸化二バナジウム(V2O3)、二酸化バナジウム(VO2)、五酸化二バナジウム(V2O5)等を用いることができ、特に、五酸化二バナジウム(V2O5)が好適に用いられる。酸化バリウムの添加によって3次元構造のガラス骨格が形成され易いからである。
酸化バリウムとしては、酸化バリウム(BaO)、過剰酸素を含む固溶体の酸化バリウム、過酸化バリウム等が用いられるが、酸化バリウム(BaO)が一般的である。また、炭酸バリウムや蓚酸バリウム等を用いると、加熱溶融によって分解し酸化物ガラス中にBaOが残存し網目修飾イオンの役割を果たす。
酸化鉄としては、一酸化鉄(FeO)、三酸化二鉄(Fe2O3)、四酸化三鉄(Fe3O4)等が用いられる。
【0021】
なお、酸化バナジウム、酸化バリウム、酸化鉄の他、第2成分として酸化レニウム(ReO3),銀(Ag)等を添加することもできる。これにより、電気伝導度をさらに向上させることができる。酸化レニウム等の第2成分の添加量は、混合物100質量部に対し15質量部以下であることが好ましい。第2成分の添加量が15質量部を超えると、バナジウムを主骨格とするガラス骨格が形成できなくなるからである。
発明の効果
【0022】
以上のように、本発明のバナジン酸塩ガラスの製造方法によれば、以下のような有利な効果が得られる。
請求項1に記載の発明によれば、
(1)ガラス転移温度以下の酸化物ガラスを、酸化物ガラスの最も高温の発熱ピーク温度より高温で酸化物ガラスの融点以下の温度領域に所定時間保持する再加熱工程を備えているので、10-1S・cm-1以上の高電気伝導度を有するバナジン酸塩ガラスを製造できるとともに、所定の温度領域に30分程度の短時間保持しただけでも電気伝導度を飛躍的に高めることができ、さらに所定の温度領域での保持時間が変動しても電気伝導度の変動が少なく生産安定性に著しく優れたバナジン酸塩ガラスの製造方法を提供できる。
(2)再加熱工程における加熱時間や保持時間等を変えることにより、室温におけるバナジン酸塩ガラスの電気伝導度の大きさを10-4S・cm-1以上の領域で精度良く設計し制御することができ製品得率を高めることができるバナジン酸塩ガラスの製造方法を提供できる。
(3)バナジウム、バリウム、鉄の原子が3次元的に関連しあったガラス骨格を形成させることができ、電子ホッピングによる高い電気伝導度を発現できるバナジン酸塩ガラスの製造方法を提供できる。
(4)ガラス骨格中に4価と5価のバナジウムと3価の鉄を配置できるので、電子ホッピングの確率が高められ高い電気伝導度を発現できるバナジン酸塩ガラスの製造方法を提供できる。
【0024】
請求項2に記載の発明によれば、請求項1の効果に加え、
(1)酸化バナジウム、酸化バリウム及び酸化鉄を含有する混合物を加熱溶融したのち急冷して酸化物ガラスを得るので、低コストで量産可能で生産性に優れたバナジン酸塩ガラスの製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
[0025]
[図1]実験例1〜3の酸化物ガラスの示差熱分祈結果
【図2】ガラス転移温度以下に冷却した実験例1〜3の酸化物ガラスの再加熱前後の電気伝導度をプロットした図
【図3】実験例2の酸化物ガラスの再加熱温度、再加熱時間と電気伝導度との関係を示す図・
【発明を実施するための最良の形態】
【0026】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(実験例1)
酸化バリウム(BaO)が10モル%、五酸化二バナジウム(V2O5)が80モル%、三酸化二鉄(Fe2O3)が10モル%で全量が10gになるように試薬特級の各試薬を秤量し、メノウ乳鉢で混合したのち白金るつぼに入れ、白金るつぼに入れた混合物を1000℃に昇温した電気炉内で大気中90分間加熱して溶融させた。溶融物を厚さ10mmのステンレス板の上に流し出してガラス転移温度以下まで急冷し、実験例1の酸化物ガラスを得た。
(実験例2)
酸化バリウム(BaO)が20モル%、五酸化二バナジウム(V2O5)が70モル%、三酸化二鉄(Fe2O3)が10モル%で全量が10gになるように試薬特級の各試薬を秤量した以外は実験例1と同様にして、実験例2の酸化物ガラスを得た。
(実験例3)
酸化バリウム(BaO)が30モル%、五酸化二バナジウム(V2O5)が60モル%、三酸化二鉄(Fe2O3)が10モル%で全量が10gになるように試薬特級の各試薬を秤量した以外は実験例1と同様にして、実験例3の酸化物ガラスを得た。
【0027】
(実験例1〜3の酸化物ガラスの示差熱分析結果)
実験例1〜3の酸化物ガラスの示差熱分析(DTA)を行った。示差熱分析(DTA)の条件は、基準物質にαアルミナを使用し窒素雰囲気中で10℃/分の昇温速度であった。
図1は実験例1〜3の酸化物ガラスの示差熱分析結果である。
図1から、酸化バリウムのモル比が増え五酸化二バナジウムのモル比が少なくなるにつれガラス転移温度(Tg)及び結晶化温度(Tc)が上昇しており、結晶化温度Tcは、実験例1では362℃、実験例2では392℃(最も高温の発熱ピーク温度は約470℃)、実験例3では433℃であった。結晶化温度(Tc)を超えた温度域でみられる鋭い吸熱ピークは融点を示しており、融点は、実験例1では600℃以上、実験例2では540℃、実験例3では563℃であった。
[0028]
(再加熱温度と電気伝導度との関係)
ガラス転移温度以下に冷却した実験例1〜3の酸化物ガラスを大気中、350℃,400℃,500℃,550℃の各温度で1時間再加熱し、再加熱前後の酸化物ガラスの25℃における電気伝導度を直流4端子法で測定した。
図2はガラス転移温度以下に冷却した実験例1〜3の酸化物ガラスの再加熱前後の電気伝導度をプロットした図である。図2において、横軸は再加熱温度(℃)を示し、縦軸は25℃における電気伝導度σ(S・cm−1)を示している。
図2から、実験例1の酸化物ガラスを、結晶化温度(362℃)を超え融点(600℃以上)以下の温度である500〜550℃で1時間再加熱した場合、25℃における電気伝導度を再加熱前と比較して約4桁高めることができた。
なお、図2中、400℃で1時間再加熱した場合の電気伝導度は再加熱前と変わらなかったが、400℃で2時間再加熱することで、室温(25℃)における電気伝導度を10−3S・cm−1程度にすることができた。実験例1の酸化物ガラスでは、再加熱温度が400℃の場合の保持時間は1時間では短かったものと思われる。
また、図2から、実験例2の酸化物ガラスを、結晶化温度(392℃)を超え融点(540℃)以下の温度である400〜500℃で1時間再加熱した場合、25℃における電気伝導度を10−3S・cm−1以上の高い電気伝導度にすることができた。特に、最も高温の発熱ピーク温度(約470℃)より高い500℃で再加熱した場合は10−1S・cm−1以上の高い電気伝導度を実現することができた。なお、融点(540℃)より高い550℃で1時間再加熱した場合は、一部が結晶化してしまった。
また、図2から、実験例3の酸化物ガラスを、結晶化温度(433℃)を超え融点(563℃)以下の温度である500℃で再加熱した場合、25℃における電気伝導度を10−2S・cm−1以上の高い電気伝導度にすることができた。
なお、融点(563℃)に近い550℃で1時間再加熱した場合は一部が結晶化してしまったため、550℃で再加熱した酸化物ガラスの電気伝導度はプロットしていない。五酸化二バナジウムに対する酸化バリウムのモル比が増加したためであると推察される。保持時間を短縮して550℃で0.5時間再加熱することにより、結晶化することもなく25℃における電気伝導度を10−2S・cm−1程度にすることができた。
以上のことから、酸化物ガラス(バナジン酸塩ガラス)を、結晶化温度を超え融点以下の温度領域に保持する再加熱工程を経ることで、室温(25℃)における電気伝導度を飛躍的に高めることができることが明らかになった。また、結晶の析出や溶融が顕著に起こらない温度範囲であれば、再加熱温度が高いほど電気伝導度が向上することがわかった。また、再加熱温度が高くなると保持時間は短くてよいこともわかった。これらの現象から、結晶化温度を超えて融点以下の再加熱によって電気伝導度が向上するメカニズムは、電子の活性化エネルギーに起因していると考えられる。
[0029]
なお、これらの実験例以外にも、酸化バナジウム(V2O5)、酸化バリウム(BaO)、酸化鉄(Fe2O3)のモル比がそれぞれ40〜98モル%、1〜40モル%、1〜20モル%の範囲になるように種々の酸化物ガラスを調製し、各々の結晶化温度と融点を求め、再加熱工程前後の室温における電気伝導度を測定したところ、これらの実験例と同様に再加熱工程を経ることによって電気伝導度が上昇することが確認された。
また、酸化バナジウム(V2O5),酸化バリウム(BaO),酸化鉄(Fe2O3)の混合物を溶融冷却して製造した酸化物ガラスだけでなく、酸化バナジウム(V2O5),五酸化二リン(P2O5),酸化バリウム(BaO)の混合物を溶融冷却して製造した酸化物ガラス、酸化バナジウム(V2O5),酸化カリウム(K2O),酸化鉄(Fe2O3)の混合物を溶融冷却して製造した酸化物ガラスでも、再加熱工程を経ることによって電気伝導度が上昇することが確認された。
以上のことから、本発明の製造方法は、バナジウムを主成分又は副成分とするバナジン酸塩ガラスに広く適用でき汎用性が高いものであるといえる。
[0030]
(再加熱時間と電気伝導度の関係)
(実施例1)
ガラス転移温度以下に冷却した実験例2の酸化物ガラスを大気中、最も高温の発熱ピーク温度(約470℃)を超え融点(540℃)以下の温度である500℃で再加熱し、炉内から一定時間毎に取り出して25℃における電気伝導度を測定した。
(実施例2)
ガラス転移温度以下に冷却した実験例2の酸化物ガラスを大気中、結晶化温度(392℃)を超え融点(540℃)以下の温度である400℃で再加熱し、炉内から一定時間毎に取り出して25℃における電気伝導度を測定した。
(比較例1)
ガラス転移温度以下に冷却した実験例2の酸化物ガラスを大気中、ガラス転移温度(328℃)以上、結晶化温度(392℃)以下の温度である350℃で再加熱し、炉内から一定時間毎に取り出して25℃における電気伝導度を測定した。この再加熱条件は、特開2003−34548号公報(特許文献1)に記載されたアニーリング条件(ガラス転移温度以上、結晶化温度以下の温度領域に保持する条件)である。
【0031】
図3は実験例2の酸化物ガラスの再加熱温度、再加熱時間と電気伝導度との関係を示す図である。図3において、横軸は再加熱温度における保持時間、縦軸は25℃における電気伝導度σ(S・cm−1)を示している。
ガラス転移温度以下に冷却した実験例2の酸化物ガラスを大気中、結晶化温度(392℃)を超え融点(540℃)以下の温度で再加熱した実施例1及び2では、わずか30分間の再加熱で電気伝導度を3桁以上も向上させることができ、再加熱を続けても電気伝導度がほとんど変動しないことが確認された。また、実施例2より再加熱温度の高い実施例1の方が、電気伝導度を高くできることが確認された。
一方、ガラス転移温度(328℃)以上、結晶化温度(392℃)以下の温度で再加熱した比較例1では、再加熱温度における保持時間が増加するにつれて電気伝導度が増加し、180分以上保持しなければ電気伝導度を一定値にできないことが確認された。また、比較例1の電気伝導度は、実施例1及び2の電気伝導度より一桁以上低いことが確認された。
以上のことから、本実施例によれば、再加熱温度に保持する時間によって電気伝導度がばらつくことがなく、所定の温度領域に30分程度の短時間保持しただけでも電気伝導度を飛躍的に高めることができ、さらに保持時間が変動しても電気伝導度の変動が少なく生産安定性に著しく優れることが明らかになった。また、再加熱工程における加熱時間等を変えることにより、室温におけるバナジン酸塩ガラスの電気伝導度の大きさを10−4S・cm−1以上の領域で精度良く設計し制御できることが明らかになった。
【産業上の利用可能性】
【0032】
本発明は、電極材料等として好適に用いられるバナジン酸塩ガラスの製造方法に関し、10−1S・cm−1以上の高電気伝導度を有するバナジン酸塩ガラスを製造できるとともに、所定の温度領域に30分程度の短時間保持しただけでも電気伝導度を飛躍的に高めることができ、さらに所定の温度領域での保持時間が変動しても電気伝導度の変動が少なく生産安定性や品質の安定性に著しく優れ製品得率を高めることができ、サーミスタや発熱体、帯電防止材料だけでなく、SED(Surface-conduction Electron-emitter Display)に用いられる表面伝導型電子放出素子(SCE:Surface-Conduction Electron-emitter)の微細な電子放出用電極、放電電極などの各種電極材料等の製品化のために最適なバナジン酸塩ガラスの製造方法を提供できる。【Technical field】
[0001]
The present invention relates to a method for producing a vanadate glass suitably used as an electrode material or the like.
[Background]
[0002]
Conventionally, vanadate glass containing vanadium as a main component or a subcomponent has been developed as a glass semiconductor used as a thermistor or the like. Vanadate glass consists of vanadium oxide, diphosphorus pentoxide, alkali metal oxides such as potassium oxide and sodium oxide, alkaline earth oxides such as barium oxide, cerium oxide, tin oxide, lead oxide, and copper oxide. In addition, those that are vitrified are known. Vanadate glass has a relatively high electrical conductivity because it exhibits electronic conductivity, unlike ordinary ion-conducting oxide-based glasses, but vanadium oxide, phosphorous pentoxide, alkaline earth oxidation When glass is produced by a normal method of rapidly cooling a melt such as a product, the electrical conductivity at room temperature is 10-5S · cm-1Only a moderate amount was obtained. Therefore, vanadate glass has been applied only to specific applications such as thermistors and heaters.
Therefore, the present inventor aims to improve the electrical conductivity at room temperature of the vanadate glass, “after heating and melting a mixture containing vanadium oxide and then rapidly cooling to obtain a glass composition, A method for producing a vanadate glass that is maintained at a temperature of an annealing treatment not lower than the glass transition temperature and not higher than the crystallization temperature for a predetermined time was developed and patented (Patent Document 1).
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-34548
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0003]
However, the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-34548 (Patent Document 1) has room for improvement in the following points.
(1) The electrical conductivity at room temperature of the vanadate glass produced by the technique disclosed in
(2) Since the electrical conductivity of the vanadate glass may vary depending on the holding time at the annealing treatment temperature, stable production can be achieved with little fluctuation in the electrical conductivity even if the holding time at the annealing treatment temperature varies. There has been a demand for vanadate glass having excellent properties.
(3) In order to increase the production stability of the vanadate glass having high electrical conductivity and increase the product yield, the electrical conductivity of the vanadate glass is set to 10-4S · cm-1There has been a demand for a technique for designing and controlling with high accuracy in the above-described region.
[0004]
The present invention satisfies the above requirements, and at room temperature 10-1S · cm-1The vanadate glass having the above high electrical conductivity can be produced, and the electrical conductivity can be drastically increased even if it is kept in the predetermined temperature range for a short time of about 30 minutes. Even when the holding time varies, the electrical conductivity does not vary so much and the production stability and quality stability are remarkably excellent. Furthermore, the electrical conductivity at room temperature is 10-4S · cm-1An object of the present invention is to provide a method for producing a vanadate glass that can be designed and controlled with high accuracy in the above-described region and can increase the product yield.
Means for solving the problem
[0005]
In order to solve the above conventional problems, the method for producing vanadate glass of the present invention has the following configuration.
The method for producing a vanadate glass according to
With this configuration, the following effects can be obtained.
(1) Since the oxide glass is provided with a reheating step for maintaining the oxide glass in a temperature range exceeding the highest heat generation peak temperature of the oxide glass and below the melting point for a predetermined time, the electrons in the oxide glass are energetically high. 10 levels at room temperature.-1S · cm-1The vanadate glass having the above high electrical conductivity can be produced, and the electrical conductivity can be dramatically increased even if it is kept in a predetermined temperature range for a short time of about 30 minutes. Even if the holding time varies, the electric conductivity does not vary and the production stability is remarkably excellent.
(2) By changing the heating time and holding time in the reheating step, the electric conductivity of the vanadate glass at room temperature is set to 10-FourS · cm-1It is possible to design and control with high accuracy in the above region, and to increase the product yield.
(3) A glass skeleton in which atoms of vanadium, barium, and iron are three-dimensionally related can be formed, and high electrical conductivity by electron hopping can be expressed.
(4) Since tetravalent and pentavalent vanadium and trivalent iron can be arranged in the glass skeleton, the probability of electron hopping is increased and the electrical conductivity can be increased.
[0006]
Here, as vanadate glass, in addition to vanadium, one or more of alkali metals such as potassium and sodium, alkaline earth metals such as barium and magnesium, cerium, tin, lead, copper, iron and the like A known glass having the following constituent atoms is used. In a vanadate glass that is a glass semiconductor, conductivity is exhibited by electrons hopping between transition metal ions such as vanadium and iron.
In the reheating step of the present invention, the oxide glass is held in a temperature range higher than the crystallization temperature and lower than the melting point, whereas in the annealing process of Japanese Patent Laid-Open No. 2003-34548 (Patent Document 1), the oxide glass Is maintained at the glass transition temperature or more and the crystallization temperature or less, the heat energy given to the oxide glass in the reheating step of the present invention is the heat given to the oxide glass in the annealing treatment of (Patent Document 1). Greater than energy. Therefore, the electrons in the oxide glass are distributed in a high energy level, and the thermal energy (activation energy) necessary for hopping the electrons can be made smaller than in the case of (Patent Document 1). I guess that the electrical conductivity can be increased. Further, in the reheating step, by holding for a predetermined time at a temperature higher than the crystallization temperature of the oxide glass, the distortion of the glass skeleton is removed as in (Patent Document 1), and the activation energy (band gap) at which electrons hop is obtained. Since it can be made smaller, it is presumed that as a result, the electrical conductivity can be increased.
In addition, when the crystal of the vanadate glass is insulative, the electrical conductivity decreases when the vanadate glass is crystallized. For this reason, in the reheating process, if the oxide glass is kept at a temperature higher than the crystallization temperature for a long time, an insulating crystal is precipitated and the electrical conductivity is gradually lowered. Therefore, in the reheating step, it is necessary to cool to below the crystallization temperature before the vanadate glass crystals are precipitated and the electrical conductivity is lowered.
[0007]
The crystallization temperature and melting point can be determined by actually measuring the oxide glass by differential thermal analysis (DTA), differential scanning calorimetry (DSC), or the like. Moreover, it can also obtain | require by performing the thermodynamic calculation etc. using the state diagram of the estimated component.
When the crystallization temperature is determined by differential thermal analysis (DTA), the temperature at the central point or the bottom side temperature of the exothermic peak of crystallization is defined as the crystallization temperature. Moreover, when calculating | requiring melting | fusing point by a differential thermal analysis (DTA), let the temperature in the center point of the endothermic peak in higher temperature than crystallization temperature be a melting | fusing point.
[0008]
As a means for vitrifying the composition in the vitrification step, a composition such as a mixture of crystalline solids can be converted into a liquid or gas, and then an oxide glass that is a solid having a glass transition temperature or lower can be obtained without crystallization. If it is, it will not be restrict | limited in particular. For example, an oxide glass can be obtained by heating and melting a composition such as a mixture of crystalline solids, followed by rapid cooling. Alternatively, an oxide glass can be obtained by once putting a composition such as a mixture of crystalline solids into a vapor state by vapor deposition, sputtering, glow discharge, or the like. The oxide glass can also be obtained by passing through a gel such as a sol-gel method.
[0009]
As a means for maintaining the temperature range below the melting point and exceeding the crystallization temperature in the reheating process of the oxide glass, for example, an electric furnace or the like is set to the reheating temperature in advance and the temperature in the furnace becomes constant. By the way, put the oxide glass into the furnace, and immediately after the target time has passed, remove the oxide glass from the electric furnace, etc., fluid such as air, water, ice water, cooled copper plate or stainless steel plate, copper or stainless steel, etc. What is cooled by a member such as a roller is used. Alternatively, after the oxide glass is reheated in a furnace such as an electric furnace for a certain period of time, the temperature in the furnace is gradually lowered or gradually moved away from the heating source in the furnace, and the oxide glass is allowed to cool in the furnace. What to do is used. The inside of the furnace for reheating can be an inert gas atmosphere such as air, nitrogen, or argon.
[0010]
The holding time in the reheating step can be appropriately set to an optimal time so that the electric conductivity of the oxide glass that has undergone the reheating step is increased. The holding time varies depending on the composition, heat capacity, and reheating temperature of the oxide glass, but is set to 1 to 180 minutes, for example. When the holding time is shorter than 1 minute, the thermal energy given to the oxide glass is small, so the rate of increase in electrical conductivity is small, and variation in the rate of increase is seen, and when longer than 180 minutes, crystals are precipitated. Since melting may cause a decrease in electrical conductivity and productivity, neither is preferable.
[0011]
When the heating temperature in the reheating step is equal to or lower than the crystallization temperature of the oxide glass, since the thermal energy given to the oxide glass is small, the rate of increase in electrical conductivity is small, and the rate of increase may vary. If the heating temperature is equal to or higher than the melting point of the oxide glass, melting of the oxide glass and precipitation of crystals are promoted, and the electrical conductivity is lowered.
[0012]
The electrical conductivity of an oxide glass (vanadate glass) at room temperature of 25 ° C. is, for example, that after applying a silver paste to a sample made of a glass piece having a thickness of 1 mm or less and drying, an electrode using silver-containing solder And can be obtained by a DC two-terminal method or a DC four-terminal method.
[0013]
Thus, the electrical conductivity in 25 degreeC of the oxide glass (vanadate glass) before the reheating process calculated | required is 10-8-10-4S · cm-1Preferably 10-6-10-4S · cm-1It is preferable that it exists in the range. Electrical conductivity is 10-6S · cm-1As it becomes lower, it tends to become difficult to improve the electrical conductivity to a practical level even after the reheating step.-8S · cm-1A lower value is not preferable because this tendency becomes remarkable. The electrical conductivity of the oxide glass before the reheating step is 10-4S · cm-1A higher value is not preferable because the composition of the glass oxide and the temperature history of the vitrification process are restricted, resulting in poor productivity and poor production stability.
The electrical conductivity of the oxide glass (vanadate glass) that has undergone the reheating step is 10 at room temperature of 25 ° C.-4~ 1S · cm-1Preferably 10-3~ 1S · cm-1The range can be improved. Electrical conductivity is 10-3S · cm-1As vanadate glass is applied to thermistors and heating elements, power consumption increases and energy saving tends to be lost as it becomes smaller. There is a tendency for the effect to decrease, and further, when applied to a plasma discharge electrode, there is a tendency that it is difficult to discharge. In particular, the electrical conductivity is 10-4S · cm-1A smaller value is not preferable because these tendencies become remarkable.
[0014]
Vanadate glass is composed of AgI, NaI, Ag, Ag.2O, In2O3, SnO, SnO2It may be added with additives such as. This is because the electrical conductivity can be increased by the effect of the additive. In addition to AgI, NaI, Ag, etc., CeO2An anti-reduction agent such as Thereby, it can prevent that additives, such as AgI, NaI, Ag, are reduced, and can maintain high electrical conductivity.
[0016]
Here, barium oxide (BaO), vanadium oxide (V2O5), Iron oxide (Fe2O3) Ratio is not particularly limited as long as an oxide glass exhibiting a glass transition phenomenon can be obtained. In particular, the molar ratio of barium oxide (B) in the oxide glass to vanadium oxide (V) is not limited. The ratio (B: V) is preferably 5:90 to 35:50.
Thereby, the following actions are obtained.
(1) Since a three-dimensional glass skeleton having vanadium as the main skeleton can be formed in the vitrification step, the electrical conductivity can be dramatically increased in the reheating step.
(2) Since there is less variation in the electrical conductivity of the oxide glass before the reheating step and it is difficult to crystallize in the reheating step, the electrical conductivity of the oxide glass after the reheating step can be kept within a predetermined range. Excellent production stability.
Here, when the molar ratio (B: V) is smaller than 5:90, it becomes difficult to form a glass skeleton having a three-dimensional structure, and it becomes difficult to obtain a homogeneous oxide glass. ) Greater than 35:50 is not preferable because vitrification becomes difficult and crystallization is likely to occur in the reheating step, and good conductivity is not exhibited.
[0017]
The molar ratio (F: V) of iron oxide (F) to vanadium oxide (V) in the oxide glass is preferably 5:90 to 15:50.
Thereby, the following actions are obtained.
(1) Since a three-dimensional glass skeleton having vanadium as the main skeleton can be formed in the vitrification step, the electrical conductivity can be dramatically increased in the reheating step.
(2) Since optical properties such as light transmittance are maintained to some extent, it can be used as an optical element by forming a thin film or fiber.
Here, when the molar ratio (F: V) is smaller than 5:90, it becomes difficult to vitrify, and when the molar ratio (F: V) is larger than 15:50, the optical characteristics such as light transmittance are deteriorated and uniform. Since it becomes difficult to obtain oxide glass, neither is preferable.
[0018]
In addition, vanadium oxide (V2O5), Barium oxide (BaO), iron oxide (Fe2O3) Vanadium oxide (V2O5) Is 40 to 98 mol%, preferably 60 to 85 mol%. As it becomes less than 60 mol%, it tends to be difficult to maintain a glass skeleton having vanadium as the main skeleton, and it is difficult to obtain high electrical conductivity. In particular, since the content of subcomponents is reduced, adjustment functions such as electrical conductivity and mechanical properties due to the subcomponents tend to be reduced. In particular, when the amount is less than 40 mol% or more than 98%, these tendencies are remarkable, which is not preferable.
The barium oxide (BaO) in the three-component system in the oxide glass is 1 to 40 mol%, preferably 10 to 30 mol%. As the amount becomes less than 10 mol%, homogenous vitrification tends to be difficult, and as the amount exceeds 30 mol%, mechanical strength decreases and vitrification tends to become difficult. In particular, when the amount is less than 1 mol% or more than 40 mol%, these tendencies are remarkable, which is not preferable.
Iron oxide (Fe in the ternary system in oxide glass)2O31) to 20 mol%, preferably 5 to 20 mol%. As the content becomes less than 5 mol%, the contribution to the electron hopping by the valence electrons of iron tends to be reduced, and the electrical conductivity tends to be difficult to improve. On the other hand, if it exceeds 20 mol%, the optical properties such as light transmission properties are significantly lowered, which is not preferable.
In particular, vanadium oxide (V2O5), Barium oxide (BaO), iron oxide (Fe2O3) In the range of 60 to 85 mol%, 10 to 30 mol%, and 5 to 20 mol%, respectively, the electrical conductivity at room temperature is increased by several orders of magnitude by reheating the oxide glass. Let 10-1S · cm-1Thus, excellent characteristics can be exhibited as a thermistor, a heating element, various electrode materials, an antistatic material, and the like.
[0019]
Of the present inventionClaim 2The invention described in
With this configuration, in addition to the operation obtained in the first aspect, the following operation can be obtained.
(1) Since a mixture containing vanadium oxide, barium oxide and iron oxide is heated and melted and then rapidly cooled to obtain an oxide glass, it can be mass-produced at low cost and has excellent productivity.
[0020]
Here, as vanadium oxide, vanadium monoxide (VO), divanadium trioxide (V2O3), Vanadium dioxide (VO)2), Divanadium pentoxide (V2O5In particular, divanadium pentoxide (V2O5) Is preferably used. This is because a glass skeleton having a three-dimensional structure is easily formed by adding barium oxide.
As barium oxide, barium oxide (BaO), solid solution barium oxide containing excess oxygen, barium peroxide, or the like is used, but barium oxide (BaO) is generally used. In addition, when barium carbonate, barium oxalate, or the like is used, it is decomposed by heating and melting, and BaO remains in the oxide glass to serve as network modifying ions.
As iron oxide, iron monoxide (FeO), ferric trioxide (Fe2O3), Triiron tetroxide (Fe3O4) Etc. are used.
[0021]
In addition to vanadium oxide, barium oxide, and iron oxide, rhenium oxide (ReO) is used as the second component.3), Silver (Ag), etc. can also be added. Thereby, electrical conductivity can be further improved. The addition amount of the second component such as rhenium oxide is preferably 15 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the mixture. This is because if the added amount of the second component exceeds 15 parts by mass, a glass skeleton having vanadium as a main skeleton cannot be formed.
Effect of the invention
[0022]
As described above, according to the method for producing the vanadate glass of the present invention, the following advantageous effects can be obtained.
According to the invention of
(1) Since an oxide glass having a glass transition temperature or lower is maintained for a predetermined time in a temperature region higher than the highest exothermic peak temperature of the oxide glass and lower than the melting point of the oxide glass, a reheating step is provided.-1S · cm-1The vanadate glass having the above high electrical conductivity can be produced, and the electrical conductivity can be dramatically increased even if it is kept in a predetermined temperature range for a short time of about 30 minutes. Even if the holding time varies, it is possible to provide a method for producing a vanadate glass with little fluctuation in electrical conductivity and remarkably excellent production stability.
(2) By changing the heating time and holding time in the reheating step, the electric conductivity of the vanadate glass at room temperature is set to 10-FourS · cm-1It is possible to provide a method for producing a vanadate glass that can be designed and controlled with high accuracy in the above-described region and can increase the product yield.
(3) It is possible to provide a method for producing a vanadate glass capable of forming a glass skeleton in which atoms of vanadium, barium, and iron are three-dimensionally related and exhibiting high electrical conductivity by electron hopping.
(4) Since tetravalent and pentavalent vanadium and trivalent iron can be arranged in the glass skeleton, it is possible to provide a method for producing a vanadate glass capable of increasing the probability of electron hopping and exhibiting high electrical conductivity.
[0024]
Claim 2According to the invention described in
(1) Since a mixture containing vanadium oxide, barium oxide and iron oxide is heated and melted and then rapidly cooled to obtain an oxide glass, a method for producing a vanadate glass capable of mass production at low cost and excellent in productivity is provided. it can.
[Brief description of the drawings]
[0025]
[FIG. 1] Differential thermal separation results of oxide glasses of Experimental Examples 1 to 3
FIG. 2 is a plot of electrical conductivity before and after reheating of the oxide glasses of Experimental Examples 1 to 3 cooled to a glass transition temperature or lower.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between reheating temperature, reheating time and electrical conductivity of the oxide glass of Experimental Example 2
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0026]
Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples. The present invention is not limited to these examples.
(Experimental example 1)
10 mol% of barium oxide (BaO), divanadium pentoxide (V2O5) 80 mol%, ferric trioxide (Fe2O3) Weighed each reagent grade reagent so that the total amount is 10 g, mixed in an agate mortar, put in a platinum crucible, and the mixture placed in the platinum crucible was heated to 1000 ° C. It was melted by heating in the atmosphere for 90 minutes. The melt was poured out on a stainless steel plate having a thickness of 10 mm and rapidly cooled to below the glass transition temperature, whereby the oxide glass of Experimental Example 1 was obtained.
(Experimental example 2)
20 mol% of barium oxide (BaO), divanadium pentoxide (V2O5) Is 70 mol%, ferric trioxide (Fe2O3) Was 10 mol% and the total amount of the reagent was weighed so that the total amount of the reagent was 10 g. In the same manner as in Experimental Example 1, an oxide glass of Experimental Example 2 was obtained.
(Experimental example 3)
30 mol% of barium oxide (BaO), divanadium pentoxide (V2O5) 60 mol%, ferric trioxide (Fe2O3) Was 10 mol% and the total amount of the reagent was weighed so that the total amount of the reagents was 10 g. In the same manner as in Experimental Example 1, an oxide glass of Experimental Example 3 was obtained.
[0027]
(Results of differential thermal analysis of oxide glasses of Experimental Examples 1 to 3)
The differential thermal analysis (DTA) of the oxide glasses of Experimental Examples 1 to 3 was performed. The conditions for differential thermal analysis (DTA) were α-alumina used as a reference material and a heating rate of 10 ° C./min in a nitrogen atmosphere.
FIG. 1 shows the results of differential thermal analysis of the oxide glasses of Experimental Examples 1 to 3.
From FIG. 1, as the molar ratio of barium oxide increases and the molar ratio of divanadium pentoxide decreases, the glass transition temperature (Tg) and the crystallization temperature (Tc) increase. 362 ° C., 392 ° C. in Experimental Example 2 (the highest exothermic peak temperature was about 470 ° C.), and 433 ° C. in Experimental Example 3. The sharp endothermic peak observed in the temperature range exceeding the crystallization temperature (Tc) indicates the melting point, which is 600 ° C. or higher in Experimental Example 1, 540 ° C. in Experimental Example 2, and 563 ° C. in Experimental Example 3. It was.
[0028]
(Relationship between reheating temperature and electrical conductivity)
The oxide glasses of Experimental Examples 1 to 3 cooled to the glass transition temperature or lower were reheated at 350 ° C., 400 ° C., 500 ° C., and 550 ° C. for 1 hour in the atmosphere. The electrical conductivity at 0 ° C. was measured by a DC four-terminal method.
FIG. 2 is a graph plotting the electrical conductivity before and after reheating of the oxide glasses of Experimental Examples 1 to 3 cooled to the glass transition temperature or lower. In FIG. 2, the horizontal axis represents the reheating temperature (° C.), and the vertical axis represents the electrical conductivity σ (S · cm at 25 ° C.-1).
From FIG. 2, when the oxide glass of Experimental Example 1 is reheated at 500 to 550 ° C., which is a temperature higher than the crystallization temperature (362 ° C.) and lower than the melting point (600 ° C. or higher) for 1 hour, the electric conduction at 25 ° C. The degree could be increased by about 4 orders of magnitude compared to before reheating.
In FIG. 2, the electric conductivity when reheated at 400 ° C. for 1 hour was the same as before reheating, but by reheating at 400 ° C. for 2 hours, the electric conductivity at room temperature (25 ° C.) was 10-3S · cm-1It was able to be about. In the oxide glass of Experimental Example 1, it is considered that the holding time when the reheating temperature is 400 ° C. was short at 1 hour.
Further, from FIG. 2, when the oxide glass of Experimental Example 2 is reheated at 400 to 500 ° C., which is a temperature exceeding the crystallization temperature (392 ° C.) and not higher than the melting point (540 ° C.) for 1 hour, Conductivity of 10-3S · cm-1The above high electric conductivity could be achieved. In particular, when reheating at 500 ° C., which is higher than the highest exothermic peak temperature (about 470 ° C.), 10-1S · cm-1The above high electrical conductivity could be realized. In addition, when it reheated at 550 degreeC higher than melting | fusing point (540 degreeC) for 1 hour, a part crystallized.
From FIG. 2, when the oxide glass of Experimental Example 3 is reheated at 500 ° C. which is a temperature exceeding the crystallization temperature (433 ° C.) and not higher than the melting point (563 ° C.), the electrical conductivity at 25 ° C. is 10-2S · cm-1The above high electric conductivity could be achieved.
In addition, when it reheated at 550 degreeC close | similar to melting | fusing point (563 degreeC) for 1 hour, since one part crystallized, the electrical conductivity of the oxide glass reheated at 550 degreeC is not plotted. This is probably because the molar ratio of barium oxide to divanadium pentoxide was increased. By shortening the holding time and reheating at 550 ° C. for 0.5 hour, the electric conductivity at 25 ° C. is reduced to 10 without crystallization.-2S · cm-1It was able to be about.
From the above, the electrical conductivity at room temperature (25 ° C.) is drastically achieved through a reheating step in which the oxide glass (vanadate glass) is maintained in a temperature range exceeding the crystallization temperature and not higher than the melting point. It became clear that it could be increased. In addition, it was found that the electrical conductivity improves as the reheating temperature increases within a temperature range in which crystal precipitation and melting do not occur remarkably. It has also been found that the retention time may be shorter as the reheating temperature increases. From these phenomena, it is considered that the mechanism by which the electric conductivity is improved by reheating above the melting point and exceeding the crystallization temperature is due to the activation energy of electrons.
[0029]
In addition to these experimental examples, vanadium oxide (V2O5), Barium oxide (BaO), iron oxide (Fe2O3), Various oxide glasses are prepared so that the molar ratios are in the range of 40 to 98 mol%, 1 to 40 mol%, and 1 to 20 mol%, respectively, and the crystallization temperature and melting point of each are determined and reheated. When the electrical conductivity at room temperature before and after the process was measured, it was confirmed that the electrical conductivity increased by going through the reheating process as in these experimental examples.
Vanadium oxide (V2O5), Barium oxide (BaO), iron oxide (Fe2O3As well as oxide glass produced by melting and cooling the mixture of Vanadium oxide (V2O5), Diphosphorus pentoxide (P2O5), Oxide glass produced by melting and cooling a mixture of barium oxide (BaO), vanadium oxide (V2O5), Potassium oxide (K2O), iron oxide (Fe2O3It was also confirmed that even in the oxide glass produced by melting and cooling the mixture of), the electrical conductivity increased through the reheating step.
From the above, it can be said that the production method of the present invention can be widely applied to vanadate glass containing vanadium as a main component or a subcomponent and has high versatility.
[0030]
(Relationship between reheating time and electrical conductivity)
Example 1
The oxide glass of Experimental Example 2 cooled to below the glass transition temperature was reheated in the atmosphere at 500 ° C., which is higher than the highest exothermic peak temperature (about 470 ° C.) and below the melting point (540 ° C.). Were taken out at regular intervals and the electrical conductivity at 25 ° C. was measured.
(Example 2)
The oxide glass of Experimental Example 2 cooled to the glass transition temperature or lower is reheated in the atmosphere at 400 ° C., which is a temperature exceeding the crystallization temperature (392 ° C.) and not higher than the melting point (540 ° C.). The electrical conductivity at 25 ° C. was measured.
(Comparative Example 1)
The oxide glass of Experimental Example 2 cooled to the glass transition temperature or lower is reheated in the atmosphere at 350 ° C., which is the glass transition temperature (328 ° C.) or higher and the crystallization temperature (392 ° C.) or lower, and is constant from the furnace. The electrical conductivity at 25 ° C. was taken out every hour. This reheating condition is the annealing condition described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-34548 (Patent Document 1) (a condition in which the temperature is maintained in the temperature range of the glass transition temperature to the crystallization temperature).
[0031]
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the reheating temperature and reheating time of the oxide glass of Experimental Example 2 and electrical conductivity. In FIG. 3, the horizontal axis represents the holding time at the reheating temperature, and the vertical axis represents the electrical conductivity σ (S · cm at 25 ° C.-1).
In Examples 1 and 2, in which the oxide glass of Experimental Example 2 cooled to below the glass transition temperature was reheated in the atmosphere at a temperature higher than the crystallization temperature (392 ° C.) and lower than the melting point (540 ° C.), It was confirmed that the electrical conductivity can be improved by 3 digits or more by reheating, and the electrical conductivity hardly fluctuates even if the reheating is continued. In addition, it was confirmed that Example 1 having a higher reheating temperature than Example 2 can increase electrical conductivity.
On the other hand, in Comparative Example 1, which was reheated at a temperature not lower than the glass transition temperature (328 ° C.) and not higher than the crystallization temperature (392 ° C.), the electrical conductivity increased as the holding time at the reheating temperature increased, and 180 minutes or longer. It was confirmed that the electrical conductivity could not be kept constant unless it was maintained. Moreover, it was confirmed that the electrical conductivity of the comparative example 1 is one digit or more lower than the electrical conductivity of Example 1 and 2. FIG.
From the above, according to the present embodiment, the electric conductivity does not vary depending on the time of holding at the reheating temperature, and the electric conductivity is drastically increased even if it is held for a short time of about 30 minutes in a predetermined temperature range. Further, it was revealed that even when the holding time varies, the electric conductivity does not vary and the production stability is remarkably excellent. Further, by changing the heating time in the reheating step, the magnitude of the electrical conductivity of the vanadate glass at room temperature is set to 10-4S · cm-1It has become clear that it is possible to design and control with high accuracy in the above-mentioned area.
[Industrial applicability]
[0032]
The present invention relates to a method for producing a vanadate glass suitably used as an electrode material or the like.-1S · cm-1The vanadate glass having the above high electrical conductivity can be produced, and the electrical conductivity can be dramatically increased even if it is kept in a predetermined temperature range for a short time of about 30 minutes. Even if the holding time varies, the electrical conductivity does not fluctuate and the production stability and quality stability are remarkably excellent, and the product yield can be increased. Not only thermistors, heating elements and antistatic materials, but also SED -Conduction Electron-emitter Display (SCE) Surface-conduction electron-emitter (SCE), which is most suitable for commercialization of various electrode materials such as electron emission electrodes and discharge electrodes. A method for producing a vanadate glass can be provided.
Claims (2)
バナジウム、バリウム及び鉄を含有する組成物をガラス化し酸化物ガラスを製造するガラス化工程と、前記酸化物ガラスを、前記酸化物ガラスの示差熱分析(DTA)による結晶化の発熱ピークの内、最も高温の発熱ピーク温度を超えて融点以下の温度領域に所定時間保持する再加熱工程と、を備えていることを特徴とするバナジン酸塩ガラスの製造方法。A method for producing a vanadate glass containing vanadium as a main component or a subcomponent,
A vitrification step of vitrifying a composition containing vanadium, barium and iron to produce an oxide glass, and the oxide glass, among the exothermic peaks of crystallization by differential thermal analysis (DTA) of the oxide glass, And a reheating step of maintaining for a predetermined time in a temperature range exceeding the highest temperature exothermic peak temperature and not higher than the melting point, a method for producing a vanadate glass.
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