JP5219072B2 - チタン酸金属塩粒子の製造方法 - Google Patents
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Description
この誘電材料の単位面積当たりの反応量が増すと、例えば、積層セラミックコンデンサでは小型、大容量化が実現できるが、そのためには誘電材料の比表面積をできるだけ増大させる必要があり、その方策としてチタン酸金属塩を微粒子化することが試みられて来た。
先ず、特許文献1には、チタン化合物とバリウム化合物を使用して水熱合成法によりチタン酸バリウムの粉末を製造する方法において、チタン化合物のpHを6.6〜10の範囲に制御し、或は、チタン化合物中の塩素含有率を所定濃度以下に制御して、不純物含有量の少ないチタン酸バリウムの粉末を製造すること(請求項1〜2、段落5〜7)、当該粉末の粒子径は40〜140nmであること(段落48)が記載されている。
また、先行文献2には、溶融法により平均粒径5〜1000nmのチタン酸バリウム微粒子の製造方法が開示され(請求項1と9)、先行文献3にも、10〜900nmの粒子サイズを有するチタン酸バリウムのナノパウダーが開示されている(請求項1、3)。
上記特許文献2〜3についても、同様に粒度分布の点から充分な比表面積の確保は必ずしも容易でないうえ、特許文献2は水熱合成法ではなく溶融法でチタン酸バリウムを製造しており、エネルギーコストが高く、生産性が悪い。
本発明は、粒度分布のシャープなチタン酸金属塩(チタン酸バリウムを代表例とする)の微細粉末を水熱合成法で簡便に製造することを技術的課題とする。
その結果、酸化チタンと水酸化バリウムとの水熱合成によりチタン酸バリウムを製造する際には、酸化チタンに繊維状物を使用すると共に、水酸化バリウムを所定濃度以上の高めに保持しながら撹拌状態で反応させると、チタン酸バリウムの微細粒子を粒度分布がシャープな状態で製造できるとの知見を得て、本発明を完成した。
上記チタン塩が繊維状酸化チタンであり、
上記水溶性金属塩が水溶性バリウム塩であり、
当該水溶性金属塩の濃度が0.4〜20モル/Lであり、
撹拌状態で反応させることにより、粒子径が1〜50nmのチタン酸バリウム粒子を製造することを特徴とするチタン酸バリウム粒子の製造方法である。
上記チタン塩が繊維状酸化チタンであり、
上記水溶性金属塩が水溶性ストロンチウム塩であり、
当該水溶性金属塩の濃度が0.4〜20モル/Lであり、
撹拌状態で反応させることにより、チタン酸ストロンチウム粒子を製造することを特徴とするチタン酸ストロンチウム粒子の製造方法である。
また、一般に、酸化チタンと水溶性金属塩の水熱処理は比較的高い温度域での反応であり、例えば、特許文献1では200〜300℃の反応温度が好ましいことを開示するが(段落42)、本発明では、相対的に低い温度域(適した反応温度は20〜150℃;本発明4参照)で水熱合成するので、エネルギーコストを低減でき、生産性を向上できる。特に、常温付近で水熱合成する場合には、原料である繊維状の酸化チタンと水溶性金属塩とを水中に溶解して、所定時間に亘り撹拌するだけでチタン酸金属塩の微細粒子を調製できるため、製造がきわめて簡便である。従って、例えば上記特許文献2の溶融法に比べて、本発明の有効性は明らかである。
即ち、本発明のチタン酸金属塩の微細粒子は、チタン酸バリウム及びチタン酸ストロンチウムから選ばれたチタン酸金属塩の微細粒子を意味する。
先ず、本発明においては、原料となるチタン塩は繊維状の酸化チタンであることが必要である。この繊維状酸化チタンは、酸化チタン又は酸化チタン塩(水酸化チタン)の少なくとも一種を水酸化カリウムでアルカリ水熱処理し、塩酸や硝酸などの無機酸で中和(脱アルカリ)洗浄することによって製造することができる(本発明5参照)。
上記アルカリ水熱処理の条件として、水酸化カリウム濃度が10〜25モル/L、温度が70〜150℃が好ましい。反応時間は5〜40時間であるが、水酸化カリウム濃度及び温度に依存するため、水酸化カリウム濃度=15〜20モル/L、温度=100〜130℃、反応時間=6〜20時間で反応させることがより好適である。
そこで、本発明のチタン酸バリウム粒子を製造する際の原料となる繊維状酸化チタンの条件をまとめると、直径は1〜100nm、繊維長は100nm〜1000μm、比表面積は100〜1000m2/gが適しており、直径5〜40nm、比表面積200〜450m2/gの繊維状酸化チタンを用いるのが好ましい。尚、繊維長は100nm以上であれば特に制限されない。
本発明では、水酸化バリウム(水溶性金属塩)の濃度を0.4〜20モル/Lに高めに調整し、且つ、撹拌状態で反応することが必要である(本発明1参照)。水酸化バリウムの好ましい濃度は1.1〜20モル/L、より好ましい濃度は5〜15モル/Lである。
水酸化バリウム(水溶性金属塩)の濃度が0.4モル/Lより少ないと、未反応の酸化チタンが残留してチタン酸バリウム粒子へのバリウム導入率が低下し、20モル/Lを越えると粒度分布性が低下し、粒子径のバラツキが大きくなる恐れがある。
例えば、水酸化バリウム8水和物(Ba(OH)2・8H2O)を濃度=10モル/Lで添加する場合、水酸化バリウム非水和物(Ba(OH)2)では4.1モル/L程度で足りる。
即ち、上記モル比が1.0以上であっても、未反応の水酸化バリウム残渣を中和洗浄除去することにより、チタン酸バリウムの原子比(Ba/Ti)を1.0に調整できる。尚、生成するチタン酸バリウムの原子比(Ba/Ti)を1.0以下の任意の比率に調整する場合にはこの限りではなく、上記仕込みモル比Aを1.0以下に調整することで合成可能となる。
撹拌が不充分であると、粒度分布性が低下して粒子径の均一性が損なわれたり、長時間の反応時間を要したり、或は、生成したチタン酸バリウムの分散性が低下して凝集が著しくなるなどの問題がある。
反応時間は1〜40時間程度であるが、水酸化バリウムの濃度や反応温度に依存し、高温及び高濃度であるほど反応時間は短縮できる。
一般に、高温で反応すると粒子状を形成し易いが、上述の好ましい温度域(20〜90℃)のような低温反応では効果的に繊維構造を形成し易い利点がある。
従って、水熱合成の好ましい条件を挙げると、水酸化バリウム8水和物の濃度が1.1〜20モル/L(さらに好ましくは5〜15モル/L)、反応温度が20〜90℃、反応時間が3〜20時間である。
オートクレーブを使用した場合、温度領域は上昇し、250℃程度でも製造可能であり、さらにチタン酸バリウムの原子比(Ba/Ti)を1.0に調整するため、前記仕込みモル比Aを1.0に近づけることが可能となる。
尚、オートクレーブを使用する場合でも、充分な撹拌状態での反応が基本である。また、大気雰囲気下を二酸化炭素以外の不活性ガス雰囲気下にすることで、炭酸バリウムの生成を防止し、チタン酸バリウム中の不純物を減らして、チタン酸バリウムの原子比(Ba/Ti)を限りなく1.0に近付けることができ、セラミックコンデンサ等に使用した際の電気特性に与える悪影響を低減することができる。
以上のように、上述の製造方法にあっては、繊維状の酸化チタンと水酸化バリウム(水溶性金属塩)を水熱処理してチタン酸バリウム粒子を調製することを中心に説明したが、水溶性金属塩を水酸化ストロンチウムに替えると、基本的に同様の条件でチタン酸ストロンチウム粒子を製造することができる(本発明2参照)。
本発明のチタン酸金属塩はペロブスカイト型及びスピネル型の結晶構造を基本とし、組成面から詳述すると、ATiXOY(A=H、Li、Na、K、Mg、Ca、Sr、Ba;xは0.1〜25.0、yは0.1〜40.0の各実数である。)の組成で表されるチタン化合物、及びAXB1-XTiyOz(A、B=H、Li、Na、Mg、K、Ca、Sr、Ba;xは0より大きく1未満の実数、yは0.1〜25.0、zは1.0〜40.0の各実数である。)の組成で表されるチタン複合化合物を包含するものである。
この場合、チタン酸バリウムの代表的な結晶組成はBaTiO3で表されるが、上記チタン複合化合物について説明すると、バリウムとストロンチウムを含むチタン複合化合物の結晶組成はBaXSr1-XTiO3で表される。
以上の通り、本発明では、水溶性金属塩(水酸化バリウム)を所定以上の高めの濃度域に保持しながら、撹拌状態で繊維状酸化チタンと共に水熱合成することにより、チタン酸金属塩粒子を製造するが、チタン酸バリウム粒子では、その粒子径は1〜50nmであり、好ましくは10〜40nmである。一方、チタン酸ストロンチウム粒子では粒子径1〜50nmが好ましく(本発明3参照)、より好ましくは10〜40nmである。
従って、粒子の比表面積を大幅に増大できるため、本発明で得られるチタン酸バリウム及びチタン酸ストロンチウムから選ばれたチタン酸金属塩の粒子は、様々な分野に有効利用することができる。
用途の具体例としては、積層セラミックコンデンサにおける誘電体層及び内部電極の共剤、バリスタ、PTC(正特性サーミスタ)材料等の半導体デバイス向け誘電体材料、高周波フィルターやアンテナ用高周波誘電体セラミックス用誘電体材料、バリア放電プラズマ用誘電体触媒材料、静電・耐電防止剤、光触媒機能を有する塗料や脱臭・消臭用の塗料、電池材料(負極材料)などが挙げられる。
本発明は下記の製造例、実施例、試験例に拘束されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意の変形をなし得ることは勿論である。
酸化チタン粉末(日本アエロジル社製、P25)10gを17M水酸化カリウム(関東化学社製、鹿特級)水溶液100mLに入れ、充分に撹拌した後、110℃の恒温器で20時間、静置状態で合成した。恒温器はテフロン容器を使用した。
次いで、20時間経過後、容器を取り出して遠心分離器で固形分を分離し、固形分中の余剰なアルカリ残渣を10%塩酸(関東化学社製、有害金属測定用)で中和処理した。
その後、遠心分離器で純水を用いて固形分の脱塩洗浄処理を3回行い、長繊維状酸化チタンの分散スラリーを得た。
《チタン酸バリウム粒子の実施例》
下記の実施例1〜6のうち、実施例1は水酸化バリウム8水和物の濃度を10モル/Lとし、温度=80℃、撹拌速度=500rpm、水酸化バリウムと酸化チタンの仕込みモル比(Ba(OH)2/TiO2)=40の条件で反応させた例である。実施例2は水酸化バリウム8水和物の濃度を1.1モル/Lとし、低温(40℃)で反応させた例である。実施例3は反応温度を150℃に上昇させた例である。実施例4は水酸化バリウム8水和物の濃度を1.1モル/Lとし、上記仕込みモル比を1.5とした例である。実施例5は水酸化バリウム8水和物の濃度を本発明の適正範囲の下限(0.4モル/L)とし、上記仕込みモル比を1.5として、高めの温度(150℃)で反応させた例である。実施例6は実施例1を基本として上記仕込みモル比を4に変更した例である。
一方、比較例1〜5のうち、比較例1は水酸化バリウム8水和物の濃度を本発明の適正範囲の下限(0.4モル/L)より低く、低温(25℃の常温)で反応させた例である。比較例2は高めの温度(150℃)で無撹拌状態で反応させた例である。比較例3は水酸化バリウム8水和物の濃度を上記比較例2より下げて、本発明の適正範囲の下限(0.4モル/L)に設定し、無撹拌状態で反応させた例である。比較例4は実施例1を基本として長繊維状ではなく市販の酸化チタン粒子を用いた例である。比較例5は市販のチタン酸バリウム粒子の例である。
図1の左寄り欄及び中央欄には水熱処理時の温度、水酸化バリウム8水和物の濃度、水熱処理での水酸化バリウムと酸化チタンの仕込みモル比などの反応条件をまとめた。
80℃に加温した純水500mLに水酸化バリウム8水和物(関東化学社製、特級ACS)を溶解して10モル/Lに調整したうえで、撹拌しながら前記製造例の長繊維状酸化チタンのスラリーを10g(固形分換算)添加し、500rpmの撹拌速度で80℃、3時間に亘り水熱合成した。この場合、水酸化バリウムと酸化チタンの仕込みモル比はBa(OH)2/TiO2=40とした。
次いで、3時間経過後、遠心分離器で固形分を分離し、固形分中の余剰なアルカリ残渣を10%塩酸(関東化学社製、有害金属測定用)でpH7まで中和処理した。
続いて、遠心分離器で純水を用いて固形分の脱塩洗浄処理を3回行い、チタン酸バリウムの分散スラリーを得た。
実施例1を基本として、反応温度を40℃に低下させ、水酸化バリウム8水和物の濃度を1.1モル/Lとして24時間水熱反応させた以外は、実施例1と同様の条件で処理して、チタン酸バリウムの分散スラリーを得た。
実施例1を基本として、反応温度を150℃とし、水酸化バリウム8水和物の濃度を15モル/Lとし、撹拌速度を200rpmとして水熱反応させた以外は、実施例1と同様の条件で処理して、チタン酸バリウムの分散スラリーを得た。
尚、水酸化バリウムと酸化チタンの仕込みモル比はBa(OH)2/TiO2=60とした。
実施例1を基本として、水酸化バリウム8水和物の濃度を1.1モル/Lとし、水酸化バリウムと酸化チタンの仕込みモル比をBa(OH)2/TiO2=1.5として5時間水熱反応させた以外は、実施例1と同様の条件で処理して、チタン酸バリウムの分散スラリーを得た。
実施例1を基本として、反応温度を150℃とし、水酸化バリウム8水和物の濃度を0.4モル/Lとし、撹拌速度を200rpmとして水熱反応させた以外は、実施例1と同様の条件で処理して、チタン酸バリウムの分散スラリーを得た。
尚、水酸化バリウムと酸化チタンの仕込みモル比はBa(OH)2/TiO2=1.5とした。
実施例1を基本として、水酸化バリウムと酸化チタンの仕込みモル比をBa(OH)2/TiO2=4とした以外は、実施例1と同様の条件で処理して、チタン酸バリウムの分散スラリーを得た。
実施例1を基本として、水酸化バリウム8水和物の濃度を本発明の適正範囲より低い0.1モル/Lとし、反応温度を25℃として36時間水熱反応させた以外は、実施例1と同様の条件で処理して、チタン酸バリウムの分散スラリーを得た。
尚、水酸化バリウムと酸化チタンの仕込みモル比はBa(OH)2/TiO2=1.0とした。
実施例1を基本として、水酸化バリウム8水和物の濃度を15モル/Lとし、反応温度を150℃として無撹拌で水熱反応させた以外は、実施例1と同様の条件で処理して、チタン酸バリウムの分散スラリーを得た。
尚、水酸化バリウムと酸化チタンの仕込みモル比はBa(OH)2/TiO2=60とした。
実施例1を基本として、水酸化バリウム8水和物の濃度を0.4モル/Lとして12時間無撹拌で水熱反応させた以外は、実施例1と同様の条件で処理して、チタン酸バリウムの分散スラリーを得た。
尚、水酸化バリウムと酸化チタンの仕込みモル比はBa(OH)2/TiO2=1.5とした。
実施例1を基本として、前記製造例の長繊維状酸化チタンに替えて粒子状の酸化チタン粉末(日本アエロジル社製、P25)を用いた以外は、実施例1と同様の条件で処理して、チタン酸バリウムの分散スラリーを得た。
試薬として市販されているチタン酸バリウム(ワコーケミカル社製、粉末ナノサイズ)を比較例5とした。
《チタン酸バリウム粒子の試験例》
そこで、実施例1〜6及び比較例1〜5で得られた上記チタン酸バリウムの各粉体について、先ず、走査型電子顕微鏡(SEM)により粒子の微細化状態(粒子径)を中心に微視観察した。
また、走査型電子顕微鏡に付設されたエネルギー分散型蛍光X線分析装置(SEM−EDX)により上記粉体の組成分析を行うとともに、X線回折装置(XRD)により上記粉体の原子比(Ba/Ti)を測定して、上記粉体を同定した。得られたチタン酸バリウムの粒子径及びBa/Ti比は図1の右寄り欄にまとめた。
[測定機器の機種名]
電界放出型走査電子顕微鏡(FE−SEM):日立製作所製、S−4800
エネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX):堀場製作所製、商品名EMAX EX250 7593−H
X線回折装置(XRD):リガク製、MultiFlex 2kw
図3に示すように、得られた粉体は粒子径約20〜30nmの微細な粒子構造を有する集合体であることが確認された。
また、図4の蛍光X線分析装置によるEDXパターンと図5のX線回折パターンから、上記粉体はBa/Ti比=1.007のチタン酸バリウムであることが同定された。
得られた粉体は、粒子径=約20nm、Ba/Ti比=0.989のチタン酸バリウム粒子であることが確認された。
得られた粉体は、粒子径=約20〜30nm、Ba/Ti比=1.008のチタン酸バリウム粒子であることが確認された。
得られた粉体は、粒子径=約20nm、Ba/Ti比=0.988のチタン酸バリウム粒子であることが確認された。
得られた粉体は、粒子径=約20〜30nm、Ba/Ti比=0.997のチタン酸バリウム粒子であることが確認された。
得られた粉体は、粒子径=約20nm、Ba/Ti比=1.006のチタン酸バリウム粒子であることが確認された。
得られた粉体は粒子径=約20nmであったが、Ba/Ti比は0.251であることから、前記EDXとXRDのパターンから未反応の酸化チタンとチタン酸バリウムの混合物であることが確認された。
得られた粉体はBa/Ti比=1.008であったが、粒子径=約20〜100nmであって、粒度分布がシャープでなく粒子径が均一でなかった。
得られた粉体はBa/Ti比=0.371であって、粒子が長繊維状を保持していることが確認された。
得られた粉体はBa/Ti比=0.943であって、未反応の酸化チタンとチタン酸バリウムの混合物であるうえ、粒子径=約20〜60nmであって、粒子径が均一でなかった。
Ba/Ti比=0.994〜1.004、純度99.5%であり、粒子径は約100〜250nmであった。この比較例5を上記実施例1〜6に対比すると、実施例の粒子径はきわめて微細であることが裏付けられた。
撹拌状態での水熱処理であり、水酸化バリウムの濃度が本発明の適正範囲より低い比較例1では未反応の酸化チタンとチタン酸バリウムの混合物しか得られなかった。
これに対して、実施例1〜6では、図3のSEM画像が示す通り、得られた粉体はいずれもチタン酸バリウムの微細粒子の集合体であることが明らかである。これにより、チタン酸バリウムの微細粒子を高い収率で得るには、水酸化バリウムを所定以上の高めの濃度範囲に保持することの重要性が確認できた。
しかも、実施例1〜6のチタン酸バリウムは市販のチタン酸バリウム粒子(比較例5)に比べても、その粒子径はきわめて微細であることが分かる。
これに対して、実施例1〜6のチタン酸バリウムは粒子が微細であるばかりでなく、その粒子径はいずれも約20〜30nmの狭い範囲内におさまり、シャープな粒度分布を示すことが分かった。従って、実施例1〜6を比較例1〜2に対比すると、粒度分布のシャープなチタン酸バリウムの微細粒子を効率良く製造するには、水酸化バリウムの濃度を所定以上の高めに保持するだけでは充分でなく、撹拌状態での水熱処理が必要であることが確認できた。
ちなみに、同じく無撹拌状態で反応させた比較例3では、得られた粉体が繊維形態を帯びていたが、これは上記比較例2に比べて反応温度が40℃と低く、また、水酸化バリウムの濃度も適正範囲の下限であることに因り、酸化チタンの繊維構造があまり解繊されないまま、これを骨格としてバリウム導入反応が進行したものと推定される。
従って、粒度分布のシャープなチタン酸バリウムの微細粒子を製造するには、原料である酸化チタンは粉末状物ではなく、長繊維状物を使用することが必要な点が裏付けられた。
また、反応温度は150℃と高めの場合(実施例3、5)は勿論であるが、40℃の低めの場合(実施例2)でも同様に、チタン酸バリウムの粒子の微細化とシャープな粒度分布を実現できることが分かる。
反応温度(80℃)と撹拌速度(500rpm)が共通する実施例1及び4を見ると、水酸化バリウムの濃度が大きく相違しても、水酸化バリウムと酸化チタンの仕込みモル比の調整下で、粒子の微細化とシャープな粒度分布を実現できることが裏付けられる。
反応温度(150℃)と撹拌速度(200rpm)が共通する実施例3及び5についても同様であり、特に、撹拌速度200rpmでも粒子を効率良く微細化できることが分かった。
《チタン酸ストロンチウム粒子の実施例及び試験例》
[実施例7]
80℃に加温した純水100mLに水酸化ストロンチウム8水和物(関東化学社製、特級)を溶解して濃度10モル/Lになるように調整し、撹拌しながら前記製造例の長繊維状酸化チタンのスラリーを10g(固形分換算)添加し、800rpmの撹拌速度で80℃、3時間に亘り水熱合成をした。この場合、この場合、水酸化ストロンチウムと酸化チタンの仕込みモル比はSr(OH)2/TiO2=40とした。
次いで、3時間経過後、遠心分離器で固形分を分離し、固形分中の余剰なアルカリ残渣を希塩酸(関東化学社製、有害金属測定用)でpH7まで中和処理した。
続いて、遠心分離器で純水を用いて固形分の脱塩洗浄処理を3回行い、チタン酸ストロンチウムの分散スラリーを得た。
そこで、前記チタン酸バリウムの場合と同様に、上記実施例7で得られたチタン酸ストロンチウムの分散スラリーを石英ボートを用いて50℃で乾燥させ、粉体を得た。
そこで、この粉体について、先ず、走査型電子顕微鏡(SEM)により粒子の微細化状態(粒子径)を中心に微視観察するとともに、蛍光X線分析装置(SEM−EDX)により上記粉体の組成分析を行うとともに、X線回折装置(XRD)により上記粉体の原子比(Ba/Ti)を測定した。尚、用いた測定機器の機種名は前記チタン酸バリウムの場合と同様である。
その結果、得られた粉体は、図6に示すように、粒子径が約20〜35nmの微細な粒子構造を有する集合体であることが確認された。
また、図7のEDXパターンと図8のX線回折パターンから、上記粉体はSr/Ti比=1.005のチタン酸ストロンチウムであることが同定された。
従って、繊維状の酸化チタンと、所定以上の高めの濃度に保持した水酸化ストロンチウムとを撹拌状態で水熱処理すると、前記チタン酸バリウムと同様に、粒度分布のシャープなチタン酸ストロンチウムの微細粒子を効率良く製造できることが確認できた。
Claims (5)
- チタン塩と水溶性金属塩を水中で反応させてチタン酸金属塩を製造する方法において、 上記チタン塩が繊維状酸化チタンであり、
上記水溶性金属塩が水溶性バリウム塩であり、
当該水溶性金属塩の濃度が0.4〜20モル/Lであり、
撹拌状態で反応させることにより、粒子径が1〜50nmのチタン酸バリウム粒子を製造することを特徴とするチタン酸バリウム粒子の製造方法。 - チタン塩と水溶性金属塩を水中で反応させてチタン酸金属塩を製造する方法において、 上記チタン塩が繊維状酸化チタンであり、
上記水溶性金属塩が水溶性ストロンチウム塩であり、
当該水溶性金属塩の濃度が0.4〜20モル/Lであり、
撹拌状態で反応させることにより、チタン酸ストロンチウム粒子を製造することを特徴とするチタン酸ストロンチウム粒子の製造方法。 - チタン酸ストロンチウム粒子の粒子径が1〜50nmであることを特徴とする請求項2に記載のチタン酸ストロンチウム粒子の製造方法。
- 反応の温度が20〜150℃であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のチタン酸金属塩粒子の製造方法。
- 繊維状酸化チタンが酸化チタンを水中でアルカリ処理したものであり、水溶性金属塩がバリウム又はストロンチウムの水酸化物であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のチタン酸金属塩粒子の製造方法。
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