JP7724112B2 - Alkaline earth metal titanate particles and method for producing same - Google Patents
Alkaline earth metal titanate particles and method for producing sameInfo
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Description
本発明は、ペロブスカイト構造を持つチタン酸アルカリ土類金属粒子に関する。 The present invention relates to alkaline earth metal titanate particles having a perovskite structure.
チタン酸アルカリ土類金属は、積層セラミックコンデンサ、熱電素子、圧電素子等の電子部品に用いられている。例えば、チタン酸アルカリ土類金属の前駆体を含む塗布液により形成された薄膜を、熱電素子に適用することが知られている(例えば、特許文献1を参照)。一般に、前駆体の塗布により得られた薄膜は、結晶構造が緻密であるため、電子が流れる際のエネルギー損失が少ないと考えられている。 Alkaline earth metal titanates are used in electronic components such as multilayer ceramic capacitors, thermoelectric elements, and piezoelectric elements. For example, it is known that thin films formed from coating solutions containing alkaline earth metal titanate precursors are used in thermoelectric elements (see, for example, Patent Document 1). Thin films obtained by coating precursors generally have a dense crystalline structure, which is thought to result in little energy loss when electrons flow.
また、電子部品の小型化のために、緻密で薄い膜が求められている。粒子径を小さくすれば、緻密で薄い膜が形成できる。小さい粒子の製造方法としては、アルカリ土類金属の水酸化物とアルキルセロソルブの混合溶液にチタンアルコキシドを添加した後、チタンアルコキシドを加水分解する方法が知られている(例えば、特許文献2を参照)。このような方法で得られた粒子は、粒径50nm以下で、溶媒への分散性も高い。そのため、小型の電子部品にも適用できる。このような小さい粒子は、薄膜中で他の化合物の隙間に入り易い。そのため、膜を薄く、緻密にすることができる。 Furthermore, in order to miniaturize electronic components, dense and thin films are required. By reducing the particle size, dense and thin films can be formed. A known method for producing small particles is to add titanium alkoxide to a mixed solution of alkaline earth metal hydroxide and alkyl cellosolve, and then hydrolyze the titanium alkoxide (see, for example, Patent Document 2). Particles obtained by this method have a particle size of 50 nm or less and are highly dispersible in solvents. Therefore, they can be used in small electronic components. Such small particles easily enter the gaps between other compounds in thin films. This makes it possible to make films thin and dense.
特許文献1に記載のチタン酸アルカリ土類金属の前駆体は、チタン酸アルカリ土類金属のみからなる、単一相の薄膜を形成するには適している。しかし、この前駆体と、前駆体以外の固形分を混合した塗布液で薄膜を形成する場合には、焼成時にペロブスカイト構造以外の結晶も生じてしまう可能性がある。複数種の結晶が生じると、局所的に不均一な熱収縮が起き易くなるため、薄膜にクラックが発生し易い。 The alkaline earth metal titanate precursor described in Patent Document 1 is suitable for forming a single-phase thin film consisting only of alkaline earth metal titanate. However, when forming a thin film using a coating liquid that mixes this precursor with solid components other than the precursor, there is a possibility that crystals other than the perovskite structure will also be formed during firing. When multiple types of crystals are formed, localized non-uniform thermal shrinkage is likely to occur, making the thin film more susceptible to cracking.
特許文献2に記載の粒子は、粒径50nm以下と小さいため、電子部品の小型化が実現できる。しかし、チタンアルコキシドを添加する際のアルカリ土類金属濃度や、加水分解時に添加する水の量が最適ではないため、微細化合物が存在していると考えられる。このような微細化合物は、500℃以上の高温で焼成されると、結晶成長してX線構造解析等で検出できるペロブスカイト構造以外の結晶を形成する。塗膜を焼成する際にペロブスカイト構造以外の結晶も生じると、局所的に不均一な熱収縮が起き易くなるため、薄膜にクラックが発生し易い。特に、薄膜を構成する他の化合物の隙間に粒子が存在する場合、緻密であるため、薄膜にクラックが発生し易い。 The particles described in Patent Document 2 have a small particle size of 50 nm or less, enabling the miniaturization of electronic components. However, it is believed that the presence of fine compounds is due to suboptimal alkaline earth metal concentrations when adding titanium alkoxide and suboptimal amounts of water added during hydrolysis. When such fine compounds are fired at high temperatures of 500°C or higher, they grow and form crystals other than perovskite structures that can be detected by X-ray structural analysis. If crystals other than perovskite structures are formed when a coating film is fired, localized non-uniform thermal shrinkage is likely to occur, making the thin film prone to cracking. In particular, if particles are present in the gaps between other compounds that make up the thin film, the film is likely to crack due to its dense structure.
そこで、本発明の目的は、焼成時にペロブスカイト構造以外の結晶が生じ難く、結晶子径の小さいチタン酸アルカリ土類金属の粒子を提供することにある。 The object of the present invention is to provide alkaline earth metal titanate particles that are less likely to produce crystals other than perovskite structures during firing and have small crystallite sizes.
上記課題を解決するために、ペロブスカイト構造のチタン酸アルカリ土類金属の粒子の結晶子径Dを5~30nmとし、当該粒子を500℃で3時間焼成した後に、当該粒子にペロブスカイト構造以外の結晶が含まれないこととした。薄膜を構成する他の化合物の隙間に、結晶子径Dが30nm以下の粒子を配置すると、緻密で薄い膜を形成できる。しかし、焼成後にペロブスカイト構造以外の結晶が生じると、局所的に応力が発生するため、緻密な膜にはクラックが発生し易い。結晶子径Dが30nm以下でも、焼成後にペロブスカイト構造以外の結晶を含まないことにより、膜にクラックが発生し難くなる。 To solve the above problem, the crystallite diameter D of the alkaline earth metal titanate particles with a perovskite structure is set to 5 to 30 nm, and after the particles are fired at 500°C for 3 hours, the particles do not contain any crystals other than the perovskite structure. Placing particles with a crystallite diameter D of 30 nm or less in the gaps between other compounds that make up the thin film allows for the formation of a dense, thin film. However, if crystals other than the perovskite structure are formed after firing, localized stress is generated, making the dense film prone to cracking. Even if the crystallite diameter D is 30 nm or less, the absence of crystals other than the perovskite structure after firing makes the film less susceptible to cracking.
ここでは、アルカリ土類金属(E)とチタン(Ti)の原子比(E/Ti)を0.95~1.02とした。また、格子定数の比(c/a)を0.95~1.05とした。 Here, the atomic ratio (E/Ti) of alkaline earth metal (E) to titanium (Ti) was set to 0.95 to 1.02. The lattice constant ratio (c/a) was set to 0.95 to 1.05.
さらに、メジアン径(D50)と結晶子径Dの比(D50/D)は1.3以下が好ましい。この値が大きいと、粒子内の結晶子が多くなり、焼成時に結晶子が焼結(シンタリング)し易い。そのため、粒子が熱収縮し易く、薄膜にクラックが発生し易い。 Furthermore, the ratio (D50/D) of the median diameter (D50) to the crystallite diameter D is preferably 1.3 or less. If this value is large, there will be more crystallites in the particles, and the crystallites will be more likely to sinter during firing. This makes the particles more susceptible to thermal shrinkage, and cracks are more likely to occur in the thin film.
また、粒子を500℃で焼成した後の結晶子径D1と、結晶子径Dから求められる結晶子径増加率「(D1-D)/D」は0.32以下が好ましい。この値が小さいほど、焼成時に結晶子径が変化し難く、緻密な薄膜を形成する際にクラックが発生し難い。アルカリ土類金属がストロンチウムである場合、結晶子径Dは15~25nm、且つ結晶子径増加率は0.05以下が好ましい。また、アルカリ土類金属がバリウムである場合、結晶子径Dは11nm未満、且つメジアン径(D50)は14nm以下が好ましい。 Furthermore, the crystallite diameter increase rate "(D 1 -D)/D" calculated from the crystallite diameter D 1 and the crystallite diameter D after the particles are fired at 500°C is preferably 0.32 or less. The smaller this value, the less likely the crystallite diameter is to change during firing, and the less likely cracks are to occur when forming a dense thin film. When the alkaline earth metal is strontium, the crystallite diameter D is preferably 15 to 25 nm and the crystallite diameter increase rate is preferably 0.05 or less. When the alkaline earth metal is barium, the crystallite diameter D is preferably less than 11 nm and the median diameter (D50) is preferably 14 nm or less.
また、以下の工程を順に行うことにより、アルカリ土類金属粒子を製造することができる。アルカリ土類金属の水酸化物とアルキルセロソルブとの混合溶液を準備する(第一工程)。混合溶液から未溶解の化合物を分離する(第二工程)。混合溶液のアルカリ土類金属の濃度が10重量%以上の状態で、当該混合溶液にチタンアルコキシドを添加する(第三工程)。混合溶液に水を含む溶媒を添加する(第四工程)。混合溶液を70℃以上の状態にする(第五工程)。なお、第四工程で添加する水と混合溶液中のチタンアルコキシドのモル比(水のモル量/チタンアルコキシドのモル量)を6~15の範囲とする。 Alkaline earth metal particles can also be produced by performing the following steps in order: Prepare a mixed solution of alkaline earth metal hydroxide and alkyl cellosolve (step 1). Separate undissolved compounds from the mixed solution (step 2). Add titanium alkoxide to the mixed solution when the alkaline earth metal concentration in the mixed solution is 10% by weight or higher (step 3). Add a solvent containing water to the mixed solution (step 4). Heat the mixed solution to 70°C or higher (step 5). Note that the molar ratio of water added in step 4 to titanium alkoxide in the mixed solution (molar amount of water/molar amount of titanium alkoxide) is set to a range of 6 to 15.
本発明によるペロブスカイト構造のチタン酸アルカリ土類金属粒子は、結晶子径が5~30nmであり、当該粒子を500℃で3時間焼成した後でも、粒子にはペロブスカイト構造以外の結晶が含まれていない。焼成前の粒子に微細化合物(アルカリ土類金属の炭酸塩、アルカリ土類金属の水酸化物、酸化バリウム、酸化チタン等)が含まれている場合、粒子を焼成すると、微細化合物が結晶成長してペロブスカイト構造以外の結晶となる。焼成前の粒子に含まれる微細化合物を、X線構造解析等の測定で検出することは困難であるが、焼成後には、X線構造解析によりペロブスカイト構造以外の結晶を検出することができる。つまり、X線構造解析装置を用いて焼成後の粒子の結晶構造を解析することにより、焼成前に微細化合物が含まれていたか推定することができる。そして、焼成後にペロブスカイト構造以外の結晶を含まない粒子は、焼成前に微細化合物等の不純物を含んでいないとみなすことができる。このような不純物は、チタン酸アルカリ土類金属粒子の原料及び製造方法に依存して存在する。 The alkaline earth metal titanate particles with a perovskite structure according to the present invention have a crystallite diameter of 5 to 30 nm, and even after calcining the particles at 500°C for 3 hours, the particles contain no crystals other than the perovskite structure. If the particles contain fine compounds (such as alkaline earth metal carbonates, alkaline earth metal hydroxides, barium oxide, or titanium oxide) before calcination, the fine compounds will grow into crystals other than the perovskite structure upon calcination. While it is difficult to detect the fine compounds contained in the particles before calcination using measurements such as X-ray structural analysis, it is possible to detect crystals other than the perovskite structure after calcination using X-ray structural analysis. In other words, by analyzing the crystal structure of the particles after calcination using an X-ray structural analysis device, it is possible to estimate whether the fine compounds were present before calcination. Furthermore, particles that do not contain crystals other than the perovskite structure after calcination can be considered to have contained no impurities such as fine compounds before calcination. The presence of such impurities depends on the raw materials and manufacturing method of the alkaline earth metal titanate particles.
微細化合物を含まない粒子を用いて薄膜を形成すると、焼成時に不均一な熱収縮が起こり難い。そのため、薄膜にクラックが発生し難い。また、結晶子径が30nm以下の粒子は、薄膜を構成する他の化合物の隙間に入り易いため、密度の高い膜(緻密な膜)を形成することができる。しかし、焼成後にペロブスカイト構造以外の結晶が生じると、局所的に応力が発生するため、緻密な膜にはクラックが発生し易い。そこで、微細化合物を含まない粒子とすることにより、結晶子径が30nm以下でも、緻密で、クラックが発生し難い薄膜が形成できる。このような薄膜を用いれば、高性能且つ小型の電子部品を作製できる。なお、結晶子径Dが5nm未満であると、X線構造解析装置で結晶構造を特定することは難しい。 When a thin film is formed using particles that do not contain fine compounds, uneven thermal shrinkage is less likely to occur during firing. As a result, cracks are less likely to occur in the thin film. Furthermore, particles with a crystallite diameter of 30 nm or less can easily enter the gaps between other compounds that make up the thin film, allowing for the formation of a dense film (a dense film). However, if crystals other than the perovskite structure are formed after firing, localized stress is generated, making dense films more susceptible to cracking. Therefore, by using particles that do not contain fine compounds, a dense thin film that is less likely to crack can be formed, even with a crystallite diameter of 30 nm or less. Using such a thin film allows for the production of high-performance, compact electronic components. Note that if the crystallite diameter D is less than 5 nm, it is difficult to identify the crystal structure using an X-ray structure analyzer.
ここで、チタン酸アルカリ土類金属粒子は、アルカリ土類金属(E)とチタン(Ti)の原子比(E/Ti)が0.95~1.02の範囲にあることが好ましい。原子比(E/Ti)が1に近いほど、ペロブスカイト構造以外の結晶が生じ難い。原子比(E/Ti)が1.02より大きいと、粒子中にペロブスカイト構造以外のアルカリ土類金属化合物が存在し易い。原子比(E/Ti)が0.95より小さいと、粒子中にペロブスカイト構造以外のチタン化合物が存在し易い。原子比(E/Ti)は0.98~1.02がより好ましく、0.985~1.015がさらに好ましい。仮に、粒子に不純物が存在していないのであれば、原子比(E/Ti)が0.95~1.05や0.9~1.1であっても、ペロブスカイト構造以外の結晶が生じるおそれはない。 Here, the alkaline earth metal titanate particles preferably have an atomic ratio (E/Ti) of alkaline earth metal (E) to titanium (Ti) in the range of 0.95 to 1.02. The closer the atomic ratio (E/Ti) is to 1, the less likely it is that crystals other than perovskite structures will form. When the atomic ratio (E/Ti) is greater than 1.02, alkaline earth metal compounds other than perovskite structures are likely to be present in the particles. When the atomic ratio (E/Ti) is less than 0.95, titanium compounds other than perovskite structures are likely to be present in the particles. The atomic ratio (E/Ti) is more preferably 0.98 to 1.02, and even more preferably 0.985 to 1.015. If the particles are free of impurities, there is no risk of crystals other than perovskite structures forming, even if the atomic ratio (E/Ti) is 0.95 to 1.05 or 0.9 to 1.1.
また、ペロブスカイト構造の格子定数の比(c/a)は0.95~1.05が好ましい。この比(c/a)が1に近いほど、粒子が立方晶に近くなる。結晶子径が小さく、立方晶の粒子は、球形になり易い。そのため、薄膜を構成する化合物の隙間に入り易く、膜が緻密になり易い。この比(c/a)は0.99~1.01がより好ましい。 The lattice constant ratio (c/a) of the perovskite structure is preferably 0.95 to 1.05. The closer this ratio (c/a) is to 1, the closer the particles are to cubic crystals. Cubic crystal particles have a small crystallite diameter and tend to be spherical. This makes them more likely to enter the gaps in the compounds that make up the thin film, making the film more dense. The ratio (c/a) is more preferably 0.99 to 1.01.
粒子を溶媒に分散させるとき、結晶子径が小さいほど、分散後の粒子径が小さくなり易い。粒子径が小さいほど、電子部品を小型化し易い。一方、粒子径が大きいほど、粒子中の結晶子が多くなり、粒子が多結晶となり易い。粒子径(メジアン径)は40nm以下が好ましい。メジアン径(D50)は、20nm以下、10nm以下、7nm以下がさらに好ましい。メジアン径(D50)が小さ過ぎると、粒子の溶媒への分散安定性が低くなるため、メジアン径(D50)は3nm以上が好ましい。なお、結晶子は粒子の最小単位(すなわち、一次粒子)であるため、通常、溶媒に分散したときの粒子径よりも小さくなる。しかし、メジアン径(D50)は光散乱を用いて測定するため、小さい粒子を測定する際に、実際の粒子径より小さく検出されることがある。そのため、メジアン径(D50)は結晶子径Dより小さく検出されることがある。 When dispersing particles in a solvent, the smaller the crystallite size, the smaller the particle size after dispersion. The smaller the particle size, the easier it is to miniaturize electronic components. On the other hand, the larger the particle size, the more crystallites there are in the particle, and the more likely the particle is to become polycrystalline. The particle size (median size) is preferably 40 nm or less. The median size (D50) is preferably 20 nm or less, 10 nm or less, or even 7 nm or less. If the median size (D50) is too small, the dispersion stability of the particles in the solvent decreases, so the median size (D50) is preferably 3 nm or more. Note that, because crystallites are the smallest particle units (i.e., primary particles), they are typically smaller than the particle size when dispersed in a solvent. However, because the median size (D50) is measured using light scattering, small particles may be detected as smaller than the actual particle size. Therefore, the median size (D50) may be detected as smaller than the crystallite size D.
このメジアン径(D50)と結晶子径Dとの比(D50/D)が低いほど、溶媒に分散している粒子中の結晶子が少ない。そのため、この比は、1.3以下が好ましい。この比は、1.1以下、0.9以下、0.8以下がさらに好ましい。一方で、この比が0.3未満の粒子を得ることは困難である。 The lower the ratio (D50/D) of the median diameter (D50) to the crystallite diameter D, the fewer crystallites there are in the particles dispersed in the solvent. Therefore, this ratio is preferably 1.3 or less. This ratio is more preferably 1.1 or less, 0.9 or less, or 0.8 or less. On the other hand, it is difficult to obtain particles with a ratio of less than 0.3.
粒子を500℃で焼成した後の結晶子径D1と、結晶子径Dから結晶子径増加率「(D1-D)/D」が求められる。この増加率が低いほど、焼成時に結晶子が焼結(シンタリング)し難い。この増加率は、0.32以下が好ましく、0.27以下がより好ましく、0.22以下がさらに好ましい。 The crystallite diameter increase rate "(D 1 -D)/D" is calculated from the crystallite diameter D 1 after the particles are fired at 500 ° C. and the crystallite diameter D. The lower this increase rate, the more difficult it is for the crystallites to sinter during firing. This increase rate is preferably 0.32 or less, more preferably 0.27 or less, and even more preferably 0.22 or less.
アルカリ土類金属がストロンチウムである場合、結晶子径は大きく(15~25nm)なり易いが、結晶子径増加率や比(D50/D)が低くなり易い。この増加率は、0.1以下が好ましく、0.05以下がより好ましく、0.005以下がさらに好ましい。また、比(D50/D)は0.6以下がより好ましく、0.5以下がさらに好ましい。 When the alkaline earth metal is strontium, the crystallite size tends to be large (15 to 25 nm), but the crystallite size increase rate and ratio (D50/D) tend to be low. This increase rate is preferably 0.1 or less, more preferably 0.05 or less, and even more preferably 0.005 or less. Furthermore, the ratio (D50/D) is more preferably 0.6 or less, and even more preferably 0.5 or less.
また、アルカリ土類金属がバリウムである場合、結晶子径Dは11nm以下、且つメジアン径(D50)は14nm以下が好ましい。このようなチタン酸バリウム粒子では、結晶子径と粒子径が小さく、その差も小さいため、微細化合物が生じ難い。結晶子径Dは10nm以下、且つメジアン径(D50)は10nm以下がより好ましく、結晶子径Dは9nm以下、且つメジアン径(D50)は8nm以下がさらに好ましい。 Furthermore, when the alkaline earth metal is barium, it is preferable that the crystallite diameter D is 11 nm or less and the median diameter (D50) is 14 nm or less. With such barium titanate particles, the crystallite diameter and particle diameter are small, and the difference between them is also small, making it difficult for fine compounds to form. It is more preferable that the crystallite diameter D is 10 nm or less and the median diameter (D50) is 10 nm or less, and even more preferable that the crystallite diameter D is 9 nm or less and the median diameter (D50) is 8 nm or less.
アルカリ土類金属として、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウム等が挙げられる。バリウムやストロンチウムのチタン酸塩は誘電率が高いため、MLCCに好適である。粒子には複数種のアルカリ土類金属を含ませてもよい。 Alkaline earth metals include beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium, and radium. Barium and strontium titanates have high dielectric constants and are therefore suitable for MLCCs. Particles may contain multiple types of alkaline earth metals.
粒子には、3族、ランタノイド系、アクチノイド系、4族、5族、6族、7族、8族、9族、10族、11族、12族、13族、および、14族から選ばれる少なくとも一種の元素を含ませてもよい。 The particles may contain at least one element selected from Group 3, lanthanides, actinides, Group 4, Group 5, Group 6, Group 7, Group 8, Group 9, Group 10, Group 11, Group 12, Group 13, and Group 14.
また、以下の工程を順に行うことにより、アルカリ土類金属粒子を製造することができる。アルカリ土類金属の水酸化物とアルキルセロソルブの混合溶液を準備する(第一工程)。次に、混合溶液から未溶解の化合物を分離する(第二工程)。混合溶液のアルカリ土類金属の濃度が10重量%以上の状態で、当該混合溶液にチタンアルコキシドを添加する(第三工程)。混合溶液に水を含む溶媒を添加する(第四工程)。このとき、添加する水と混合溶液中のチタンアルコキシドのモル比(水のモル量/チタンアルコキシドのモル量)は6~15である。水の添加によりチタンアルコキシドは加水分解し、水酸化物と縮合反応して水和物ゲルになる。次に、混合溶液を70℃以上の状態にする(第五工程)。これにより、水和物ゲルが70℃以上の状態になる。これにより熟成され、ペロブスカイト構造の粒子が得られる。 Alkaline earth metal particles can also be produced by performing the following steps in order. A mixed solution of alkaline earth metal hydroxide and alkyl cellosolve is prepared (step 1). Next, undissolved compounds are separated from the mixed solution (step 2). Titanium alkoxide is added to the mixed solution when the alkaline earth metal concentration in the mixed solution is 10% by weight or higher (step 3). A water-containing solvent is added to the mixed solution (step 4). The molar ratio of the added water to the titanium alkoxide in the mixed solution (molar amount of water/molar amount of titanium alkoxide) is 6 to 15. The addition of water hydrolyzes the titanium alkoxide, which undergoes a condensation reaction with the hydroxide to form a hydrate gel. Next, the mixed solution is heated to 70°C or higher (step 5). This heats the hydrate gel to 70°C or higher, allowing it to mature, resulting in perovskite-structured particles.
以下、各工程について詳細に説明する。 Each process is explained in detail below.
<第一工程>
まず、アルカリ土類金属の水酸化物(以下、単に水酸化物と略す)とアルキルセロソルブとの混合溶液を準備する。このとき、複数種のアルカリ土類金属を用いてもよい。粒子のアルカリ土類金属源として水酸化物を用いることにより、塗膜を焼成する際に対イオンが他の層へ拡散しない。そのため、積層時の性能が向上する。アルキルセロソルブが水酸化物と相互作用することにより、粒子径が小さくなり易い。また、相互作用により水酸化物が溶解する。アルキルセロソルブの炭化水素基の炭素数が少ないほどアルキルセロソルブと水酸化物が相互作用し易い。炭素数は、4以下が好ましく、2以下がより好ましい。アルキルセロソルブとして、メチルセロソルブが好ましい。また、混合溶液に超音波を照射することにより、水酸化物が溶解し易くなる。
<First step>
First, a mixed solution of an alkaline earth metal hydroxide (hereinafter simply referred to as hydroxide) and an alkyl cellosolve is prepared. Multiple types of alkaline earth metals may be used. By using hydroxide as the alkaline earth metal source for the particles, counterions do not diffuse to other layers when the coating film is baked. This improves performance during lamination. The interaction between the alkyl cellosolve and the hydroxide facilitates a smaller particle size. Furthermore, this interaction also dissolves the hydroxide. The fewer the carbon atoms in the hydrocarbon group of the alkyl cellosolve, the more easily the alkyl cellosolve and the hydroxide interact. The carbon number is preferably 4 or less, more preferably 2 or less. Methyl cellosolve is preferred as the alkyl cellosolve. Furthermore, irradiating the mixed solution with ultrasound facilitates dissolution of the hydroxide.
水酸化物とアルキルセロソルブが相互作用する際に、水が発生する。水は、相互作用を阻害する。混合溶液から水を取り除くことにより(すなわち、混合溶液を脱水することにより)、相互作用が促進する。さらに、40℃以上で脱水すると、水酸化物がアルキルセロソルブと相互作用し易くなる。脱水時の温度は、50℃以上がより好ましく、60℃以上がさらに好ましい。温度は高いほど好ましいが、高過ぎると突沸しやすく、十分な安全性を確保できない。90℃以下であれば、突沸し難い。 When hydroxide and alkyl cellosolve interact, water is generated. Water inhibits the interaction. Removing water from the mixed solution (i.e., dehydrating the mixed solution) promotes the interaction. Furthermore, dehydration at 40°C or higher makes it easier for hydroxide to interact with alkyl cellosolve. A temperature of 50°C or higher during dehydration is more preferable, and 60°C or higher is even more preferable. A higher temperature is better, but if it is too high, bumping occurs easily and sufficient safety cannot be ensured. If the temperature is 90°C or lower, bumping is less likely to occur.
脱水時間が長いほど、多くの水を取り除くことができるため、相互作用が促進される。従って、脱水時間は10分以上が好ましく、30分以上がより好ましい。一方、脱水時間が長過ぎると、生産効率が低くなる。10時間以下、5時間以下、3時間以下、と短いほど効率が良くなる。また、脱水時間が長いと、水酸化物の溶け残り量は少なくなる。溶け残り量を考慮して、脱水時間を調整してもよい。例えば、溶け残り量が原料の4割未満になるように脱水すると、粒子の収率が6割以上となる。溶け残りが3割未満、2.5割未満と少なくなるほど、粒子の収率は高くなる。 The longer the dehydration time, the more water can be removed, promoting interaction. Therefore, a dehydration time of 10 minutes or more is preferable, and 30 minutes or more is even more preferable. On the other hand, if the dehydration time is too long, production efficiency will decrease. The shorter the dehydration time, such as 10 hours or less, 5 hours or less, or 3 hours or less, the better the efficiency. Furthermore, the longer the dehydration time, the less residual hydroxide will remain. The dehydration time can be adjusted taking the residual amount into consideration. For example, if dehydration is performed so that the residual amount is less than 40% of the raw material, the particle yield will be 60% or more. The smaller the residual amount, such as less than 30% or less than 2.5%, the higher the particle yield.
混合溶液の脱水方法として、(減圧)蒸留、並びに、シリカゲルやゼオライト等の吸着材を用いる方法などが挙げられる。(減圧)蒸留する場合、時間が長いほど、溶解する水酸化物の量が多くなる。例えば、30分以上蒸留すると、溶け残り量が少なくなる。 Methods for dehydrating the mixed solution include (reduced pressure) distillation and methods using adsorbents such as silica gel or zeolite. When (reduced pressure) distillation is performed for a longer time, the amount of hydroxide that dissolves increases. For example, distillation for 30 minutes or more reduces the amount of residual hydroxide.
脱水後の混合溶液の水分量が少ないほど、水酸化物とアルキルセロソルブが相互作用し易い。また、チタンアルコキシドの添加時にゲルが発生し難い。そのため、水分量は1重量%未満が好ましく、0.8重量%以下がより好ましく、0.55重量%以下がさらに好ましい。 The lower the water content of the mixed solution after dehydration, the easier it is for the hydroxide and alkyl cellosolve to interact. Furthermore, gel formation is less likely when titanium alkoxide is added. Therefore, the water content is preferably less than 1% by weight, more preferably 0.8% by weight or less, and even more preferably 0.55% by weight or less.
アルカリ土類金属がストロンチウムの場合、混合溶液を静置すると、水酸化物の溶解が促進する。静置温度を30℃以下にすると水酸化物が溶け易い。特に、2~15℃の範囲が、冷蔵庫等を用いて混合溶液を冷却できるため、溶解性とコストの面で好適である。 When the alkaline earth metal is strontium, leaving the mixed solution standing promotes dissolution of the hydroxide. The hydroxide dissolves easily when the standing temperature is below 30°C. In particular, a temperature range of 2 to 15°C is preferable in terms of solubility and cost, as the mixed solution can be cooled using a refrigerator, etc.
<第二工程>
本工程では、未溶解の化合物を混合溶液から分離する。溶け残った水酸化物や、アルカリ土類金属と空気中の物質(CO2等)が反応して生じたアルカリ土類金属の塩など(炭酸塩など)が未溶解の化合物となる。分離をしない場合、これらが粒子内に残存してしまう。このような未溶解の化合物は焼成によりペロブスカイト構造以外の結晶が生じる。分離方法として、ろ過やデカンテーション等が挙げられる。デカンテーションの前に、混合溶液を遠心分離してもよい。本工程の前にゲルが発生していても、本工程で分離される。ゲルは、不純物が生じる原因となる。第一工程で水酸化物の溶解を促進させ、未溶解の化合物を減少させてから本工程を行うと、収率を高くすることができる。
<Second process>
In this step, undissolved compounds are separated from the mixed solution. These undissolved compounds include undissolved hydroxides and alkaline earth metal salts (such as carbonates) produced by the reaction of alkaline earth metals with substances in the air (such as CO2 ). If separation is not performed, these compounds will remain within the particles. These undissolved compounds will produce crystals other than perovskite structures upon firing. Separation methods include filtration and decantation. The mixed solution may be centrifuged before decantation. Even if gel is generated before this step, it will be separated in this step. Gel can cause impurities to form. The yield can be increased by promoting the dissolution of hydroxides in the first step and reducing the amount of undissolved compounds before performing this step.
<第三工程>
次に、混合溶液にチタンアルコキシドを添加する。添加の際に、混合溶液のアルカリ土類金属の濃度は10重量%以上である必要がある。濃度が10重量%未満だと、混合溶液中でアルカリ土類金属とチタンが均一に反応し難いため、熟成後にペロブスカイト構造以外の化合物(アルカリ土類金属化合物やチタン化合物)が生じ易い。この濃度が高過ぎるとゲルが発生し易い。そのため、濃度は40重量%以下が好ましく、30重量%以下がより好ましく、20重量%以下がさらに好ましい。混合溶液中に複数種類のアルカリ土類金属が存在している場合、この濃度は、これらのアルカリ土類金属の合計の濃度である。本工程の前であれば、どの工程でアルカリ土類金属の濃度を調整してもよい。すなわち、第一工程から第三工程の間であれば、いつ調整してもよく、分離工程の前でも後でもよい。濃縮する方法として(減圧)蒸留を選択すれば、加温、脱水、濃縮を同時に行うことができるため、工程が少なく、生産効率が高い。(減圧)蒸留の時間が長過ぎると、混合溶液のアルカリ土類金属の濃度が高くなり過ぎるため、5時間以下が好ましい。蒸留温度やアルカリ土類金属の濃度、混合溶液の量等を考慮して、(減圧)蒸留の時間を調整することができる。アルカリ土類金属がストロンチウムであり、且つ混合溶液の濃度を加熱により調整する場合、静置にて水酸化物を溶解した後に加熱濃縮することが好ましい。ストロンチウムの水酸化物を溶かす前に加熱濃縮すると、混合溶液の温度が高くなり、ストロンチウムの水酸化物が溶け難くなる。
<Third step>
Next, titanium alkoxide is added to the mixed solution. During the addition, the alkaline earth metal concentration in the mixed solution must be 10% by weight or higher. If the concentration is less than 10% by weight, it is difficult for the alkaline earth metal and titanium to react uniformly in the mixed solution, which can easily result in the formation of compounds other than perovskite structures (alkaline earth metal compounds and titanium compounds) after aging. If the concentration is too high, gel formation is likely. Therefore, the concentration is preferably 40% by weight or less, more preferably 30% by weight or less, and even more preferably 20% by weight or less. When multiple types of alkaline earth metals are present in the mixed solution, this concentration refers to the total concentration of these alkaline earth metals. The alkaline earth metal concentration may be adjusted at any step before this step. That is, it may be adjusted at any time between steps 1 and 3, and may be before or after the separation step. Selecting (reduced pressure) distillation as the concentration method allows for simultaneous heating, dehydration, and concentration, resulting in fewer steps and higher production efficiency. If the (reduced pressure) distillation time is too long, the alkaline earth metal concentration in the mixed solution will become too high, so 5 hours or less is preferable. The (reduced pressure) distillation time can be adjusted taking into consideration the distillation temperature, the alkaline earth metal concentration, the amount of mixed solution, etc. When the alkaline earth metal is strontium and the concentration of the mixed solution is adjusted by heating, it is preferable to dissolve the hydroxide by leaving it to stand and then heat and concentrate it. If the mixed solution is heated and concentrated before dissolving the strontium hydroxide, the temperature of the mixed solution will increase, making it difficult for the strontium hydroxide to dissolve.
混合溶液に含まれるアルカリ土類金属とチタンの原子比(E/Ti)が1に近いほど、不純物が生じ難い。そのため、原子比が0.95~1.02の範囲となるように、チタンアルコキシドを添加することが好ましい。Ti(OR)4の構造を持つチタンアルコキシド(Rは炭素数1~4の炭化水素基であって互いに同一であっても異なっていてもよい)を用いることにより、不純物が生成し難くなる。テトライソプロポキシチタンが入手し易く、大量生産に向いている。 The closer the atomic ratio (E/Ti) of alkaline earth metal to titanium in the mixed solution is to 1, the less likely impurities are to be generated. Therefore, it is preferable to add titanium alkoxide so that the atomic ratio is in the range of 0.95 to 1.02. By using titanium alkoxide with a structure of Ti(OR) 4 (where R is a hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms and may be the same or different), impurities are less likely to be generated. Tetraisopropoxytitanium is easily available and is suitable for mass production.
<第四工程>
次に、混合溶液に水を含む溶媒を添加し、チタンアルコキシドを加水分解する。加水分解したチタンアルコキシドは、水酸化物と縮合反応して水和物ゲルになる。添加する水と、混合溶液中のチタンアルコキシドのモル比は6~15である。この範囲外であると、微細化合物が生じてしまう。モル比が12に近いほど、結晶子径増加率は低くなる。そのため、結晶子径増加率を下げたい場合は、モル比は9~14が好ましく、10~13がさらに好ましい。また、水を含む溶媒として、アルコールと水の混合溶媒を添加することにより、加水分解速度を調整し、粒子径を調整することができる。粒子径を小さくしたい場合、アルコールと水の重量比(アルコール/水)の範囲は0.5~4.0が好ましく、1.5~3.5がより好ましい。特に、添加する水と、混合溶液中のチタンアルコキシドのモル比が8に近いとき、すなわち、モル比が7~9のときに、アルコールと水の重量比が1.5~3.5の範囲にあると、粒子径が小さくなり易い。一方で、混合溶媒中のアルコールの比率が低いほど、結晶子径増加率が低くなり易い。そのため、結晶子径増加率を下げたい場合、アルコールと水の重量比(アルコール/水)は4.0以下が好ましく、1.5以下がより好ましく、0.5以下がさらに好ましい。混合溶媒を用いず、水のみを添加することがさらに好ましい。アルコールとして、エタノールやメタノールが水と混合し易いため、扱い易い。特に、メタノールが扱い易い。
<Fourth step>
Next, a water-containing solvent is added to the mixed solution to hydrolyze the titanium alkoxide. The hydrolyzed titanium alkoxide undergoes a condensation reaction with the hydroxide to form a hydrate gel. The molar ratio of the added water to the titanium alkoxide in the mixed solution is 6 to 15. Outside this range, fine compounds are produced. The closer the molar ratio is to 12, the lower the crystallite size increase rate. Therefore, if a lower crystallite size increase rate is desired, a molar ratio of 9 to 14 is preferred, with 10 to 13 being even more preferred. Furthermore, by adding a mixed solvent of alcohol and water as the water-containing solvent, the hydrolysis rate and thus the particle size can be adjusted. To reduce the particle size, the weight ratio of alcohol to water (alcohol/water) is preferably in the range of 0.5 to 4.0, more preferably 1.5 to 3.5. In particular, when the molar ratio of the added water to the titanium alkoxide in the mixed solution is close to 8, i.e., when the molar ratio is 7 to 9 and the weight ratio of alcohol to water is in the range of 1.5 to 3.5, the particle size tends to be small. On the other hand, the lower the ratio of alcohol in the mixed solvent, the lower the crystallite size increase rate. Therefore, when it is desired to reduce the crystallite size increase rate, the weight ratio of alcohol to water (alcohol/water) is preferably 4.0 or less, more preferably 1.5 or less, and even more preferably 0.5 or less. It is more preferable to add only water without using a mixed solvent. As alcohol, ethanol and methanol are easily mixed with water, so they are easy to handle. Methanol is particularly easy to handle.
<第五工程>
次に、混合溶液を70℃以上の状態にする。これにより、水和ゲルが70℃以上の状態になり(すなわち、熟成することになり)、ペロブスカイト構造の粒子を得ることができる。この方法であれば、焼成をしなくても、微細化合物を含まない粒子を得ることができる。また、熟成すると、粒子を溶媒に分散させたまま結晶化できるため、焼成のように粒子を溶媒から取り出す必要がない。そのため、塗布液化の際に粒子を溶媒に再分散させる必要がなく、製造工程を減らすことができる。また、熟成すると、粒子径が均一になり易い。熟成の温度が高過ぎると、生産効率が悪くなる。例えば、120℃以下で熟成すると効率がよい。ある程度熟成時間が長い方が、粒子径が均一になり易いため、時間は2時間以上が好ましく、5時間以上がより好ましい。一方、時間が長過ぎても生産効率が悪くなる。例えば、200時間以下や100時間以下であると効率がよい。
<Fifth process>
Next, the mixed solution is heated to 70°C or higher. This causes the hydrated gel to reach a temperature of 70°C or higher (i.e., it is aged), resulting in the production of particles with a perovskite structure. This method allows the production of particles free of fine compounds without calcination. Furthermore, aging allows the particles to crystallize while still dispersed in the solvent, eliminating the need to remove the particles from the solvent as in calcination. Therefore, there is no need to redisperse the particles in the solvent when liquefying the particles for coating, reducing the number of manufacturing steps. Furthermore, aging tends to result in a uniform particle size. If the aging temperature is too high, production efficiency decreases. For example, aging at 120°C or below is efficient. A relatively long aging time tends to result in a uniform particle size, so a time of 2 hours or more is preferable, and 5 hours or more is more preferable. On the other hand, if the aging time is too long, production efficiency decreases. For example, a time of 200 hours or less or 100 hours or less is efficient.
3族、ランタノイド系、アクチノイド系、4族、5族、6族、7族、8族、9族、10族、11族、12族、13族、および、14族から選ばれる少なくとも一種の元素を含む金属塩を添加する場合、第四工程よりも前が好ましい。このタイミングだと、不純物が生じ難い。 When adding a metal salt containing at least one element selected from Group 3, lanthanides, actinides, Group 4, Group 5, Group 6, Group 7, Group 8, Group 9, Group 10, Group 11, Group 12, Group 13, and Group 14, it is preferable to add the metal salt before the fourth step. This timing makes it less likely that impurities will be generated.
以下に、結晶子径Dが5~30nmのペロブスカイト構造のチタン酸アルカリ土類金属粒子を具体的に説明する。 Below, we will specifically explain alkaline earth metal titanate particles with a perovskite structure and a crystallite diameter D of 5 to 30 nm.
[実施例1]
<第一工程>
はじめに、アルカリ土類金属の水酸化物とアルキルセロソルブの混合溶液を調製した。具体的には、水酸化バリウム・八水和物(富士フィルム和光純薬社製)100gと2-メトキシエタノール(メチルセロソルブ)630gを1Lのビーカーに入れ、混合した後、超音波を照射しながら40℃で30分間かけて水酸化バリウムの一部を溶解させた。この混合溶液を、2Lのナス型フラスコに入れ、エバポレータを用いて減圧蒸留を行った。すなわち、脱水と濃縮を同時に行った。蒸留は、70℃、及び15hPaの条件で1時間行った。
[Example 1]
<First step>
First, a mixed solution of alkaline earth metal hydroxide and alkyl cellosolve was prepared. Specifically, 100 g of barium hydroxide octahydrate (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 630 g of 2-methoxyethanol (methyl cellosolve) were placed in a 1 L beaker and mixed. After mixing, a portion of the barium hydroxide was dissolved over 30 minutes at 40 °C while irradiating with ultrasound. This mixed solution was placed in a 2 L eggplant-shaped flask and subjected to reduced pressure distillation using an evaporator. In other words, dehydration and concentration were performed simultaneously. The distillation was performed for 1 hour at 70 °C and 15 hPa.
<第二工程>
次に、蒸留後の混合溶液を遠心分離して、未溶解の化合物を沈降させた。その後、上澄み(混合溶液)をデカンテーションし、沈降物(未溶解の化合物)を分離した。沈降物は白色であった。遠心分離の条件は、3000rpm、15分とした。ICP-OESにより測定した上澄み(チタンアルコキシドを添加する直前の混合溶液)のアルカリ土類金属濃度(バリウム濃度)は16.35重量%、水分含有量は0.5重量%であった。
<Second process>
Next, the mixed solution after distillation was centrifuged to precipitate undissolved compounds. Thereafter, the supernatant (mixed solution) was decanted to separate the sediment (undissolved compounds). The sediment was white. The centrifugation conditions were 3000 rpm and 15 minutes. The alkaline earth metal concentration (barium concentration) of the supernatant (mixed solution immediately before adding titanium alkoxide) measured by ICP-OES was 16.35 wt %, and the water content was 0.5 wt %.
<第三工程>
この上澄みにチタンアルコキシドを、原子比(E/Ti)が1.00となるように添加した。すなわち、窒素ガス雰囲気下のグローブボックス内で、上澄み150gにテトライソプロポキシチタン(マツモトファインケミカル社製オルガチックス(登録商標)TA-10;Ti濃度16.85重量%)50.5gを添加し、混合物を調製した。
<Third step>
Titanium alkoxide was added to this supernatant so that the atomic ratio (E/Ti) was 1.00. That is, in a glove box under a nitrogen gas atmosphere, 50.5 g of tetraisopropoxytitanium (Orgatix (registered trademark) TA-10, manufactured by Matsumoto Fine Chemical Co., Ltd.; Ti concentration 16.85 wt%) was added to 150 g of the supernatant to prepare a mixture.
<第四工程>
混合物を25℃で撹拌しながら、メタノール125gと水25g(メタノールと水の重量比が5.0、水とチタンアルコキシドのモル比が8.0)の混合溶媒を1分間かけて添加した後、混合物を25℃で2時間撹拌した。
<Fourth step>
While stirring the mixture at 25°C, a mixed solvent of 125 g of methanol and 25 g of water (weight ratio of methanol to water: 5.0, molar ratio of water to titanium alkoxide: 8.0) was added over 1 minute, and the mixture was then stirred at 25°C for 2 hours.
<第五工程>
得られた水和物ゲルを80℃に昇温し、48時間熟成することにより、粒子の分散液が得られた。この分散液20gを130℃で1時間乾燥し、粒子の粉末を得た。粉末の外観は白色であった。この粒子の粉末5gをるつぼに入れて、2.5時間かけて500℃まで昇温した後、500℃で3時間焼成した。400℃まで放冷した後、粉末をデシケータに入れて常温まで放冷し、500℃焼成品とした。
<Fifth process>
The resulting hydrate gel was heated to 80°C and aged for 48 hours to obtain a particle dispersion. 20 g of this dispersion was dried at 130°C for 1 hour to obtain a particle powder. The powder had a white appearance. 5 g of this particle powder was placed in a crucible and heated to 500°C over 2.5 hours, and then fired at 500°C for 3 hours. After cooling to 400°C, the powder was placed in a desiccator and cooled to room temperature to obtain a 500°C-fired product.
粒子の調製条件を表1に示す。得られた粒子(粉末)の物性を、以下の方法で測定した。測定結果を表2に示す。表2の130℃乾燥品の欄には、第五工程の乾燥後の粉末の測定値を記載している。500℃焼成品の欄には、第五工程の500℃焼成後の粉末の測定値を記載している。結晶子径増加率は、130℃乾燥品の結晶子径をDとし、500℃焼成品の結晶子径をD1として算出した。 The particle preparation conditions are shown in Table 1. The physical properties of the obtained particles (powders) were measured by the following methods. The measurement results are shown in Table 2. The column for 130°C dried product in Table 2 lists the measured values of the powder after drying in the fifth step. The column for 500°C fired product lists the measured values of the powder after firing at 500°C in the fifth step. The crystallite size increase rate was calculated by taking the crystallite size of the 130°C dried product as D and the crystallite size of the 500°C fired product as D1 .
(1)粒子径
測定用のセルを1gの2-メトキシエタノールで満たした後、これを約23~26℃に保ちながら粒子の分散液2滴をスポイト(アズワン社製ポリスポイト5ml)で添加した。その後、セル内を均一にするためにスポイトを用いてセル中の液を吸い上げ、再度セル内に戻した。この動作を二回繰り返し、測定用の試料とした。粒度分布装置(日機装社製ナノトラックUPA-UT151)を用い、動的光散乱法にて粒度分布を測定した。粒度分布から粒子径(メジアン径(D50))を求めた。
(1) Particle size After filling a measurement cell with 1 g of 2-methoxyethanol, two drops of particle dispersion were added using a dropper (5 ml poly dropper manufactured by AS ONE Corporation) while maintaining the temperature at approximately 23 to 26°C. After that, the dropper was used to suck up the liquid in the cell to make it uniform inside the cell, and then the liquid was returned to the cell. This operation was repeated twice to prepare a sample for measurement. The particle size distribution was measured by dynamic light scattering using a particle size distribution analyzer (Nanotrac UPA-UT151 manufactured by Nikkiso Co., Ltd.). The particle size (median diameter (D50)) was determined from the particle size distribution.
(2)結晶構造
対象の粉末を粉砕し、測定用の試料とした。X線回折測定装置であるリガク社製MiniFlex(登録商標)600を用いて結晶構造を測定した。結晶構造は、解析ソフトであるPDXL2を用いて同定できる。結晶子径は、ペロブスカイト構造の2θ=31.5°付近の半価幅β(結晶構造がCubicの場合、ミラー指数(110)の半価幅、Tetragonalの場合、ミラー指数(101)の半価幅)を測定し、半価幅β(rad)からScherrerの式「D=Kλ/βcosθ」により算出できる。ここで、Dは結晶子径(Å)、KはScherrer定数、λはX線波長(1.7889Å)、θは反射角を表す。不純物の有無について、解析ソフトのPDXL2(version 2.0.3.0)を用いてピークサーチ(ハイブリットサーチマッチ)を行い、ペロブスカイト構造以外のピーク検出の有無により判断した。本実施例の粒子の粉末及び500℃焼成品では、ペロブスカイト構造以外のピークが検出されなかった。そこで、粒子には微細化合物などの不純物が含まれていないと判断した。
(2) Crystal structure The target powder was pulverized and used as a measurement sample. The crystal structure was measured using an X-ray diffraction measurement device, MiniFlex (registered trademark) 600 manufactured by Rigaku Corporation. The crystal structure can be identified using analysis software PDXL2. The crystallite diameter was measured by measuring the half-width β of the perovskite structure around 2θ = 31.5 ° (if the crystal structure is cubic, the half-width of the Miller index (110); if the crystal structure is tetragonal, the half-width of the Miller index (101)). The half-width β (rad) was calculated using Scherrer's formula "D = Kλ / β cos θ". Here, D is the crystallite diameter (Å), K is the Scherrer constant, λ is the X-ray wavelength (1.7889 Å), and θ is the reflection angle. The presence or absence of impurities was determined by performing a peak search (hybrid search match) using the analysis software PDXL2 (version 2.0.3.0) and determining whether or not peaks other than those of the perovskite structure were detected. In the powder of the particles of this example and the product fired at 500°C, no peaks other than those of the perovskite structure were detected. Therefore, it was determined that the particles did not contain impurities such as fine compounds.
[実施例2]
第三工程でチタンアルコキシドの添加量を49.8gとした(原子比(E/Ti)が1.015となるように添加した)ことと、第四工程でアルコールと水の重量比が2.0となるように混合溶媒中のメタノールの重量を50gとしたこと以外は実施例1と同様に粒子の粉末を調製した。
[Example 2]
A particle powder was prepared in the same manner as in Example 1, except that in the third step, the amount of titanium alkoxide added was 49.8 g (added so that the atomic ratio (E/Ti) was 1.015), and in the fourth step, the weight of methanol in the mixed solvent was 50 g so that the weight ratio of alcohol to water was 2.0.
[実施例3]
第一工程でチタンアルコキシドを添加する前の混合溶液のバリウム濃度が10.09重量%となるように混合溶液を蒸留したことと、第四工程で混合溶媒中の水の重量を37g、メタノールの重量を37gと(アルコールと水の重量比が1.0となるように)した以外は実施例1と同様に粒子の粉末を調製した。
[Example 3]
A particle powder was prepared in the same manner as in Example 1, except that in the first step, the mixed solution was distilled so that the barium concentration of the mixed solution before adding titanium alkoxide was 10.09% by weight, and in the fourth step, the weight of water in the mixed solvent was 37 g and the weight of methanol was 37 g (so that the weight ratio of alcohol to water was 1.0).
[実施例4]
第四工程で、アルコールと水の重量比が3.0となるように混合溶媒中のメタノールの重量を75gとした以外は実施例1と同様に粒子の粉末を調製した。
[Example 4]
In the fourth step, a powder of particles was prepared in the same manner as in Example 1, except that the weight of methanol in the mixed solvent was 75 g so that the weight ratio of alcohol to water was 3.0.
[実施例5]
第四工程で、アルコールと水の重量比が2.0となるように混合溶媒中のメタノールの重量を50gとした以外は実施例1と同様に粒子の粉末を調製した。
[Example 5]
In the fourth step, a powder of particles was prepared in the same manner as in Example 1, except that the weight of methanol in the mixed solvent was 50 g so that the weight ratio of alcohol to water was 2.0.
[実施例6]
第四工程で、アルコールと水の重量比が0.0となるように混合溶媒中のメタノールの重量を0.0gとした以外は実施例1と同様に粒子の粉末を調製した。
[Example 6]
In the fourth step, a powder of particles was prepared in the same manner as in Example 1, except that the weight of methanol in the mixed solvent was 0.0 g so that the weight ratio of alcohol to water was 0.0.
[実施例7]
第四工程で、混合溶媒中の水の重量を37g、メタノールの重量を37gと(水とチタンアルコキシドのモル比が12.0、アルコールと水の重量比が1.0となるように)した以外は実施例1と同様に粒子の粉末を調製した。
[Example 7]
In the fourth step, a particle powder was prepared in the same manner as in Example 1, except that the weight of water in the mixed solvent was 37 g and the weight of methanol was 37 g (so that the molar ratio of water to titanium alkoxide was 12.0 and the weight ratio of alcohol to water was 1.0).
[実施例8]
本実施例では、アルカリ土類金属としてストロンチウムを用いた。水酸化ストロンチウム・八水和物(富士フィルム和光純薬社製)218gとメチルセロソルブ1610gをビーカーに入れ、1時間撹拌後、23~25℃で6時間静置した。さらに、冷蔵庫にて5~10℃で15時間静置した。
[Example 8]
In this example, strontium was used as the alkaline earth metal. 218 g of strontium hydroxide octahydrate (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 1,610 g of methyl cellosolve were placed in a beaker, stirred for 1 hour, and then allowed to stand at 23 to 25°C for 6 hours. The mixture was then allowed to stand in a refrigerator at 5 to 10°C for 15 hours.
次に、蒸留後の混合溶液を遠心分離して、未溶解の化合物を沈降させた。その後、上澄み(混合溶液)をデカンテーションし、沈降物(未溶解の化合物)を分離した。遠心分離の条件は、3000rpm、15分とした。エバポレータを用いて、この上澄みを濃縮し、混合溶液(上澄み)のアルカリ土類金属濃度(ストロンチウム濃度)を10.60重量%とした。水分含有量は1.85重量%であった。濃縮は、60℃、40hPaの条件で1時間行った。 Next, the distilled mixed solution was centrifuged to settle any undissolved compounds. The supernatant (mixed solution) was then decanted to separate the sediment (undissolved compounds). The centrifugation conditions were 3000 rpm and 15 minutes. The supernatant was concentrated using an evaporator, and the alkaline earth metal concentration (strontium concentration) of the mixed solution (supernatant) was 10.60 wt%. The water content was 1.85 wt%. Concentration was carried out for 1 hour at 60°C and 40 hPa.
第三工程では、本実施例で濃縮した後の混合溶液に、チタンアルコキシドを原子比(E/Ti)が1.00となるように添加した。また、第四工程では、水とメタノールの重量比が3.0、水とチタンアルコキシドのモル比が8となるように水とメタノールを添加した。これ以外は実施例1と同様に粒子の粉末を調製した。 In the third step, titanium alkoxide was added to the mixed solution after concentration in this example so that the atomic ratio (E/Ti) was 1.00. In the fourth step, water and methanol were added so that the weight ratio of water to methanol was 3.0 and the molar ratio of water to titanium alkoxide was 8. Other than this, a particle powder was prepared in the same manner as in Example 1.
[比較例1]
第二工程を行わず、第一工程で得られた混合溶液にチタンアルコキシドを添加した。さらに、第四工程で混合溶媒中の水の重量を37g、メタノールの重量を37gと(水とチタンアルコキシドのモル比が12.0、アルコールと水の重量比が1.0となるように)した。これ以外は実施例7と同様に粒子の粉末を調製した。
[Comparative Example 1]
The second step was omitted, and titanium alkoxide was added to the mixed solution obtained in the first step. Furthermore, in the fourth step, the weight of water in the mixed solvent was changed to 37 g, and the weight of methanol was changed to 37 g (so that the molar ratio of water to titanium alkoxide was 12.0, and the weight ratio of alcohol to water was 1.0). A particle powder was prepared in the same manner as in Example 7, except for this.
[比較例2]
第一工程で混合溶液のバリウム濃度が5.14重量%となるように混合溶液を蒸留した。また、第四工程では、混合溶媒中の水の重量を37g、メタノールの重量を37gと(水とチタンアルコキシドのモル比が12.0、アルコールと水の重量比が1.0となるように)した。これ以外は実施例1と同様に粒子の粉末を調製した。
[Comparative Example 2]
In the first step, the mixed solution was distilled so that the barium concentration of the mixed solution was 5.14 wt%. In the fourth step, the weight of water in the mixed solvent was 37 g and the weight of methanol was 37 g (so that the molar ratio of water to titanium alkoxide was 12.0 and the weight ratio of alcohol to water was 1.0). Except for this, a particle powder was prepared in the same manner as in Example 1.
[比較例3]
第三工程で、チタンアルコキシドの添加量を49.1gとした(原子比(E/Ti)が1.03となるように添加した)ことと、第四工程でアルコールと水の重量比が2.0となるように混合溶媒中のメタノールの重量を50gとしたこと以外は実施例1と同様に粒子の粉末を調製した。
[Comparative Example 3]
A particle powder was prepared in the same manner as in Example 1, except that in the third step, the amount of titanium alkoxide added was 49.1 g (added so that the atomic ratio (E/Ti) was 1.03), and in the fourth step, the weight of methanol in the mixed solvent was 50 g so that the weight ratio of alcohol to water was 2.0.
[比較例4]
第四工程で、水とチタンアルコキシドのモル比が4.0となるように混合溶媒中の水の重量を12gとしたことと、混合溶媒中のメタノールの重量を62gとしたこと以外は実施例1と同様に粒子の粉末を調製した。
[Comparative Example 4]
In the fourth step, a particle powder was prepared in the same manner as in Example 1, except that the weight of water in the mixed solvent was 12 g so that the molar ratio of water to titanium alkoxide was 4.0, and the weight of methanol in the mixed solvent was 62 g.
[比較例5]
第四工程で、水とチタンアルコキシドのモル比が16.0となるように混合溶媒中の水の重量を50gとしたことと、混合溶媒中のメタノールの重量を25gとしたこと以外は実施例1と同様に粒子の粉末を調製した。
[Comparative Example 5]
In the fourth step, a particle powder was prepared in the same manner as in Example 1, except that the weight of water in the mixed solvent was 50 g so that the molar ratio of water to titanium alkoxide was 16.0, and the weight of methanol in the mixed solvent was 25 g.
[比較例6]
第五工程で、60℃で熟成したこと以外は、実施例1と同様に粒子の粉末を調製した。
[Comparative Example 6]
In the fifth step, a powder of particles was prepared in the same manner as in Example 1, except that aging was carried out at 60°C.
Claims (7)
アルカリ土類金属(E)とチタン(Ti)の原子比(E/Ti)が0.95~1.02
であり、
結晶子径Dが5~30nmであり、
X線回折測定装置を用いて測定されたチタン酸アルカリ土類金属粒子の結晶構造を解析することにより得られた格子定数cと格子定数aの比(c/a)が0.95~1.05であり、
当該粒子を500℃で3時間焼成した後、前記ペロブスカイト構造以外の結晶が含まれないことを特徴とする粒子。 Alkaline earth metal titanate particles having a perovskite structure,
The atomic ratio (E/Ti) of alkaline earth metal (E) to titanium (Ti) is 0.95 to 1.02
and
The crystallite diameter D is 5 to 30 nm,
the ratio of the lattice constant c to the lattice constant a (c/a) obtained by analyzing the crystal structure of the alkaline earth metal titanate particles measured using an X-ray diffraction measurement device is 0.95 to 1.05;
The particles are characterized in that, after being fired at 500°C for 3 hours, they do not contain crystals other than the perovskite structure.
を特徴とする請求項1に記載の粒子。 2. The particles according to claim 1, wherein the ratio (D50/D) of the median diameter (D50) to the crystallite diameter D is 1.3 or less.
れる結晶子径増加率「(D1-D)/D」が0.32以下であることを特徴とする請求項
1に記載の粒子。 The particles according to claim 1, characterized in that the crystallite diameter increase rate "(D1-D)/D" calculated from the crystallite diameter D1 after firing the particles at 500 ° C. for 3 hours and the crystallite diameter D is 0.32 or less.
前記結晶子径Dが15~25nmであり、
前記結晶子径増加率が0.05以下であることを特徴とする請求項3に記載の粒子。 the alkaline earth metal is strontium;
The crystallite diameter D is 15 to 25 nm,
4. The particle according to claim 3, wherein the crystallite size increase rate is 0.05 or less.
前記結晶子径Dが11nm未満であり、
メジアン径(D50)が14nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の粒
子。 the alkaline earth metal is barium;
The crystallite diameter D is less than 11 nm,
2. The particles according to claim 1, characterized in that the median diameter (D50) is 14 nm or less.
、
前記混合溶液から未溶解の化合物を分離する第二工程と、
前記混合溶液のアルカリ土類金属の濃度が10重量%以上の状態で、当該混合溶液にチ
タンアルコキシドを添加する第三工程と、
前記混合溶液に水を含む溶媒を添加する第四工程と
前記混合溶液を70℃以上の状態にする第五工程と、を順に備え、
前記第四工程で添加する水と前記混合溶液中のチタンアルコキシドとのモル比(水のモ
ル量/チタンアルコキシドのモル量)が6~15であることを特徴とするチタン酸バリウ
ム粒子の製造方法。 A first step of preparing a mixed solution of an alkaline earth metal hydroxide and an alkyl cellosolve;
a second step of separating undissolved compounds from the mixed solution;
a third step of adding titanium alkoxide to the mixed solution in a state where the alkaline earth metal concentration in the mixed solution is 10% by weight or more;
a fourth step of adding a solvent containing water to the mixed solution; and a fifth step of heating the mixed solution to a temperature of 70°C or higher,
A method for producing barium titanate particles, characterized in that the molar ratio of water added in the fourth step to titanium alkoxide in the mixed solution (molar amount of water/molar amount of titanium alkoxide) is 6 to 15.
ールと水の重量比が4.0以下であることを特徴とする請求項6に記載の製造方法。 7. The method according to claim 6, wherein in the fourth step, the solvent is a mixed solvent of alcohol and water, and the weight ratio of alcohol to water in the mixed solvent is 4.0 or less.
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