JPH0613413B2 - Method for producing silica-zirconia viscous sol - Google Patents
Method for producing silica-zirconia viscous solInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、シリカ−ジルコニア系ガラスファイバーを始
めとする各種材料の中間原料となるシリカ−ジルコニア
系粘性ゾルを簡便かつ安価に製造する方法に係る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial field of application] The present invention provides a method for easily and inexpensively producing a silica-zirconia-based viscous sol, which is an intermediate raw material for various materials including silica-zirconia-based glass fibers. Pertain.
シリカ−ジルコニア系ガラスは難溶融性ガラスとして知
られている。したがって溶融法でシリカ−ジルコニア系
ガラスファイバーを作製する場合、ジルコニア添加量に
は自ずから限界が生じ、かつまたアルカリ金属酸化物等
の融点降下剤の添加が不可欠である。例えば、英国建築
研究所とピルキントン兄弟(PB)社が共同開発した、溶融
法による市販のシリカ−ジルコニア系ファイバーGemFIL
は、17wt%のジルコニアを含むが、同時にアルカリ成分
を15wt%程度含有する。このシリカ−ジルコニア系ガラ
スは、通常のガラス繊維に用いられるEガラスと呼ばれ
ているガラス(例えばSiO252.4wt%、Al2O314.4wt
%、B2O310.4wt%を含有するアルミノホウケイ酸ガラ
ス)に比べ、約10倍の耐アルカリ侵食性を有する。Silica-zirconia-based glass is known as a difficult-to-melt glass. Therefore, when the silica-zirconia glass fiber is produced by the melting method, the amount of zirconia added is naturally limited, and it is indispensable to add a melting point depressant such as an alkali metal oxide. For example, GemFIL, a commercially available melt-processed silica-zirconia fiber jointly developed by the British Institute of Architecture and the Pilkington Brothers (PB).
Contains 17 wt% zirconia, but at the same time contains about 15 wt% alkali component. This silica-zirconia-based glass is a glass called E glass used for ordinary glass fibers (eg, SiO 2 52.4 wt%, Al 2 O 3 14.4 wt%).
%, Aluminoborosilicate glass containing 10.4 wt% of B 2 O 3 ) and about 10 times more alkaline corrosion resistance.
ガラスやセラミツクの製造に用いられているこのような
溶融法は、高温を要する、均質な組成が得られないなど
の欠点があり、最近この欠点を解消するため、ゾル−ゲ
ル法が開発されている。このゾル−ゲル法、特にアルコ
キシドの加水分解による方法は液相からの低温合成であ
るため、組成選択の自由性、高純度化、工程の簡便さと
いう利点を有する。Such a melting method used for the production of glass and ceramics has drawbacks such as high temperature and inability to obtain a homogeneous composition. Recently, in order to solve this drawback, a sol-gel method has been developed. There is. Since this sol-gel method, especially the method by hydrolysis of alkoxide, is low-temperature synthesis from a liquid phase, it has the advantages of freedom in composition selection, high purification, and simple process.
神谷らは、このゾル−ゲル法をシリカ−ジルコニア系ガ
ラスの製造に適用し、シリコンエトキシド、ジルコニウ
ム−n−プロポキシドの混合溶液を空気中にさらし、空
気中の水分で徐々に加水分解して曳糸性溶液を得、これ
からファイバーを紡糸し、それを500〜700℃で焼
成してシリカ−ジルコニアガラスファイバーを得てい
る。Kamiya et al. Applied this sol-gel method to the production of silica-zirconia-based glass, exposing a mixed solution of silicon ethoxide and zirconium-n-propoxide to the air and gradually hydrolyzing it with water in the air. To obtain a spinnable solution, from which fibers are spun and fired at 500 to 700 ° C. to obtain silica-zirconia glass fibers.
前述の溶融法によるシリカ−ジルコニア系ファイバーGe
mFILはアルカリを含有するために融点が低く、耐熱性に
問題があり、また前述のゾル−ゲル法によるシリカ−ジ
ルコニアガラスファイバーの製造方法では、雰囲気中の
水で加水分解するため、製造にかなりの日数を要し、ま
た雰囲気の温度、湿度の影響を受け易く、再現性に乏し
い。さらにシリカ−ジルコニア源として用いるジルコニ
ウムアルコキシドは高価であり、製造コストが高い欠点
がある。Silica-zirconia fiber Ge produced by the above-mentioned melting method
mFIL has a low melting point because it contains an alkali, and there is a problem in heat resistance, and in the above-described method for producing a silica-zirconia glass fiber by the sol-gel method, since it is hydrolyzed by water in the atmosphere, it is considerably difficult to produce. It takes a few days, and is easily affected by the temperature and humidity of the atmosphere, resulting in poor reproducibility. Further, zirconium alkoxide used as a silica-zirconia source is expensive and has a drawback of high production cost.
本発明は、安価で、高性能であり、シリカ−ジルコニア
ファイバーの前駆体となり得るシリカ−ジルコニア粘性
ゾルを製造することを目的とするものである。An object of the present invention is to produce a silica-zirconia viscous sol which is inexpensive, has high performance, and can be a precursor of silica-zirconia fibers.
本発明者は、上記のような問題点を解決するため研究を
行い、ジルコニア源としてジルコニウムアルコキシド以
外の化合物を用いることを着想し、かつシリコンアルコ
キシドを含有するシリカ−ジルコニア系組成物製造用原
料を再現性よく加水分解できる条件を追究して本発明を
完成した。The present inventor conducted research to solve the above problems, and conceived to use a compound other than zirconium alkoxide as a zirconia source, and a silica-zirconia-based composition-containing raw material containing a silicon alkoxide. The present invention has been completed by pursuing conditions under which reproducible hydrolysis can be performed.
すなわち、本発明は、シリコンアルコキシドとジルコニ
ウム塩とを混合してシリカ−ジルコニア系組成物用混合
物を形成し、前記混合物をシリコンアルコキシドに対し
て1.2〜1.7倍モルの水を用いて加水分解、縮重合
させることからなるシリカ−ジルコニア系粘性ゾルの製
造方法である。That is, in the present invention, a mixture of a silicon alkoxide and a zirconium salt is mixed to form a mixture for a silica-zirconia composition, and the mixture is mixed with 1.2 to 1.7 times the molar amount of water with respect to the silicon alkoxide. A method for producing a silica-zirconia viscous sol, which comprises hydrolyzing and polycondensing.
以下、本発明を詳細に説明する。Hereinafter, the present invention will be described in detail.
シリコンアルコキシドとしては、シリコンメトキシド、
シリコンエトキシド、シリコン−n−プロキシドなどを
用いることができ、この中シリコンエトキシドは、シリ
コンメトキシドより加水分解、縮重合の速度が遅く、曳
糸性ゾルを合成しやすい。As the silicon alkoxide, silicon methoxide,
Silicon ethoxide, silicon-n-proxy, and the like can be used. Among them, silicon ethoxide has a slower rate of hydrolysis and polycondensation than silicon methoxide, and is easy to synthesize a spinnable sol.
ジルコニウム塩としては、硝酸ジルコニウム、塩化ジル
コニウム、酸塩化ジルコニウムなどを使用できる。これ
らの塩を形成する酸根(硝酸根、塩酸根)がシリコンア
ルキシドの加水分解のための触媒(酸触媒)として働
き、特に曳糸性発現のための触媒として作用する。これ
らの塩は含水塩として存在するものが多いが、含水塩の
形のものを使用することが好ましい。この含水塩中の構
造水は加水分解に関与し、この構造水により緩慢な加水
分解が行われ、均質なゾルが形成する。これらの塩の
中、酸塩化ジルコニウムが塩酸根の量が少ないという点
で好ましい。これは、塩から多量の塩酸根が導入される
と曳糸性ゾルの安定性が悪くなるためである。しかし、
酸塩化ジルコニウムは8モルの構造水が付いた含水塩で
あるため、水添加量の規制から多量に使用することはで
きない。したがって、ジルコニウムの含有率を高くした
いときには、無水の塩、すなわち塩化ジルコニウムを酸
塩化ジルコニウムと併用する必要がある。塩の中で、塩
化物を使用するのは、塩酸根が曳糸性ゾル合成時の触媒
として最も好ましいからである。As the zirconium salt, zirconium nitrate, zirconium chloride, zirconium oxychloride, etc. can be used. Acid radicals (nitrate, hydrochloric acid) forming these salts act as a catalyst for hydrolyzing silicon alkoxide (acid catalyst), and particularly act as a catalyst for expressing spinnability. Many of these salts exist as hydrated salts, but it is preferable to use those in the form of hydrated salts. The structural water in the hydrous salt is involved in hydrolysis, and the structural water causes slow hydrolysis to form a homogeneous sol. Among these salts, zirconium oxychloride is preferable in that the amount of hydrochloric acid radical is small. This is because the stability of the spinnable sol deteriorates when a large amount of hydrochloric acid radical is introduced from the salt. But,
Since zirconium oxychloride is a water-containing salt with 8 mol of structural water, it cannot be used in a large amount due to regulation of the amount of water added. Therefore, when it is desired to increase the content of zirconium, it is necessary to use an anhydrous salt, that is, zirconium chloride together with zirconium oxychloride. Among the salts, chloride is used because hydrochloric acid radical is the most preferable as a catalyst for the synthesis of spinnable sol.
シリコンアルコキシドとジルコニウム塩との混合比率
は、最終製品でシリカ−ジルコニア系製品の所望組成に
よって決める。シリコンアルコキシドはアルコールなど
の有機溶媒の溶液として使用することが好ましい。溶液
の形で混合した方が均一な混合体が得られる。有機溶媒
のアルコールとしてはメタノール、エタノールなどを使
用することができるが、エタノールを用いるのが好まし
い。他の第3成分をアルコキシドあるいは塩の形で添加
することができる。The mixing ratio of the silicon alkoxide and the zirconium salt is determined by the desired composition of the silica-zirconia-based product in the final product. Silicon alkoxide is preferably used as a solution of an organic solvent such as alcohol. A more uniform mixture is obtained when mixed in the form of a solution. As the alcohol of the organic solvent, methanol, ethanol or the like can be used, but ethanol is preferably used. The other third component can be added in the form of alkoxide or salt.
前記混合物を加水分解するに当っては、前記混合物中の
シリコンアルコキシドに対して、1.2〜1.7倍モル
の水を用いる。水の使用量は、これより少ないと曳糸性
が発現しにくいし、またこれよりも多いとゲル化しやす
く、曳糸性発現領域が狭いために安定性に欠ける。前記
の水の使用量は、ジルコニウム塩として前記の含水塩を
用いる場合には、その構造水を含めたものであり、含水
塩を用いるさいには、その含水塩から入る水を差引いた
分を添加する。この添加する水については水−アルコー
ルの混合溶媒として加えることができる。また、ジルコ
ニウム塩として含水塩を用いた場合には、それとシリコ
ンアルコキシドを混合した直後から加水分解が開始す
る。In hydrolyzing the mixture, 1.2 to 1.7 times mol of water is used with respect to the silicon alkoxide in the mixture. If the amount of water used is less than this, spinnability is less likely to be exhibited, and if it is more than this, gelation tends to occur, and stability is lacking due to the narrow spinnability expression region. The amount of water used, when using the hydrated salt as the zirconium salt, includes the structural water, when using the hydrated salt, the amount of water subtracted from the hydrated salt Added. The water to be added can be added as a water-alcohol mixed solvent. When a hydrous salt is used as the zirconium salt, the hydrolysis starts immediately after mixing it with the silicon alkoxide.
本発明において、ジルコニウム塩は酸根を有するため、
これを多量に使用した場合には、それに伴い多量の酸根
(陰イオン)が導入され、酸根は前記したように触媒と
して作用するため、その量が多いことによりゾルの白
濁、速いゲル化などを生じて、生成するゾルの均質性、
安定化が低下する。そこで、陰イオンを除去するために
陰イオン交換処理を行い、酸根の低減をはかるが、その
処理の時機はシリコンアルコキシドとジルコニウム塩を
混合した時点、すなわち脱溶媒を行って曳糸性を出す前
段階が好ましい。陰イオン交換処理により残存する酸根
が非常に少なくなると、逆に曳糸性が発現しなくなる可
能性があるが、その場合は実にその後HCl等の酸触媒を
添加することにより曳糸性ゾルを得ることができる。ま
た、そのような酸根が完全に近い形で除かれた前駆体
は、その後水、アルカリ触媒を加えることによりシリカ
−ジルコニア系バルクゲル、ひいてはバルクガラスの作
製に適した前駆体として利用できる。In the present invention, since the zirconium salt has an acid radical,
When a large amount of this is used, a large amount of acid radicals (anions) are introduced with it, and the acid radicals act as a catalyst as described above. The homogeneity of the resulting sol,
Stabilization is reduced. Therefore, in order to remove anions, anion exchange treatment is performed to reduce acid radicals, but the timing of the treatment is when the silicon alkoxide and zirconium salt are mixed, that is, before desolvation is performed and spinnability is exhibited. Stages are preferred. On the contrary, if the number of residual acid radicals becomes extremely small by the anion exchange treatment, the spinnability may not be manifested. In that case, however, a spinnable sol can be obtained by adding an acid catalyst such as HCl afterwards. be able to. Further, the precursor from which such acid radicals are removed in a nearly complete form can be used as a precursor suitable for producing a silica-zirconia-based bulk gel, and eventually a bulk glass, by adding water and an alkali catalyst.
このように加水分解したものから必要により溶媒を留去
して重縮合すると、曳糸性のある粘性ゾルが得られる。If necessary, the solvent is distilled off from the hydrolyzed product and polycondensation is performed to obtain a viscous sol having spinnability.
本発明では、その加水分解により簡便かつ短時間に曳糸
性を有する粘性ゾルを得ることができる。この粘性ゾル
は、従来のジルコニウムアルコキシドをジルコニウム源
とする方法に比べ、ジルコニウムの単独加水分解による
析出の問題がないため、分子オーダーでの均質性が達成
され、ジルコニウムの多量添加も可能となる。したがっ
て、本発明の粘性ゾルから紡糸したゲルファイバーを焼
成して得られるガラスファイバーは、ジルコニウムが非
常に均一に分散した高品質のものとなり、かつ溶融法で
は達成できない多量のジルコニウムを含有させることが
できる。In the present invention, a viscous sol having spinnability can be easily obtained in a short time by the hydrolysis. Since this viscous sol has no problem of precipitation due to single hydrolysis of zirconium as compared with the conventional method using zirconium alkoxide as a zirconium source, homogeneity on a molecular order is achieved and a large amount of zirconium can be added. Therefore, the glass fiber obtained by firing the gel fiber spun from the viscous sol of the present invention is of high quality in which zirconium is dispersed very uniformly, and may contain a large amount of zirconium that cannot be achieved by the melting method. it can.
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。ただ
し、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
実施例1 Si(OC2H5)4100gに対し、ZrOCl2・8H2O15.5g、エタノー
ル80g、水6gを混合し、均質な溶液とした後20to
rrの減圧下、80℃で溶媒のエタノールを留去する過程
で粘度400ポアズの曳糸性を有する粘性ゾルを合成し
た。これを紡糸装置により連続ゲルファイバーとし、10
00℃で焼成することにより、ZrO2を21wt%含む透明なシ
リカ−ジルコニアファイバーを得た。To Example 1 Si (OC 2 H 5) 4 100g, ZrOCl 2 · 8H 2 O15.5g, ethanol 80 g, was mixed with water 6 g, it was a homogeneous solution 20to
A viscous sol having a spinnability of 400 poise was synthesized in the process of distilling off the solvent ethanol at 80 ° C. under reduced pressure of rr. This was made into a continuous gel fiber by a spinning device,
By firing at 00 ° C., a transparent silica-zirconia fiber containing 21 wt% of ZrO 2 was obtained.
実施例2 Si(OC2H5)4100gに対し、ZrOCl2・8H2O29.4g、エタノー
ル66gを常温で混合し、均質な溶液とした後、20torr
の減圧下、80℃で溶媒のエタノールを留去する過程で
曳糸性を有する粘度約500ポアズの粘性ゾルを得た。こ
れを紡糸装置を用いて連続ゲルファイバーとし、1050℃
で焼成することにより、ZrO237wt%を含むシリカ−ジル
コニアガラスファイバーを得た。Example 2 100 g of Si (OC 2 H 5 ) 4 was mixed with 29.4 g of ZrOCl 2 · 8H 2 O and 66 g of ethanol at room temperature to form a homogeneous solution, and then 20 torr
In the process of distilling off the solvent ethanol at 80 ° C. under reduced pressure, a viscous sol having spinnability and a viscosity of about 500 poise was obtained. This was made into a continuous gel fiber using a spinning device, and 1050 ℃
A silica-zirconia glass fiber containing 37 wt% of ZrO 2 was obtained by firing at.
実施例3 Si(OC2H5)4100gに対し、ZrOCl2・8H2O29.4g、ZrCl42
2.4g、エタノール70zgを常温で混合、均質な溶液
とし、陰イオン交換樹脂に1回通し、塩素イオンの低減
をはかった。これを20torrの減圧下、80℃で溶媒の
エタノールを留去する過程で曳糸性を有する粘度約70
0ポアズの粘性ゾルを得た。この粘性ゾルから連続ゲル
ファイバーを紡糸し、1100℃で焼成することによりZrO2
を51wt%含有するシリカ−ジルコニアファイバーを得
た。Example 3 With respect to 100 g of Si (OC 2 H 5 ) 4 , 29.4 g of ZrOCl 2 · 8H 2 O and ZrCl 4 2
2.4 g of ethanol and 70 zg of ethanol were mixed at room temperature to form a homogeneous solution, which was passed through the anion exchange resin once to reduce chlorine ions. In the process of distilling off the solvent ethanol at 80 ° C. under a reduced pressure of 20 torr, a spinnable viscosity of about 70 was obtained.
A viscous sol of 0 poise was obtained. Continuous gel fibers were spun from this viscous sol and fired at 1100 ° C to produce ZrO 2
A silica-zirconia fiber containing 51 wt% of was obtained.
本発明によれば、簡便かつ短時間に曳糸性を有するシリ
カ−ジルコニア系粘性ゾルを得ることができる。また、
反応原料にジルコニウムアルコキシドを用いていないの
で、それを用いた場合に生ずるジルコニウムアルコキシ
ドがシリコンアルコキシドよりも加水分解してしまうと
いう問題が生じないため、分子オーダーでの均質性が得
られ、同時に溶融法では達成できない多量のジルコニウ
ムを含有させることができる。また、ジルコニウム源と
してジルコニウム塩を用いているため、このジルコニウ
ム塩などを原料として製造されているジルコニウムアル
コキシドを用いる場合に比して、格段に安く製造するこ
とができる。このシリカ−ジルコニア系粘性ゾルは安易
に紡糸することができ、紡糸したものを焼成することに
よりシリカ−ジルコニア系ガラスファイバーを容易に得
ることができる。また、このシリカ−ジルコニア系粘性
ゾルから薄膜などのファイバー以外の形状をもつシリカ
−ジルコニア系製品をつくることができる。According to the present invention, a silica-zirconia-based viscous sol having spinnability can be easily obtained in a short time. Also,
Since zirconium alkoxide is not used as the reaction raw material, there is no problem that zirconium alkoxide generated when it is used is more hydrolyzed than silicon alkoxide. Can contain a large amount of zirconium that cannot be achieved by. Further, since the zirconium salt is used as the zirconium source, the zirconium salt can be produced at a much lower cost than the case where the zirconium alkoxide produced using the zirconium salt as a raw material is used. This silica-zirconia-based viscous sol can be easily spun, and by firing the spun product, silica-zirconia-based glass fibers can be easily obtained. Further, a silica-zirconia-based product having a shape other than fibers such as a thin film can be produced from this silica-zirconia-based viscous sol.
Claims (3)
を混合してシリカ−ジルコニア系組成物用混合物を形成
し、前記混合物をシリコンアルコキシドに対して1.2
〜1.7倍モルの水を用いて加水分解、縮重合させるこ
とからなるシリカ−ジルコニア系粘性ゾルの製造方法。1. A silicon alkoxide and a zirconium salt are mixed to form a mixture for a silica-zirconia composition, and the mixture is added to the silicon alkoxide at 1.2.
A method for producing a silica-zirconia-based viscous sol, which comprises hydrolyzing and polycondensing using 1.7 to 1.7 times the molar amount of water.
キシドであり、前記ジルコニウム塩が構造水を有する酸
塩化ジルコニウム及び/又は塩化ジルコニウムであるこ
とを特徴とする請求項(1)記載のシリカ−ジルコニア系
粘性ゾルの製造方法。2. The silica-zirconia-based viscosity according to claim 1, wherein the silicon alkoxide is silicon ethoxide, and the zirconium salt is zirconium oxychloride having structural water and / or zirconium chloride. Method of manufacturing sol.
において、その反応溶液をイオン交換することにより溶
液中に含まれる陰イオンを除去することを特徴とする請
求項(1)又は請求項(2)記載のシリカ−ジルコニア系粘性
ゾルの製造方法。3. The method according to claim 1, wherein in the process of hydrolyzing and polycondensing the mixture, the reaction solution is ion-exchanged to remove anions contained in the solution. 2) A method for producing the silica-zirconia-based viscous sol described above.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22017089A JPH0613413B2 (en) | 1989-08-29 | 1989-08-29 | Method for producing silica-zirconia viscous sol |
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| JPH0383832A JPH0383832A (en) | 1991-04-09 |
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- 1989-08-29 JP JP22017089A patent/JPH0613413B2/en not_active Expired - Lifetime
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| JPH0383832A (en) | 1991-04-09 |
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