DE3723082C2 - Verfahren zur Herstellung von submikronen Perovskiten - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
submikronen Perovskiten der allgemeinen Formel
Ba(1 - x - x' - x'')[PbxCax']Srx''Ti(1 - y - y' - y'')SnyZry'Hfy''O3,
die eine sehr
enge Teilchengrößenverteilungen aufweisen.
Infolge seiner hohen Dielektrizitätskonstante ist
Bariumtitanat ein besonders gesuchtes Material, aus dem
Kondensoren, Kondensatoren und andere elektronische
Komponenten hergestellt werden können. Besonders
interessant ist die Tatsache, daß die elektrischen
Eigenschaften des Bariumtitanats durch Mischkristallbildung
und Dotierung über einen weiten Bereich geregelt werden
können.
Die sehr einfache kubische Perovskit-Struktur des
Bariumtitanats ist die Hochtemperaturkristallform vieler
gemischter Oxide des ABO3 '-Typs. Diese Kristallstruktur
besteht aus einer regulären Anordnung von eckteilenden
Sauerstoffoctaedern mit kleineren Titan (IV)-Kationen, die
die zentralen octaedrischen B-Plätze besetzen und
Barium (II)-Kationen, die die Zwischenräume zwischen den
Octaedern in den größeren 12-coordinierten A-Plätzen
ausfüllen. Diese Kristallstruktur ist besonders wichtig, da
sie zu einer Fülle verschiedener kationischer
Substitutionen sowohl an den A- als auch an den B-Plätzen
führt, so daß viele komplexere ferroelektrische
Verbindungen leicht hergestellt werden können.
Die relativ einfache Gitterstruktur des Bariumtitanats ist
durch die TiO6-Octaeder charakterisiert, die wegen ihrer
hohen Polarisierbarkeit die dielektrischen Eigenschaften
der Struktur wesentlich bestimmen. Die hohe
Polarisierbarkeit ist darauf zurückzuführen, daß die
kleinen Ti(IV)-Ionen in den Sauerstoffoctaedern relativ
viel Platz haben. Diese kubische Einheitszelle ist jedoch
nur oberhalb der Curiepunkttemperatur von etwa 130°C
stabil. Unterhalb 130°C besitzen die Ti(IV)-Ionen nicht-
zentrale Positionen. Dieser Übergang in die nicht-zentrale
Position führt zu einem Wechsel der Kristallstruktur bei
Temperaturen von 5°C bis 130°C von der kubischen zur
tetragonalen Struktur, bei -90°C bis +5°C zur
orthorhombischen und schließlich bei niedrigerer Temperatur
als -90°C zur rhomboedrischen Struktur. Auch die
dielektrische Konstante und Festigkeit nimmt entsprechend
dieser Temperaturen und der Änderungen der Kristallstruktur
ab.
Da die dielektrische Konstante von Bariumtitanatkeramik
eine starke Temperaturabhängigkeit aufweist und die
maximale dielektrische Konstante am oder um den Curiepunkt
herum zeigt, wird reines BaTiO3 selten bei der Herstellung
von handelsüblichen dielektrischen Zusammensetzungen
verwendet. Daher werden in der Praxis Zusätze verwendet, um
die dielektrischen Eigenschaften des Bariumtitanats zu
steigern. Beispielsweise ist es bekannt, daß die
Curietemperatur zu niedrigeren Temperaturen verschoben und
verbreitert werden kann, indem eine partielle Substitution
des Bariums durch Strontium und/oder Calcium und des Titans
durch Zirkonium und/oder Zinn bewirkt wird, wodurch
Materialien mit einer maximalen Dielektrizitätskonstanten
von 10000 bis 15000 bei Raumtemperatur erhalten werden.
Andererseits kann die Curietemperatur durch partielle
Substitution des Bariums durch Blei (II) erhöht werden.
Außerdem können kleine Mengen anderer Metallionen von
geeigneter Größe, aber mit Wertigkeiten, die verschieden
sind von denen des Bariums und Titans, erhebliche
Änderungen in der Natur der dielektrischen Eigenschaften
bewirken, wie in B. Jaffee, W. R. Cook, jr. und H. Jaffe,
"Piezoelectric Ceramics", Academic Press, N.Y., 1971,
ausgeführt ist.
In der kommerziellen Praxis werden dielektrische Pulver auf
der Basis von Bariumtitanat entweder durch Vermischen der
benötigten reinen Titanate, Zirkonate, Stannate und
Dotierungsmittel oder durch direkte Herstellung der
gewünschten dielektrischen Pulver durch eine
Hochtemperaturreaktion im Festzustand einer innigen
Mischung der geeigneten stöchiometrischen Mengen der Oxide
oder Oxidvorläufer (beispielsweise Carbonate, Hydroxide
oder Nitrate) von Barium, Calcium, Titan usw. hergestellt.
Die reinen Titanate, Zirkonate, Stannate usw. werden
beispielsweise durch eine Hochtemperaturreaktion in der
Festphase hergestellt. Bei einem solchen
Calcinierungsverfahren werden die erforderlichen Reaktanten
feucht vermahlen, um die Bildung einer innigen Mischung zu
bewirken. Die erhaltene Aufschlämmung wird getrocknet und
bei erhöhter Temperatur, beispielsweise von etwa 700 bis
1200°C, calciniert, um die gewünschten Feststoffreaktionen
zu bewirken. Danach wird das Calcinat erneut vermahlen und
ein dispergierbares Pulver zur Verwendung bei der
Herstellung von Rohprodukten erhalten.
Die Verfahren zur Herstellung von Bariumtitanat durch
Festphasenreaktionen sind relativ einfach; trotzdem haben
sie einige Nachteile. Zunächst dienen die
Vermahlungsschritte als Quelle von Verunreinigungen, die
die elektrischen Eigenschaften nachteilig beeinflussen
können. Inhomogene Zusammensetzungen im Mikromaßstab können
zur Bildung unerwünschter Phasen, wie z. B.
Bariumorthotitanat, Ba2TiO4, führen, was zur
Feuchtigkeitsempfindlichkeit führt. Zweitens kommt während
der Calcination ein wesentliches Teilchenwachstum und ein
Sintern zwischen den Teilchen vor. Infolgedessen bestehen
die vermahlenen Produkte aus irregulär geformten brüchigen
Aggregaten, die eine weite Teilchengrößenverteilung im
Bereich von etwa 0,2 bis 10 µm aufweisen. Weiterhin haben
veröffentlichte Studien gezeigt, daß aus solchen
aggregierten Pulvern mit einer breiten
Teilchengrößenverteilung hergestellte Rohkörper erhöhte
Sintertemperaturen benötigen und Sinterkörper mit einer
breiten Korngrößenverteilung ergeben. Somit existiert, wie
von E. A. Barringer et al in der US-PS 4,543,341 beschrieben
ist, ein Bedarf für bessere Verfahren zur Herstellung von
Oxidpulvern.
Es werden bereits viele Versuche unternommen, um die
Nachteile der konventionellen Feststoffreaktionsverfahren
bei der Herstellung von Bariumtitanat zu überwinden. Diese
Verfahren umfassen die thermische Zersetzung von
Bariumtitanyloxalat und Bariumtitanylcitrat und die
Hochtemperaturoxidation von feinzerstäubten Lösungen von
Barium oder Titanalkoholaten, die in Alkohol gelöst sind
oder von Barium oder Titanlactaten, die in Wasser gelöst
sind. Weiterhin ist Bariumtitanat aus geschmolzenen Salzen,
durch Hydrolyse von Barium und Titanalkoxiden, die in
Alkohol gelöst sind, und durch die Reaktion von
Bariumhydroxid mit Titandioxid sowohl hydrothermal als auch
in wässrigem Medium, hergestellt worden.
Seit die Bariumtitanatprodukte, die nach einigen dieser
Verfahren hergestellt worden waren, eine Morphologie
aufwiesen, die der gewünschten näher kam, wurde versucht,
diese Verfahren auf die Herstellung von Zusammensetzungen
oder Coformen (Mischformen) auf der Basis von Bariumtitanat
auszudehnen. Beispielsweise beschreibt B. J. Mulder in einem
Aufsatz mit dem Titel (Herstellung von BaTiO3 und anderen
keramischen Pulvern durch Copräcipitation von Citraten in
einem Alkohol), Ceramic Bulletin, 49, Nr. 11, 1970,
Seiten 990-993, daß Zusammensetzungen oder Coformen auf der
Basis von BaTiO3 durch ein Copräcipitationsverfahren
hergestellt werden können. In diesem Verfahren werden
wässrige Lösungen von Ti((IV)-, Zr(IV)- und/oder
Sn(IV)-Citrate und Formiate von Ba(II), Mg(II), Ca(II),
Sr(II) und/oder Pb(II) in Alkohol gesprüht, um die
Copräcipitation zu bewirken. Die Präcipitate werden durch
Calcination bei 700 bis 800°C in einem Luftstrom, der mit
N2 verdünnt ist, zersetzt und ergeben kugelförmige und
längliche Partikel mit einer durchschnittlichen Größe von 3
bis 10 µm.
Coformen auf der Basis von Bariumtitanat sind durch Fällung
und nachfolgende Calcination gemischter zweiwertiger
Erdalkalimetalle und/oder Pb(II)-Titanyl- und/oder
Zirconyloxalaten hergestellt worden, wie von Gallagher
et al in einem Aufsatz mit dem Titel "Herstellung von
halbleitenden Titanaten durch chemische Verfahren",
J. Amer. Ceramics Soc., 46, Nr. 8, 1963, Seiten 359-365
beschrieben ist. Sie zeigten, daß Zusammensetzungen auf der
Basis von BaTiO3, in denen Ba durch Sr oder Pb in einer
Menge von 0 bis 50 Mol-% oder in denen Ti(IV) durch Zr(IV)
in einer Menge von 0 bis 20 Mol-% ersetzt worden war,
hergestellt werden können.
Faxon et al beschreiben in der US-PS 3,637,531, daß
Coformen auf der Basis von BaTiO3 durch Erhitzen einer
Lösung eines Titanchelats oder eines Titanalkoxids, eines
Erdalkalisalzes und eines Lanthanidensalzes hergestellt
werden können, wobei eine halbfeste Masse gebildet wird.
Die Masse wird dann calciniert und ergibt die gewünschte
Titanatcoform.
In jeder der oben genannten Druckschriften wird jedoch eine
Calcination benötigt, um die Teilchen der Coformen auf der
Basis des Bariumtitanats herzustellen. Aus den bereits
genannten Gründen ergeben diese bei erhöhten Temperaturen
durchgeführten Verfahren nach der Zerkleinerung kleinere
Aggregatfragmente mit weiten Größenverteilungen.
Es ist auch bereits versucht worden, die Nachteile der nach
üblichen Verfahren hergestellten BaTiO3-Pulver durch
Synthetisieren einer gemischten
Erdalkalititanat-Zirkonat-Zusammensetzung durch Reaktion in
geschmolzenem Salzzustand zu umgehen. Ein solches Verfahren
ist in der US-PS 4,293,534 von Arendt beschrieben. Bei der
Durchführung dieses Verfahrens werden Titandioxid oder
Zirkoniumdioxid oder deren Mischungen und Bariumoxid,
Strontiumoxid oder deren Mischungen mit
Alkalimetallhydroxiden vermischt und auf Temperaturen
erhitzt, die ausreichen, um das als Solvent dienende
Hydroxid zu schmelzen. Die Reaktionsteilnehmer lösen sich
in dem geschmolzenen Solvent und fallen als
Erdalkalititanat, Zirkonat oder als feste Lösung mit der
allgemeinen Formel BaxSr(1 - x)TiyZr(1 - y)O3 aus. Die Produkte
werden als chemisch homogene, relativ monodisperse,
submikrone Kristallite beschrieben.
Die Morphologie der durch Verwendung der
Salzschmelzesyntheseverfahren hergestellten Produkte ist
ähnlich den erfindungsgemäßen. Jedoch ist das Verfahren
dadurch begrenzt, daß danach lediglich Sr und/oder Zr
enthaltende Coformen hergestellt werden können.
Es wurden auch bereits hydrothermale Verfahren beschrieben,
mit denen Coformen hergestellt wurden. Balduzzi und
Steinemann erhitzen gemäß GB-PS 715,762 Aufschlämmungen von
hydratisiertem TiO2 mit stöchiometrischen Mengen
Erdalkalihydroxiden auf Temperaturen von 200°C bis 400°C
und erhielten gemischte Erdalkalititanate. Obgleich
festgestellt wurde, daß Produkte mit gewünschten
Größenverteilungen bis zu etwa 100 µm hergestellt werden
konnten, konnten zweifellos, anders als im Fall der Sr
enthaltenden Coformen, keine Produkte mit den
morphologischen Charakteristiken der vorliegenden Erfindung
erhalten werden. Dies liegt darin begründet, daß gefunden
wurde, daß bei der hydrothermalen Behandlung
stöchiometrischer Mengen an Ca(OH)2 und Ba(OH)2 mit
wässrigem Titandioxid durch Erhitzen auf erhöhte
Temperaturen zunächst BaTiO3 und danach CaTiO3 gebildet
wird. Da die Bildung von Nucleaten auf der
BaTiO3-Oberfläche durch das CaTiO3 nicht auszuschließen
ist, ist es zweifelhaft, ob Produkte mit der gewünschten
Morphologie erhalten werden. Weiterhin wurde gefunden, daß
bei einer hydrothermalen Behandlung eine Aufschlämmung von
MgO und wässrigem TiO2 durch Erhitzen auf 300°C keine
signifikanten Mengen MgTiO3 gebildet werden.
Röntgenstrahlenbeugungswerte zeigen, daß die Hauptprodukte
der Reaktion Mg(OH)2 und TiO2 sind. Dies zeigt, daß die
Behandlung von TiO2 mit stöchiometrischen Mengen Mg(OH)2
und Ba(OH)2 durch Erhitzen auf erhöhte Temperaturen eine
Mischung von Mg(OH)2, TiO2 und BaTiO3 ergeben.
Matsushita et al zeigten in der EP 141 551 A1, daß
verdünnte Aufschlämmungen von wässrigem Titandioxid mit
Ba(OH)2 und/oder SR(OH)2 durch Erhitzen auf Temperaturen
bis zu 110°C umgesetzt werden können und sowohl BaTiO3 als
auch Sr-enthaltende Coformen ergeben. Die morphologischen
Charakteristiken dieser Coformen scheinen mit den
erfindungsgemäßen vergleichbar zu sein. Auch dieses
Verfahren ist aber lediglich auf die Herstellung von
Sr-enthaltenden Coformen beschränkt.
In der nicht vorveröffentlichten DE-A 37 14 819 werden cosyn
thetisierte Zusammensetzungen auf der Basis von Bariumtitanat
beschrieben, wobei eine wässrige Aufschlämmung von TiO2,
Ca(OH)2 und Ba(OH)2 hydrothermal behandelt werden.
In der US-A 4,520,004 wird die Herstellung von Bariumtitanat
pulver in einer wässrigen alkalischen Lösung mit einem pH un
terhalb 13 beschrieben. Die DE-A 34 25 538 beschreibt ein Ver
fahren zur Herstellung von teilchenförmigen Keramikmaterialien,
bei dem Kohlendioxid oder ein wässriges Carbonat zu ei
ner Lösung eines Nitrats oder Chlorids von Ba, Sr, Ca und Mg
zugegeben und dann eine Lösung eines Nitrats oder Chlorids von
Ti, Zr, Sn oder Pb zugeführt wird.
Eine Veröffentlichung der Sakai Chemical Industry Company
mit dem Titel "Leicht sinterbare BaTiO3-Pulver" von Abe
et al beschreibt ein hydrothermales Verfahren zur
Herstellung von Coformen auf der Basis von Bariumtitanat
mit der Formel BaTi(1 - x)SnxO3. In diesem Verfahren wird
eine Aufschlämmung von 0,6 M Ti(1 - x)SnxO2 durch
Neutralisieren einer wässrigen Lösung von SnOCl2 und TiCl4
hergestellt, mit 0,9 M Ba(OH)2 vermischt und bei 200°C
mindestens 5 Stunden lang einer hydrothermalen Behandlung
unterworfen. Obgleich nicht ausdrücklich erwähnt, gehen Abe
et al davon aus, daß die Aufschlämmung erhitzt wird.
Für den Fall, daß x = 0 ist, wurde der erhaltenen
Aufschlämmung Essigsäure hinzugesetzt, um den pH-Wert auf 7
einzustellen, und das gewaschene Produkt mit einem Ba/Ti
Molverhältnis von 0,99 wurde isoliert. Um den pH-Mangel
auszugleichen, wurde dem Produkt Bariumoxalat hinzugegeben.
Obwohl die Morphologie der Coform nicht beschrieben wird,
hatte ein nach dem gleichen Verfahren hergestelltes
BaTiO3-Produkt eine Oberfläche von 11 m2/g, eine
Teilchengröße von 0,1 µm und schien dispergierbar zu sein.
Die Sn-enthaltenden Coformen haben vermutlich vergleichbare
Morphologie und sind damit der vorliegenden Erfindung
vergleichbar. Das Verfahren von Abe et al ist jedoch
dadurch begrenzt, daß es lediglich die Herstellung einer
Bariumtitanatcoform aus Sn(IV) beschreibt. Möglicherweise
könnte man durch Analogie die Verwendung anderer vierwerti
ger Kationen vorschlagen, wie z. B. Zr(IV), und möglicher
weise auch die Verwendung von zweiwertigem Sr(II), da, wie
Ba(OH)2, auch Sr(OH)2 in wässrigen Medien recht gut löslich
ist. Jedoch kann das Verfahren von Abe et al nicht für die
Substitution von zweiwertigen Curiepunktverschiebern, wie
z. B. das zweiwertige Ba durch Pb und Ca verwendet werden.
Außerdem offenbart keines der bekannten hydrothermalen
Verfahren, wie die Teilchengröße durch Änderung der
Verfahrensbedingungen variiert werden kann. Außerdem bietet
keines der bekannten hydrothermalen Verfahren eine einfache
allgemeine Methode zur Herstellung einer großen Vielzahl an
Coformen mit vielen Komponenten, die die erfindungsgemäße
Morphologie aufweisen.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur
hydrothermalen Herstellung von stöchiometrischem,
submikronem, dispergierbaren dotiertem
Bariumtitanat und dielektrischer Zusammensetzungen von
Bariumtitanat, die sehr enge Teilchengrößenverteilungen
aufweisen. In einer wichtigen Ausführungsform der Erfindung
wird Bariumtitanatpulver hergestellt durch Einführen einer
Lösung von 0,5 bis 1,0-molarem Ba(OH)2, das
auf eine Temperatur von 70-110°C erhitzt worden ist, in
eine stark gerührte Aufschlämmung eines wässrigen
Titandioxid mit großer Oberfläche bei einer Temperatur von
60°C bis 150°C mit einer konstanten Steigerung über einen
Zeitraum von weniger als 5 Minuten. Die Einführung des
Ba(OH)2 wird fortgesetzt, bis das Ba/Ti-Molverhältnis in
der Aufschlämmung 1,1 bis 1,3 beträgt. Die Aufschlämmung
wird dann 10 bis 30 Minuten bei dieser Temperatur gehalten,
so daß 95 bis 98% des TiO2 in BaTiO3 umgewandelt werden.
Die Aufschlämmung wird dann auf erhöhte Temperaturen,
vorzugsweise auf mindestens 175°C, erhitzt, um die völlige
Umwandlung des vierwertigen wässrigen Oxids in einen
stöchiometrisches Perovskit zu bewirken. Nach Abkühlung auf
eine geeignete Temperatur wird die Aufschlämmung
druckgefiltert und ergibt einen Kuchen an stöchiometrischem
BaTiO3, enthaltend 80 bis 85 Gew.-% Feststoff. Das Produkt
wird dann mit Wasser oder einer 0,01 bis 0,02 M
Ba(OH)2-Lösung gewaschen. Der feuchte Kuchen wird dann
getrocknet und ergibt ein stöchiometrisches
Bariumtitanatpulver hoher Reinheit mit einer
Primärpartikelgröße von 0,05 bis 0,4 µm mit einer sehr
engen Teilchengrößenverteilung.
In einer weiteren wichtigen Ausführungsform der Erfindung
werden hydrothermal verschiedene, submikrone
dispergierbare Perovskite auf der Basis von Bariumtitanat
hergestellt, in denen das zweiwertige Barium des
Bariumtitanats teilweise durch ein oder mehrere zweiwertige
Kationen und/oder das vierwertige Titan teilweise durch ein
oder mehrere vierwertige Kationen ersetzt worden ist. In
den Ausführungsformen, in denen die Coformen weder Pb(II)
noch Ca(II) enthalten, wird eine erhitzte Lösung von
Ba(OH)2, die die erforderliche Menge an Sr(OH)2 enthält, zu
einer heftig gerührten Aufschlämmung der wässrigen Oxide
von TiO2 und/oder SnO2, ZrO2 und HfO2 in einer bestimmten
Zeitspanne bei Temperaturen von 50°C bis 200°C zugegeben.
Die Aufschlämmung wird dann auf eine erhöhte Temperatur
erhitzt, so daß alles nicht umgesetzte wässrige Oxid mit
den löslichen zweiwertigen Kationenhydroxiden reagiert.
Wenn die Coformen Pb(II) und/oder
Ca(II) enthalten, werden die Oxide oder Hydroxide von Blei
und/oder Ca(OH)2 zunächst hydrothermal mit einem
stöchiometrischen Überschuß der vierwertigen Kationen bei
Temperaturen bis zu 200°C behandelt. Bei dieser Behandlung
reagieren PbO oder Pb(OH)2 oder Ca(OH)2, die anders als
Sr(OH)2 oder Ba(OH)2 in wässrigen Medien bei Temperaturen
bis 200°C relativ unlöslich sind, mit den vierwertigen
wässrigen Oxiden unter Ausbildung von Perovskiten. Da das
molare Verhältnis der relativ unlöslichen zweiwertigen
Kationenoxide oder Hydroxide zu vierwertigen wässrigen
Oxiden weniger als 0,4 und vorzugsweise weniger als 0,3
beträgt, bleiben nach der Perovskit-Bildung wesentliche
Mengen an nicht umgesetzten wässrigen Oxiden zurück. Die
Aufschlämmung wird dann auf eine Temperatur von 60°C bis
150°C eingestellt und dann wird mit einer bestimmten
Geschwindigkeit über eine bestimmte Zeitspanne eine
erhitzte Lösung zugegeben, die die erforderlichen
Konzentrationen an Ba(OH)2 und Sr(OH)2 enthält. Die
erhaltene Aufschlämmung wird 10 bis 30 Minuten bei der
Temperatur belassen und dann, falls erforderlich, auf eine
höhere Temperatur erhitzt, um die vollständige Umwandlung
des vierwertigen wässrigen Oxids in stöchiometrische
Perovskite zu bewirken. Da die CaTiO3- und PbTiO3-Perovskite
in Gegenwart eines Überschusses an Ba(OH)2 einer
Verdrängung unterliegen können, muß der stöchiometrische
Überschuß des verwendeten Ba(OH)2 und die Endtemperatur,
auf die die Aufschlämmung erhitzt wird, sorgfältig
kontrolliert werden.
In einer weiteren wichtigen Ausführungsform der Erfindung
werden sowohl Bariumtitanat als auch die Coformen auf der
Basis von Bariumtitanat in einem hydrothermalen
Herstellungsverfahren mit kleinen Mengen eines oder
mehrerer Dotierungsmittel gleichförmig dotiert. Typische
Dotierungsmittel sind in der Literatur beschrieben und
umfassen Niob (V), Lanthan (III), Yttrium (III),
Nickel (II), Mangan (II), Eisen (III) und Kobalt (II).
Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren zur Herstellung von nichtaggregierten, dis
pergierbaren, stöchiometrischen, submikronischen Bariumti
tanat-Perovskiten der allgemeinen Formel
Ba(1 - x - x' - x'')[PbxCax']Srx''Ti(1 - y - y' - y'')SnyZry'Hfy''O3 und von
dielektrischen Zusammensetzungen auf der Basis von
Bariumtitanat zu schaffen, die eine sehr enge
Teilchengrößenverteilung aufweisen.
Allgemein ist es das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur
Herstellung von nichtaggregierten, dispergierbaren,
submikronen, stöchiometrischen
dielektrischen Zusammensetzungen auf der Basis von
Bariumtitanat zu schaffen, in denen ein teilweiser Ersatz
des zweiwertigen Bariumkations und des vierwertigen
Titankations leicht bewerkstelligt werden kann.
Dadurch wird eine große Anzahl von Zusammensetzungen
nichtaggregierter, dispergierbarer, submikroner,
stöchiometrischer dielektrischer Coformen auf der Basis von
Bariumtitanat geschaffen.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die primäre
Teilchengröße des dotierten und nichtdotierten
Bariumtitanats und der dielektrischen Zusammensetzungen auf
der Basis von Bariumtitanat steuerbar.
Die Erfindung bietet ein einfaches und kostengünstiges
Verfahren zur Herstellung von nichtaggregierten, disper
gierbaren, submikronen, stöchiometrischen Bariumtitanat-
Perovskiten
sowie Coformen auf der Basis von
Bariumtitanat mit sehr engen
Teilchengrößenverteilungen.
Die Erfindung wird im folgenden im einzelnen beschrieben.
Sie betrifft die Herstellung stöchiometrischer,
nichtaggregierter, dispergierbarer, submikroner
Bariumtitanatpulver sowie
Coformen von Bariumtitanatpulvern, die eine
sehr enge Teilchengrößenverteilung aufweisen. Die
bevorzugten Bariumtitanatpulver und Coformen von
Bariumtitanatpulver haben die allgemeine Formel:
B(1 - x - x' - x'')MxM'x'M"x''Ti(1 - y - y' - y'')AyA'y'A"y''O3,
worin M gleich Pb(II), M' gleich Ca(II), M" gleich Sr(II),
A gleich Sn(IV), A' gleich Zr(IV) und A" gleich Hf(IV), x,
x', x" und y, y', y" jeweils die Molenbrüche der
zweiwertigen und vierwertigen Kationen bedeuten, die alle
unabhängige Werte im Bereich von 0 bis 0,3 darstellen,
solange die Summe von (x + x' + x") oder (y + y' + y") den
Wert 0,4 nicht übeschreitet. Wenn die Summe (x + x' + x")
und (y + y' + y") beide gleich Null sind, ist das durch die
hydrothermale Synthese hergestellte Pulver ein einfaches
Bariumtitanat. Dieses Pulver ist charakterisiert durch
seine hohe Reinheit, feine submikrone Teilchengröße,
Vermeidung von Aggregation und sehr kleine
Teilchengrößenverteilung. Wenn x = x' = x" = y' = y" = 0 ist und y
größer als 0, ist das erhaltene Produkt eine Coform von
BaTiO3, in dem y Molanteile des Ti(IV) in BaTiO3 ersetzt
worden sind durch Sn(IV), wobei sich ein Produkt mit der
nominellen Formel BaTi(1 - y)SnyO3 ergibt. Wenn andererseits
x' = x" = y = y' = y" = 0 ist und x größer als 0, hat die Coform die
Zusammensetzung Ba(1 - x)PbxTiO3. Da die Werte von x, x', x",
y, y' und y" (innerhalb der genannten Grenzen) einen weiten
Bereich umfassen können, können viele Kombinationen von
Coformen mit einem breiten Bereich der Zusammensetzung
hergestellt werden, und jede dieser Coformen ist dadurch
charakterisiert, daß sie stöchiometrisch, dispergierbar und
submikron ist mit einer engen Teilchengrößenverteilung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird ein hochreines, nichtaggregiertes,
dispergierbares, submikrones Bariumtitanatpulver dadurch
hergestellt, daß über einen bestimmten Zeitraum eine heiße
Lösung von 0,2 bis 1,0 molarem Ba(OH)2 in eine heftig
gerührte Aufschlämmung eines wässrigen Titandioxid mit
hoher Oberfläche eingerührt wird, das eine Temperatur von
50 bis 200°C aufweist, bevorzugt von 60 bis 150°C. Wenn das
Ba(OH)2 in die Aufschlämmung eingegeben wird, findet die
folgende Reaktion statt:
Ba(OH)2 + TiO2 → BaTiO3 + H2O (1)
und es wird angenommen, daß die BaTiO3-Fällung durch einen
Keimbildungsstoß eingeleitet wird. Wenn die Zugabe des
Ba(OH)2 fortgesetzt wird, findet eher ein
Keimwachstum
statt als daß eine weitere Keimbildung stattfindet. Da
durch Begrenzung der Zugabe an Ba(OH)2 die Keimbildung
vermindert wird, wird ein Produkt mit einer sehr engen
Primärpartikelgrößenverteilung erhalten. Die Ba(OH)2-Zugabe
wird fortgesetzt, bis das Ba/Ti-Molverhältnis in der
Aufschlämmung größer ist als die Einheit und vorzugsweise
1,1 bis 1,3 ist. Die Aufschlämmung wird dann 10 bis etwa
30 Minuten bei der Temperatur gehalten, wobei bei
niedrigeren Temperaturen eine längere Zeit erforderlich
ist, wobei 95 bis 98% des TiO2 in BaTiO3 überführt werden.
Danach kann zur völligen Umwandlung des TiO2 in BaTiO3 die
Aufschlämmung auf 150 bis 200°C und vorzugsweise auf
mindestens 175°C erhitzt werden. Die erhaltene
Aufschlämmung enthält vorzugsweise etwa 0,2 Mole BaTiO3 pro
Liter der Lösung. Die Lösung enthält außerdem 0,02 bis
0,06 M/L Ba(OH)2.
Nach Abkühlen auf eine geeignete Temperatur wird die
Aufschlämmung druckfiltriert und ergibt einen Kuchen ei
nes stöchiometrischen BaTiO3, enthaltend mehr als
75 Gew.-%, vorzugsweise 80 bis 85 Gew.-% Feststoffe. Da
durch das Waschen in Abhängigkeit vom Waschwasservolumen,
Waschwasser-pH-Wert und der Temperatur das
Ba/Ti-Molverhältnis im Produkt vermindert werden kann, ist
es bevorzugt, das Produkt mit einer verdünnten
Ba(OH)2-Lösung, beispielsweise einer 0,01 bis 0,02 M
Ba(OH)2-Lösung, zu waschen. In Anbetracht des hohen
Feststoffgehaltes des Kuchens beträgt die Menge des Ba in
dem Volumen der Waschlösung, die in den Kuchen gelangt,
weniger als 0,2 Mol-% Ba vom Ba-Gehalt des BaTiO3-Produkts.
Andererseits kann, wenn der Restgehalt Ba(OH)2 der
Aufschlämmung klein ist, die Waschstufe völlig weggelassen
werden.
Durch Änderung der Anzahl der beim Keimbil
dungsstoß gebildeten Keime kann
erfindungsgemäß die Teilchengröße des
hergestellten Bariumtitanatpulvers geregelt werden. Die
Bildung einer großen Zahl Keime ergibt kleine
Partikelgrößen; umgekehrt ergibt die Bildung von mehr
Keimen ein Bariumtitanatpulver mit einer größeren
Primärpartikelgröße.
Um eine größere Zahl an Keimen und damit eine kleinere
Primärpartikelgröße des Produkts zu erhalten, sollte die
Zeit für die Zugabe des Ba(OH)2 relativ kurz sein,
vorzugsweise weniger als 0,3 Minuten. Andererseits wächst
mit wachsendem Zeitintervall für die Ba(OH)2-Zugabe die
Partikelgröße des Bariumtitanatpulvers entsprechend an. Bei
längeren Zugabezeiten jedoch, wie z. B. 12 Minuten bei
120°C, kann eine Aggregation der Primärpartikel
stattfinden, die die Dispergierbarkeit des Produkts
ungünstig beeinflußt. Die Reaktionstemperatur sollte
gleichfalls kontrolliert werden, um sicherzustellen, daß
eine optimale Anzahl an BaTiO3-Keimen gebildet wird. Eine
erhöhte Reaktionstemperatur begünstigt die Bildung von
weniger Keimen und somit die Bildung von Produkten mit
größerer Primärpartikelgröße. Eine Reaktionstemperatur von
50° bis 200°C ist für die Produktion von BaTiO3-Keimen
zufriedenstellend, obgleich der bevorzugte
Temperaturbereich bei 60°C bis 150°C liegt. Bei sonst
gleichen Reaktionsbedingungen begünstigt ein wässriges
Titandioxid mit verminderter Oberfläche die Bildung von
weniger Keimen und damit BaTiO3-Produkte mit vergrößerter
Primärpartikelgröße. Die Konzentration der verwendeten
Reaktanten beeinflußt gleichfalls den Keimbildungsprozess
wobei anwachsende Reaktantenkonzentrationen die
Primärpartikelgröße etwas vermindern, aber die
Polydispersität des Produkts vergrößern. Wie aus den
folgenden Beispielen hervorgeht, ergibt eine geeignete
Auswahl dieser Verfahrensvariablen ein dispergierbares,
submikrones Bariumtitanat und Pulver auf der Basis von
Bariumtitanat mit sehr engen Teilchengrößenverteilungen.
Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung der
Vielkomponenten-Coformen des Bariumtitanats ist ähnlich der
Methodik bei der Herstellung einfachen Bariumtitanats. Wenn
die Coformen weder Pb(II) noch Ca(II) enthalten, wird eine
erhitzte Lösung von Ba(OH)2 oder eine erhitzte Lösung von
Ba(OH)2, die die entsprechenden Mengen Sr(OH)2 enthält, bei
Temperaturen von 70°C bis 110°C in einem bestimmten
Zeitintervall unter heftigem Rühren der Aufschlämmung der
wässrigen Oxide der vierwertigen Kationen bei einer
Temperatur von 60 bis 200°C hinzugegeben. In diesen Fällen
muß der stöchiometrische Überschuß des verwendeten Ba(OH)2
nicht so sorgfältig kontrolliert werden, als wenn Pb(II)
und Ca(II) zugegen sind. Obgleich noch nicht alle
erforderlichen kinetischen Experimente durchgeführt wurden,
wird angenommen, daß die Reaktivität der wässrigen Oxide in
der Reihe Ti(IV), Sn(IV), Zr(IV) und Hf(IV) abnimmt.
Infolgedessen bildet sich durch einen Keimbildungsstoß kurz
nach dem Beginn der Zugabe des Hydroxids entweder BaTiO3
oder, wenn Sr(OH)2 zugegen ist, eine feste Lösung von
BaTiO3-SrTiO3. Wie in dem für BaTiO3 beschriebenen Fall
wächst die Zahl der gebildeten Keime mit anwachsender
Geschwindigkeit der Hydroxidzugabe, Temperatur, Oberfläche
des wässrigen Oxids und der reaktanten Konzentrationen.
Wenn die Zugabe des löslichen zweiwertigen Kationhydroxids
fortgesetzt wird, findet eher ein Keimwachstum als eine
zusätzliche Keimbildung statt. Nachdem die Zugabe des
Hydroxids beendet ist, kann die Aufschlämmung in
Abhängigkeit von der Temperatur gewisse Menge nicht
umgesetzter wässriger Oxide enthalten. Wenn die
Aufschlämmung auf erhöhte Temperaturen bis zu etwa 225°C
erhitzt wird, setzen sich die nicht umgesetzten wässrigen
Oxide mit den löslichen zweiwertigen Kationhydroxiden meist
an der Oberfläche der bereits vorhandenen Partikel um.
Infolge dieses Keimbildungs- und Wachstumsmechanismus
werden Coformen mit Primärpartikelgrößen im Bereich von
0,05 bis 0,4 µm mit einer engen Teilchengrößenverteilung
hergestellt.
Wenn die Coformen Pb(II) und/oder Ca(II) enthalten sollen,
werden die Oxide oder Hydroxide von Blei und/oder Ca(OH)2
zunächst hydrothermal mit einem stöchiometrischen Überschuß
der wässrigen Oxide der vierwertigen Kationen bei
Temperaturen bis zu 200°C behandelt. Sowohl Messungen der
Stickstoffoberfläche (BET) als auch
Transmissionselektronenmikrographen der gebildeten Produkte
zeigen, daß die Pb(II) oder Ca(II) enthaltenden
Perovskite mit einer extrem feinen Größe (Größen unterhalb
etwa 0,02 µm) in Kombination mit nicht umgesetzten
wässrigen Oxiden hoher Oberfläche vorliegen. Danach wird
die Aufschlämmung vorzugsweise auf eine bestimmte
Temperatur abgekühlt und die Zugabe eines löslichen
zweiwertigen Kationenhydroxids eingeleitet. Es wird
angenommen, daß kurz nach der Hydroxidzugabe sowohl in dem
Medium und vor allem an der Oberfläche der bereits
vorhandenen Pb(II)- und/oder Ca(II)-Perovskite ein
Keimbildungsstoß stattfindet. Bei weiterer Hydroxidzugabe
findet eher ein Partikelwachstum als eine weitere
Keimbildung statt. Auch hier ist die Partikelgröße der
Coform in gleicher Weise von den Parametern abhängig wie
jene bei der Steuerung der Größe des BaTiO3.
Bei den für die Herstellung der submikronen dispersiblen
Coformen verwendeten Verfahren wird eine heftig gerührte
Aufschlämmung der relativ unlöslichen zweiwertigen Oxide
oder Hydroxide, d. h. von Pb(II) und Ca(II), und die
Gesamtmenge der wässrigen Oxide von TiO2, SnO2, ZrO2 und
HfO2, die vorzugsweise in etwa molarem Verhältnis
zusammengefällt wurden, bei Temperaturen bis zu 200°C
hydrothermal behandelt. Bei der erhöhten Temperatur
verbinden sich die relativ unlöslichen zweiwertigen
Metalloxide und/oder Hydroxide mit den vierwertigen
wässrigen Oxiden unter Ausbildung eines oder mehrerer
Perovskite. Da das molare Verhältnis der relativ
unlöslichen zweiwertigen Kationen zu den vierwertigen
wässrigen Oxiden weniger als 0,4 und vorzugsweise weniger
als 0,3 beträgt, bleiben nach der Perovskit-Bildung
wesentliche Mengen an nicht umgesetzten wässrigen Oxiden
übrig. Die Temperatur der Aufschlämmung, die die Mischung
aus Perovskiten und nicht umgesetzten wässrigen Oxiden
enthält, wird auf eine bestimmte Temperatur zwischen 50 und
200°C, vorzugsweise zwischen 60 und 150°C eingestellt und
dann eine erhitzte Lösung, die die entsprechenden Mengen an
Ba(OH)2 und Sr(OH)2 enthält, mit konstanter Geschwindigkeit
während eines bestimmten Zeitraumes eingegeben. Danach wird
die erhaltene Aufschlämmung 10 bis 30 Minuten bei der
Temperatur gehalten und, falls erforderlich, auf eine
erhöhte Temperatur erhitzt, um eine vollständige Umwandlung
der vierwertigen wässrigen Oxide in stöchiometrische
Perovskite zu bewirken. Die Morphologie der
Vielkomponenten-Coformprodukte wird durch die gleichen
Kombinationen an Variablen beeinflußt, wie sie auch die
Morphologie des BaTiO3 steuern. Es muß hier bemerkt werden,
daß die chemischen Umsetzungen von Hf(IV) und Zr(IV) sehr
ähnlich sind.
Beim Verfahren zur Herstellung der Coformen wird ein
stöchiometrischer Überschuß an Ba(OH)2 verwendet und die
Endtemperatur, auf die die Aufschlämmung erhitzt wird, und
bis zu einem gewissen Ausmaß auch die Zeit der
Temperaturerhöhung kontrolliert. Experimentelle Daten, die
später beschrieben werden, zeigen, daß in Gegenwart eines
Überschusses Ba(OH)2 die Perovskite CaTiO3 und PbTiO3 den
folgenden Verdrängungsreaktionen unterliegen können:
CaTiO3 + Ba(OH)2 → BaTiO3 + Ca(OH)2 (2)
PbTiO3 + Ba(OH)2 → BaTiO3 + Pb(OH)2 (3)
Diese Verdrängungsreaktionen sind bei hohen
Ba(OH)2-Konzentrationen und besonders bei erhöhten
Temperaturen begünstigt und ergeben nicht-stöchiometrische
Produkte.
Es wurde gleichfalls gefunden, daß in Gegenwart von Ba(OH)2
die Gleichgewichtsreaktion
PbTiO3 + OH- → HPbO- 2 + TiO2 (4)
stattfinden kann. Das schnell gebildete TiO2 reagiert mit
dem Überschuß Ba(OH)2, wie in Gleichung (1) gezeigt ist,
unter Ausbildung von BaTiO3. Obgleich die Kombination der
Reaktionen (1) und (4) nicht zur Bildung eines
nicht-stöchiometrischen Produktes führt, zeigen sie doch,
daß der Bleigehalt der Coform nur gesteuert werden kann,
wenn die OH--Konzentration in der Lösung gesteuert wird.
Somit sollte bei der Herstellung von Ca(II) und/oder Pb(II)
enthaltenden Coformen der stöchiometrische Überschuß an
Ba(OH)2 relativ klein sein und innerhalb der Grenzen gut
kontrolliert werden. Da weiterhin die Geschwindigkeit der
Verdrängungsreaktion mit der Temperatur ansteigt, stellt
die Endbehandlungstemperatur einen Kompromiß dar zwischen
der Zusammensetzung der Coform, der Behandlungstemperatur,
der Erhitzungszeit und des stöchiometrischen Überschusses
des Ba(OH)2.
Die hydrothermale Synthese von nichtdotiertem
Bariumtitanat und von Coformen des Bariumtitanats gemäß der
vorliegenden Erfindung wird durch die folgenden Beispiele,
die die Erfindung nicht beschränken sollen, näher
erläutert.
Zur Bestimmung der primären Teilchengröße und der primären
Teilchengrößeverteilung des hergestellten Pulvers wurde die
Bildanalyse benutzt. 500 bis 1000 Teilchen wurden in
mehreren TEM-Feldern klassifiziert, wodurch die
entsprechenden sphärischen Durchmesser der Primärteilchen
erhalten wurden. Zwei oder mehr sich berührende Teilchen
wurden visuell zerlegt und die Größen der individuellen
Primärteilchen wurden gemessen. Die entsprechenden
sphärischen Durchmesser wurden verwendet, um die kumulative
Massenprozentverteilung als Funktion der
Primärteilchengröße zu berechnen. Die mittlere
Teilchengröße (Median), nach Gewicht, wurde als primäre
Teilchengröße der Probe genommen. Das Quadraturverhältnis,
(Quartilverhältnis)
QR, definiert als oberer Quartildurchmesser (nach
Gewicht) geteilt durch den unteren Quartildurchmesser
wurde als Maß für die Breite der Verteilung genommen.
Monodisperse Produkte haben einen QR-Wert von 1. Produkte
mit QR-Werten im Bereich von 1,0 bis etwa 1,5 werden als
solche mit enger Teilchengrößenverteilung klassifiziert;
solche mit QR-Werten im Bereich von 1,5 bis etwa 2,0 haben
mäßig enge Größenverteilungen, während solche mit Werten
von wesentlich größer als 2,0 breite
Teilchengrößenverteilungen aufweisen.
Die äquivalenten sphärischen Durchmesser wurden ebenfalls
verwendet, um die Oberflächen aus TEM-Werten zu berechnen.
Vergleichbare TEM-Werte und N2-Oberflächenwerte zeigten,
daß die primären Teilchen im wesentlichen nicht porös
waren.
Die Erfahrung zeigte, daß die morphologischen
Charakteristiken sowohl von BaTiO3 als auch von Coformen
von BaTiO3 schnell und sicher durch visuelle Untersuchung
der TEM nach engen, mäßig engen und breiten
Teilchengrößenverteilungen klassifiziert werden konnten.
Bei Produkten mit einer engen Teilchengrößenverteilung
konnte die durchschnittliche Primärteilchengröße leicht
durch Klassifizierung von 20 bis 30 Teilchen bestimmt
werden. Es wurde gefunden, daß das Verhältnis D = 6/ρS, worin
D der Teilchendurchmesser (nm), ρ die Dichte (g/cm3) und S
die N2-Oberfläche (m2/g) ist, verwendet werden konnte, um
ein gutes Maß der Primärteilchengröße von stöchiometrischen
Coformen zu erhalten.
Die Produktdispersibilität wurde gemessen durch Vergleich
der Primärteilchengröße und Teilchengrößenverteilungen,
bestimmt durch Bildanalyse, mit den vergleichbaren Werten,
die durch Sedimentationsverfahren bestimmt worden waren.
Das Sedimentationsverfahren ergibt den Stokes'schen
Durchmesser der Teilchen, der in etwa dem äquivalenten
sphärischen Durchmesser entspricht. Zwei
Sedimentationsverfahren, die Joyce-Loebl-Disc-Zentrifuge
(Vickers Instruments, Ltd., London, U.K.) und der
Mikromeritiks Sedigraph (Norcross, Georgia) wurden
verwendet, um die kumulativen Massenprozentverteilungen,
ausgedrückt als Stokes'sche Durchmesser, zu bestimmen,
woraus die mittleren Stokes'schen Durchmesser und die
QR-Werte berechnet wurden.
Zur Bestimmung der Teilchengröße durch Sedimentation wurden
die Pulver durch 15 bis 30 minütige Ultraschallbehandlung
entweder in Wasser, enthaltend 0,08 g/l
Natriumtripolyphosphat bei pH 10 oder in Isopropanal,
enthaltend 0,08 oder 0,12 Gew.-% Emphos PS-21A (Witco
Organics Division, 520 Madison Ave., New York) dispergiert.
Die durch Bildanalyse oder durch Sedimentation bestimmten
Teilchengrößen hängen von verschiedenen Prinzipien ab. Aus
diesem Grund wird eine genaue Korrespondenz der Größe nach
diesen beiden Methoden nicht immer erhalten. Außerdem
werden, wie bereits festgestellt, bei der Bildanalyse sich
berührende Teilchen visuell getrennt. Beim
Sedimentationsverfahren wirken gebundene oder ausgeflockte
Teilchen als Einzelgrößen. Diese Größen entstehen, weil
zwischen den Primärteilchen gewisse Bindungskräfte
existieren ("Einschnürungen"), die verklebte
Aggregate ergeben, die durch das Ultraschallverfahren nicht
leicht aufgebrochen werden können sowie aus einer nicht
optimalen Dispersionsstabilität, die zu einer gewissen
Ausflockung führt. Damit werden die durch Sedimentation
bestimmten QR-Werte, wie erwartet, größer als die durch
Bildanalyse bestimmten. Wahrscheinlich werden die unter
optimalen Dispersionsbedingungen bestimmten QR-Werte
innerhalb der hier genannten Meßwertreihen liegen.
Zur Bestimmung der Dispergierbarkeit wurden zwei weitere
Methoden verwendet. In der ersten Methode wird die
Massenfraktion des Produkts mit einem Stokes-Durchmesser
von mehr als einem µm als Maß für die Menge der schwierig
zu dispergierenden Aggregate verwendet. Bei der zweiten
Methode wird ein Produkt als dispergierbar klassifiziert,
wenn die Hauptmasse der Primärteilchen in den TEM als
Einzelteilchen vorliegen. Wenn ein wesentliches
Aneinanderkleben beobachtet wird, wird das Produkt als
aggregiert klassifiziert.
Die Produktzusammensetzung und Stöchiometrie wurde durch
Elementaranalyse unter Verwendung der induktiv gekuppelten
Plasmaspektroskopie nach Auflösung der Probe bestimmt. Die
Genauigkeit der Analysen betrug etwa ±1%. Das molare
Verhältnis der Summe der zweiwertigen Kationen zur Summe
der vierwertigen Kationen, X(II)/Y(IV), wurde als Maß für
die stöchiometrische Zusammensetzung verwendet. Die
Produkte wurden als stöchiometrisch bezeichnet, wenn
X(II)/Y(II) = 1,000 ± 0,015 war.
Es wurden immer analysenreine Chemikalien oder
entsprechende Stoffe verwendet. Die Reinheit des als
Endprodukt erhaltenen Pulvers ist teilweise von der
Reinheit der verwendeten Reaktionsteilnehmer abhängig.
Beispielsweise enthält analysenreines Ba(OH)2.8H2O etwa
0,2 Gew.-% Sr. Da, wie gezeigt wird, Sr dazu neigt, sich in
dem Reaktionsprodukt anzureichern, ist es wichtig, den
Gehalt von Sr in Ba(OH)2.8H2O zu kennen. Ba(OH)2 und/oder
Sr(OH)2-Lösungen, die bei 70 bis 100°C gehalten werden,
werden vor der Verwendung filtriert, um alle darin
enthaltenen Carbonate zu entfernen. CaCO3 wurde bei 800°C
calciniert und ergab CaO. Die letztere Verbindung wurde
dann mit Wasser umgesetzt und ergab Ca(OH)2.Pb(OH)2 wurde
durch Neutralisation von Pb(NO3)2-Lösung mit NH3
hergestellt. Der gewaschene feuchte Hydroxidkuchen wurde
bei den folgenden Experimenten verwendet.
Wässrige Oxide von TiO2, SnO2 und ZrO2 wurden durch
Neutralisieren der wässrigen Lösungen ihrer jeweiligen
Chloride mit NH3 bei Raumtemperaturen hergestellt. Die
Produkte wurden abfiltriert und gewaschen, bis chloridfreie
Filtrate (bestimmt durch AgNO3) erhalten wurden. Die
Oberflächen der wässrigen Oxide, bestimmt nach Trocknen bei
110°C, lagen jeweils bei etwa 380, 290 und 150 m2/g bei
TiO2, SnO2 und ZrO2. Außerdem wurden Copräcipitate von
wässrigem TiO2 und ZrO2 oder wässrigem TiO2 und SnO2 durch
Neutralisieren der wässrigen Lösungen der Chloride von
Ti(IV) und Sn(IV) oder Ti(IV) und Zr(IV) hergestellt.
Alle Versuche wurden in einem 2-Liter-Autoklaven
durchgeführt. Um eine Verunreinigung der Produkte zu
vermeiden, waren alle benetzten Teile des Autoklaven mit
Teflon beschichtet. Durch die Benutzung eines Autoklaven
wurde die Einführung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre
(das mit Ba(II) bzw. Sr(II) bzw. Ca(II) in Lösung unter
Ausbildung unlöslicher Carbonate reagiert) in das System
vermieden. Vorfiltrierte Lösungen von Ba(OH)2 bzw. Sr(OH)2
und Ba(OH)2, die unter Stickstoff aufbewahrt wurden, wurden
verwendet. Die filtrierten Lösungen von Ba(OH)2 bzw.
Ba(OH)2 und Sr(OH)2 wurden entweder durch eine
Hochdruckpumpe oder durch schnelles Klären einer Lösung des
oder der Hydroxide, die in einer erhitzten Bombe enthalten
waren, vermittels Stickstoff unter hohem
Druck in den Autoklaven eingeführt. Der Inhalt des
Autoklaven wurde während des Herstellungsverfahrens durch
einen Rührer vom Turbinentyp mit einem Durchmesser von
2,5 cm mit 1500 U/min gerührt. Nach der Synthese wurden die
Aufschlämmungen vorzugsweise in einen Druckfilter
überführt, ohne sie der Luft auszusetzen, filtriert und
dann entweder unter Vakuum oder unter Stickstoff bei 100
bis 110°C getrocknet.
Um die Auswirkungen der verschiedenen Behandlungsparameter
auf die Morphologie des BaTiO3 zu zeigen, wurde eine Reihe
von BaTiO3-Produkten unter verschiedenen hydrothermalen
Reaktionsbedingungen hergestellt. Dabei wurden 0,64 l einer
Aufschlämmung von wässrigem TiO2 auf eine bestimmte
Temperatur vorerhitzt. Danach wurde eine bestimmte
vorerhitzte Menge Ba(OH)2 mit konstanter Geschwindigkeit in
einem bestimmten Zeitintervall zu der Aufschlämmung
hinzugegeben. In allen Fällen, außer bei Beispiel IV,
wurden etwa 0,46 l eines 0,52 M Ba(OH)2 verwendet. In
Beispiel IV wurden 0,59 l eines 0,8 M Ba(OH)2 zu der
Aufschlämmung hinzugegeben.
In allen Beispielen dieses Abschnittes, außer bei
Beispiel VI, hatte das eingesetzte wässrige TiO2 eine
Anfangsoberfläche von etwa 380 m2/g. Die Versuche zeigten,
daß die hydrothermale Behandlung des wässrigen TiO2 auf die
erforderlichen spezifischen Temperaturen die Oberfläche des
wässrigen TiO2 verringerte. Diese Abnahme wurde bei
steigender Temperatur, Einwirkungszeit und pH-Wert der
Aufschlämmung vergrößert. Unter den experimentellen
Bedingungen dieser Arbeit, in der längere
Vorerhitzungszeiten verwendet wurden, nahm die Oberfläche
des wässrigen TiO2 bei 150°C auf etwa 300 m2/g und bei
200°C auf etwa 150 m2/g ab. In Beispiel VI wurde die
Oberfläche des wässrigen TiO2 durch eine hydrothermale
Vorbehandlung des wässrigen TiO2 bei 200°C in Gegenwart von
NH4OH auf 54 m2/g verringert.
Nach der Zugabe des Ba(OH)2 wurden die Aufschlämmungen
20 Minuten bei der Temperatur gehalten, auf 200°C erhitzt,
abgekühlt und dann durch Druckfiltration filtriert. Die
Feststoffe, die als feuchte Kuchen mit einem Gehalt von
mehr als 80 Gew.-% Feststoffen erhalten wurden, wurden bei
110°C getrocknet und auf das Verhältnis der zweiwertigen zu
vierwertigen Kationen analysiert. Zusätzlich wurde der
Bariumgehalt der Filtrate bestimmt. Weitere Einzelheiten
der in jedem Beispiel verwendeten Verfahrensbedingungen,
der erhaltenen Produktstöchiometrie und der Bariumgehalte
der Filtrate sind in Tabelle I zusammengestellt. Alle
Produkte waren innerhalb der Genauigkeit der Ergebnisse
stöchiometrisch.
Die Produktmorphologie und Dispersibilität wurden entweder
quantitativ durch Bild- oder Sedimentationsanalysen oder
visuell am Elektronenmikrographen bestimmt. Die erhaltenen
Ergebnisse sind in Tabelle II zusammengestellt. Außer beim
Produkt nach Beispiel I sind die Produkte dispergierbar,
haben enge oder mäßig weite Teilchengrößenverteilungen und
durchschnittliche Primärteilchengrößen im Bereich von 0,06
bis 0,2 µm. Weiterhin zeigen die Ergebnisse, daß die
Primärteilchengröße mit abnehmender Verfahrenstemperatur,
steigender Ba(OH)2-Additionszeit (innerhalb gewisser
Grenzen), abnehmender TiO2-Oberfläche und bis zu einem
gewissen Ausmaß abnehmender Reaktantenkonzentrationen
zunimmt. Die Übereinstimmung zwischen den Oberflächen,
bestimmt durch Bildanalyse, mit denen, die durch
N2-Adsorption bestimmt wurden, zeigt, daß die
Primärteilchen nicht porös sind. Somit kann die
N2-Oberflächenmessung hinreichend zur Bestimmung der
Primärteilchengröße dienen.
Ein TEM der Probe nach Beispiel V zeigt, daß die
Primärteilchen im wesentlichen von sphärischer Gestalt und
gleichförmiger Größe sind. Obgleich die Mehrheit der
Primärteilchen nicht aggregiert war, waren auch einige
festgebundene Doublets, Triplets usw. zugegen. Dieses TEM
war nach Einstellung zur Vergrößerung typisch für alle
diejenigen, die bei Produkten mit QR-Werten, bestimmt durch
Bildanalyse, von etwa 1,3 aufwiesen. Andererseits zeigte
das TEM von Beispiel I das Vorliegen von ausgedehnten
Bindungen zwischen den Primärteilchen.
Zwei wässrige TiO2-Aufschlämmungen, von denen jede 0,2 Mol
TiO2 in 0,64 l Wasser enthielt, wurden auf 120°C
vorerhitzt. Zu jeder der Aufschlämmungen wurde jeweils in
1,6 Minuten (Beispiel IX) oder in 3,2 Minuten (Beispiel X)
eine vorerhitzte Lösung, enthaltend Ba(OH)2 und Sr(OH)2,
hinzugefügt. Die Konzentration der Hydroxide und das
verwendete Sr/Ba-Molverhältnis sind in Tabelle III in der
"Beschickungs"-Spalte aufgelistet. Nach der Zugabe der
Hydroxide wurden die Aufschlämmungen analog wie bei der
BaTiO3-Herstellung behandelt. Nach der Filtration wurde der
Sr- und Ba-Gehalt und das Sr/Ba-Molverhältnis des Filtrats
und die Feststoff-Stöchiometrie und die N2-Oberfläche
bestimmt. Die Ergebnisse dieser Bestimmung sind in
Tabelle III aufgelistet.
Die Werte in der Tabelle zeigen, daß das Feststoffprodukt
nach Beispiel IX stöchiometrisch ist, daß aber das
Feststoffprodukt von Beispiel X einen leicht erhöhten
Gehalt an zweiwertigen Kationen aufweist. Im letzteren Fall
ist der Überschuß an zweiwertigen Kationen zurückzuführen
auf eine etwas höhere Ba(OH)2-Konzentration in dem Filtrat,
wodurch der Gehalt an zweiwertigen Kationen im Produkt
durch Einfluß von Mutterlaugen und sehr wahrscheinlich
durch Ba(OH)2-Adsorption erhöht wird. Waschen der
Feststoffe mit entweder 0,01 bis 0,02 M Ba(OH)2 oder mit
CO2-freiem ammoniakalisiertem Wasser erniedrigt den Gehalt
des Produkts an zweiwertigen Kationen, so daß ein
stöchiometrisches Produkt erhalten wird.
Die Sr/Ba-Molverhältnisse in den Beschickungen sind
beträchtlich größer als diejenigen in den Filtraten. Auch
sind die Sr-Gehalte der Filtrate sehr klein. Das bedeutet,
daß sich Sr in der Festphase konzentriert und aus diesem
Grunde die Sr/Ba-Molverhältnisse in den Produkten, 0,058 in
Beispiel IX und 0,245 in Beispiel X, größer sind als die
vergleichbaren Werte in den Beschickungen.
Röntgenstrahlenbeugung der Feststoffe nach Beispiel X
zeigte, daß eine feste Lösung von BaTiO3 und SrTiO3
vorhanden ist. Ein Vergleich der N2-Oberflächen der
Produkte nach Beispiel V, IX und X zeigte, daß in dem Maße,
wie der Sr-Gehalt des Hydroxids ansteigt, die
Primärteilchengröße des Produkts abnimmt. Produkte mit
vergleichbaren Primärteilchengrößen können leicht erhalten
werden, indem die gleiche Kombination von
Behandlungsvariablen variiert wird, wie sie bei der
Variation der Primärteilchengrößen von BaTiO3 verwendet
wird. Schließlich zeigen die Elektronenmikrographen dieser
Sr-enthaltenden Coformen, daß ihre Morphologie, anders als
bei den kleinen Unterschieden in der Teilchengröße, denen
von BaTiO3 nach Beispiel V vergleichbar waren.
Eine reine Reihe SrTiO3-Produkte wurden gleichfalls durch
Zugabe einer Lösung von Sr(OH)2 zu wässrigem TiO2 unter den
gleichen Bedingungen, wie sie bei der Herstellung von
BaTiO3 verwendet wurden, hergestellt. In diesen Fällen
zeigten jedoch, obwohl stöchiometrische Produkte gebildet
wurden, die TEM- und N2-Oberflächen Messungen, daß die
Primärteilchengröße wesentlich kleiner ist als bei BaTiO3.
Darüber hinaus war in allen untersuchten Fällen die
Primärteilchengröße des SrTiO3 kleiner als 0,05 µm.
Eine Reihe Zr-enthaltender Coformen wurde durch Behandlung
von 0,64 l vorerwärmter Aufschlämmung von wässrigem TiO2
und ZrO2, die jeweils durch Vermischen der jeweiligen
wässrigen Oxide oder durch Copräcipitation, mit 0,46 l
vorerhitztem 0,52 bis 0,6 M Ba(OH)2 hergestellt. Das
Herstellungsverfahren war identisch mit den oben
beschriebenen. Die Mengen an wässrigen Oxiden, die
Synthesetemperaturen und die Zeit zur Zugabe des Ba(OH)2
sind ebenso wie der Ba(II)-Gehalt der erhaltenen Filtrate
in Tabelle IV zusammengestellt. In Beispiel XVI wurde nur
wässriges ZrO2 verwendet und reines BaZrO3 hergestellt. Die
charakteristischen Daten der Festprodukte sind in Tabelle V
zusammengestellt.
Das analysierte Zr(IV)/Ti(IV)-Molverhältnis der Produkte,
das von 0,117 bis 0,235 reichte, ist in Tabelle V
angegeben. Die in Tabelle IV angegebenen Werte (anders als
bei Beispiel XV, wo das Molverhältnis dieses cogefällten
feuchten Kuchens durch Analyse gefunden wurde) basierte auf
den Gewichten der Kuchen und den darin enthaltenen
Feststoffen. In den Filtraten wurden lediglich geringste
Mengen im ppm-Bereich an Zr(IV) und Ti(IV) gefunden, die
Zr(IV) zu Ti(IV)-Molverhältnisse in den beiden Tabellen
sollten identisch sein. In den Fällen, wo physikalische
Mischungen von wässrigem TiO2 und ZrO2 verwendet wurden
(Beispiele XI bis XIV), waren die
Zr(IV)/Ti(IV)-Molverhältnisse, ermittelt aus den
Kuchengewichten, 12,1 ± 1,3% niedriger als diejenigen, die
durch Analyse gefunden wurden. Da die analytischen Daten in
Tabelle V zeigen, daß die X(II)/Y(IV)-Molverhältnisse im
wesentlichen gleichförmig und damit die Coformen
stöchiometrisch sind, wird die Diskrepanz zwischen den
beiden Angaben der Zr(IV)/Ti(IV)-Molverhältnisse einer
ungenauen Bestimmung der Feststoffgehalte in dem feuchten
Kuchen der wässrigen Oxide zugeschrieben.
Die Morphologien und Oberflächen der Produkte, die aus
physikalischen Mischungen von wässrigem TiO2 und ZrO2
hergestellt wurden, waren vergleichbar mit denjenigen, die
bei der Herstellung von BaTiO3 unter den gleichen
Bedingungen erhalten wurden. Mit cogefälltem wässrigen
TiO2-ZrO2 nach Beispiel XV ist die Primärteilchengröße nach
TEM etwas größer als bei dem Produkt, das aus einer
physikalischen Mischung der wässrigen Oxide unter den
gleichen Herstellungsbedingungen gebildet wurde
(Beispiel XIV). Qualitativ haben alle Coformen enge
Teilchengrößenverteilungen und sind dispergierbar.
Röntgenstrahlenbeugung zeigt, daß die Coformen aus einer
Mischung von cokristallisiertem BaZrO3 und BaTiCO3 bestehen.
In Beispiel XVI wurde BaZrO3 unter Bedingungen hergestellt,
die zur Bildung von Coformen auf der Basis von etwa 0,06 µm
BaTiO3 oder BaTiO3 führten. Solche Produkte haben
vorzugsweise N2-Oberflächen von etwa 16 m2/g. Bei
BaZrO3-Pulvern wurden jedoch Primärteilchengrößen von etwa
1,5 µm, Produktoberflächen von 2,8 m2/g gefunden und die
TEM-Werte zeigten, daß das Produkt aggregiert war.
Eine Reihe Sn-enthaltender Coformen wurde hergestellt durch
Behandlung von 0,64 l einer vorerhitzten Aufschlämmung aus
wässrigem TiO2 und SnO2, hergestellt entweder durch
Vermischen der jeweiligen wässrigen Oxide oder durch
Cofällung, mit 0,46 l vorerhitztem 0,52 bis 0,60 M Ba(OH)2.
Das Herstellungsverfahren wurde wie bei der Herstellung von
BaTiO3 durchgeführt. Die Mengen an wässrigen Oxiden, die
Verfahrenstemperaturen und Zeiten zur Ba(OH)2-Zugabe sowie
die Ba(II)-Gehalte der Filtrate sind in Tabelle VI
zusammengestellt. In Beispiel XX wurde ausschließlich
wässriges SnO2 verwendet. Die charakteristischen Daten der
gebildeten Feststoffe sind in Tabelle VII aufgelistet.
Die Sn-enthaltenden Coformen enthalten, wie durch die
X(II/Y(IV)-Molverhältnisse in Tabelle VII gezeigt wird,
einen kleinen Überschuß des zweiwertigen Kations. Da die
Filtrate ziemlich hohe Ba-Gehalte haben, Tabelle VI, da die
Produkte filtriert, aber nicht gewaschen wurden, ist der
Überschuß des Gehalts an zweiwertigen Kationen auf
adsorbiertes Ba(OH)2 zurückzuführen. Die experimentellen
Werte für andere Coformen zeigen, daß der Überschuß des
zweiwertigen Kations leicht durch Waschen vermindert werden
kann und stöchiometrische Produkte ergibt. Die Werte von
Abe et al stützen diese Annahme.
Die Röntgenbeugungsanalyse zeigt, daß die Produkte nach
Beispiel XX Bariumhexahydrostannat, BaSn(OH)6 enthalten. Im
Fall des Produkts nach Beispiel XVIII wurde als einzige
kristalline Phase BaTiO3 gefunden. Eine Analyse im
Scanning-Transmissions-Elektronenmikroskop STEM zeigte, daß
alle Primärteilchen Sn, Ba und Ti enthielten, obwohl eine
gewisse Variabilität der Sn-Gehalte festgestellt wurde.
Wahrscheinlich ist in der Coform von Beispiel XVIII das
BaSn(OH)6 röntgenamorph, da es nur einen kleinen
Prozentsatz (8,5 Mol-%) des Produkts darstellt, da es
kleine Kristallitengröße aufweist.
Ein Vergleich der Werte in Tabellen VI und VII mit denen
der Tabellen I und II zeigt, daß bei vergleichbaren
Verfahrensbedingungen BaTiO3 und Sn-enthaltende Coformen
vergleichbare Morphologien aufweisen.
Versuche haben gezeigt, daß eine hydrothermale Behandlung
einer Aufschlämmung, enthaltend eine äquimolare Mischung
von Ca(OH)2 und wässrigem TiO2 bei einer Temperatur bis zu
200°C ein Produkt mit der nominellen Zusammensetzung CaTiO3
ergab. Röntgenstrahlenbeugungsanalyse zeigte, daß das
Produkt sehr wahrscheinlich CaTiO3 war, möglicherweise auch
tetragonales Ca4Ti3O10. TEM
(Transmissions-Elektronenmikroskop) zeigte, daß das Produkt
aus rohen rechteckigen Plättchen bestand. Das Produkt hat
eine N2-Oberfläche von 16 m2/g.
Um das Ausmaß der Verdrängungsreaktion zu bestimmen, wurde
ein CaTiO3-Produkt, das einen Überschuß an Ca(OH)2
enthielt, hergestellt. Dies wurde durch hydrothermale
Behandlung von 1,0 l Aufschlämmung, enthaltend 0,5 Mole
wässriges TiO2 und 0,55 Mole Ca(OH)2 bewirkt. Die
Analytik-Werte zeigten, daß das Produkt eine Oberfläche von
14,4 m2/g und ein Ca(II)/Ti(IV) Molverhältnis von 1,04
aufwies. Etwa 0,2 Mole dieses Produkts (27,2 g auf
trockener Basis) wurden in 0,6 l Wasser dispergiert und auf
80°C erhitzt. Danach wurden 0,4 l 0,37 M Ba(OH)2
hinzugegeben. Die erhaltene Aufschlämmung wurde 20 Minuten
bei 80°C gehalten und gesammelt. Die verbleibende
Aufschlämmung wurde dann auf 120°C erhitzt, 60 Minuten bei
dieser Temperatur gehalten und gesammelt. Diese Behandlung
wurde bei 150°C und 200°C wiederholt. Die gesammelten
Aufschlämmungen wurden filtriert und die Filtrate und
getrockneten Feststoffe analysiert.
Wie durch die Ba-Konzentration im Filtrat und das
Ba-Molverhältnis in der Festphase gezeigt wird,
demonstrieren die Werte in der Tabelle, daß die
Verdrängungsreaktion (2) bei 200°C stattfindet, bis recht
niedrige Ba-Konzentrationen erreicht werden. Das gebildete
Ca(OH)2 ist recht unlöslich und verbleibt in der Festphase,
so daß, wie durch das X(II)/Y(IV)-Molverhältnis gezeigt
wird, ein nicht-stöchiometrisches Produkt gebildet wird.
Bei Temperaturen unterhalb etwa 150°C findet die Reaktion
(2) nur in schwachem Ausmaß statt, obwohl noch in
bemerkenswertem Ausmaß, wenn eine verlängerte Reaktionszeit
zur Anwendung gelangt. Wahrscheinlich wird die
Verdrängungsreaktion durch Diffusion kontrolliert und
lediglich bei Temperaturen oberhalb etwa 150°C ist der
Diffusionskoeffizient von Ba(II) in CaTiO3 hinreichend
groß, daß die Reaktion (2) in hinreichendem Ausmaß
stattfindet. Es wird angenommen, daß mit abnehmender
Ba(II)-Konzentration in der wässrigen Phase die
Reaktionsgeschwindigkeit vermindert wird und bei
hinreichend niedrigen Ba(OH)2-Konzentrationen
vernachlässigbar wird.
Die Möglichkeit der Herstellung einer Ca-enthaltenden
Coform unter Bedingungen, bei denen nach der Bildung von
BaTiO3 die Ba(OH)2-Konzentration in der wässrigen Phase
klein ist, wurden untersucht. In diesem Fall, Beispiel XXI,
wurde die Ca-enthaltende Coform durch hydrothermale
Behandlung von 0,67 l einer Aufschlämmung, enthaltend
0,21 Mol wässriges TiO2 und 0,042 Mol Ca(OH)2 bei 200°C
hergestellt. Die Aufschlämmung wurde dann auf 120°C gekühlt
und 5% der Aufschlämmung (0,032 l) zur Charakterisierung
abgezogen. Danach wurde in 3,1 Minuten 0,46 l 0,41 M
Ba(OH)2 hinzugegeben. Die erhaltene Aufschlämmung wurde bei
120°C gehalten und jeweils 2, 10, 20 und 60 Minuten nach
der Zugabe des Ba(OH)2 gesammelt. Die
Aufschlämmungstemperatur wurde dann auf 150°C erhöht,
60 Minuten bei dieser Temperatur gehalten und gesammelt.
Danach wurde sie auf 200°C erhöht, gesammelt und 30 Minuten
bei 200°C gehalten und erneut gesammelt. Alle gesammelten
Proben wurden filtriert und die Konzentrationen des
zweiwertigen Kations in den Filtraten wurden bestimmt. Die
Filterkuchen wurden getrocknet und ihre Oberflächen und
nominellen Stöchiometrien bestimmt. Die erhaltenen
Ergebnisse sind in Tabelle IX zusammengestellt.
Die Festphase der Anfangsprobe hatte vor der Ba(OH)2
Addition eine N2-Oberfläche von 291 m2/g. Da die Behandlung
von wäßrigem TiO2 bei 200°C eine ziemlich wesentliche
Abnahme der Oberfläche ergab, stellt die gegenwärtige
Oberflächenmessung sicher, daß die Kristalitgröße des
Kalziumtitanats, gebildet in Gegenwart von wäßrigem TiO2,
sehr klein ist (weniger als etwa 0,02 µm). Eine TEM-Messung
der Probe bestätigt diese Annahme.
Nach der Ba(OH)2-Addition wächst der Ba-Gehalt der
Festphase an und derjenige des Filtrats nimmt mit der Zeit
bei 120°C ab. Die Anfangs-Ba-Konzentration beträgt unter
der Annahme daß keine Reaktion stattfindet, etwa 25,5 g/l.
Zwei Minuten nach der Ba(OH)2-Zugabe nimmt der Ba-Gehalt
der Flüssigphase auf 15,9 g/l ab und etwa 40% des TiO2 ist
in BaTiO3 umgewandelt. Entsprechend ist bei hoher
Ba(OH)2-Konzentration in der wäßrigen Phase die
Bildungsgeschwindigkeit des BaTiO3 bei 120°C hoch. Wenn die
Ba(OH)2-Konzentration abnimmt und das TiO2 in BaTiO3
überführt worden ist, nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit
ab. Bei niedrigen Ba(OH)2-Konzentrationen werden
stöchiometrische Produkte nur bei erhöhter Temperatur
gebildet. Überraschenderweise nimmt der Ca-Gehalt des
Filtrats zu, wenn Ba in die Festphase eingebaut wird.
Obgleich der Grund hierfür noch nicht bekannt ist, ist es
doch eine Erklärung für die Verminderung des Ca-Gehalts in
der Festphase.
Ein TEM der Festphase von Beispiel XXI, aufgenommen nach
einer Minute bei 200°C, zeigte, daß das Produkt eine
Primärteilchengröße von 0,15 µm, eine enge
Teilchengrößenverteilung aufwies, und daß das Produkt
dispersibel war. Die Primärteilchengröße des Produkts,
bestimmt aus der Oberfläche, betrug 0,13 µm, in guter
Übereinstimmung mit der TEM-Primärteilchengröße.
Die Auswirkung der Zugabezeit des Ba(OH)2 auf die
Morphologie der Ca enthaltenden Koform wurde untersucht. Zu
diesem Zweck wurden 0,64 l Aufschlämmung, enthaltend
0,2 Mole wäßriges TiO2 und 0,02 Mole Ca(OH)2, auf 150°C
erhitzt. Danach wurden 0,46 l 0,43 M Ba(OH)2 in jeweils
3,1 Minuten (Beispiel XXII) oder in 0,1 Minuten
(Beispiel XXIII) hinzugegeben. In dem vorigen Beispiels
wurde die Aufschlämmung 30 Minuten bei 150°C gehalten,
bevor die Temperatur auf 200°C gesteigert wurde, wonach die
Probe gesammelt wurde. Im letzen Beispiel wurde die
Aufschlämmung 30 Minuten bei 150° gehalten und dann
gesammelt. Die Filtratzusammensetzung der Aufschlämmung und
die Festphasenoberflächen und nominellen Stöchiometrien
sind in Tabelle X aufgelistet. Es wurden im wesentlichen
stöchiometrische Produkte gebildet. Die TEM-Werte zeigten,
daß die Primärteilchengröße des Produkts nach Beispiel XXII
etwa 0,12 µm und diejenige nach Beispiel XXIII 0,06 µm
betrug. Außerdem waren die TEM nach der Justierung zur
Vergrößerung im wesentlichen identisch mit den TEM des nach
den Beispielen II-VIII hergestellten reinen Bariumtitanats.
Die Röntgenstrahlenbeugung zeigte, daß die einzige
kristalline Phase, die in diesen Ca-enthaltenden Coformen
zugegen war, BATiO3 war. Eine STEM-Analyse des Produkts
nach Beispiel XXII zeigte jedoch, daß jedes der
Primärteilchen Ca, Ti und Ba mit ziemlich vergleichbaren
Gehalten enthielt.
Literaturwerte, z. B. aus dem Aufsatz von T. R. N. Kutty und
R. Balachandran mit dem Titel "Direkte Fällung von
Bleizirkonattitanat nach der hydrothermalen Methode",
Mat. Res. Bull., 19, 1479, (1984) zeigen, daß die
hydrothermale Behandlung von Aufschlämmungen aus PbO und
wässrigem TiO2 bei Temperaturen von etwa 160°C über mehrere
Stunden die Bildung von röntgenkristallinem PbTiO3 ergeben.
Diese Ergebnisse werden in der vorliegenden Arbeit
bestätigt. Überraschenderweise ergibt jedoch die
hydrothermale Behandlung einer Aufschlämmung, enthaltend
Pb(OH)2, nach Röntgenbeugung kristallin, und wässrigem TiO2
bei Temperaturen von 200°C lediglich röntgenstrahlenamorphe
Produkte. Obwohl diese Produkte nicht charakterisiert
wurden, wird angenommen, daß amorphe Bleititanatprodukte
gebildet wurden.
Ein kinetischer Versuch zeigte, daß die Geschwindigkeit der
PbTiO3-Bildung bei 200°C schnell ist. Bei diesem Versuch
wurden 0,35 Mole röntgenkristallines, gelbes PbO mit einer
Oberfläche von 0,64 m2/g in 0,2 l Wasser dispergiert. Diese
Aufschlämmung wurde schnell zu 1,0 l einer Aufschlämmung,
enthaltend etwa 0,4 Mole wässriges TiO2, die auf 200°C
vorerhitzt worden waren, hinzugegeben. Nach der Zugabe des
PbO ging die Temperatur der Aufschlämmung auf 191°C zurück,
stieg dann jedoch innerhalb von 2 Minuten wieder auf 200°C.
Zu dieser Zeit wurde die Aufschlämmung gesammelt und
filtriert. Die Röntgenstrahlenbeugung der Feststoffe
zeigte, daß lediglich kristallines PbTiO3 zugegen war. Es
konnten keine Spitzen beobachtet werden, die PbO zugeordnet
werden könnten. Entsprechend war das gesamte PbO innerhalb
2 Minuten in PbTiO3 umgewandelt worden.
PbTiO3-Produkte wurden durch hydrothermale Behandlung einer
Aufschlämmung, enthaltend eine äquimolare Mischung aus PbO
und wässrigem TiO2, jeweils in einer Konzentration von
0,33 Mol/l, bei 200°C hergestellt. Die Aufschlämmung wurde
gesammelt, sobald eine Temperatur von 200°C erreicht wurde
und nach 2-stündigem Altern bei 200°C. Die N2-Oberfläche
der Festphase in den Aufschlämmungsproben nahm von 20,4 auf
11,8 m2/g beim Altern ab, vermutlich als Ergebnis einer
Ostwald-Reifung. Die TEM-Werte zeigen, daß die Produkte aus
recht gleichförmigen, aber aggregrierten dünnen
rechteckigen Plättchen bestanden.
Es wurden Versuche durchgeführt, um festzustellen, wie
wichtig die Reaktionen (3) und (4) sind. In diesen
Versuchen wurde ein PbTiO3, das einiges wässriges TiO2
enthielt, durch hydrothermale Behandlung von wässrigem TiO2
und PbO bei 200°C hergestellt. Die erhaltene Aufschlämmung
wurde filtriert und 81,2 g des feuchten Kuchens, enthaltend
56 Gew.-% Feststoffe, wurden in Wasser dispergiert, wobei
ein Aufschlämmungsvolumen von 0,6 l erhalten wurde. Die
Aufschlämmung wurde auf 100°C erhitzt. Danach wurden 0,3 l
vorerhitztes 0,375 M Ba(OH)2 innerhalb 2,8 min
hinzugegeben. Nach der Ba(OH)2-Zugabe wurde die
Aufschlämmung 90 Minuten bei 100°C gehalten und dann
gesammelt. Danach wurde die Aufschlämmung auf 150°C
erhitzt, 30 Minuten bei dieser Temperatur gehalten und dann
gesammelt. Dieses Verfahren wurde bei 200 und 250°C
wiederholt. Die Aufschlämmungsproben wurden filtriert. Die
Konzentrationen des zweiwertigen Kations in der wässrigen
Phase und die N2-Oberfläche und das Kationenmolverhältnis
in der Festphase jeder Probe wurden bestimmt. Die
Ergebnisse dieser Analysen sind in Tabelle XI
zusammengestellt.
Die Ergebnisse zeigen, daß lediglich oberhalb etwa 150°C
die Verdrängungreaktion (3) im wesentlichen Maße
stattfindet. Da jedoch bei 250°C die wässrige Phase eine
wesentliche Menge an Ba enthält, muß geschlossen werden,
daß die Empfindlichkeit des PbTiO3 gegenüber der
Verdrängungsreaktion geringer ist als diejenige des CaTiO3
(vergleiche die Werte in den Tabellen XI und VIII). Die
Menge des Pb in Lösung, wahrscheinlich als Ergebnis der
Reaktion (4), ist recht wesentlich. Weiterhin wurde
gefunden, daß unter isothermen Bedingungen (siehe
Tabelle XII) die Menge des Pb in Lösung, wie die Reaktion
(4) erfordert, mit dem Anwachsen der Ba(OH)2-Konzentration
in der wässrigen Phase anwächst.
Diese Daten zeigen, daß bei der Herstellung von
Pb-enthaltenden Coformen, genau wie bei der Herstellung von
Ca-enthaltenden Coformen, der Ba-Gehalt der wässrigen Phase
und die Endtemperatur (und Zeit), bei welcher die
Aufschlämmung behandelt wird, sorgfältig kontrolliert
werden muß. Es wurden Versuche ausgeführt, um die maximale
Ba-Konzentration zu bestimmen, die in der wässrigen Phase
bei 200°C toleriert werden kann, bevor die
Verdrängungsreaktion (3) in wesentlichem Ausmaß
stattfindet. Zu diesem Zweck wurden 0,7 l der
Aufschlämmung, enthaltend 0,22 Mole wässriges TiO2 und
0,11 Mole PbO auf 200°C erhitzt. Die Aufschlämmung wurde
bei 200°C gesammelt und 0,06 l der Aufschlämmung abgezogen.
Unmittelbar danach wurden 0,1 l vorerhitztes 0,52 M Ba(OH)2
schnell zu der Aufschlämmung hinzugegeben. Die
Aufschlämmung wurde 60 Minuten bei der Temperatur belassen
und gesammelt. Danach wurde ein zweiter Teil 0,1 l 0,52 M
Ba(OH)2 schnell hinzugegeben. Die Aufschlämmung wurde dann
weitere 60 Minuten altern lassen und gesammelt. Schließlich
wurde ein dritter Anteil von 0,1 l Ba(OH)2 hinzugegeben und
nach 60 Minuten wurde die Aufschlämmung gesammelt. Die
Aufschlämmungsproben wurden filtriert und die wässrigen und
Festphasen wurden charakterisiert. Die erhaltenen Werte
sind in Tabelle XII zusammengefaßt.
Die Ergebnisse zeigen, daß schließlich das Titandioxid in
der Coform in BaTiO3 umgewandelt worden ist und der
Ba-Gehalt der wässrigen Phase etwa 4 g/l nicht übersteigt,
entsprechend etwa 0,03 Mol Ba(OH)2 wie in Beispiel XXVI
wird ein stöchiometrisches Produkt selbst nach einer
relativ langen Behandlungszeit bei 200°C erhalten. Wenn die
Ba-Konzentration in der Größenordnung von 13 g/l liegt, wie
in Beispiel XXVII, erhält man ein nicht-stöchiometrisches
Produkt.
Ein TEM des Produkts nach Beispiel XXIV zeigte keine
Gegenwart von Teilchen, die die charakteristische
Morphologie von PbTiO3 aufwiesen. Alle primären Teilchen in
dem TEM schienen wesentlich kleiner als 0,02 µm zu sein.
Diese Beobachtung steht in Übereinstimmung mit der hohen
Oberfläche, 131 m2/g, des Produkts. Außerdem bestätigt
diese Beobachtung die vorher gemachte Annahme, daß die
hydrothermale Behandlung des unlöslichen zweiwertigen
Kationenoxids oder Hydroxids mit einem wesentlichen molaren
Überschuß an wässrigem TiO2 Perovskite mit sehr kleinen
Primärteilchengrößen ergibt.
Die TEM der Produkte nach Beispiel XXV, XXVI und XXVII
zeigten, daß die primären Teilchen der Produkte eine
Vielzahl von Formen aufwiesen, die von Kugeln zu Würfeln
bis zu rechteckigen Plättchen reichten. Außerdem ist die
primäre Teilchengrößenverteilung recht breit und die
Primärteilchen sind zu einem gewissen Grad aggregiert. Die
Vielzahl der Formen ist zurückzuführen auf den hohen
Pb-Gehalt der Coformen.
Die Wirkung der Zeit der Ba(OH)2-Zugabe wird auf die
Morphologie der Pb-enthaltenden Coformen wurde untersucht.
Bei diesen Versuchen wurden 0,64 l Aufschlämmung,
enthaltend 0,2 Mole wässriges TiO2 und jeweils 0,02 Mole
PbO (Beispiel XXVIII) oder 0,04 Mole PbO (Beispiel XXIX)
auf 200°C erhitzt. Danach wurden die Aufschlämmungen
abgekühlt auf 150°C und 0,46 l Ba(OH)2 wurden in jeweils
3,1 bzw. 0,25 Minuten hinzugegeben. Die Aufschlämmungen
wurden jeweils 20 Minuten (Beispiel XXVIII) oder 60 Minuten
(Beispiel XXIX) bei 150°C gehalten und dann auf 200°C
erhitzt, wonach die Aufschlämmung gesammelt wurde. Die
Proben wurden in der üblichen Weise charakterisiert und die
erhaltenen Daten sind in Tabelle XIII zusammengestellt.
Wie in der Tabelle gezeigt ist, sind die Bariumgehalte der
Filtrate höher als der erwünschte Wert von etwa 4 g/l.
Trotzdem ist, wie durch das X(II)/Y(IV)-Molverhältnis
gezeigt wird, die beobachtete Abweichung von der
Stöchiometrie beim Beispiel XXVIII klein, und beim
Beispiel XXIX innerhalb der Meßgrenzen vernachlässigbar.
Wie bei der Herstellung von BaTiO3 vergrößert sich der Wert
der Oberfläche des Produkts mit abnehmender
Ba(OH)2-Zugabezeit.
Die TEM-Werte zeigen, daß das Produkt nach Beispiel XXVIII
eine Primärteilchengröße von etwa 0,13 µm hat, während das
Produkt nach Beispiel XXIX eine Größe von etwa 0,07 µm
aufweist. In beiden Fällen war die
Primärteilchengrößeverteilung eng und die Produkte waren
dispergierbar. Weiterhin ähneln die TEM-Daten bei
geeigneter Vergrößerung den TEM-Daten des Bariumtitanats
nach Beispiel V. Schließlich zeigt die STEM-Analyse des
Produkts nach Beispiel XXIX, daß alle Primärteilchen Pb, Ba
und Ti in vergleichbaren Werten enthalten.
In den Beispielen X bis XXIX wurde jeweils Ba(II) in dem
BaTiO3 teilweise durch ein zweites zweiwertiges Kation
ersetzt bzw. wurde Ti(IV) teilweise durch ein zweites
vierwertiges Kation ersetzt und es wurden relativ einfache
Coformen hergestellt. Komplexere Coformen wurden
gleichfalls hergestellt durch gleichzeitigen partiellen
Ersatz sowohl von Ba(II) und Ti(IV) durch ein oder mehrere
zweiwertige und vierwertige Kationen. Das
Herstellungsverfahren war identisch mit dem bei der
Herstellung der einfachen Coformen, die Ca(II) und Pb(II)
enthalten, verwendeten. Außerdem wurde gefunden, daß die
gleichen Parameter, die die Morphologie von BaTiO3 oder
einfachen Coformen steuerten, auch zur Steuerung der
Morphologie der complexeren Coformen verwendet werden
konnten.
Beim Verfahren zur Herstellung der complexeren Coformen
wurden Aufschlämmungen, die vierwertige wässrige Oxide,
vorzugsweise cogefällt, und PbO oder Pb(OH)2 und/oder
Ca(OH)2 enthielten, auf 200°C erhitzt. Danach wurden die
Aufschlämmungen auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt,
die im folgenden als Verfahrenstemperatur bezeichnet wird,
und vorerhitzte Ba(OH)2-Lösung, die ein Sr/Ba-Molverhältnis
von etwa 0,01 enthielt, wurde bei einer Temperatur von 70°C
bis 110°C in einem bestimmten Zeitintervall in die
Aufschlämmung eingegeben. Nachdem die Aufschlämmung etwa 20
bis 30 Minuten bei der Temperatur gehalten worden war,
wurde die Temperatur auf eine Endtemperatur von 200 bis
250°C erhöht. Die genaue Endtemperatur hängt ab von der
Zusammensetzung der Coform, der Zeit, Ba(II)-Konzentration
in der wässrigen Phase und im allgemeinen von der
Primärteilchengröße der Coform. Bei komplexen Coformen, die
nahezu stöchiometrisch sind, d. h., bei Produkten, wo der
Wert des Verhältnisses X(II)/Y(IV) nahezu 1 ist, werden
echt erhebliche Abweichungen dieser Parameter erforderlich,
um eine kleine Änderung des Wertes des Verhältnisses zu
erreichen. Beispielsweise steigt bei Coformen mit
Primärteilchengrößen im Bereich von 0,1 bis 0,2 µm und
Ba(II)-Konzentrationen von 3 bis 10 g/l bei einem Anstieg
der Endbehandlungstemperatur von 200 auf 250°C über einen
Zeitraum von etwa 30 Minuten der Wert von X(II/Y(IV) um
etwa 0,02 Einheiten. Entsprechend kann die Auswahl der
Endbehandlungstemperatur schnell durch wenige Experimente
erfolgen.
Es wurden einige komplexe Coformen hergestellt. In
Tabelle XIV sind die molaren Mengen der verwendeten
Reaktanten für jede Coform, das Anfangsvolumen der
Aufschlämmung, Vi, das gesamte Aufschlämmungsvolumen nach
der Ba(OH)2-Zugabe, Vf, die verwendete
Verfahrenstemperatur, die Zeit der Ba(OH)-Zugabe, die
verwendete Endbehandlungstemperatur (nicht notwendigerweise
die optimale Endtemperatur), das X(II)/Y(IV)-Molverhältnis
in der Festphase, die Produktoberfläche, und aus TEM-Werten
eine Abschätzung der Primärteilchengröße der Coformen,
Größenverteilung und Dispersibilität aufgelistet. Da das
verwendete Ba(OH)2 einen Anteil an Sr enthielt und da
Sr(II) leichter in die Coform eingebaut wird als Ba(II),
stellt das Sr(II) in der Coform etwa 1 bis 1,5 Mol-% des
Gehalts an zweiwertigem Kation in der Coform dar. Zu
Zwecken der Vereinfachung ist Sr in die Ba-Molfraktion der
Coform eingeschlossen worden.
Wie durch die X(II)/Y(IV)-Molverhältnisse in Tabelle XIV
dargestellt wird, sind die Coformen entweder
stöchiometrisch (innerhalb der Genauigkeit der analytischen
Daten) oder mit nur sehr geringen Abweichungen
stöchiometrisch. Weiterhin haben, außer bei dem Produkt
nach Beispiel XXXI, alle Produkte Primärteilchengrößen im
Bereich von 0,05 bis 0,2 µm, Größenverteilungen, die sehr
eng oder mäßig weit sind und sind dispergierbar. Das
Produkt nach Beispiel XXXI ist polydispers. Seine
Polydispersität ist zurückzuführen auf die Kombination der
hohen Verfahrenstemperatur und der relativ langen
Zugabezeit des Ba(OH)2 von 2,9 Minuten. Wenn die Zugabezeit
des Ba(OH)2 auf 0,2 Minuten bei 200°C verringert wird, wie
in Beispiel XXX, wird ein Produkt mit einer mäßig weiten
Teilchengrößenverteilung erhalten. Wegen der
Empfindlichkeit der Primärteilchengrößenverteilung des
Produkts gegenüber den Ba(OH)2-Zugabezeiten bei 200°C wird
eine niedrige Verfahrenstemperatur bevorzugt.
Die nominellen Produktformeln der Beispiele der Tabelle XIV
sind in Tabelle XV zusammengestellt. Es zeigt sich, daß die
Zahl der herstellbaren Coformen mit verschiedenen
Zusammensetzungen groß ist.
Ein TEM des Produkts nach Beispiel XXXVIII, der
komplexesten der hergestellten Coform, zeigt die Gegenwart
von überwiegend vereinzelten, leicht sphärischen
Primärteilchen, obgleich wenige fest gebundene Doubletten
und Tripletten gleichfalls zugegen sind. Im Gegensatz zu
dem Unterschied der Größe der Primärteilchen ist die
Morphologie des BaTiO3 nach Beispiel V und der komplexen
Coformen sehr ähnlich.
Die quantitative Primärteilchengröße und die
Größenverteilung von drei der in Tabelle XIV angegebenen
Produkte wurde quantitativ durch TEM und Sedimentation
gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle XVI
zusammengestellt. Bei den Beispielen XXXVII und XXXVIII
sind die quantitativen Werte in guter Übereinstimmung mit
der geschätzten Größe, Größenverteilung und
Dispersibilität, wie in Tabelle XIV angegeben. Beim
Beispiel XXXIII ist die Dispersibilität des Produkts, wie
sie definiert ist und durch den Sedimentations-QR-Wert
gemessen ist, höchstens nur mäßig dispergierbar. Trotzdem
zeigen die Sedimentationswerte, daß weniger als 5 Gew.-%
des Materials als Aggregate mit einer Größe von mehr als
1 µm vorliegen.
Die Dispersibilität der Produkte nach Beispiel XXXV
(Tabelle XIV) wurde ebenfalls untersucht. Bei dieser Probe
wurde gefunden, daß weniger als 10 Gew.-% der Probe eine
Größe von mehr als 0,25 µm und mehr als 65 Gew.-% der Probe
von weniger als 0,1 µm aufwies. Diese Ergebnisse zeigen,
daß Coformen mit einer durch TEM bestimmten primären
Teilchengröße von etwa 0,06 µm gleichfalls dispergiert
werden können.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung von submikronen Perovskiten der
Formel
Ba(1 - x - x' - x'')[PbxCax'']Srx'Ti(1 - y - y' - y'')SnyZry'Hfy''O3,
worin jede der Molfraktionen x, x', x", y, y', y" einen Wert von 0 bis 0,3 annehmen kann, und die Summe von x + x' + x" oder y + y' + y" einen Wert von 0,4 nicht überschreitet, mit folgen den Verfahrensschritten:
Ba(1 - x - x' - x'')[PbxCax'']Srx'Ti(1 - y - y' - y'')SnyZry'Hfy''O3,
worin jede der Molfraktionen x, x', x", y, y', y" einen Wert von 0 bis 0,3 annehmen kann, und die Summe von x + x' + x" oder y + y' + y" einen Wert von 0,4 nicht überschreitet, mit folgen den Verfahrensschritten:
- a) eine wässrige Aufschlämmung von TiO2 wird auf eine Tempe ratur zwischen 50 und 200°C eingestellt,
- b) eine Ba(OH)2-Lösung wird auf 70 bis 110°C erhitzt und un ter starkem Rühren in die Aufschlämmung gegeben,
- c) die Mischung wird hydrothermal für 10 bis 30 Minuten bei 60 bis 150°C gehalten und
- d) anschließend auf eine höhere Temperatur zwischen 150 und 200°C erhitzt,
- e) die Mischung wird abgekühlt und der Perovskit isoliert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das aus Schritt (d) erhaltene Produkt mit einer 0,01 bis
0,02 M Ba(OH)2-Lösung gewaschen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperatur in Schritt (a) auf 60 bis 150°C eingestellt
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die TiO2-Aufschlämmung SnO2, ZrO2 und/oder HfO2 enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ba(OH)2-Lösung Sr(OH)2 enthält.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die TiO2-Aufschlämmung Pb- und/oder
Ca-Oxide und/oder -Hydroxide in einem molaren Verhältnis
der zweiwertigen Kationen zu den vierwertigen von < 0,4
enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die Aufschlämmung auf eine höhere Temperatur als in
Schritt d) auf bis zu 225°C zur vollständigen Umwandlung
der vierwertigen Oxide in stöchiometrische Perovskite wei
terbehandelt wird.
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