JP2001524922A - 単独又は混合した金属酸化物又は酸化ケイ素の製造方法 - Google Patents

単独又は混合した金属酸化物又は酸化ケイ素の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、1又はそれ以上の有機前駆物質を含む1又はそれ以上の前駆物質のチャージから、単独又は混合した金属酸化物、又は酸化ケイ素をベースとした産物の製造方法に関する、これらの酸化物は、例えばTi,Al,Mg,Th,Si,Ba,Bc又はZrなどが可能である。上記方法は、超臨界圧力よりも低い圧力に超臨界CO2の圧力を減じることによって上記反応媒体から、単独の又は混合した金属酸化物、または酸化ケイ素をベースとした上記産物を上記前駆物質から形成するために、31から100℃までの温度と107から5x107Paの臨界圧力で、超臨界CO2を含む反応媒体と該前駆物質のチャージとを接触させることを含む。

Description

【発明の詳細な説明】 単独又は混合した金属酸化物又は酸化ケイ素の製造方法 本発明の技術分野 本発明は、反応媒体として超臨界CO2を用いた1又はそれ以上の有機前駆物 質から、単独又は混合した金属酸化物、又は酸化ケイ素をベースとした産物を製 造する方法に関する。 これらの金属酸化物は、例えばチタン、アルミニウム、マグネシウム、トリウ ム、バリウム、ベリリウム、ジルコニウムなどとし得る。 操作条件をベースとしたこの方法は、液状、ゲル、粉末、ファイバーなどとし て得られる形状の産物に至る。 本発明の目的の一つは、その製造のための用いた操作条件の機能として制御可 能である粒子サイズ及び粒子幾何学を持った粉末の形成であり、且つ得られる産 物の分離の方法である。さらに、本発明の方法は、ナノメートル粒子から構成さ れる粉末の製造を許す。 これらの粉末は、例えばセラミック材料の製造において適用が見出され、この 請求している作製は粗原料を特に発展させる。 効果において、5%SiCによるSi34をドープすることによって、ナノメ ートルの粒子の形成において、ナノ成分セラミックは、元のSi34セラミック よりも5倍以上のクラックの伝播に対する耐性が得られる。そのナノ粒子は、加 えられた機械的ストレスを吸収する且つスライドに対する原子の面を与える、ダ ンパーとしてここに使用される。 加えて、ナノメートル粒子のみから形成したナノコンポジットセラミックを用 いることによって、鋼材に匹敵する強靭性と延性の特性を持ったナノコンポジッ トが得られる。将来の適用は、例えば、エンジン、タービン及び例えばスペース クラフト用耐熱性コーティングのような宇宙分野においてである。 医学リサーチの観点から、ナノコンポジットセラミックスは、補綴の生産のた めに、例えば機械的に強い且つ鋼材用のケースではないヒトの身体と和合できる 、 股関節及び椎骨のための研究がなされている。 さらに、これらのセラミック材料の製造において、元の粉末のアモルファス構 造が、ある種のケースにおいて低温での焼結を許す。 これらの構成した粉末の使用の別な実例は、強磁性材料のドーピングである。 効果において、ナノ粒子によってドープした場合、その強磁性材料は、非常に小 さいエネルギー付与フィールドの下で強力な磁性を獲得できる「超-常磁性」の 名称により知られたこの現象は、磁気テープ及びディスク用のリーディングヘッ ドの改善において直接的な適用を有する。 本発明に従う製造方法はまた、例えば、可視光線における吸収力を改善し、同 時に赤外線放射の損失を減じる表面コーティングとして、光学分野において適用 を見出すことができる金属酸化物粉末の製造を与える。 酸化物をベースとしたこれら粉末の使用の他の多数の実例は、触媒として使用 するミクロ有孔固体の製造、固相クロマトグラフィー用の固定相の製造、ナノ濾 過用の選択膜の製造、ガスの分離、などが言及され得る。 従来技術 酸化物粉末の生産は、4つの製造ルート、固体、液体、気体及び超臨界ルート から提供され得る。 固体ルートは、例えば粉末用の望まれる粒子サイズ分布を得るために、粉砕、 摩滅などの機械的工程の適用が非常に頻繁に要求される。経済コストの有効な、 これらの方法は、最終粒子のサイズを正確に制御すること、特にサブミクロンの 中止を開発することを許さない。 液体ルートによる粉末の生産に関する主要な問題は、粒子の集塊である。効果 において、その溶媒の除去、反応の着座は、それを工業的に使用することを時折 困難にする、該粒子の部分集塊を一般にもらたす。 ゾル-ゲル法もまた、微細な金属酸化物粉末の製造を許す。この方法は、液体 中で前駆物質(鉱物塩又は有機金属化合物)から、凝縮された種の安定な懸濁液を 調製することからなる。この懸濁液は、これらの凝縮された種から、ゲルの形成 に至る液体のフラクションを拘束するゾル中のアモルファス三次元ネットワーク を形成する。この粉末は、このゲルから液体を全て除去することによって得られ る。 酸化物粉末の調製のためのゾル-ゲルルートにおいて使用される前駆物質は、 アルコキシドのような有機金属前駆物質又は金属塩又は水酸化物のようなミネラ ル前駆物質である。 前駆物質がアルコキシドである場合、それの活性は、アルコキシ基をブロック するアセチルアセトンのような錯化剤を用いることによって顕著に修正され得る 。一方は修飾したアルコキシドが得られる。 気体ルートは、高い温度が一般に使用されるために、アモルファス酸化物粉末 を得ることは許されない。 超臨界ルートとして、それは例えば、水熱合成技術、超臨界乾燥及び超臨界媒 体中での反応のような粉末の調製のための各種の技術において使用される。 水熱合成法は、超臨界条件下、即ち2.2x107Paより大きな圧力と、3 74℃より高い温度で行われる。水は緩やかな結晶成長によって大きな結晶の成 長のために使用される。 超臨界乾燥法は、その臨界点を外すうちに、即ち液状からガス状までの連続方 法中を通すことによって溶媒を除去することからなる。 超臨界媒体中の反応として、文献The Journal of Supercritical Fluids 4,p. 55,1991は、1.2x107と2.2x107Paの間の圧力範囲のために150 と170℃で超臨界CO2中で有機金属化合物の溶解性と耐熱性の研究を記載す る。 文献The Journal of Material Science 27,1992,2187-2 192,は、二重アルコ キシドMg[Al(O-SecBu)42から超臨界エタノール中でサブミクロンMgAl2 4粉末の合成を記載する。この合成は360℃で実行される。 文献Materials Chemistry and Physics 32,1992,249から254頁は、気相、液相 及び超臨界相において、酸化チタンのサブミクロン粉末の合成を記載する。超臨 界相における酸化チタンの合成は、超臨界エタノール媒体中で約350℃で実行 される。 文献Silicates Industriels,1994,3-4,141から143頁は、セラミック粉末の合 成のための反応媒体として超臨界流体の使用を記載する。形成した粉末は、酸化 チタ ンの粉末及びスピネルMgAl24の粉末である。使用した超臨界流体は、超臨 界エタノール媒体であり、反応温度は約360℃である。 2°)発明の記述 本発明は、1又はそれ以上の有機金属前駆物質を含む前駆物質のチャージ(cha rge)から、単独又は混合した金属酸化物、または酸化ケイ素をベースとした産物 の製造方法であり、該方法は、上記前駆物質から、単独又は混合した金属酸化物 、または酸化ケイ素をベースとした産物を形成するために31から100℃まで の温度と107から5x107Paの臨界圧力で、超臨界CO2を含む反応媒体と 該前駆物質のチャージとを接触させること;及び該超臨界圧力よりも低い圧力に 超臨界CO2の圧力を減じることによって上記反応媒体から、単独又は混合した 金属酸化物、または酸化ケイ素をベースとした上記産物、又は有機金属産物の分 離、を含む。 該前駆物質チャージは、1又はそれ以上の有機金属前駆物質を含み得るが、し かし該有機金属前駆物質に加えて、例えばイソ-プロパノール、アセチルアセト ンなどのような有機化合物を含めることもできる。 該前駆物質は、例えば、ゾル-ゲルルート用に使用したそれらと同じアルコキ シド前駆物質である。 これらの前駆物質は、アルコキシ基をブロックしそれによって加水分解に対応 したアルコキシドの反応性を減じるアセチルアセトンのような錯化剤によって特 に修飾され得る。 これらのアルコキシド前駆物質は、例えば、テトラエトキシシラン、チタン(I V)イソ-プロポキシド、アルミニウムイソ-プロポキシド、マグネシウムエトキシ ド又はこれらアルコキシドである。 該アルコキシド前駆物質がテトラエトキシシランである場合、それは、例えば 前駆物質チャージとして単独に、即ち溶媒無しで使用され得る。 該アルコキシド前駆物質がチタン(IV)イソ-プロポキシドである場合、それは 、例えば前駆物質チャージとして単独に、即ち溶媒無しで使用され得る。 アルコキシド前駆物質がアルミニウムイソ-プロポキシドとマグネシウムエト キシドの混合物である場合、該前駆物質チャージは、例えば第1の及び第2の個 別の溶液の混合物から形成でき;該第1の個別の溶液は、例えばマグネシウムエ トキシド、イソ-プロパノール及びアセチルアセトンを含み、且つ第2の個別の 溶液は、例えばアルミニウムイソ-プロポキシド、イソ-プロパノール及びアセチ ルアセトンを含む。 本発明の方法に従い、該反応媒体は、超臨界CO2のみを、又は共溶媒、例え ば水又はエタノールの存在中で超臨界CO2を含み得る。共溶媒は好ましくは反 応媒体中の少量の濃度とする。 共溶媒が水である場合、該方法は、超臨界CO2媒体中でのアルコキシドの加 水分解-縮合からなる。その水は、例えば酸化ケイ素及び酸化チタンをベースと した産物のケースにおいて製造した産物のテクスチャーの広い範囲を提供するこ とを可能にする。 共溶媒が、例えばエタノールである場合: − エタノールは、超臨界CO2中で有機金属前駆物質の優先的な分解を許し 且つ従ってそれ自身の反応を許すであろう; − アルコールとして、エタノールは、多かれ少なかれそれを反応させる、ダ イマー、又はトリマーの形成において有機金属前駆物質分子の会合をも許す。 一 それは、前駆物質のアルコキシド基によって交換でき且つその反応性を修 正でき;例えばプロポキシド基と、エトキシドを形成するための金属上のエタノ ールの間の交換は前駆物質の反応性を増す。 他の共溶媒は、脂肪族又は芳香族溶媒又はハロゲン化溶媒のような同じ目的の ために使用できる。 本発明に従い、上記前駆物質を含んでいる一定量と超臨界CO2を含む反応媒 体とを接触させることは、例えば72時間、好ましくは20時間までの範囲で継 続して実施され得る。1又はそれ以上の有機前駆物質を含む前駆物質のチャージ と超臨界CO2を含む媒体との間の長い接触時間は、金属酸化物をベースとした 産物の形成のプロセスの良好な開始を与える。超臨界CO2は、溶媒として且つ 反応媒体として使用され、それは液体の及び気体の物理的及び化学的性質を有す る。超臨界CO2は、これらの分子間の反応運動をこれが改善するために、反応 媒体中での該分子の衝突を促進する。 本発明に従い、超臨界CO2を含む反応媒体は、31から100℃の、好まし くは31から50℃の、より好ましくは40℃の温度で使用される。 その超臨界圧は、例えば107から5x107Paまで、好ましくは3x107 Paとされ得る。 この方法は、それ故に、超臨界媒体が超臨界エタノール媒体であり、且つ超臨 界温度が360℃のオーダーである、文献Silicates Industriels,1994,3-4,141 から143頁に記載されたそれとは完全に異なる。 反応媒体から、形成された酸化物をベースとした産物の分離は、一定温度で、 CO2の超臨界圧力よりも低い圧力まで、超臨界CO2の圧力を減じることによっ て実行できる。この超臨界CO2の圧力減少は、幾つかの手順、例えば形成した 酸化物ベースの産物の全てを、1の操作において回収するための、「一度の」方 法によって実行できる。 超臨界圧減少は、この産物を作り上げる粒子のサイズ及び/又は構造によって 互いに異なる、形成された産物の異なる分画を得ることを許す、幾つかの圧力減 少段階においてもまた、実行できる。 該圧力減少が段階的に実行される場合、その圧力減少段階は、好ましくは105 から5x106Paまでの圧力落下にそれぞれ一致する。 CO2の圧力減少は、圧力減少を段階化することなしに、累進的手法において も又実行できる。この累進的圧力減少は、「緩速圧力減少」とも称される。 使用した圧力減少手法(急速、段階的又は累進的)に基づいて、微粒子形態又は 微小繊維形態に向かって成長又は形成を導くことができる。これは、例えばケイ 素アルコキシドを用いた場合、目立って生じる。 圧力減少が累進的である場合、それは105から107Pa/分まで、好ましく は105から106Pa/分、より好ましくは5x105Pa/分とされる。 本発明に従う方法は、以下の要素を含む何れかのシステムで実行できる:液状 でのCO2の貯蔵器、高圧CO2ポンプ、超臨界状態にまで超加圧したCO2を生 じるために使用される熱交換機、前駆物質のチャージと超臨界CO2を含む反応 媒体との接触が実行される、密閉され加圧可能な反応タンク、例えばオートクレ ーブ、超臨界圧から該圧力を減じる手段、及び形成した産物を回収する手段、こ れらの要素は、機密に且つ加圧可能な回路によって結合されている。 このタイプの装置は、例えば、超臨界CO2の圧力を減じることによって、反 応容器中に直接形成された産物を回収することを許す。これは、例えば、一つの 操作において、該反応容器中に形成された酸化物ベースの全ての産物の回収のた め、上述したSC CO2の「一度の」圧力減少とされ得る。該圧力減少は、ベン トを通してCO2を逃がすことによって実行され得る。 共溶媒、例えば水又はエタノールが使用される場合、第2の容器が密閉した回 路中の第1の反応容器に連ねて配置できる。結果として溶媒容器と称したこの第 2の容器は、密閉され且つ加圧可能であり、且つ例えば共溶媒を含む第2のオー トクレーブである。このケースにおいて、共溶媒、すなわち水又はエタノールが 用いられる場合、CO2は共溶媒を含む第2のオートクレーブを最初に通過し、 次いでそれは反応容器に移される。このケースにおいて、該産物は、例えばCO2 をベントから逃がすことによって、該反応容器中に「単独操作において」回収 することもできる。 抽出器において含まれた反応媒体から産物を作り上げた粒子のサイズ及び/又 は構造において相違する形成した産物の異なる分画を得るために、システムは、 該産物の連続する回収に続きなされる超臨界CO2の制御された圧力減少を与え ることに使用できる。該産物の回収は、圧力減少段階によってそこで実行される 。該システムは、気密とし且つ加圧可能な回路によって反応容器に接続される。 そのようなシステムの実施例は、特許出願公開EP-A-0 238 527中に記載した分離 システムである。このシステムは「サイクロン分離器」と称する異なる分離器を 含み、且つ前駆物質のチャージと超臨界CO2を含む反応媒体との接触から生じ た産物を分別することを許す。該サイクロン分離器は: 超臨界溶媒の圧力落下が、この超臨界溶媒の溶媒力における減少をもたらす。 従って超臨界混合物の圧力落下はその中に溶解した産物の溶解性における減少を もたらす、に従う原理に従って操作する。 このサイクロン分離器において、圧力落下は、「サイクロン効果」に関連され 、即ち超臨界混合物が、側壁に対して接線方向の、該サイクロン分離器(コニカ ル 形状を持つオートクレーブ)の上部に注入される。このタイプの注入は、超臨界 溶媒とその中に溶解した産物の間の分離を強め、該溶媒はサイクロン分離器の上 部を経て放出され、一方産物はこのサイクロン分離器の下部に抽出される。 該混合物は、例えば、超臨界CO2中に最小の溶解性である酸化物ベースの産 物を含む、即ち最も重い第1の分画の採集を可能にする第1のサイクロン分離器 における第1の圧力減少を受けさせる。 この第1の圧力減少から生じた反応媒体は、例えば、第2の圧力減少を受けさ せるために、及び第1の分画中で採集されたそれよりも重さの劣る酸化物ベース の産物を含む第2の分画の採集を与えるように、第2のサイクロン分離器に気密 とし且つ加圧可能な回路を通すことができる。 第2のサイクロン分離器と同じ超臨界圧力で、この第2のサイクロン分離器か ら得られた混合物は、例えば液体CO2を含む回収カラムに移すことができる。 最も溶解性の、即ち最も軽い酸化物ベースの産物は、次いで最終の分割中で回収 される。 超臨界CO2の緩速圧力減少によって産物を回収するために、段階的な圧力減 少用に記載したと類似のシステムが、例えば使用できる。 本発明に従い、単独又は混合した金属酸化物、又は酸化ケイ素をベースとした 産物の回収は、例えば45日までの範囲の期間の間、上記産物をエージング処理 する工程の後になされ得る。超臨界処理に続く、このエージング処理は、好まし くは30日のオーダーとされる。 該エージング処理は、超臨界CO2媒体中で又はその外方で実行できる。 該エージング処理は、環境温度、例えば約25℃で実行される。 それは、共溶媒の存在中又は無しのSC CO2中で形成された種から粒子の成 長、即ち最終的な材料の形成を与える。 この処理が超臨界CO2媒体中で実行される場合、それは107から5x107 Paまでの範囲の圧力で実行される。 本発明の方法に従い、望まれる産物が酸化チタンをベースとした産物である場 合、有機前駆物質はチタン(IV)イソ-プロポキシドとすることができる。従って 前駆物質チャージはチタン(IV)イソ-プロポキシドを含むであろう。 望まれる産物が酸化ケイ素をベースとした産物である場合、有機前駆物質は、 テトラエトキシシランとすることができる。従って前駆物質チャージはテトラエ トキシシランを含むであろう。 望まれる産物が酸化マグネシウムと酸化アルミニウムをベースとした産物であ る場合、有機前駆物質はマグネシウムエトキシド及びアルミニウムイソ-プロポ キシドとすることができる。従って前駆物質チャージはマグネシウムエトキシド とアルミニウムイソ-プロポキシドを含むであろう。 本発明の方法は、反応媒体として超臨界CO2を用いた、チタン、アルミニウ ム、マグネシウム、トリウム、イットリウム、バリウム、ベリリウム、ジルコニ ウム、バナジウム、ハフニウム、スカンジウム、クロム、ニオブ、モリブデン、 ランタン、タンタル及びタングステンの酸化物の中から選択される酸化物をベー スとした新たなタイプの材料を開発することを許す。 使用されるアルコキシド前駆物質は、ゾル-ゲルルート用に伝統的に使用され るそれと同じとされ、且つそれと超臨界状態でCO2の存在中それがもたらすも のは、液状、ゲル、粉末、繊維などの形態で得られるオリジナルの産物に至って いる。 例えば、Si酸化物をベースとした産物のために、実行した操作は、従来技術 において観測したそれよりもテクスチャーのより広いスペクトルの形成に至った 。得られたテクスチャーは、例えば、繊維、先端のある又は無い小球状粒子、コ ニカル形状、脈石状(gangues)などの形状である。 その操作条件、例えば、共溶媒、圧力減少のモード、サンプリングのレベル及 び接触時間の選択は、望まれる最終産物のテクスチャーを導くことを与える。特 に、本発明の方法に従って製造される湿ったSiゲルは、同じ前駆物質から伝統 的なゾル-ゲルルートにより得られたSiで通常測定されるそれよりもより大き な、約0.5から1.5cm3・g-1の孔容積(サーモポロメトリーによって測定 した)を有する。さらに、100℃で乾燥したゲルは、約0.5から0.7cm3 ・g-1の高い孔容積及び約480から760m2・g-1の高い比表面積を維持す る。 Tiをベースとした産物のために、本発明に従う方法は、ゾル-ゲルルートを 経て得られる伝統的な粉末と比較して非常に興味あるテクスチャー特性を有する 、乾燥した又は溶液中のアモルファス粉末の形成を与える。特に、約400から 500m2・g-1までの範囲のすなわち同じ前駆物質からゾル-ゲルルートにより 得られるそれよりも2倍大きな比表面積の、より小さく且つ相対的にホモ分散し た粒子サイズ分布の、粉末が得られている。本発明の方法により得られた酸化チ タン粉末の孔容積は0.2から0.3cm3・g-1である。 実用上の点に鑑みて、本発明の方法により得られた粉末の球状形態は、110 0℃までの焼結に対し良好な反応性に至る。このタイプの粉末は、圧粉前に45 0℃で予備処理し、伝統的なゾル-ゲル法から得られたそれよりも低温で固めた 材料に近づく方法を与える。 例えば、MgとAlの酸化物をベースとした産物のために、本発明の方法は、 アセチルアセトナートの幾つかの結晶形態の形成に至っている。 全体として、形成した該産物は新規のタイプであり、且つそれらは興味のある 特性を持った材料の開発を実行することを一つには与える。 それは、例えばTiO2の圧縮した層を持ったタンジェンシャル濾過部材及び 触媒を言及することができる。 本発明の特徴と効果は、以下の記述を読むことによってより明瞭になるであろ う。この記述は実施態様実施例に基づき、説明の目的でのみ与えられ、制限する ものではなく、添付した図面に参照される。 3°)図面の簡単な説明 該1図は本発明に従う酸化物の製造方法の装置の機械一式の実施例のダイアグ ラム表示である。 4°)本発明の実施態様の詳細な説明 本発明の方法を実施することを可能にする装置の例を、単一の図において概略 的に示す。この装置は以下のものを具備する: -液体状態のCO2用の貯蔵器(3)、 -高圧のCO2ポンプ(5)、 -超過圧力の、CO2を超臨界状態にするのに使用される熱交換器(7)、 -酸化物前駆物質及び反応媒体を含める目的の、反応容器(11)、 -エタノール又は水等の共溶媒を含める目的の溶媒容器(13)、 -二つのサイクロン分離器(19、23)、 -液体分離器(27)+カラム、そして -冷熱交換機(31)。 これらのユニットを閉じた回路内で組み立てて、密封回路(4)で互いに連結 させる。手動バルブ(9)及び減圧バルブ(17)を当該密封回路内に配し、使 用する装置のそれぞれのユニットからの産物のインプット及びアウトプットを制 御する。 反応容器(11)及び溶媒容器(13)は、加圧可能な密封容器であり、例え ばオートクレーブである。 更に、この装置には通気孔(15)が含まれている。 反応媒体が超臨界CO2のみを含む場合には、熱交換器(7)から移入するこ の超臨界CO2は、アルコキシド前駆物質チャージを含んだ反応容器(11)内 へ直接的に流れ込む。 共溶媒、例えば水やエタノールの存在下に、反応媒体が超臨界CO2を具備す る場合には、この超臨界CO2をまず、当該共溶媒を含む溶媒容器(13)内へ 流し込み、次いで溶媒容器(13)、及びアルコキシド前駆物質を含有した反応 容器(11)の間に位置する手動バルブを使用して、共溶媒でチャージした超臨 界CO2を当該反応容器(11)内へ流し込む。 もし、形成される酸化物ベースの産物を反応容器、即ち抽出器内で直接的に回 収する必要があるならば、通気孔(15)からCO2を直接的に放出することに より装置の圧力を減少させることが可能である。 超臨界CO2内に含まれる酸化物ベースの産物を分画して回収するためには、 酸化物ベースの混合産物及び超臨界CO2を、超臨界CO2の減圧を制御すること が可能なシステム内に入れ、すぐさま当該産物の連続的な回収操作を行う。 この分離システムは特許出願公開EP-A-0 238 527に記載されている。 この分離器は、サイクロン分離器(19、23)である。産物/超臨界CO2 混合物を第一減圧バルブ(17)を使用して第一サイクロン分離器(19)内で の第一の圧力減少にかけ、少なくとも可溶性の産物、即ち最も重い産物を第一画 分(27)内に回収するが、以後、これをSC1と呼ぶ。 このサイクロン分離器(19)からの混合物は、次いで第二の減圧バルブ(1 7)を使用して第二サイクロン分離器(20)内へ流し込んでもよい。この混合 物を次いで、第二の圧力減少にかけ、第二の画分(25)を回収するが、以後、 これをSC2と呼ぶ。 第三の減圧バルブ(17)を使用し、第二サイクロン分離器からの混合物を回 収カラム(27)、又は分離器(27)に流し込むが、これには液体のCO2が含 まれており、次いで最も可溶性である溶質、即ち最も軽い溶質を抽出物(29)内 に回収するが、以後、これをSLCと呼ぶ。 気体の残渣CO2は低圧CO2であり、即ち7×106乃至8×106Paの圧力 であり、またいかなる酸化物ベースの産物をもはや含んでいない。この低圧CO2 を、回収カラム(27)の出口に位置する冷熱交換機(31)内で液化する。 冷却されたら、このCO2は液体になり、液体CO2貯蔵器(3)内へと戻り、こ れにより装置の回路を閉じる。 以下に示す本発明の方法の実施例においては、二つのシリーズの操作が行なわ れている。 第一のシリーズの操作は、Cと命名するが、これは酸化物ベースの産物の抽出 の動態を見いだすことを目的としている。これらの操作は直接的な抽出テストで あり、ここでは超臨界CO2を、共溶媒の存在下又は非存在下にある前駆物質チ ャージへ流し込んでいる。これらのC操作より生じる抽出物の回収は、画分SC 1、SC2及びSLCを得るためにそれぞれ分離器(19)、(23)、及び(27 )内で行う。 C操作は、反応容器を通る超臨界CO2の流速を一定にして行うか、又は溶媒 容器と、その次に反応容器を通る共溶媒の存在下で行う。このCO2の流速によ り、反応容器内で形成された産物をすぐさま分離システム内へ流し込むことが可 能になる。超臨界CO2によるチャージの残りが防止されるようにして、ガラス ビーズを抽出器内に配置した。超臨界CO2の流速は、約10kg/hである。 第二のシリーズの操作は、Eと命名するが、これは水又はエタノールの共溶媒 の存在下又は非存在下において、前駆物質チャージと超臨界CO2との間の接触 時間の効果を見いだすことを目的としている。これらの操作は、実際にはエージ ングの後の抽出である。 これらE操作においては、前駆物質チャージを超臨界CO2に、反応容器内の 圧力下で接触させるが、接触時間を0乃至72時間に固定し、共溶媒の存在下又 は非存在下で行う。 次いで、連続した分離器(19)、(23)、及び(27)で圧力減少を行い、こ れにより抽出物SC1、SC2、及びSLCがそれぞれ得られる。 操作の条件、及びこれらの操作C及びEの命名を一緒にして以下の表1にまと めてある。 反応容器内へ入れた(tipped into)アルコキシド前駆物質の質量は、40乃 至50gの間である。 共溶媒での操作の間、場合により水又はエタノールを約200g、溶媒容器内 へ入れる。 操作後に分析した試料には、四つの可能な起源がある:前駆物質チージに由 来する残渣でRESと命名するもの、そして抽出物SC1、SC2、及びSLC である。これら得られた抽出物の分析は以下のものを意図している: -産物製造についての物質収支、 -形成された産物の形態についての走査型電子顕微鏡及び電界効果顕微鏡によ る測定、 -炭酸塩についての赤外分光法(FTIR)、及び結晶性についてのエネルギー 分散X線分光(EDX)及びX線回折により測定される粉体の化学的性質、 -サーモポロメトリー(thermoporometry)によるゲルの多孔性構造、及びN2 の吸着-脱着による粉体の多孔性構造、 -示差熱分析(DTA)及び熱-重量分析(TGA)のそれぞれにより測定した 、結晶化現象及び熱安定性、そして、 -膨張計により測定した焼結性。 実施例1:酸化ケイ素ベースの産物の製造 この実施例中では、前駆物質のチャージはその98%が、純粋なテトラエトキ シシランであって分子量が208.33g・mol-1、密度がd=0.934の ものからなっている。例えばこの産物は、アルドリッチのカタログに、番号13.1 90.3で掲載されている。 この前駆物質であるテトラエトキシシランに対し、上記したものに加えて、特 定のE操作を行う: -E2操作の操作条件で開始し、接触時間を2、10、20、及び72時間に 固定した、 -E2操作の操作条件で開始し、以下でDRと呼ぶものは30分間かけて減圧 を速く行い、また以下でDLと呼ぶものは3時間かけて減圧を遅く行った。 超臨界CO2の圧力を3×107から105Paへ減圧することにより、これら の速い減圧及び遅い減圧を行った。 表2は、本発明の方法による酸化ケイ素ベースの産物の製造の物質収支を示す 。 表3は、得られる産物についての形態記録シートを、この実施例に記載される 本発明の方法の操作条件との関係においてを示したものである。 接触時間に関する特定の操作により、残渣RES(H2Oが存在し、超臨界C O2の圧力が3×107Paである)においては、接触時間が短すぎると、即ち1 0時間未満であると複数の構造(粒状、ボール状、ファイバー状、脈石状)を有 する非均一な混合物となることが示された。例えば72時間の長い接触時間にす ると、円錐形に構成された構造をとった。後者と同様の構造が、20時間のより 短い接触時間、及び2×107Paのより低い圧力で得られた。 SLC試料については、接触時間を2時間とするとファイバーのボール状の構 造になり、接触時間を10時間とすると方向性のあるファイバー状構造となる。 圧力減少方式に関する特定の操作により、SLC抽出物については、ゆっくり とした減圧の場合には長くて適切に形成され、均一なファイバーが得られる。速 く減圧を行う場合には、球状の構造と適切に志向したファイバーとの間に競合が 起こる。 残渣の場合、圧力減少の方式に関係なく、短く、適切に志向したファイバーが 得られる。 IR分光による試料E1 SLC、C2 SLC、及びE4 RESについて の分析により、Si−O−Si結合及びSi−OH結合に特徴的なバンドが示さ れたが、炭酸塩の形成に特徴的なバンドは示されなかった。 エタノールを共溶媒として使用すると、分析した抽出物は当初のアルコキシド の特徴であるCHXバンドを示さないことも気づくであろう。 C2操作の間に得られ、100℃で乾燥したゲルの多孔性構造を、窒素の吸着 -脱着により分析した。 表4は、分析したこれら3つのゲルの多孔性について示している。 100℃で乾燥したゲルの窒素吸着-脱着等温線は、典型的にはメソ多孔性(m eso-porous)系のヒステリシス特性を示す。 ゲルの特異的表面は、Brunauer Emmet and Teller(BET)法で分析すると、相 対的に高く、約480から760m2・g-1である。 BJH法(Barret,Joyner and Hallenda)を使用してC2 SC2及びC2 SLCのゲルのメソ多孔性部分を分析した。 C2 SC2及びC2 SLCのゲルのミクロ多孔性部分、及びより特異的に は動水半径の分布を、BrunauerのMP法により分析した。分析した3つのゲルは 、孔のサイズについて二重の分布を示す。即ち、一つはミクロ多孔性の領域であ り、もう一方はメソ-マクロ多孔性領域である。C2 SC2ゲル(上清及び下 側部分)は、孔サイズにおいて二つのホモ-分散分配を示し、一方、SLCゲル のものはミクロ多孔性領域から200nmの直径の孔にまでに渡っている。 C2 SC2ゲルの上側部分においては、ミクロ孔の容量はSC2ゲルの下側 部分及びSLCゲルにおけるよりも少ない。 C2 SC2ゲルの熱多孔測定による分析により、上側部分の不透明な蒸気質 のゲルは、3乃至20nmの非常に広い範囲の孔サイズ分布を有し、対応する孔 の容量は非常に高い(1.554cm3・g-1)ことが示されている。下側部分の 液状ゲルについては、孔サイズ分布は比較的狭くて3.5nmに中心を持ち、孔 容量は0.683cm3・g-1と比較的高いことを示している。 これらの結果は全体としては異常であり、この方法により非常に蒸気質な構造 を有するゲルにアクセスすることを許容することを示すものである。 熱-重量分析は、乾燥したC2ゲルは900℃まで加熱されると、その重量の 35から50%の間で減量することを示しているが、この温度は即ち、重量の減 量が自身を安定化する温度である。上清C2 Sc2ゲルは、最も、即ち50% まで重量が減量するものであり、一方、下側部分由来のC2 SC2ゲルはその 重量の44%減量し、C2 SLCゲルはその重量のわずかに35%しか減量し ない。これらの減量は、200℃までは遊離溶媒の減量に対応し、次いで結合水 の減量、そしてより高温では表面の水酸基の凝縮(condensations)に対応する 。 本発明の方法により従来のSi有機金属前駆物質より得られる物質は、従来技 術において見られる従来のゾル-ゲル合成によるものと比較すると、極めて独創 的な形態を示している。 この新規の方法の操作条件、即ちサンプリングの場所及び減圧の方式、共溶媒 のタイプ、接触時間に応じて、組織化された又は組織化されていない構造物が得 られた。 特には、Siゲルを製造したが、これらは孔の容量(1.5cm3・g-1)が従 来のSiゲルのものよりもかなり大きい。更に100℃での乾燥後、これらシリ カゲルは、764m2・g-1までの特異的表面を有することができる。 これとは反対に、得られた試料は一般に、炭酸塩の形成の痕跡を示さないが、 これにより焼結に対して感受性になるであろう。 結論としては、従来の前駆物質に由来する酸化ケイ素ベースの産物についての これら新規の形態により、Siベースの独創的な物質が創出される。 実施例2:酸化チタンをベースとする産物の製造 この実施例では、前駆物質チャージは、284.26g.mol.-1の分子量 と密度d=0.955を備えた97%の純粋なチタンイソ-プロポキシド(titani um iso-propoxide)からなる。この産物は、例えば、ALDRICHカタログの番号20.5 27.3として入手可能である。 接触時間もしくは圧力減少の方法の影響を調べることなく、表1に記載された 操作を行った。 C型およびE型の操作の全体が、この操作条件に関して、可変的な巨視的かつ 微視的な形態学的外観を有する無定形産物を生じた。 表5は、本発明の方法にかかる金属酸化物をベースとする産物の形成のための 物質収支を示す。 表6は、得られた産物の形態学的記録とこの方法の操作条件の影響を示す。 C2およびE4抽出物は、粉末の形成をもたらした。形成された産物の分析は 、これら二つの抽出物に向けられた。 48gの前駆物質すなわちチタン(IV)イソ-プロポキシドからの抽出物C2 RESにおいて、約50kg/m3の見かけの密度を有する約2gの乾燥粉末が 反応器から回収され、10から40gの水分が消費された。この粉末は、以後C 2 RESと称する残渣RESに対応する。情報として、48gのチタンイソ-プ ロポキシドをチタンをベースとする酸化物に完全に変換した場合、13.4gの TiO2が、12gの水分の消費を伴って回収された。かくして、収率は15% である。 走査型電子顕微鏡を用いて観察すると、この粉末が均質であると同時に、塊状 化していない、0.1μmから1μmの範囲の大きさを有する比較的球形の粒子 からなることが分かった。480℃でか焼した後、粉末の粒子径は事実上変化し なかったが、粒子間の架橋形成が観察された。 この粉末のIR分光学は、粉末中に炭酸塩が存在しないことを明らかにした。 実際に、1300から1500cm-1の間に、重要な吸収バンドは全く観察され なかった。 示差熱分析(DTA)は、開始時においてX線に対して多孔質であった粉末が、 392℃で比較的簡単な方法で、アナターゼ型に結晶化することを証明可能にし た。ルチル形態は、700℃以上から現れ始める。 100℃で乾燥されたこの粉末C2 RESの多孔性の質感は、窒素の吸着− 脱離によって分析された。この分析は、抽出物C2 SC1およびC2 SC2に 対しても実施された。これらの分析の結果は、抽出物C2 RES、C2 SC1 およびC2 SC2からの酸化チタンの細孔特性を要約した表7に示されている 。 100℃で乾燥された粉末C2 RESは、0.45から0.7nmの範囲の 細孔の水力半径rHを備えた完全な微細孔である。この結果は、細孔が球形粒子 の積み重ねから生じたという仮説から、1.2から2.0nmの範囲の細孔の分 布に対応する。 480℃で処理した後、粉末C2 RESは、中間的多孔性(meso-porous)にな り、その全体的な細孔の体積の大部分を失い、0.036cm3/gまで落ち込 む。それゆえ、この比表面積も落ち込み、28m2/gの値に達する。 TGA分析は、赤外線分光学を介して見ることのできる残余水分を含む開始時 の粉末C2 RESが、200℃までに25%の重量損失を受けること、および 、この損失が続いて、46%の全体的な重量損失で800℃で安定化することを 示す。 100℃で乾燥され、かつ7.85x108Paで錠剤に成形されたC2 RE S粉末の膨張の調査を行った。C2 RES粉末の錠剤は、処理前に1.48の 密度を備えていた。この調査は、収縮、すなわち、周囲温度と1450℃との間 で1.15%の錠剤の収縮を示した。この処理の最後に、C2 RES粉末の錠 剤は、4.25であるルチル型の理論的密度の35%に相当する約1.5の密度 を備えていた。 その他の実験を、450℃で予備処理されたC2 RES粉末に対して行った 。7.85x108Pa(8x103kgf/cm2)における錠剤は、処理前に 1.82の密度、すなわちルチル型の理論的密度の42%を備えていた。この調 査は、周囲温度と850℃から1000℃との間で8%の収縮を示し、かつ、周 囲温度と1500℃との間で16.5%の収縮を示した。 この処理の最後に、この錠剤は、ルチル型の理論的密度の87%に相当する3 .7の密度を有していた。 比較を目的として、この実施例で用いられたものと同じ前駆物質からゾル-ゲ ル経路で調製されたTiO2粉末を分析した。この粉末をゾル-ゲル粉末と称する 。このゾル-ゲル粉末を100℃で乾燥させた。この粉末は、少量の中間的細孔 を備えた完全な微細孔であること、および、大きさが約8nmの密集した粒子か ら形成されていることを示した。 表8は、このゾル-ゲル粉末の細孔特性およびC2 RES抽出物からの粉末の 細孔特性を示す比較の表である。 ゾル-ゲル粉末の細孔の水力半径rHは、C2粉末よりも広い0.35から1. 1nmの範囲の分布を有する。この結果は、球形粒子の積み重ねという仮説から 、1から3nmの範囲の細孔の大きさの分布に相当する。 150℃で4時間乾燥されたゾル-ゲル粉末のDTAは、無定形相のアナター ゼ型への遅い結晶化を示す396℃を中心とした広い発熱ピークを示した。 450℃で予備処理され、錠剤の形態に7.85x108Paで成形されたゾ ル-ゲル粉末の膨張の調査を行った。ゾル-ゲル粉末の錠剤は、処理前に、2.4 3の密度、すなわちルチル型の密度の57%を備えていた。この調査は、周囲温 度と800℃から1000℃との間で2.5%の収縮、周囲温度と1250℃と の間で15%の収縮、周囲温度と1450℃との間で17.5%の収縮を示した 。安定化は、1450℃で観察された。この処理の最後に、ゾル-ゲル粉末のこ の錠剤は、100%の高密度化に相当する4.25の密度を備えていた。 E4抽出物では、前駆物質、すなわちチタン(IV)イソ-プロポキシドの49 .92gから、約43.54gの粉末が回収された。 この粉末は、E4と称され、赤外線分光学によって分析され、炭酸塩を含まな いことを示した。 150℃で3時間溶媒(エタノール)を蒸発させた後に、この粉末は、大きさ が約1ミクロンの球形粒子の集合体からなることが分かった。 以下の表9は、窒素の吸着−脱離によるこのE4粉末の組織構造分析の結果を 示す。 E4粉末は、約0.064cm3/gの細孔体積と0.32nmの細孔の水力 半径を備えた、完全な微細孔(粒子内多孔性(intra-granular porosity))であ ることを示した。球形粒子の積み重ねという仮説から、これは0.9nmの平均 細孔径に相当する。 TGAとDTAの調査は、373℃において非常に明確かつ細かい結晶化を示 す。これと並行して、この産物は100から250℃の間で約20%の大きな重 量損失を受け、この重量は、27%の全体的な重量損失で約700℃で安定化す る。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項 【提出日】平成11年6月2日(1999.6.2) 【補正内容】 請求の範囲 1. 1又はそれ以上の有機金属前駆物質を含む前駆物質のチャージから、単独 又は混合した金属酸化物、又は酸化ケイ素をベースとした産物の製造方法であり 、 該方法は、上記前駆物質から、単独又は混合した金属酸化物、または酸化ケイ 素をベースとした産物を形成するために31から100℃までの温度と107か ら5x107Paの臨界圧力で、超臨界CO2を含む反応媒体と該前駆物質のチャ ージとを接触させること;及び該超臨界圧力よりも低い圧力に超臨界CO2の圧 力を減じることによって上記反応媒体から、単独又は混合した金属酸化物、また は酸化ケイ素をベースとした上記産物、又は有機金属産物の分離、を含む上記の 方法。 2. 有機金属前駆物質がアルコキシド又は修飾したアルコキシドの中から選択 される請求項1記載の方法。 3. 上記アルコキシドが、テトラエトキシシラン、チタン(IV)イソ-プロポキ シド、アルミニウムイソ-プロポキシド、マグネシウムエトキシド又はこれらア ルコキシドの混合物を含む群の中から選択される請求項2記載の方法。 4. 反応媒体が、それに加えて共溶媒を含むことを特徴とする請求項1から3 のいずれか1項記載の方法。 5. 共溶媒が水又はエタノールである請求項4記載の方法。 6. 反応媒体と前駆物質のチャージとを接触させることが、72時間までの範 囲の期間の間、実行される請求項1から5のいずれか1項記載の方法。 7. 反応媒体と前駆物質のチャージとを接触させることか、20時間までの範 囲の期間の間、実行される請求項6記載の方法。 8. 反応媒体から金属酸化物又は酸化ケイ素をベースとした上記産物を分離す る工程の後に、加えて、45日までの範囲の期間、好ましくは30日の期間の間 、該産物のエージング処理工程を含む請求項1記載の方法。 9. 反応媒体から産物の分離のための、超臨界CO2の圧力減少が、単一工程 で実行される請求項1記載の方法。 10. 反応媒体から産物の分離のための、超臨界CO2の圧力減少が、累進的 であり且つ105Pa/分から107Pa/分までである請求項1記載の方法。 11. 反応媒体から産物の分離のための、超臨界CO2の圧力減少が、約106 から5x106Paまでで実行される請求項1記載の方法。 12. 酸化物ベースの産物が、酸化ケイ素及びチタン、アルミニウム、マグネ シウム、トリウム、イットリウム、バリウム、ベリリウム、ジルコニウム、バナ ジウム、ハフニウム、スカンジウム、クロム、ニオブ、モリブデン、ランタン、 タンタル及びタングステンの酸化物の中から選択される金属酸化物をベースとし た産物の中から選択される請求項1記載の方法。 13. 超臨界CO2の反応媒体と前駆物質のチャージとを接触させるための条 件及び圧力減少のモードが、それが得るために望ましい該産物のテクスチャー及 び有孔性の特性に関係して選択される、請求項1記載の方法。 14. 前駆物質がチタンイソ-プロポキシドであり、請求項1から13のいず れか1項記載の方法に従う酸化チタンをベースとした産物の製造方法。 15. 前駆物質がテトラエトキシシランであり、請求項1から13のいずれか 1項記載の方法に従う酸化ケイ素をベースとした産物の製造方法。 16. 前駆物質がマグネシウムエトキシドとアルミニウムイソ-プロポキシド の混合物であり、請求項1から13のいずれか1項記載の方法に従う酸化マグネ シウムと酸化アルミニウムをベースとした産物の製造方法。 17. 請求項1記載の方法によって得られた金属酸化物をベースとした産物で あり、約400から500m2・g-1の比表面積、及び0.2から0.3cm3・ g-1の孔容積を有する乾燥した酸化チタン粉末である産物。 18. 請求項1記載の方法によって得られた金属酸化物をベースとした産物で あり、約0.5から1.5cm3・g-1の孔容積を有する湿ったシリカゲルであ る産物。 19. 請求項1記載の方法によって得られた金属酸化物をベースとした産物で あり、約480から764m2・g-1の比表面積を有する乾燥シリカゲルである 産物。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ギュイザール,クリスティアン フランス国 34080 モンペリエ リュ ドゥ コミュノテ 2 レ ジャルディ デュ セミナリア (72)発明者 ジュルベ,アン フランス国 34000 モンペリエ リュ レーンハール 9

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. 1又はそれ以上の有機金属前駆物質を含む前駆物質のチャージから、単独 又は混合した金属酸化物、又は酸化ケイ素をベースとした産物の製造方法であり 、 該方法は、上記前駆物質から、単独又は混合した金属酸化物、または酸化ケイ 素をベースとした産物を形成するために31から100℃までの温度と107か ら5x107Paの臨界圧力で、超臨界CO2を含む反応媒体と該前駆物質のチャ ージとを接触させること;及び該超臨界圧力よりも低い圧力に超臨界CO2の圧 力を減じることによって上記反応媒体から、単独又は混合した金属酸化物、また は酸化ケイ素をベースとした上記産物、又は有機金属産物の分離、を含む上記の 方法。 2. 有機金属前駆物質がアルコキシド又は修飾したアルコキシドの中から選択 される請求項1記載の方法。 3. 上記アルコキシドが、テトラエトキシシラン、チタン(IV)イソ-プロポキ シド、アルミニウムイソ-プロポキシド、マグネシウムエトキシド又はこれらア ルコキシドの混合物を含む群の中から選択される請求項2記載の方法。 4. 反応媒体が、それに加えて共溶媒を含むことを特徴とする請求項1から3 のいずれか1項記載の方法。 5. 共溶媒が水又はエタノールである請求項4記載の方法。 6. 反応媒体と前駆物質のチャージとを接触させることが、72時間までの範 囲の期間の間、実行される請求項1から5のいずれか1項記載の方法。 7. 反応媒体と前駆物質のチャージとを接触させることが、20時間までの範 囲の期間の間、実行される請求項6記載の方法。 8. 反応媒体から金属酸化物又は酸化ケイ素をベースとした上記産物を分離す る工程の後に、加えて、45日までの範囲の期間、好ましくは30日の期間の間 、該産物のエージング処理工程を含む請求項1記載の方法。 9. 反応媒体から産物の分離のための、超臨界CO2の圧力減少が、単一工程 で実行される請求項1記載の方法。 10. 反応媒体から産物の分離のための、超臨界CO2の圧力減少が、累進的 であり且つ105Pa/分から107Pa/分までである請求項1記載の方法。 11. 反応媒体から産物の分離のための、超臨界CO2の圧力減少が、約106 から5x106Paまでで実行される請求項1記載の方法。 12. 酸化物ベースの産物が、酸化ケイ素及びチタン、アルミニウム、マグネ シウム、トリウム、イットリウム、バリウム、ベリリウム、ジルコニウム、バナ ジウム、ハフニウム、スカンジウム、クロム、ニオブ、モリブデン、ランタン、 タンタル及びタングステンの酸化物の中から選択される金属酸化物をベースとし た産物の中から選択される請求項1記載の方法。 13. 超臨界CO2の反応媒体と前駆物質のチャージとを接触させるための条 件及び圧力減少のモードが、それが得るために望ましい該産物のテクスチャー及 び有孔性の特性に関係して選択される、請求項1記載の方法。 14. 前駆物質がチタンイソ-プロポキシドであり、請求項1から13のいず れか1項記載の方法に従う酸化チタンをベースとした産物の製造方法。 15. 前駆物質がテトラエトキシシランであり、請求項1から13のいずれか 1項記載の方法に従う酸化ケイ素をベースとした産物の製造方法。 16. 前駆物質がマグネシウムエトキシドとアルミニウムイソ-プロポキシド の混合物であり、請求項1から13のいずれか1項記載の方法に従う酸化マグネ シウムと酸化アルミニウムをベースとした産物の製造方法。 17. 約400から500m2・g-1の比表面積、及び0.2から0.3cm3 ・g-1の孔容積を有する乾燥した酸化チタン粉末。 18. 約0.5から1.5cm3・g-1の孔容積を有する湿ったシリカゲル。 19. 約480から764m2・g-1の比表面積を有する乾燥シリカゲル。
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