JP2005330174A - Method for manufacturing tetragonal zirconia sol - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、正方晶ジルコニアゾルの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a tetragonal zirconia sol.
ジルコニアゾルは、従来より種々の耐火性物質、鋳造鋳型等を製造する際の結合剤(バインダー)として用いられている。又、最近では、ペーパーハニカム等にジルコニアゾルを含浸させ排ガス浄化用触媒の触媒又は触媒担体として用いるという試みも行われるようになってきている。この場合、ジルコニアゾルを焼成して得られるジルコニア(ZrO2)には、熱サイクルを繰り返した時の耐熱安定性を確保するため、500℃熱処理時にジルコニアの準安定相である正方晶であることが求められるようになってきている。Zirconia sol has been used as a binder (binder) in the production of various refractory materials, casting molds and the like. Recently, attempts have been made to impregnate a paper honeycomb or the like with zirconia sol and use it as a catalyst or catalyst carrier for an exhaust gas purification catalyst. In this case, the zirconia (ZrO 2 ) obtained by firing the zirconia sol is a tetragonal crystal that is a metastable phase of zirconia during heat treatment at 500 ° C. in order to ensure heat stability when the thermal cycle is repeated Has come to be required.
特許文献1には、『(1)ポリエーテル酸ジルコニウム塩を含む水溶液を提供する段階;及び(2)ポリエーテル酸ジルコニウム塩を結晶質ジルコニア粒子に転換するのに充分な温度及び圧力で溶液を加熱することにより、ポリエーテル酸ジルコニウム塩の水溶液を加水分解する段階、を含んで成るジルコニアゾルの製造方法』が開示され、『平均1次粒子粒度が約20nm以下で分散指数が1〜3の範囲内にある複数の実質的に無会合の単結晶ジルコニア粒子が中に分散している水性相を含むジルコニアゾルにおいて、ジルコニア粒子が、約0.65以上の結晶度及び約70%以上の組合せ型立方及び正方晶系結晶格子構造を有効量の結晶相安定化剤の不在下で有しているジルコニアゾル』が記載されている。 In
又、特許文献2には、『ジルコニウム塩水溶液に塩基を加えて沈殿を生成させ、可溶部分の大半を水洗除去した後、アルカリ土類金属の水酸化物又はその水溶液を加え、得られる混合懸濁液又は糊状物を90℃〜200℃の温度に加熱熟成することにより、正方又は立方型のZrO2系単結晶超微粒子の分散したゾルの製造方法』が開示され、『正方又は立方型の結晶格子を持ち、200Å以下のほぼ均一粒径の孤立したZrO2−CaO系固溶体単結晶超微粒子の分散したゾル』が記載されている。Patent Document 2 states that “a base is added to an aqueous zirconium salt solution to form a precipitate, and most of the soluble portion is washed away with water, and then an alkaline earth metal hydroxide or an aqueous solution thereof is added, and the resulting mixture is obtained. A method of producing a sol in which tetragonal or cubic ZrO 2 -based single crystal ultrafine particles are dispersed by heating and aging a suspension or paste at a temperature of 90 ° C. to 200 ° C. is disclosed. A sol in which isolated ZrO 2 —CaO-based solid solution single crystal ultrafine particles having a type crystal lattice and having a substantially uniform particle size of 200 mm or less are dispersed ”is described.
更に、特許文献3には、『ジルコニウムアルコキシドを加水分解してジルコニウム前駆体ゾルを製造する方法において、ジルコニウムアルコキシドまたはその溶液に酸を含む過酸化水素水を添加して加水分解することにより、ジルコニウム前駆体ゾルの製造方法』が開示され、『500℃で焼成することにより、正方晶ジルコニアが得られる』ことが記載されている。 Further, in Patent Document 3, “in the method of producing a zirconium precursor sol by hydrolyzing zirconium alkoxide, zirconium hydroxide is hydrolyzed by adding hydrogen peroxide water containing an acid to the zirconium alkoxide or a solution thereof. “Precursor sol production method” is disclosed, and it describes that “tetragonal zirconia can be obtained by firing at 500 ° C.”.
しかしながら、特許文献1に記載された方法では『特殊なジルコニウム塩』、特許文献2に記載された方法では『アルカリ土類金属の水酸化物又はその水溶液』、更に、特許文献3に記載された方法では『ジルコニウムアルコキシド及び過酸化水素』を用いる必要があり、比較的簡単な方法で、『正方晶ジルコニアゾル』を製造できる方法がないのが現状である。 However, in the method described in
本発明は上記の問題点に鑑み成されたものであって、その目的とするところは、簡便な方法で、正方晶ジルコニアゾルを製造できる方法を提供することにある。
なお、本発明において、「正方晶ジルコニアゾル」とは、ジルコニアゾルを熱処理したときに生成するジルコニア(ZrO2)が正方晶ジルコニアのX線回折パターンを示すものをいう。The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a method capable of producing a tetragonal zirconia sol by a simple method.
In the present invention, “tetragonal zirconia sol” refers to a material in which zirconia (ZrO 2 ) produced when heat-treating zirconia sol exhibits an X-ray diffraction pattern of tetragonal zirconia.
本発明者等は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、意外にも、ジルコニアゾル含有溶液に硫酸を添加することにより、正方晶ジルコニアゾルが得られることを見出した。
この知見に基づき、本発明は、
(1)ジルコニアゾル含有溶液に硫酸を添加することを特徴とする正方晶ジルコニアゾルの製造方法、
(2)ジルコニアゾル含有溶液中のZrO2濃度が1〜30%であることを特徴とする前記(1)記載の正方晶ジルコニアゾルの製造方法、
(3)硫酸の添加量が100%硫酸換算で、H2SO4/ZrO2(重量比)0.01〜0.5とすることを特徴とする前記(1)又は前記(2)記載の正方晶ジルコニアゾルの製造方法、を提供するものである。As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have unexpectedly found that a tetragonal zirconia sol can be obtained by adding sulfuric acid to a zirconia sol-containing solution.
Based on this finding, the present invention
(1) A method for producing a tetragonal zirconia sol, characterized by adding sulfuric acid to a zirconia sol-containing solution,
(2) The method for producing a tetragonal zirconia sol according to (1), wherein the ZrO 2 concentration in the zirconia sol-containing solution is 1 to 30%,
(3) the addition amount of 100% sulfuric acid in terms of sulfuric acid, said, characterized in that the H 2 SO 4 / ZrO 2 (weight ratio) 0.01-0.5 (1) or (2) according A method for producing a tetragonal zirconia sol is provided.
本発明により、簡便な方法で、正方晶ジルコニアゾルを製造できるため、斯界において好適に用いることが出来る。 According to the present invention, a tetragonal zirconia sol can be produced by a simple method, and therefore can be suitably used in this field.
以下に本発明の正方晶ジルコニアゾルの製造方法について詳細に説明する。
先ず、本発明において用いるジルコニアゾル含有溶液としては、特に限定されるものではなく、どのような製造方法で作製されたものでも良い。
ジルコニアゾルの製造方法としては、例えば、以下のものが例示される。
(1)米国特許第2984628号に記載されている、ジルコニウム塩水溶液を水熱の加圧下で120〜300℃で加熱処理することによりジルコニアのハイドロゾルを得る方法。
(2)「エー.クリアフイールド;インオーガーニツク ケミストリー、第3巻、146頁1964年」に記載されている、ジルコニウム塩水溶液を長時間煮沸することによりジルコニアゾルを得る方法。
(3)特開平4−104910号に記載されている、オキシ塩化ジルコニウム及び硝酸ジルコニウムの群の中から選ばれる少なくとも一種類のものをジルコニウム源とし、尿素の分解により水和ジルコニウムゾルが製造される方法であって、上記尿素の分解に際して硝酸アンモニウム、塩化アンモニウム、及び硫酸アンモニウムの群の中から選ばれる少なくとも一種類のアンモニウム塩が添加されてなる水和ジルコニウムゾルの製造方法。
なお、本発明では、これ以外の公知の方法で作製されたジルコニアゾル含有溶液も対象となる。Hereinafter, the method for producing the tetragonal zirconia sol of the present invention will be described in detail.
First, the zirconia sol-containing solution used in the present invention is not particularly limited, and may be prepared by any manufacturing method.
Examples of the method for producing zirconia sol include the following.
(1) A method of obtaining a zirconia hydrosol by heating an aqueous zirconium salt solution at 120 to 300 ° C. under hydrothermal pressure, as described in US Pat. No. 2,984,628.
(2) A method for obtaining a zirconia sol by boiling a zirconium salt aqueous solution for a long period of time as described in “A. Clearfield; Inorganic Chemistry, Vol. 3, page 146, 1964”.
(3) A hydrated zirconium sol is produced by decomposition of urea using at least one selected from the group of zirconium oxychloride and zirconium nitrate described in JP-A-4-104910 as a zirconium source. A method for producing a hydrated zirconium sol, wherein at least one ammonium salt selected from the group consisting of ammonium nitrate, ammonium chloride, and ammonium sulfate is added during the decomposition of urea.
In the present invention, zirconia sol-containing solutions prepared by other known methods are also targeted.
ジルコニアゾル含有溶液中のZrO2濃度としては、1〜30%が好ましい。1g/L未満では水分が多すぎるため熱処理中に加水分解を起こしてしまい、30%を超えるとジルコニアゾルが増粘若しくはゲル化を起こすのでので好ましくない。
又、ジルコニアゾル含有溶液のpHは特に限定されないが、好ましくは1〜4である。
このようなジルコニアゾル含有溶液中のジルコニアゾルは、通常、非晶質又は高温で焼成した場合でも単斜晶を示すが、本発明においては、これらのジルコニアゾル含有溶液に硫酸を添加することにより、正方晶のジルコニアゾルに変換することが出来る。
この理由については,現在のところ明確なことはわかっていないが、YやScで安定化されるようにSO4を含有することにより、部分的に安定化しているのではないかと推定される。
ジルコニアゾル含有溶液中に添加する硫酸の濃度としては、特に限定されないが、90%以上であることが好ましい。
又、硫酸の添加量としては、100%硫酸換算で、H2SO4/ZrO2(重量比)0.01〜0.5とすることが好ましい。0.01未満ではほとんど単斜晶となってしまい、0.5を超えると酸化ジルコニウムコロイド粒子が溶解してしまうため好ましくない。
なお、硫酸を添加・混合後、一昼夜以上静置させることが好ましい。The ZrO 2 concentration in the zirconia sol-containing solution is preferably 1 to 30%. If it is less than 1 g / L, too much water will cause hydrolysis during the heat treatment, and if it exceeds 30%, the zirconia sol will cause thickening or gelation, which is not preferable.
The pH of the zirconia sol-containing solution is not particularly limited, but is preferably 1 to 4.
The zirconia sol in such a zirconia sol-containing solution usually exhibits a monoclinic crystal even when calcined at an amorphous or high temperature. In the present invention, by adding sulfuric acid to these zirconia sol-containing solutions. Can be converted to tetragonal zirconia sol.
The reason for this is not clear at present, but it is presumed that it is partially stabilized by containing SO 4 so as to be stabilized by Y or Sc.
The concentration of sulfuric acid added to the zirconia sol-containing solution is not particularly limited, but is preferably 90% or more.
Further, the addition amount of sulfuric acid is preferably H 2 SO 4 / ZrO 2 (weight ratio) 0.01 to 0.5 in terms of 100% sulfuric acid. If it is less than 0.01, it is almost monoclinic, and if it exceeds 0.5, the zirconium oxide colloidal particles are dissolved, which is not preferable.
In addition, after adding and mixing sulfuric acid, it is preferable to let it stand for one day or more.
以下に実施例を示し、本発明の特徴を一層明確にする。なお、本発明は、この実施例の態様に限定されるものではない。 Examples are given below to further clarify the features of the present invention. In addition, this invention is not limited to the aspect of this Example.
〔実施例〕
28%の硝酸ジルコニル(ZrO(NO3)2)溶液を用いたこと及び濃縮を限外ろ過で行った以外は、米国特許第2984628号のExample 3 に準じてジルコニアゾル含有溶液を作製した。このジルコニアゾル含有溶液は,ZrO2として10%含有し、pH=3で、ジルコニアゾルの平均粒径は約10nmであった。
そして、得られたジルコニアゾル含有溶液、各100mlに▲1▼硫酸アンモニウム、▲2▼過硫酸アンモニウム及び▲3▼硫酸(濃度:90%)をSO4/ZrO2(重量比)が0.1となるように添加し、混合させた所、硫酸アンモニウムを添加したものは、ゲル化した。残りの2つのサンプルについては、ゲル化せず、そのまま一昼夜放置した。
この2つのサンプルに原液のジルコニアゾル含有溶液を加えた3種類のサンプルを60℃で24時間乾燥させた後、400、500、700、900及び1000℃で1時間熱処理した。
この熱処理を行ったものにつき、X線回折で評価を行って結果を、図1〜図3に示す。
図から明らかなように、硫酸添加品で、400℃で熱処理したものは、正方晶のみのピークを示し、熱処理温度を上げるにつれ単斜晶のピークが徐々に増大していること、原液そのもの及び過硫酸アンモニウムを添加したものは、いずれの熱処理温度においても、正方晶のピークを示さないことが判った。
なお、硫酸添加したサンプルで、1000℃で熱処理したものについては、正方晶/単斜晶の重量比は約0.5である。〔Example〕
A zirconia sol-containing solution was prepared in accordance with Example 3 of US Pat. No. 2,984,628, except that 28% zirconyl nitrate (ZrO (NO 3 ) 2 ) solution was used and concentration was performed by ultrafiltration. This zirconia sol-containing solution contained 10% as ZrO 2 , pH = 3, and the average particle diameter of the zirconia sol was about 10 nm.
Then, 100 ml each of the obtained zirconia sol-containing solution, (1) ammonium sulfate, ( 2 ) ammonium persulfate and (3) sulfuric acid (concentration: 90%), SO 4 / ZrO 2 (weight ratio) becomes 0.1 When added and mixed as described above, the one to which ammonium sulfate was added gelled. The remaining two samples did not gel and were left as they were overnight.
Three kinds of samples obtained by adding a stock zirconia sol-containing solution to these two samples were dried at 60 ° C. for 24 hours, and then heat-treated at 400, 500, 700, 900, and 1000 ° C. for 1 hour.
About what performed this heat processing, it evaluated by X-ray diffraction and a result is shown in FIGS.
As is apparent from the figure, the sulfuric acid-added product that was heat-treated at 400 ° C. showed a peak of only tetragonal crystals, and that the monoclinic crystal peak gradually increased as the heat treatment temperature was increased, and the stock solution itself and It was found that the ammonium persulfate added did not show a tetragonal peak at any heat treatment temperature.
In addition, about the sample which added the sulfuric acid and heat-processed at 1000 degreeC, the weight ratio of a tetragonal crystal / monoclinic crystal is about 0.5.
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