JP2006321723A

JP2006321723A - 蓚酸バリウムチタニルの製造方法及びチタン酸バリウムの製造方法

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Publication number: JP2006321723A
Application number: JP2005143872A
Authority: JP
Inventors: Hideki Inoue; 秀樹井上; Takahiro Hara; 孝宏原; Shinji Tanabe; 信司田邉; Takehisa Kunieda; 武久国枝
Original assignee: Nippon Chemical Industrial Co Ltd
Current assignee: Nippon Chemical Industrial Co Ltd
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2025-05-17
Also published as: JP4638767B2

Abstract

【課題】仮焼温度に対する比表面積変化が低く抑えられる蓚酸バリウムチタニルを安定した品質で且つ高収率で提供すること。
【解決手段】本発明の蓚酸バリウムチタニルの製造方法は、四塩化チタン及び塩化バリウムを含む水溶液（Ａ液）を、少なくとも蓚酸イオン及び塩化物イオンを含む水溶液（Ｂ液）に添加し反応を行うことを特徴とする。得られる蓚酸バリウムチタニルにおいては、Ｔｉに対するＢａのモル比（Ｂａ／Ｔｉ）が好ましくは１未満、更に好ましくは０．９９０〜０．９９９となる。
【選択図】なし

Description

本発明は、特に、圧電体、オプトエレクトロニクス材、誘電体、半導体、センサー等の機能性セラミックの原料として有用な蓚酸バリウムチタニルの製造方法及びこれを用いたチタン酸バリウムの製造方法に関するものである。

従来、チタン酸バリウムは固相法や水熱合成法、蓚酸塩法、アルコキシド法等の湿式方法で製造されている。このうち蓚酸塩法は、ＴｉＣｌ₄とＢａＣｌ₂との水溶液を、約８０℃のＨ₂Ｃ₂Ｏ₄水溶液に攪拌下に滴下して、ＢａとＴｉのモル比が１の蓚酸バリウムチタニルを得、該蓚酸バリウムチタニルを仮焼する方法が一般的である。この蓚酸塩法の特徴は、得られる蓚酸バリウムチタニルの組成が均一であり、また安定したモル比で目的物を収率良く得られることである。多くの場合そのモル比（Ｂａ／Ｔｉ）は略１となっている。しかしながら、その反面、モル比（Ｂａ／Ｔｉ）が１未満の蓚酸バリウムチタニルを収率良く、且つ安定した品質で得る事は困難である。またＢａとＴｉのモル比が略１の場合は、仮焼温度に対するチタン酸バリウムの比表面積変化が大きく、微細なものを安定して得ることが難しいと言う問題もある。

例えば塩化バリウムの水溶液を、蓚酸とオキシ塩化チタンの混合物を含む水溶液に２０〜６０℃の範囲内の温度で激しくかきまぜながら滴下し、得られる沈澱物を仮焼する方法等が提案されている（特許文献１参照）。しかし、この方法で得られる蓚酸バリウムチタニルを、誘電体セラミック材料のチタン酸バリウム系セラミックの製造原料として用いる場合、特に好適な範囲のＴｉに対するＢａのモル比（Ｂａ／Ｔｉ）である０．９９０〜０．９９９のものが安定して得られにくいという課題がある。

また本出願人も先に、蓚酸塩法により微粒のチタン酸バリウムを製造する方法として、平均粒径５０〜３００μｍの蓚酸バリウムチタニルを水で洗浄する第一工程、該洗浄後の蓚酸バリウムチタニルをスラリーとした後、湿式粉砕処理して、平均粒径０．０５〜１μｍの蓚酸バリウムチタニルを得る第二工程、及び該平均粒径０．０５〜１μｍの蓚酸バリウムチタニルを７００〜１２００℃で仮焼する第三工程を有する方法を提案した（特許文献２参照）。

特開昭６３−１０３８２７号公報特開２００４−１２３４３１号公報

更に、本発明者らは、蓚酸塩法によりチタン酸バリウムを製造する方法について鋭意研究を進める中で、ＴｉとＢａのモル比において、Ｔｉを過剰に含むＴｉリッチな蓚酸バリウムチタニルを仮焼すると、チタン酸バリウムを得る過程での仮焼温度に対する比表面積変化を小さく抑えられることを知見した。従来、蓚酸塩法を用いてＴｉを過剰に含む蓚酸バリウムチタニルを安定した品質で、且つ高収率で得ることは困難であった。

従って本発明の目的は、仮焼温度に対する比表面積変化を低く抑えられる蓚酸バリウムチタニルを、蓚酸塩法よって工業的に有利に製造する方法を提供することにある。また本発明の目的は、安定した品質のチタン酸バリウムの製造方法を提供することにある。

本発明が提供しようとする第１の発明は、四塩化チタン及び塩化バリウムを含む水溶液（Ａ液）を、少なくとも蓚酸イオン及び塩化物イオンを含む水溶液（Ｂ液）に添加し反応を行うことを特徴とする蓚酸バリウムチタニルの製造方法である。

また、本発明が提供しようとする第２の発明は、四塩化チタン及び塩化バリウムを含む水溶液（Ａ液）を、少なくとも蓚酸イオン及び塩化物イオンを含む水溶液（Ｂ液）に添加し反応を行い蓚酸バリウムチタニルを生成させ、生成した蓚酸バリウムチタニルを仮焼することを特徴とするチタン酸バリウムの製造方法である。

本発明によれば、仮焼温度に対する比表面積変化が低く抑えられる蓚酸バリウムチタニルを安定した品質で且つ高収率で得ることができる。また、このようにして得られた蓚酸バリウムチタニルを仮焼することにより、チタン酸バリウムを工業的に有利に製造することができる。

以下、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明する。本発明の製造方法は、四塩化チタン及び塩化バリウムを含む水溶液（Ａ液）を、少なくとも蓚酸イオン及び塩化物イオンを含む水溶液（Ｂ液）に添加し反応を行うことを特徴とするものである。本発明の製造方法に従い製造される蓚酸バリウムチタニルは、好適にはＴｉに対するＢａのモル比（以下、「Ｂａ／Ｔｉモル比」という）が１未満のものとなる。

本発明で用いるＡ液は、四塩化チタン及び塩化バリウムを含む水溶液である。Ａ液においては、四塩化チタン中のＴｉに対する塩化バリウム中のＢａのモル比（Ｂａ／Ｔｉ）が１．０〜１．５、特に１．０５〜１．２０であると、生成される蓚酸バリウムチタニルの組成が安定となるので好ましい。またＡ液においては、塩化バリウムの濃度が、Ｂａとして０．５〜０．７モル／Ｌ、特に０．５５〜０．６５モル／Ｌで、四塩化チタンの濃度が、Ｔｉとして０．４〜０．７モル／Ｌ、特に０．４５〜０．６５モル／Ｌであると、蓚酸バリウムチタニルが高収率で得られるので好ましい。

一方のＢ液は、蓚酸イオン及び塩化物イオンを含む水溶液である。従来の蓚酸塩法においては、四塩化チタン又は塩化バリウムと蓚酸との反応により塩酸が副生し、反応液中に塩酸が次第に含有されることになる。これに対して本発明では、この副生する塩酸とは別に、予めＢ液に塩酸等の塩化物イオン源となる化合物を添加したものを用いている。

使用することができる塩化物イオン源となる化合物としては、例えば塩酸、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化リチウム、塩化物イオンを含む有機化合物等が挙げられる。これらの化合物は、１種又は２種以上で使用することができる。これらのうち、生成される蓚酸バリウムチタニル中に不純物金属元素を含まない高純度のものが得られる点で、塩酸を用いることが特に好ましい。

Ｂ液に含有させる塩化物イオンの量は、蓚酸イオンに対するモル比で０より大きく３０以下であることが好ましく、０．３〜３．５であることが更に好ましい。Ｂ液中に含有させる塩化物イオンの量が多くなるに従って、反応により得られる蓚酸バリウムチタニルにおけるＢａ／Ｔｉモル比が低くなる傾向があるが、塩化物イオンが少量でも存在すれば、Ｂａ／Ｔｉモル比が１未満の蓚酸バリウムチタニルを得ることができる。従って、Ｂａ／Ｔｉモル比が１未満の蓚酸バリウムチタニルを得る観点から、Ｂ液に含有させる塩化物イオンの下限値は、蓚酸イオンに対するモル比で０より大きくすればよい。一方、塩化物イオンの量が、蓚酸イオンに対するモル比で３０を超えると、生成される蓚酸バリウムチタニルにおけるＢａ／Ｔｉモル比が、誘電体セラミック材料の製造原料等として少なくとも用いることができる範囲である０．９より小さくなる。なお、生成される蓚酸バリウムチタニルにおけるＢａ／Ｔｉモル比が好ましくは０．９９０〜０．９９９であると、該蓚酸バリウムチタニルを原料とするチタン酸バリウムに、誘電体セラミック材料としての優れた誘電特性を付与することができる。この観点から、本発明においては、Ｂａ／Ｔｉモル比が前記範囲の蓚酸バリウムチタニルを生成させることが好ましい。この目的のために、Ｂ液における塩化物イオンの含有量は、蓚酸イオンに対するモル比で０．３〜３．５とすることが特に好ましい。

具体的なＢ液の組成は、蓚酸イオン濃度が０．２〜２モル／Ｌ、特に１．０５〜１．６５モル／Ｌであり、塩化物イオン濃度が０．１〜８モル／Ｌ、特に０．５〜３．７モル／Ｌであると、組成の安定した蓚酸バリウムチタニルを高収率で得られる点で好ましい。

Ａ液のＢ液への添加を、添加後の反応液における蓚酸に対するバリウムのモル比が０．３〜０．６、特に０．３４〜０．５４となるように行うと、組成の安定した蓚酸バリウムチタニルが高収率で得られるので好ましい。

Ａ液のＢ液への添加は攪拌下に行うことが好ましい。攪拌速度は、添加開始から反応終了までの間に生成する蓚酸バリウムチタニルを含むスラリーが常に流動性を示す状態であればよく、特に限定されるものではない。

反応は、生成される蓚酸バリウムチタニル粒子の平均粒径が２０〜３００μｍの範囲、特に５０〜２００μｍの範囲となるように条件を設定することが好ましい。当該範囲の平均粒径を有する蓚酸バリウムチタニルは、結晶粒が大きいことに起因して、水で洗浄したときにＢａ及びＴｉの溶出が少ないという利点がある。その上、塩素等の不純物を効率的に除去できるという利点もある。平均粒径が２０μｍ未満の蓚酸バリウムチタニルは、水で洗浄しても粒子中に取り込まれた塩素等の不純物を数百ｐｐｍレベルまで低減させ難い。また、Ｂａ及びＴｉの溶出に起因して組成のバラツキが生じやすい。平均粒径が３００μｍを超える蓚酸バリウムチタニルは、以後の仮焼、粉砕工程において一次径への解砕が困難となり、粒径のバラツキが大きくなる傾向にある。なお、本発明において蓚酸バリウムチタニルの平均粒径とは、レーザー回折・散乱法粒度分布測定装置で測定した値をいう。

本発明では、前記範囲内の平均粒径の蓚酸バリウムチタニルが生成されるように、各反応条件を設定することが好ましい。具体的には、反応系に連続的又は断続的に供給するＡ液の添加時間を長くとったり、添加温度を高くしたりすることにより、生成する蓚酸バリウムチタニルの粒径を大きくすることができる。この観点から、Ｂ液は、予め通常５０〜９０℃、好ましくは５０〜７０℃となるまで加温しておくことが好ましい。また、Ａ液のＢ液への添加時間を好ましくは０．５〜５時間、更に好ましくは１〜４時間とし、且つ一定速度で連続的に行うと、得られる蓚酸バリウムチタニルにおけるＴｉとＢａのモル比のバラツキが小さくなり、安定した品質のものとなる。更に、後述する熟成反応を行うことにより、前記範囲の平均粒径で、高純度な蓚酸バリウムチタニルを短時間で得ることができる。なお、Ａ液の温度は特に限定されないが、Ｂ液の加熱温度と同様の範囲内にあると、反応操作が容易となるので好ましい。

Ａ液の添加終了後、引き続き反応を行う（以下、「熟成反応」と呼ぶ。）。この熟成反応を行うと、生成する蓚酸バリウムチタニルの粒成長が抑制されると共に反応が完結するので、前記範囲内の平均粒径を有し、ＴｉとＢａのモル比のバラツキが少ない所望の蓚酸バリウムチタニルを得ることができる。

熟成条件は、熟成温度が通常は５０℃以上、好ましくは５０〜９０℃である。熟成温度とは、Ａ液添加後における反応液全体の温度をいう。熟成時間は好ましくは０．５〜１０時間、更に好ましくは１〜５時間である。

熟成終了後は、常法により固液分離し、次いで水で洗浄する。洗浄方法は特に制限されるものではない。リパルプ等で洗浄を行うと洗浄効率がよいので好ましい。次いで、乾燥、必要により粉砕して蓚酸バリウムチタニルを得る。

かくして得られる蓚酸バリウムチタニルの好ましい物性としては、平均粒径が２０〜３００μｍ、特に５０〜２００μｍである。該蓚酸バリウムチタニルの組成は、ＢａとＴｉのモル比（Ｂａ／Ｔｉ）が１未満、好ましくは０．９９０〜０．９９９である。

本発明の製造方法で得られる蓚酸バリウムチタニルは、誘電体セラミック材料のチタン酸バリウム系セラミックの製造原料として好適に用いることが出来る。本発明のチタン酸バリウムの製造方法は以下の通りである。

本発明のチタン酸バリウムの製造方法は、前述の方法で得られた蓚酸バリウムチタニルを仮焼することを特徴とするものである。本発明では、必要により、更に微粒なチタン酸バリウムを得ることを目的として、仮焼を行う前に、蓚酸バリウムチタニルをボールミル、ビーズミル等の湿式で粉砕処理し、平均粒径が好ましくは０．０１〜１μｍ、更に好ましくは０．０５〜０．８μｍとなるまで粉砕処理を行ってもよい。湿式粉砕処理で用いる溶媒としては、蓚酸バリウムチタニルに対して不活性であるものが用いられる。例えば、水、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、トルエン、キシレン、アセトン、塩化メチレン、酢酸エチル、ジメチルホルムアミド及びジエチルエーテル等が挙げられる。このうち、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、トルエン、キシレン、アセトン、塩化メチレン、酢酸エチル、ジメチルホルムアミド、ジエチルエーテル等の有機溶媒で、且つＢａ及びＴｉの溶出が少ないものを用いると、結晶性の高いペロブスカイト型チタン酸バリウムを得ることができるので好ましい。特にエタノールを用いると、結晶性の優れたチタン酸バリウムを、８００〜９５０℃程度の低温域で安価に製造することができるので好ましい。

最終製品に含まれる蓚酸由来の有機物は、材料の誘電体特性を損なうとともに、セラミック化のための熱工程における挙動の不安定要因となるので好ましくない。従って、本発明では仮焼により蓚酸バリウムチタニルを熱分解して目的とするチタン酸バリウムを得ると共に、蓚酸由来の有機物を十分除去する必要がある。仮焼条件は、仮焼温度が好ましくは６００〜１２００℃、更に好ましくは８００〜１１００℃である。仮焼温度が６００℃未満では、単一相のチタン酸バリウムが得られにくい。一方、仮焼温度が１２００℃を超えると、粒径のバラツキが大きくなる。仮焼時間は好ましくは２〜３０時間、更に好ましくは５〜２０時間である。仮焼の雰囲気は特に制限されず、大気中又は不活性ガス雰囲気中の何れであってもよい。

仮焼は所望により何度行ってもよい。或いは、粉体特性を均一にする目的で、一度仮焼したものを粉砕し、次いで再仮焼を行ってもよい。

仮焼後、適宜冷却し、必要に応じ粉砕してチタン酸バリウムの粉末を得る。必要に応じて行われる粉砕は、仮焼して得られるチタン酸バリウムがもろくブロック状のものである場合等に適宜行うが、チタン酸バリウムの粒子自体は下記特定の平均粒径、ＢＥＴ比表面積を有するものである。即ち、前記で得られるチタン酸バリウムの粉末は、走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）から求められる平均粒径が好ましくは０．０５〜５μｍ、更に好ましくは０．１〜２μｍである。ＢＥＴ比表面積は、好ましくは１〜２０ｍ²／ｇ、更に好ましくは２〜１５ｍ²／ｇである。更に、本発明の製造方法で得られるチタン酸バリウムの組成は、ＢａとＴｉのモル比（Ｂａ／Ｔｉ）が１未満、特に０．９９０〜０．９９９であることが好ましい。

本発明の製造方法で得られるチタン酸バリウムには、必要により誘電特性や温度特性を調製する目的で、副成分元素含有化合物を該チタン酸バリウムに添加し副成分元素を含有させることができる。用いることができる副成分元素含有化合物としては、例えば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの希土類元素、Ｂａ、Ｌｉ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ及びＳｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素の化合物が挙げられる。

副成分元素含有化合物は無機物又は有機物のいずれであってもよい。例えば、前記の元素を含む酸化物、水酸化物、塩化物、硝酸塩、蓚酸塩、カルボン酸塩及びアルコキシド等が挙げられる。副成分元素含有化合物がＳｉ元素を含有する化合物である場合は、前記酸化物等に加えて、シリカゾルや珪酸ナトリウム等も用いることができる。副成分元素含有化合物は１種又は２種以上適宜組み合わせて用いることができる。その添加量や添加化合物の組み合わせは、常法に従って行えばよい。

チタン酸バリウムに前記副成分元素を含有させるには、例えば、該チタン酸バリウムと該副成分元素含有化合物を均一混合後、焼成を行えばよい。或いは、蓚酸バリウムチタニルと前記副成分元素含有化合物を均一混合後、仮焼を行ってもよい。

本発明に従い得られたチタン酸バリウムを用いて例えば積層セラミックコンデンサを製造する場合には、先ず、チタン酸バリウムの粉末を、前記した副成分元素を含め従来公知の添加剤、有機系バインダ、可塑剤、分散剤等の配合剤と共に適当な溶媒中に混合分散させてスラリー化し、シート成形を行う。これにより、積層セラミックコンデンサの製造に用いられるセラミックシートを得る。該セラミックシートから積層セラミックコンデンサを作製するには、先ず、該セラミックシートの一面に内部電極形成用導電ペーストを印刷する。乾燥後、複数枚の前記セラミックシートを積層し、厚み方向に圧着することにより積層体とする。次に、この積層体を加熱処理して脱バインダ処理を行い、焼成して焼成体を得る。さらに、該焼成体にＮｉペースト、Ａｇペースト、ニッケル合金ペースト、銅ペースト、銅合金ペースト等を塗布し焼き付けて、積層コンデンサが得られる。

また、本発明に従い得られたチタン酸バリウムの粉末を、例えばエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂に配合して、樹脂シート、樹脂フィルム、接着剤等とすると、プリント配線板や多層プリント配線板等の材料、内部電極と誘電体層との収縮差を抑制するための共材、電極セラミック回路基板、ガラスセラミックス回路基板、回路周辺材料及び無機ＥＬ用の誘電体材料として用いることができる。

また、本発明に従い得られたチタン酸バリウムは、排ガス除去、化学合成等の反応時に使用される触媒や、帯電防止、クリーニング効果を付与する印刷トナーの表面改質材として好適に用いることができる。

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

〔実施例１〜２及び比較例１〜２：蓚酸バリウムチタニルの製造〕
塩化バリウム２水塩、四塩化チタン水溶液、蓚酸２水塩、塩酸及び純水を用いて、表１に示す組成のＡ液及びＢ液を調製した。
次いで、Ｂ液を６０℃に加温し、Ａ液を室温（２５℃）で１２０分かけて攪拌下にＢ液に添加した。添加量は表１に示す通りである。添加完了後の反応液におけるＴｉ、Ｂａ、蓚酸イオン、塩化物イオンのモル比は表２に示す通りである。添加完了後、更に６０℃で１時間攪拌下に熟成した。冷却後、濾過して蓚酸バリウムチタニルを回収した。

次いで、回収した蓚酸バリウムチタニルを純水でリパルプして入念に洗浄した。その後１０５℃で２時間乾燥して蓚酸バリウムチタニルの粉末を得た。得られた蓚酸バリウムチタニルの諸物性を表３に示す。ＢａとＴｉのモル比は蛍光Ｘ線で測定した。平均粒径は、レーザー回折・散乱法粒度分布測定装置で測定した。塩素含有量はイオンクロマトグラフィー法で測定した。また、ＢａとＴｉの反応率を求め、その結果を表３に併記した。反応率とは、反応終了時に溶出しているＢａとＴｉをＩＣＰで測定し、その溶出分を未反応分とし、仕込量からその未反応分を差し引いたものを反応分とし、仕込みの百分率として表わしたものである。この反応率が高い方が未反応で残存するＢａ及びＴｉの成分が少なく反応効率及び収率が高いことを示す。

表３の結果より、本発明の製造方法によれば、特に誘電体材料として有用な範囲のＢａ／Ｔｉモル比を有する蓚酸バリウムチタニルが高反応率及び高収率で得られることが分かる。これに対して、比較例１では蓚酸バリウムチタニルにおけるＢａ／Ｔｉモル比が１となってしまった。比較例２では、蓚酸バリウムチタニルにおけるＢａ／Ｔｉモル比は１未満であるが、高反応率及び高収率を達成できなかった。

〔実施例３〜４及び比較例３：チタン酸バリウムの製造〕
実施例１〜２及び比較例１で得られた蓚酸バリウムチタニル試料の５ｇを、大気中、８００℃で５時間又は１０００℃で５時間仮焼した。冷却後、解砕してそれぞれチタン酸バリウムの粉末を得た。得られたチタン酸バリウムの諸物性を表４に示した。ＢａとＴｉのモル比、平均粒径は前記と同様な方法で求めた。比表面積はＢＥＴ法で求めた。

表４の結果より、Ｂａ／Ｔｉモル比が１の蓚酸バリウムチタニル（比較例１）を原料とするチタン酸バリウム（比較例３）は、仮焼温度に対する比表面積変化が大きくなっていることが分かる。これに対して本発明の蓚酸バリウムチタニル（実施例１〜２）を原料とするチタン酸バリウム（実施例３〜４）は、仮焼温度に対する比表面積変化が低く抑えられていることが分かる。

Claims

四塩化チタン及び塩化バリウムを含む水溶液（Ａ液）を、少なくとも蓚酸イオン及び塩化物イオンを含む水溶液（Ｂ液）に添加し反応を行うことを特徴とする蓚酸バリウムチタニルの製造方法。
前記Ｂ液の塩化物イオンの含有量は、蓚酸イオンに対するモル比で０より大きく３０以下である請求項１記載の蓚酸バリウムチタニルの製造方法。
前記Ｂ液は蓚酸と塩酸から調製された水溶液である請求項１又は２記載の蓚酸バリウムチタニルの製造方法。
反応により生成する蓚酸バリウムチタニル粒子の平均粒径が２０〜３００μｍの範囲となるまで反応を行う請求項１乃至３の何れかに記載の蓚酸バリウムチタニルの製造方法。
請求項１の方法によって製造された蓚酸バリウムチタニル。
Ｔｉに対するＢａのモル比（Ｂａ／Ｔｉ）が０．９９０〜０．９９９である請求項５記載の蓚酸バリウムチタニル。
四塩化チタン及び塩化バリウムを含む水溶液（Ａ液）を、少なくとも蓚酸イオン及び塩化物イオンを含む水溶液（Ｂ液）に添加し反応を行い蓚酸バリウムチタニルを生成させ、生成した蓚酸バリウムチタニルを仮焼することを特徴とするチタン酸バリウムの製造方法。