JP2009519196A

JP2009519196A - 高充填の酸化アルミニウム含有分散液

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Publication number: JP2009519196A
Application number: JP2008544958A
Authority: JP
Inventors: オズヴァルトモニカ; キスナーコリンナ
Original assignee: Evonik Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2026-12-05
Also published as: EP1966089B1; WO2007068623A1; US20080312065A1; JP5210173B2; EP1966089A1; DE102005059961A1

Abstract

水性分散液であって：− アルファ−酸化アルミニウム、酸化セリウム、二酸化ケイ素、二酸化チタン及び二酸化ジルコニウムからなる群から選択される少なくとも１種の金属酸化物及び更に一次粒子の凝集体の形態で存在する少なくとも１種の遷移酸化アルミニウム、その際− 金属酸化物と遷移酸化アルミニウムの全含量が分散液の全量を基準として６０〜７５質量％であり、− 遷移酸化アルミニウムの含量が分散液の全量を基準として３０〜４５質量％であり、− 遷移酸化アルミニウムのＢＥＴ表面積が３０〜９０ｍ／ｇであり、− 遷移酸化アルミニウムの平均凝集体直径が１００ｎｍ未満であり、− 金属酸化物の平均粒径が１００〜５００ｎｍである、並びに− ポリアルミニウムヒドロキシクロリド、ポリアルミニウムヒドロキシニトラート及び／又はポリアルミニウムヒドロキシサルフェートからなる群から選択される分散剤を含有する水性分散液である。

Description

本発明は遷移酸化アルミニウム及び金属酸化物を含有する分散液、その製造及びその使用に関する。

セラミック素地が高充填金属酸化物分散液によって製造され得ることは公知である。該分散液が満たすべき要件には、主に、熱処理工程における収縮と亀裂を最小限にするための低い粘度と高程度の充填が含まれる。高程度の充填は、粗粒子間の間隙がより細かい粒子によって充填されるという二峰性の粒径分布によって達成され得ることも公知である。

Shi及びZhangのJournal of the American Ceramic Society 83 (2000年), 737は、透過電子顕微鏡法によって０．１７μｍ、０．３７μｍ及び０．８６μｍと測定された粒径を有する酸化アルミニウム粉末を使用する二峰性酸化アルミニウム分散液を開示する。該分散液は、これらの粉末のうちの２つを水中で攪拌し、その後ｐＨを設定することによって得られる。各場合におけるより細かい酸化アルミニウムの最適な割合は、さらに処理可能な分散液とほぼ緻密な成形体を得るために、粗い酸化アルミニウムと細かい酸化アルミニウムの合計を基準として、約３０％である。ShiとZhangによると、全酸化アルミニウム含量は４５体積％までになり得る。しかしながら、酸化アルミニウムの焼結活性度については未だ改善を必要とする。

SmithとHaberのJournal of the American Ceramic Society 78 (1995年), 1737は、１μｍ（８５部）を上回る平均粒径を有する酸化アルミニウム粉末と０．４μｍ（１５部）の平均粒径及び５０体積％までの含量を有する酸化アルミニウム粉末を使用する二峰性酸化アルミニウム分散液を開示する。ここでもまた、酸化アルミニウムの焼結活性度については未だ改善を必要とする。

本発明の目的は、熱処理時に高い焼結活性度を有する高充填の、低粘度の酸化アルミニウム含有分散液を提供することである。

本発明は水性分散液であって：
− アルファ−酸化アルミニウム、酸化セリウム、二酸化ケイ素、二酸化チタン及び二酸化ジルコニウムからなる群から選択される少なくとも１種の金属酸化物及び更に一次粒子の凝集体の形態で存在する少なくとも１種の遷移酸化アルミニウムと、
その際、
− 金属酸化物と遷移酸化アルミニウムの全含量が、分散液の全量を基準として６０〜７５質量％であり、
− 遷移酸化アルミニウムの含量が、分散液の全量を基準として３０〜４５質量％であり、
− 遷移酸化アルミニウムのＢＥＴ表面積が３０〜９０ｍ^２／ｇであり、
− 遷移酸化アルミニウムの平均凝集体直径が１００ｎｍ未満であり、
− 金属酸化物の平均粒径が１００〜５００ｎｍである、
− ポリアルミニウムヒドロキシクロリド、ポリアルミニウムヒドロキシニトラート及び／又はポリアルミニウムヒドロキシサルフェートからなる群から選択される分散剤とを含有する水性分散液を提供する。

金属酸化物という用語は、遷移酸化アルミニウムを除き且つメタロイド酸化物として二酸化ケイ素を含むものとして解釈されるべきである。

遷移酸化アルミニウム分散液中に存在する遷移酸化アルミニウムは、カイ−、カッパ−、ガンマ−、デルタ−及びシータ−酸化アルミニウムを含む。これらの結晶成分を別にして、少ない割合の非晶質酸化アルミニウムも存在し得る。この分散液は固形分として遷移酸化アルミニウムのみを含有する。主な成分は、有利にはガンマ−酸化アルミニウム、デルタ−酸化アルミニウム、シータ−酸化アルミニウム又はそれらの混合物である。遷移酸化アルミニウムは、特に有利には少なくとも６０％のデルタ−酸化アルミニウムとシータ−酸化アルミニウムとの混合物を含む。アルファ−アルミニウム酸化物は検出できない。遷移酸化アルミニウムは一次粒子の凝集体の形態で存在し且つ３０〜９０ｍ^２／ｇ、有利には４０〜８０ｍ^２／ｇ、特に有利には５５〜７０ｍ^２／ｇのＢＥＴ表面積を有する。

遷移酸化アルミニウムは有利には熱分解処理により得ることができる。係る処理は、火炎加水分解及び／又は火炎酸化であってよい。ここで、有機又は無機アルミニウム化合物、例えば塩化アルミニウムは、水蒸気及び／又は酸素の存在下で反応して酸化アルミニウムを形成する。得られた一次粒子は多孔性ではなく且つそれらの表面上にヒドロキシ基を有する。出発材料としての塩化物含有アルミニウム化合物の場合、酸化アルミニウムはまた、少量の塩化物、一般に０．１質量％未満の塩化物を含有し得る。遷移酸化アルミニウム分散液は、有利には３００ｐｐｍ未満の塩化物を含有する酸化アルミニウムを使用して製造される。

金属酸化物と遷移酸化アルミニウムの全含量は、混合酸化物分散液の全量を基準として、有利には６３〜７０質量％である。

混合酸化物分散液中の遷移酸化アルミニウムの含量は、有利には分散液の全量を基準として、３５〜４０質量％である。

金属酸化物の平均粒径は１００〜５００ｎｍであり、従って遷移酸化アルミニウムの平均粒径よりも大きい。この金属酸化物の粒径は有利には２００〜４００ｎｍである。この金属酸化物粒子は、凝集した粒子又は非凝集の粒子の形態で存在し得る。

金属酸化物は有利にはアルファ−酸化アルミニウムであり、これは通常５〜２０ｍ^２／ｇのＢＥＴ表面積を有する。

混合酸化物分散液は有利には３〜５のｐＨを有する。

本発明は更に本発明の分散液の製造方法を提供し、その際
− １００〜５００ｎｍの平均粒径を有する粉末の形態の金属酸化物を、攪拌しながら
− 出発分散液の形態の遷移酸化アルミニウムに添加し、
− 該分散液は唯一の固形物として遷移酸化アルミニウムを含有し、
− 該分散液中で、該酸化アルミニウムは一次粒子の凝集体の形態で存在し、該一次粒子は３０〜９０ｍ^２／ｇのＢＥＴ表面積を有し且つ分散液中のそれらの凝集体は１００ｎｍ未満の平均凝集体直径を有し、
− 該分散液の酸化アルミニウムの含量は４０〜６５質量％であり、
− 該分散液はポリアルミニウムヒドロキシクロリド、ポリアルミニウムヒドロキシニトラート及び／又はポリアルミニウムヒドロキシサルフェートを分散剤として含有し、
− 該分散液は３〜５のｐＨを有する。

固形分として専ら遷移酸化アルミニウムを含有する水性分散液は、以下遷移酸化アルミニウム分散液と呼ぶ。

遷移酸化アルミニウム分散液の平均凝集体直径は有利には７０〜９０ｎｍである。平均凝集体直径は、例えば、レーザー光の散乱により測定することができる。

更に、遷移酸化アルミニウム分散液のｐＨは有利には３．５〜４．５であってよい。ｐＨは、ｐＨ調節剤、酸又は塩基の添加により調整することができる。酸化アルミニウムを製造するための出発材料として塩化アルミニウムを使用する場合、塩酸が付帯する結果、ｐＨは既に所望のｐＨ範囲内であり得る。

本発明の分散液はポリアルミニウムヒドロキシクロリド（ＰＡＣ）、ポリアルミニウムヒドロキシニトラート及び／又はポリアルミニウムヒドロキシサルフェートを有意な成分として含有し、該分散液は有利にはポリアルミニウムヒドロキシクロリド（ＰＡＣ）を含有する。これは式Ａｌ_ｎ（ＯＨ）_ｍＣｌ_{（３ｎ−ｍ）}、例えばＡｌ_２（ＯＨ）_２．６Ｃｌ_３．４の水溶性塩である。ＰＡＣは有利には、Ａｌ_２Ｏ_３として計算して、５〜２５質量％のアルミニウム含量を有する。

ＰＡＣとカチオンポリマーとの混合物及び／又はＰＡＣとカチオンジシアンジアミド樹脂との共縮合生成物が、特に有利な分散剤であることが見出された。

カチオンポリマーとして、ポリエチレンイミン、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド又はカチオンジシアンジアミド樹脂を使用することが有利である。

カチオンジシアンジアミド樹脂及びその製造が、例えば、ＤＥ−Ａ−３５００４０８号に記載されている。ポリアルミニウムヒドロキシクロリド及びカチオンポリマーは有利には３０：７０〜９５：５の重量比で存在する。

分散剤の割合は、有利には分散液の全量を基準として、０．１〜３質量％である。

更に、本発明の分散液は、成分としてポリアルミニウムヒドロキシクロリドとカチオンジシアンジアミド樹脂との共縮合生成物を含有し得る。これらの共縮合生成物及びその製造はＤＥ−Ａ−３７４２７６４号から公知である。この共縮合生成物におけるＰＡＣとカチオンジシアンジアミド樹脂の比は、同様に広範囲で変わり得るが、１５：１〜２：１のアルミニウムとジシアンジアミドのモル比が有利である。

一般式Ａ（式中、Ｒ＝ＣＯＮＨ_２、ＣＮ又はＨ；Ｘ＝Ｃｌ⁻、１／２ＳＯ_４ ^２−且つｎ＝５−１５）の化合物が、本発明の分散液の成分として特に好適である。

遷移酸化アルミニウム分散液は、適切であれば、１種又は複数種の添加剤を水中に入れること、酸化アルミニウム粉末を全て一度に添加、少量ずつ添加又は継続的に添加すること、並びに１０００ｋＪ／ｍ^３を上回るエネルギーの導入により混合物を分散させることによって得ることができる。

この方法は有利には、分散を最初に１０００ｋＪ／ｍ^３未満のエネルギー入力において実施して予備分散液を形成し、該予備分散液を少なくとも２つの部分流に分け、これらの部分流を少なくとも５００バールの圧力下の高エネルギーミルに置き、ノズルを介して減圧し、そして該部分流をガス−又は液体−充填反応空間で互いに衝突させ、適切であれば、高−エネルギー微粉砕を１回以上繰り返すことにより実施できる。

本発明は更に複合材料を製造するための混合酸化物分散液の使用を提供する。

実施例
遷移酸化アルミニウム分散液
実施例１（本発明による）：３７ｋｇの脱イオン水と４６０ｇのＡＬＺＯＦＩＸ(登録商標)Ｐ９（ＰＡＣ−ジシアンジアミド共縮合生成物、ＤｅｇｕｓｓａＡＧ社）を６０Ｌのステンレス鋼混合容器に装入する。２５ｋｇのＡＥＲＯＸＩＤＥ（登録商標）Ａｌｕ６５（熱分解酸化アルミニウム、ＢＥＴ＝６５ｍ^２／ｇ、主成分：シータ−及びデルタ−酸化アルミニウム；ＤｅｇｕｓｓａＡＧ）を、Ｙｓｔｒａｌ社Ｃｏｎｔｉ−ＴＤＳ３吸込ホース（ステータスリット：４ｍｍリング及び１ｍｍリング、ロータ／ステータ間隔約１ｍｍ）を用いて剪断条件下で引き続き吸引する。次に更に３４０ｇのＡＬＺＯＦＩＸを添加し、５ｋｇのＡＥＲＯＸＩＤＥ(登録商標)Ａｌｕ６５を吸引する。この交互の添加を合計６回実施する。添加の完了後、吸込み口を閉じて更に２０分間３０００ｒｐｍで剪断をかける。最後に、５．５ｋｇの脱イオン水を用いて予備分散液を５５質量％の含量にし、更に約５分間もう一度剪断を行って該分散液を均一にする。この予備分散液を、２５００バールの圧力において直径０．３ｍｍのダイアモンドノズルを有するＳｕｇｉｎｏＵｌｔｉｍａｉｚｅｒＨＪＰ−２５０５０高エネルギーミルを介して２つの通路に通し、それによって更に強力な微粉砕にかける。

ｐＨは４．１である。分散液の固形含量は５５質量％である。平均凝集体直径は８３ｎｍ（ＨｏｒｉｂａＬＡ−９１０を用いて測定）である。分散液は更に６ヶ月後にゲル化又は沈降の徴候を示さない。

実施例２（比較例）：６１ｋｇの脱イオン水を６０Ｌのステンレス鋼混合容器に装入する。２７．０ｋｇのＡＥＲＯＸＩＤＥ(登録商標)ＡｌｕＣ（ＢＥＴ＝１００ｍ^２／ｇ、主成分：ガンマ−酸化アルミニウム）Ｄｅｇｕｓｓａを、Ｙｓｔｒａｌ社Ｃｏｎｔｉ−ＴＤＳ３吸込ホース（ステータスリット：４ｍｍリング及び１ｍｍリング、ロータ／ステータ間隔約１ｍｍ）を用いて剪断条件下で引き続き吸引する。５０％濃度の酢酸を添加することによりｐＨを４．０〜４．５の範囲に維持する。０．９ｋｇの５０％濃度の酢酸が必要である。吸込みが完了した後、吸込み口を閉じて更に１０分間３０００ｒｐｍで剪断をかける。予備分散後のｐＨは４．１であり、更に０．１ｋｇの酢酸を用いてｐＨを４．０に調節した。この予備分散を１ｋｇの脱イオン水の添加により３０質量％の酸化アルミニウム濃度にし、更に約５分間もう一度剪断を行って該分散液を均一にする。この予備分散液を、２５００バールの圧力において直径０．３ｍｍのダイアモンドノズルを有するＳｕｇｉｎｏＵｌｔｉｍａｉｚｅｒＨＪＰ−２５０５０高エネルギーミルを介して２つの通路に通し、それによって更に強力な微粉砕にかける。

ｐＨは４．４である。分散液の固形含量は３０質量％である。平均凝集体直径は８６ｎｍ（ＨｏｒｉｂａＬＡ−９１０）である。

混合酸化物分散液
実施例３：実施例１からの５５０ｇの分散液を容器に装入する。実験室攪拌機を用いて攪拌している間、１５５ｇのアルファ−酸化アルミニウム粉末（ＡＫＰ−５０、住友化学工業社製、平均粒径約２００ｎｍ）を添加する。

実施例４及び５：実施例３と類似するが、表１に示された量を使用する。

実施例６：実施例３と類似するが、実施例２からの分散液を使用する。

実施例５からの分散液は、２３℃と１００ｓ^−１の剪断速度で１０００ｍＰａｓの粘度を有する。

混合酸化物分散液は、分散液の全量を基準として、少なくとも３０質量％の割合の微細遷移酸化アルミニウムを有する。全固形分を基準として、微細遷移酸化アルミニウムの割合は少なくとも４０％である。混合酸化物分散液は、遷移酸化アルミニウム分散液中に金属酸化物を単純に攪拌導入することにより製造できる。

Claims

水性分散液であって：
− アルファ−酸化アルミニウム、酸化セリウム、二酸化ケイ素、二酸化チタン及び二酸化ジルコニウムからなる群から選択される少なくとも１種の金属酸化物及び更に一次粒子の凝集体の形態で存在する少なくとも１種の遷移酸化アルミニウムと、
その際、
− 金属酸化物と遷移酸化アルミニウムの全含量が、分散液の全量を基準として６０〜７５質量％であり、
− 遷移酸化アルミニウムの含量が、分散液の全量を基準として３０〜４５質量％であり、
− 遷移酸化アルミニウムのＢＥＴ表面積が３０〜９０ｍ^２／ｇであり、
− 遷移酸化アルミニウムの平均凝集体直径が１００ｎｍ未満であり、
− 金属酸化物の平均粒径が１００〜５００ｎｍである、
− ポリアルミニウムヒドロキシクロリド、ポリアルミニウムヒドロキシニトラート及び／又はポリアルミニウムヒドロキシサルフェートからなる群から選択される分散剤と
を含有することを特徴とする、水性分散液。
金属酸化物と遷移酸化アルミニウムの全含量が分散液の全量を基準として６３〜７０質量％であることを特徴とする、請求項１記載の水性分散液。
遷移酸化アルミニウムの含量が分散液の全量を基準として３５〜４０質量％であることを特徴とする、請求項１又は２記載の水性分散液。
遷移酸化アルミニウムがシータ−及びデルタ−酸化アルミニウムを主成分として含有することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の水性分散液。
遷移酸化アルミニウムのＢＥＴ表面積が５０〜８０ｍ^２／ｇであることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の水性分散液。
金属酸化物の平均粒径が１５０〜２５０ｎｍであることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の水性分散液。
金属酸化物がアルファ−酸化アルミニウムであることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の水性分散液。
ｐＨが３〜５であることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の水性分散液。
分散剤がポリアルミニウムヒドロキシクロリド、ポリアルミニウムヒドロキシクロリドとカチオンポリマーとの混合物及び／又はポリアルミニウムヒドロキシクロリドとカチオンジシアンジアミド樹脂との共縮合生成物であることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の水性分散液。
分散剤の割合が分散液の全量を基準として０．１〜３質量％であることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の水性分散液。
請求項１から９までのいずれか１項記載の水性分散液の製造方法において、
− １００〜５００ｎｍの平均粒径を有する粉末の形態の金属酸化物を、攪拌しながら
− 出発分散液の形態の遷移酸化アルミニウムに添加することと、
− 該分散液は唯一の固形物として遷移酸化アルミニウムを含有することと、
− 該分散液中で、酸化アルミニウムは一次粒子の凝集体の形態で存在し、該一次粒子は３０〜９０ｍ^２／ｇのＢＥＴ表面積を有し且つ分散液中のそれらの凝集体は１００ｎｍ未満の平均凝集体直径を有することと、
− 該分散液の酸化アルミニウムの含量は４０〜６５質量％であることと、
− 該分散液はポリアルミニウムヒドロキシクロリド、ポリアルミニウムヒドロキシニトラート及び／又はポリアルミニウムヒドロキシサルフェートを分散剤として含有することと、
− 該分散液は３〜５のｐＨを有すること
を特徴とする、水性分散液の製造方法。
複合材料を製造するための請求項１から９までのいずれか１項記載の水性分散液の使用。