JP2012096945A

JP2012096945A - 青色遮蔽黒色粉末とその製造方法および用途

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Publication number: JP2012096945A
Application number: JP2010244399A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Kageyama; 謙介影山; Masaya Kase; 雅也加瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp; Mitsubishi Materials Electronic Chemicals Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp; Mitsubishi Materials Electronic Chemicals Co Ltd
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: JP5747475B2

Abstract

【課題】高い黒色度と青色光に対する優れた遮光性を有し、さらに好ましくは高い絶縁性を有する黒色粉末を提供する。
【解決手段】バナジウムまたはニオブの一種または二種の酸窒化物からなる黒色粉末であり、酸素含有量１６wt％以下および窒素含有量１０wt％以上であって、粉末濃度５０ppmの分散液透過スペクトルにおいて４５０nmの透過率Ｘが１０.０％以下であることを特徴とし、４５０nmの透過率Ｘと５５０nmの透過率Ｙの比（Ｘ／Ｙ）が２.０以下であり、および/または４５０nmの透過率Ｘと６５０nmの透過率Ｚの比（Ｘ／Ｚ）が１.５以下である青色遮蔽黒色粉末。
【選択図】図１

Description

本発明は、高い黒色度と青色光に対する優れた遮光性を有し、さらに好ましくは高い絶縁性を有する黒色粉末に関する。

黒色粉末として、カーボンブラック、酸化鉄、低次酸化チタン、酸窒化チタン粉末などが知られている。カーボンブラックは黒色度、着色度とも優れており高い導電性を有しているが、嵩が大きいため取り扱いが難しく、また樹脂との馴染みが良くない。また極微量ではあるが原料起因の発ガン性物質である３，４−ベンズピレンを伴うため、その安全性が問題となっている。

酸化鉄は磁性による凝集があり、分散性に劣る。耐熱性も低く、大気中１５０℃付近で茶色のγ−Ｆｅ₂Ｏ₃に酸化される。低次酸化チタンは二酸化チタン粉末をＴｉ粉末または水素ガスによって１０００℃以上の温度で還元して得られる粉末であり、Ｔｉ₃Ｏ₅およびＴｉ₂Ｏ₃等の多種の構造を持つ低次酸化チタンの混合物である。低次酸化チタンは高温での還元反応を行うために焼結による粒子成長が著しく、顔料用としては不適な粗大粒子（１.０ミクロン以上）となってしまう。

特許１７５８３４４号公報に記載されている黒色顔料である酸窒化チタン(チタンブラック)は二酸化チタンをアンモニアによって還元して得られる粉末であり、半導電性を示す青みを帯びた特徴のある黒色を示す黒色顔料粉末である。酸窒化チタンは有害物質を含まないため、飲食品用プラスチックス、化粧品の原料として最適である。また近年、黒色顔料を樹脂に分散させ、フォトリソ法などでパターニングすることによって液晶カラーフィルター等画像形成素子のブラックマトリックス（以下樹脂ＢＭ）に用いられている。酸窒化チタンは高い隠蔽性や高絶縁性等のブラックマトリックス用黒色顔料としての優れた性質を有している。

特許１７５８３４４号公報

酸化チタンを還元処理した低次酸化チタンや酸窒素化チタンは青みを有する黒色あるいは青色を有する粉末であり、可視光の低波長側、具体的には４５０ｎｍ付近の青色波長域における遮蔽性が低く、青色光を十分に遮蔽することが出来ないと云う問題があった。

青色光に対する遮蔽性を高めるために、低次酸化チタン粉末や酸窒化チタン粉末にカーボンブラックを混合することも提案されているが、カーボンは導電性があるためにブラックマトリックスとして要求される絶縁性が低下し、またカーボンと混ぜることによって凝集が起こり、均一な色味を出すことが困難になると云う問題を生じる。

本発明は、従来用いられているチタン（４Ａ族元素）に代えて、バナジウムおよびニオブ（５族元素）の酸窒化物を検討し、これらの酸窒化物は黒色度が高く、かつ青色光の遮蔽性が従来の酸窒化チタンよりも格段に高いことを見出した。その中でもバナジウム酸窒化物は３００ｎｍから８００ｎｍの広い波長域において優れた遮蔽性を有することを見出した。本発明は上記知見に基づくものであり、高い黒色度と青色光に対する優れた遮光性を有し、さらに好ましくは高い絶縁性を有する黒色粉末を提供する。

本発明によれば、以下の構成からなる青色遮蔽黒色粉末が提供される。
〔１〕バナジウムまたはニオブの一種または二種の酸窒化物からなる黒色粉末であり、酸素含有量１６wt％以下および窒素含有量１０wt％以上であって、粉末濃度５０ppmの分散液透過スペクトルにおいて４５０nmの透過率Ｘが１０.０％以下であることを特徴とする青色遮蔽黒色粉末。
〔２〕４５０nmの透過率Ｘと５５０nmの透過率Ｙの比（Ｘ／Ｙ）が２.０以下であり、および/または４５０nmの透過率Ｘと６５０nmの透過率Ｚの比（Ｘ／Ｚ）が１.５以下である上記[１]に記載する青色遮蔽黒色粉末。
〔３〕酸素含有量６.５wt％以下および窒素含有量１４wt％以上であって、粉末濃度５０ppmの分散液透過スペクトルにおいて４５０nm〜５５０nmの透過率が７％以下である上記[１]または上記[２]に記載する青色遮蔽黒色粉末。
〔４〕黒色度(Ｌ値)が１６.５以下であり、比表面積が１０ｍ²/ｇ以上である上記[１]〜上記[３]の何れかに記載する青色遮蔽黒色粉末。

本発明によれば、以下の構成からなる青色遮蔽黒色粉末の製造方法および用途が提供される。
〔５〕バナジウムまたはニオブの一種または二種を含む金属酸化物または金属水酸化物を、酸素含有量１６wt％以下および窒素含有量１０wt％以上になるように高温下でアンモニアガスを用いて還元処理することによって、粉末濃度５０ppmの分散液透過スペクトルにおいて４５０nmの透過率Ｘが１０.０％以下の青色遮蔽黒色粉末を製造する方法。
〔６〕上記[５]に記載する製造方法において、酸素含有量６.５wt％以下および窒素含有量１４wt％以上になるように還元処理することによって、粉末濃度５０ppmの分散液透過スペクトルにおいて４５０nmの透過率が７％以下である青色遮蔽黒色粉末を製造する方法。
〔７〕上記[５]または上記[６]に記載する製造方法において、バナジウムまたはニオブの一種または二種を含む塩化物、硝酸塩、硫酸塩、またはアンモニウム塩を水で溶解し、酸または塩基によって中和処理した後に乾燥した水酸化物原料を、高温でアンモニアガスにより還元処理する青色遮蔽黒色粉末の製造方法。
〔８〕上記[５]〜上記[７]の何れかに記載する製造方法において、原料粉末にシリカ、アルミナ、ジルコニア、またはイットリアをコーティングした後に還元処理を行い、あるいは還元処理した黒色粉末にシリカ、アルミナ、ジルコニア、またはイットリアをコーティングする青色遮蔽黒色粉末の製造方法。
〔９〕上記[１]〜上記[４]の何れかに記載する青色遮蔽黒色粉末を含有する黒色ペースト、黒色塗料、黒色樹脂フィルム、または黒色被膜。

本発明の青色遮蔽黒色粉末は青色光に対する遮蔽性に優れており、酸素含有量１６wt％以下および窒素含有量１０wt％以上であって、粉末濃度５０ppmの分散液透過スペクトルにおいて４５０nmの透過率Ｘが１０.０％以下である。従来の酸窒化チタン(チタンブラック)は窒素含有量が２０wt％で上記透過率Ｘが１０％程度であるが、本発明の黒色粉末は窒素含有量が１０wt％でも上記透過率Ｘが１０％以下の青色光に対する遮蔽性に優れた粉末を得ることができる。

本発明の黒色粉末において、酸素含有量が少なく、かつ窒素含有量が多いものは、さらに遮光性に優れている。具体的には、酸素含有量６.５wt％以下であって窒素含有量１４wt％以上に調整することによって、粉末濃度５０ppmの分散液透過スペクトルにおいて４５０nm〜５５０nmの透過率が７％以下の青色光に対する遮蔽性が格段に優れた粉末を得ることができる。

従来のチタンブラックは、波長域４５０nm〜５５０nmにおける透過率は概ね９％〜１０％であるので、本発明によれば、酸素含有量６.５wt％以下であって窒素含有量１４wt％以上に調整することによって、青色光の透過率がチタンブラックの約２/３以下、好ましくは１/２である青色波長域の遮蔽性が格段に高い黒色粉末を得ることができる。

本発明の黒色粉末は、粉末濃度５０ppmの分散液透過スペクトルにおいて、４５０nmの透過率Ｘが１０.０％以下であり、４５０nmの透過率Ｘと５５０nmの透過率Ｙの比(Ｘ／Ｙ)が２.０以下、および/または４５０nmの透過率Ｘと６５０nmの透過率Ｚの比(Ｘ／Ｚ)が１.５以下である。

従来のチタンブラックは、４５０ｎｍの透過率Ｘと５５０ｎｍの透過率Ｙの比（Ｘ／Ｙ）は概ね２.３以上であり、４５０ｎｍの透過率Ｘと６５０ｎｍの透過率Ｚの比（Ｘ／Ｚ）は６.０以上であるが、本発明の黒色粉末はＸ／Ｙ比およびＸ／Ｚ比が格段に小さく、４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの広い波長域において透過率の変化が小さく安定である。

本発明の実施例１，２と比較例１の透過率を示すグラフ。

以下、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明する。
本発明の黒色粉末は、バナジウムまたはニオブの一種または二種の酸窒化物からなる黒色粉末であり、酸素含有量１６wt％以下および窒素含有量１０wt％以上であって、粉末濃度５０ppmの分散液透過スペクトルにおいて４５０nmの透過率Ｘが１０.０％以下であることを特徴とする青色遮蔽黒色粉末である。

〔Ｖ−Ｎｂ酸窒化物〕
バナジウムまたはニオブの一種または二種の酸窒化物とは、酸窒化バナジウムあるいは酸窒化ニオブ、酸窒化バナジウムと酸窒化ニオブの混合物、バナジウムとニオブの複合酸窒化物である。以下、バナジウムまたはニオブの一種または二種の酸窒化物をＶ−Ｎｂ酸窒化物と表記する。

バナジウムまたはニオブの一種または二種を含む金属酸化物または金属水酸化物を、酸素含有量１６wt％以下および窒素含有量１０wt％以上になるように高温でアンモニアガスを用いて還元処理することによって、Ｖ−Ｎｂ酸窒化物からなり、黒色度(Ｌ値)１６.５以下であって、粉末濃度５０ppmの分散液透過スペクトルにおいて、４５０ｎｍの透過率Ｘが１０.０％以下の青色遮蔽黒色粉末を製造することができる。

Ｖ−Ｎｂ酸窒化物において窒素含有量が１０wt％未満であると黒色度(Ｌ値)が低下する。黒色度(Ｌ値)はＬ、ａ、ｂ表色系のＬ値であり、Ｌ値が小さいほど黒色度が高い。また、Ｖ−Ｎｂ酸窒化物において、窒素含有量が１０wt％未満であると４５０ｎｍの透過率Ｘが１０.０％より高くなる傾向があり、青色光に対する遮蔽性が低下する。

本発明の黒色粉末は、粉末濃度５０ppmの分散液透過スペクトルにおいて、４５０nmの透過率Ｘが１０.０％以下であって、４５０nmの透過率Ｘと５５０nmの透過率Ｙの比(Ｘ／Ｙ)が２.０以下であるもの、あるいは４５０nmの透過率Ｘと６５０nmの透過率Ｚの比(Ｘ／Ｚ)が１.５以下であるもの、あるいはＸ／Ｙ＝２.０以下であってＸ／Ｚ＝１.５以下である。

Ｘ／Ｙ＝２.０以下、および/またはＸ／Ｚ＝１.５以下のＶ−Ｎｂ酸窒化物は４５０nm〜６５０nmの広い波長域において透過率の変化が小さく安定である。

本発明の黒色粉末は、好ましくは、黒色度(Ｌ値)が１６.５以下であって、比表面積１０ｍ²/ｇ以上の粉末である。

〔製造方法〕
バナジウムまたはニオブの一種または二種を含む金属酸化物または金属水酸化物を、酸素含有量１６wt％以下、および窒素含有量１０wt％以上（実施例６〜９では酸素含有量８.５〜１６wt％、窒素含有量１０〜１４wt％）になるように高温下でアンモニアガスを用いて還元処理することによって、Ｘ／Ｙ＝２.０以下、および/またはＸ／Ｚ＝１.５以下のＶ−Ｎｂ酸窒化物を製造することができる。

酸化バナジウムや酸化ニオブを原料として用いることができる。また、バナジウムまたはニオブの塩化物、硝酸塩、硫酸塩などを水に溶解した後に、デカンテーションにより不純物を除去し、酸または塩基によって中和処理した後に乾燥して回収した水酸化物を原料に用いてもよい。これらの原料は比表面積１０ｍ²/ｇ以上の粉末が好ましい。

バナジウムまたはニオブの酸化物または水酸化物を効率よく還元して窒化反応を進めるにはアンモニアガスによる還元が適している。目的の窒素含有量になるように、反応温度、ガス流量を調整し、所定の黒色度になるまで反応を継続する。黒色度は酸素濃度、窒素濃度により確認できる。酸素濃度１７％以上、窒素濃度１０％未満では還元反応が不十分であり、目標とする遮光性能が得られない。

本発明の黒色粉末の絶縁性を向上させるために、シリカ、アルミナ、ジルコニア、イットリアなどをコーティングしても良い。その際、原料粉末にコーティングしてもよいが、還元後の粉末にコーティングを行ってもよい。コーティングは乾式、湿式いずれの方法でも効果がある。

本発明の青色遮蔽黒色粉末は、黒色ペースト、黒色塗料、黒色樹脂フィルム、または黒色被膜の黒色顔料として好適である。

以下、本発明の実施例を比較例と共に示す。
Ｌ値は規格ＪＩＳＺ８７２２に従って測定した。
比表面積は規格ＪＩＳＺ８８３０に従って測定した。
酸素濃度および窒素濃度は不活性ガス雰囲気溶解ガスクロマトグラフ法により測定した。
透過率は規格ＪＩＳＲ３１０６に従って測定した。

〔実施例１〜２、比較例１〕
酸化バナジウム粉末（比表面積１〜１０ｍ²/ｇ）を、窒素雰囲気下、７℃/minで８００℃まで昇温後、アンモニアガスを流し、表１に示す黒色度(Ｌ値)、酸素含有量および窒素含有量になるように窒化還元を行った。得られた黒色粉末を循環式横型ビーズミル（メディア：ジルコニア）を使用し、アミン系分散剤を使用しＰＧＭ−Ａｃ溶剤中で分散処理を行った後、作製した分散液を１０万倍に希釈し（粉末濃度５０ppm）、透過率を測定した。測定結果を表１および図１に示した。

〔実施例３〜４、比較例２〜３〕
酸化ニオブ粉末または酸化チタン粉末（比表面積８ｍ²/ｇ、９ｍ²/ｇ）を用いた以外は実施例１〜２と同様にして、黒色粉末を製造し、該黒色粉末を用いて分散液を調製し、透過率を測定した。測定結果を表１に示した。

表１の結果に示すように、実施例１〜２の黒色粉末（酸窒化バナジウム）および実施例３〜４の黒色粉末（酸窒化ニオブ）は、４５０nm〜５００nmにおける透過率が７％以下であって青色光に対する遮光性が高く、また４５０nm〜６５０nmの広い波長域における透過率も低く、高い遮光性を有している。具体的には、実施例１〜４の黒色粉末は４５０nmの透過率Ｘと５５０nmの透過率Ｙの比(Ｘ／Ｙ)が２.０以下であり、さらに４５０nmの透過率Ｘと６５０nmの透過率Ｚの比(Ｘ／Ｚ)が１.５以下である。

一方、窒素含有量が１０wt％未満の比較例１および比較例２の黒色粉末は、４５０ｎｍの透過率が１０％より高く、実施例１〜２、実施例の黒色粉末よりも遮光性が低い。また、表１および図１に示すように、従来の酸窒化チタン粉末（比較例３）は５５０nm〜６５０nmの透過率は低いが、４５０nmの透過率が１０％であり、青色光に対する遮光性が低い。また、比較例３の黒色粉末はＸ／Ｙ比が２.０よりも高く、Ｘ／Ｚ比が１.５よりも大幅に高い。

〔実施例５〜８〕
酸化ニオブ粉末または酸化バナジウム粉末（比表面積１〜１０ｍ²/ｇ）について、おのおの粉末表面にシリカまたはアルミナをコーテング（コーテング量は粉末量の４wt％）した後に、実施例１〜２と同様にして、黒色粉末を製造し、該黒色粉末を用いて分散液を調製し、透過率を測定した。測定結果を表２に示した。

表２に示すように、実施例５〜８の黒色粉末は４５０nmの透過率Ｘと５５０nmの透過率Ｙの比(Ｘ／Ｙ)が２.０以下であって、また４５０nmの透過率Ｘと６５０nmの透過率Ｚの比(Ｘ／Ｚ)が１.５以下であり、４５０nm〜６５０nmの広い波長域において透過率の変化が小さく、安定である。

実施例５〜８の黒色粉末について、圧粉体積抵抗値を測定することにより絶縁性を測定した。圧粉体積抵抗値は粉末を円筒状の治具に充填後、上下を金属製電極ではさみ、油圧プレスにより５０kg/cm²の圧力を印加、上下の電極間の抵抗値をデジタルマルチメーター（アドバンテスト社製）により測定した。その結果、実施例５〜８の粉末については、いずれも１.０ｘ１０⁵Ω・ｃｍ以上の高い絶縁性を有していた。

〔実施例７〕
実施例１の黒色粉末について、透過率の測定に用いた分散液にアクリル樹脂を添加し、黒色顔料：樹脂＝６：４となるように黒色塗料を作製した。作製した塗料をガラス基板上に膜厚１μmになるようにスピンコート成膜し、２５０℃、一時間焼成して被膜を形成した。この被膜のＯＤ値を測定したところ、Ｒ（620nm）、Ｇ（530nm）、Ｂ（440nm）のＯＤ値はそれぞれ５.６４、５.４６、５.６５であり、ＢＭ膜として使用するための充分な特性を有することが確認され、いずれの波長でも高い数値が得られた。実施例２〜８の黒色粉末についても同様の傾向を示した。

〔比較例４〕
比較例３の黒色粉末（酸窒化チタン粉末）について、透過率の測定に用いた分散液にアクリル樹脂を添加し、黒色顔料：樹脂＝６：４となるように黒色塗料を作製した。作製した塗料をガラス基板上に膜厚１μmになるようにスピンコート成膜し、２５０℃、一時間焼成して被膜を形成した。この被膜のＯＤ値を測定したところ、Ｒ（620nm）、Ｇ(530nm)、Ｂ(440nm)のＯＤ値はそれぞれ４.５９、３.３０、３.１５であり、ＢＭ膜として使用することは可能だが、Ｂの波長でやや低い数値となった。

Claims

バナジウムまたはニオブの一種または二種の酸窒化物からなる黒色粉末であり、酸素含有量１６wt％以下および窒素含有量１０wt％以上であって、粉末濃度５０ppmの分散液透過スペクトルにおいて４５０nmの透過率Ｘが１０.０％以下であることを特徴とする青色遮蔽黒色粉末。
４５０nmの透過率Ｘと５５０nmの透過率Ｙの比（Ｘ／Ｙ）が２.０以下であり、および/または４５０nmの透過率Ｘと６５０nmの透過率Ｚの比（Ｘ／Ｚ）が１.５以下である請求項１に記載する青色遮蔽黒色粉末。
酸素含有量６.５wt％以下および窒素含有量１４wt％以上であって、粉末濃度５０ppmの分散液透過スペクトルにおいて４５０nm〜５５０nmの透過率が７％以下である請求項１または請求項２に記載する青色遮蔽黒色粉末。
黒色度(Ｌ値)が１６.５以下であり、比表面積が１０ｍ²/ｇ以上である請求項１〜請求項３の何れかに記載する青色遮蔽黒色粉末。
バナジウムまたはニオブの一種または二種を含む金属酸化物または金属水酸化物を、酸素含有量１６wt％以下および窒素含有量１０wt％以上になるように高温下でアンモニアガスを用いて還元処理することによって、粉末濃度５０ppmの分散液透過スペクトルにおいて４５０nmの透過率Ｘが１０.０％以下の青色遮蔽黒色粉末を製造する方法。
請求項５に記載する製造方法において、酸素含有量６.５wt％以下および窒素含有量１４wt％以上になるように還元処理することによって、粉末濃度５０ppmの分散液透過スペクトルにおいて４５０nmの透過率が７％以下である青色遮蔽黒色粉末を製造する方法。
請求項５または請求項６に記載する製造方法において、バナジウムまたはニオブの一種または二種を含む塩化物、硝酸塩、硫酸塩、またはアンモニウム塩を水で溶解し、酸または塩基によって中和処理した後に乾燥した水酸化物原料を、高温でアンモニアガスにより還元処理する青色遮蔽黒色粉末の製造方法。
請求項５〜請求項７の何れかに記載する製造方法において、原料粉末にシリカ、アルミナ、ジルコニア、またはイットリアをコーティングした後に還元処理を行い、あるいは還元処理した黒色粉末にシリカ、アルミナ、ジルコニア、またはイットリアをコーティングする青色遮蔽黒色粉末の製造方法。
請求項１〜請求項４の何れかに記載する青色遮蔽黒色粉末を含有する黒色ペースト、黒色塗料、黒色樹脂フィルム、または黒色被膜。