JP2014193795A - 耐熱水酸化アルミニウムの製造方法 - Google Patents

耐熱水酸化アルミニウムの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】表面の欠陥・脱水を抑制しつつ高い熱履歴を付与することによって、樹脂の加工温度に耐え得る水酸化アルミニウムの製造方法を提供すること。
【解決手段】大気圧以上0.3MPa以下の圧力下、水蒸気モル分率が0.03以上1以下の雰囲気下、180℃以上300℃以下の温度でギブサイト型水酸化アルミニウムを加熱処理することを含む耐熱水酸化アルミニウムの製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、高い耐熱性を有する水酸化アルミニウムを製造する方法に関する。具体的には、バイヤー法によって製造されたギブサイト型水酸化アルミニウムを、大気圧以上0.3MPa以下の圧力下、水蒸気モル分率が0.03以上1以下の条件下で加熱処理を行うものである。また、本発明は、高い耐熱性を有する水酸化アルミニウム、および高い耐熱性とともに高い絶縁性を有する水酸化アルミニウムも対象とする。
ギブサイト型の水酸化アルミニウムは、結晶中に含まれる水が加熱により脱水される機構を利用し、プリント配線基板などの電子部品、電線被覆材、絶縁材料などに用いられる種々の高分子材料に配合され、難燃性を付与するための難燃剤として使用されている。一方で、ギブサイト型の水酸化アルミニウムは、230℃付近から脱水を開始し、この脱水域が、樹脂の種類によっては加工する温度域に相当するために難燃剤として使用することが困難であった。
大気雰囲気下で徐々に加熱されたときに生じるギブサイト型水酸化アルミニウムの脱水は、以下の2つに起因していることが知られている。
(1)Al・3HO ⇒ Al・HO + 2H
(2)Al・3HO ⇒ Al + 3H
(1)は、ギブサイトから一水和物であるベーマイトへの脱水、(2)はアルミナへの脱水である。一般的に(1)の脱水は低温側(220℃程度)から起こりやすく、(2)は(1)と同時もしくは高温側(230℃程度)から開始される。このため、水酸化アルミニウムの耐熱性を向上させるために、あらかじめ水酸化アルミニウムを種々の条件下で加熱処理し、あらかじめ低温側で起こる脱水を進行させておくことが行われてきた。
例えば特許文献1には、水酸化アルミニウムとベーマイト化を遅延させる反応遅延剤とを混合し、圧力容器内で水熱処理あるいは水蒸気雰囲気下で加圧・加熱することにより、本来ならば完全にベーマイトへ相転移してしまう環境でありながら、ベーマイト化を一部分のみに抑えつつ熱履歴を付与することができ、水酸化アルミニウムの耐熱性が向上することが記載されている。
また、特許文献2には、平均粒子径が0.3〜4.5μmの水酸化アルミニウムを加熱処理することにより予め部分的に脱水させることで、Al・nHO(nは1.8〜2.7)で表される水酸化アルミニウムが得られ、耐熱性に優れることが記載されている。
特許文献3には、水酸化アルミニウム粒子を、大気雰囲気下、230〜270℃で加熱処理を行うことによりχ−アルミナを生成させ、耐熱性を向上させる方法が開示されている。さらに、特許文献3の実施例には、住友化学製CL−303を、ディスク式ドライヤを用いて260℃で滞留時間30分として大気雰囲気で加熱処理をしたことが記載されている。
国際公開第2004/080897号パンフレット 特開2002−211918号公報 特開2011−84431号公報
しかしながら、特許文献1の方法では加圧が必要となり、高価な圧力容器内で熱処理を行う必要があった。また、反応遅延剤として別の化合物を添加することが必要であり、これらの添加による高コスト化ならびに水酸化アルミニウムの表面が反応遅延剤によって被覆されることによる粉体物性の変化や樹脂とのなじみやすさの変化が起きてしまうことが問題であった。
特許文献2および特許文献3のような方法で、大気雰囲気下で加熱処理により脱水を行うと、表面から脱水が進行するため、最外表面に原子レベルでの欠陥が生じ、更に脱水が進行することで表面積の大きいχ−アルミナになっていくことが知られていた。表面積が増加すると大気中の水分を吸着してしまい、少量の脱水が低温側から起きてしまうおそれがある。また、水分の吸着が、樹脂に配合したときの絶縁性の低下にも影響するおそれがある。逆に、200℃程度の温度で加熱処理を行っても、粉末への熱履歴を十分なものとするためには、長時間の加熱処理が必要であり、結果として表面の欠陥が増えてしまう問題があった。このため、水酸化アルミニウムの表面の欠陥を抑制しつつ高い熱履歴を付与することは困難であり、加熱処理による耐熱性向上には限界があった。
このために従来の方法では、加熱処理によって部分的に脱水されているものの、最外表面の欠陥部分が少なく耐熱性が高い水酸化アルミニウムを得ることはできなかった。
本発明の目的は、表面の欠陥・脱水を抑制しつつ高い熱履歴を付与することによって、樹脂の加工温度に耐え得る水酸化アルミニウムの製造方法を提供することである。
すなわち本発明は、以下の構成からなる。
(1)大気圧以上0.3MPa以下の圧力下、水蒸気モル分率が0.03以上1以下の雰囲気下、180℃以上300℃以下の温度でギブサイト型水酸化アルミニウムを加熱処理することを含む耐熱水酸化アルミニウムの製造方法。
(2)前記(1)において、ギブサイト型水酸化アルミニウムが、バイヤー法によって製造されたものであることを特徴とする製造方法。
(3)前記(1)において、熱処理を行う時間が1分以上360分以下であることを特徴とする製造方法。
(4)前記(1)において、ギブサイト型水酸化アルミニウム100重量部に対して、SiO換算で0.1重量部以上5重量部以下のケイ素化合物とともに加熱処理をすることを特徴とする製造方法。
(5)前記(4)において、ケイ素化合物が、一般式Si(OR) (式中、Rは炭素数1〜2のアルキル基である)で示されるシリケートの単量体もしくはその重合体、またはそれらの加水分解・縮合生成物であることを特徴とする製造方法。
(6)BET比表面積が1.5m/g以上8m/g以下であり、X線光電子分光法を用いて測定した酸素とアルミニウムの面積強度比(O1s/Al2p)が2.55以上2.85以下である耐熱水酸化アルミニウム。
(7)前記(6)において、ベーマイト含有量が3%以上13%以下であることを特徴とする耐熱水酸化アルミニウム。
(8)BET比表面積が1.5m/g以上8m/g以下であり、ベーマイト含有量が3%以上13%以下であり、X線光電子分光により測定された表面のNa1s結合エネルギーが1071.0eV以上1072.0eV以下に極大値をもつ耐熱水酸化アルミニウム。
(9)前記(8)において、全ナトリウム含有量がNaO換算で0.01重量%以上0.05重量%以下であることを特徴とする耐熱水酸化アルミニウム。
(10)前記6または8の水酸化アルミニウムを含む樹脂組成物。
本発明の製造方法によれば、水酸化アルミニウムの表面の欠陥および脱水を抑制しつつ、高い熱履歴を付与することができ、樹脂の加工温度に耐え得る高耐熱性の水酸化アルミニウムを製造することができる。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
本発明の耐熱水酸化アルミニウムの製造方法(以下、「本発明の方法」ともいう。)は、大気圧以上0.3MPa以下の圧力下、水蒸気モル分率が0.03以上1以下の雰囲気下でギブサイト型水酸化アルミニウムを加熱処理することを含む。
大気圧以上0.3MPa以下の圧力下、水蒸気モル分率が0.03以上1以下の、水分を含む雰囲気中でギブサイト型水酸化アルミニウムを加熱処理することにより、アルミナへの脱水とそれに起因するBET比表面積の上昇が大幅に抑制され、かつ最外表面の欠陥部分が少ない、耐熱性が高い水酸化アルミニウムを得ることができる。
加熱処理を行うときの圧力は、大気圧以上0.3MPa以下である。加熱時の圧力が高いと、ベーマイトへの転移が進行するおそれがあるため、出来る限り低い方が好ましい。このため、圧力は0.3MPa以下、好ましくは0.2MPa以下である。具体的には、水蒸気を加熱装置内に導入するときに生じる圧力差程度である。
加熱処理は、水蒸気モル分率が0.03以上1以下の水分を含む不活性ガス雰囲気下で行う。なお、水蒸気モル分率が1である場合は、100%水蒸気中で加熱処理を行う。水蒸気モル分率が0.03よりも小さいと、粒子内部まで熱履歴が付与される前に、最外表面からの過剰な脱水が進行してしまい、十分に耐熱性を向上させることができない。水蒸気モル分率を0.03以上とするのは、ギブサイト型水酸化アルミニウムの粉体温度が180℃以上に達してからでもよく、または加熱前からでもよい。また、加熱処理の途中に水蒸気モル分率が一時的に0.03よりも小さくなった場合、直ぐに最外表面からの脱水が進行するため、粉体を回収するまでの間は0.03以上の水蒸気モル分率を保持することが好ましい。
水蒸気モル分率は、(水蒸気のモル濃度)/〔(水蒸気のモル濃度)+(不活性ガスのモル濃度)〕の式から、所定の熱処理温度において供給される水蒸気および不活性ガスの体積および水と不活性ガスの分子量から算出できる。不活性ガスとしては、空気、窒素などが挙げられる。特に好ましくは空気であり、空気を用いる場合の分子量は29である。
加熱処理を行う温度は、180℃以上300℃以下であり、より好ましくは200℃以上280℃以下、さらに好ましくは220℃以上260℃以下である。この温度条件下で加熱することにより、粉体の温度を180℃以上300℃以下に上昇させなければならない。加熱処理温度が180℃未満の場合には、長時間加熱処理を行っても耐熱性の向上には限界がある。一方で300℃を超える場合、水蒸気が存在する条件下であってもアルミナへの脱水を抑制することが困難となり、BET比表面積の増大および耐熱性の低下を招く。
加熱処理を行う時間は、通常1分以上360分以下、好ましくは10分以上240分以下である。加熱処理を行う時間は、加熱温度および水蒸気モル分率によっても最適な時間が異なるため、適宜調整すればよい。
本発明の加熱処理においては、水酸化アルミニウムの粒子内部からナトリウムが粒子表面へ移動し、可溶性ナトリウムとなることがある。この可溶性ナトリウムの増加は、水酸化アルミニウム自体の耐熱性を悪化させるものではないが、可溶性ナトリウムが粒子表面に存在することにより水酸化アルミニウムの導電率が高くなる。絶縁性を求められる用途においてはこの導電率を低減させることが好ましい。この場合、ケイ素化合物とともに水酸化アルミニウムを加熱処理することによって、耐熱性を低下させることなく、導電率のみを低減させることができる。
ケイ素化合物としては、具体的にはシリカ、ヘキサフルオロケイ酸ナトリウム、ヘキサフルオロケイ酸カリウムのような粉末状ケイ素化合物、もしくはシリケート、シリコーンのような液状ケイ素化合物が挙げられる。
粉末状のケイ素化合物としては、シリカ粉末を用いることが好ましい。また、そのBET比表面積は、5m/g以上300m/g以下が好ましく、更に好ましくは30m/g以上である。BET比表面積が小さすぎる場合には、水酸化アルミニウム表面との接触面積が小さくなるため、導電率低下の効果が小さくなり、大きすぎる場合には、シリカ成分が水分を多く吸着するため、逆に絶縁性が低下するため、BET比表面積が前記範囲にあることが好ましい。
粉末状のケイ素化合物を用いる場合、原料であるギブサイト型水酸化アルミニウムとの混合は、特に限定されるものではなく、ヘンシェルミキサーやV型ブレンダー、気流混合機などの公知の混合機を用いればよい。
液状ケイ素化合物を用いる場合、好ましくはシリケートを用いることが好ましい。具体的には、一般式Si(OR)(式中、Rは炭素数1〜2のアルキル基である)で示されるシリケートの単量体あるいはその重合体が好ましく、メチルシリケートおよびエチルシリケートが挙げられる。中でも、反応性が高いという点において、メチルシリケートがより好ましい。またその重合体としては、メチルシリケートあるいはエチルシリケートの2〜5量体が好ましく、メチルシリケートの2〜5量体が特に好ましい。
液状ケイ素化合物は、常温下で公知の混合機を用いてギブサイト型水酸化アルミニウムと混合し、その後加熱処理を施すことができる。また、例えば、ギブサイト型水酸化アルミニウムに液状のケイ素化合物を添加してヘンシェルミキサーのような撹拌式の混合機を用いて加熱しながら混合する方法、ギブサイト型水酸化アルミニウムの湿潤ケークに液状のケイ素化合物を添加して、ケークを乾燥させる工程で加熱しながら混合する方法などにより、原料となる水酸化アルミニウムと加熱下で混合することもできる。シリケートを100℃以上に加熱することにより加水分解・縮合反応が進行し、水酸化アルミニウム表面に固形物が析出される。これにより得られる液状ケイ素化合物の加水分解・縮合生成物をケイ素化合物として、加熱処理を施すことができる。加熱下で混合する場合には、ケイ素化合物の溶媒成分を除去して混合粉末を作製するために、ケイ素化合物と水酸化アルミニウムの混合物の温度が100℃以上140℃以下となるように加熱しながら混合することが好ましい。
ケイ素化合物の添加量は、水酸化アルミニウム100重量部に対して、SiO換算で、好ましくは0.1重量部以上5重量部以下であり、より好ましくは0.3重量部以上3重量部以下である。ケイ素化合物の添加量を前記範囲とすることにより、ギブサイト型水酸化アルミニウムとの混合時に凝集塊を形成することなく、効果的に導電率を低下させることが可能となる。
加熱処理の方法は、水蒸気モル分率が0.03以上に保たれるような方法であれば特に限定されるものではなく、例えば、静置式であれば熱風乾燥機や電気炉、流動式であればロータリーキルンやパドルドライヤーなどを用いて行うことができる。熱風にて加熱処理する場合は、用いる熱風に水蒸気を含ませればよい。ロータリーキルンやパドルドライヤーを用いる場合は、装置内部に水蒸気を含む熱風を吹き込む必要がある。また、原料となるギブサイト型水酸化アルミニウムを含むスラリーをろ過・洗浄して得られたケークや水スラリーを、上記加熱処理で用いられる設備に導入し、乾燥とその後の加熱処理を連続的に行うこともできる。なお、原料となるギブサイト型水酸化アルミニウムが水分を含むケークや水スラリーの状態で加熱処理を行う場合には、原料となるギブサイト型水酸化アルミニウムに由来する水分量を考慮して、水蒸気モル分率が0.03以上1以下となるように導入する水蒸気の量を調整すればよい。
熱風に水蒸気を含ませる方法は、公知の方法を用いればよい。例えば、100℃以上に加熱した水蒸気を熱風と混合して装置内に導入する方法や、加熱装置内に水を液体の状態で連続的に導入し、加熱装置内で蒸発させながら、乾燥した熱風と装置内で混合する方法などが挙げられる。
加熱処理を行った後、水蒸気を含む雰囲気から水酸化アルミニウムを分離・回収し、必要に応じて乾燥させることにより耐熱水酸化アルミニウムを得ることができる。本発明の方法により製造される水酸化アルミニウムは、通常、粉末状であり、分離・回収するときの粉体温度は好ましくは110℃以上であり、より好ましくは120℃以上である。分離・回収する水酸化アルミニウムの粉体温度が前記温度である場合、分離時に少量同伴する水蒸気が粉末表面で液滴化して吸着水分量が高くなるのを防ぐことができる。なお、粉体温度の上限は、特に限定されるものではないが、通常140℃程度である。また、乾燥を行う場合、粉体温度を110℃以上、通常140℃以下に保持した状態としつつ、分離・回収したときに同伴した水蒸気を除去すればよい。
本発明の方法において原料として用いるギブサイト型水酸化アルミニウムは、一般的にバイヤー法によって製造されるギブサイト型水酸化アルミニウム粉末(以下、「原料粉末」ともいう)である。バイヤー法とは、過飽和状態のアルミン酸ナトリウム水溶液を製造し、この水溶液に種子を添加して水溶液中に含まれるアルミ分を析出させる方法であり、得られた水酸化アルミニウムを含むスラリーを洗浄、乾燥して水酸化アルミニウム粉末が得られる。得られた水酸化アルミニウムの結晶構造は、Al(OH)もしくはAl・3HOの式で示されるギブサイトである。なお、上述したとおり、原料として用いるギブサイト型水酸化アルミニウムは、粉末状だけでなく水分を含むケークや水スラリーの状態で加熱処理設備に導入し、乾燥と加熱処理を連続的に行うこともできる。
本発明の方法に用いる原料粉末の粒子径は、好ましくは1μm以上10μm以下であり、より好ましくは2μm以上5μm以下である。なお、本発明において、原料粉末の平均粒子径は、レーザー散乱法によって測定された粒度分布において、体積基準で50%となる粒子径をいう。原料粉末の粒子径が10μmよりも大きいと、樹脂に充填したときの難燃性が低下するだけでなく電線被覆材やプリント基板などに使用した場合に表面の平滑性が悪くなる傾向にある。逆に1μmよりも小さいと、樹脂に充填するときの粘度が高くなり、樹脂組成物を製造することが困難になる。また、表面積が大きくなるため、加熱処理後に大気中から吸着する水分量が増え、樹脂に充填したときの樹脂組成物の絶縁性が低下するだけでなく、このわずかな水分が樹脂との充填を行う加工温度で脱離してしまい、外観不良を招くおそれがある。
原料粉末の全ナトリウム含有量は、NaO換算で好ましくは0.2重量%以下、より好ましくは0.1重量%以下、さらに好ましくは0.05重量%以下であり、通常0.01重量%以上である。一般的に水酸化アルミニウムの耐熱性を高くするにはNaO含有量を低減することが好ましいとされている。一方で、本発明の加熱処理を行うときに、ナトリウムを多く含むと最外表面だけでなく内部からの分解を促進してしまうため、全ナトリウム含有量は少ない方が好ましい。全ナトリウム含有量は、例えばJIS−R9301−3−9に記載されているような、分光分析方法で測定することができる。
原料粉末の可溶性ナトリウムは可及的に低減するのがよいが、通常NaO換算で0.01重量%以下であり、特に好ましくは0.005重量%以下である。可溶性ナトリウム量は、試料を温水に浸して可溶性ナトリウムを抽出した後、例えばJIS−R9301−3−9に記載されているような、分光分析方法で測定することができる。
原料粉末のBET比表面積は、好ましくは0.5m/g以上5m/g以下であり、より好ましくは4m/g以下、さらに好ましくは3m/g以下である。原料粉末のBET比表面積が0.5m/gよりも小さいと粒子径も大きくなり、また、加熱処理後のBET比表面積が1.5m/gよりも小さくなる。一方、5m/gよりも大きいと、加熱処理後のBET比表面積が8m/gよりも大きくなり、大気中の水分を吸着する量が増える。したがって、BET比表面積が前記範囲にある原料粉末を用いることにより、加熱処理後に吸着する水分量を低減することができ、樹脂に充填したときの絶縁性低下を抑制するだけでなく、樹脂への充填を行う加工温度における吸着水分由来の脱水に起因する外観不良を防ぐことができる耐熱水酸化アルミニウムを得ることができる。
本発明の水酸化アルミニウムは、最外表面での脱水に伴う欠陥が少ないことが特徴である。ここで、「脱水に伴う欠陥」とは、水酸化アルミニウムの表面から、水酸化アルミニウムの結晶を構成する水分子が脱離することに伴い生じる空隙部分を意味する。脱水に伴う欠陥の量は、アルミニウム原子(Al)に対する酸素原子(O)の存在比から算出できる。すなわち、脱水が進行することによりHOが脱離し、Alに対するOの存在比が低下することになるため、水酸化アルミニウムの表面におけるAlとOの存在比を測定することにより脱水に伴う欠陥の程度を推定することができる。具体的には、この存在比は、物質の表面から数nmの深さを分析することができるX線光電子分光法(以下、「XPS」ともいう)によって測定することができる。XPS測定で検出される酸素(O1s)、アルミニウム(Al2p)のピークの面積強度比(以下、「O1s/Al2p面積強度比」ともいう)は、アルミニウムに対する酸素の存在比であると解釈できる。Al(OH)で表されるギブサイトの測定を行った場合の理論強度比は3であり、AlOOHで表されるベーマイトでは2となるが、現実の測定値においては、表面に付着した水分由来の酸素原子の分だけ酸素存在割合が増えることになる。一方で、加熱処理により最外表面からの脱水が進行した水酸化アルミニウムは、結晶水の脱離に起因する欠陥が増加することによりO1s/Al2p面積強度比は3よりも小さくなっていくと推察され、この強度比を測定することで、数nmの表面においてどの程度水分子の転移が起きているかを推定することができる。
XPSで測定された本発明の水酸化アルミニウムのO1s/Al2p面積強度比は、2.55以上2.85以下であり、好ましくは2.57以上2.83以下であり、さらに好ましくは2.60以上2.80以下である。2.85よりも大きいと、水酸化アルミニウムに対して十分な熱履歴が付与されておらず、耐熱性の向上は限定される。一方、2.55よりも小さいと、粒子内部の熱履歴は十分であっても水酸化アルミニウム表面の欠陥が多い状態であり、耐熱性は向上しない。
本発明の水酸化アルミニウムは粉末状であり、本発明の水酸化アルミニウムのBET比表面積は、1.5m/g以上8m/g以下であり、好ましくは1.5m/g以上6m/g以下、さらに好ましくは1.5m/g以上5m/g以下である。BET比表面積が1.5m/gよりも小さいと、難燃性が低下する。また、8m/gよりも大きいと、加熱処理を実施した後に大気中の水分を吸着する量が増え、樹脂に充填したときに絶縁性を低下させるだけでなく、このわずかな水分が樹脂との充填を行う加工温度で脱離してしまい、外観不良を起こしてしまう。
本発明の水酸化アルミニウムは、100℃に加熱した場合に脱水される水分量が好ましくは0.5重量%以下、より好ましくは0.4重量%以下、さらに好ましくは0.3重量%以下である。前記水分量が0.5重量%よりも多いと絶縁性が低下するだけでなく、表面の欠陥が吸着した水分で覆われた状態となり、O1s/Al2p強度比が見かけ上大きくなる。しかしながら、最外表面の欠陥は増えている状態になっているため、耐熱性は逆に低下する。
本発明の水酸化アルミニウムは高い耐熱性を有する。具体的には、一般的なギブサイト型水酸化アルミニウムに見られるベーマイトショルダーと呼ばれる熱分解初期の急激な重量減少を示さない。本発明の水酸化アルミニウムは、粉末の状態で高い耐熱性を示すだけでなく、樹脂に配合した状態において特に高い耐熱性を示す。さらに、表面の欠陥を増加させることなく粒子内部まで高い熱履歴を付与しているため、脱水が開始される温度が高くなる。具体的には、本発明の水酸化アルミニウムの脱水が開始する温度は、樹脂中において255℃付近である。したがって、230〜240℃付近を加工温度域とするような樹脂に対しても難燃剤として好適に配合することができる。なお、脱水が開始する温度は、示差熱重量分析装置を用いて、エポキシ樹脂100重量部に対して水酸化アルミニウム150重量部を配合したエポキシ樹脂組成物の重量が0.3%減少したときの温度を測定することにより間接的に評価することができる。
本発明の水酸化アルミニウムは、難燃剤として機能するための十分な脱水量を有する。具体的には、100℃から400℃まで加熱し昇温したときの脱水量が25重量%以上であることが好ましく、27重量%以上であることがより好ましく、30重量%以下であることが好ましく、29重量%以下であることがより好ましい。前記脱水量が25重量%よりも少ないと、難燃剤としての機能が低下し、樹脂組成物に対してより多くの水酸化アルミニウムを配合する必要が生じる。また、400℃までの脱水量が減少するということは、実質的にギブサイト構造に由来する脱水量が減少し、アルミナへの転移が進行していることを意味し、そのような水酸化アルミニウムでは欠陥が増えており耐熱性も低下する。
本発明の水酸化アルミニウムは、一部に結晶構造としてベーマイトを有している。これは、大気圧下の加熱処理であっても、粒子の内部は密閉された環境となるために、加熱処理によってベーマイトへの転移が起こるためである。本発明の水酸化アルミニウムに含まれるベーマイトの含有量は、好ましくは3%以上13%以下、より好ましくは6%以上13%以下である。ベーマイトの含有量は、粉末X線回折測定により、JCPDSカード 70−2038(ギブサイトに相当)と対比し、(002)面に相当するピークおよびJCPDSカード 83−1505(ベーマイトに相当)と対比し、ベーマイトの(020)面に相当するピークの面積S(002)、S(020)を求めた。この2つのピーク面積と以下の式を用いてベーマイト含有量を算出した。
ベーマイト含有率(%)=S(020)/〔S(020)+S(002)〕×100
前記特性を有する本発明の水酸化アルミニウムは、特に、水蒸気モル分率が0.03以上1以下の雰囲気下でギブサイト型水酸化アルミニウムを加熱処理する上述した本発明の製造方法により効率的に製造することができる。
さらに、ギブサイト型水酸化アルミニウムをケイ素化合物とともに加熱処理することにより得られる本発明の水酸化アルミニウムは、X線光電子分光法により測定された表面のNa1s結合エネルギーが、1071.0eV以上1072.0eV以下の範囲に極大値を有することを特徴とする。Na1s結合エネルギーが前記範囲にある場合、表面近傍に存在するナトリウムが、可溶性成分として水酸化アルミニウム表面から脱離することを抑制できる。なお、Na1s結合エネルギーはX線光電子分光法により測定することができる。
このようなNa1s結合エネルギーに特徴を有する本発明の水酸化アルミニウムは、0.1重量部以上5重量部以下のケイ素化合物とともに、水蒸気モル分率が0.03以上1以下の雰囲気下でギブサイト型水酸化アルミニウムを加熱処理する、上述した本発明の製造方法により特に効率的に製造することができる。
また、前記Na1s結合エネルギーが、1071.0eV以上1072.0eV以下の範囲に極大値を有する本発明の水酸化アルミニウムの全ナトリウム含有量は、NaO換算で、0.01重量%以上0.05重量%以下であることが好ましい。水酸化アルミニウム中のナトリウム含有量は、原料となるギブサイト型水酸化アルミニウムに含まれるナトリウム含有量に依存し、通常、原料のギブサイト型水酸化アルミニウム中のナトリウム含有量がそのまま加熱処理により得られる水酸化アルミニウムのナトリウム含有量となる。したがって、全ナトリウム含有量が、NaO換算で、0.01重量%以上0.05重量%以下であるギブサイト型水酸化アルミニウムを原料として用いることにより、全ナトリウム含有量が前記範囲にある水酸化アルミニウムを得ることができる。
本発明の水酸化アルミニウムは、樹脂との親和性の向上及び充填性の向上のために、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤、オレイン酸、ステアリン酸などの脂肪族カルボン酸、安息香酸などの芳香族カルボン酸、およびそれらの脂肪酸エステル、メチルシリケート、エチルシリケートなどのシリケート化合物などの表面処理剤により表面処理してもよい。表面処理は、乾式、湿式いずれの処理方法でも行うこともできる。
具体的に乾式表面処理方法としては、例えば、ヘンシェルミキサーやレディゲミキサー中で水酸化アルミニウム粉末と表面処理剤を混合させる方法、さらに均一に表面処理剤をコートするため、水酸化アルミニウム粉末と表面処理剤の混合物を粉砕機に投入して粉砕する方法などが挙げられる。
湿式表面処理方法としては、例えば、表面処理剤を溶媒へ分散もしくは溶解させ、得られた溶液中に水酸化アルミニウム粉末を分散させ、得られた水酸化アルミニウム分散液を乾燥させる方法などが挙げられる。
本発明の水酸化アルミニウムは、耐熱性が高く、吸着水分量が少ないという特徴を有しており、各種樹脂への充填材として適している。樹脂としては、例えば、ゴム、ポリプロピレンやポリエチレンなどの熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂などが挙げられる。
一般的に用いられる公知の方法を使用して、本発明の水酸化アルミニウムと樹脂を混合することにより樹脂組成物を得ることができる。
本発明の水酸化アルミニウムを各種樹脂に配合させた樹脂組成物の具体的な用途としては、例えば、プリント配線板やこれを構成するプリプレグなどの電子機器の電子部品等の部材の他、電線被覆材、ポリオレフィン成形材料、タイヤ、人造大理石などの建材、などが挙げられ、特に好ましい用途としては、加工時および使用時に高い耐熱性を要求されるプリント配線板や封止材などの電子機器の部品や、電線被覆材である。
以下に実施例および比較例を挙げ、本発明を更に詳細に説明する。
なお、実施例および比較例における水酸化アルミニウムの各物性の測定については、以下の方法で行った。
(1)平均粒子径
測定装置として、レーザー散乱式粒子径分布測定装置〔日機装社製「マイクロトラックMT−3300EXII」〕を用いた。水酸化アルミニウム粉末を0.2重量%ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液中に加え、測定可能濃度に調整した後、出力40Wの超音波を300秒間照射、もしくは出力25Wの超音波を120秒間照射した後に試料数2で測定し、その平均値から粒子径および粒子径分布曲線を求めた。平均粒子径は、50重量%相当粒子径(D50(μm))として求めた。
(2)BET比表面積
JIS−Z−8830に規定された方法に従って、全自動比表面積測定装置〔Mountech社製「Macsorb HM−1201」〕を用いて、窒素吸着法により求めた。
(3)ベーマイト含有率
粉末X線回折測定装置〔リガク社製「RINT−2000」〕を用い、X線源としてはCuを用い、以下の測定条件で実施した。
ステップ幅:0.02deg
スキャンスピード:0.04deg/sec
加速電圧:40kV
加速電流:30mA
上記測定条件で測定した結果と、JCPDSカード 70−2038(ギブサイトに相当)と対比し、(002)面に相当するピークおよびJCPDSカード 83−1505(ベーマイトに相当)と対比し、ベーマイトの(020)面に相当するピークの面積S(002)、S(020)を求めた。この2つのピーク面積と以下の式を用いてベーマイト含有量を算出した。
ベーマイト含有率(%)=S(020)/〔S(020)+S(002)〕×100
(4)酸素(O1s)、アルミニウム(Al2p)のピークの面積強度比(以下、O1s/Al2p)およびNa1sの結合エネルギー
X線光電子分光分析装置〔KRATOS社製「AXIS−ULTRA」〕を用いて測定した。測定条件、解析条件は以下に示す通りである。
1)測定条件
X線:AlKα(モノクロ)15kV 15mA
レンズモード:LowMag
Pass Energy:20eV
アパーチャー:SLOT
中和銃 Charge Balance:3.5V
Step:0.1eV
Dwell time:500ms
測定元素:Al2p、O1s、Na1s、C1s
帯電補正:C1s=284.6eVで補正
サンプリング:試料バーにカーボン製両面テープでワッシャーを固定し、そのワッシャー内に試料を充填
2)解析条件
解析ソフト:Casa XPS
解析手順 :
Al2p: 70〜78eVの範囲で観測されるAl2pピークの積分強度からshirley法を用いてバックグラウンド積分強度を差し引いた。得られた面積値に装置固有のAl2p感度係数を掛けて補正面積強度を得た。
O1s : 526〜536eVの範囲で観測されるO1sピークの積分強度からshirley法を用いてバックグラウンド積分強度を差し引いた。得られた面積値に装置固有のO1s感度係数を掛けて補正面積強度を得た。
上記方法により水酸化アルミニウム粉末の測定を行い、水酸化アルミニウム粉末の酸素およびアルミニウムのピークの面積強度比を求めた。O1s/Al2p面積強度比はそれぞれ試料を替えて2回ずつ測定し、2回の値の算術平均した値を測定値とした。
また、1068〜1075eVの範囲で観測されるNa1sピークの極大値を示すエネルギー値を試料を替えて2回測定し、2回の測定値の算術平均した値をNa1s結合エネルギーの極大値とした。
(5)水酸化アルミニウム粉末の耐熱性、脱水量
示差熱重量分析装置〔リガク社製「Thermo Plus TG8120」〕を用いて、試料量約10mg、露点温度−20℃以下の空気を流量100ml/分で流し、昇温速度10℃/分で常温から100℃まで昇温し、100℃で10分保持した後に、昇温速度10℃/分で400℃まで昇温させて、100℃で10分保持終了時点を基準として、重量が0.5%減少した温度(下記表1および2中の「粉末TG(℃)」)を測定して耐熱性を評価した。脱水量は100℃で10分保持終了した時点から400℃まで昇温した間に減少した重量で評価した。
(6)エポキシ樹脂組成物の耐熱性
ビスフェノールA型エポキシ樹脂〔新日鐵住金化学株式会社製「YD−128」〕100重量部、エポキシ樹脂の硬化剤であるジシアンジアミド6重量部、硬化促進剤である2−エチル4−メチルイミダゾール0.2重量部、溶剤であるジメチルホルムアミド30重量部、水酸化アルミニウム159.3重量部を混合し、5分間超音波照射を行って脱泡し、ワニスを作製した。アプリケーターを用いてアルミニウム基材上にワニスを塗布し、120℃で1時間乾燥して、プリプレグを作製した。プリプレグを170℃で1時間熱硬化して、60重量%の水酸化アルミニウムを含有する厚さ150μmのエポキシ樹脂組成物を作製した。エポキシ樹脂組成物を基材上から剥離し、約2mm四方に切断し、試料を作製した。示差熱重量分析装置〔リガク社製「Thermo Plus TG8120」〕を用いて、試料を数枚重ねて試料量約10mgとし、露点温度−20℃以下の空気を流量100ml/分で流し、昇温速度10℃/分で常温から100℃まで昇温し、100℃で10分保持した後に、昇温速度10℃/分で350℃まで昇温させて、170℃時点を基準として、重量が0.3%減少した温度(下記表1および2中の「エポキシTG(℃)」)を測定して耐熱性を評価した。
なお、水酸化アルミニウムの代わりに平均粒子径1μmのアルミナを配合して上記方法で硬化させて作製したエポキシ樹脂は、170℃時点での重量減少は0.5%以下、170℃時点を基準として、重量が0.3%減少した温度は274℃であった。この結果より、水酸化アルミニウムを配合したエポキシ樹脂組成物が0.3%減少した時点ではエポキシ樹脂は分解していないことを確認した。
(7)導電率
水酸化アルミニウム粉末10gと、導電率が1μS/cm未満の純水50gとを混合し、超音波照射を10分実施してスラリーを得た。導電率測定装置〔東亜電波工業社製「CM−60S」〕を用い、電極を25℃のスラリーに浸して10秒静置した後の数値を導電率とした。
(実施例1)
平均粒子径4.8μm、BET比表面積1m/g、NaO含有量0.04重量%のギブサイト型水酸化アルミニウム〔住友化学社製「CL−303」〕を、内容積216L、雰囲気温度230℃の熱風乾燥機内に30g仕込み、露点5℃の空気を0.9m/分で供給しながら、チューブポンプを用いて純水を18g/分の流量で供給し、大気圧下4時間加熱処理を行った。230℃の熱風乾燥機内の水蒸気モル分率は0.03であった。
加熱処理を行った後、乾燥機から取り出して水酸化アルミニウム粉末を得た。得られた水酸化アルミニウム粉末のBET比表面積は2.2m/g、ベーマイト含有率は8%、O1s/Al2p面積強度比は2.68であった。
(実施例2)
実施例1において加熱処理条件を、雰囲気温度を210℃、加熱処理時間を4時間とした以外は、実施例1と同様の方法により水酸化アルミニウム粉末を得た。得られた水酸化アルミニウム粉末のBET比表面積は2.2m/g、ベーマイト含有率は8%、O1s/Al2p面積強度比は2.66であった。
(実施例3)
実施例1において加熱処理条件を、雰囲気温度を250℃、加熱処理時間を1時間とした以外は、実施例1と同様の方法により水酸化アルミニウム粉末を得た。得られた水酸化アルミニウム粉末のBET比表面積は3.1m/g、ベーマイト含有率は10%、O1s/Al2p面積強度比は2.62であった。
(実施例4)
実施例1において加熱処理条件を、雰囲気温度を230℃、加熱処理時間を5時間とした以外は、実施例1と同様の方法により水酸化アルミニウム粉末を得た。得られた水酸化アルミニウム粉末のBET比表面積は3.7m/g、ベーマイト含有率は10%、O1s/Al2p面積強度比は2.62であった。
(実施例5)
内容積約4Lの円筒型の加熱装置に、実施例1で用いたギブサイト型水酸化アルミニウムを400g仕込み、加熱により水蒸気化した水を28g/分で供給し、230℃で30分加熱処理を行った。加熱装置内の水蒸気モル分率は1であった。
加熱処理終了後に粉末を取り出して水酸化アルミニウム粉末を得た。得られた水酸化アルミニウム粉末のBET比表面積は1.7m/g、ベーマイト含有率は7%、O1s/Al2p面積強度比は2.72であった。
(実施例6)
平均粒子径2.5μm、BET比表面積1.7m/g、NaO換算の全ナトリウム含有量0.05重量%のギブサイト型水酸化アルミニウムを、内容積216L、雰囲気温度230℃の熱風乾燥機内に30g仕込み、空気の供給は行わず、チューブポンプを用いて純水を15g/分の流量で供給するのみとして、大気圧下2時間加熱処理を行った。230℃の熱風乾燥機内の水蒸気モル分率は1であった。
加熱処理を行った後、乾燥機から取り出して水酸化アルミニウム粉末を得た。得られた水酸化アルミニウム粉末のBET比表面積は3.4m/g、ベーマイト含有率は8%、O1s/Al2p面積強度比は2.73であった。
(実施例7)
実施例6において用いたギブサイト型水酸化アルミニウムの代わりに、平均粒子径2.4μm、BET比表面積2.5m/g、NaO含有量0.13重量%のギブサイト型水酸化アルミニウム〔住友化学社製「C−302A」〕を用いた以外は、実施例6と同様の方法により水酸化アルミニウム粉末を得た。得られた水酸化アルミニウム粉末のBET比表面積は4.5m/g、ベーマイト含有率は9%、O1s/Al2p面積強度比は2.65であった。
(実施例8)
実施例6において用いたギブサイト型水酸化アルミニウムの代わりに、平均粒子径1.2μm、BET比表面積4.3m/g、NaO含有量0.20重量%のギブサイト型水酸化アルミニウム〔住友化学社製「C−301N」〕を用いた以外は、実施例6と同様の方法により水酸化アルミニウム粉末を得た。得られた水酸化アルミニウム粉末のBET比表面積は6.8m/g、ベーマイト含有率は6%、O1s/Al2p面積強度比は2.79であった。
(実施例9)
平均粒子径4.8μm、BET比表面積1m/g、NaO含有量0.04重量%のギブサイト型水酸化アルミニウム〔住友化学社製「CL−303」〕100重量部と純水10重量部、メチルシリケート〔三菱化学社製「MS−51」、SiO換算のケイ素含有量51重量%〕0.7重量部とを混合し、140℃に保持した熱風乾燥機内にて5時間乾燥を行った。その後、この粉末を内容積216L、雰囲気温度230℃の熱風乾燥機内に30g仕込み、露点5℃の空気を0.9m/分で供給しながら、チューブポンプを用いて純水を18g/分の流量で供給し、4時間加熱処理を行った。230℃の熱風乾燥機内の水蒸気モル分率は0.03であった。
加熱処理を行った後、乾燥機から取り出して水酸化アルミニウム粉末を得た。得られた水酸化アルミニウム粉末のBET比表面積は2.5m/g、ベーマイト含有率は8%、Na1s結合エネルギーは1071.4eVであった。
(実施例10)
実施例10において用いたギブサイト型水酸化アルミニウムの代わりに、平均粒子径2.4μm、BET比表面積2.5m/g、NaO含有量0.13重量%のギブサイト型水酸化アルミニウム〔住友化学社製「C−302A」〕100重量部と純水40重量部、メチルシリケート〔三菱化学社製「MS−51」、SiO2換算のケイ素含有量51重量%〕1.8重量部とを混合し、140℃に保持した熱風乾燥機内にて5時間乾燥を行った。この粉末を実施例6と同様の方法により加熱処理することで、水酸化アルミニウム粉末を得た。得られた水酸化アルミニウム粉末のBET比表面積は6.5m/g、ベーマイト含有率は8%、Na1s結合エネルギーは1071.1eVであった。
(実施例11)
平均粒子径1.2μm、BET比表面積4.3m/g、NaO含有量0.20重量%のギブサイト型水酸化アルミニウム〔住友化学社製「C−301N」〕100重量部と純水40重量部、メチルシリケート〔三菱化学社製「MS−51」、SiO2換算のケイ素含有量51重量%〕3.2重量部とを混合し、140℃に保持した熱風乾燥機内にて5時間乾燥を行った。この粉末を実施例6と同様の方法により加熱処理することで、水酸化アルミニウム粉末を得た。得られた水酸化アルミニウム粉末のBET比表面積は6.5m/g、ベーマイト含有率は6%、Na1s結合エネルギーは1071.2eVであった。
(比較例1)
平均粒子径4.8μm、BET比表面積1m/g、NaO含有量0.04重量%のギブサイト型水酸化アルミニウム〔住友化学社製「CL−303」〕を、内容積216L、雰囲気温度210℃の熱風乾燥機内に30g仕込み、露点5℃の空気を0.9m/分で供給し、大気圧下4時間加熱処理を行った。210℃の熱風乾燥機内の水蒸気モル分率は0.01であった。
この乾燥機内で4時間熱処理を行った後、取り出して水酸化アルミニウム粉末を得た。得られた水酸化アルミニウム粉末のBET比表面積は1.2m/g、ベーマイト含有率は5%、O1s/Al2p面積強度比は2.87であった。
(比較例2)
比較例1において加熱処理条件を、雰囲気温度を230℃、加熱処理時間を2時間とした以外は、比較例1と同様の方法により水酸化アルミニウム粉末を得た。得られた水酸化アルミニウム粉末のBET比表面積は2.0m/g、ベーマイト含有率は6%、O1s/Al2p面積強度比は2.48であった。
(比較例3)
比較例1において加熱処理条件を、雰囲気温度を240℃、加熱処理時間を35分とした以外は、比較例1と同様の方法により水酸化アルミニウム粉末を得た。得られた水酸化アルミニウム粉末のBET比表面積は3.1m/g、ベーマイト含有率は7%、O1s/Al2p面積強度比は2.48であった。
(比較例4)
比較例1において加熱処理条件を、雰囲気温度を240℃、加熱処理時間を2時間とした以外は、比較例1と同様の方法により水酸化アルミニウム粉末を得た。得られた水酸化アルミニウム粉末のBET比表面積は3.7m/g、ベーマイト含有率は8%、O1s/Al2p面積強度比は2.52であった。
(比較例5)
比較例1において加熱処理条件を、雰囲気温度を260℃、加熱処理時間を1時間とした以外は、比較例1と同様の方法により水酸化アルミニウム粉末を得た。得られた水酸化アルミニウム粉末のBET比表面積は6.5m/g、ベーマイト含有率は8%、O1s/Al2p面積強度比は2.51であった。
(比較例6)
平均粒子径が5.2μm、BET比表面積が0.8m/g、NaO含有量0.04重量%ギブサイト型水酸化アルミニウム100重量部と純水200重量部とを混合し、内容積1LのSUS製オートクレーブに仕込み、180℃で2時間水熱処理を行った。水熱処理後のスラリーを回収し、吸引ろ過で固液分離を行った後、120℃のオーブンで8時間静置乾燥を行い、水酸化アルミニウム粉末を得た。得られた水酸化アルミニウムのBET比表面積は0.8m/g、ベーマイト含有率は7%、O1s/Al2p面積強度比は2.78あった。
(比較例7)
比較例1において加熱処理条件を、雰囲気温度を230℃、加熱処理時間を4時間とした以外は、比較例1と同様の方法により水酸化アルミニウム粉末を得た。得られた水酸化アルミニウム粉末のBET比表面積は89m/g、ベーマイト含有率は12%であった。
(比較例8)
純水および空気の供給を行うことなく加熱処理した以外は、実施例9と同様の方法により水酸化アルミニウム粉末を得た。得られた水酸化アルミニウム粉末のBET比表面積は89m/g、ベーマイト含有率は13%であった。
(粉末、エポキシ樹脂組成物の耐熱性)
実施例と比較例で得られた水酸化アルミニウム粉末および実施例1で原料として用いたギブサイト型水酸化アルミニウム(比較例9)の評価結果を表1および2に示す。
(加熱による導電率の変化量)
(参考例1)
実施例7で得られた水酸化アルミニウム粉末10gと、導電率が1μS/cm未満の純水20gとを内容積50mlのSUS容器に入れ、水が蒸発しないように密閉した。このSUS容器を140℃のオーブン内で24時間加熱した。室温まで冷却した後に容器を開けて容器内のスラリーを純水30gで洗浄して全量回収し、総重量60gのスラリーを得た。導電率測定装置〔東亜電波工業社製「CM−60S」〕を用いて、25℃の温度でこのスラリーに電極を浸して10秒静置した後、その数値を記録した。
(参考例2)
実施例10で得られた水酸化アルミニウム粉末を用いた以外は、参考例1と同様の手順で加熱処理および導電率測定を行った。
実施例7、実施例10の水酸化アルミニウム粉末の導電率(表中「加熱処理前」)および参考例1、2の水酸化アルミニウム粉末の導電率(表中「加熱処理後」)を表3に示す。
Figure 2014193795
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上記の結果から、本発明の製造方法により製造した水酸化アルミニウム粉末は、表面の欠陥を抑制しつつ、高い耐熱性を有することがわかった。また、本発明の方法により製造した水酸化アルミニウム粉末は、エポキシ樹脂に配合した場合にも高い耐熱性を示すことがわかった。さらに、ケイ素化合物を共存させることにより、高い耐熱性は維持したまま、水酸化アルミニウム粉末の導電性を低下できることがわかった。

Claims (10)

  1. 大気圧以上0.3MPa以下の圧力下、水蒸気モル分率が0.03以上1以下の雰囲気下、180℃以上300℃以下の温度でギブサイト型水酸化アルミニウムを加熱処理することを含む耐熱水酸化アルミニウムの製造方法。
  2. ギブサイト型水酸化アルミニウムがバイヤー法によって製造されたものである、請求項1記載の製造方法。
  3. 加熱処理を行う時間が1分以上360分以下である、請求項1または2記載の製造方法。
  4. ギブサイト型水酸化アルミニウム100重量部に対して、SiO換算で0.1重量部以上5重量部以下のケイ素化合物とともに加熱処理をする、請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
  5. ケイ素化合物が、一般式Si(OR)(式中、Rは炭素数1〜2のアルキル基である)で示されるシリケートの単量体もしくはその重合体、またはそれらの加水分解・縮合生成物である請求項4記載の製造方法。
  6. BET比表面積が1.5m/g以上8m/g以下であり、X線光電子分光法を用いて測定された酸素とアルミニウムの面積強度比(O1s/Al2p)が2.55以上2.85以下である耐熱水酸化アルミニウム。
  7. ベーマイト含有量が3%以上13%以下である、請求項6記載の耐熱水酸化アルミニウム。
  8. BET比表面積が1.5m/g以上8m/g以下であり、ベーマイト含有量が3%以上13%以下であり、X線光電子分光により測定された表面のNa1s結合エネルギーが1071.0eV以上1072.0eV以下に極大値をもつ耐熱水酸化アルミニウム。
  9. 全ナトリウム含有量がNaO換算で0.01重量%以上0.05重量%以下である、請求項8記載の耐熱水酸化アルミニウム。
  10. 請求項6〜9のいずれかに記載の水酸化アルミニウムを含む樹脂組成物。
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