JP3284413B2 - 水和ジルコニアゾルおよびジルコニア粉末の製造方法 - Google Patents

水和ジルコニアゾルおよびジルコニア粉末の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ジルコニア薄膜製造用
の原料、ジルコニア系セラミックス原料粉末等に用いら
れる水和ジルコニアゾルおよびジルコニア粉末の製造方
法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、水和ジルコニアゾルの製造方法と
しては、 ジルコニウム塩水溶液を加圧下、120〜300℃で
水熱処理することにより水和ジルコニアゾルを得る方法
(米国特許2984628号明細書) 水酸化ジルコニウムを含有する水溶性懸濁液をpH1
〜5.5の酸性雰囲気下で加熱する方法(特開昭64−
76919) ジルコニウム塩水溶液を加水分解処理したあと、0.
1〜0.3μmのものを沈降法などで分離する方法(特
開昭58−217430公報) ジルコニウムを含む共沈水酸化物を水熱処理する方法
(Trans.J.Brit.Ceram.Soc.,
79,105(1980)) 等が知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、および
の方法によって得られる水和ジルコニアゾルは、粒子径
が0.05μmよりも小さいものしか得られず、そのよ
うな小さい粒子径では仮焼の際強固な凝集が起こり、得
られるジルコニア粉末が成形しにくく、セラミックス原
料粉末に適さないものとなる。の方法は、加水分解反
応により得られた水和ジルコニアゾルを遠心分離する方
法であるが、粒子径0.1〜0.3μmのゾルしか取り
出すことができず、また、このようなサブミクロンの粒
子径を遠心分離する単位操作の工業化は難しく、且つ生
産効率が悪いために実用的ではない。の方法で得られ
る水和ジルコニアゾルは、平均粒径0.15μmのもの
しか得られず、また、190℃の反応温度で水熱処理し
なければならないために工業的に実用的な方法でない。
【0004】本発明は、このような従来方法における欠
点を解消した、即ち、ジルコニア系セラミックス原料粉
末の中間体である水和ジルコニアゾルの平均粒径を簡易
なプロセスにより0.05〜0.3μmの範囲内に制御
して、種々の用途に適するジルコニア粉末を製造するこ
とができる方法の提供を目的とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者らが、水酸化ジ
ルコニウムと酸とを含むスラリー状の混合物を加熱処理
することにより得られる水和ジルコニアゾルの生成メカ
ニズムについて詳細に検討したところ、水酸化ジルコニ
ウムと酸とを含むスラリー状の混合物の酸濃度を制御す
るだけで水和ジルコニアゾルの粒子径を容易に制御で
き、さらに該ゾルまたはジルコニア系セラミックスの製
造に常用されるイットリア,カルシア,マグネシア,セ
リアなどの安定化物の混合物を仮焼すると、水和ジルコ
ニアの粒子径がジルコニア粉末の1次粒子の大きさにほ
ぼ対応することから、スラリ−混合物の酸濃度の制御に
より種々の粒子径をもつ水和ジルコニアゾルを製造する
ことができ、この水和ジルコニアゾルを用いて種々の1
次粒子径をもつジルコニア粉末、即ち、種々の特性をも
つジルコニア粉末を容易に製造することができることを
見い出し本発明を完成するに至った。
【0006】本発明は、水酸化ジルコニウムと酸とを含
むスラリー状の混合物の酸濃度を制御して加水分解処理
することを特徴とする、水和ジルコニアゾルの製造法、
を要旨とするものである。以下本発明を更に詳細に説明
する。本発明で得られる水和ジルコニアゾルの粒径は、
電子顕微鏡による粒径観察または粒度分布測定器による
粒径測定、例えば光子相関法等で得られる。本発明にお
いて、水和ジルコニアゾルの粒径制御の骨子は、水酸化
ジルコニウムと酸とを含む懸濁液の酸濃度と反応により
生成する水和ジルコニアゾルの平均粒径との間に、水酸
化ジルコニウムのスラリー濃度に無関係に、一定の関係
が得られるところである。
【0007】以下、具体的に水酸化ジルコニウムと塩酸
との混合物スラリーを煮沸温度で加熱した場合について
説明する。混合物スラリーの塩酸濃度に対する生成水和
ジルコニアゾルの平均粒径の変化について調べていく
と、塩酸濃度0.5mol/l以下では、濃度増加とと
もに水和ジルコニアゾルの平均粒径は単調に大きくな
り、約0.5mol/lの塩酸濃度で平均粒径0.3μ
m程度の水和ジルコニアゾルが得られ、さらに0.5m
ol/l以上になると濃度増加とともに単調に平均粒径
は減少していく傾向を示すことから、0.5mol/l
以下または0.5mol/l以上で塩酸濃度を変化させ
ることにより水和ジルコニアゾルの平均粒径を0.3μ
m以下の範囲内で制御できる。ここで、水酸化ジルコニ
ウムのスラリー濃度は、上記に記述したとおり、スラリ
ー状態であればいかなる濃度に設定してもよいが、好ま
しくは0.05から2.0mol/lの範囲内がよく、
さらに好ましいスラリ−濃度は、0.1から1.5mo
l/lである。スラリ−濃度が0.05mol/l以下
になると工業的大量生産に適さず、2.0mol/l以
上になるとスラリーの粘度が高くなり、反応の条件設定
が難しくなる。また、混合スラリーの塩酸濃度は、0.
05〜1.5mol/lの範囲内が好ましく、この範囲
内で0.05〜0.3μmの平均粒径をもつ水和ジルコ
ニアゾルが得られる。0.05mol/lよりも小さ
く、また1.5mol/lよりも大きくなると、得られ
る水和ジルコニアの平均粒径は0.05μmよりも小さ
くなる。
【0008】ところで、塩酸以外の酸を用いても酸濃度
に対する水和ジルコニアゾル粒子径の変化は、上記に記
述してある傾向とほとんど一致するが、平均粒径が最大
になる酸濃度の条件は必ずしも一致せず、若干ずれる傾
向がある。
【0009】本発明において用いられる水酸化ジルコニ
ウムの製造法としては種々の方法が選択でき、例えば、
水溶性のジルコニウム塩水溶液をアルカリで中和するこ
とにより水酸化ジルコニウムを得ることができる。ここ
で用いられる水溶性ジルコニウム塩としては、オキシ塩
化ジルコニウム,硝酸ジルコニウム,硫酸ジルコニウ
ム,塩化ジルコニウム等であり、またアルカリとして
は、アンモニア,水酸化ナトリウム,水酸化カリウム等
が挙げられるが、これらの他に熱分解して塩基性となる
尿素のような化合物でもよい。
【0010】本発明で水酸化ジルコニウムに混合する酸
としては、塩酸,硝酸,硫酸等の無機酸を挙げることが
できるが、これらの他に水溶性の無機塩で水溶液にする
と酸性を示すような化合物でもよく、例えば、オキシ塩
化ジルコニウム,硝酸ジルコニウム,硫酸ジルコニウ
ム,塩化ジルコニウム等である。また、その他に酢酸,
クエン酸等の有機酸を用いてもよい。
【0011】上記で調製した水酸化ジルコニウムと酸と
の混合物スラリーを加熱するわけであるが、その加熱温
度は、80以上150℃以下が好ましく、さらに好まし
い温度は、90℃以上煮沸温度以下がよい。反応温度が
150℃よりも高くなると、水和ジルコニアゾルの平均
粒径の制御幅が小さくなり、目的とする0.05〜0.
3μmの平均粒径をもつ水和ジルコニアゾルが製造でき
ず、さらに水熱合成領域であることから工業的な大量生
産が困難になるため実用的でなくなる。反応温度が80
℃未満になると加水分解反応の完結に長大な時間を要す
るため、生産効率が低下する。
【0012】本発明では、上記で得られた水和ジルコニ
アゾルの懸濁液を乾燥させたあと、仮焼してジルコニア
粉末を製造する。このときに安定化剤の固溶しているジ
ルコニア粉末を製造する場合には、水和ジルコニアゾル
の懸濁液に安定化剤、例えばY,Ca,Mg,Ce等の
化合物を添加して乾燥しても良く、また、水和ジルコニ
アゾルを製造するときに前もって添加していてもよい。
【0013】
【作用】水和ジルコニアゾルの粒子径が、水酸化ジルコ
ニウムと酸とを含むスラリー状の混合物の酸濃度に依存
する理由は明らかではないが、得られる水和ジルコニア
ゾルの構造を解析すると、結晶性のよい1次粒子が凝集
した2次粒子からなっており、スラリー状の混合物の酸
濃度は、その2次粒子径に作用する因子と考えられ、反
応により生成する1次粒子間の相互作用と酸濃度との相
乗作用により、1次粒子間の凝集結合が促進され、生成
2次粒子の粒径に影響することによるものと推察され
る。
【0014】
【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
種々の用途に適するジルコニア系セラミックス原料粉末
の中間体である平均粒径0.05〜0.3μmの範囲内
に制御した水和ジルコニアゾルおよびその水和ジルコニ
アゾルを用いて種々の用途に適するジルコニア粉末を製
造することができる。本発明で得られる水和ジルコニア
ゾルは、水酸化ジルコニウムと酸とを含むスラリー状の
混合物の酸濃度,反応温度に依存するので、これらの条
件を適宜設定することによって、水和ジルコニアゾルの
平均粒径を0.05〜0.3μmの範囲内で容易に制御
することができる。
【0015】
【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。 実施例1 0.4mol/lのオキシ塩化ジルコニウム1リットル
にアンモニア水を加えて水酸化ジルコニウムを調製し
た。この水酸化ジルコニウムを濾過,水洗したあと、1
mol/lの塩酸0.5リットルを添加してさらに蒸留
水を加えて、水酸化ジルコニウムのスラリー濃度0.4
mol/l、塩酸濃度0.5mol/lの混合物スラリ
ーを調製した。この原料液を攪拌しながら、煮沸温度で
100時間反応を行った。得られた水和ジルコニアの光
子相関法による平均粒径は0.25μmであった。上記
で得られた水和ジルコニアゾルの懸濁液に、塩化イット
リウムを4.85g添加して、乾燥,仮焼した。得られ
たジルコニア粉末の電子顕微鏡観察による平均粒径は、
0.21μmであり、水和ジルコニアゾルの平均粒径と
ほぼ一致した。
【0016】実施例2 実施例1と同様な方法で水酸化ジルコニウムを合成し、
水酸化ジルコニウムのスラリー濃度0.4mol/l、
塩酸濃度0.05mol/lの混合物スラリーを調製し
た。この原料液を攪拌しながら、煮沸温度で100時間
反応を行った。得られた水和ジルコニアの光子相関法に
よる平均粒径は0.05μmであった。
【0017】実施例3 実施例1と同様な方法で水酸化ジルコニウムを合成し、
水酸化ジルコニウムのスラリー濃度0.4mol/l、
塩酸濃度0.8mol/lの混合物スラリーを調製し
た。この原料液を攪拌しながら、煮沸温度で100時間
反応を行った。得られた水和ジルコニアの光子相関法に
よる平均粒径は0.08μmであった。
【0018】実施例4 実施例1と同様な方法で水酸化ジルコニウムを合成し、
水酸化ジルコニウムのスラリー濃度0.2mol/l、
塩酸濃度0.05mol/lの混合物スラリーを調製し
た。この原料液を攪拌しながら、煮沸温度で100時間
反応を行った。得られた水和ジルコニアの光子相関法に
よる平均粒径は0.25μmであった。
【0019】実施例5 実施例1と同様な方法で水酸化ジルコニウムを合成し、
水酸化ジルコニウムのスラリー濃度0.8mol/l、
塩酸濃度0.9mol/lの混合物スラリーを調製し
た。この原料液を攪拌しながら、煮沸温度で100時間
反応を行った。得られた水和ジルコニアの光子相関法に
よる平均粒径は0.08μmであった。
【0020】比較例1 実施例1と同様な方法で水酸化ジルコニウムを合成し、
水酸化ジルコニウムのスラリー濃度0.4mol/l、
塩酸濃度0.02mol/lの混合物スラリーを調製し
た。この原料液を攪拌しながら、煮沸温度で150時間
反応を行った。得られた水和ジルコニアの光子相関法に
よる平均粒径は0.03μmであった。
【0021】上記で得られた水和ジルコニアゾルの懸濁
液に、塩化イットリウムを4.85g添加して、乾燥,
仮焼した。得られたジルコニア粉末の電子顕微鏡観察に
よる平均粒径は0.025μmであり、粒子間の焼結が
激しい凝集物であることが認められた。
【0022】比較例2 実施例1と同様な方法で水酸化ジルコニウムを合成し、
水酸化ジルコニウムのスラリー濃度0.4mol/l、
塩酸濃度2.0mol/lの混合物スラリーを調製し
た。この原料液を攪拌しながら、煮沸温度で200時間
反応を行った。得られた水和ジルコニアの光子相関法に
よる平均粒径は0.02μmであった。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C01G 25/02 CA(STN)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】水酸化ジルコニウムと酸とを含むスラリー
    状の混合物の酸濃度を制御して加熱処理することを特徴
    とする平均粒径0.05〜0.3μmの水和ジルコニア
    ゾルの製造方法。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第一項記載の水和ジルコニ
    アゾルの懸濁液を乾燥したあと、仮焼することを特徴と
    するジルコニア粉末の製造方法。
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