JP3286679B2 - 水和ジルコニアゾルの製造方法 - Google Patents

水和ジルコニアゾルの製造方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は水和ジルコニアゾルに関
する。水和ジルコニアゾルは酸化ジルコニウム粉末の原
料あるいは混合酸化物のジルコニウム源等として用いら
れる。さらに、酸化ジルコニウム粉末は、通常他の粉末
と混合され、成形し、焼結することによって、各種の材
料が製造される。たとえば、固体電解質、圧電体、耐摩
耗材、研磨材等の製造に多量に使用されている。また、
これにイットリア、マグネシア、カルシア等の安定化剤
を添加したものは、安定化あるいは部分安定化ジルコニ
ア焼結体からなる構造材料等の製造に使用される。
【0002】本明細書中『水和ジルコニア』とは、結晶
性水和ジルコニア、非晶質水和ジルコニアなどと称され
るものをいう。また、『加水分解率』とは、加水分解反
応における原料仕込み量に対する水和ジルコニアゾル生
成量の比率をいい、本発明において水和ジルコニアゾル
生成量には、未成長の水和ジルコニアを含まない。
【0003】
【従来の技術】従来、水溶性ジルコニウム塩を加水分解
する方法は、得られる粉末が均一微細となることが期待
できるために広く行われてきた。その方法としては、 (a)水溶性ジルコニウム塩を含む水溶液を煮沸加水分
解処理する方法(Inorg.Chem.3,146
(1964)) (b)ジルコニウム塩を含む水溶液を加熱加水分解した
後、限外濾過する方法(特開昭63−185821) (c)水溶性ジルコニウム塩を含む水溶液を加水分解し
た後に有機溶媒を加え、加熱蒸留する方法(特公昭59
−39366号公報)等が知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術には依然問題が残っている。それは、水和ジルコニア
ゾルが均一微細であると考えられるにもかかわらず、そ
の水和ジルコニアゾルを乾燥、仮焼して得られる酸化ジ
ルコニウム粉末の成形性、焼結性が必ずしも良好でな
く、該粉末から得られるジルコニア焼結体の密度、強度
が低くなるという問題である。以下、従来技術とともに
さらに説明する。 (a)の方法においては、90%以上という高い加水分
解率の水和ジルコニアゾルを得ることが難しかった。こ
れは、従来技術では、加水分解反応が進行して高い加水
分解率になった反応液中の未反応物及び未成長の水和ジ
ルコニアを成長させることが難しかったためである。
【0005】前記未反応物及び未成長の水和ジルコニア
が、得られた水和ジルコニアゾルを乾燥、仮焼して酸化
ジルコニウム粉末を製造するにあたり、粉末の強固な凝
集の原因となっていた。さらに、加水分解率を従来から
行われているEDTAによる滴定で測定した場合、この
未成長の水和ジルコニアを観測できず、そのために加水
分解率は100%近くであると考えられていた。
【0006】(b)の方法においては、反応液中の未反
応物、及び未成長の水和ジルコニウム及びジルコニア水
和物を限外濾過することにより取り除く方法が開示され
ているが、加水分解率が低いため、依然、得られる水和
ジルコニアゾルは未成長であり、満足のいくものではな
かった。 (c)の方法においては、加水分解後に有機溶媒を加
え、加熱蒸留して従来の粉末の特性を改善する方法が開
示されているが、この方法も加水分解工程の本質的な改
良でないため、得られる粉末から反応液中の未反応物及
び未成長の水和ジルコニアの影響を完全に除くことは難
しかった。
【0007】以上のように酸化ジルコニウム粉末を製造
するにあたり、水溶性ジルコニウム塩を加水分解する方
法は、得られる粉末が均一微細となることが期待できる
ものの反応液中の未反応物及び未成長の水和ジルコニア
のために十分満足する粉末を得ることが難しかった。本
発明の目的は乾燥、仮焼して、高性能の酸化ジルコニウ
ム粉末を得ることのできる水和ジルコニアゾルを提供す
ることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは鋭意検討し
た結果、ジルコニウム塩水溶液を加水分解して加水分解
率70%以上の水和ジルコニアゾル溶液を得、更に該ゾ
ル溶液を濃縮しながら加水分解率を90%以上まで加水
分解させることを特徴とする水和ジルコニアゾルの製造
方法から得られた水和ジルコニアゾルが前記課題を解決
できることを見い出し発明を完成した。
【0009】以下その詳細について、製造方法とともに
説明する。本発明の水和ジルコニアゾルは加水分解率9
0%以上であることを必須とする。該加水分解率より低
いとゾル中に存在する未反応物及び未成長の水和ジルコ
ニアのために乾燥、仮焼して、良好な特性の酸化ジルコ
ニウム粉末を得るのが難しい。
【0010】該加水分解率は、95%以上であることが
より好ましい。本発明において、前記加水分解率は反応
液を限外濾過後、濾液中のZr量をICP(誘導結合プ
ラズマ)発光分光分析により測定して、加水分解率を求
めた。
【0011】限外濾過に使用する限外濾過膜としては、
分画分子量30万以上のものが好ましく、分画分子量3
00万以上のものがより好ましい。この測定方法によ
り、反応液中の未反応物の量及び未成長の水和ジルコニ
アの量を合わせた量を原料仕込み量から除いて加水分解
率とした。この方法によって、従来から行われているキ
レート滴定分析によって測定できなかった反応液中の未
反応物及び未成長の水和ジルコニアの量を測定できる。
【0012】本発明における水和ジルコニアゾルの平均
一次粒子径は10〜1000nmが好ましく、50〜5
00nmのものがより好ましい。前記平均一次径は、光
子相関法による粒度分布測定器等によって測定できる。
【0013】本発明における水和ジルコニアゾルは、
Y、Mg、Ca、Ce等の安定化剤、前記安定化剤の塩
及びその水溶液、さらには、その酸化物を添加させたも
の、すなわち仮焼後に安定化あるいは部分安定化ジルコ
ニア粉末を生成するようにしたものであってもよい。そ
の添加は、原料溶液に添加する、加水分解後、乾燥後、
又は仮焼後に添加するなど、その添加方法に制限はな
い。
【0014】本発明の水和ジルコニアゾルを製造するた
めに用いることのできるジルコニウム塩は、水溶性であ
ればいかなるものでもよく、例えば、塩化ジルコニウ
ム、硝酸ジルコニウム、硫酸ジルコニウム、オキシ塩化
ジルコニウム等を挙げることができる。さらには、前記
ジルコニウム塩の水溶液に水酸化ジルコニウムを含んだ
ものも使用できる。前記ジルコニウム塩として、好まし
くはオキシ塩化ジルコニウムを使用するのがよく、さら
には、オキシ塩化ジルコニウム水溶液の塩素含有量を低
下させたもの及び/又はオキシ塩化ジルコニウム水溶液
の一部を中和したものも好適に使用できる。
【0015】また、Y、Mg、Ca、Ce等の安定化
剤、前記安定化剤の塩及びその水溶液、さらには、その
酸化物を前記ジルコニウム塩の水溶液に添加したもの、
すなわち仮焼後に安定化あるいは部分安定化ジルコニア
粉末を生成するようにしたものであってもよく、前記安
定化剤を加水分解後に添加するのも好ましい。
【0016】ジルコニウム塩水溶液の濃度はZrについ
て2mol/リットル以下にするのが好ましい。該濃度
は低すぎると経済的でなく、高すぎると加水分解に時間
がかかる又は加水分解が困難になる恐れがあるため、さ
らに好ましくは、Zrについて0.05〜1mol/リ
ットルがよい。
【0017】前記水溶性ジルコニウム塩水溶液を加水分
解して、水和ジルコニアゾルを得る。加水分解は還流下
で煮沸加水分解する。前記還流下での加水分解は加水分
解率は、70%以上になるまで行なうのが好ましく、8
0%以上まで行なうのがさらに好ましい。該加水分解率
が低いと後工程において加水分解率を向上することが難
しく、本発明の加水分解率90%以上の水和ジルコニア
ゾルを得るのが難しい。
【0018】前記還流下での煮沸加水分解を行なう前
に、該水溶性ジルコニウム塩水溶液に種晶を添加しても
よい。種晶としては水和ジルコニア、酸化ジルコニウム
粒子などが好適に使用でき、結晶子径50nm以下、一
次粒子径10〜1000nmのものを使用するのが好ま
しい。
【0019】前記還流下での加水分解後、引き続いて濃
縮しながら加水分解する。前記濃縮は反応液の容量が1
/2〜1/20になるまで行うのが好ましく、1/5〜
1/10になるまで行うのがより好ましい。
【0020】濃縮後の水和ジルコニアゾルの濃度は、前
記水和ジルコニアゾル中の水和ジルコニアをZrO
して換算して、約10〜約2000g/リットル、好ま
しくは該換算値で100〜1000g/リットルの範囲
が好ましいが、乾燥条件等により一義的ではない。
【0021】以上のようにして加水分解率が90%以上
の水和ジルコニアゾルを得ることができる。得られた水
和ジルコニアゾルは、酸化ジルコニウム粉末の原料ある
いは混合酸化物のジルコニウム源等として用いられる。
【0022】また、得られた水和ジルコニアゾルから酸
化ジルコニウム粉末を製造する場合は、該ゾルを常法に
より乾燥して、水和ジルコニア粉末を得た後、仮焼して
酸化ジルコニアを得ることができる。
【0023】前記乾燥には、スプレ−ドライヤ−などが
好適に使用できる。さらに、前記仮焼温度としては、6
00〜1300℃から任意に選択することができる。
【0024】
【発明の効果】本発明の加水分解率90%以上の水和ジ
ルコニアゾルは、従来技術で得ること難しかった高い加
水分解率(反応液中の未反応物、未成長の水和ジルコニ
アの少ない)の高品質な水和ジルコニアゾルであり、酸
化ジルコニウム粉末の原料あるいは混合酸化物のジルコ
ニウム源等として用いられる。特に乾燥、仮焼して高性
能な酸化ジルコニウム粉末を製造することができる。得
られた酸化ジルコニウム粉末は、高性能の工業原料とな
る。
【0025】
【実施例】
実施例1 ZrO換算濃度50g/リットルのオキシ塩化ジルコ
ニウム水溶液を還流下で加水分解した後、該ZrO
算濃度が200g/リットルになるまで濃縮しながら、
さらに加水分解した。全加水分解時間は80時間であっ
た。加水分解率は、還流下で加水分解後84%、濃縮し
ながら加水分解後91%であった。加水分解率は、反応
液を分画分子量300万の限外濾過膜で濾過後、濾液の
ICP(誘導結合プラズマ)発光分光分析により測定し
た(以下同じ)。得られた水和ジルコニアゾルは平均1
次粒子径が90nmであった(光子相関法による粒度分
布測定器による、以下同じ)。
【0026】実施例2 Yに換算して3mol%(Y換算値とZr
換算値との合計に対する。以下、同じ)となるYC
を含む、ZrO換算濃度50g/リットルのオキ
シ塩化ジルコニウム水溶液を還流下で加水分解した後、
該ZrO換算濃度が200g/リットルになるまで濃
縮しながら、さらに加水分解した。全加水分解時間は8
0時間であった。加水分解率は、還流下で加水分解後8
4%、濃縮しながら加水分解後91%であった。得られ
た水和ジルコニアゾルは平均1次粒子径が100nmで
あった。
【0027】実施例3 Yに換算して3mol%となるYClを含む、
ZrO換算濃度50g/リットルのオキシ塩化ジルコ
ニウム水溶液を還流下で加水分解した後、該ZrO
算濃度が300g/リットルになるまで濃縮しながら、
さらに加水分解した。全加水分解時間は100時間であ
った。加水分解率は、還流下で加水分解後86%、濃縮
しながら加水分解後97%であった。得られた水和ジル
コニアゾルは平均1次粒子径が105nmであった。
【0028】実施例4 実施例1で得られたゾルをスプレードライヤーにより噴
霧乾燥した。得られた水和ジルコニア粉末は球状であ
り、その軽装嵩密度は1.25g/cmであった。該
粉末を850℃で2時間保持して仮焼して、酸化ジルコ
ニウム粉末を得た。
【0029】実施例5 実施例2で得られたゾルをスプレードライヤーにより噴
霧乾燥した。得られた水和ジルコニア粉末は球状であ
り、その軽装嵩密度は1.26g/cmであった。該
粉末を850℃で2時間保持して仮焼して、酸化ジルコ
ニウム粉末を得た。
【0030】実施例6 実施例3で得られたゾルをスプレードライヤーにより噴
霧乾燥した。得られた水和ジルコニア粉末は球状であ
り、その軽装嵩密度は1.29g/cmであった。該
乾燥粉末を850℃で2時間保持仮焼して酸化ジルコニ
ウム粉末を得た。
【0031】比較例1 Yに換算して3mol%となるYClを含む、
ZrO換算濃度50g/リットルのオキシ塩化ジルコ
ニウム水溶液を還流下で80時間加水分解した。加水分
解率は、85%であった。得られた水和ジルコニアゾル
は平均1次粒子径が90nmであった。前記ゾルをスプ
レードライヤーにより噴霧乾燥した。該乾燥粉末を85
0℃で2時間保持して仮焼して、酸化ジルコニウム粉末
を得た。
【0032】比較例2 Yに換算して3mol%となるYClを含む、
ZrO換算濃度50g/リットルのオキシ塩化ジルコ
ニウム水溶液を還流下で100時間加水分解した。加水
分解率は、87%であった。得られた水和ジルコニアゾ
ルは平均1次粒子径が95nmであった。前記ゾルをス
プレードライヤーにより噴霧乾燥した。該乾燥粉末を8
50℃で2時間保持して仮焼して、酸化ジルコニウム粉
末を得た。
【0033】実施例及び比較例で得られた酸化ジルコニ
ウム粉末について、圧力700kg/cmで57mm
×34mm×約5mmに成形した。成形後1500℃で
2時間焼成することにより、焼結体を得た。アルキメデ
ス法により焼結体密度を測定した。さらに、得られた焼
結体から、3mm×4mm×約40mmの試験片を切り
出し、JIS R 1601に規定された方法により常
温3点曲げ強度を測定した。30試料の平均の結果を表
1に示した。
【0034】 表 1 焼結体密度及び常温3点曲げ強度 焼結体密度 常温3点曲げ強度 (g/cm) (kgf/mm) 実施例5 6.03 122 実施例6 6.08 129 比較例1 5.79 98 比較例2 5.88 101
───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ジルコニウム塩水溶液を加水分解して加水
    分解率70%以上の水和ジルコニアゾル溶液を得、更に
    該ゾル溶液を濃縮しながら加水分解率を90%以上まで
    加水分解させることを特徴とする水和ジルコニアゾルの
    製造方法。
  2. 【請求項2】請求項1記載の水和ジルコニアゾルを乾
    燥,仮焼することを特徴とする酸化ジルコニウム粉末の
    製造方法。
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