JP3484706B2 - 水和ジルコニアゾルおよびその製造方法 - Google Patents

水和ジルコニアゾルおよびその製造方法

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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、ジルコニア薄膜材料、
ジルコニア系セラミックス原料粉末などに用いられる水
和ジルコニアゾルおよびそ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およびその製
造方法としては、 濃度0.05〜2.0mol/lのジルコニウム塩水
溶液に過酸化水素または過酸化水素を生成する化合物を
加え、80〜300℃で加熱処理して0.05μm以下
の水和ジルコニアゾルを得る方法(特公昭61−432
86公報) 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の水和ジルコニアゾルを沈降法などで分
離する方法(特開昭58−217430号公報) 水溶性ジルコニウム塩を含む水溶液にアルミニウム,
アルカリ金属およびアルカリ土類金属の中から選ばれた
塩化物を加え、95℃以上の温度で加水分解させて、
0.3〜3μmの水和ジルコニアゾルを得る方法(特開
昭61−97134号公報) 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、の方法で
得られる水和ジルコニアゾルは、粒子径が0.05μm
以下のものしか得られず、そのような小さい粒子径で
は、仮焼のときに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。の方法で得られる水和ジルコニアゾ
ルは、0.2グラムイオン/lの希薄濃度で加水分解反
応させたものを遠心分離して、0.1〜0.3μmの粒
子径をもつ水和ジルコニアゾルを取り出しており、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、希薄濃度で加水分解を行ってい
るため生産効率が悪く実用的でない。で得られる水和
ジルコニアゾルは、粒子径が0.3〜3μmと大きく、
そのような大粒径のゾルを仮焼して得られたジルコニア
粉末は、低温側で焼結しにくいためにセラミックス原料
粉末に適さず、さらに、製造の際に大量に添加した金属
塩化物による金属化合物が含まれ、その洗浄などによる
除去が困難であるため、工業化は難しく、且つ、生産効
率が低いために実用的ではない製造方法である。また、
いずれにしても〜の方法で得られる水和ジルコニア
ゾルは、単斜晶系の結晶構造のものしか得られず、その
ような結晶性のよいゾルを用いて緻密なジルコニア粒子
を得るためには、仮焼温度を高くしなければならず、高
い温度で仮焼したものは強固な凝集粉末であるため、上
記のとおり、セラミックス原料粉末に適さないものとな
る。
【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、粒径が大きく、且つ、結晶性の低
い、したがって、成形性および焼結性のよいジルコニア
粉末に適した水和ジルコニアゾル、および該ゾルを簡易
なプロセスにより高濃度で、且つ、短い反応時間で製造
することの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、水和ジル
コニアとジルコニウム塩水溶液との混合物を加水分解反
応させることにより得られる水和ジルコニアゾルの反応
メカニズム、特に水和ジルコニアの添加により生成する
水和ジルコニアゾルの平均粒径および結晶構造に注目し
て詳細に検討したところによれば、ジルコニウム塩水溶
液に結晶子径4nm以上の水和ジルコニアをジルコニア
換算量として5重量%未満添加し、陰イオン濃度を1グ
ラムイオン/l以上に調整するだけで、従来、得られて
いない水和ジルコニアゾル、即ち、平均粒径が0.1μ
m以上の結晶性の低い水和ジルコニアゾルを短い反応時
間で容易に製造することができ、さらに該ゾルまたは該
ゾルと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
剤との混合物を仮焼すると、低温度で緻密なジルコニア
粒子になるために、強固な凝集の起こらない分散性のよ
いジルコニア粉末を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、平均粒径が0.1μm以上であ
り、且つ、粉末X線回折測定により7°及び11°付近
に回折線のピークが観測され、乾燥後の示差熱分析にお
いて450℃付近に発熱ピークが存在することを特徴と
する水和ジルコニアゾル、およびジルコニウム塩水溶液
の加水分解により水和ジルコニアゾルを得る方法におい
て、ジルコニウム塩水溶液に結晶子径4nm以上の水和
ジルコニアをジルコニア換算5重量%未満添加し、且
つ、陰イオン濃度を1グラムイオン/l以上として加水
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。
【0007】本発明で得られる水和ジルコニアゾルの平
均粒径は、電子顕微鏡または粒度分布測定器による粒径
測定で求められるものであり、例えば光子相関法などで
与えられる。
【0008】本発明で得られる水和ジルコニアゾルの構
造は、従来、得られている単斜晶,正方晶,立方晶とは
異なり、ターゲットとしてCuを用いて粉末X線回折の
測定を行うと、7°及び11°付近に回折線のピークが
観測されること特徴とする構造である。ここで、一例と
して本発明で得られる水和ジルコニアゾルの回折パター
ンを図1に示す。また、この水和ジルコニアゾルを乾燥
させて、示差熱分析の測定を行うと450℃付近に発熱
ピークが観測され、このことから結晶性の低い構造であ
ることが推察される。
【0009】本発明において、ジルコニウム塩水溶液に
水和ジルコニアを添加して加水分解させるわけである
が、このときに水和ジルコニアの添加量はジルコニア換
算量として5重量%未満に設定しなければならない。こ
こで、水和ジルコニアの添加量は、原料仕込量(ジルコ
ニア換算量)に対する水和ジルコニア(ジルコニア換算
量)の比率で表される。水和ジルコニアの添加量が5%
以上になると、単斜晶系の水和ジルコニアゾルが生成す
るため、目的とする結晶性の低い構造をもつ水和ジルコ
ニアゾルを製造することができない。好ましい水和ジル
コニアの添加量の範囲は、0.05以上5%未満がよ
く、添加量が0.05%よりも小さくなると、加水分解
に要する反応時間が長くなり、生産効率が低下するため
好ましくない。また、ジルコニウム塩水溶液に添加する
水和ジルコニアの結晶構造は、ジルコニウム塩水溶液に
添加して溶解しないものであればいかなるものでもよい
が、粒子構造は結晶子径が4nm以上であることを必要
とする。結晶子径が4nmよりも小さくなると、水和ジ
ルコニアゾルの平均粒径が0.1μmよりも小さくな
り、目的とする水和ジルコニアゾルが得られなくなる。
ここで、水和ジルコニアの結晶子径は、粉末X線回折の
測定により30゜付近にある回折線に注目して求めれば
よい。例えば、結晶系が単斜晶のときは(11−1)、
正方晶または立方晶のときは(111)に着目して、シ
ェーラーの式を適用して算出してもよい。
【0010】本発明では、ジルコニウム塩水溶液に水和
ジルコニアを添加して溶液の濃度調整を行うわけである
が、このときに水溶液の陰イオン濃度は1グラムイオン
/l以上に設定しなければならない。陰イオン濃度が1
グラムイオン/lよりも小さくなると工業的な大量生産
に適さないものとなる。また、陰イオン濃度の範囲は1
以上4グラムイオン/l以下が好ましく、さらに好まし
くは1以上3グラムイオン/l以下である。陰イオン濃
度が4グラムイオン/lより大きくなると、生成する水
和ジルコニアゾルの平均粒径が0.1μmよりも小さく
なるとともに反応に長い時間を要するため好ましくな
い。
【0011】ところで、ジルコニウム塩水溶液のジルコ
ニルイオン濃度は、陰イオン濃度が1グラムイオン/l
以上に設定できればいかなる濃度に設定してもよい。好
ましいジルコニルイオン濃度は、0.5から2.0mo
l/lがよく、さらに好ましくは0.5から1.5mo
l/lである。ジルコニルイオン濃度が0.5mol/
lよりも小さくなると工業的な大量生産に適さず、2.
0mol/lよりも大きくなると溶液の粘度が高くなる
とともに反応条件の設定が難しくなる。
【0012】本発明において用いられるジルコニウム塩
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が挙げられ
るが、その他に水酸化ジルコニウムと酸との混合物でも
よい。水酸化ジルコニムを用いる場合、その製造法とし
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。
【0013】本発明で添加する水和ジルコニアとして
は、ジルコニウム塩水溶液のみの加水分解により得られ
る水和ジルコニアゾルの懸濁液、また、ジルコニウム塩
水溶液に酸またはアルカリを添加した水溶液の加水分解
により得られる水和ジルコニアゾルの懸濁液、さらに、
それらの懸濁液を乾燥したもの、懸濁液を蒸留水で洗浄
して乾燥したもの、または懸濁液をアルカリで中和して
水洗したあとに乾燥させた水和ジルコニアゾルの乾燥粉
末でもよい。
【0014】上記で得られた水和ジルコニアとジルコニ
ウム塩水溶液との混合物を加水分解するわけであるが、
その加水分解の温度は、60以上150℃以下が好まし
く、さらに好ましい温度は、80℃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が小さくなるとともに結晶構造が単
斜晶系になり、目的とする0.1μm以上の平均粒径、
且つ、結晶性の低い水和ジルコニアゾルを製造すること
ができず、さらに水熱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。反応が60℃
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。また、加水分解に要する反
応時間は、水和ジルコニアの添加量が増加するほど短く
なるが、10〜150時間程度である。
【0015】
【作用】ジルコニウム塩水溶液の加水分解により得られ
る水和ジルコニアゾルの結晶構造と平均粒径とが、水和
ジルコニアの添加量および陰イオン濃度に依存する理由
は明らかではないが、水和ジルコニアの構造は結晶性の
1次粒子が凝集した2次粒子からなっており、添加した
水和ジルコニアの1次粒子の大きさとジルコニウム塩の
陰イオンとの相乗効果により結晶性の低い構造をもつ1
次粒子が生成し、さらに、その相乗効果と1次粒子との
相互作用により生成ゾルの2次粒子径に影響するものと
推察される。
【0016】
【発明の効果】以上、説明したとおり、本発明によれ
ば、平均粒径が大きく、且つ、結晶性の低い、したがっ
て、成形性および焼結性のよいジルコニア粉末に適した
水和ジルコニアゾル、および該ゾルを簡易なプロセスに
より高濃度で、且つ、短い反応時間で製造することがで
きる。
【0017】本発明で得られる水和ジルコニアゾルは、
添加する水和ジルコニアの結晶子径,粒径および添加
量、さらに陰イオン濃度,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、結晶構造およ
び平均粒径を制御することができる。
【0018】
【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 2mol/lのオキシ塩化ジルコニウム水溶液500m
lに1mol/lのアンモニア水1リットルを添加し、
蒸留水を加えて0.1mol/lのオキシ塩化ジルコニ
ウム水溶液10リットルを調製した。この調製した水溶
液を撹拌しながら、煮沸温度で加水分解反応を70時間
おこなった。得られた水和ジルコニアゾルの粉末X線回
折による結晶子径は、5nmであった。次に、上記で得
られた水和ジルコニアゾルを含む懸濁液800mlを2
mol/lのオキシ塩化ジルコニウム水溶液2リットル
に添加し、蒸留水を加えて0.8mol/lのオキシ塩
化ジルコニウム水溶液10リットルを調製した。この原
料液を撹拌しながら、煮沸温度で加水分解反応を90時
間おこなった。
【0019】 得られた水和ジルコニアゾルの光子相関
法による平均粒径は0.14μmであり、粉末X線回折
の測定から低角度の7°および11°ブロードな回折
線を観測した。図1にX線回折パターンを示す。
【0020】実施例2 実施例1で用いた水和ジルコニアゾルの懸濁液1リット
ルを2.5mol/lのオキシ塩化ジルコニウム水溶液
4リットルに添加し、蒸留水を加えて1mol/lのオ
キシ塩化ジルコニウム水溶液10リットルを調製した。
この原料液を撹拌しながら、加水分解反応を煮沸温度で
100時間おこなった。
【0021】 得られた水和ジルコニアゾルの光子相関
法による平均粒径は0.1μmであり、粉末X線回折の
測定から低角度の7°および11°ブロードな回折線
を観測した。
【0022】比較例1 0.4mol/lのオキシ塩化ジルコニウム水溶液を撹
拌しながら、加水分解反応を煮沸温度で160時間おこ
なった。得られた水和ジルコニアゾルの光子相関法によ
る平均粒径は0.08μmであり、粉末X線回折による
結晶構造は単斜晶系であった。図2にその粉末X線回折
パターンを示す。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1で得られた水和ジルコニアゾルの粉末
X線回折のパターンを示したものである。
【図2】比較例1により得られた水和ジルコニアゾルの
粉末X線回折のパターンである。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】平均粒径が0.1μm以上であり、且つ、
    粉末X線回折測定により7°及び11°回折線のピー
    クが観測され、乾燥後の示差熱分析において450℃付
    近に発熱ピークが存在することを特徴とする水和ジルコ
    ニアゾル。
  2. 【請求項2】ジルコニウム塩水溶液の加水分解により水
    和ジルコニアゾルを得る方法において、ジルコニウム塩
    水溶液に結晶子径4nm以上の水和ジルコニアをジルコ
    ニア換算5重量%未満添加し、且つ、陰イオン濃度を1
    グラムイオン/l以上として加水分解させることを特徴
    とする請求項1記載の水和ジルコニアゾルの製造方法。
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