JP3616362B2

JP3616362B2 - 特定形状を有するチタン酸金属化合物の製造方法

Info

Publication number: JP3616362B2
Application number: JP2001272221A
Authority: JP
Inventors: 敏晃八木; 稔安喜; 治恵松永
Original assignee: 大塚化学ホールディングス株式会社
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2021-09-07
Also published as: JP2003081636A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、塗料や樹脂の充填剤、並びに化粧料、顔料等に使用することができ、高誘電特性、耐熱性、補強性、摺動性、紫外線遮蔽性などの性能を利用することができる、特定形状を有するチタン酸金属化合物の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
一般式ｎＭＯ・ＴｉＯ_２（但しＭは１種類以上の二価の金属元素を示し、ｎは０＜ｎ≦１の実数を示す。）で表されるチタン酸金属化合物は、耐熱性、断熱性、高誘電性、紫外線遮蔽性等の特性を有し、一般的にはファインセラミックスの材料として知られている。形状異方性を有するチタン酸金属化合物の製法としては、チタン酸カリウム繊維と、バリウム酸化物または加熱によりバリウム酸化物となる化合物を混合、焼成させることにより繊維状チタン酸バリウムが得られるとして特開昭５６−１６２４０３号公報に示されている。しかしながら、この方法ではチタン酸カリウム繊維の形状が崩れて粒子状になったチタン酸バリウムが多く生成し、繊維状物との混合物となってしまい単一の粒子形が得られなかった。
【０００３】
また、繊維状チタン酸と、二価の金属酸化物または加熱により二価の金属酸化物となる化合物、及びフラックス成分を混合、加熱反応させることにより繊維状チタン酸金属塩が得られるとして、特開昭６３−２６０８２２号公報に示されている。さらに、繊維状チタン酸アルカリ塩と、二価の金属酸化物または加熱により二価の金属酸化物となる化合物または該金属のハロゲン化物、さらにフラックス成分を混合、加熱反応させることにより繊維状チタン酸金属塩が得られるとして、特開平２−１６４８００号公報に示されている。
【０００４】
しかしながら、これらの方法では生成物として得られるのは繊維状物のみであり、板状、鱗片状、球状等の形状は得られなかった。また原料以外にフラックス成分を使用するため、仕込み原料に対する生成物の収量が低く、生産効率が悪いという欠点を有していた。また繊維状物は機械強度の補強性等に優れているが、高誘電性、紫外線遮蔽性等には板状、鱗片状が適しており、また高誘電率を得るためフィラーを高充填するには球状が適している等、それぞれの形状のフィラーが求められている。
【０００５】
本発明の目的は、繊維状、鱗片状、板状、球状等の特定形状の二価金属のチタン酸化合物を簡易な工程で、かつ高効率で製造することができるチタン酸金属化合物の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、特定形状を有するチタン酸塩を原料として用い、アルカリ金属ハロゲン化物からなるフラックスを用いずに、該原料の特定形状をほぼ維持した二価金属のチタン酸化合物を製造する方法であり、（１）特定形状を有するチタン酸塩と、（２）１種類以上の二価の金属ハロゲン化物と、必要に応じて（３）１種類以上の二価の金属酸化物または加熱により二価の金属酸化物となる化合物（以下、これらの金属酸化物及び化合物を「二価の金属酸化物等」という場合がある）とを混合し、この混合物を９００℃〜１１００℃の範囲内の温度加熱反応させて、一般式ｎＭＯ・ＴｉＯ₂（但し、Ｍは１種以上の二価の金属元素を示し、ｎは０＜ｎ≦１を満たす実数である。）で表される二価の金属チタン酸化合物を製造することを特徴としている。
【０００７】
本発明によれば、繊維状、鱗片状、板状、球状等の特定形状を有するチタン酸塩を原料として用い、このチタン酸塩中の金属イオンを所望の二価の金属イオンに置換すると同時に結晶構造を変換し、原料のチタン酸塩の特定形状をほぼ維持した二価金属のチタン酸化合物を高い効率で製造することができる。
【０００８】
本発明において用いるチタン酸塩（１）としては、従来公知のチタン酸アルカリ塩などを広く用いることができる。繊維状物の具体例としては、Ｋ_２Ｏ・４ＴｉＯ_２、Ｋ_２Ｏ・６ＴｉＯ_２、Ｋ_２Ｏ・８ＴｉＯ_２等のチタン酸カリウム金属塩及び水和物、Ｎａ_２Ｏ・ＴｉＯ_２、Ｎａ_２Ｏ・３ＴｉＯ_２、Ｎａ_２Ｏ・５ＴｉＯ_２等のチタン酸ナトリウム金属塩及び水和物などが挙げられる。また、球状物の具体例としては、Ｋ_２Ｏ・２ＴｉＯ_２等のチタン酸カリウム金属塩及び水和物が挙げられる。板状物の具体例としては、一般式Ａ_ｘＢ_ｙ□_ｚＴｉ_{２−（ｙ＋ｚ）}Ｏ_４（ここで、Ａ及びＢは互いに異なる１〜３価の金属、□はＴｉの欠陥部位を示す。ｘは０＜ｘ＜１．０を満たす正の実数を示し、ｙ及びｚは０＜ｙ＋ｚ＜１．０を満たす０または正の実数を示す。）で表される板状チタン酸塩などが挙げられる。この板状チタン酸塩の具体例としては、Ｋ_０．８０Ｌｉ_{０．２６６}Ｔｉ_{１．７３３}Ｏ_４、Ｋ_０．８０Ｍｇ_０．４０Ｔｉ_１．６０Ｏ_４、Ｋ_{０．５７５}Ｆｅ_{０．５７５}Ｔｉ_{１．４２５}Ｏ_４、Ｃｓ_０．７Ｔｉ_{１．８２５}□_{０．１７５}Ｏ_４等が挙げられる。これらの化合物は、公知の各種の方法、例えば、焼結法、フラックス法、メルト法、金属アルコキシド法等により容易に製造されるが、種々の特定形状を付与するためにはフラックス法により製造されたものが好ましく用いられる。
【０００９】
本発明において用いる二価の金属ハロゲン化物（２）としては、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｏ、及びＮｉ等からなる群より選ばれる１種以上の金属の塩化物、臭化物、沃化物等が挙げられる。これらの内では、入手容易性の観点等から塩化物が特に好ましく用いられる。
【００１０】
本発明において用いられる二価の金属酸化物等（３）としては、二価の金属酸化物及び加熱により二価の金属酸化物となる化合物が挙げられる。二価の金属酸化物としては、Ｂａ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｏ、Ｎｉ等からなる群から選ばれる１種以上の二価の金属の酸化物が挙げられる。加熱により二価の金属酸化物となる化合物としては、Ｂａ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｏ、Ｎｉ等からなる群から選ばれる１種以上の二価の金属の水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、リン酸塩等の無機酸塩、酢酸塩、蓚酸塩、ステアリン酸塩等のカルボン酸塩、金属アルコラート、金属アセチルアルコラート等の有機化合物であって、チタン酸金属化合物を製造する際の加熱温度で金属酸化物に変換されるものを挙げることができる。なお、本発明において、二価の金属酸化物等（３）は、必要に応じて添加される成分であり、任意成分である。
【００１１】
上記の二価の金属ハロゲン化物（２）及び二価の金属酸化物等（３）の中には、結晶水を有している化合物があるが、このような化合物はそのままの形態で用いると作業上支障を生じる場合があるため、乾燥状態で用いることが好ましい。
【００１２】
上記（１）、（２）及び（３）の各原料の混合割合は、チタン酸塩（１）中のチタンに対する二価の金属ハロゲン化物（２）及び二価の金属酸化物等（３）中の二価の金属元素の比率Ｒ１が０．２５≦Ｒ１＜５となり、二価の金属ハロゲン化物（２）中の二価の金属元素に対する二価の金属酸化物（３）中の二価の金属元素の比率Ｒ２が０≦Ｒ２＜２．５となるように混合することが好ましい。このような範囲内に混合割合を設定することにより、チタン酸金属化合物を高い収率で得ることができる。上記比率Ｒ１及びＲ２は、以下の式で示される比率である。
【００１３】
Ｒ１＝（二価の金属ハロゲン化物（２）及び二価の金属酸化物等（３）中の二価金属）／（チタン酸塩中のＴｉ）
Ｒ２＝（二価の金属酸化物等（３）中の二価金属）／（二価の金属ハロゲン化物（２）中の二価金属）
上記原料（１）、（２）及び（３）を混合する方法は、特に限定されるものではなく、通常の混合機を用いて混合する方法を適用することができる。混合方法は、乾式混合に限定されるものではなく、湿式混合した後に乾燥物を乾燥させる方法であってもよいし、さらに湿式混合物をスプレードライ等で造粒して乾燥する方法などであってもよい。
【００１４】
本発明においては、上記混合物を加熱反応させてチタン酸金属化合物を製造する。反応温度は、９００℃〜１１００℃である。反応時間は１０分〜１２時間程度が好ましく、さらに好ましくは１時間〜１０時間程度である。
【００１５】
本発明においては、上記反応終了後、反応生成物を温水または冷水で処理してフラックス等の水溶性成分を除去する。必要に応じて酸またはアルカリでこれを洗浄した後、解砕、乾燥、分級処理を行い、所望のチタン酸金属化合物を回収することができる。上記解砕は、一般的な解砕機を用いて行うことができ、分級は公知の各種の分級方法、例えば空気分級が好ましく用いられる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能なものである。
【００１７】
（実施例１）
平均繊維長２０μｍ、平均繊維径０．４μｍのチタン酸カリウム（Ｋ_２Ｏ・４ＴｉＯ_２）繊維１０ｇ、水酸化カルシウム（和光純薬社製、試薬特級、Ｃａ（ＯＨ）_２）４．３ｇ、塩化カルシウム（和光純薬社製、試薬特級、ＣａＣｌ_２）４．３ｇを乳鉢で均質混合したもの（Ｒ１＝１、Ｒ２＝１．５６）１０ｇを直径２５ｍｍの円柱金型に充填し、加圧成型したものをムライト製ルツボに移し、マッフル炉中、９５０℃で４時間焼成後、０．１規定硝酸中で湿式解繊、洗浄したものを濾別し、１１０℃の恒温乾燥機で３時間乾燥した。
【００１８】
得られた生成物は６．１ｇであり、Ｘ線回折の結果はペロブスカイト型チタン酸カルシウムのみであり、この試料を電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した結果、平均繊維長１７μｍ、平均繊維径０．５μｍの繊維状物であった。
【００１９】
（実施例２）
平均繊維長２０μｍ、平均繊維径０．４μｍのチタン酸カリウム（Ｋ_２Ｏ・４ＴｉＯ_２）繊維１０ｇ、塩化バリウム（和光純薬社製、試薬特級、ＢａＣｌ_２）１６．７ｇを乳鉢で均質混合したもの（Ｒ１＝０．８３、Ｒ２＝０）１０ｇを直径２５ｍｍの円柱金型に充填し、加圧成型したものをムライト製ルツボに移し、マッフル炉中、９００℃で３時間焼成後、０．１規定硝酸中で湿式解繊、洗浄したものを濾別し、１１０℃の恒温乾燥機で３時間乾燥した。
【００２０】
得られた生成物は４ｇであり、Ｘ線回折の結果は４チタン酸バリウムのみであり、この試料を電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した結果、平均繊維長１７μｍ、平均繊維径０．５μｍの繊維状物であった。
【００２１】
（実施例３）
平均繊維長１７μｍ、平均繊維径０．４μｍのチタン酸カリウム（大塚化学社製、ＴＩＳＭＯ−Ｄ）繊維１０ｇ、炭酸バリウム（和光純薬社製、試薬特級、ＢａＣＯ_３）５．２ｇ、塩化バリウム（和光純薬社製、試薬特級、ＢａＣｌ_２）１６．５ｇを乳鉢で均質混合したもの（Ｒ１＝０．９７、Ｒ２＝０．３３）１０ｇを直径２５ｍｍの円柱金型に充填し、加圧成型したものをムライト製ルツボに移し、マッフル炉中、１０００℃で３時間焼成後、０．１規定硝酸中で湿式解繊、洗浄したものを濾別し、１１０℃の恒温乾燥機で３時間乾燥した。
【００２２】
得られた生成物は７．２ｇであり、Ｘ線回折の結果はペロブスカイト型チタン酸バリウムと一致した。この試料を電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した結果、平均繊維長１６μｍ、平均繊維径０．４μｍの繊維状物であった。
【００２３】
（実施例４）
平均繊維長２０μｍ、平均繊維径０．４μｍのチタン酸カリウム（Ｋ_２Ｏ・４ＴｉＯ_２）繊維１０ｇ、炭酸バリウム（和光純薬社製、試薬特級、ＢａＣＯ_３）９．５ｇ、炭酸ストロンチウム（和光純薬社製、試薬特級、ＳｒＣＯ_３）２．９ｇ、塩化ストロンチウム（和光純薬社製、試薬特級、ＳｒＣｌ_２）４．６ｇを乳鉢で均質混合したもの（Ｒ１＝１、Ｒ２＝２．３）１０ｇを直径２５ｍｍの円柱金型に充填し、加圧成型したものをムライト製ルツボに移し、マッフル炉中、１０００℃で３時間焼成後、０．１規定硝酸中で湿式解繊、洗浄したものを濾別し、１１０℃の恒温乾燥機で３時間乾燥した。
【００２４】
得られた生成物は７．５ｇであり、Ｘ線回折の結果はペロブスカイト型チタン酸バリウムストロンチウム（Ｂａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_２）のものと一致した。この試料を電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した結果、平均繊維長１７μｍ、平均繊維径０．５μｍの繊維状物であった。
【００２５】
（実施例５）
三チタン酸ナトリウム（大塚化学社製、平均繊維長１９μｍ、平均繊維径５μｍ）１０ｇ、塩基性炭酸マグネシウム（和光純薬社製、３ＭｇＣＯ_３・Ｍｇ（ＯＨ）_２・３Ｈ_２Ｏ）４．７ｇ、塩化マグネシウム（和光純薬社製、試薬特級、ＭｇＣｌ_２）４．７ｇを乳鉢で均質混合したもの（Ｒ１＝１、Ｒ２＝１）１０ｇを直径２５ｍｍの円柱金型に充填し、加圧成型したものをムライト製ルツボに移し、マッフル炉中、９００℃で３時間焼成後、０．１規定硝酸中で湿式解繊、洗浄したものを濾別し、１１０℃の恒温乾燥機で３時間乾燥した。
【００２６】
得られた生成物は５ｇであり、Ｘ線回折の結果はペロブスカイト型チタン酸マグネシウムと一致し、この試料を電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した結果、平均繊維長１５μｍ、平均繊維径４μｍの柱状物であった。
【００２７】
（実施例６）
チタン酸リチウムカリウム（Ｋ_０．８０Ｌｉ_{０．２６６}Ｔｉ_{１．７３３}Ｏ_４、平均粒径９μｍ、平均粒子厚み０．８μｍ）５ｇ、水酸化カルシウム（和光純薬社製、試薬特級、Ｃａ（ＯＨ）_２）３．２ｇ、塩化カルシウム（和光純薬社製、試薬特級、ＣａＣｌ_２）５ｇを乳鉢で均質混合したもの（Ｒ１＝１．８、Ｒ２＝１）１０ｇを直径２５ｍｍの円柱金型に充填し、加圧成型したものをムライト製ルツボに移し、マッフル炉中、１０００℃で３時間焼成後、０．２規定硝酸中で湿式解繊、洗浄したものを濾別し、１１０℃の恒温乾燥機で３時間乾燥した。
【００２８】
得られた生成物は５ｇであり、Ｘ線回折の結果はペロブスカイト型チタン酸カルシウムのみであり、この試料を電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した結果、平均粒径１０μｍ、平均粒子厚み１．１μｍの板状物であった。
【００２９】
（実施例７）
チタン酸マグネシウムカリウム（Ｋ_０．８０Ｍｇ_０．４０Ｔｉ_１．６０Ｏ_４、平均粒径４μｍ、平均粒子厚み１μｍ）５ｇ、水酸化ストロンチウム（和光純薬社製、試薬特級、Ｓｒ（ＯＨ）_２）２．７ｇ、塩化ストロンチウム（和光純薬社製、試薬特級、ＳｒＣｌ_２）５．２ｇを乳鉢で均質混合したもの（Ｒ１＝１．１６、Ｒ２＝０．６８）１０ｇを直径２５ｍｍの円柱金型に充填し、加圧成型したものをムライト製ルツボに移し、マッフル炉中、１０００℃で３時間焼成後、０．２規定硝酸中で湿式解繊、洗浄したものを濾別し、１１０℃の恒温乾燥機で３時間乾燥した。
【００３０】
得られた生成物は５．７ｇであり、Ｘ線回折の結果はペロブスカイト型チタン酸ストロンチウムと一致し、この試料を電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した結果、平均粒径５μｍ、平均粒子厚み１．３μｍの板状物であった。
【００３１】
（実施例８）
ほぼ球状のチタン酸カリウム（Ｋ_２Ｏ・２ＴｉＯ_２、平均粒径２０μｍ）１０ｇ、水酸化カルシウム（和光純薬社製、試薬特級、Ｃａ（ＯＨ）_２）２．８ｇ、塩化カルシウム（和光純薬社製、試薬特級、ＣａＣｌ_２）４．２ｇを乳鉢で均質混合したもの（Ｒ１＝０．９４、Ｒ２＝１）１０ｇを直径２５ｍｍの円柱金型に充填し、加圧成型したものをムライト製ルツボに移し、マッフル炉中、９００℃で３時間焼成後、０．３規定硝酸中で湿式解繊、洗浄したものを濾別し、１１０℃の恒温乾燥機で３時間乾燥した。
【００３２】
得られた生成物は５．３ｇであり、Ｘ線回折の結果はペロブスカイト型チタン酸カルシウムのみであり、この試料を電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した結果、平均粒径１７μｍの球状粒子であった。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、繊維状、鱗片状、板状、球状等の特定形状を有した二価金属のチタン酸化合物を簡易な製造工程で製造することができる。従って、本発明によれば、工程管理が容易であり、また仕込み原料に対する目的生成物の収率が高い。従って、本発明の製造方法は、特定形状を有するチタン酸金属化合物の製造方法として工業的に有利な製造方法である。

Claims

特定形状を有するチタン酸塩を原料として用い、アルカリ金属ハロゲン化物からなるフラックスを用いずに、該原料の特定形状をほぼ維持した二価金属のチタン酸化合物を製造する方法であって、
（１）前記特定形状を有するチタン酸塩と、（２）１種以上の二価の金属ハロゲン化物とを混合し、この混合物を９００℃〜１１００℃の範囲内の温度で加熱反応させて、一般式ｎＭＯ・ＴｉＯ₂（但し、Ｍは１種以上の二価の金属元素を示し、ｎは０＜ｎ≦１を満たす実数である。）で表される二価金属のチタン酸化合物を製造することを特徴とする特定形状を有するチタン酸金属化合物の製造方法。
チタン酸塩（１）及び二価の金属ハロゲン化物（２）に加えて、（３）１種以上の二価の金属酸化物または加熱により二価の金属酸化物となる化合物（以下、「二価の金属酸化物等」という）を混合し、この混合物を加熱反応させることを特徴とする請求項１に記載の特定形状を有するチタン酸金属化合物の製造方法。
チタン酸塩（１）中のチタンに対する二価の金属ハロゲン化物（２）及び二価の金属酸化物等（３）中の二価の金属元素の比率Ｒ１が０．２５≦Ｒ１＜５となり、二価の金属ハロゲン化物（２）中の二価の金属元素に対する二価の金属酸化物等（３）中の二価の金属元素の比率Ｒ２が０≦Ｒ２＜２．５となるように、上記（１）、（２）及び（３）の各原料を混合することを特徴とする請求項２に記載の特定形状を有するチタン酸金属化合物の製造方法。
加熱により二価の金属酸化物となる化合物が、二価の金属水酸化物または二価の金属炭酸塩であることを特徴とする請求項２または３に記載の特定形状を有するチタン酸金属化合物の製造方法。
チタン酸塩（１）が繊維状のＫ₂Ｏ・４ＴｉＯ₂、または一般式Ａ_xＢ_y□_zＴｉ_2-(y+z)Ｏ₄（ここで、Ａ及びＢは互いに異なる１〜３価の金属、□はＴｉの欠陥部位を示す。ｘは０＜ｘ＜１．０を満たす正の実数を示し、ｙ及びｚは０＜ｙ＋ｚ＜１．０を満たす０または正の実数を示す。）で表される板状チタン酸塩であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の特定形状を有するチタン酸金属化合物の製造方法。