JP4437273B2

JP4437273B2 - 無機微粒子分散油流体の製造方法

Info

Publication number: JP4437273B2
Application number: JP2003012145A
Authority: JP
Inventors: 司近田; 俊作加藤
Original assignee: 財団法人かがわ産業支援財団
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2023-01-21
Also published as: JP2004223355A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、実質的に溶液状を呈する無機微粒子が均一に分散した流体の簡便な製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属あるいは金属酸化物等の無機固体微粉は、従来より触媒、磁性体や半導体等の工業用材料として各方面で重用されている。しかしながら、これまでミクロンオーダーで用いられていたこれら無機材料の粒径をナノオーダーにまで微細化すると、従来より触媒機能や記憶容量や寿命が数段優れたあるいは従来とは全く異なる新たな性能を発揮することが明らかになり、これらの超微粉化あるいは粒径分布幅の小さい微粒子の製造が強く求められている。
【０００３】
このような固体微粒子の合成方法として、固相焼結法や液相反応法等がある。固相反応法は一般に1000℃前後の高温を必要とする。また、液相反応法では200℃前後の温度で加圧下（１０〜１５気圧）で反応が進行する。液相法では結晶化速度が小さいため、通常は数時間から数日の反応時間を要する。この液相反応をマイクロ波照射下で実施すると、反応時間が数分から1時間程度にまで大幅に短縮でき、しかも粒径のそろった微細粒子が生成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
溶液法で生成した超微細な固体粒子は、非常に凝集しやすく、粒子同士が再結合して粗大な二次粒子を形成しやすい。凝集した粒子を解砕するために多大のエネルギーを要すこと、更には解砕時に異物が混入して純度が低下しやすい等の欠点を有している。
【０００５】
液相法で微粒子を製造する場合、まず、原料である鉄やニッケル塩化物を溶媒の水に溶かし、これに塩基を添加してpHを調整した後、オートクレーブ中において200℃程度まで加熱してフェライトを結晶化させる。生成したフェライトは水相の下部に沈積する。この反応物を濾過、洗浄、乾燥等を経て製品として回収する。生成した粒子を透過型電子顕微鏡(TEM)で観察すると、直径10ナノメートル程度の一次粒子が球状あるいは数珠状等に多数凝集、結合してミクロンオーダーの二次粒子を形成していることが確認された。
【０００６】
ナノオーダーの微粒子が凝集した粒子を解砕することは非常に難しく、また、多大なエネルギーを要する。更に、ナノオーダーの微粒子を積層させて使用する場合、ナノオーダーの微粒子が単分散した流体が必要である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、無機固体微粒子製造過程における微粒の凝集、塊状化および利用に際しての二次的解砕処理あるいは解砕時の異物混入汚染等の問題点を解消するため、種々検討を行った結果、微粒子製造用水溶性原料化合物、水、水不溶性の媒体油および好ましくは水不溶性の界面活性剤よりなる混合物に塩基を加えてマイクロ波を照射することによりナノサイズ粒子の単分散した流体が得られることを見出した。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明で用いる水溶性原料化合物は、塩化物、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、酢酸塩などの水溶性塩が好適であるが、オキシ水酸化物、アルコキシドなども利用できる。なお、これらの化合物に限定されるものではなく、水に溶解する化合物を用いることができる。
【０００９】
例えば、Niフェライト合成を例にとれば、FeCl₃とNiCl₂をそれぞれ所定量、水と混合して溶解し、これに水不溶性の媒体油と界面活性剤とを混合する。この水不溶性の媒体油は、反応によって生成するフェライト微粒子を速やかに分散させて凝集や粒成長を抑止すると共に、生成微粒子を安定に保持させるものである。この媒体油としては、原料水層との分別が容易な疎水性油が好ましく、更に、水よりも比重の小さい油の方が回収操作が一層容易であることから、常温液状のパラフィン類あるいはBTX等は、特に好ましい媒体油である。
【００１０】
界面活性剤は、生成フェライト微粒子が媒体油中に安定的に分散・保持するのに寄与しているものと考えられ、この機能を有するものであれば特に限定されることはない。例えば、各種の工業分野で使用されている界面活性剤が本発明法に使用できるが、水不溶性の非イオン系界面活性剤は特に好適な一例である。なお、このような媒体油と分散剤と原料水溶液との混合比は特に限定されるものではない。例えば媒体油の添加量は、容積比で原料水の1/10から5倍程度が好適な範囲であり、界面活性剤の使用量は、媒体油の1/5容量倍程度以下にすることが特に好ましい。
【００１１】
金属塩水溶液と媒体油及び界面活性剤を混合して調製した原料溶液に、必要量の塩基を添加してpHを調製する。塩基としては、一般的な水酸化アルカリやアンモニア水等が用いられるが、高温下で熱分解してアンモニアを発生する尿素、ジアミン等を用いることもできる。
【００１２】
塩基を加えた原料溶液を耐圧性の優れ、マイクロ波透過性の良い回分式あるいは連続式の反応器内でマイクロ波を照射・加熱する。Niフェライトの場合、温度100〜200℃の所定温度まで急速に加熱し、その後必要に応じて所定時間、所定温度に保持する。マイクロ波の周波数は通常は2.45GHzであるが、本質的にこれに限定されるものではない。
【００１３】
通常の伝導伝熱加熱方式の水熱反応では反応容器の外部から伝導あるいは対流により容器内部に温度が伝えられるため、外壁近傍の温度が高く、内部の温度が低く、結晶成長には非常に長時間を要する。マイクロ波法では極性基の回転による摩擦熱で内部から加熱され、局所的に高温となり迅速に反応が進行するものと考えられる。例えば、フェライトの場合、180℃、数時間から10時間要する反応が、マイクロ波法では150℃では数分から１時間で結晶化が終了する。
【００１４】
本発明では、マイクロ波加熱によって生成した固体のフェライト微粒子は、原料水溶液相から媒体油相に移動して安定的に分散している。すなわち、原料調製時、下層にフェライト前駆体を含む水溶液相が、上層には界面活性剤を溶解した水不溶性の媒体油相が存在している。これにマイクロ波を照射すると、短時間に反応が進行し、フェライト微粒子が生成し、下層の水相から浮上して上層の媒体油中に移動して均一流体を示す。
【００１５】
比較例として、媒体油を添加せずに反応を行うと、フェライト微粒子は生成するが、生成した微粒子は水相の下部に沈積し、均一流体は生成しない。フェライトの真比重は５以上であるが、フェライトを均一に分散した流体は比重１の水に浮く。媒体油中に生成した親水性のミセルに取り込まれて安定化し、ミセル中ではナノサイズを保持しているものと推察される。
【００１６】
反応生成物は、媒体油相に均一分散しているため、原料水溶液相とは容易に分離回収でき、且つ、脱イオン水で繰り返し洗浄することができる。
【００１７】
従来、磁性物質を或る媒体液中に均一に分散させた磁性流体の製造に関して、多くの特許(例えば特開2001-167919、特開平10-241928、特開平6-69021等)が開示されているが、いずれもナノ粒子を調製した後、流体として分散させる方法で、非常に多くの工程を経て製造される。本発明法では磁性材料微粒子の生成と磁性流体の製造とが同時に進行するもので、工程を簡略化できるのみならず、微粒子生成工程に媒体油が存在することで粒子の二次成長が抑止でき、粒径の揃った、異物混入のないナノ粒子分散流体を簡単に製造できる。
以下、本発明の効果を、実施例によって更に詳しく説明する。
【００１８】
【実施例１】
1.35gのFeCl₃・6H₂Oと0.54gのNiCl₂・6H₂Oとを20mlの水に溶解し、これに20mlのデカンと1mlのソルビタン骨格を有する水不溶性の界面活性剤および25%濃度のアンモニア水3mlとを攪拌しながら添加して原料溶液を調製し、その原料溶液をTFM(トリフルオロメタキシル)製の耐圧反応器に充填し、2.45GHzの周波数のマイクロ波加熱によって150℃まで加熱し、その温度で30min保持した後、加熱を終了し、直ちに常温まで冷却した。冷却後の反応物をビーカーに移し、静置した。内容物は下層の透明な水相と上層の黒褐色流体が得られた。水相を分離し、脱イオン水で洗浄して均一な褐色の流体を得た。この均一な褐色流体は磁石に吸い寄せられ、磁性を有することを確認した。この流体は数ヶ月後も分離することなく安定した流体であった。写真１に示すように流体は磁石に吸い寄せられている。
【００１９】
【比較例１】
実施例１と同一条件で、デカンのみを使用せず、さらに水20mlを加えた条件で反応を行った。反応後の生成物をビーカーに移したところ、透明な水相の下部に褐色のフェライト微粒子が沈積した。
【００２０】
【比較例２】
実施例１と同一条件で、界面活性剤を添加しない場合、あるいはデカンと界面活性剤両方を添加しない場合についても実験した結果、全て褐色のフェライト粒子が底部に沈積するのみで、均一に分散した流体は得られなかった。更に、親水性の界面活性剤についても同一条件で実験したが、流体フェライトは生成しなかった。
【００２１】
【実施例２】
媒体油としてトルエンを用いた以外は実施例１と同様の条件でフェライトの製造実験を行った結果、実施例１と同様に、水相の上に浮遊する均一な流体フェライト相が作成された。
【００２２】
【実施例３】
実施例１で得た褐色流体と、比較例２の界面活性剤のみ不使用で得た褐色の沈殿について、生成物全量を孔径0.45ミクロンの定量濾紙で濾過した。その結果、褐色の沈殿物は濾別されたが、均一流体は濾紙を通過し、濾別できなかった。濾別された褐色沈殿物はＸ線回折の結果、スピネル型フェライトであることを確認した。流体フェライトについて希釈して散乱法で粒径を測定した結果、十数ナノメーター以下であることを確認した。
【００２３】
【実施例４】
1.611gのZrCl₂・8H₂Oを20mlの水に溶解し、これに20mlのデカンと2mlのソルビタン骨格を有する非イオン性界面活性剤および25%濃度のアンモニア水3mlとを攪拌しながら添加して原料溶液を調製した。この原料溶液をTFM製の耐圧反応器に充填し、2.45GHzの周波数のマイクロ波加熱によって150℃まで加熱し、その温度で30min保持した後、加熱を終了し、常温まで冷却した。冷却後の反応物を全量ガラスビーカーに移し、静置した。内容物は下層の透明な水相と上層のベージュ色の流体ジルコニア相とに分離した。上層の流体ジルコニア均一相は安定で、２４時間経過後も分離しなかった。
【００２４】
【比較例３】
比較例として、実施例４と同一条件で、界面活性剤を使用しない場合、あるいは界面活性剤とデカンの両方を使用しない場合について試験を行った。いずれも、透明な水相の底部に白色のジルコニア微粒子が沈積し、均一に分散した流体は得られなかった。
【００２５】
【発明の効果】
従来法ではナノ粒子をまず製造し、ナノ粒子を目的とする媒体中に分散させる方法がとられているが、ナノ粒子が凝集して大きな二次粒子を形成しやすいため、煩雑な工程を経る必要がある。本発明では、水不溶性の媒体油と界面活性剤の存在下でマイクロ波処理するだけで、一段でナノサイズ粒子が均一に分散した安定な流体を容易に製造することができる。なお、マイクロ波加熱法は短時間照射でナノ粒子の製造が可能な省エネルギー製造法である。
【００２６】
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１により調製した磁性流体が磁石に吸い寄せられたところを示したものである。

Claims

無機微粒子製造用水溶性原料化合物、水、水不溶性の媒体油および水不溶性界面活性剤よりなる混合物に塩基あるいは分解して塩基を供する物質を添加した後、マイクロ波を照射することで、水不溶性の媒体油中に無機微粒子を安定分散させることを特徴とする無機微粒子分散油流体の製造方法。
無機微粒子製造用水溶性原料化合物が、水溶性の無機塩及びアルコキシドから選ばれた化合物であることを特徴とする請求項１の無機微粒子分散油流体の製造方法。