JP4551806B2 - Zirconia green sheet, zirconia sheet and production method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、ジルコニア系グリーンシートとジルコニア系シートおよびその製法に関し、より詳細には、理論密度に対して98%以上の密度を有する緻密質体で、燃料電池やセンサーなどに用いる固体電解質膜として有用なジルコニア系シートと、それを得るための前駆体であるジルコニア系グリーンシートおよびその製法に関するものである。   The present invention relates to a zirconia-based green sheet, a zirconia-based sheet, and a method for producing the same, and more specifically, a dense body having a density of 98% or more with respect to a theoretical density, as a solid electrolyte membrane used for a fuel cell, a sensor, or the like. The present invention relates to a useful zirconia-based sheet, a zirconia-based green sheet which is a precursor for obtaining the sheet, and a method for producing the same.

燃料電池や酸素センサー等の固体電解質膜として使用されるジルコニア系シートは、それらの用途への適合性を高めるうえで緻密質であることが望ましく、そうした観点からの研究は既に多数公表されている。例えば特許文献1には、厚みが0.05〜0.6mmで、任意の400cm2の領域の厚みムラが5%以内であり、密度が理論密度の95%以上であるセラミックシートが開示されると共に、該セラミックシートを得るための前駆体となるセラミックグリーンシートとして、セラミック粉末と有機バインダーからなるグリーンシートであって、該シート内に存在する細孔の平均直径が100〜1000nmで、且つ該細孔の全容積が0.02〜0.2cc/gであるグリーンシートが開示されている。 Zirconia-based sheets used as solid electrolyte membranes for fuel cells, oxygen sensors, etc. are desirably dense in order to enhance their suitability for use, and many studies from such viewpoints have already been published. . For example, Patent Document 1 discloses a ceramic sheet having a thickness of 0.05 to 0.6 mm, a thickness unevenness of an arbitrary 400 cm 2 region within 5%, and a density of 95% or more of the theoretical density. In addition, as a ceramic green sheet to be a precursor for obtaining the ceramic sheet, a green sheet composed of ceramic powder and an organic binder, the average diameter of pores present in the sheet is 100 to 1000 nm, and A green sheet having a total pore volume of 0.02 to 0.2 cc / g is disclosed.

そして上記特許文献1によると、グリーンシート内の細孔径が100nm未満では、粉末が詰まり過ぎて溶剤の除去や脱脂が不十分となり、一方、細孔径が1000nmを超えると、粉末相互の間隔が大きくなり過ぎるためシート強度が低下し、取扱いが困難になること、また上記グリーンシートの全細孔容積が0.02cc/g未満では、粉末が詰まり過ぎて溶剤の除去や脱脂が不十分となり、一方、細孔の全容積が0.2cc/gを超えると、粉末相互の間隔が大き過ぎる部分ができてシート強度が低下し、取扱いが困難になることが問題点として指摘されている。   According to Patent Document 1, if the pore size in the green sheet is less than 100 nm, the powder is too clogged and solvent removal or degreasing becomes insufficient. On the other hand, if the pore size exceeds 1000 nm, the distance between the powders becomes large. If the total pore volume of the green sheet is less than 0.02 cc / g, the powder becomes too clogged and solvent removal or degreasing becomes insufficient. When the total volume of the pores exceeds 0.2 cc / g, it has been pointed out as a problem that a portion where the distance between the powders is too large is formed, the sheet strength is lowered, and handling becomes difficult.

しかし、上記特許文献1の実施例によると、上記細孔径と全細孔容積が規定されたグリーンシートは、2L(リットル)量のボールミルで調製したスラリーを用いてドクターブレード法によりシート成形したものであり、このグリーンシートを焼成することによって得られるセラミックシートは、強度バラツキが大きくなり易い。こうした傾向は、本発明者らの検討結果から、該シートの縦断面を408nmのレーザー光顕微鏡で写真撮影することによって観察される閉気孔の数が90×65μm2の領域に11個以上で、ワイブル係数が10以下であることによっても窺われる。 However, according to the example of Patent Document 1, the green sheet with the pore diameter and the total pore volume defined is formed by a doctor blade method using a slurry prepared by a 2 L (liter) ball mill. The ceramic sheet obtained by firing this green sheet tends to have a large strength variation. From the results of the study by the present inventors, such a tendency is 11 or more in the region where the number of closed pores observed by taking a photograph of the longitudinal section of the sheet with a 408 nm laser light microscope is 90 × 65 μm 2 , It is also expressed when the Weibull coefficient is 10 or less.

また特許文献2には、マグネシアを7〜9モル%の範囲で含み、表面における直径1μm以上のポアの量が1000μm2当たり5個以下であるジルコニア焼結体が開示されている。ここで言うポアとは、焼結体の表面を約5mmの深さまで研削または切断切除し、これを鏡面研磨した面を電子顕微鏡で観察したときに、直径1μm以上の黒く観察されるものである。またポアの量は、撮影した写真の中から1000μm2の測定面を設定し、その中に存在する直径1μm以上のポアの数を測定し、これを任意の10箇所で行なって平均したものである。 Patent Document 2 discloses a zirconia sintered body containing magnesia in a range of 7 to 9 mol% and having 5 or less pores having a diameter of 1 μm or more on the surface per 1000 μm 2 . The pores mentioned here are those in which the surface of the sintered body is ground or cut and cut to a depth of about 5 mm, and when this is mirror-polished, the surface is observed as black with a diameter of 1 μm or more when observed with an electron microscope. . The amount of pores is an average of 1000 μm 2 measurement surfaces taken from the photographed photographs, and the number of pores with a diameter of 1 μm or more present in them is measured at 10 arbitrary locations. is there.

しかしこの技術は、原料粉末を金型成形、ラバープレス、射出成形、押出成形により成形するものであり、しかも得られるジルコニア焼結体のポアの発生原因は記載されておらず、本発明の如くドクターブレード法で製造されるジルコニア系シートとは全く異なるものである。   However, this technique forms the raw material powder by die molding, rubber press, injection molding, and extrusion molding, and does not describe the cause of the occurrence of pores in the obtained zirconia sintered body, as in the present invention. This is completely different from the zirconia sheet produced by the doctor blade method.

他方、非特許文献1には、グリーンシートに生じるボイド欠陥は、シート成形に用いるスラリーを脱泡することによって大幅に低減できることが記載されており、脱泡時間とグリーンシート中の1dm2当りのボイド数の関係が示されている。しかし、グリーンシート内に存在する細孔の平均径や細孔容積率の関係までは明らかにされていない。 On the other hand, Non-Patent Document 1 describes that void defects generated in a green sheet can be greatly reduced by defoaming a slurry used for sheet forming. The defoaming time and per 1 dm 2 in the green sheet are described. The relationship between the number of voids is shown. However, the relationship between the average diameter of pores existing in the green sheet and the pore volume ratio has not been clarified.

更に非特許文献2には、塗工スラリーの調製工程で、ボールミルやビーズミルによる混合分散工程で生じた熱や気泡を抑えるため、塗工スラリーを寝かせたり脱泡したりすることが記載されている。しかし、脱泡しつつ所定粘度に調整したスラリーを、特定の条件で撹拌することで気孔率を低減することは開示されていない。
特開平10−212166号公報 特開平6−40769号公報 「ファインセラミックスの成形と有機材料」(斉藤勝義著、株式会社シーエムシー、1985年8月26日発行、第237〜238頁 「積層セラミックコンデンサの開発と材料技術および高信頼化」株式会社技術情報協会、2001年2月28日発行、第103〜104頁
Further, Non-Patent Document 2 describes that the coating slurry is laid or defoamed in order to suppress heat and air bubbles generated in the mixing and dispersing step using a ball mill or a bead mill in the coating slurry preparation step. . However, it is not disclosed to reduce the porosity by stirring the slurry adjusted to a predetermined viscosity while defoaming under specific conditions.
JP-A-10-212166 Japanese Patent Laid-Open No. 6-40769 “Fine ceramics molding and organic materials” (Katsuyoshi Saito, CMC Co., Ltd., August 26, 1985, pp. 237-238) "Development of multilayer ceramic capacitor, material technology and high reliability", Technical Information Association, Inc., February 28, 2001, pp. 103-104

本発明は、上記の様な従来技術の更なる改善を期してなされたものであり、具体的には、例えばシートの縦断面を408nmのレーザー光顕微鏡で写真撮影することにより観察される閉気孔の数が90×65μm2の領域に10個以下の低い値を有し、優れた破壊靱性を有する他、曲げ強度のワイブル係数が10以上である緻密で強度ムラの少ない安定した品質のジルコニア系シートを提供し、且つその様なジルコニア系シートの前駆体となる緻密質で内部空孔欠陥の少ないグリーンシートを提供し、更に、その様なグリーンシートを安定して生産性よく製造することのできる方法を提供することにある。 The present invention has been made for further improvement of the conventional technology as described above. Specifically, for example, closed pores observed by taking a photograph of a longitudinal section of a sheet with a 408 nm laser light microscope. Zirconia with a stable quality with less unevenness in strength, with a low value of 10 or less in the area of 90 × 65 μm 2 , excellent fracture toughness, and a Weibull coefficient of bending strength of 10 or more To provide a dense green sheet with less internal void defects, which is a precursor of such a zirconia-based sheet, and to stably produce such a green sheet with high productivity. It is to provide a method that can.

上記課題を解決することのできた本発明に係るグリーンシートとは、ジルコニア系粉末とバインダーを含み、ドクターブレード法により成形されたジルコニア系グリーンシートであって、水銀圧入法で測定される当該グリーンシート中に存在する細孔の平均細孔径が0.01〜0.08μmであり、且つ全細孔容積が0.01〜0.05mL/gであるところに特徴を有している。   The green sheet according to the present invention that has solved the above problems is a zirconia-based green sheet that is formed by a doctor blade method and includes a zirconia-based powder and a binder, and is measured by a mercury intrusion method. The average pore diameter of pores present therein is 0.01 to 0.08 μm, and the total pore volume is 0.01 to 0.05 mL / g.

本発明で使用する上記ジルコニア系粉末として特に好ましいのは、酸化スカンジウム、酸化イットリウムおよび酸化イッテルビウムよりなる群から選択される少なくとも1種の酸化物を安定化剤としてジルコニアに対し3〜12モル%含有するジルコニア系粉末であり、この粉末は、比表面積が3〜20m2/gであることが望ましい。 Particularly preferred as the zirconia-based powder used in the present invention is a content of 3 to 12 mol% with respect to zirconia as a stabilizer containing at least one oxide selected from the group consisting of scandium oxide, yttrium oxide and ytterbium oxide. It is desirable that the powder has a specific surface area of 3 to 20 m 2 / g.

また本発明のジルコニア系シートは、上記規定要件に合致するジルコニア系グリーンシートを1300〜1500℃で焼成することによって得られる、燃料電池やセンサー等の固体電解質膜として有用な高緻密質のジルコニア系シートであり、シート厚さが50〜800μmで、該シートの縦断面を408nmのレーザー光顕微鏡で写真撮影することにより観察される閉気孔の数が90×65μm2(つまり5850μm2)領域内に10個以下であるところに特徴を有している。 The zirconia-based sheet of the present invention is a high-density zirconia-based material useful as a solid electrolyte membrane for fuel cells, sensors, etc., obtained by firing a zirconia-based green sheet that meets the above specified requirements at 1300 to 1500 ° C. a sheet, the sheet thickness at 50~800Myuemu, the number of closed pores observed by photographing a longitudinal section of the sheet with a laser beam microscope 408nm is 90 × 65μm 2 (i.e. 5850μm 2) regions It is characterized in that it is 10 or less.

更に本発明の製法は、上記特性を備えたジルコニア系グリーンシートを工業的に安定して生産性よく製造することのできる方法として位置付けられるもので、
[A]ジルコニア系粉末、バインダーおよび溶剤を含む原料をミリングして粘度が1.5Pa・s以下のスラリーを得るミリング工程、
[B]該スラリーを、撹拌羽根付き容器内で、20℃における粘度が2.7〜6.7Pa・sの範囲となる様に溶剤を減圧除去し、固形分濃度が50〜85質量%のスラリーを得る減圧撹拌工程、
[C]得られるスラリーを、当該スラリー中に浸漬された撹拌羽根で常温常圧下に撹拌動力:1.5〜2.5kW/m3、回転速度:5〜20rpmで1〜50時間撹拌する撹拌工程、
[D]その後、撹拌羽根を回転させることなく10分〜25時間静置する静置工程、
によって得られるスラリーを使用し、ドクターブレード法によりシート成形するところに要旨が存在する。
Furthermore, the production method of the present invention is positioned as a method capable of industrially producing a zirconia-based green sheet having the above-mentioned characteristics stably with high productivity.
[A] A milling step of milling a raw material containing a zirconia-based powder, a binder and a solvent to obtain a slurry having a viscosity of 1.5 Pa · s or less,
[B] The slurry was removed under reduced pressure so that the viscosity at 20 ° C. was in the range of 2.7 to 6.7 Pa · s in a vessel equipped with stirring blades, and the solid content concentration was 50 to 85% by mass. A vacuum stirring step to obtain a slurry,
[C] Stirring the resulting slurry with stirring blades immersed in the slurry at room temperature and normal pressure, stirring power: 1.5 to 2.5 kW / m 3 , rotation speed: 5 to 20 rpm, and stirring for 1 to 50 hours Process,
[D] Then, the stationary process of leaving still for 10 minutes-25 hours, without rotating a stirring blade,
There is a gist where the slurry obtained by the above method is used and the sheet is formed by the doctor blade method.

本発明のジルコニア系グリーンシートは、水銀圧入法で測定される当該グリーンシート中に存在する細孔の平均細孔径を0.01〜0.08μm、全細孔容積を0.01〜0.05mL/gの範囲に特定することによって、焼成時に発生する分解・燃焼ガスのシート外への放散と焼結を効率よく進めることができ、気孔欠陥などがなく高緻密質かつ均質で優れた物性を有するジルコニア系シートを得ることができる。そして本発明の製法によれば、上記の様に優れた性能のジルコニア系シートを与える前駆体となるグリーンシートを生産性よく確実に得ることができる。   The zirconia green sheet of the present invention has an average pore diameter of 0.01 to 0.08 μm and a total pore volume of 0.01 to 0.05 mL in the green sheet measured by the mercury intrusion method. By specifying in the range of / g, decomposition and combustion gas generated during firing can be efficiently released to the outside of the sheet and sintering can be carried out efficiently, and there are no pore defects, etc., and high-density, homogeneous and excellent physical properties The zirconia-type sheet | seat which has can be obtained. And according to the manufacturing method of this invention, the green sheet used as the precursor which gives the zirconia-type sheet | seat of the outstanding performance as mentioned above can be obtained reliably with sufficient productivity.

本発明のグリーンシートは、上記の様に燃料電池やセンサー等の固体電解質膜として使用されるセラミックシートの前駆体となるものであって、ジルコニア系粉末とバインダーを含み、ドクターブレード法により成形されるジルコニア系グリーンシートであり、水銀圧入法で測定される当該グリーンシート中に存在する細孔のサイズと容積率に注目し、該細孔の平均細孔径を0.01〜0.08μmの範囲に定めると共に、全細孔容積を0.01〜0.05mL/gの範囲に定めることによって、従来技術では解決できなかった前掲の課題を解決したものであり、これらの要件を定めた理由は下記の通りである。   The green sheet of the present invention is a precursor of a ceramic sheet used as a solid electrolyte membrane for a fuel cell or a sensor as described above, and contains a zirconia-based powder and a binder, and is formed by a doctor blade method. Paying attention to the size and volume ratio of the pores present in the green sheet measured by the mercury intrusion method, the average pore diameter of the pores is in the range of 0.01 to 0.08 μm. In addition to solving the above-mentioned problems that could not be solved by the prior art by setting the total pore volume in the range of 0.01 to 0.05 mL / g, the reason for setting these requirements is It is as follows.

ジルコニア系シートの前駆体であるグリーンシート中に含まれるバインダーや必要に応じて添加される可塑剤、分散剤などの有機成分は、当該グリーンシートを焼成する際に酸化され、炭酸ガスや水などの分解ガスや有機成分の分解・燃焼ガスが発生し、シート外へ放出される。しかしこれらのガスは、グリーンシート中に外部へ連通した適度の細孔がなければグリーンシート外へ放散されず、グリーンシート内に閉じ込められた状態となる。この閉じ込められたガスは、更なる昇温によって体積膨張し、グリーンシートの表面に膨れや穴などのボイド欠陥を生じさせる原因となり、セラミックシートの表面性状や平坦度を悪化させると共に、強度劣化の原因となる。また、分解ガス等が焼成中に放出されることなくグリーンシート内に閉じ込められ、最終的にジルコニア系シート中に閉気孔として残ると、密度や強度を低下させる要因となる。   Organic components such as binders and plasticizers and dispersants contained in the green sheet, which is a precursor of the zirconia-based sheet, are oxidized when the green sheet is baked, and carbon dioxide gas, water, etc. Decomposition gas and organic component decomposition / combustion gas are generated and released to the outside of the seat. However, these gases are not diffused out of the green sheet and are confined in the green sheet unless the green sheet has appropriate pores communicating with the outside. This trapped gas expands in volume due to further temperature rise, and causes void defects such as blisters and holes on the surface of the green sheet, which deteriorates the surface properties and flatness of the ceramic sheet and reduces the strength. Cause. Further, if the decomposition gas or the like is confined in the green sheet without being released during firing, and finally remains as closed pores in the zirconia-based sheet, it causes a decrease in density and strength.

こうした問題を回避するには、ジルコニア系シート内に残存する細孔(空孔)を、前掲の特許文献1などに開示されている細孔よりも更に微細化すると共にその数も少なくしなければならず、その為には、その前駆体となるグリーンシートの強度、密度、平坦度の低下を起こさない範囲で、グリーンシート中に適度の細孔を存在させることが有効となる。この様な観点から本発明では、グリーンシート中に存在する細孔の平均細孔径と全細孔容積を下記の様に規定している。   In order to avoid such a problem, the pores (holes) remaining in the zirconia-based sheet must be further refined and reduced in number as compared with the pores disclosed in the aforementioned Patent Document 1 and the like. For that purpose, it is effective to have appropriate pores in the green sheet as long as the strength, density and flatness of the green sheet as a precursor are not lowered. From such a viewpoint, in the present invention, the average pore diameter and the total pore volume of the pores existing in the green sheet are defined as follows.

平均細孔径:0.01〜0.08μm
平均細孔径が上記好適範囲内にあるグリーンシートでは、焼成時に発生する分解ガスや燃焼ガスがシート外へスムーズに放散されるばかりでなく、焼結時に細孔が収縮して更に微細化し、あるいは消滅し易くなり、得られる焼結体(即ちジルコニア系シート)は高密度の緻密体になると共に、曲げ強度などの物理的特性も優れたものとなる。ちなみに、平均細孔径が0.01μm未満では、焼成時における分解ガスや燃焼ガスの放出が遅くなり、内部に空孔が残ってボイド欠陥などが発生し易くなるばかりでなく、焼結体の密度も十分に上がらず物理的特性も悪くなる。
Average pore diameter: 0.01 to 0.08 μm
In the green sheet having an average pore diameter within the above-mentioned preferred range, not only the decomposition gas and combustion gas generated during firing are smoothly diffused out of the sheet, but also the pores shrink during sintering and further refined, or It becomes easy to disappear, and the obtained sintered body (that is, zirconia-based sheet) becomes a high-density dense body and has excellent physical properties such as bending strength. By the way, if the average pore diameter is less than 0.01 μm, the release of decomposition gas and combustion gas at the time of firing becomes slow, and not only voids remain in the interior and void defects are easily generated, but also the density of the sintered body However, the physical properties are also deteriorated.

また平均細孔径が0.08μmを超えた場合、焼成時に発生する分解ガスや燃焼ガスの放散は円滑に進行するものの、グリーンシート内の細孔が焼結時に密着・消滅しないで(すなわち、潰れないで)セラミックシート内に気孔として残存し、シート密度の上昇が阻害されると共に強度も低下してくる。こうした観点から平均細孔径のより好ましい値は、0.02μm以上、0.06μm以下である。   When the average pore diameter exceeds 0.08 μm, the decomposition gas and combustion gas generated during firing proceeds smoothly, but the pores in the green sheet do not adhere and disappear during sintering (that is, they are crushed) (Not) remain as pores in the ceramic sheet, hindering the increase in sheet density and decreasing the strength. From such a viewpoint, a more preferable value of the average pore diameter is 0.02 μm or more and 0.06 μm or less.

尚ここで言う平均細孔径とは、マイクロメリテック社製の自動ポロシメータ「オートポアIII9420」を使用し、水銀圧入法によって測定した値である。採用した水銀圧は1〜60000psia、用いたサンプルは、グリーンシートを幅約10mm、長さ約350mmに切断してゼンマイ状に巻いた質量2〜2.3gのものをサンプルとして使用した。平均細孔径は、細孔を円筒であると仮定し、全細孔容積を細孔の比表面積で割り算することにより求めた値で、この値は毛細管状の細孔群の平均直径を表わしている。   The average pore diameter mentioned here is a value measured by a mercury intrusion method using an automatic porosimeter “Autopore III9420” manufactured by Micromeritec. The employed mercury pressure was 1 to 60000 psia, and the sample used was a sample having a mass of 2 to 2.3 g obtained by cutting a green sheet into a width of about 10 mm and a length of about 350 mm and winding it in a spring shape. The average pore diameter is a value obtained by dividing the total pore volume by the specific surface area of the pores, assuming that the pores are cylindrical, and this value represents the average diameter of the capillary pore groups. Yes.

全細孔容積:0.01〜0.05mL/g
全細孔径が上記好適範囲内にあるものは、分解ガスや燃焼ガスのシート外への放散がスムーズに進行すると共に、焼結時における細孔の密着・消滅も速やかに進行し、高密度且つ緻密で物理的強度に優れた焼結体となる。ちなみに、全細孔径が0.01mL/g未満では、分解ガスや燃焼ガスのシート外への放散が遅れ、一部が空孔としてシート内に残ってボイド欠陥が発生し易くなり、密度も低下する傾向が生じてくる。また、全細孔容積が0.05mL/gを超えると、分解ガスや燃焼ガスのシート外への放散は円滑に進行するものの、シート内の細孔が密着・消滅しきれないで気孔欠陥として残存し、密度低下の原因になるばかりでなく、物理的強度も低下傾向となる。こうした観点から、より好ましい全細孔容積は0.02mL/g以上、0.04mL/g以下である。
Total pore volume: 0.01 to 0.05 mL / g
When the total pore diameter is within the above preferred range, the diffusion of cracked gas and combustion gas to the outside of the sheet proceeds smoothly, and the adhesion / disappearance of the pores during sintering also proceeds rapidly. The sintered body is dense and excellent in physical strength. By the way, if the total pore diameter is less than 0.01 mL / g, the diffusion of cracked gas and combustion gas to the outside of the sheet is delayed, some of them remain as voids in the sheet, and void defects are likely to occur, and the density also decreases. Will tend to. Also, if the total pore volume exceeds 0.05 mL / g, the decomposition gas and combustion gas can be diffused out of the sheet smoothly, but the pores in the sheet cannot be completely adhered and disappeared as pore defects. Not only does it remain, causing a decrease in density, but also the physical strength tends to decrease. From such a viewpoint, the more preferable total pore volume is 0.02 mL / g or more and 0.04 mL / g or less.

ここで言う全細孔容積とは、上記と同じマイクロメリテック社製の自動ポロシメータ「オートポアIII9420」を使用し、上記と同様の水銀圧入法によって測定した値である。即ち、測定時の最大圧力まで水銀が圧入された細孔容積の積算値をサンプルの重量で割った値である。   The total pore volume mentioned here is a value measured by the same mercury intrusion method as described above using the same autoporosimeter “Autopore III9420” manufactured by Micromeritec. That is, it is a value obtained by dividing the integrated value of the pore volume into which mercury is injected up to the maximum pressure during measurement by the weight of the sample.

上述した平均細孔径と全細孔容積を満たすグリーンシートをドクターブレード法によって得るには、原料スラリー中の気泡を可及的に脱気してグリーンシート内の細孔を極力小さく且つ少なくすることが重要であり、その為には、原料となるジルコニア系粉末と、バインダー、溶剤などを含む原料をミリングして粘度が1.5Pa・s以下のスラリーを得るミリング工程[A]、このスラリーを撹拌羽根付き容器内で減圧して溶剤を留去しつつ粘度調整して塗工用スラリーを得る際に、20℃における粘度が2.7〜6.7Pa・sの範囲となる様に溶剤を減圧留去して固形分濃度が50〜85質量%のスラリーを得る減圧撹拌工程[B]、このスラリーを、常温常圧下に当該スラリー中に浸漬された撹拌羽根で撹拌動力:1.5〜2.5kW/m3、回転速度:5〜20rpmで1〜50時間で撹拌する撹拌工程[C]、その後、撹拌羽根を回転させることなく10分〜25時間静置する静置工程[D]を順次経た後、ドクターブレード法によるシート成形を行うことが重要となる。 In order to obtain a green sheet satisfying the above average pore diameter and total pore volume by the doctor blade method, bubbles in the raw material slurry are degassed as much as possible to make the pores in the green sheet as small and small as possible. For this purpose, a milling step [A] for obtaining a slurry having a viscosity of 1.5 Pa · s or less by milling a raw material containing a zirconia-based powder as a raw material and a binder, a solvent, and the like, When the viscosity is adjusted while distilling off the solvent in a vessel equipped with stirring blades to obtain a slurry for coating, the solvent is adjusted so that the viscosity at 20 ° C. is in the range of 2.7 to 6.7 Pa · s. A vacuum stirring step [B] for obtaining a slurry having a solid content concentration of 50 to 85 mass% by distilling off under reduced pressure, stirring power of this slurry with stirring blades immersed in the slurry under normal temperature and normal pressure: 1.5 to 2.5k / M 3, the rotational speed: stirring step of stirring at 1-50 h at 5~20rpm [C], then successively passed through the standing step [D] to 25 hours stand 10 minutes without rotating the stirring blade After that, it is important to perform sheet forming by the doctor blade method.

即ちこの方法は、原料成分の一部が凝集体を生じることなく全ての成分を微分散させて均一なスラリーとした後、ドクターブレード法に適した高粘性スラリー中に含まれる気泡を可及的に除去し、グリーンシートとしての平均細孔径と全細孔容積を前述した好適範囲に制御するために不可欠の要件となる。   That is, in this method, after all of the raw material components are finely dispersed without forming aggregates to form a uniform slurry, bubbles contained in the highly viscous slurry suitable for the doctor blade method are made as much as possible. Therefore, it is an indispensable requirement for controlling the average pore diameter and the total pore volume as a green sheet within the above-mentioned preferable ranges.

ちなみに、ミリングによって上記原料粉末とバインダーを溶剤中で均一に分散させる際に、粘度が高過ぎると固形成分の一部が凝集していわゆる“ダマ”状態となり、これはその後の撹拌によっても容易に崩壊・分散し難いため、こうした現象をなくすには、原料粉末を混合してスラリーとする際の粘度を十分に低下させておくことが望ましい。   By the way, when the above raw material powder and binder are uniformly dispersed in a solvent by milling, if the viscosity is too high, a part of the solid component aggregates to form a so-called “dama” state, which can be easily performed by subsequent stirring. Since it is difficult to disintegrate and disperse, in order to eliminate such a phenomenon, it is desirable to sufficiently reduce the viscosity when mixing raw material powders into a slurry.

また、有機溶剤を含む低粘性のスラリーを減圧下で脱泡すると、溶剤が沸騰状態で揮発除去されて固形分濃度が上昇し高粘性のスラリーとなるが、高粘性スラリーはその中に空気を巻き込み易く、スラリー中の空気や溶存酸素を効率よく除去することはできない。また、高粘性のスラリーを常温常圧下で撹拌するだけでは、スラリー中に存在する空気や溶存酸素が撹拌羽根の回転に伴ってスラリー中で回転するだけであり、気泡として液面まで上昇させて脱気することはできない。   In addition, when a low-viscosity slurry containing an organic solvent is degassed under reduced pressure, the solvent is volatilized and removed in a boiling state to increase the solid content concentration, resulting in a high-viscosity slurry. It is easy to entrain and the air and dissolved oxygen in the slurry cannot be removed efficiently. In addition, if the highly viscous slurry is only stirred at room temperature and normal pressure, the air and dissolved oxygen present in the slurry will only rotate in the slurry as the stirring blades rotate, raising the bubbles to the liquid level. You cannot degas.

そこで本発明では、ジルコニア系粉末、バインダーおよび溶剤を含む原料スラリーを、ボールミルやビーズミル等を用いてミリングし、撹拌羽根付き容器内で減圧下に粘度調整して塗工用スラリーを調製する際に、まず第1のミリング工程[A]で、上記原料をミリングすることにより粘度が1.5Pa・s以下のスラリーを調製する。この工程[A]は、原料を満遍なく均一に分散させるために必要な工程であり、該ミリング時の粘度が1.5Pa・sを超えると、ミリング工程[A]で一部が分散不良となって部分的に凝集物が残ることがあり、この凝集物はその後も実質的にそのまま残存してドクターブレードによる塗工性を著しく害することとなる。従って、この段階で原料を満遍なくミリングして均一なスラリーを得るには、ミリング時の粘度を高くとも1.5Pa・s以下、好ましくは1.0Pa・s以下に抑えるのがよい。   Therefore, in the present invention, when preparing a slurry for coating by milling a raw material slurry containing a zirconia-based powder, a binder and a solvent using a ball mill, a bead mill or the like, and adjusting the viscosity under reduced pressure in a vessel equipped with a stirring blade. First, in the first milling step [A], a slurry having a viscosity of 1.5 Pa · s or less is prepared by milling the raw material. This step [A] is a step necessary to uniformly disperse the raw materials uniformly. If the viscosity during milling exceeds 1.5 Pa · s, part of the milling step [A] becomes poorly dispersed. In some cases, agglomerates may remain, and the agglomerates remain substantially intact after that, which significantly impairs the coatability of the doctor blade. Therefore, in order to obtain a uniform slurry by uniformly milling the raw materials at this stage, the viscosity at the time of milling should be at most 1.5 Pa · s or less, preferably 1.0 Pa · s or less.

このときの粘度の下限は特に制限されないが、粘度が過度に低くなるとジルコニア系粉末の濃度が低くなって溶剤の使用量が無意味に多くなるため不経済であり、且つその後の工程で溶剤の揮発除去に長時間を要し生産性を低下させるので、粘度を0.1Pa・s未満にまで下げることは実際的でない。好ましい粘度の下限は0.3Pa・s程度である。   The lower limit of the viscosity at this time is not particularly limited, but if the viscosity is excessively low, the concentration of the zirconia-based powder becomes low and the amount of the solvent used becomes meaningless, which is uneconomical. Since it takes a long time to volatilize and lower the productivity, it is not practical to reduce the viscosity to less than 0.1 Pa · s. The lower limit of the preferred viscosity is about 0.3 Pa · s.

上記ミリング工程[A]で得られる相対的に低粘度の均質なスラリーは、その後の減圧撹拌工程[B]で、撹拌羽根付き容器内に装入して減圧下に溶剤を揮発除去しつつ粘度調整し、20℃における粘度が2.7〜6.7Pa・sで固形分濃度が50〜85質量%のスラリーを得る。   The relatively low-viscosity homogeneous slurry obtained in the milling step [A] is charged into a container with a stirring blade in the subsequent reduced pressure stirring step [B], and the viscosity is removed while volatilizing and removing the solvent under reduced pressure. And a slurry having a viscosity at 20 ° C. of 2.7 to 6.7 Pa · s and a solid concentration of 50 to 85 mass% is obtained.

尚、ここでいう固形分濃度とは、全スラリー成分中の原料粉末とバインダー固形成分との合計量を質量%で表わしたものである。   In addition, solid content concentration here represents the total amount of the raw material powder and binder solid component in all the slurry components in the mass%.

この工程[B]は、スラリー中に含まれている溶剤をより短時間で効率よく揮発除去するための工程として実施されるもので、該工程[B]の末期における20℃の温度でのスラリー粘度が2.7Pa・s未満で固形分濃度が50質量%未満では、スラリー中の溶剤が未だ十分に除去されておらず、スラリー中の溶剤量が多過ぎてスラリー粘度が低いため、次の撹拌工程[C]で行なわれる常温常圧下での撹拌によるスラリー中の空気や溶存酸素の除去は短時間で行なえるが、ドクターブレード法による塗工後の溶剤を揮発除去するのに長時間を要することとなり、そのため塗工速度を低下させねばならなくなって実用に叶う生産性が得られ難くなる。   This step [B] is carried out as a step for efficiently removing the solvent contained in the slurry in a shorter time and efficiently, and the slurry at a temperature of 20 ° C. at the end of the step [B]. When the viscosity is less than 2.7 Pa · s and the solid content concentration is less than 50% by mass, the solvent in the slurry is not yet sufficiently removed, and the amount of the solvent in the slurry is too large and the slurry viscosity is low. The removal of air and dissolved oxygen in the slurry by stirring under normal temperature and normal pressure performed in the stirring step [C] can be performed in a short time, but it takes a long time to volatilize and remove the solvent after coating by the doctor blade method. Therefore, it is necessary to reduce the coating speed, and it becomes difficult to obtain productivity that is practical.

また、スラリー粘度が6.7Pa・sを超えて固形分濃度が85質量%を超えると、スラリーの流動性が悪くなってその後の撹拌による脱泡に時間がかかるばかりでなく、静置した後のスラリー粘度が高くなり過ぎて、スラリー中の空気や溶存酸素の除去が不十分となり、また、ドクターブレード法による塗工工程で塗膜に筋が入ったり塗工厚さにバラツキができ易くなり、均質な品質のグリーンシートが得られなくなる。こうした観点から、該減圧処理時のより好ましい到達粘度と固形分濃度は、20℃で3.0〜5.5Pa・sで55〜80質量%、更に好ましくは3.5〜4.5Pa・sで60〜75質量%である。   Further, when the slurry viscosity exceeds 6.7 Pa · s and the solid content concentration exceeds 85% by mass, the fluidity of the slurry is deteriorated, and it takes time to defoam by subsequent stirring, and after standing still The slurry viscosity becomes too high, and the removal of air and dissolved oxygen in the slurry becomes insufficient. In addition, the coating process by the doctor blade method tends to cause streaks and variations in coating thickness. A green sheet with a uniform quality cannot be obtained. From this point of view, more preferable ultimate viscosity and solid content concentration at the time of the reduced pressure treatment are 55 to 80% by mass at 3.0 to 5.5 Pa · s at 20 ° C., more preferably 3.5 to 4.5 Pa · s. 60 to 75% by mass.

尚、上記減圧撹拌工程[B]や、その後の撹拌工程[C]でも引き続いて使用することのある容器として、撹拌羽根付き容器を使用するのは、前工程のミリング工程[A]で微細均一に分散されたスラリー中の溶剤を除去するため、部分的に撹拌不足となる領域を生じさせることなく減圧下に全体を均一に撹拌するためである。こうした観点から好ましいのは、容器形状が丸底で円筒型のものであり、撹拌のデッドゾーンを生じることなく全体を満遍なく均一に撹拌できる。また、溶剤の除去を効率よく行なうため、容器外部にスラリー加温用のジャケットを設けたものも好ましく使用できる。   In addition, as a container that may be used subsequently in the above-described reduced pressure stirring step [B] and the subsequent stirring step [C], a container with stirring blades is used in the milling step [A] of the previous step. In order to remove the solvent in the slurry dispersed in the slurry, the whole is uniformly stirred under reduced pressure without causing a region where stirring is partially insufficient. From this point of view, the container has a round bottom and a cylindrical shape, and the whole can be uniformly and uniformly stirred without causing a dead zone of stirring. Further, in order to efficiently remove the solvent, one provided with a jacket for heating the slurry outside the container can be preferably used.

この時の撹拌羽根の好ましい回転速度は10〜60rpmで、撹拌時間は1〜50時間、より好ましくは20〜40rpmで2〜20時間である。   The preferable rotation speed of the stirring blade at this time is 10 to 60 rpm, and the stirring time is 1 to 50 hours, more preferably 20 to 40 rpm for 2 to 20 hours.

減圧撹拌工程[B]で、溶剤が減圧除去されて上記好適粘度と固形分濃度に調整されたスラリーは、その後、常温常圧下に当該スラリー中に浸漬された撹拌羽根を用いて、撹拌動力:1.5〜2.5kW/m3、回転速度:5〜20rpmで1〜50時間で撹拌する。この撹拌工程[C]は、上記減圧撹拌工程[B]で、スラリー中の溶剤が沸騰状態で放散されることでスラリー中へ混入もしくは溶解してくる多量の空気を、液面上に浮上分離させるために行なうもので、この時の撹拌は、外気を巻き込むことなくスラリー内の気泡を効率よく浮上させるため、上記範囲の撹拌動力と回転速度および撹拌時間を採用する。 In the reduced pressure stirring step [B], the slurry in which the solvent is removed under reduced pressure and adjusted to the above suitable viscosity and solid content concentration is then stirred using a stirring blade immersed in the slurry at room temperature and normal pressure. Stir at 1.5 to 2.5 kW / m 3 , rotation speed: 5 to 20 rpm for 1 to 50 hours. In this stirring step [C], a large amount of air mixed or dissolved in the slurry as a result of the solvent in the slurry being boiled off in the above-mentioned reduced pressure stirring step [B] is floated and separated on the liquid surface. The agitation at this time employs the agitation power, rotation speed and agitation time in the above range in order to efficiently raise the bubbles in the slurry without involving outside air.

この時の撹拌羽根の撹拌動力は、例えば「化学工学便覧(改訂五版)」(社団法人化学工学協会編、発行;丸善株式会社、発行日;昭和63年3月18日)の第910頁に記載されている高粘度液の撹拌に要する単位面積当たりの動力と粘度の関係から、上記1.5〜2.5kW/m3の範囲を採用することとした。 The stirring power of the stirring blade at this time is, for example, page 910 of “Chemical Engineering Handbook (5th revised edition)” (edited by the Chemical Engineering Association, published by Maruzen Co., Ltd., published on March 18, 1988). From the relationship between the power per unit area required for stirring the high-viscosity liquid described in 1 and the viscosity, the range of 1.5 to 2.5 kW / m 3 was adopted.

ちなみに、この時の撹拌動力が1.5kW/m3未満では、スラリー中の気泡の浮上分離を殆ど加速することができず、気泡の逸散に長時間を要し、また撹拌動力が2.5kW/m3を超えると、当該撹拌によって空気の巻き込みが起こり易くなり、却って気泡逸散が遅れる。 Incidentally, if the stirring power at this time is less than 1.5 kW / m 3 , the floating separation of the bubbles in the slurry can hardly be accelerated, and it takes a long time for the bubbles to dissipate. If it exceeds 5 kW / m 3 , air entrainment tends to occur due to the stirring, and on the contrary, bubble dissipation is delayed.

また、撹拌速度を5〜20rpmの範囲に定めたのは、通常の撹拌モーターでは5rpm未満の超低速撹拌を安定に持続することが難しく、再現性に難があるからであり、逆に20rpmを超えると、空気の巻き込みを起こし易くなるからである。常温常圧下でのより好ましい撹拌速度は5〜10rpmである。   Moreover, the reason why the stirring speed is set in the range of 5 to 20 rpm is that it is difficult to stably maintain ultra-low speed stirring of less than 5 rpm with a normal stirring motor, and reproducibility is difficult. It is because it will become easy to raise | generate the entrainment of air when it exceeds. A more preferable stirring speed under normal temperature and normal pressure is 5 to 10 rpm.

上記撹拌動力と回転数による撹拌で、その前工程の減圧撹拌工程[B]で混入乃至溶解した多量の空気を可及的に逸散させるには、少なくとも常温常圧で1時間以上撹拌することが必要であり、好ましくは2時間以上撹拌するのがよい。また、当該撹拌条件下で逸散可能なサイズの気泡の殆どは10時間以内、或いは20時間以内に逸散し、例えば50時間以上撹拌を続けても、抜けきらない微細な気泡は撹拌羽根の回転に随伴してスラリー中で回転しているだけであるので、それ以上にこの条件での撹拌を続けることは無駄である。   In order to dissipate as much as possible the large amount of air mixed or dissolved in the pressure reduction stirring step [B] of the previous step by stirring with the stirring power and the number of revolutions, the stirring should be performed at room temperature and normal pressure for at least 1 hour. It is necessary to stir for 2 hours or more. Also, most of the bubbles that can be dissipated under the stirring conditions are dissipated within 10 hours or 20 hours. For example, even if stirring is continued for 50 hours or more, fine bubbles that cannot be removed are Since it is only rotating in the slurry accompanying the rotation, it is useless to continue stirring under these conditions.

尚、上記常温常圧下の撹拌に用いる撹拌羽根の種類は特に制限がなく、ディスクタービン型、8枚パドル型、湾曲羽根型、ファンタービン型、矢羽根タービン型、ファウドラー型、ブルマージン型、傾斜パドル型、プロペラ型、或いはこれらの羽根が上下に複数個組み合わされたもの、更には、アンカー型、ヘリカルスクリュー型、ヘリカルリボン型など、様々のタイプのものを任意に選択して使用できるが、本発明の対象とする高粘性スラリーの脱気処理用として特に好ましいのは、アンカー型、ヘリカルスクリュー型、ヘリカルリボン型の撹拌機である。   In addition, the kind of stirring blade used for stirring under the above normal temperature and normal pressure is not particularly limited, and is a disc turbine type, eight-paddle type, curved blade type, fan turbine type, arrow blade turbine type, fiddler type, bull margin type, inclined Paddle type, propeller type, or a combination of these blades in the top and bottom, as well as various types such as anchor type, helical screw type, helical ribbon type can be selected and used. The anchor type, helical screw type, and helical ribbon type agitators are particularly preferred for the degassing treatment of the highly viscous slurry that is the subject of the present invention.

上記の様にして小さな撹拌動力で撹拌を行なうことにより、減圧脱泡されたスラリー中に巻き込まれた気泡を浮上分離することで、気泡の殆どは放出されることから、通常はこの様な脱気処理で十分と考えており、その後、ドクターブレード法などによるシート生成を行なっていた。しかし本発明者らが前述した様な課題の下で、グリーンシート、延いてはジルコニア系シートの更なる緻密化と高密度化を期して研究を進めた結果、上述した様な常温常圧下での緩やかな撹拌でも、ごく微細な気泡は撹拌機の回転に同伴して回転するだけで脱気が進まず、これが更なる密度アップを妨げていることが分かった。   By stirring with a small stirring power as described above, most of the bubbles are released by floating and separating bubbles entrained in the slurry that has been degassed under reduced pressure. We thought that the air treatment was sufficient, and thereafter, the sheet was generated by the doctor blade method or the like. However, as a result of researches aimed at further densification and densification of the green sheet and eventually the zirconia-based sheet under the problems as described above by the present inventors, under the normal temperature and normal pressure as described above. Even with this gentle stirring, it was found that very fine bubbles simply accompanying the rotation of the stirrer did not cause deaeration, which hindered further increase in density.

そこで本発明では、上記緩やかな撹拌では浮上分離できないごく微細な気泡についても可及的に浮上分離させるため、上記撹拌の後にしばらく静置する静置工程[D]を必須の工程として付加することとした。静置の好ましい時間は、撹拌処理後のスラリー粘度によってかなり変わってくるので、一律に狭い静置時間を設定することはできないが、あまりに短時間では微細な気泡の浮上分離が十分に進まず、またあまりに長過ぎると、スラリー中の固形成分が比重差により沈降して均一性が低下してくるので、スラリー粘度に応じて10分以上、25時間以下に設定するのがよい。脱気性と作業性を考慮してより好ましい静置時間は1時間以上、20時間以内、更に好ましくは2時間以上、10時間以内である。   Therefore, in the present invention, in order to float as much as possible even the very fine bubbles that cannot be floated and separated by the gentle stirring, the standing step [D] for standing for a while after the stirring is added as an essential step. It was. The preferred time for standing still varies considerably depending on the slurry viscosity after the stirring treatment, so it is not possible to set a uniform standing time, but the floating separation of fine bubbles does not proceed sufficiently in a very short time, If it is too long, the solid component in the slurry will settle due to the difference in specific gravity and the uniformity will be lowered, so it is preferable to set it to 10 minutes or more and 25 hours or less depending on the slurry viscosity. In consideration of deaeration and workability, a more preferable standing time is 1 hour or more and 20 hours or less, more preferably 2 hours or more and 10 hours or less.

より具体的には、スラリー粘度が2.7Pa・s以上、5.0Pa・s未満であるときは10分以上、5時間以内、より好ましくは20分以上、3時間以内で、スラリー粘度が5.0Pa・s以上、6.7Pa・s以下であるときは30分以上、25時間以内、より好ましくは60分以上、10時間以内である。なお、上記静置時間は静置温度条件によっても変わってくるが、基本的にはスラリー粘度に依存するので、静置時間を短縮したい場合は、スラリー成分が変質しない限度で適度に加温しスラリー粘度を低下させることも有効である。   More specifically, when the slurry viscosity is 2.7 Pa · s or more and less than 5.0 Pa · s, the slurry viscosity is 10 minutes or more and 5 hours or less, more preferably 20 minutes or more and 3 hours or less. When it is 0.0 Pa · s or more and 6.7 Pa · s or less, it is 30 minutes or more and 25 hours or less, more preferably 60 minutes or more and 10 hours or less. Although the standing time varies depending on the standing temperature conditions, it basically depends on the slurry viscosity. Therefore, if you want to shorten the standing time, warm the slurry components appropriately to the extent that they do not change. It is also effective to reduce the slurry viscosity.

かくして所定時間静置することで、スラリー中に浮遊している微細な気泡も液面に浮上・逸散させた後、常法に従ってドクターブレード法によってシート成形し、乾燥して溶剤成分をほぼ完全に揮発除去すると、グリーンシートが得られる。シート形成に当たっては、成形性やその後の取扱い性を高めるため、プラスチックフィルムなどの上に所定の乾燥膜厚となる様に塗工し、40〜120℃程度の温度で温風乾燥するのがよい。好ましくは、例えば50℃、80℃、100℃と順次温度を高めた乾燥炉で連続的に温風乾燥してフィルムの走行速度を高めれば、生産性を一層高めることができるので好ましい。   In this way, after leaving for a predetermined time, fine bubbles floating in the slurry also floated and dissipated on the liquid surface, and then formed into a sheet by a doctor blade method according to a conventional method and dried to almost completely complete the solvent component. The green sheet can be obtained by volatilization and removal. In forming the sheet, in order to improve the moldability and subsequent handling, it is preferable to apply a predetermined dry film thickness on a plastic film or the like, and dry with warm air at a temperature of about 40 to 120 ° C. . Preferably, for example, it is preferable to increase the running speed of the film by continuously drying with hot air in a drying furnace in which the temperature is sequentially increased, for example, 50 ° C., 80 ° C., and 100 ° C., because the productivity can be further increased.

上記の様な塗工スラリーの調製法を採用することで、前述した平均細孔径や全細孔容積の要件を満たすグリーンシートを得ることができる。   By adopting the coating slurry preparation method as described above, it is possible to obtain a green sheet that satisfies the above-mentioned requirements for the average pore diameter and the total pore volume.

かくして得られるジルコニア系グリーンシートを、300〜600℃で3〜30時間予備加熱してバインダー成分などの有機成分を分解・気散させ、次いで好ましくは1200〜1500℃、より好ましくは1300〜1450℃で1〜5時間焼成すると、ピンホールやボイド、クレーター等の欠陥の非常に少ない平滑で均質なジルコニア系シートが得られる。   The zirconia green sheet thus obtained is preheated at 300 to 600 ° C. for 3 to 30 hours to decompose and disperse organic components such as a binder component, then preferably 1200 to 1500 ° C., more preferably 1300 to 1450 ° C. When baked for 1 to 5 hours, a smooth and homogeneous zirconia sheet with very few defects such as pinholes, voids, and craters can be obtained.

このジルコニア系シートを燃料電池やセンサーの固体電解質膜用として使用する場合、好ましいシート厚さは50〜800μmである。このジルコニア系シートは、前述したグリーンシートを前駆体として使用することで、厚さのバラツキが極めて少なく均一な厚さを有しており、またシート断面に現われる閉気孔の数は90×65μm2の領域に10個以下で、強度バラツキの指標となる曲げ強度のワイブル係数は10以上の極めて品質の安定したものとなる。 When this zirconia-based sheet is used for a solid electrolyte membrane of a fuel cell or a sensor, a preferable sheet thickness is 50 to 800 μm. This zirconia-based sheet uses the above-mentioned green sheet as a precursor, has a uniform thickness with very little variation in thickness, and the number of closed pores appearing in the sheet cross section is 90 × 65 μm 2. When the number is 10 or less in this area, the Weibull coefficient of bending strength, which is an index of strength variation, is 10 or more, and the quality is extremely stable.

なお上記閉気孔の数は、当該シートの縦断面を超深度カラーD形状測定レーザー光顕微鏡(キーエンス社製、商品名「VK−9500」)によって観察し、シート断面のうち90μm×65μmに相当する部分を14.7cm×10.9cmに拡大した408nmのレーザー光顕微鏡写真(約1650倍に相当)を撮影し、その写真から目視で判別できる全ての気孔の数をカウントして求めた。   The number of the closed pores corresponds to 90 μm × 65 μm of the sheet cross section when the longitudinal section of the sheet is observed with an ultra-deep color D shape measurement laser light microscope (manufactured by Keyence Corporation, trade name “VK-9500”). A 408 nm laser light micrograph (corresponding to about 1650 times) in which the portion was enlarged to 14.7 cm × 10.9 cm was taken, and the number of all pores that could be visually discriminated from the photograph was counted and determined.

尚、本発明で使用した超深度カラー3D形状測定顕微鏡は、測定用レーザー光源として408nmのバイオレットレーザーを対物レンズから観察対象物に照射し、その反対光を極少ピンホールによって正確に焦点位置を検出するものであり、高精度リニアスケールを集光レンズ移動機構に搭載しており、2軸方向(高さ測定)の分解能は0.01μmである。   The ultra-deep color 3D shape measurement microscope used in the present invention irradiates the observation object from the objective lens with a 408 nm violet laser as a measurement laser light source, and accurately detects the focal position of the opposite light with a minimal pinhole. The high-precision linear scale is mounted on the condenser lens moving mechanism, and the resolution in the biaxial direction (height measurement) is 0.01 μm.

従って、SEMに匹敵する拡大解析することができ、且つ通常の雰囲気下に非接触、非破壊で、表面形状を高精度に解析することのできる装置である。しかも、非破壊、通常雰囲気で測定できることから、グリーンシートの測定にも支障なく適用でき、該グリーンシートの縦断面も同様に観察し、グリーンシート断面のうち90×65μm2に相当する部分を14.7cm×10.9cmに拡大した408nmのレーザー光顕微鏡写真(約1650倍に相当)を撮影し、その写真から目視で判別できる全ての気孔の数をカウントして求めた。従って、当然のことながら本発明では、グリーンシート縦断面の閉気孔の数も同領域内に10個以下となる。 Therefore, the apparatus can perform an enlarged analysis comparable to that of an SEM, and can analyze the surface shape with high accuracy in a non-contact and non-destructive manner in a normal atmosphere. Moreover, since it can be measured in a non-destructive and normal atmosphere, it can be applied to the measurement of the green sheet without any trouble. The longitudinal section of the green sheet is observed in the same manner, and a portion corresponding to 90 × 65 μm 2 in the cross section of the green sheet is 14 A 408 nm laser light microscope photograph (corresponding to about 1650 times) enlarged to 0.7 cm × 10.9 cm was taken, and the number of all pores that could be visually discriminated from the photograph was counted and determined. Therefore, as a matter of course, in the present invention, the number of closed pores in the longitudinal section of the green sheet is 10 or less in the same region.

また、ワイブル係数の対象となるシートの曲げ強度は、JIS R1601に定められた3点曲げ強度とし、試料片は50mm×8mmの短冊状で、厚さが50〜800μmのものとし、下部支点間距離は30mmとした。   The bending strength of the sheet subject to the Weibull coefficient shall be the three-point bending strength specified in JIS R1601, the specimen shall be 50 mm x 8 mm in strip shape, 50 to 800 μm thick, and between the lower fulcrum The distance was 30 mm.

次に、本発明で原料として使用するジルコニア系粉末の種類は特に制限されないが、燃料電池やセンサーの固体電解質膜用として使用する上で特に適しているのは、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化イッテルビウムから選ばれる少なくとも1種の酸化物が安定化剤としてジルコニアに3〜12モル%添加された安定化ジルコニア系粉末である。この粉末は、比表面積が3〜20m2/gの範囲のものが好ましい。 Next, the type of zirconia-based powder used as a raw material in the present invention is not particularly limited, but scandium oxide, yttrium oxide, ytterbium oxide are particularly suitable for use as a solid electrolyte membrane for fuel cells and sensors. Is a stabilized zirconia-based powder in which at least one oxide selected from 1 to 3 is added to zirconia as a stabilizer. This powder preferably has a specific surface area of 3 to 20 m 2 / g.

またこの粉末に、他の酸化物としてSiO2,Al23,GeO2,SnO2,TiO2,Sb23,Ta25,Nb25,Bi23等が含まれていてもよく、上記安定化ジルコニア粉末に、0.1〜5質量%程度のアルミナ、チタン、セリアが配合されたものが好ましく使用される。 Also this powder, SiO 2, Al 2 O 3 , GeO 2, SnO 2, TiO 2, Sb 2 O 3, Ta 2 O 5, Nb 2 O 5, Bi 2 O 3 or the like is included as another oxide A mixture of the stabilized zirconia powder with about 0.1 to 5% by mass of alumina, titanium, and ceria is preferably used.

ちなみに、上記原料粉末の比表面積が3m2/gを下回る相対的に粗粒のものでは、グリーンシートを焼成してジルコニア系シートとする際の焼結性が低下し、相対密度で95%超、特に98%を超える緻密なものが得られ難くなり、シート強度も不足気味となる。一方、比表面積が20m2/gを超える過度に微細なものでは、バインダーの使用量が増大すると共にスラリー粘度も高くなり、スラリー段階での脱気が困難になって気孔欠陥が残り易くなると共に緻密性も低下傾向となり、且つ焼成後のシートに反りやウネリが発生し易くなる。ジルコニア系粉末のより好ましい比表面積は5m2/g以上、16m2/g以下である。 By the way, if the raw material powder has a relatively coarse particle surface with a specific surface area of less than 3 m 2 / g, the sinterability when the green sheet is fired to form a zirconia-based sheet is lowered, and the relative density exceeds 95%. In particular, it is difficult to obtain a dense material exceeding 98%, and the sheet strength is insufficient. On the other hand, if the specific surface area is excessively finer than 20 m 2 / g, the amount of binder used increases and the slurry viscosity increases, degassing at the slurry stage becomes difficult, and pore defects tend to remain. The denseness also tends to decrease, and warpage and undulation are likely to occur in the fired sheet. The more preferable specific surface area of the zirconia powder is 5 m 2 / g or more and 16 m 2 / g or less.

本発明で使用されるバインダーの種類にも格別の制限はなく、従来から知られた有機質もしくは無機質のバインダーを適宜選択して使用することができる。有機質バインダーとしては、例えばエチレン系共重合体、スチレン系共重合体、アクリレート系及びメタクリレート系共重合体、酢酸ビニル系共重合体、マレイン酸系共重合体、ビニルブチラール系樹脂、ビニルアセタール系樹脂、ビニルホルマール系樹脂、ビニルアルコール系樹脂、ワックス類、エチルセルロース等のセルロース類等が例示される。   There is no particular limitation on the type of binder used in the present invention, and conventionally known organic or inorganic binders can be appropriately selected and used. Examples of organic binders include ethylene copolymers, styrene copolymers, acrylate and methacrylate copolymers, vinyl acetate copolymers, maleic acid copolymers, vinyl butyral resins, and vinyl acetal resins. And vinyl formal resins, vinyl alcohol resins, waxes, celluloses such as ethyl cellulose, and the like.

これらの中でもグリーンシートの成形性や打抜き加工性、強度、焼成時の熱分解性等の点から、メチルアクリレート、エチルアクリレート、プロピルアクリレート、ブチルアクリレート、イソブチルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート等の炭素数10以下のアルキル基を有するアルキルアクリレート類;およびメチルメタクリレート、エチルメタクリレート、ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレート、オクチルメタクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、デシルメタクリレート、ドデシルメタクリレート、ラウリルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート等の炭素数20以下のアルキル基を有するアルキルメタクリレート類;ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート等のヒドロキシアルキル基を有するヒドロキシアルキルアクリレートまたはヒドロキシアルキルメタクリレート類;ジメチルアミノエチルアクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート等のアミノアルキルアクリレートまたはアミノアルキルメタクリレート類;(メタ)アクリル酸、マレイン酸、モノイソプロピルマレートの如きマレイン酸半エステル等のカルボキシル基含有モノマー、の少なくとも1種を重合または共重合させることによって得られる、数平均分子量が20,000〜200,000、より好ましくは50,000〜100,000の(メタ)アクリレート系共重合体が好ましいものとして推奨される。これらの有機質バインダーは、単独で使用し得る他、必要により2種以上を適宜組み合わせて使用することができる。特に好ましいのはイソブチルメタクリレートおよび/または2−エチルヘキシルメタクリレートを60質量%以上含むモノマーの共重合体である。   Among these, from the viewpoints of green sheet moldability, punching workability, strength, thermal decomposability during firing, and the like, methyl acrylate, ethyl acrylate, propyl acrylate, butyl acrylate, isobutyl acrylate, cyclohexyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, etc. Alkyl acrylates having an alkyl group having 10 or less carbon atoms; and 20 carbon atoms such as methyl methacrylate, ethyl methacrylate, butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, octyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, decyl methacrylate, dodecyl methacrylate, lauryl methacrylate, cyclohexyl methacrylate, etc. Alkyl methacrylates having the following alkyl groups: hydroxyethyl acrylate, hydro Hydroxyalkyl acrylates or hydroxyalkyl methacrylates having a hydroxyalkyl group such as cyclopropyl acrylate, hydroxyethyl methacrylate, hydroxypropyl methacrylate; aminoalkyl acrylates or aminoalkyl methacrylates such as dimethylaminoethyl acrylate, dimethylaminoethyl methacrylate; A number average molecular weight of 20,000 to 200,000 obtained by polymerizing or copolymerizing at least one of carboxyl group-containing monomers such as acrylic acid, maleic acid, maleic acid half ester such as monoisopropyl malate, More preferably, 50,000 to 100,000 (meth) acrylate copolymer is recommended. These organic binders can be used alone or in combination of two or more as necessary. Particularly preferred is a copolymer of monomers containing 60% by mass or more of isobutyl methacrylate and / or 2-ethylhexyl methacrylate.

また無機質バインダーとしては、ジルコニアゾル、シリカゾル、アルミナゾル、チタニアゾル等が単独で若しくは2種以上を混合して使用できる。   As the inorganic binder, zirconia sol, silica sol, alumina sol, titania sol and the like can be used alone or in admixture of two or more.

ジルコニア系粉末とバインダーの使用比率も特に制限されないが、好ましいのは、前者100質量部に対して後者5〜30質量部、より好ましくは10〜20質量部の範囲が好適である。   The use ratio of the zirconia-based powder and the binder is not particularly limited, but is preferably in the range of 5 to 30 parts by mass, more preferably 10 to 20 parts by mass with respect to the former 100 parts by mass.

また溶媒としては、水、メタノール、エタノール、2−プロパノール、1−ブタノール、1−ヘキサノール等のアルコール類;アセトン、2−ブタノン等のケトン類、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン等の脂肪族炭化水素類;ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素類;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル等の酢酸エステル類等が適宜選択して使用される。これらの溶媒も単独で使用し得る他、2種以上を適宜混合して使用することができる。これら溶媒の使用量は、スラリーの粘度を加味して適当に調節するのがよい。   Examples of the solvent include alcohols such as water, methanol, ethanol, 2-propanol, 1-butanol and 1-hexanol; ketones such as acetone and 2-butanone; aliphatic hydrocarbons such as pentane, hexane and heptane; Aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene and ethylbenzene; acetates such as methyl acetate, ethyl acetate and butyl acetate are appropriately selected and used. These solvents can also be used alone, or two or more of them can be appropriately mixed and used. The amount of these solvents to be used should be appropriately adjusted in consideration of the viscosity of the slurry.

必要に応じて使用される可塑剤は、グリーンシートに柔軟性を付与するために配合されるもので、例えばフタル酸ジブチル、フタル酸ジオクチル等のフタル酸エステル類、プロピレングリコール等のグリコール類やグリコールエーテル類などが好ましく使用される。これら可塑剤の配合量も特に制限されないが、好ましいのはジルコニア粉末100質量部に対して0.5〜5質量部であり、より好ましくは1〜3質量部の範囲である。   Plasticizers used as necessary are blended to impart flexibility to the green sheet. For example, phthalates such as dibutyl phthalate and dioctyl phthalate, glycols such as propylene glycol and glycols Ethers and the like are preferably used. The blending amount of these plasticizers is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 5 parts by mass, more preferably 1 to 3 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the zirconia powder.

上記スラリーの調製に当たっては、セラミック原料粉末の解膠や分散を促進するため、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸アンモニウム等の高分子電解質、クエン酸、酒石酸等の有機酸、イソブチレンまたはスチレンと無水マレイン酸との共重合体およびそのアンモニウム塩あるいはアミン塩、ブタジエンと無水マレイン酸との共重合体およびそのアンモニウム塩等からなる分散剤;更には界面活性剤や消泡剤などを必要に応じて添加することができる。   In the preparation of the slurry, in order to promote peptization and dispersion of the ceramic raw material powder, polymer electrolytes such as polyacrylic acid and ammonium polyacrylate, organic acids such as citric acid and tartaric acid, isobutylene or styrene and maleic anhydride And a dispersing agent comprising a copolymer of styrene and an ammonium salt thereof, a copolymer of butadiene and maleic anhydride and an ammonium salt thereof; and a surfactant or an antifoaming agent are added as necessary. be able to.

以下、実施例を挙げて本発明の構成と作用効果をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited by the following examples, and is suitable as long as it can meet the purpose described above and below. Of course, it is possible to carry out with modifications, and these are all included in the technical scope of the present invention.

実施例1
3モル%イットリア安定化ジルコニア系粉末(住友大阪セメント社製:商品名「OZC−3Y」、比表面積:8m2/g、平均粒子径:0.6μm)100質量部と、アルミナ粉末(昭和電工社製:商品名「AL−160SG」)0.5質量部との混合物に対し、メタクリル酸エステル共重合体(2−エチルヘキシルメタクリレート;95%、ジメチルアミノエチルメタクリレート;4%、ヒドロキシプロピルアクリレート;1%の共重合体、平均分子量:80,000、ガラス転移点:−9℃)からなるバインダーを固形分換算で14質量部、可塑剤としてジブチルフタレートを2質量部、溶剤としてトルエン/イソプロピルアルコール(質量比:3/2)の混合溶剤50質量部を、直径10mmのジルコニアボールが装入された内容積100Lのナイロン樹脂製ボールミルに入れ、約45rpmで40時間ミリングして原料スラリーを調製した。このスラリーの粘度は、室温(25℃)で0.8Pa・sであった。
Example 1
3 parts by mass of yttria-stabilized zirconia-based powder (manufactured by Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd .: trade name “OZC-3Y”, specific surface area: 8 m 2 / g, average particle size: 0.6 μm) and alumina powder (Showa Denko) Company: Trade name “AL-160SG”) For 0.5 parts by mass of the mixture, methacrylic acid ester copolymer (2-ethylhexyl methacrylate; 95%, dimethylaminoethyl methacrylate; 4%, hydroxypropyl acrylate; 1 % Of copolymer, average molecular weight: 80,000, glass transition point: −9 ° C.) 14 parts by mass in terms of solid content, 2 parts by mass of dibutyl phthalate as plasticizer, toluene / isopropyl alcohol (as solvent) 50 parts by mass of a mixed solvent having a mass ratio of 3/2), an internal volume of 1 in which zirconia balls having a diameter of 10 mm are charged Placed in a nylon resin-made ball mill 0L, the raw material slurry was prepared by 40 hours milled at about 45 rpm. The slurry had a viscosity of 0.8 Pa · s at room temperature (25 ° C.).

このスラリーを、碇型の撹拌機を備えた内容積が50Lのジャケット付丸底円筒型減圧脱泡容器へ移し、撹拌機を30rpmの速度で回転させながら、ジャケット温度40℃で減圧(30〜160torr)下に濃縮・脱泡し、粘度を3.0Pa・sに調整した。このスラリーの固形分濃度は、回収された溶剤の量から逆算して約60質量%であった。次いで窒素ガスを容器内へ導入して、常温常圧下に撹拌機(撹拌動力;2kW/m3)を10rpmで10時間回転させて撹拌し、その後、撹拌機を止めて静止し室温(約20℃)で2時間保持し、塗工用のスラリー(固形分濃度:約60質量%)を得た。 This slurry was transferred to a jacketed round bottom cylindrical vacuum degassing vessel equipped with a vertical stirrer and having a volume of 50 L. While the stirrer was rotated at a speed of 30 rpm, the slurry was reduced in pressure at a jacket temperature of 40 ° C. 160 torr) under reduced pressure, and the viscosity was adjusted to 3.0 Pa · s. The solid content concentration of this slurry was approximately 60% by mass, calculated backward from the amount of the recovered solvent. Next, nitrogen gas was introduced into the container, and the stirrer (stirring power; 2 kW / m 3 ) was rotated at 10 rpm for 10 hours under normal temperature and normal pressure. After that, the stirrer was stopped and stopped to stand at room temperature (about 20 C.) for 2 hours to obtain a slurry for coating (solid content concentration: about 60% by mass).

得られた塗工用スラリーを塗工装置のスラリーダムに移し、ドクターブレード法によってポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上に塗工し、塗工部に続く乾燥機(50℃、80℃、110℃の3ゾーン)を0.2m/minの速度で通過させて乾燥することにより、厚さが約180μmのグリーンシートを得た。   The obtained slurry for coating is transferred to a slurry dam of a coating apparatus, coated on a polyethylene terephthalate (PET) film by a doctor blade method, and a dryer (50 ° C., 80 ° C., 110 ° C. following the coating part). 3 zone) was passed at a speed of 0.2 m / min and dried to obtain a green sheet having a thickness of about 180 μm.

このグリーンシートを幅10mm×長さ350mmに切断し、これをゼンマイ状に丸めてサンプル管内へ挿入し、このサンプル管をマイクロメリテックス社製の自動ポロシメータ「オートポアIII9420」に装着して、水銀圧:1〜60000psiaで該グリーンシート中の平均細孔径と全細孔容積を求めた。   This green sheet is cut into a width of 10 mm and a length of 350 mm, rounded into a spring, and inserted into a sample tube. This sample tube is attached to an automatic porosimeter “Autopore III9420” manufactured by Micromeritex, : The average pore diameter and the total pore volume in the green sheet were determined at 1 to 60000 psia.

また、得られたグリーンシートを約60mm×10mmの短冊状に切断し、その上下を、表面の平坦な99.5%アルミナ多孔質板に挟んで脱脂した後、1350℃で3時間焼成することにより、50mm×8mmで厚さ150μmの3モル%イットリア安定化ジルコニア系シートを得た。   Further, the obtained green sheet is cut into a strip of about 60 mm × 10 mm, and the upper and lower sides are degreased by sandwiching the surface with a flat 99.5% alumina porous plate, followed by firing at 1350 ° C. for 3 hours. Thus, a 3 mol% yttria-stabilized zirconia-based sheet having a thickness of 50 mm × 8 mm and a thickness of 150 μm was obtained.

得られたジルコニア系シートおよびグリーンシートの異なる位置10箇所の断面を408nmレーザー光顕微鏡で写真撮影し、その断面を1650倍に拡大したレーザー光顕微鏡写真から目視によって閉気孔の数を調べた。また、JIS R1601に準拠して室温で3点曲げ強度試験を行い、ワイブル係数を算出した。   The cross-sections at 10 different positions of the obtained zirconia-based sheet and green sheet were photographed with a 408 nm laser light microscope, and the number of closed pores was examined visually from a laser light micrograph magnified 1650 times. Further, a three-point bending strength test was performed at room temperature in accordance with JIS R1601, and the Weibull coefficient was calculated.

結果を表1に示す。   The results are shown in Table 1.

実施例2
10モル%スカンジア−1モル%セリア安定化ジルコニア系粉末(第一稀元素化学社製:商品名「10Sc1CeSZ」、比表面積:9m2/g、平均粒子径:0.5μm)をジルコニア系原料粉末として使用した以外は、前記実施例1と同様にしてスラリーを調製した。
Example 2
10 mol% scandia-1 mol% ceria-stabilized zirconia powder (made by Daiichi Rare Elemental Chemical Co., Ltd .: trade name “10Sc1CeSZ”, specific surface area: 9 m 2 / g, average particle size: 0.5 μm) A slurry was prepared in the same manner as in Example 1 except that the above was used.

このスラリーを、碇型の撹拌機を備えた内容積が50Lのジャケット付丸底円筒型減圧脱泡容器へ移し、撹拌機を30rpmの速度で回転させながら、ジャケット温度約45℃で減圧(30〜160psia)下に濃縮・脱泡し、粘度を4.0Pa・sに調整した。このスラリーの固形分濃度は、回収された溶剤の量から逆算して約70質量%であった。次いで窒素ガスを容器内へ導入し、常温常圧で撹拌機を15rpmで5時間回転させて撹拌した。その後、撹拌機を止めて静止状態で1時間保持し、塗工用のスラリー(固形分濃度:約70質量%)を得た。   The slurry was transferred to a jacketed round bottom cylindrical vacuum degassing vessel having a volume of 50 L equipped with a vertical stirrer, and the pressure was reduced at a jacket temperature of about 45 ° C. while rotating the stirrer at a speed of 30 rpm (30 ° C. The viscosity was adjusted to 4.0 Pa · s. The solid content concentration of this slurry was about 70% by mass calculated backward from the amount of the recovered solvent. Next, nitrogen gas was introduced into the container, and the stirring was performed by rotating the stirrer at 15 rpm for 5 hours at normal temperature and pressure. Then, the stirrer was stopped and held for 1 hour in a stationary state to obtain a slurry for coating (solid content concentration: about 70% by mass).

得られた塗工用スラリーを使用し、上記実施例1と同様にして厚さが約680μmのグリーンシートを得、更に同様にして該グリーンシートの平均細孔径と全細孔容積を調べた。   Using the obtained coating slurry, a green sheet having a thickness of about 680 μm was obtained in the same manner as in Example 1, and the average pore diameter and the total pore volume of the green sheet were examined in the same manner.

更に、実施例1と同様にして、グリーンシートを1400℃で3時間焼成することにより、厚さが約500μmの10モル%スカンジア−1モル%セリア安定化ジルコニア系シートを得、同様にしてシートおよびグリーンシートの断面を1650倍に拡大したレーザー光顕微鏡によって閉気孔の数を調べると共に、室温での3点曲げ強度およびワイブル係数を求めた。結果を表1に示す。   Further, in the same manner as in Example 1, the green sheet was fired at 1400 ° C. for 3 hours to obtain a 10 mol% scandia-1 mol% ceria stabilized zirconia-based sheet having a thickness of about 500 μm. In addition, the number of closed pores was examined with a laser light microscope in which the cross section of the green sheet was magnified 1650 times, and the three-point bending strength and Weibull coefficient at room temperature were determined. The results are shown in Table 1.

参考例1
ジルコニア粉末(第一稀元素化学社製:商品名「EPR」、比表面積:18m2/g、平均粒子径:0.3μm)に、市販の酸化イッテルビウム粉末をジルコニアに対し5モル%となる様に添加してジルコニア系原料粉末として使用した以外は、前記実施例1と同様にしてスラリーを調製した。
Reference example 1
Zirconia powder (made by Daiichi Rare Elemental Chemical Co., Ltd .: trade name “EPR”, specific surface area: 18 m 2 / g, average particle size: 0.3 μm) and commercially available ytterbium oxide powder to 5 mol% with respect to zirconia A slurry was prepared in the same manner as in Example 1 except that it was used as a zirconia-based raw material powder.

このスラリーを、碇型の撹拌機を備えた内容積が50Lのジャケット付丸底円筒型減圧脱泡容器へ移し、撹拌機を30rpmの速度で回転させながら、室温(約20℃)で減圧(30〜160psia)下に濃縮・脱泡し、粘度を6.0Pa・sに調整した。このスラリーの固形分濃度は、回収された溶剤の量から逆算して約75質量%であった。次いで窒素ガスを容器内へ導入し、常温常圧で撹拌機を7rpmで20時間回転させて撹拌した。その後、撹拌機を止めて静止状態で4時間保持し、塗工用のスラリー(固形分濃度:約75質量%)を得た。   This slurry was transferred to a jacketed round bottom cylindrical vacuum degassing vessel equipped with a bowl-shaped stirrer and having a volume of 50 L, and the pressure was reduced at room temperature (about 20 ° C.) while rotating the stirrer at a speed of 30 rpm. The viscosity was adjusted to 6.0 Pa · s by concentration and defoaming under 30 to 160 psia). The solid content concentration of this slurry was about 75% by mass calculated backward from the amount of the recovered solvent. Next, nitrogen gas was introduced into the container, and the stirring was performed by rotating the stirrer at 7 rpm for 20 hours at room temperature and normal pressure. Then, the stirrer was stopped and held for 4 hours in a stationary state to obtain a slurry for coating (solid content concentration: about 75% by mass).

得られた塗工用スラリーを使用し、上記実施例1と同様にして厚さが約250μmのグリーンシートを得、同様にして該グリーンシートの平均細孔径と全細孔容積を調べた。   Using the obtained coating slurry, a green sheet having a thickness of about 250 μm was obtained in the same manner as in Example 1, and the average pore diameter and the total pore volume of the green sheet were examined in the same manner.

更に、実施例1と同様にして、グリーンシートを1400℃で3時間焼成することにより、厚さが約200μmの5モル%イッテルビア安定化ジルコニア系シートを得、同様にしてシートおよびグリーンシートの断面を1650倍に拡大した408nmレーザー光顕微鏡写真によって閉気孔の数を調べると共に、室温での3点曲げ強度およびワイブル係数を求めた。結果を表1に示す。   Further, in the same manner as in Example 1, the green sheet was fired at 1400 ° C. for 3 hours to obtain a 5 mol% ytterbia-stabilized zirconia-based sheet having a thickness of about 200 μm. The number of closed pores was examined by a 408 nm laser light microscope photograph magnified 1650 times, and the three-point bending strength and Weibull coefficient at room temperature were determined. The results are shown in Table 1.

比較例1
前掲の実施例1と同様にしてスラリーを調製し、このスラリーを、碇型の撹拌機を備えた内容積が50Lのジャケット付丸底円筒型減圧脱泡容器へ移し、撹拌機を30rpmの速度で回転させながら、ジャケット温度約20℃で減圧(30〜160psia)下に濃縮・脱泡し、粘度を3.0Pa・sに調整した。このスラリーの固形分濃度は、回収された溶剤の量から逆算して約60質量%であった。次いで窒素ガスを容器内へ導入し、常温常圧で撹拌機を10rpmで20時間回転させて撹拌し、塗工用のスラリー(固形分濃度:約60質量%)を得た。
Comparative Example 1
A slurry was prepared in the same manner as in Example 1 above, and this slurry was transferred to a round bottom cylindrical vacuum degassing vessel with a 50 L internal volume equipped with a vertical stirrer, and the stirrer was rotated at a speed of 30 rpm. The mixture was concentrated and degassed under reduced pressure (30 to 160 psia) at a jacket temperature of about 20 ° C. while adjusting the viscosity to 3.0 Pa · s. The solid content concentration of this slurry was approximately 60% by mass, calculated backward from the amount of the recovered solvent. Next, nitrogen gas was introduced into the container, and the stirrer was rotated at 10 rpm for 20 hours at room temperature and normal pressure, followed by stirring to obtain a slurry for coating (solid content concentration: about 60% by mass).

得られた塗工用スラリーを、静止状態に保つことなく直ちに塗工機へ送り、上記実施例1と同様にして厚さが約180μmのグリーンシートを得、同様にして該グリーンシートの平均細孔径と全細孔容積を調べた。   The obtained slurry for coating was immediately sent to the coating machine without maintaining a stationary state, and a green sheet having a thickness of about 180 μm was obtained in the same manner as in Example 1 above. The pore size and total pore volume were investigated.

更に、実施例1と同様にして、グリーンシートを1350℃で3時間焼成することにより、厚さが約150μmの3モル%イットリア安定化ジルコニア系シートを得、同様にしてシートおよびグリーンシートの断面を1650倍に拡大した408nmレーザー光顕微鏡写真によって閉気孔の数を調べると共に、室温での3点曲げ強度およびワイブル係数を求めた。結果を表1に示す。   Further, in the same manner as in Example 1, the green sheet was fired at 1350 ° C. for 3 hours to obtain a 3 mol% yttria-stabilized zirconia-based sheet having a thickness of about 150 μm. The number of closed pores was examined by a 408 nm laser light microscope photograph magnified 1650 times, and the three-point bending strength and Weibull coefficient at room temperature were determined. The results are shown in Table 1.

比較例2
前記実施例1と同様にしてスラリーを調製し、このスラリーを、碇型の撹拌機を備えた内容積が50Lのジャケット付丸底円筒型減圧脱泡容器へ移し、撹拌機を30rpmの速度で回転させながら、ジャケット温度50℃で減圧(30〜160psia)下に濃縮・脱泡し、粘度を3.0Pa・sに調整した。このスラリーの固形分濃度は、回収された溶剤の量から逆算して約60質量%であった。次いで窒素ガスを容器内へ導入し、撹拌することなく常温常圧で1時間静置するだけで、塗工用のスラリー(固形分濃度:約60質量%)とした。
Comparative Example 2
A slurry was prepared in the same manner as in Example 1, and this slurry was transferred to a jacketed round bottom cylindrical vacuum degassing vessel equipped with a vertical stirrer and having a volume of 50 L. The stirrer was moved at a speed of 30 rpm. While rotating, it was concentrated and degassed under reduced pressure (30 to 160 psia) at a jacket temperature of 50 ° C. to adjust the viscosity to 3.0 Pa · s. The solid content concentration of this slurry was approximately 60% by mass, calculated backward from the amount of the recovered solvent. Next, nitrogen gas was introduced into the container, and the mixture was allowed to stand at room temperature and normal pressure for 1 hour without stirring to obtain a slurry for coating (solid content concentration: about 60% by mass).

この塗工用スラリーを用いて、上記実施例1と同様にして厚さが約180μmのグリーンシートを得、同様にして該グリーンシートの平均細孔径と全細孔容積を調べた。   Using this coating slurry, a green sheet having a thickness of about 180 μm was obtained in the same manner as in Example 1, and the average pore diameter and total pore volume of the green sheet were examined in the same manner.

更に、実施例1と同様にして、グリーンシートを1350℃で3時間焼成することにより、厚さが約150μmの3モル%イットリア安定化ジルコニア系シートを得、同様にしてシートおよびグリーンシートの断面を1650倍に拡大したレーザー光顕微鏡写真によって閉気孔の数を調べると共に、室温での3点曲げ強度およびワイブル係数を求めた。結果を表1に示す。   Further, in the same manner as in Example 1, the green sheet was fired at 1350 ° C. for 3 hours to obtain a 3 mol% yttria-stabilized zirconia-based sheet having a thickness of about 150 μm. The number of closed pores was examined using a laser light micrograph magnified 1650 times, and the three-point bending strength and Weibull coefficient at room temperature were determined. The results are shown in Table 1.

比較例3
前掲の実施例1と同様にしてスラリーを調製し、このスラリーを、碇型の撹拌機を備えた内容積が50Lのジャケット付丸底円筒型減圧脱泡容器へ移し、撹拌機を30rpmの速度で回転させながら、ジャケット温度60℃で減圧(30〜160psia)下に濃縮・脱泡し、粘度を7.5Pa・sに調整した。このスラリーの固形分濃度は、回収された溶剤の量から逆算して約60質量%であった。次いで窒素ガスを容器内へ導入し、常温常圧で撹拌機を35rpmで10時間回転させて撹拌し、その後、撹拌を停止して40時間静置して塗工用のスラリー(固形分濃度:約60質量%)を得た。
Comparative Example 3
A slurry was prepared in the same manner as in Example 1 above, and this slurry was transferred to a round bottom cylindrical vacuum degassing vessel with a 50 L internal volume equipped with a vertical stirrer, and the stirrer was rotated at a speed of 30 rpm. The mixture was concentrated and degassed under reduced pressure (30 to 160 psia) at a jacket temperature of 60 ° C. while adjusting the viscosity to 7.5 Pa · s. The solid content concentration of this slurry was approximately 60% by mass, calculated backward from the amount of the recovered solvent. Next, nitrogen gas is introduced into the container, and the stirrer is rotated at 35 rpm at room temperature and normal pressure for 10 hours to stir. Thereafter, stirring is stopped and the slurry is left to stand for 40 hours (solid content concentration: About 60% by mass).

得られた塗工用スラリーを塗工機へ送り、上記実施例1と同様にして厚さが約180μmのグリーンシートを得、同様にして該グリーンシートの平均細孔径と全細孔容積を調べた。   The obtained coating slurry is sent to a coating machine to obtain a green sheet having a thickness of about 180 μm in the same manner as in Example 1, and the average pore diameter and the total pore volume of the green sheet are similarly examined. It was.

更に、実施例1と同様にして、グリーンシートを1350℃で3時間焼成することにより、厚さが約150μmの3モル%イットリア安定化ジルコニア系シートを得、同様にしてシートおよびグリーンシートの断面を1650倍に拡大した408nmレーザー光顕微鏡写真によって閉気孔の数を調べると共に、アルキメデス法による室温での相対密度、3点曲げ強度およびワイブル係数を求めた。なお写真撮影を行なう際には、縦断面の表面処理は行なわずそのまま任意の5箇所で撮影し、夫々について閉気孔の数を測定して、その平均値を閉気孔の数とした。結果を表1に示す。   Further, in the same manner as in Example 1, the green sheet was fired at 1350 ° C. for 3 hours to obtain a 3 mol% yttria-stabilized zirconia-based sheet having a thickness of about 150 μm. The number of closed pores was examined by a 408 nm laser light microscope photograph magnified 1650 times, and the relative density at room temperature, the three-point bending strength, and the Weibull coefficient were determined by the Archimedes method. When photographing, the surface of the longitudinal section was not subjected to surface treatment, and the images were taken as they were at five arbitrary locations, the number of closed pores was measured for each, and the average value was taken as the number of closed pores. The results are shown in Table 1.

実施例1で得たシート縦断面のレーザー光顕微鏡写真を図1に、比較例2で得たシート縦断面のレーザー光顕微鏡写真を図2に示した。なお写真に現われる閉気孔は黒い円形または楕円形状で、その直径は0.3〜3μm程度である。   A laser light micrograph of the sheet longitudinal section obtained in Example 1 is shown in FIG. 1, and a laser light micrograph of the sheet longitudinal section obtained in Comparative Example 2 is shown in FIG. The closed pores appearing in the photograph are black circular or elliptical, and the diameter is about 0.3 to 3 μm.

表1から、次の様に考えることができる。   From Table 1, it can be considered as follows.

表1の実施例1,2はいずれも本発明の規定要件を満たす実施例であり、グリーンシート中に含まれる細孔の平均細孔径および全細孔容積ともに本発明の規定要件を満たしており、閉気孔数も少なくて極めて緻密なものであることが分かる。従って、これを焼成することによって得られるジルコニア系シートも、相対密度が高くて曲げ強度も良好で、相対的に高いワイブル係数を示しており、閉気孔数も非常に少ない。 Examples 1 and 2 in Table 1 are examples that satisfy the requirements of the present invention, and both the average pore diameter and total pore volume of the pores contained in the green sheet satisfy the requirements of the present invention. It can be seen that the number of closed pores is small and extremely dense. Therefore, the zirconia sheet obtained by firing this also has a high relative density and good bending strength, a relatively high Weibull coefficient, and a very small number of closed pores.

これに対し、塗工用スラリーの調製段階で静置工程[D]を省略した比較例1および撹拌工程[C]を省略した比較例2は、グリーンシートの平均細孔径、全細孔容積ともに本発明の規定範囲を超えているばかりか、閉気孔数も多く、これを焼成することによって得られるジルコニア系シートも、相対密度が比較的低くて曲げ強度やワイブル係数も悪く、閉気孔数も非常に多い。   On the other hand, in Comparative Example 1 in which the standing step [D] was omitted in the preparation stage of the coating slurry and in Comparative Example 2 in which the stirring step [C] was omitted, both the average pore diameter and the total pore volume of the green sheet Not only exceeds the specified range of the present invention, but also has a large number of closed pores, and the zirconia-based sheet obtained by firing this also has a relatively low relative density, a poor bending strength and a Weibull coefficient, and a closed pore number. Very many.

また、撹拌工程[C]の回転速度が高過ぎる比較例3でも、グリーンシートの平均細孔径、全細孔容積ともに比較的大きくて閉気孔数も多く、これを焼成することによって得られるジルコニア系シートも、相対密度が比較的低く曲げ強度やワイブル係数も悪くて、閉気孔数も多い。   Further, in Comparative Example 3 where the rotational speed of the stirring step [C] is too high, both the average pore diameter and the total pore volume of the green sheet are relatively large and the number of closed pores is large, and the zirconia system obtained by firing this The sheet also has a relatively low relative density, poor bending strength and Weibull coefficient, and a large number of closed pores.

実施例1で得たシート縦断面のレーザー光顕微鏡写真である。2 is a laser light micrograph of a longitudinal section of a sheet obtained in Example 1. 比較例2で得たシート縦断面のレーザー光顕微鏡写真である。4 is a laser light micrograph of a longitudinal section of a sheet obtained in Comparative Example 2.

Claims (7)

ジルコニア系粉末とバインダーを含み、ドクターブレード法により成形されたジルコニア系グリーンシートであって、水銀圧入法で測定される当該グリーンシート中に存在する細孔の平均細孔径が0.01〜0.06μmであり、且つ全細孔容積が0.01〜0.05mL/gであることを特徴とするジルコニア系グリーンシート。   A zirconia green sheet containing a zirconia powder and a binder and molded by a doctor blade method, wherein the average pore diameter of the pores present in the green sheet measured by a mercury intrusion method is 0.01-0. A zirconia-based green sheet having a total pore volume of 0.01 to 0.05 mL / g and having a size of 06 μm. 縦断面を408nmのレーザー光顕微鏡で写真撮影することにより観察される閉気孔の数が、90×65μm2の領域に10個以下である請求項1に記載のジルコニア系グリーンシート。 2. The zirconia green sheet according to claim 1, wherein the number of closed pores observed by photographing a longitudinal section with a 408 nm laser light microscope is 10 or less in a region of 90 × 65 μm 2 . 前記ジルコニア系粉末は、酸化スカンジウム、酸化イットリウムおよび酸化イッテルビウムよりなる群から選択される少なくとも1種の酸化物を安定化剤としてジルコニアに対し3〜12モル%含み、比表面積が3〜20m2/gである請求項1または2に記載のジルコニア系グリーンシート。 The zirconia-based powder contains 3 to 12 mol% as a stabilizer of at least one oxide selected from the group consisting of scandium oxide, yttrium oxide and ytterbium oxide, and has a specific surface area of 3 to 20 m 2 / The zirconia green sheet according to claim 1 or 2, which is g. 前記請求項1〜3のいずれか1項に記載のジルコニア系グリーンシートを、1300〜1500℃で焼成したものであって、
厚さが50〜800μmであり、該シートの縦断面を408nmのレーザー光顕微鏡で写真撮影することにより観察される閉気孔の数が、90×65μm 2 の領域に10個以下であるジルコニア系シート。
Zirconia-based green sheet according to any one of the claims 1-3, der those fired at 1300 to 1500 ° C.,
A zirconia sheet having a thickness of 50 to 800 μm and having 10 or less closed pores in a 90 × 65 μm 2 region observed by taking a photograph of a longitudinal section of the sheet with a 408 nm laser light microscope .
曲げ強度のワイブル係数が10以上である請求項に記載のジルコニア系シート。 The zirconia sheet according to claim 4 , wherein the Weibull coefficient of bending strength is 10 or more. 燃料電池やセンサーの固体電解質膜として使用されるものである請求項4または5に記載のジルコニア系シート。 The zirconia-based sheet according to claim 4 or 5 , which is used as a solid electrolyte membrane for a fuel cell or a sensor. 前記請求項1〜3のいずれか1項に記載のジルコニア系グリーンシートを製造する方法であって、
[A]ジルコニア系粉末、バインダーおよび溶剤を含む原料をミリングして粘度が1.5Pa・s以下のスラリーを得るミリング工程、
[B]該スラリーを、撹拌羽根付き容器内で、20℃における粘度が2.7〜6.7Pa・sの範囲となる様に溶剤を減圧除去し、固形分濃度が50〜85質量%のスラリーを得る減圧撹拌工程、
[C]得られるスラリーを、当該スラリー中に浸漬された撹拌羽根で常温常圧下に撹拌動力:1.5〜2.5kW/m3、回転速度:5〜20rpmで1〜50時間撹拌する撹拌工程、
[D]その後、撹拌羽根を回転させることなく10分〜25時間静置する静置工程、
によって得られるスラリーを使用し、ドクターブレード法によりシート成形することを特徴とするジルコニア系グリーンシートの製法。
A method for producing the zirconia green sheet according to any one of claims 1 to 3,
[A] A milling step of milling a raw material containing a zirconia-based powder, a binder and a solvent to obtain a slurry having a viscosity of 1.5 Pa · s or less,
[B] The slurry was removed under reduced pressure so that the viscosity at 20 ° C. was in the range of 2.7 to 6.7 Pa · s in a vessel equipped with stirring blades, and the solid content concentration was 50 to 85% by mass. A vacuum stirring step to obtain a slurry,
[C] Stirring the resulting slurry with stirring blades immersed in the slurry at room temperature and normal pressure, stirring power: 1.5 to 2.5 kW / m 3 , rotation speed: 5 to 20 rpm, and stirring for 1 to 50 hours Process,
[D] Then, the stationary process of leaving still for 10 minutes-25 hours, without rotating a stirring blade,
A method for producing a zirconia green sheet, wherein the slurry obtained by the above method is used and the sheet is formed by a doctor blade method.
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