JP4841851B2

JP4841851B2 - アルミナ及びその製造方法

Info

Publication number: JP4841851B2
Application number: JP2005057112A
Authority: JP
Inventors: 泰一郎森; 健一安達; 亮悦吉野
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2005-03-02
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2025-03-02
Also published as: JP2006240908A

Description

本発明は、アルミナ及びその製造方法に関する。

従来、角柱状α−アルミナの製造方法として、特許文献１が、板状α−アルミナの製造方法として、特許文献２が知られている。
特開昭５８−１６１９２０号公報特開２００１−５８８１８号公報

本発明の目的は、塩基性塩化アルミニウムとアルカリ金属硫酸塩を原料とするアスペクト比の高い板状アルミナ及びその製造方法を提供することである。

すなわち、本発明は、塩基性塩化アルミニウムとアルカリ金属硫酸塩を室温で混合した後、１００℃〜２００℃で乾燥処理し、さらに加熱処理することを特徴とする、平均粒子径を粒子厚みで除したアスペクト比が２以上である板状のアルミナの製造方法であり、塩基性塩化アルミニウム水溶液に、添加時間が１時間以内となるようにアルカリ金属硫酸塩水溶液を添加、混合した後、加熱処理を施してなるアルミナの製造方法であり、塩基性塩化アルミニウムとアルカリ金属硫酸塩の混合割合が、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミニウムをアルミナに換算）：ＳＯ_４のモル比で１：０．５〜１０であることを特徴とするアルミナの製造方法であり、加熱処理温度が、アルカリ金属硫酸塩の融点以上であることを特徴とするアルミナの製造方法であり、塩基性塩化アルミニウムのＡｌ／Ｃｌモル比が０．５〜２．５であることを特徴とするアルミナの製造方法である。

また、塩酸に金属アルミニウム粉末を添加して得られる塩基性塩化アルミニウムを使用することを特徴とするアルミナの製造方法であり、アルミナがα−アルミナであることを特徴とするアルミナの製造方法であり、アルミナが平均粒子径０.１〜２０μｍ、（平均粒子径／粒子厚み）で表されるアスペクト比が２〜５０であることを特徴とするアルミナの製造方法であり、アルミナが六角板状であることを特徴とするアルミナの製造方法であり、これらのアルミナの製造方法により得られるアルミナであり、このアルミナを基材とするパール顔料である。

本発明により、塩基性塩化アルミニウムとアルカリ金属硫酸塩を原料とするアスペクト比の高い板状アルミナ及びその製造方法が提供される。

本発明に係る「アルミナ」は、Ａｌ_２Ｏ_３の化学式で表される化合物であり、高温安定型のα−アルミナの他に、γ−アルミナ、δ−アルミナ、χ−アルミナ、κ−アルミナ、θ−アルミナ、ρ−アルミナ等遷移アルミナが含まれる。中でもα−アルミナが好ましいものとして挙げられる。

本発明でいう「板状」とは、平均粒子径を粒子厚みで除したアスペクト比が２以上であることを指す。

アルミナの平均粒子径は０．１〜２０μｍ、（平均粒子径／平均粒子厚さ）で表されるアスペクト比が２〜５０であることが好ましい。より好ましくは、平均粒子径が５〜１５μｍ、アスペクト比が５〜４５である

本発明に係るアルミナの製造には、原料として塩基性塩化アルミニウム及びアルカリ金属硫酸塩を用いる。

原料の塩基性塩化アルミニウムは、化学式（１）で示されるものである。

アルカリ金属硫酸塩は、特に限定されないが、例えば、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、及び硫酸リチウム二水和物の使用が挙げられる。中でもコスト面、入手し易さの点から硫酸ナトリウムが好ましい。

塩基性塩化アルミニウムとアルカリ金属硫酸塩の混合割合は、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミニウムをアルミナに換算）：ＳＯ_４のモル比で１：０．５〜１０が好ましく、１：１〜６がより好ましい。アルカリ金属硫酸塩が０．５モル未満ではアルミナの板状化が不十分となる場合がある。一方、アルカリ金属硫酸塩が１０モルを超えると、生成するアルミナのアスペクト比の向上が認められず、溶融後の酸洗浄工程での酸の使用量が増加し、コストの面で好ましくない場合がある。

塩基性塩化アルミニウムは、アルミイオンの加水分解によって、多核錯体を形成することによって得られるものである。Ａｌ／Ｃｌモル比は０．５〜２．５であることが好ましく、１．０〜２．１がさらに好ましい。

塩基性塩化アルミニウムは、塩酸に金属アルミニウム粉末を添加して得ることもできる。金属アルミニウム粉末を、化学量論的に塩化アルミニウム組成となるよう、約４０℃に加熱した塩酸に溶解させ、その後、７０〜８０℃に加熱して、さらに所望とするＡｌ／Ｃｌモル比となるよう調整することが可能である。

本発明で使用する水は、水道水、蒸留水等特に限定されず使用可能である。

本発明においては、塩基性塩化アルミニウム及びアルカリ金属硫酸塩は、（１）両者が水溶液の状態、（２）どちらか一方が水溶液で他方が固体の状態、（３）両者が固体の状態、のいずれであってもよい。

塩基性塩化アルミニウム及びアルカリ金属硫酸塩の両者が水溶液の場合、短時間で均一に混合できるという利点がある。しかしながら、水溶液の場合は、加熱処理の前に混合溶液を乾燥する必要があるため、過飽和に近い濃度に調製することが好ましく、例えば２０℃では、塩基性塩化アルミニウムはＡｌ_２Ｏ_３換算濃度が２４質量％程度の水溶液、アルカリ金属硫酸塩が硫酸ナトリウムの場合は１０質量％程度の水溶液、アルカリ金属硫酸塩が硫酸カリウムの場合は５質量％程度の水溶液とすることが好ましい。

塩基性塩化アルミニウムまたはその水溶液と、アルカリ金属硫酸塩またはその水溶液を、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミニウムをアルミナに換算）とＳＯ_４のモル比が目標値となるように秤量して混合する。通常、混合は室温で行なうのが一般的であり、混合時間は、塩基性塩化アルミニウムとアルカリ金属硫酸塩のどちらか一方が溶液の場合０．２５〜０．５時間程度、両者とも固形分の場合０．５〜１時間程度が好ましい。混合方法は特に限定されず、既存の方法が使用可能である。

乾燥は、原料のいずれか一方が水溶液の場合には必須の工程である。１００℃〜２００℃で１〜６時間程度処理することが好ましく、より好ましい条件は、１５０℃、１時間以上である。この乾燥後、含水率を５質量％以下にすることが好ましい。

加熱処理は、電気炉等を用い、酸化または還元雰囲気下で行うが、大気雰囲気下で行なうのが一般的である。電気炉の条件を例示すれば、室温から最高温度まで毎分５〜２０℃の速度で昇温するのが好ましい。より好ましくは、毎分１０〜２０℃である。最高温度での保持時間は、１５〜１２０分間が好ましい。より好ましい最高温度での保持時間は、３０〜１００分間である。

加熱処理の最高温度はアルカリ金属硫酸塩の融点以上であれば良く、例えば硫酸ナトリウムを使用する場合は８８４℃以上、硫酸カリウムを使用する場合は１０６９℃以上であれば良い。通常９００〜１８００℃、好ましくは９００〜１１００℃である。

加熱処理における冷却速度はアルミナの形状に影響を与えないため、最高温度に保持した状態から炉外へ取り出し、水等で急冷することも可能である。

加熱処理後、酸洗浄を行なうことが好ましい。酸洗浄に用いられる洗浄液として、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸等が挙げられる。特に塩酸の使用が工業的な観点から好ましい。

酸洗浄に必要な酸の最少量は、加熱処理後の固形分１００質量部につき、次式によって算出される質量部である。

上記の式で算出された酸の量より少なすぎると、酸洗浄が不十分で不純物が残る恐れがあり、逆に多すぎると、コスト面で不利となり好ましくない。

酸洗浄後、ろ過を行ない、ろ過残分を水で十分する。

ろ過後、例えば１００℃〜２００℃で１〜２時間程度の条件で、必要に応じて乾燥を行なう。乾燥後、含水率を１質量％以下にすることが好ましい。

本発明により、六角形状を有し、平均粒子径が０．１〜２０μｍ、アスペクト比が２〜５０の板状アルミナが得られる。

〈実施例１〜４〉
（実施例１）
硫酸ナトリウム８３．６質量部と塩基性塩化アルミニウム（Ａｌ／Ｃｌモル比＝１．９５）２１．５質量部を、マグネチックスターラーを用いてビーカー中で３０分間混合した。Ａｌ_２Ｏ_３（アルミニウムをアルミナに換算）：ＳＯ_４のモル比は、１：６である。次に、混合粉体を蒸発皿に移し入れ、１５０℃の乾燥機中で６時間乾燥を行なった。

乾燥後、蒸発皿中にある蒸発乾固物を白金坩堝に移し入れ、高温大気炉を用いて溶融を行なった。溶融条件は大気雰囲気下、毎分１０℃の速度で昇温後、１１００℃で１時間保持し、その後、炉内で室温２０℃まで徐冷した。白金坩堝中にある溶融物を取り出し、予め７０〜８０℃に加熱しておいた濃度一規定の塩酸５００質量部中に入れ、スターラーを用いて撹拌しながら、１時間酸洗浄を行なった。ろ過を行ない、水で洗浄後、ろ過残分を１００℃の乾燥機中で１時間乾燥させて、板状アルミナを製造した。

（使用材料）
硫酸ナトリウム：和光純薬社製、試薬特級
塩基性塩化アルミニウム：大明化学社製、商品名「アルファイン８３」

（実施例２）
塩基性塩化アルミニウム（Ａｌ／Ｃｌモル比＝１．９５）をＡｌ_２Ｏ_３換算濃度２２．３質量％の水溶液とし、硫酸ナトリウムの１０質量％の水溶液に、３０分間添加混合した後、温度１５０℃の乾燥機中で１時間乾燥させたこと以外は、実施例１と同様にして板状アルミナを製造した。

（実施例３）
塩基性塩化アルミニウムと硫酸ナトリウム混合時の、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミニウムをアルミナに換算）：ＳＯ_４のモル比を、１：０．５に変えたこと以外は、実施例１と同様にして板状アルミナを製造した。

（実施例４）
塩基性塩化アルミニウムと硫酸ナトリウム混合時の、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミニウムをアルミナに換算）：ＳＯ_４のモル比を、１：１０に変えたこと以外は、実施例１と同様にして板状アルミナを製造した。

（測定方法）
結晶相評価：ＸＲＤを用いてアルミナの同定を行った。
形態評価：走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、六角板状結晶の有無を調べた。六角板状結晶がある場合は、任意に選んだ２０個の粒子について、その粒子径と粒子厚さを測定し、各々の平均値を算出した。また、平均粒子径を平均粒子厚みで除し、アスペクト比を算出した。

（実施例５〜１２）
加熱処理条件を変えたこと以外は、実施例１と同様にして板状アルミナを製造した。それらの条件を表３に、結果を表４に示す。

（実施例１３〜１４）
塩基性塩化アルミニウムの種類、アルカリ金属硫酸塩の種類を変えたこと以外は、実施例１と同様にして板状アルミナを製造した。それらの条件を表５に、結果を表６に示す。

（使用材料）
塩基性塩化アルミニウム：大明化学社製、商品名「アルファイン７５」
硫酸カリウム（Ｋ_２ＳＯ_４）：和光純薬社製、試薬特級
硫酸リチウム一水和物（Ｌｉ_２ＳＯ_４）：関東化学社製、試薬特級

（実施例１６〜２０）
表７に示す条件を変えたこと以外は、実施例２と同様にしてアルミナを製造した。結果を表８に示す。

（使用材料）
硫酸アルミニウム：和光純薬社製、試薬特級（比較例１で使用）

本発明の板状アルミナは、塗料用顔料の基材、金属材料、セラミックス材料、プラスチック材料等の添加材などに好適に使用できる。

Claims

塩基性塩化アルミニウムとアルカリ金属硫酸塩を室温で混合した後、１００℃〜２００℃で乾燥処理し、さらに加熱処理することを特徴とする、平均粒子径を粒子厚みで除したアスペクト比が２以上である板状のアルミナの製造方法。
塩基性塩化アルミニウム水溶液に、添加時間が１時間以内となるようにアルカリ金属硫酸塩水溶液を添加、混合した後、加熱処理を施してなる請求項１記載のアルミナの製造方法。
塩基性塩化アルミニウムとアルカリ金属硫酸塩の混合割合が、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミニウムをアルミナに換算）：ＳＯ_４のモル比で１：０．５〜１０であることを特徴とする請求項１または２記載のアルミナの製造方法。
加熱処理温度が、アルカリ金属硫酸塩の融点以上であることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載のアルミナの製造方法。
塩基性塩化アルミニウムのＡｌ／Ｃｌモル比が０．５〜２．５であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載のアルミナの製造方法。
塩酸に金属アルミニウム粉末を添加して得られる塩基性塩化アルミニウムを使用することを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項記載のアルミナの製造方法。
アルミナがα−アルミナであることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項記載のアルミナの製造方法。
アルミナが平均粒子径０.１〜２０μｍ、（平均粒子径／粒子厚み）で表されるアスペクト比が２〜５０であることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１項記載のアルミナの製造方法。
アルミナが六角板状であることを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか１項記載のアルミナの製造方法。
請求項１〜９のうちいずれか１項記載のアルミナの製造方法により得られるアルミナ。
請求項１０記載のアルミナを基材とするパール顔料。