JP5225673B2 - 播種（ｓｅｅｄｅｄ）ベーマイト粒状材料を形成するための方法 - Google Patents
播種（ｓｅｅｄｅｄ）ベーマイト粒状材料を形成するための方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は概してベーマイト粒状材料及び同材料を形成するためのプロセスに関係する。より特別には、本発明は形態的な特徴を有する播種ベーマイト粒状材料に関係する。
ベーマイト粒状材料は、アルミニウムの製品、例えば高い性能（performance）特性を有するアルミナ砥粒、を形成するための望ましい原材料だということで、特別な用途を見出している。これに関連して、現在の譲受人によって共有されている米国特許４,７９７,１３９号はベーマイト粒状材料を形成するための特別なプロセスを開示し、これはその後アルミナ砥粒を形成するための後段のプロセスのための供給原材料（feedstock material）として使用される。記載されているように、ベーマイト材料は播種プロセスによって形成され、そしてアルミナ砥粒を形成するために適合するベーマイト粒状材料に範囲が限定されている。このように、開示された粒状材料は特に望ましい球状の形態を有し、これが研磨用途に好適なものにならしめる。
研磨用途を超えて、様々な形態を有するベーマイト粒状材料を創造することが特に望まれている。粒状の形態はこの材料の用途に重大な影響を有しうるために、この技術において研磨剤を超えた用途（特殊被覆製品及び様々な高分子製品に使用される充填剤を含む）のための新材料創造を求める要求が生まれている。他の用途はベーマイト材料が供給原材料としてよりもむしろ、その形成された状態で使用される用途を含む。新材料創造の点に加えて、このような材料の形成を可能にするプロセス技術が同様に開発されることが必要である。この点に関して、このようなプロセス技術は望ましくはコスト効率がよく、比較的制御が容易であり、高収率をもたらす。
一つの面によれば、播種プロセスによって形成されたベーマイト粒状材料は３：１以上のアスペクト比を有する。
本発明の別の面によれば、ベーマイト粒状材料はベーマイト先駆物質及びベーマイト種を懸濁液中に提供すること、そしてこのベーマイト先駆物質をベーマイト粒状材料に変換するためにこの懸濁液を熱処理することとを含むプロセスによって形成される。この粒状材料はある形態を有してもよく、例えば約２：１以上、約３：１以上のような比較的高いアスペクト比であってもよい。
さらに、本発明の別の面によれば、ベーマイト粒状材料はベーマイト先駆物質及びベーマイト種を懸濁液中に提供すること、そしてこのベーマイト先駆物質をベーマイト粒状材料に変換するためにこの懸濁液を熱処理することとを含むプロセスによって形成される。ここで、このベーマイト粒状材料は小平板（platelet)から構成され、かつ約２：１以上のアスペクトを有する。
本発明の実施態様によると、ベーマイト粒状材料はベーマイト先駆物質及びベーマイト種を懸濁液中に提供すること、そしてこのベーマイト先駆物質を粒子又は微結晶から形成されるベーマイト粒状材料に変換するためにこの懸濁液（あるいはゾル又はスラリー）を熱処理（例えば水熱処理）することとを含むプロセスによって形成される。特別な面によると、そのベーマイト粒状材料は比較的細長い形態を有し、その形態は概してここでは以下で記載されるアスペクト比の観点で記載される。
「ベーマイト」という用語は概してここでは鉱物性のベーマイトを含むアルミナ水和物を表すために使用され、概してＡｌ２Ｏ３・Ｈ２Ｏであり、かつ２０〜３８質量％のような１５％より多い水含有率を有する疑似ベーマイトと同様に１５％のオーダーの水含有率を有する。ベーマイト（疑似ベーマイトを含む）は特別でかつ識別可能な結晶構造、及びそれに応じた独特なＸ線回折パターンを有し、そしてそれ自体は、ベーマイト粒状材料の製造のためにここで使用される一般的な先駆物質材料であるＡＴＨ（水酸化アルミニウム）のような他の水和アルミナを含む他のアルミニウムを含んだ材料と区別されることに注目される。
アスペクト比は、最長寸法（dimension)に直角で二番目に長い寸法に対する最長寸法の比率として定義され、概して２：１以上、そして好ましくは３：１、４：１、又は６：１以上である。実際に、ある実施態様は比較的細長い粒子を有し、例えば９：１、１０：１以上そしていくつかの場合では、１４：１以上である。特に針状形状の粒子に関連して、さらにこの粒子は、二番目に長い寸法の三番目に長い寸法に対する比率として定義される第二アスペクト比と関連して特徴づけられてもよい。第二アスペクト比は一般に３：１以下であり、概して２：１以下であり、又は１．５：１ですらあり、そしてしばしば約１：１である。第二アスペクト比は一般に最長寸法に対して垂直な平面内の粒子断面形状を表す。
板状（platey）又は小平板形状の粒子は概して針状形状の粒子と関連して上記に記載されたアスペクト比を持つ細長い構造を有する。しかしながら、小平板形状の粒子は概して向かい合った主要な複数の表面を有し、その向かい合った主要な複数の表面は概して平面的でありかつ概してお互いに平行である。加えて、この小平板形状の粒子は 針状形状の粒子のそれよりも大きい第二アスペクト比、概して約３：１以上、例えば約６：１以上、又は１０：１以上さえ有するということで特徴づけられてもよい。概して、向かい合った主要な複数の表面又は面に対して垂直な、最短の寸法又は端部の寸法（edge dimension)は一般に５０ｎｍ未満である。
ベーマイト粒状材料の形態はさらに粒子サイズ、より特別には平均粒子サイズ、という観点で規定される。ここで、この播種ベーマイト粒状材料、すなわち播種プロセス（詳細は後述する）を通じて形成されたベーマイト、は比較的細かい粒子又は微結晶のサイズを有する。一般に、平均粒子サイズは約１０００ｎｍ以下であり、そして約１００〜１０００ｎｍの範囲に包含される。他の実施態様はより細かい平均粒子サイズ、例えば約８００ｎｍ、６００ｎｍ、５００ｎｍ、４００ｎｍ以下すら有し、そしてさらに粒子は３００ｎｍ未満の平均粒子サイズを有し、これは細かい粒状材料（fine particulate material)に相当する。
ここで使用されるように、この「平均粒子サイズ」は粒子の最長又は全長の寸法の平均を表すために使用される。粒子の細長い形態のために、従来の特性決定法は概して平均粒子サイズを計測するためには不十分である、というのは特性決定法が一般に粒子は球状又は球状に近いという想定に基づいているからである。従って、平均粒子サイズは多数の代表サンプルを採取し、そして代表サンプルで見られる粒子サイズを物理的に測定することによって確定された。このようなサンプルは多様な特性決定法によって、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって、採取されてもよい。
本播種ベーマイト粒状材料は細かい平均粒子サイズを有することが見出されてきた。一方、しばしば競合する非播種系技術は一般的にこのような細かい平均粒子サイズを提供することが不可能である。この点について、しばしば文献で報告された粒子サイズは本明細書での平均という文脈では説明されず、むしろ粒状材料のサンプルの物理的検査から導かれた粒子サイズの名目上の範囲という文脈で説明されることに着目される。従って、この平均粒子サイズは先行技術において報告された範囲内にあり、粒子サイズがガウス分布であることが予期される場合、一般的に報告された範囲のおおよそ算術中間点にある。代わりの言い方をすれば、非播種系技術は細かい粒子サイズを報告することがあるが、このような細かいサイズであることは概して観察された粒子サイズ分布の下限を意味し、平均粒子サイズを意味しない。
同様に、類似のやり方で、上記の報告されたアスペクト比は概して、粒状材料のアスペクト比に関する上限又は下限よりもむしろ、代表サンプリングからとった平均アスペクト比に相当する。しばしば文献で報告された粒子のアスペクト比は本明細書での平均という文脈では説明されず、むしろ粒状材料のサンプルの物理的検査から導かれたアスペクト比の名目上の範囲という文脈で説明されることに着目される。これに応じて、この平均アスペクト比は先行技術において報告された範囲内にあり、粒子の形態がガウス分布であることが予期される場合、一般的に報告された範囲のおおよそ算術中間点にある。代わりの言い方をすれば、非播種系技術は細かいアスペクト比を報告することがあるが、このようなデータは概して観察されたアスペクト比分布の下限を意味し、平均アスペクト比を意味しない。
粒状材料のアスペクト比及び平均粒子サイズに加えて、粒状材料の形態がさらに比表面積という観点で特徴づけられてもよい。ここで、一般に利用可能なＢＥＴ技術が粒状材料の比表面積の測定のために利用された。ここでの実施態様によれば、ベーマイト粒状材料は比較的高い比表面積を有し、概して約１０ｍ２／ｇ以上、例えば約５０ｍ２／ｇ、７０ｍ２／ｇ以上又は約９０ｍ２／ｇ以上である。比表面積は粒子サイズと同様に粒子形態の関数（function)であり、概して実施態様の比表面積は約４００ｍ２／ｇ未満、例えば約３５０又は３００ｍ２／ｇ未満であった。
ベーマイト粒状材料が製造されてもよいプロセスの詳細に向かうと、概して楕円状、針状または小平板形状のベーマイト粒子はベーマイト先駆物質（一般的にボーキサイト材料を含むアルミニウムの材料）から、概して前述の共有特許（米国特許第４，７９７,１３９号）に記載されるような水熱処理によって形成される。より特別には、ベーマイト粒状材料は、ベーマイト先駆物質及びベーマイト種を懸濁液中で結合させることと、原材料をベーマイト粒状材料に変換するために懸濁液（あるいはゾル又はゲル）を熱処理にさらすこととによって形成されてもよく、さらに懸濁液中に提供されたベーマイト種によって影響をうけてもよい。加熱は、圧力の上昇がプロセスの間に生じるように、概して自己生成的な環境、すなわち、オートクレーブで実施される。懸濁液のｐＨは概して７より小さい又は８より大きい値から選択され、そしてベーマイト種材料は約０．５μｍより細かい粒子サイズを有する。概して、種粒子はベーマイト先駆物質の質量（Ａｌ２Ｏ３として計算）に対して約１％より多い量で存在し、そして約１２０℃より高い温度、例えば約１２５℃より高い温度、又はさらに約１３０℃より高い温度で、そして約５８６ｋＰａ（８５ｐｓｉ）より高い圧力で、例えば約６２１ｋＰａ（９０ｐｓｉ）、６９０ｋＰａ（１００ｐｓｉ）より高い、又はさらに約７５８ｋＰａ（１１０ｐｓｉ）より高い圧力で、加熱が実施される。
粒状材料は、比較的低い播種レベル及び酸性ｐＨと結びついた、長時間の（extended)水熱反応条件で製造されてもよく、結果としてベーマイトの一軸又は二軸に沿った優先的な成長をもたらす。一般に、さらにより長いベーマイト粒子及びより高いベーマイト粒子のアスペクト比及び／又はより大きい粒子を製造するためにより長い水熱処理が使用されてもよい。
水熱処理によるような熱処理、及びベーマイト変換に続いて、液体含有物は概して、例えば限外ろ過プロセスを通じて又は残留している液体を蒸発させるための熱処理によって、除去される。その後、結果として生じる塊は概して粉砕され、例えば１００メッシュにされる。ここで記載される特別なサイズは概して、ある実施態様で残ることがある凝集物（例えば、呼び寄せる製品（products that call for )及び凝集した材料の場合）ではなく、むしろプロセスを経て形成された単微結晶を表すことに着目される。
本発明者によって集められたデータによると、ベーマイト原材料のプロセスの間に、望ましい形態をもたらすために、いくつかの変数が変更されてもよい。これらの変数はとりわけ質量比、すなわちベーマイト先駆物質のベーマイト種に対する比率、プロセスの間に使用される酸又は塩基の特別なタイプ又は種類（それに関連するｐＨレベルも同様）、及び系の温度（これは自己生成型の水熱環境において直接的に圧力に比例する）を含む。
特に、他の変数が不変に保たれる一方で質量比が変更されるとき、ベーマイト粒状材料を形成する粒子の形状及びサイズが変更される。例えば、プロセスが１８０℃で、２時間、２質量％の硝酸溶液中で実施されるとき、９０：１０のＡＴＨ（水酸化アルミニウム）：ベーマイト種の比が針状形状の粒子を形成する（ＡＴＨはベーマイト先駆物質の一種である）。対照的に、ＡＴＨ：ベーマイト種の比が８０：２０の値に下げられるとき、粒子はより楕円状の形状になる。さらに、この比が６０：４０にさらに下げられるとき、粒子は球状に近くなる。これにより、最も一般的なベーマイト先駆物質のベーマイト種に対する比は約６０：４０以上であり、例えば約７０：３０又は８０：２０以上である。しかしながら、望まれる細かい粒状形態にするための適当な播種レベルを確保するために、ベーマイト先駆物質のベーマイト種に対する質量比は概して約９８：２以下である。前述に基づき、質量比の増加は概してアスペクト比を増加させ、一方質量比の低減は概してアスペクト比を低減させる。
さらに、酸又は塩基のタイプが変更され、ほかの変数が不変であるとき、粒子の形状（例えばアスペクト比）及びサイズが影響を受ける。例えば、プロセスが１００℃で、２時間、ＡＴＨ：ベーマイト種の比が９０：１０で、２質量％の硝酸溶液中で実行されるとき、合成された粒子は概して針状形状であり、対照的に酸が１質量％又はそれ未満の含有率であるＨＣｌで代用されたとき、合成された粒子は概して球状に近い。２質量％又はそれより多いＨＣｌが使用されるとき、合成された粒子は概して針状形状になる。１質量％のギ酸では、合成された粒子は小平板形状である。さらに、１質量％のＫＯＨのような塩基性溶液を使用すると、合成された粒子は小平板形状である。１質量％のＫＯＨ及び０．７質量％の硝酸のような、酸及び塩基の混合物が使用されるとき、合成された粒子の形態は小平板形状である。
好適な酸及び塩基は硝酸のような無機酸、ギ酸のような有機酸、塩化水素酸のようなハロゲン酸、および硝酸アルミニウム及び硫酸マグネシウムのような酸性塩を含む。効果的な塩基は、例えば、アンモニアを含むアミン、水酸化カリウムのようなアルカリ水酸化物（alkali hydroxide)、水酸化カルシウムのようなアルカリン水酸化物（alkaline hydroxide)、及び塩基性塩を含む。
さらに、温度が変更され一方他の変数が不変に保たれるとき、概して変化は粒子サイズに現れる。例えば、プロセスがＡＴＨ：ベーマイト種の比が９０：１０で、２質量％の硝酸溶液中で、１５０℃で、２時間実行されるとき、結晶のサイズはＸＲＤ（Ｘ線回折特性分析）から１１５オングストロームであることが分かった。しかしながら、１６０℃では、平均粒子サイズは１４３オングストロームであることが分かった。これにより、温度が上げられると、粒子のサイズもまた大きくなり、これは粒子サイズと温度の間の比例関係を直接的に表している。
例１、板形状粒子の合成
オートクレーブに、アルコア社から購入したＨｙｄｒａｌ ７１０水酸化アルミニウム３．３７ｋｇ（７．４２ｌｂ）；Ｃａｔａｂａｌ Ｂ疑似ベーマイトという名でＳＡＳＯＬ社から入手したベーマイト０．３７ｋｇ（０．８２ｌｂ）；脱イオン水３０．２ｋｇ（６６．５ｌｂ）；カリウム水酸化物０．０２ｋｇ（０．０３７ｌｂ）；及び２２質量％の硝酸０．０８ｋｇ（０．１８ｌｂ）を装填した。このベーマイトはこれらの水２．３ｋｇ（５ｌｂ）及び酸０．０８ｋｇ（０．１８ｌｂ）に事前に分散させ、その後これらの水酸化アルミニウム及び残りの水及び水酸化カリウムに加えた。
オートクレーブを１８５℃まで４５分間で加熱し、そして５３０ｒｐｍで攪拌しながら２時間その温度で維持した。自己生成的に発生した圧力は約１．１２ＭＰａ（１６３ｐｓｉ）に達しそして維持した。その後このベーマイトを分散したものをオートクレーブから取り出した。オートクレーブ後のゾルのｐＨは約１０であった。液体内容物は６５℃の温度で除去した。結果として得られた塊は１００メッシュより小さく粉砕した。結果として得られた粉末の比表面積（ＳＳＡ）は約６２ｍ２／ｇであった。
例２、針状形状粒子の合成
オートクレーブに、アルコア社から購入したＨｙｄｒａｌ ７１０水酸化アルミニウム２５０ｇ；Ｃａｔａｂａｌ Ｂ疑似ベーマイトという名でＳＡＳＯＬ社から入手したベーマイト２５ｇ；脱イオン水１０００ｇ；及び１８％の硝酸３４．７ｇを装填した。このベーマイトはこれらの水１００ｇ及び酸６．９ｇに事前に分散させ、その後これらの水酸化アルミニウム及び残りの水及び酸に加えた。
オートクレーブを１８０℃まで４５分間で加熱し、そして５３０ｒｐｍで攪拌しながら２時間その温度で維持した。自己生成的に発生した圧力は約１．０３ＭＰａ（１５０ｐｓｉ）に達しそして維持した。その後このベーマイトを分散したものをオートクレーブから取り出した。オートクレーブ後のゾルのｐＨは約３であった。液体内容物は９５℃の温度で除去した。結果として得られた塊は１００メッシュより小さく粉砕した。結果として得られた粉末の比表面積（ＳＳＡ）は約１２０ｍ２／ｇであった。
例３、楕円形状粒子の合成
オートクレーブに、アルコア社から購入したＨｙｄｒａｌ ７１０水酸化アルミニウム２２０ｇ；Ｃａｔａｂａｌ Ｂ疑似ベーマイトという名でＳＡＳＯＬ社から入手したベーマイト５５ｇ；脱イオン水１０００ｇ；及び１８％の硝酸２１．４ｇを装填した。このベーマイトはこれらの水１００ｇ及び酸１５．３ｇに事前に分散させ、その後これらの水酸化アルミニウム及び残りの水及び酸に加えた。
オートクレーブを１７２℃まで４５分間で加熱し、そして５３０ｒｐｍで攪拌しながら３時間その温度で維持した。自己生成的に発生した圧力は約８２７ｋＰａ（１２０ｐｓｉ）に達しそして維持した。その後このベーマイトを分散したものをオートクレーブから取り出した。オートクレーブ後のゾルのｐＨは約４であった。液体内容物は９５℃の温度で除去した。結果として得られた塊は１００メッシュより小さく粉砕した。結果として得られた粉末の比表面積（ＳＳＡ）は約１３５ｍ２／ｇであった。
例４、球状に近い粒子の合成
オートクレーブに、アルコア社から購入したＨｙｄｒａｌ ７１０水酸化アルミニウム１６５ｇ；Ｃａｔａｂａｌ Ｂ疑似ベーマイトという名でＳＡＳＯＬ社から入手したベーマイト１１０ｇ；脱イオン水１０００ｇ；及び１８％の硝酸３５．２ｇを装填した。このベーマイトはこれらの水１００ｇ及び酸３０．６ｇに事前に分散させ、その後これらの水酸化アルミニウム及び残りの水及び酸に加えた。
オートクレーブを１６０℃まで４５分間で加熱し、そして５３０ｒｐｍで攪拌しながら２．５時間その温度で維持した。自己生成的に発生した圧力は約６９０ｋＰａ（１００ｐｓｉ）に達しそして維持した。その後このベーマイトを分散したものをオートクレーブから取り出した。オートクレーブ後のゾルのｐＨは約３．５であった。液体内容物は９５℃の温度で除去した。結果として得られた塊は１００メッシュより小さく粉砕した。結果として得られた粉末の比表面積（ＳＳＡ）は約１９６ｍ２／ｇであった。
ここに記載された実施態様により、比較的強力でかつ柔軟なプロセスの方法が最終ベーマイト製品への望ましい形態を設計するために適用されうる。特に重要なことに、実施態様は播種プロセスを利用しており、これが結果として程度の高いプロセス制御を伴うコスト効率の良いプロセス経路となり、結果として望ましい細かい平均粒子サイズ、同様に制御された粒子サイズ分布を生じることが可能となる。（ｉ）このプロセスの方法において鍵となる変数（例えば質量比、酸と塩基種及び温度）を識別すること及び制御することと、（ii）播種系技術との組合せは、特に重要であり、望ましいベーマイト粒子材料形態の繰返し可能かつ制御可能なプロセスを提供する。
本発明の複数の面がベーマイト粒状材料の広く多様な用途、例えば特殊な被覆における充填剤と同様に高分子製品における充填剤、での利用を可能にする。実際に、溶媒（特に極性溶媒を含む）及び／又は高分子内に、従来の混合プロセスによって凝集体を形成することなく、この粒状材料が個別にかつ均一に分散されてもよい。加えて、この粒状材料が、非極性溶媒及び／又は高分子と一緒に、従来の分散剤、例えばシランカップリング剤、を利用することによって凝集体を形成することなく、個別にかつ均一に分散されてもよい。当然、ベーマイト粒状材料の特別な用途はそのように限定されず、そして多様な用途での商業的な利用を見つけても良い。
本発明は特定の実施態様の状況で明らかにされそして記載されているが、これは示された詳細に限定することを意図していない、というのはあらゆるやり方で本発明の範囲から逸脱することなく多様な変更及び代用がなされうるからである。例えば、付加的な又は同等の代用品が提供可能であり、そして付加的な又は同等の製造工程が採用可能である。そのようなものとして、ここで開示された発明のさらなる変更及び同等品は、ただの決まりきった実験を使用する当業者が思いつくものであり、そして全てのこのような変更および同等品は以下の請求項によって規定される発明の範囲内であると考えられる。
Claims (10)
- ベーマイト粒状材料を形成する方法であって、
ベーマイト先駆物質及びベーマイト種を懸濁液中にベーマイト先駆物質がベーマイト種に対して６０：４０以上の質量比で提供し、ここで該懸濁液がギ酸を含む酸性懸濁液であるかまたは塩基性懸濁液である工程；そして
該ベーマイト先駆物質を、主に小平板（platelet）形状の粒子から構成されており３：１以上のアスペクト比を有しかつ３：１以上の第二アスペクト比を有するベーマイト粒状材料に変換するために、該懸濁液を１２０℃より高い温度で熱処理する工程、を含んでなる方法。 - 熱処理が１３０℃より高い温度で実施される、請求項１に記載された方法。
- 熱処理が５８６ｋＰａ（８５psi）より高い圧力で実施される、請求項１に記載された方法。
- 質量比が８０：２０以上である、請求項１に記載された方法。
- ベーマイト先駆物質のベーマイト種に対する質量比が９８：２以下である、請求項４に記載された方法。
- ベーマイト粒状材料が１０００ｎｍ以下の平均粒子サイズを有する、請求項１に記載された方法。
- ベーマイト粒状材料が１０００ｎｍ以下の平均粒子サイズを有するように、熱処理温度、又はベーマイト先駆物質のベーマイト種に対する質量比の少なくとも一を設定することをさらに含んでなる、請求項１に記載された方法。
- 設定は、熱処理温度、又はベーマイト先駆物質のベーマイト種に対する質量比の少なくとも一を変更することを含む、請求項７に記載された方法。
- ベーマイト先駆物質のベーマイト種に対する質量比が、アスペクト比を増加するために増加される、又はアスペクト比を低減するために低減される、請求項８に記載された方法。
- 熱処理温度が、粒子サイズを大きくするために高くされる、又は粒子サイズを小さくするために低くされる、請求項８に記載された方法。
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