JP5277633B2 - 低ソーダ微粒水酸化アルミニウムの製造方法 - Google Patents

低ソーダ微粒水酸化アルミニウムの製造方法 Download PDF

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Description

この発明は、バイヤー法によって製造され、平均粒子径、全ソーダ(Na 2 O)分含有量及びBET比表面積がいずれも極めて小さいギブサイト結晶(Al2O3・3H2O)からなる低ソーダ微粒水酸化アルミニウムの製造方法に係り、特に限定するものではないが、プリント配線基板等の電気・電子用途、電線被覆材、絶縁材料、建築用の内装材や外装材等の用途に用いられる合成ゴム、天然ゴム、合成樹脂等の種々の高分子材料に配合され、耐熱性や難燃性を付与するための難燃材として特に有用な低ソーダ微粒水酸化アルミニウムの製造方法に関する。
従来、この種の水酸化アルミニウムについては古くから多くの提案があり、例えば、米国特許第4,014,985号公報には、バイヤー法で得られたアルミン酸ソーダ溶液中のAl2O3/Na2O比を1.04以下とし、平均粒子径55μmの種子を添加して0.03g-Al2O3/m2-種子・h以下の極めてゆっくりとした析出を行い、全ソーダ分0.1重量%以下の水酸化アルミニウムを製造することが記載されている。
また、特開昭59-204,632号公報には、平均粒子径が0.5〜60μmであって全ソーダ分が0.1%以下、好ましくは0.07%以下であるギブサイト型水酸化アルミニウムを添加して得られた耐熱性樹脂成形体が記載されており、また、その実施例及び比較例には、中心粒径が8.0〜8.5μmで全ソーダ分(T-Na2O)が0.06〜0.21%のギブサイト型水酸化アルミニウムを用いることが記載されている。
更に、特開昭62-246,961号公報には、平均粒子径が0.5〜15μm、窒素ガス吸着法によるBET比表面積が2.8m2/g以上、好ましくは3〜4.5m2/g、及び全ソーダ分が0.08重量%以下であるギブサイト型水酸化アルミニウムを添加して得られた耐熱性樹脂組成物が記載されており、また、その実施例及び比較例には、平均粒子径0.8〜14.3μm、BET比表面積1.5〜4.5m2/g、及び全ソーダ分0.015〜0.21重量%のギブサイト型水酸化アルミニウムを用いることが記載されている。
また、特開平2-74,521号公報には、平均粒子径が10μm以下、好ましくは5μm以下であって、全ソーダ分が0.10重量%以下であり、200℃以下の温度での低温脱水反応が抑制され、かつ、ベーマイト転移反応速度の小さいギブサイト型の耐熱性水酸化アルミニウムが記載されており、また、その実施例1には、平均粒子径1.7μm及び全ソーダ分0.06重量%の水酸化アルミニウムを得たことが記載されている。
更にまた、特開平3-28,121号公報には、平均粒子径が5μm以下であって、全ソーダ分が0.10重量%以下であり、耐熱性に優れ、ゴムやプラスチックに充填した際に強度低下の少ない微粒の耐熱性水酸化アルミニウムが記載されており、そして、その実施例1には、平均粒子径が1.5μmで一次粒子径が0.5μmであり、全ソーダ分が0.06重量%である耐熱性水酸化アルミニウムが記載されている。
また、特開平11-278,829号公報には、平均粒子径1〜6μm及び全ソーダ分0.1質量%以下の高純度水酸化アルミニウムや、平均粒子径15〜40μm及び全ソーダ分0.1質量%以下の高純度水酸化アルミニウムが記載されており、また、その比較例及び実施例には、平均粒子径1.8〜42.2μm及び全ソーダ分0.05〜0.31質量%以下の水酸化アルミニウムが記載されている。
ところで、このような種々の高分子材料に耐熱性や難燃性を付与するための難燃材として用いるギブサイト型水酸化アルミニウムについて検討してみると、その平均粒子径については、例えばハロゲンフリー難燃コンパウンドやコンポジッド積層基板への利用やポリオレフィン成形用としての利用等の際における機械的強度の物性低下を抑制するという観点からは5μm以下、コンパウンドの粘度や成形作業性を考慮すると好ましくは0.5μm以上5μm以下であるのがよく、また、その全ソーダ(Na2O)分については、その含有量が多くなればなるほど200℃付近から始まるベーマイト転移による初期脱水反応が起き易くなる、言い換えればこの全ソーダ(Na2O)分の含有量が低ければ低いほど初期脱水反応の発生を抑制できるので、0.03質量%以下、好ましくは可及的により少ないものであるのがよく、更に、そのBET比表面積については、このBET比表面積が大きくなると樹脂との混練性や成形性が悪化するので、できれば4m2/g以下であるのがよい。
しかしながら、全ソーダ(Na2O)分の含有量が0.03質量%以下で平均粒子径が5μmを超えるギブサイト型水酸化アルミニウムを既知の手段で粉砕することによりその平均粒子径を細かくすることも可能であるが、結晶自体にダメージを与えることになり、また、チッピングが発生し易くなり、更に、BET比表面積も大きくなってしまうため、樹脂との混練性や成形性が悪化する。また、バイヤー法により平均粒子径が5μm以下と極めて小さく、しかも、全ソーダ(Na2O)分の含有量も0.03質量%以下と極めて少ないギブサイト型水酸化アルミニウムを製造することについてはこれまで知られておらず、また、これまでに未粉砕であって平均粒子径5μm以下、全ソーダ(Na2O)分0.03質量%以下及びBET比表面積4m2/g以下という条件を満たすギブサイト型の低ソーダ微粒水酸化アルミニウムは製造されていない。
米国特許第4,014,985号公報 特開昭59-204,632号公報 特開昭62-246,961号公報 特開平2-74,521号公報 特開平3-28,121号公報 特開平11-278,829号公報
そこで、本発明者らは、平均粒子径、全ソーダ分含有量及びBET比表面積が何れも極めて小さいギブサイト型水酸化アルミニウムの開発について鋭意検討した結果、意外なことには、バイヤー法で得られたアルミン酸ナトリウム溶液中に、種子として平均粒子径3μm以下、全ソーダ(Na2O)分0.1質量%以下及びBET比表面積13.9m 2 /g以上の水酸化アルミニウムを添加すると共に、ある特定された過飽和Al2O3濃度の条件で水酸化アルミニウムを析出させることにより、未粉砕であって平均粒子径5μm以下、全ソーダ(Na 2 O)分0.03質量%以下及びBET比表面積4m 2 /g以下のギブサイト型水酸化アルミニウムを容易に製造できることを見い出し、本発明を完成した。
従って、本発明の目的は、未粉砕であって平均粒子径5μm以下、全ソーダ(Na 2 O)分0.03質量%以下及びBET比表面積4m 2 /g以下のギブサイト型の低ソーダ微粒水酸化アルミニウムの製造方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、このように平均粒子径5μm以下及び全ソーダ(Na2O)分0.03質量%以下であって、好ましくはBET比表面積も4m2/g以下であるギブサイト型の低ソーダ微粒水酸化アルミニウムを容易に製造することができる低ソーダ微粒水酸化アルミニウムの製造方法を提供することにある。
すなわち、本発明は、未粉砕であって平均粒子径5μm以下、全ソーダ(Na 2 O)分0.03質量%以下及びBET比表面積4m 2 /g以下のギブサイト型の低ソーダ微粒水酸化アルミニウムをバイヤー法により製造するに際し、アルミン酸ナトリウム溶液からなる析出溶液中に、種子として平均粒子径3μm以下、全ソーダ(Na 2 O)分0.1質量%以下及びBET比表面積13.9m 2 /g以上の水酸化アルミニウムを添加すると共に、過飽和Al 2 O 3 濃度15±5g/Lの条件で析出溶液から水酸化アルミニウムを析出させることを特徴とする低ソーダ微粒水酸化アルミニウムの製造方法である。
ここで、過飽和Al2O3濃度とは、いわゆるホワイト(White)の式(Light Metals, 1984, pp237-253)から導かれた下記の式(特開平11-278,829号公報参照)で求められる過飽和濃度X(g/L)である。
過飽和濃度X=A−C×exp[6.2106−[(2486.7−1.0876C)/(T+273)]]
〔但し、A:溶解Al2O3濃度(g/L)、C:溶解Na2O濃度(g/L)、及びT:溶液温度(℃)である。〕
本発明において、低ソーダ微粒水酸化アルミニウムの製造に用いるアルミン酸ナトリウム溶液からなる析出溶液は、バイヤー法によって得られるものであり、その溶解Na2O分と溶解Al2O3分とのモル比(Na2O/Al2O3)が通常4.0以下、好ましくは1.5〜4.0の範囲内であるのがよく、また、その溶液中の全有機物濃度(TOC)が1g/L以下、好ましくは可及的により少ないことが望ましい。この析出溶液を構成するアルミン酸ナトリウム溶液のモル比(Na2O/Al2O3)が4.0を超えると、例えば溶解Na2O分150g/L及び析出温度50℃の条件においてほぼ飽和溶解Al2O3濃度に等しくなり、析出量が少なくなり、また、1.5以下になると高温・高ソーダの条件下で析出させることになって生産的でない。また、全有機物濃度(TOC)が1g/Lを超えると、析出し難くなり、全ソーダ(Na2O)分が高くなる傾向がある。
また、このような析出溶液中に添加される種子としての水酸化アルミニウムは、平均粒子径が好ましくは3μm以下、より好ましくは2μm以下で、全ソーダ(Na2O)分が好ましくは0.1質量%以下、より好ましくは0.05質量%以下で、BET比表面積が好ましくは4m2/g以上、より好ましくは15m2/g以上の水酸化アルミニウムを用いるのがよく、このような種子として用いる水酸化アルミニウムは、全ソーダ(Na2O)分が0.1質量%以下の水酸化アルミニウムを湿式粉砕することにより調製することができる。
この種子として用いる水酸化アルミニウムにおいて、平均粒子径が3μmを超えると、目標とする平均粒径5μm以下及び全ソーダ(Na2O)分0.03質量%以下の微粒水酸化アルミニウムを調製するのが難しくなり、また、全ソーダ(Na2O)分が0.1質量%を超えると、得られた低ソーダ微粒水酸化アルミニウムの粒子中に全ソーダ(Na2O)分0.1質量%以上の部分が局部的に生じて熱分解開始温度が低下する虞があり、更に、BET比表面積が4m2/gより低いと種子添加率を100m2/L以上にするために多量の種子を添加する必要が生じて経済的でない。ここで、種子添加率(m2/L)とは、添加した種子の全表面積を析出終了時の析出溶液量で除して求められる値、すなわち、種子添加率(m2/L)=種子全表面積(m2)÷析出溶液量(L)の式で求められる値である。
本発明においては、バイヤー法により水酸化アルミニウムを製造するに際し、上記のアルミン酸ナトリウム溶液からなる析出溶液中に種子として上記の水酸化アルミニウムを添加し、過飽和Al2O3濃度15±5g/Lの条件で析出溶液から水酸化アルミニウムを析出させる必要がある。水酸化アルミニウムのこの析出操作の際に、析出溶液の過飽和Al2O3濃度が20g/Lを超えると析出する水酸化アルミニウムの全ソーダ(Na2O)分が0.03質量%を超え易くなるという問題が生じ、反対に、10g/Lより低下すると析出速度が遅くなって不経済である。
そして、水酸化アルミニウムのこの析出操作に際しては、好ましくはアルミン酸ナトリウム溶液からなる析出溶液中に種子を添加する前に、この析出溶液の過飽和Al2O3濃度を15±5g/Lに調整すると共にその溶液温度を50℃以上、好ましくは50〜70℃に調整するのがよく、溶液温度が50℃より低くなると、析出する水酸化アルミニウムの全ソーダ(Na2O)分が高くなる傾向にあるので好ましくない。
また、この水酸化アルミニウムの析出操作中は、水酸化アルミニウムの析出に応じて析出溶液の過飽和Al2O3濃度が変化するが、この水酸化アルミニウムの析出に応じて析出溶液中に過飽和Al2O3濃度15〜70g/Lのアルミン酸ナトリウム溶液を追加する析出溶液追加操作により、及び/又は、析出操作における降温速度を調整する降温速度調整操作により、析出溶液の過飽和Al2O3濃度を15±5g/Lの範囲内に維持するのがよく、好ましくは、1サイクルの析出操作において、その析出操作途中までは析出溶液追加操作により析出溶液の過飽和Al2O3濃度を維持し、また、その析出操作途中から析出操作終了までの間は降温速度調整操作により析出溶液の過飽和Al2O3濃度を維持するのがよい。
また、水酸化アルミニウムの析出操作の際にアルミン酸ナトリウム溶液からなる析出溶液中に種子として添加される水酸化アルミニウムの添加率(種子添加率)は、特に制限はないが、生産性及び粗粒防止という観点から、好ましくは100m2/L以上、より好ましくは150m2/L以上300m2/L以下の範囲内であるのがよい。この種子添加率が100m2/Lより少ないと、場合によっては生産性が低下する、あるいは、粒径が粗くなるという問題が生じ、また、300m2/Lより多くなると種子が凝集し易くなるという問題が生じる。
この析出操作での溶液温度については、特に従来の方法における場合と特には変わりなく、また、1サイクルの析出操作中の降温速度調整操作時には、通常1.5〜2.0℃/dayの速度で降温させ、溶液温度が50℃程度に到達した時点で析出操作を終了する。
このようにして析出操作終了後、フィルタープレス等による濾過、スクリューデカンター等による遠心分離等の手段で固液分離し、次いで常温から90℃程度の温度の純水でリパルプした後に再度固液分離する水洗操作を複数回繰り返し、洗浄除去可能なフリーのソーダ(f-Na2O)分〔フリーソーダ(f-Na2O)分含有量の測定は試料を温水に浸漬して溶出させた後、JIS R9301-3-9に準じた原子吸光法で行う。〕を0.002質量%以下、好ましくは可及的により低減せしめるのがよい。また、必要に応じて、湿式解砕により析出操作で得られた二次粒子を一次粒子にまで解砕してもよい。
水洗して得られた低ソーダ微粒水酸化アルミニウムは、乾燥機及び解砕機により乾燥解砕後、製品の低ソーダ微粒水酸化アルミニウムとする。この低ソーダ微粒水酸化アルミニウムは、通常その平均粒子径が5μm以下、好ましくは2μm以上5μm以下であり、また、全ソーダ(Na2O)分が0.03質量%以下、好ましくは0.02質量%以下である。更に、この低ソーダ微粒水酸化アルミニウムは、好ましくはそのBET比表面積が4m2/g以下、より好ましくは3m2/g以下である。そして、この低ソーダ微粒水酸化アルミニウムについては、必要によりシランカップリング剤、チタネートカップリング剤、ステアリン酸等の表面処理剤による表面処理が施されてもよい。
本発明の方法によって得られた低ソーダ微粒水酸化アルミニウムは、未粉砕であるにもかかわらずその平均粒子径、全ソーダ(Na 2 O)分含有量及びBET比表面積が何れも極めて小さいギブサイト型水酸化アルミニウムであり、特に種々の高分子材料に耐熱性や難燃性を付与するための難燃材として優れた性能を発揮するものであり、また、本発明の方法によれば、このような平均粒子径、全ソーダ(Na 2 O)分含有量及びBET比表面積が何れも極めて小さいギブサイト型水酸化アルミニウムをバイヤー法によって容易に製造することができる。
以下、実施例及び比較例に基づいて、本発明の好適な実施の形態を具体的に説明する。
[実施例1]
〔種子とする水酸化アルミニウムの調製〕
バイヤー法で調製した平均粒子径10μm、全ソーダ分含有量0.040質量%及びBET比表面積0.6m2/gの水酸化アルミニウムを純水と混合して500g/Lのスラリーを調製し、湿式粉砕機(三井三池化工社製アトライター)を用いて7時間湿式粉砕し、平均粒子径2.2μm、全ソーダ分含有量0.040質量%及びBET比表面積18.1m2/gの水酸化アルミニウムを調製し、種子とした。
〔種子添加前のアルミン酸ナトリウム溶液(析出溶液)〕
溶解Na2O分が155g/L、溶解Al2O3分が100g/L、及びこれら溶解Na2O分と溶解Al2O3分とのモル比(Na2O/Al2O3)が2.6であって、過飽和Al2O3濃度が10g/Lのアルミン酸ナトリウム溶液を調製し、容積5m3の析出槽内にこのアルミン酸ナトリウム溶液2.5m3を種子添加前の析出溶液として仕込んだ。
〔析出操作〕
析出槽内の種子添加前の析出溶液を70℃に加温し、この温度に維持しながら上で得られた種子とする水酸化アルミニウムを157m2/Lの添加率で一度に添加し、攪拌下に70℃に維持し、水酸化アルミニウムの析出操作を開始した。この析出操作開始後、毎日所定の時間に析出溶液の過飽和Al2O3濃度を測定し、上記の種子添加前のアルミン酸ナトリウム溶液(析出溶液)を連続的に追加する析出溶液追加操作を行って析出溶液の過飽和Al2O3濃度を15±5g/Lに維持した。
析出溶液追加操作により析出槽内の析出溶液が5m3に達して満杯になった時点(析出操作期間の略半分が経過した時点)で上記析出溶液追加操作を停止し、析出溶液の液温を1.5〜2.0℃/dayの降温速度で50℃まで降下させ、析出操作を終了した。この析出溶液の降温の際にも、液温の降温速度を調整する降温速度調整操作により析出溶液の過飽和Al2O3濃度を析出操作時の15±5g/Lに維持した。
〔水洗操作〕
析出操作終了後、遠心分離機を用いて固液分離し、次いで70℃の温度の純水4.8m3を用いてリパルプした後に再び固液分離する水洗操作を3〜5回繰り返し、析出した水酸化アルミニウムを回収した。
次に、得られた水酸化アルミニウムを130℃の加熱下で約1時間乾燥して、実施例1の低ソーダ微粒水酸化アルミニウムを得た。
得られた実施例1の低ソーダ微粒水酸化アルミニウムについて、その平均粒子径、全ソーダ(Na2O)分含有量、BET比表面積及び結晶構造(XRD)をそれぞれ測定した。なお、平均粒子径はレーザー回折式粒度分布装置(日機装社製マイクロトラックX100)を用いて測定し、全ソーダ(Na2O)分含有量はJIS R9301-3-9に準じた原子吸光法で測定し、また、BET比表面積は比表面積自動測定装置(マイクロメリテックス社製フローソーブII2300形)を用いて測定し、更に、結晶構造(XRD)は粉末X線回折装置(リガク社製RINT-Ultima III)を用いて測定した。
結果を表1に示す。
[実施例2〜5]
種子として使用した水酸化アルミニウムの平均粒子径、全ソーダ(Na2O)分、BET比表面積、及び添加率と、析出溶液として用いたアルミン酸ナトリウム溶液の溶解Na2O分と溶解Al2O3分とのモル比(Na2O/Al2O3)及び過飽和Al2O3濃度とを表1に示す値に調整した以外は、上記実施例1と同様にして実施例2〜5の低ソーダ微粒水酸化アルミニウムを得た。
得られた実施例2〜5の低ソーダ微粒水酸化アルミニウムについて、その平均粒子径、全ソーダ(Na2O)分含有量、BET比表面積、及び結晶構造(XRD)をそれぞれ測定した。
結果を表1に示す。
[比較例1〜3]
種子として使用した水酸化アルミニウムの平均粒子径、全ソーダ(Na2O)分、BET比表面積、及び添加率と、析出溶液として用いたアルミン酸ナトリウム溶液の溶解Na2O分と溶解Al2O3分とのモル比(Na2O/Al2O3)及び過飽和Al2O3濃度とを表1に示す値に調整し、水酸化アルミニウムを析出させた後、濾過機で固液分離し水洗して、乾燥機で乾燥し、解砕機又は粉砕機で解砕又は粉砕して、比較例1〜3の水酸化アルミニウムを得た。
得られた比較例1〜3の水酸化アルミニウムについて、その平均粒子径、全ソーダ(Na2O)分含有量、BET比表面積、及び結晶構造(XRD)をそれぞれ測定した。
結果を表1に示す。
Figure 0005277633
本発明によれば、平均粒子径、全ソーダ分含有量及びBET比表面積が何れも極めて小さいギブサイト型の低ソーダ微粒水酸化アルミニウムを、粉砕を必要とすることなく、容易に製造することができ、また、得られた低ソーダ微粒水酸化アルミニウムは種々の高分子材料に耐熱性や難燃性を付与するための難燃材等の用途に極めて有用であり、その工業的価値の高いものである。

Claims (6)

  1. 未粉砕であって平均粒子径5μm以下、全ソーダ(Na 2 O)分0.03質量%以下、及びBET比表面積4m 2 /g以下のギブサイト型低ソーダ微粒水酸化アルミニウムをバイヤー法により製造するに際し、アルミン酸ナトリウム溶液からなる析出溶液中に、種子として平均粒子径3μm以下、全ソーダ(Na2O)分0.1質量%以下及びBET比表面積13.9m 2 /g以上の水酸化アルミニウムを添加すると共に、過飽和Al2O 3濃度15±5g/Lの条件で析出溶液から水酸化アルミニウムを析出させることを特徴とする低ソーダ微粒水酸化アルミニウムの製造方法。
  2. 種子添加率が100m 2 /L以上300m 2 /L以下である請求項1に記載の低ソーダ微粒水酸化アルミニウムの製造方法。
  3. 析出溶液は、その溶解Na2O分と溶解Al2O3分とのモル比(Na2O/Al2O3)が4.0以下である請求項1又は2に記載の低ソーダ微粒水酸化アルミニウムの製造方法。
  4. 析出溶液は、種子添加前に過飽和Al2O3濃度15±5g/L及び溶液温度50℃以上に調整される請求項1〜3のいずれかに記載の低ソーダ微粒水酸化アルミニウムの製造方法。
  5. 水酸化アルミニウムの析出操作中、過飽和Al2O3濃度15〜70g/Lのアルミン酸ナトリウム溶液を連続的に又は間欠的に添加して析出溶液の過飽和Al2O 3濃度を15±5g/Lの範囲内に維持する請求項1〜4のいずれかに記載の低ソーダ微粒水酸化アルミニウムの製造方法。
  6. 水酸化アルミニウムの析出操作中、降温速度を調整して析出溶液の過飽和Al2O 3濃度を15±5g/Lの範囲内に維持する請求項1〜5のいずれかに記載の低ソーダ微粒水酸化アルミニウムの製造方法。
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