JP6190023B1 - リン酸タングステン酸ジルコニウムの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明のリン酸タングステン酸ジルコニウムの製造方法は、タングステン化合物と、リンとジルコニウムを含む不定形の化合物との混合物を反応前駆体として、該反応前駆体を焼成することを特徴とするものである。
(1)タングステン化合物を含むスラリーを調製する第一工程、次いで該スラリーにリン酸と、水酸化ジルコニウム及び炭酸ジルコニウムから選ばれるジルコニウム化合物を添加する第二工程、次いで得られるスラリーを全量乾燥する第3工程を含む方法(以下、「第1の方法」と言う)。
(2)タングステン化合物、リン源及びジルコニウム源を含むスラリーを加熱処理する第A工程、次いで、該スラリーをメディアミルで湿式粉砕処理する第B工程、次いで得られるスラリーを全量乾燥する第C工程を含む方法(以下、「第2の方法」と言う)。
以下、第1の方法で前記反応前駆体を製造する方法について説明する。
第一工程に係るスラリー濃度は5〜50質量%、好ましくは10〜30質量%とすることが操作性と取扱いが容易な粘度のスラリーとなる観点から好ましい。
かくすることにより、タングステン化合物が水溶媒中に均一分散したスラリーを調製することができる。
炭酸ジルコニウムは、塩基性塩であってもよく、アンモニアやナトリウム、カリウムなどの複塩であってもよい。
ジルコニウム化合物は、工業的に入手できるものであれば、特に制限なく用いることができ、また、ジルコニウム化合物は無水塩又は含水塩であってもよい。
ジルコニウム化合物は、そのまま粉体として第一工程で得られるスラリーに添加することができるが、水溶媒に分散させた懸濁液もしくは溶解させた溶液として添加してもよい。
くは1.9〜2.1とすることが負の熱膨張が大きなものが得られるという観点から好ましい。
以下、第2の方法で前記反応前駆体を製造する方法について説明する。
第A工程に係るスラリー濃度は5〜50質量%、好ましくは10〜30質量%とすることが操作性と取扱いが容易な粘度のスラリーとなる観点から好ましい。
また、第2の方法では、第A工程〜第B工程前のスラリー、具体的には、第A工程を行う前、第A工程を行っている最中、第A工程の完了後、第B工程を行う前、及び第B工程を行っている最中のうちの少なくとも一つの場面において、該焼結助剤成分を含有する化合物を添加することが好ましい。
例えば、焼結助剤成分を含有する化合物として、水酸化物を用いた場合は、スラリー中でリン酸と反応し、焼結助剤成分を含有するリン酸塩に転換して反応前駆体中に含有される場合がある。
なお、反応前駆体中に含有される焼結助剤成分を含有する化合物は結晶質或いは不定形のものであってもよい。
なお、本製造方法では、低温でX線回折的に単相のリン酸タングステン酸ジルコニウムを得ることが可能なので、この利点を生かすため焼成温度を900〜1100℃として行うことが好ましい。
<評価装置>
1.X線回折分析:リン酸タングステン酸ジルコニウムと反応前駆体のX線回折分析は、リガク社 UltimaIVを用いた。線源としてCu−Kαを用いた。測定条件は、管電圧40kV、管電流40mA、走査速度0.1°/secとした。
2.赤外吸収スペクトル(FT−IR)分析:反応前駆体の赤外吸収スペクトル分析は、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製NICOLET6700により、分解能:4cm-1、積算数:256回、測定波数領域:400cm-1〜4000cm-1の条件にて測定した。ATR法により測定し、ATR補正及びスペクトルのスムージング処理を行った。
3.平均粒子径;各原料及びスラリー中の固形分の平均粒子径はレーザー回折・散乱法により、マイクロトラックMT3300EXII粒度分析計(マイクロトラック・ベル社製)を用いて測定した。
市販の三酸化タングステン(WO3;平均粒子径1.2μm)15質量部をビーカーに入れ、更に純水84重量部を添加し、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム塩を1重量部、仕込んだ。
室温(25℃)でスリーワンモーター攪拌機を用いて120分間撹拌して、三酸化タングステンを含む15質量%スラリーを調製した。スラリー中の固形分の平均粒子径は1.2μmであった。
次いで、このスラリーに水酸化ジルコニウムと、85質量%リン酸水溶液とを、スラリー中のZr:W:Pのモル比が2.00:1.00:2.00となるように室温(25℃)で添加し、2時間撹拌下に反応を行った。
反応終了後、スラリーの全量を200℃で大気下に24時間乾燥を行って、反応前駆体を得た。得られた反応前駆体についてX線回折を行った結果、三酸化タングステンの回折ピークのみが観察された(図1参照)。また、FT−IRで分析を行ったところ、950〜1150cm-1に赤外線吸収ピークを持ち、この間の赤外線吸収ピークの極大値は1027cm-1に現れた(図2参照)。
次いで、得られた反応前駆体を950℃で2時間大気中で焼成反応を行い、白色の焼成品を得た。
得られた焼成品をX線回折分析したところ、焼成品は単相のZr2(WO4)(PO4)2であった(図3参照)。
市販の三酸化タングステン(WO3;平均粒子径25μm)15質量部を秤量しタンクに仕込んだ。タンクに純水84重量部、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム塩を1重量部、仕込んだ。
次いで、スラリーを攪拌しながら、直径0.5mmのジルコニアビーズを仕込んだメディア攪拌型ビーズミルに供給し、15分間混合して湿式粉砕を行った。湿式粉砕後のスラリー中の固形分の平均粒子径は0.3μmであった。
次いで、このスラリーに水酸化ジルコニウムと、85質量%リン酸水溶液とを、スラリー中のZr:W:Pのモル比が2.00:1.00:2.00となるように室温(25℃)で添加し、2時間撹拌下に反応を行った。
反応終了後、220℃に設定したスプレードライヤーに、2.4L/hの供給速度でスラリーを供給し、反応前駆体を得た。得られた反応前駆体について、X線回折を行った結果、三酸化タングステンの回折ピークのみが観察された。また、FT−IRで分析を行ったところ、950〜1150cm-1に赤外線吸収ピークを持ち、この間の赤外線吸収ピークの極大値は1030cm-1に現れた。
次いで、得られた反応前駆体を950℃で2時間大気中、焼成反応を行い、白色の焼成品を得た。
得られた焼成品をX線回折分析したところ、焼成品は単相のZr2(WO4)(PO4)2であった。
市販の三酸化タングステン(WO3;平均粒子径25μm)7質量部と市販の酸化ジルコニウム(ZrO2;平均粒子径6.5μm)とを秤量しW:Zrのモル比が2.00:1.00となるようにタンクに仕込んだ。タンクに純水84重量部、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム塩を1重量部を加え、固形分濃度が15%のスラリーを調製した。
次いで、スラリーを攪拌しながら、直径0.5mmのジルコニアビーズを仕込んだメディア攪拌型ビーズミルに供給し、15分間混合して湿式粉砕を行った。湿式粉砕後のスラリー中の固形分の平均粒子径は0.3μmであった。
次いで、このスラリーに85質量%リン酸水溶液を、スラリー中のZr:W:Pのモル比が2.00:1.00:2.00となるように添加し、室温(25℃)で2時間撹拌を行った。
反応終了後、スラリーの全量を200℃で大気下に24時間乾燥を行って、反応前駆体を得た。得られた反応前駆体についてX線回折を行った結果、三酸化タングステンと酸化ジルコニウムの回折ピークが観察された(図4参照)。
次いで、得られた反応前駆体を950℃で2時間大気中で焼成反応を行い、緑白色の焼成品を得た。
得られた焼成品をX線回折分析したところ、焼成品は異相を多く含むものでZr2(WO4)(PO4)2の生成は僅かであった(図5参照)。
実施例1〜2及び比較例1で得られたリン酸タングステン酸ジルコニウムについて、平均一次粒子径、平均二次粒子径、BET比表面積及び熱膨張係数を測定した。その結果を表1に示す。また、実施例2で得られたリン酸タングステン酸ジルコニウムのSEM写真を図6に示す。
リン酸タングステン酸ジルコニウムの平均一次粒子径は、走査型電子顕微鏡観察において倍率5千倍で任意に抽出した粒子50個以上の平均値により求めた。
(平均二次粒子径の評価)
リン酸タングステン酸ジルコニウムの平均二次粒子径は、走査型電子顕微鏡観察において倍率400倍で任意に抽出した粒子50個以上の平均値により求めた。
(線膨張係数の評価)
昇温機能が付いたXRD装置(リガク社 UltimaIV)にて、昇温速度20℃/minで、目標温度に到達してから10分後に試料のa軸、b軸、c軸に対する格子定数を測定し、格子体積変化(直方体)を線換算して線膨張係数を求めた(J. Mat. Sci.,35(2000)2451−2454参照)。
市販の三酸化タングステン(WO3;平均粒子径1.2μm)15質量部をビーカーに入れ、更に純水84重量部を添加した。
室温(25℃)で120分間撹拌して、三酸化タングステンを含む15質量%スラリーを調製した。スラリー中の固形分の平均粒子径は1.2μmであった。
次いで、このスラリーに水酸化ジルコニウムと、85質量%リン酸水溶液と水酸化マグネシウムとを、スラリー中のZr:W:P:Mgのモル比が2.00:1.00:2.00:0.1となるように室温(25℃)で添加した後、80℃に昇温して4時間撹拌下に反応を行った。
反応終了後、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム塩を1重量部、仕込み、スラリーを攪拌しながら、直径0.5mmのジルコニアビーズを仕込んだメディア攪拌型ビーズミルに供給し、15分間混合して湿式粉砕を行った。湿式粉砕後のスラリー中の固形分の平均粒子径は0.3μmであった。
次いで、220℃に設定したスプレードライヤーに、2.4L/hの供給速度でスラリーを供給し、反応前駆体を得た。得られた反応前駆体について、X線回折を行った結果、三酸化タングステンの回折ピークのみが観察された(図7参照)。また、FT−IRで分析を行ったところ、950〜1150cm−1に赤外線吸収ピークを持ち、この間の赤外線吸収ピークの極大値は1042cm−1に現れた(図8参照)。
なお、焼結助剤成分のMgは、スラリー中でのリン酸と水酸化マグネシウムとの反応により、反応前駆体中で不定形のリン酸マグネシウムとして存在しているものと推測される。
次いで、得られた反応前駆体を1050℃で2時間大気中で焼成反応を行い、白色の焼成品を得た。
得られた焼成品をX線回折分析したところ、焼成品は単相のZr2(WO4)(PO4)2であった(図9参照)。
市販の三酸化タングステン(WO3;平均粒子径1.2μm)15質量部をビーカーに入れ、更に純水84重量部を添加し、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム塩を1重量部、仕込んだ。
室温(25℃)で120分間撹拌して、三酸化タングステンを含む15質量%スラリーを調製した。スラリー中の固形分の平均粒子径は1.2μmであった。
次いで、このスラリーに水酸化ジルコニウムと、85質量%リン酸水溶液と水酸化マグネシウムと五酸化二バナジウムとを、スラリー中のZr:W:P:Mg:Vのモル比が2.00:1.00:2.00:0.1:0.05となるように室温(25℃)で添加した後、80℃に昇温して4時間撹拌下に反応を行った。
反応終了後、スラリーを攪拌しながら、直径0.5mmのジルコニアビーズを仕込んだメディア攪拌型ビーズミルに供給し、15分間混合して湿式粉砕を行った。湿式粉砕後のスラリー中の固形分の平均粒子径は0.3μmであった。
次いで、220℃に設定したスプレードライヤーに、2.4L/hの供給速度でスラリーを供給し、反応前駆体を得た。得られた反応前駆体について、X線回折を行った結果、三酸化タングステンの回折ピークのみが観察された。また、FT−IRで分析を行ったところ、950〜1150cm−1に赤外線吸収ピークを持ち、この間の赤外線吸収ピークの極大値は1030cm−1に現れた。
なお、焼結助剤成分のMgは、スラリー中でのリン酸と水酸化マグネシウムとの反応により、反応前駆体中で不定形のリン酸マグネシウムとして存在しているものと推測される。一方、焼結助剤成分のVは、X線回折では、検出限界以下であるため回折ピークは検出されなかったが、五酸化二バナジウムとして反応前駆体中に存在しているものと推測される。
次いで、得られた反応前駆体を1050℃で2時間大気中で焼成反応を行い、白色の焼成品を得た。
得られた焼成品をX線回折分析したところ、焼成品は単相のZr2(WO4)(PO4)2であった。
市販の三酸化タングステン(WO3;平均粒子径1.2μm)15質量部をビーカーに入れ、更に純水84重量部を添加した。
室温(25℃)で120分間撹拌して、三酸化タングステンを含む15質量%スラリーを調製した。スラリー中の固形分の平均粒子径は1.2μmであった。
次いで、このスラリーに水酸化ジルコニウムと、85質量%リン酸水溶液と水酸化マグネシウムとを、スラリー中のZr:W:P:Mgのモル比が2.00:1.00:2.00:0.1となるように室温(25℃)で添加した後、80℃に昇温して4時間撹拌下に反応を行った。
反応終了後、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム塩を1重量部、仕込み、スラリーを攪拌しながら、直径0.5mmのジルコニアビーズを仕込んだメディア攪拌型ビーズミルに供給し、15分間混合して湿式粉砕を行った。湿式粉砕後のスラリー中の固形分の平均粒子径は0.3μmであった。
次いで、220℃に設定したスプレードライヤーに、2.4L/hの供給速度でスラリーを供給し、反応前駆体を得た。得られた反応前駆体について、X線回折を行った結果、三酸化タングステンの回折ピークのみが観察された。また、FT−IRで分析を行ったところ、950〜1150cm−1に赤外線吸収ピークを持ち、この間の赤外線吸収ピークの極大値は1030cm−1に現れた。
なお、焼結助剤成分のMgは、スラリー中でのリン酸と水酸化マグネシウムとの反応により、反応前駆体中で不定形のリン酸マグネシウムとして存在しているものと推測される。
次いで、得られた反応前駆体を960℃で2時間大気中で焼成反応を行い、白色の焼成品を得た。これを気流式粉砕機で粉砕して粉砕品を得た。
得られた焼成品をX線回折分析したところ、焼成品は単相のZr2(WO4)(PO4)2であった。
市販の三酸化タングステン(WO3;平均粒子径1.2μm)15質量部をビーカーに入れ、更に純水84質量部を添加した。
室温(25℃)で120分間撹拌して、三酸化タングステンを含む15質量%スラリーを調製した。スラリー中の固形分の平均粒子径は1.2μmであった。
次いで、このスラリーに水酸化ジルコニウムと、85質量%リン酸水溶液とを、スラリー中のZr:W:Pのモル比が2.00:1.00:2.00となるように室温(25℃)で添加した後、80℃に昇温して4時間撹拌下に反応を行った。
反応終了後、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム塩を1質量部、仕込み、スラリーを撹拌しながら、直径0.5mmのジルコニアビーズを仕込んだメディア撹拌型ビーズミルに供給し、15分間混合して湿式粉砕を行った。湿式粉砕後のスラリー中の固形分の平均粒子径は0.3μmであった。
次いで、220℃に設定したスプレードライヤーに、2.4L/hの供給速度でスラリーを供給し、反応前駆体を得た。得られた反応前駆体について、X線回折を行った結果、三酸化タングステンの回折ピークのみが観察された。また、FT−IRで分析を行ったところ、950〜1150cm−1に赤外線吸収ピークを持ち、この間の赤外線吸収ピークの極大値は1042cm−1に現れた。
次いで、得られた反応前駆体を1220℃で8時間にわたり大気中で焼成反応を行い、白色の焼成品を得た。
得られた焼成品をX線回折分析したところ、焼成品は単相のZr2(WO4)(PO4)2であった。
実施例3〜6で得られたリン酸タングステン酸ジルコニウムについて、実施例1〜2及び比較例1と同様にして平均一次粒子径、平均二次粒子径、BET比表面積及び線熱膨張係数を測定した。その結果を表2に示す。また、実施例3で得られたリン酸タングステン酸ジルコニウムのSEM写真を図10(上;30000倍、下;400倍)に示す。
Claims (15)
- タングステン化合物と、リンとジルコニウムを含む無定形の化合物との混合物を反応前駆体として、該反応前駆体を900〜1300℃で焼成することを特徴とするリン酸タングステン酸ジルコニウムの製造方法。
- 反応前駆体は、少なくとも950〜1150cm-1に赤外線吸収ピークを有し、この範囲での赤外線吸収ピークの極大値が1030(±20)cm-1にあることを特徴とする請求項1に記載のリン酸タングステン酸ジルコニウムの製造方法。
- 反応前駆体は、タングステン化合物を含むスラリーを調製する第一工程、次いで該スラリーにリン酸と、水酸化ジルコニウム及び炭酸ジルコニウムから選ばれるジルコニウム化合物を添加する第二工程、次いで第二工程後のスラリーを全量乾燥する第三工程を施して得られるものであることを特徴とする請求項1又は2の何れか一項に記載のリン酸タングステン酸ジルコニウムの製造方法。
- 第一工程は、タングステン化合物を含むスラリーをメディアミルで湿式粉砕処理する工程を含むことを特徴とする請求項3記載のリン酸タングステン酸ジルコニウムの製造方法。
- 第一工程は、固形分の平均粒子径が5μm以下のスラリーを調製することを特徴とする請求項3又は4の何れか1項に記載のリン酸タングステン酸ジルコニウムの製造方法。
- 第一工程は、固形分の平均粒子径が1μm以下のスラリーを調製することを特徴とする請求項3又は4の何れか1項に記載のリン酸タングステン酸ジルコニウムの製造方法。
- 反応前駆体は、水酸化ジルコニウム及び炭酸ジルコニウムから選ばれるジルコニウム化合物、リン酸及びタングステン化合物を含むスラリーを加熱処理する第A工程、次いで、第A工程後のスラリーをメディアミルで湿式粉砕処理する第B工程、次いで第B工程後のスラリーを全量乾燥する第C工程を施して得られるものであることを特徴とする請求項1又は2の何れか一項に記載のリン酸タングステン酸ジルコニウムの製造方法。
- 第B工程は、固形分の平均粒子径が2μm以下のスラリーを調製することを特徴とする請求項7に記載のリン酸タングステン酸ジルコニウムの製造方法。
- 全量乾燥は、噴霧乾燥により行うことを特徴とする請求項3乃至8の何れか一項に記載のリン酸タングステン酸ジルコニウムの製造方法。
- タングステン化合物が、三酸化タングステンであることを特徴とする請求項1乃至9の何れか1項に記載のリン酸タングステン酸ジルコニウムの製造方法。
- 反応前駆体は、更に焼結助剤成分を含有することを特徴とする請求項1乃至10の何れか1項に記載のリン酸タングステン酸ジルコニウムの製造方法。
- 焼結助剤成分が、Mg、Zn、Cu、Fe、Cr、Mn、Ni、V、Li、Al、B、Na、K、F、Cl、Br、I、Ca、Sr、Ba,Ti、Hf,Nb、Ta、Y、Yb、Si、S、Mo、Co、Bi、Te、Pb、Ag,Cd,In,Sn、Sb,Te,Ga、Ge、La、Ce、Nd、Sm、Eu、Tb及びDy、Hoから選ばれる1種又は2種以上の元素であることを特徴とする請求項11に記載のリン酸タングステン酸ジルコニウムの製造方法。
- 焼結助剤成分を含む化合物を、第二工程〜第三工程前のスラリーへ添加することを特徴とする請求項3に記載のリン酸タングステン酸ジルコニウムの製造方法。
- 焼結助剤成分を含む化合物を、第A工程〜第B工程前のスラリーへ添加することを特徴とする請求項7に記載のリン酸タングステン酸ジルコニウムの製造方法。
- 添加する焼結助剤成分を含む化合物が、焼結助剤成分を含む酸化物及び水酸化物から選ばれることを特徴とする請求項13又は14の何れか一項に記載のリン酸タングステン酸ジルコニウムの製造方法。
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