JP6543433B2 - ジルコニア系ナノ粒子の製造方法 - Google Patents
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Description
R1−COOH ・・・ (I)
[式中、R1は炭素数6以上の分枝鎖状炭化水素基を示す。]
式(I)で表される被覆剤以外の少なくとも1種の被覆剤が、水酸基、アミノ基、チオール基、カルボキシル基、エポキシ基、およびアルコキシ基からなる群より選択される少なくとも1種の官能基を複数有するもの;ビニル基またはフェニル基を有するもの;シランカップリング剤;または、下記式(II)で表されるもの
R2−COOH ・・・ (II)
[式中、R2は炭素数6以上の直鎖状炭化水素基を示す。]
であることを特徴とする酸化ジルコニウムナノ粒子が知られている(特許文献1)。
1. 粒度分布におけるD50が20nm以下であるジルコニア微粒子であって、(1)当該ジルコニア微粒子は、ジルコニア単斜晶相を含有し、(2)当該ジルコニア微粒子の粉末X線回折分析による回折パターンにおける2θ=29.74〜30.74度の範囲において、回折ピークが実質的に存在しない、ことを特徴とする単斜晶ジルコニア系ナノ粒子をジルコニア粉末から製造する方法であって、
(1)前記ジルコニア粉末が、a)粒度分布におけるD50が900nm以下であって、b)ジルコニア単斜晶相の含有量が90〜95体積%であり、かつ、ジルコニア正方晶相の含有量が5〜10体積%であり、
(2)粒度分布におけるD50が40μm以下のビーズの存在下で前記ジルコニア粉末をビーズミル処理に供する工程を含む、
ことを特徴とする単斜晶ジルコニア系ナノ粒子の製造方法。
2. ビーズミル処理が溶媒の存在下で実施される湿式ビーズミル処理である、前記項1に記載の製造方法。
3. 溶媒中にシランカップリング剤及びリン酸エステル系分散剤が含まれる、前記項2に記載の製造方法。
4. 前記ビーズが、金属ビーズ及びセラミックスビーズの少なくとも1種である、前記項1に記載の製造方法。
5. 前記ビーズとして、略球形の形状を有する粒子を用いる、前記項1に記載の製造方法。
6. ジルコニア粉末のBET比表面積が70m2/g以上である、前記項1に記載の製造方法。
本発明の単斜晶ジルコニア系ナノ粒子(本発明ナノ粒子)は、粒度分布におけるD50が20nm以下であるジルコニア微粒子であって、
(1)当該ジルコニア微粒子は、単斜晶相を含有し、
(2)当該ジルコニア微粒子の粉末X線回折分析における回折パターンの2θ=29.74〜30.74度において、回折ピークが実質的に存在しない、
ことを特徴とする。
本発明ナノ粒子の製造方法は、特に限定されないが、例えば以下のような製造方法によって好適に製造することができる。すなわち、ジルコニア粉末から本発明ナノ粒子を製造する方法であって、
(1)前記ジルコニア粉末が、a)粒度分布におけるD50が900nm以下であって、b)ジルコニア単斜晶相の含有量が90〜95体積%であり、かつ、ジルコニア正方晶相の含有量が5〜10体積%であり、
(2)粒度分布におけるD50が40μm以下のビーズの存在下で前記ジルコニア粉末をビーズミル処理に供する工程(ビーズミル処理工程)を含む、
ことを特徴とする製造方法を好適に採用することかできる。
本発明の製造方法では、出発材料としてジルコニア粉末を用いることを前提として、そのジルコニア粉末が、a)粒度分布におけるD50が900nm以下であって、b)ジルコニア単斜晶相の含有量が90〜95体積%であり、かつ、ジルコニア正方晶相の含有量が5〜10体積%である粉末を用いる。
ビーズミル処理工程では、粒度分布におけるD50が40μm以下のビーズの存在下で前記ジルコニア粉末をビーズミル処理に供する。
シランカップリング剤としては、特に限定されないが、好ましくは官能基として少なくともアクリル基又はメタクリル基を有するシランカップリング剤を用いることができる。
一例として、一般式X3−n(CH3)nSi−R−Y(ただし、n=1又は2,Rはエチレン基又はプロピレン基、Xは加水分解基、Yは官能基をそれぞれ示す。)で示されるシランカップリング剤を挙げることができる。前記加水分解基Xとしては、メトキシ基、エトキシ基、2−メトキシエトキシ等のアルコキシ基が例示される。前記官能基Yとしては、ビニル基、エポキシ基、スリチル基、ウレイド基、アクリル基、メタクリル基、アミノ基、イソシアヌレート基、イソシアネート基、メルカプト基等が例示される。上記一般式では、例えば上記Rがアクリル基又はメタクリル基であるシランカップリング剤を好適に用いることができる。これらのシランカップリング剤も、市販品を用いることもできる。
本発明のジルコニア系ナノ粒子は、公知のジルコニアナノ粒子と同様の用途に適用することができる。
(1)ジルコニア系ナノ粒子の分散液の調製
ジルコニア系ナノ粒子が溶媒に分散してなる分散液を以下のようにして調製した。出発材料となるジルコニア粉末として、市販品を用いた。この市販品は、粒度分布におけるD50が0.4〜0.7μmの範囲内にあり、単斜晶相94体積%及び正方晶相6体積%であり、比表面積は80m2/gである。このジルコニア粉末6gと添加剤(シランカップリング剤0.9g及びリン酸エステル系分散剤0.3g)とをメチルエチルケトン15gに配合した後、得られた混合液をビーズミル装置(バッチ式ビーズミル、大研化学工業株式会社製)にてビーズミル処理を実施した。上記装置は、図7に示すような構成からなり、図8に示すシングルロータータイプのアジテータを1つ使用した。ビーズは市販の熱プラズマ溶融法により球状化されたジルコニアビーズ(大研化学工業株式会社製「DZB」、粒度分布におけるD50が30μm)50g(粉砕室の容積に対して44体積%)を用い、アジテータ周速10m/sとし、処理時間15分とした。このようにしてジルコニア系ナノ粒子を含む分散液を得た。
得られた分散液中のジルコニア系ナノ粒子について、結晶構造及び粒度を調べた。
1−1)X線回折分析
実施例1で得られた分散液を乾燥して得られた粉末について粉末X線回折分析を実施した。X線回折装置として「MiniFlex 600」(株式会社リガク製)を用いた。その分析結果(「処理後」と表示)を図1に示す。なお、比較のため、図1には、処理前のジルコニア粉末(出発材料)を同様にして測定した結果も併せて示す。図1に示すように、実施例1で得られたジルコニア系ナノ粒子においては、回折パターンにおける2θ=29.74〜30.74度の範囲には回折ピーク(特にジルコニア正方晶相による回折ピーク)が消失していることがわかる。
また、前記粉末についてラマン分光法による結晶性も調べた。ラマン分光装置として「レーザーラマン顕微鏡RAMAN Touch」(ナノフォトン株式会社製)を用い、励起波長532nmとし、回折格子2400gr/mmとした。そのラマンスペクトル(「処理後」と表示)を図2に示す。なお、比較のため、図2には、処理前のジルコニア粉末(出発材料)を同様にして測定した結果も併せて示す。図2からも明らかなように、ラマンスペクトルにおいても、実施例1で製造されたジルコニア系ナノ粒子では、ジルコニア正方晶相に由来する波数202cm−1及び267cm−1のピークが認められないことがわかる。
さらに、前記粉末について電子回折分析を実施した。面間隔参照用標準試料として金微粒子を用い、その標準試料のプロファイルから長さ情報を取得した。単斜晶及び正方晶の最強線、111m、111tの位置を計算した。その電子回折から得られた強度プロファイルを図3に示す。図3の上図は処理前(出発材料)の結果を示し、図3の下図は実施例1で得られたナノ粒子の結果を示す。図3の結果からも明らかなように、処理後のナノ粒子においては正方晶の111tのピークが確認されないことがわかる。
粒度測定には動的光散乱式粒度分布測定装置「Nanotrac Wave EX−150」(マイクロトラック・ベル株式会社製)を用いた。粒度は、体積基準による累積分布におけるD50及びD90を測定した。その結果を図4に示す。図4の頻度分布及び累積分布の結果からも明らかなように、粒度分布(頻度分布)が単峰であり、D50は約12nmであり、D90は約20nmであった。
また、粒度分布におけるD90、処理時間及び正方晶/単斜晶のピーク比(強度比)との関係を調べた。その結果を図5に示す。図5に示すように、ジルコニア単斜晶相の増大に伴って、D90も連動するように小さくなっていることがわかる。すなわち、ジルコニア正方晶相が低減しつつ、ジルコニア単斜晶相が増えているので、出発材料の際の単斜晶相94体積%よりも多くなっていることがわかる。また、図5の結果から、出発材料中に存在する正方晶が単斜晶に相転移する際にジルコニア凝集粒子が解れることも微細化に寄与する結果、高い分散性が得られるものと推察できる。
平均粒径D50が異なるジルコニアビーズを用いて実施例1と同様にしてジルコニア系ナノ粒子(比較試料1及び比較試料2)を調製した。実施例1と同様にして、得られたジルコニア系ナノ粒子の結晶相をX線回折分析により調べた。ジルコニアビーズとしては、D50が50μmであるビーズ(比較試料1で使用したもの)、D50が100μmであるビーズ(比較試料2で使用したもの)をそれぞれ用いた。その結果を図6に示す。なお、図6には、実施例1で得られたジルコニア系ナノ粒子の分析結果も併せて示す。
図6の結果からも明らかなように、実施例1のジルコニア系ナノ粒子(使用ビーズ径D50=30μm図6中の符号A)では、2θ=29.74〜30.74度の範囲において回折ピークが存在していない。これに対し、D50が40μmを超えるジルコニアビーズで調製された比較試料1(使用ビーズ径D50=50μm、図6中の符号B)及び比較試料2(使用ビーズ径D50=100μm、図6中の符号C)では2θ=29〜30度の範囲(特に2θ=29.74〜30.74度の範囲)において、わずかながらに回折ピークが発現していることがわかる。
実施例1と同様にしてジルコニア系ナノ粒子を含む分散液を調製し、その調製直後から一定期間までの粒度分布の変化を調べた。その結果を表1に示す。
実施例1と同様にしてジルコニア系ナノ粒子を含む分散液(分散液1)を調製した。また、平均粒径D50が異なるジルコニアビーズを用いて実施例1と同様にしてジルコニア系ナノ粒子を含む分散液(比較分散液1及び比較分散液2)を調製した。ジルコニアビーズとしては、D50が100μmであるビーズ(比較分散液1で使用したもの)、D50が50μmであるビーズ(比較分散液2で使用したもの)をそれぞれ用いた。得られた各分散液について透過率及び粒度分布を調べた。透過率は、溶媒(MEK)をブランク試料(透過率100%)とし、光路長を5mmとしたときの測定波長600nmにおける分光透過率を測定した。粒度分布は実施例1と同様にして測定した。これらの結果を表2に示す。
Claims (6)
- 粒度分布におけるD50が20nm以下であるジルコニア微粒子であって、(1)当該ジルコニア微粒子は、ジルコニア単斜晶相を含有し、(2)当該ジルコニア微粒子の粉末X線回折分析による回折パターンにおける2θ=29.74〜30.74度の範囲において、回折ピークが実質的に存在しない、ことを特徴とする単斜晶ジルコニア系ナノ粒子をジルコニア粉末から製造する方法であって、
(1)前記ジルコニア粉末が、a)粒度分布におけるD50が900nm以下であって、b)ジルコニア単斜晶相の含有量が90〜95体積%であり、かつ、ジルコニア正方晶相の含有量が5〜10体積%であり、
(2)粒度分布におけるD50が40μm以下のビーズの存在下で前記ジルコニア粉末をビーズミル処理に供する工程を含む、
ことを特徴とする単斜晶ジルコニア系ナノ粒子の製造方法。 - ビーズミル処理が溶媒の存在下で実施される湿式ビーズミル処理である、請求項1に記載の製造方法。
- 溶媒中にシランカップリング剤及びリン酸エステル系分散剤が含まれる、請求項2に記載の製造方法。
- 前記ビーズが、金属ビーズ及びセラミックスビーズの少なくとも1種である、請求項1に記載の製造方法。
- 前記ビーズとして、略球形の形状を有する粒子を用いる、請求項1に記載の製造方法。
- ジルコニア粉末のBET比表面積が70m2/g以上である、請求項1に記載の製造方法。
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