JP6607549B2 - 微粒子ハイドロタルサイト、その製造方法、その樹脂組成物、及びその懸濁液 - Google Patents
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Description
(M2+)1−X(M3+)X(OH)2(An−)X/n・mH2O (1)
(ただし、式中M2+は2価金属の少なくとも1種以上、M3+は3価金属の少なくとも1種以上、An−はn価のアニオン、nは1〜6の整数をそれぞれ示し、xおよびmはそれぞれ、0.17≦x≦0.36、0≦m≦10の範囲にある。)
(A)X線回折法による<003>方向の格子歪が3×10−3以下;
(B)SEM法による1次粒子の平均横幅が5nm以上200nm以下;
(C)下記式で表わされる単分散度が50%以上
単分散度(%)=(SEM法による1次粒子の平均横幅/動的光散乱法による2次粒子の平均横幅)×100
(2)(1)で調製した水溶性複合金属塩水溶液とアルカリ金属水酸化物水溶液を、反応温度0〜60℃、反応pH8.5〜11.5で連続反応させ、ハイドロタルサイトを含む懸濁液を得る反応工程。
(3)(2)で得られたハイドロタルサイトを含む懸濁液を脱水後、水洗浄を行い、水及び/又は有機溶媒に懸濁させる洗浄工程。
(4)(3)で得られた洗浄後のハイドロタルサイトを含む懸濁液を、0〜100℃で1〜60時間攪拌保持する熟成工程。
<ハイドロタルサイト>
本発明のハイドロタルサイトの、化学式、金属の種類、xの範囲(2価金属と3価金属の存在比)、mの範囲、層間アニオンの種類、<003>方向の格子歪、1次粒子の平均横幅、単分散度、BET法比表面積及び表面処理は以下の通りである。
本発明のハイドロタルサイトは、以下の式(1)で表される。
(M2+)1−X(M3+)X(OH)2(An−)X/n・mH2O (1)
(ただし、式中M2+は2価金属の少なくとも1種以上、M3+は3価金属の少なくとも1種以上、An−はn価のアニオン、nは1〜6の整数をそれぞれ示し、xおよびmはそれぞれ、0.17≦x≦0.36、0≦m≦10の範囲にある。)
式(1)で表されるハイドロタルサイトにおいて、M2+は2価金属の少なくとも1種以上、M3+は3価金属の少なくとも1種以上である。好ましい2価金属はMg及びZnからなる群より選ばれる1種以上であり、好ましい3価金属はAlである。これは、生体への安全性が高く、かつ粒子が白色で用途が広いためである。
式(1)で表されるハイドロタルサイトにおいて、xの範囲は0.17≦x≦0.36であり、好ましくは0.19≦x≦0.34である。xが0.36を超えるとベーマイトが副生し、逆に0.17より小さくなると水酸化マグネシウムが副生し、いずれも樹脂に配合した際に透明性低下の原因となる。
式(1)で表されるハイドロタルサイトにおいて、mの範囲は0≦m≦10であり、好ましくは0≦m≦6である。
式(1)で表されるハイドロタルサイトにおいて、An−はn価のアニオン、nは1〜6の整数をそれぞれ示し、好ましいAn−はCO3 2−及びClO4 −から選ばれる1種以上である。
本発明のハイドロタルサイトにおいて、X線回折法における<003>方向の格子歪は3×10−3以下であり、好ましくは2.5×10−3以下、さらに好ましくは2×10−3以下である。<003>方向の格子歪が3×10−3より大きければ、粉体にした際や、懸濁液として長期保存した際に、1次粒子が凝集しやすくなる。
1次粒子とは、幾何学的にこれ以上分割できない明確な境界を持った粒子である。図1は、本発明で用いた1次粒子の横幅(W1)を説明する模式図である。図1に示すように、1次粒子の横幅W1を規定する。すなわち、1次粒子が六角板状の板面としたときの粒子の長径が「1次粒子の横幅W1」である。
2次粒子とは、1次粒子が複数個集まり、凝集体となった粒子である。図2は、本発明で用いた2次粒子と2次粒子の横幅(W2)を説明する模式図である。図2に示すように、2次粒子の横幅W2を規定する。すなわち、2次粒子が球体に包まれると考えたときの球体の直径が「2次粒子の横幅W2」である。
本発明のハイドロタルサイトにおいて、SEM法による1次粒子の平均横幅は5nm以上200nm以下であり、好ましくは5nm以上150nm以下、さらに好ましくは5nm以上100nm以下、さらに好ましくは5nm以上80nm以下、さらに好ましくは5nm以上60nm以下、最も好ましくは5nm以上50nm以下である。1次粒子の平均横幅は、SEM法によりSEM写真中の任意の100個の結晶の横幅の測定値の算術平均から求める。1次粒子の横幅は、原理上レーザー回折法では測定することができない。したがって、SEM法により目視で確認する。
本発明のハイドロタルサイトにおいて、下記式で表わされる単分散度は50%以上であり、好ましくは80%以上である。2次粒子の横幅は、動的光散乱法により測定する。SEM法では、2次粒子の横幅を正確に測定することが困難なためである。
単分散度(%)=(SEM法よる1次粒子の平均横幅/動的光散乱法による2次粒子の平均横幅)×100
本発明のハイドロタルサイトにおいて、BET法比表面積は20〜600m2/gであり、好ましくは30〜500m2/g、さらに好ましくは40〜400m2/gである。BET法比表面積が20m2/g未満では、粉体状態の1次粒子の分散が十分ではない。600m2/gを超えれば、粉体の嵩が高くなり、合成樹脂と混錬する場合などにおけるハンドリング性が悪くなる。
本発明のハイドロタルサイトにおいて、樹脂中での分散性を改善するため、粒子を表面処理することが望ましい。表面処理剤としては、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、リン酸エステル類処理剤、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤、アルミニウムカップリング剤、シリコーン系処理剤、ケイ酸及び水ガラス等を例示することができるが、この限りではない。特に好ましい表面処理剤は、オレイン酸、ステアリン酸、オクタン酸及びオクチル酸からなる群より選ばれる1種以上である。表面処理剤の量は、ハイドロタルサイトの重量に対して、0.01〜20重量%、好ましくは0.1〜15重量%である。
本発明の樹脂組成物は、100重量部の樹脂に対して、0.1〜250重量部の本発明のハイドロタルサイトを含有する。ハイドロタルサイトの配合量は、より好ましくは100重量部の樹脂に対して1〜200重量部である。
本発明は、上記樹脂組成物よりなる成形体を包含する。
本発明の懸濁液は、溶媒が水及び/又は有機溶媒であり、ハイドロタルサイトの濃度は0.1〜300g/Lである。ハイドロタルサイトの濃度は、好ましくは0.5〜250g/L、より好ましくは1〜200g/Lである。
本発明のハイドロタルサイトの製造方法は、以下の4つの工程を含む。
(2))(1)で調製した水溶性複合金属塩水溶液とアルカリ金属水酸化物水溶液を、反応温度0〜60℃、反応pH8.5〜11.5で連続反応させ、ハイドロタルサイトを含む懸濁液を得る反応工程。
(3)(2)で得られたハイドロタルサイトを含む懸濁液を脱水後、水洗浄を行い、水及び/又は有機溶媒に懸濁させる洗浄工程。
(4)(3)で得られた洗浄後のハイドロタルサイトを含む懸濁液を、0〜100℃で1〜60時間攪拌保持する熟成工程。
本発明のハイドロタルサイトの原料は、2価金属塩、3価金属塩、3価金属と錯体を形成する1価の有機酸及び/又は有機酸塩及び、アルカリ金属水酸化物塩である。2価金属塩としては、水溶性の2価金属塩、例えば塩化マグネシウム、臭化マグネシウム、硝酸マグネシウム、酢酸マグネシウム、塩化亜鉛、臭化亜鉛、硝酸亜鉛、酢酸亜鉛等が挙げられるが、この限りではない。1次粒子の凝集を防ぐため、好ましくは、1価のアニオンを含む2価金属塩が用いられる。2種以上の2価の金属塩を組み合わせることもできる。好ましくは、塩化マグネシウム及び/又は塩化亜鉛が用いられる。3価金属塩としては、水溶性の3価金属塩、例えば塩化アルミニウム、臭化アルミニウム、硝酸アルミニウム、酢酸アルミニウムが挙げられるが、この限りではない。1次粒子の凝集を防ぐため、好ましくは1価のアニオンを含む3価の金属塩が用いられる。2種以上の3価の金属塩を組み合わせることもできる。好ましくは塩化アルミニウムが用いられる。
本発明のハイドロタルサイトは、連続反応で作製することができる。バッチ反応に比べ溶液中でのイオン濃度とpHを均一に保つことできるため、格子歪の少ないハイドロタルサイトが作製でき、かつバッチ反応に比べて製造効率が良い。
反応工程で作製したハイドロタルサイトを含む懸濁液を、脱水した後、ハイドロタルサイトの20〜30倍の重量の脱イオン水で水洗浄し、水及び/又は有機溶媒に再懸濁させる。この工程を経ることによって、ナトリウム等の塩類を取り除き、熟成工程の際の1次粒子の凝集を防ぐことができる。
洗浄工程で作製したハイドロタルサイトを含んだ懸濁液を、1〜60時間、0〜100℃で、攪拌保持する。この工程を経ることにより、1次粒子の凝集を緩和し、1次粒子が十分に分散した懸濁液を得ることができる。熟成時間が1時間未満では、1次粒子の凝集を緩和するための時間として十分ではない。60時間より長く熟成しても、凝集状態に変化がないため意味をなさない。好ましい熟成時間は2〜30時間であり、さらに好ましくは4〜24時間である。熟成温度が100℃より高ければ、1次粒子が200nmを超えてしまうため好ましくない。熟成温度が0℃未満では、懸濁液が凍ってしまうため好ましくない。好ましい熟成温度は20〜90℃であり、さらに好ましくは40〜80℃である。熟成時の濃度はハイドロタルサイト換算で0.1〜300g/Lであり、好ましくは0.5〜250g/L、さらに好ましくは1〜200g/Lである。熟成時の濃度が0.1g/Lより低い場合は生産性が低く、300g/Lより高い場合は1次粒子が凝集するため好ましくない。
熟成工程後、ハイドロタルサイト粒子を表面処理することで、懸濁液及び、樹脂に添加、混練、分散する場合の、樹脂中での1次粒子の凝集を防止できる。表面処理は、湿式法又は乾式法を用いることができる。処理の均一性を考慮した場合、湿式法が好適に用いられる。熟成工程後の懸濁液を温調し、撹拌下に溶解させた表面処理剤を添加する。表面処理時の温度は表面処理剤が溶解する温度に適宜調整する。
表面処理後の懸濁液を脱水し、固形分に対して20〜30倍の重量の脱イオン水にて水洗浄をする。
次の関係式により、横軸に(sinθ/λ)、縦軸に(βcosθ/λ)をプロットし、切片の逆数から結晶粒子径(g)と、勾配に(1/2)を乗じて結晶歪(η)を求める。
(βcosθ/λ)=(1/g)+2η×(sinθ/λ)
(ただし、λは使用したX線の波長を表し、Cu−Kα線で1.542Åである。θはブラッグ角、βは真の半値幅(単位:ラジアン)を表す。)
上記βは以下の方法により求める。
X線回折装置(Empyrean、パナリティカル製)を用い、(003)面と(006)面の回折プロファイルを、X線源として45KV、40mAの条件で発生させたCu−Kα線を用いて測定する。測定条件はゴニオスピードで10°/min、スリット幅を、ダイバージェンススリット、レシービングスリット、スキャタリングスリットの順で、(003)面については、1°―0.3mm―1°、(006)面については2°―0.3mm−2°の条件で測定する。得られたプロファイルにつき、バックグラウンドから回折ピークまでの高さの(1/2)における幅(B0)を測定する。2θに対するKα1、Kα2のスプリット幅(δ)の関係から、(003)面、(006)面の2θに対するδを読み取る。次いで、上記B0及びδの値に基づいて、(δ/B0)と(B/B0)の関係からBを求める。続いて、高純度シリコン(純度99.999%)について、スリット幅(1/2)°―0.3mm−(1/2)°で各回折プロファイルを測定し、半値幅(b)を求める。これを2θに対してプロットし、bと2θの関係を示すグラフを作成する。(003)面、(006)面の2θに相当するbから(b/β)を求める。(b/B)と(β/B)の関係から、βを求める。
エタノールにサンプルを加え、超音波処理を5分間行った後、走査型電子顕微鏡(SEM)(JSM−7600F、日本電子製)を用い、任意の100個の結晶の1次粒子の横幅を測定し、その算術平均をもって1次粒子の平均横幅とした。
エタノールにサンプルを加え、超音波処理を5分間行った後、動的光散乱法粒度測定機(ELSZ−2、大塚電子製)を用いて粒度分布を測定し、その個数平均径をもって、2次粒子の平均横幅とした。
以下の式に基づいて、(b)及び(c)の値から算出した。
単分散度(%)=(SEM法よる1次粒子の平均横幅/動的光散乱法による2次粒子の平均横幅)×100
比表面積の測定装置(NOVA2000、ユアサアイオニクス製)を使用して、ガス吸着法により乾燥後のサンプルの比表面積を測定した。
サンプルを硝酸に加熱・溶解させた後、Mg、Zn、Alはキレート滴定にて、Clはフォルハルト法滴定にて定量した。CO3はJIS.R.9101に基づき、AGK式CO2簡易精密定量装置にて定量した。層間水は、TG−DTAを用い重量減少から算出した。
サンプルのオレイン酸及びステアリン酸処理量は、エーテル抽出法にて定量した。
サンプルをポリ塩化ビニル樹脂に下記配合比で配合し、熱安定性を評価した。
ポリ塩化ビニル(重合度1300):100部
DOP:50部
サンプル:1.6部
ステアリン酸亜鉛:0.4部
(h)で作製したロールシートを、縦横4cmに切り取り、3枚重ね、厚さ2mmの型枠に入れ、上下からステンレス板で挟み、プレス機にて、200℃10分、100MPaでプレスし、試験片を作製した。作製した試験片のヘーズ(曇り度)を、JIS.K.7136に基づき、ヘーズメーター(オートマチックヘーズメーターTC−H3DP、東京電色製)で測定し、透明性を評価した。ヘーズが低い方が、透明性に優れる。
イソプロピルアルコール1Lに対し、表面処理及び水洗浄後のハイドロタルサイトを、固形分として10gを添加し、ホモジナイザーで6000rpm、20分間攪拌し、懸濁液を作製した。懸濁液を1Lの沈降管に移し、その状態で10日間静置した。懸濁直後、1日後、10日後にサンプリングを行い、それぞれの2次粒子の平均横幅及び、沈降状態を評価した。2次粒子の平均横幅については、懸濁液に対して超音波処理を5分間行った後、動的光散乱法粒度測定機(ELSZ−2、大塚電子製)を用いて粒度分布を測定し、その個数平均径をもって、2次粒子の平均横幅とした。また、1日後、10日後の沈降状態を目視で確認し、水層と粒子を含有する層が完全に分離している場合は×、層の分離が確認できない場合は○として評価した。
塩化マグネシウム6水和物(和光純薬)と塩化アルミニウム6水和物(和光純薬)を脱イオン水に溶解させ、マグネシウム0.2mol/L、アルミニウム0.1mol/Lの水溶液を得た。この水溶液に対し、アルミニウムに対して1.75当量の乳酸ナトリウム(キシダ化学)を添加し、水溶性複合金属塩水溶液とした。一方、水酸化ナトリウム(和光純薬)を0.8mol/Lとなるよう脱イオン水に溶解させ、アルカリ金属水酸化物水溶液とした。
水溶性複合金属塩水溶液の流量を120mL/min、アルカリ金属水酸化物水溶液の流量を95mL/minに設定し、オーバーフロー容量215mLの円柱状の反応槽にそれぞれを注加し、連続的に反応を行った。オーバーフローとして反応槽から溢れ出た懸濁液を採取し、pHが9.3〜9.6となるよう、アルカリ金属水酸化物水溶液の流量を調整した。なお反応中は、反応温度が25℃となるよう原料と反応槽を温度調整した。また、反応中は直径2.5cmのスクリュープロペラを用い、回転速度1000rpmで撹拌を行った。
円形ヌッチェと吸引濾過瓶を用い、懸濁液を吸引濾過にて脱水し、ケーキとした。次に、ケーキに含まれるハイドロタルサイトのアルミニウムに対して1.5当量の炭酸ナトリウム水溶液をケーキに注加し、イオン交換を行った。次に、ハイドロタルサイトの30質量倍の脱イオン水を用い、塩類などの副生成物及び残留炭酸ナトリウム等の不純物を除去する目的で、イオン交換後ケーキの水洗浄を行った。
水洗浄後のケーキを脱イオン水に再懸濁させた。再懸濁はホモミキサーを用い、回転数4000rpmで20分間行った。再懸濁した懸濁液に脱イオン水を注加し、50g/Lに濃度調整した。濃度調整後の懸濁液を恒温槽にて60℃に保ち、24時間の熟成処理を行った。
(表面処理工程)
(乾燥工程)
(比較例1)
(比較例3)
(比較例4)
(比較例5)
(比較例6)
ポリ塩化ビニル(重合度1300):100部
DOP(フタル酸ジオクチル):50部
サンプル:1.6部
ステアリン酸亜鉛:0.4部
(比較例7)
(比較例8)
(比較例9)
(比較例10)
(比較例11)
(比較例12)
(比較例13)
(比較例14)
(比較例15)
(比較例16)
(比較例17)
(比較例18)
Claims (15)
- 以下の(A)〜(C)を満たす下記式(1)で表されるハイドロタルサイト。
(M2+)1−X(M3+)X(OH)2(An−)X/n・mH2O (1)
(ただし、式中M2+は2価金属の少なくとも1種以上、M3+は3価金属の少なくとも1種以上、An−はn価のアニオン、nは1〜6の整数をそれぞれ示し、xおよびmはそれぞれ、0.17≦x≦0.36、0≦m≦10の範囲にある。)
(A)X線回折法による<003>方向の格子歪が3×10−3以下;
(B)SEM法による1次粒子の平均横幅が5nm以上200nm以下;
(C)下記式で表わされる単分散度が50%以上
単分散度(%)=(SEM法による1次粒子の平均横幅/動的光散乱法による2次粒子の平均横幅)×100 - 請求項1において、(A)X線回折法による<003>方向の格子歪が2.5×10−3以下である、請求項1記載のハイドロタルサイト。
- 請求項1において、(B)SEM法による1次粒子の平均横幅が5nm以上150nm以下である、請求項1記載のハイドロタルサイト。
- 請求項1において、(C)単分散度が80%以上である、請求項1記載のハイドロタルサイト。
- 請求項1の式(1)において、M2+がMg、Znからなる群より選ばれる1種以上であり、M3+がAlである、請求項1記載のハイドロタルサイト。
- 請求項1の式(1)において、mの範囲が0≦m≦0.05である、請求項1記載のハイドロタルサイト。
- BET法比表面積が20〜600m2/gである、請求項1記載のハイドロタルサイト。
- ハイドロタルサイトの表面が、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、リン酸エステル類処理剤、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤、アルミニウムカップリング剤、シリコーン系処理剤、ケイ酸及び水ガラスからなる群より選ばれる1種以上で表面処理されている、請求項1記載のハイドロタルサイト。
- 以下の4つの工程を含む、ハイドロタルサイトの製造方法。
(1)水溶性複合金属塩水溶液及び、アルカリ金属水酸化物水溶液を調製する原料調製工程。ただし、該水溶性複合金属塩水溶液は、2価金属塩、3価金属塩及び、3価金属と錯体を形成する1価の有機酸及び/又は有機酸塩を含む。
(2)(1)で調製した水溶性複合金属塩水溶液とアルカリ金属水酸化物水溶液を、反応温度0〜60℃、反応pH8.5〜11.5で連続反応させ、ハイドロタルサイトを含む懸濁液を得る反応工程。
(3)(2)で得られたハイドロタルサイトを含む懸濁液を脱水後、水洗浄を行い、水及び/又は有機溶媒に懸濁させる洗浄工程。
(4)(3)で得られた洗浄後のハイドロタルサイトを含む懸濁液を、0〜100℃で1〜60時間攪拌保持する熟成工程。 - 請求項9の原料調製工程において、3価金属と錯体を形成する1価の有機酸及び/又は有機酸塩が、乳酸、乳酸ナトリウム、酢酸及び酢酸ナトリウムからなる群より選ばれる一種以上である、請求項9記載のハイドロタルサイトの製造方法。
- 請求項1記載のハイドロタルサイトを、100℃〜350℃で1〜24時間乾燥して得ることを特徴とする、請求項6記載のハイドロタルサイトの製造方法。
- 樹脂100重量部に対して、請求項1記載のハイドロタルサイトを0.1〜250重量部含有する樹脂組成物。
- 樹脂が含ハロゲン樹脂である、請求項12記載の樹脂組成物。
- 請求項12に記載の樹脂組成物よりなる成形体。
- 溶媒が水及び/又は有機溶媒であり、請求項1記載のハイドロタルサイトを、固形分濃度として0.1〜300g/L含有する懸濁液。
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