JP6635031B2 - チタン酸バリウム微粒子粉末、分散体及び塗膜 - Google Patents

チタン酸バリウム微粒子粉末、分散体及び塗膜 Download PDF

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Description

本発明は、微細でありながら高い誘電率(比誘電率)を有するチタン酸バリウム微粒子粉末を提供することを目的とするものである。
高い誘電率を有するチタン酸バリウムは、積層セラミックコンデンサなどの誘電材料として広く用いられている。
一方、各種ディスプレーなどに用いられる光学フィルムに対して、透明樹脂にジルコニアなどの無機粒子フィラーを添加し誘電率や屈折率を制御することが行われている。
液晶ディスプレー制御用TFTにおいても、低電力化のため、絶縁膜などの材料として微粒子かつ高誘電率なものが求められている。
そこで、チタン酸バリウムを前記光学用途に用いるため、粒径を微細化してチタン酸バリウムを含有する樹脂フィルムとした際にフィルムの透明性を確保するとともに、誘電率の大きなチタン酸バリウム粒子粉末を得ることが求められている。
従来、500℃以上の熱処理を行うことによって誘電率を高くしたチタン酸バリウム粒子粉末(特許文献1、2)、水熱反応によって得られた微細なチタン酸バリウム粒子粉末(特許文献3)等が知られている。
特開2002−211926号公報 特開2005−289668号公報 特開2007−137759号公報
前記諸特性を満たすチタン酸バリウム微粒子粉末は現在最も要求されているところであるが、未だ得られていない。
即ち、前出特許文献1及び2には、500℃以上の温度範囲でチタン酸バリウム粒子粉末を熱処理することが記載されているが、熱処理温度が高いので、粒子サイズが粗大化する場合がある。
また、特許文献3記載の水熱反応により製造されたチタン酸バリウム粒子粉末では、高い誘電率を有するとは言い難いものであった。
そこで、本発明では、粒径を小さく保ったまま、誘電率の大きなチタン酸バリウム粒子粉末を得ることを技術的課題とする。
前記技術的課題は、次のとおりの本発明によって達成できる。
即ち、本発明は、一次粒子の平均粒径が20〜60nmであり、比誘電率が300〜800であることを特徴とするチタン酸バリウム微粒子粉末である(本発明1)。
また、本発明は、一次粒子の粒度分布を一次粒子の平均粒径で除した値が0.20〜0.25である本発明1記載のチタン酸バリウム微粒子粉末である(本発明2)。
また、本発明は、格子定数比c/aが1.003未満である請求項1又は2記載のチタン酸バリウム微粒子粉末である(本発明3)。
また、本発明は、本発明1〜3のいずれかに記載のチタン酸バリウム微粒子粉末を含有する分散体である(本発明4)。
また、本発明は、本発明1〜3のいずれかに記載のチタン酸バリウム微粒子粉末を含有する塗膜である(本発明5)。
本発明に係るチタン酸バリウム微粒子粉末は、非常に微細な粒子でありながら、高い誘電率を有するので、光学材料用として好適である。
また、本発明に係るチタン酸バリウム微粒子粉末を用いて樹脂フィルムを形成した場合、透明性に優れたシートが得られるので光学材料用として好適である。
実施例1で用いたチタン酸バリウム微粒子粉末(熱処理前)である。 実施例1で得られたチタン酸バリウム微粒子粉末(熱処理後)である。
本発明の構成を詳述すれば、次の通りである。
本発明に係るチタン酸バリウム微粒子粉末の一次粒子の平均粒径(x)は20〜60nmである。チタン酸バリウム微粒子粉末の平均粒径を前記範囲に制御することによって、チタン酸バリウム微粒子粉末を含有する樹脂フィルムを製造した際に透明性に優れた樹脂フィルムを得ることができる。好ましい平均粒径は22〜58nmであり、より好ましくは25〜55nmである。
本発明に係るチタン酸バリウム微粒子粉末は、後述する評価方法で測定した比誘電率が300〜800である。チタン酸バリウム微粒子粉末の比誘電率が前記範囲に制御されることによって、粒子成長が抑えられた微粒子を得ることができる。より好ましい比誘電率は410〜750である。
本発明に係るチタン酸バリウム微粒子粉末の一次粒子の粒度分布(σ)を一次粒子の平均粒径(x)で除した値は0.20〜0.25が好ましい。前記数値が前記範囲内に制御されることによって、粒度分布に優れたチタン酸バリウム微粒子粉末となる。より好ましい範囲は0.205〜0.248である。
本発明に係るチタン酸バリウム微粒子粉末の結晶性は、格子定数のa軸長(a)及びc軸長(c)を用いて格子定数比c/aで示した場合に、1.003未満が好ましい。格子定数比c/aが1.003以上のチタン酸バリウム微粒子粉末は本発明の粒径では工業的に製造することが困難である。
本発明に係るチタン酸バリウム微粒子粉末の比表面積は10〜80m/gが好ましい。10m/g未満の場合には、粒子粉末が粗大となり、粒子相互間で焼結が生じた粒子となっており、バインダを混合する場合に、分散性が損なわれやすい。比表面積値が80m/gを超えるチタン酸バリウム微粒子粉末を工業的に生産することは困難である。
本発明に係るチタン酸バリウム微粒子粉末のX線回折ピークから算出した(111)面の半価幅(FWHM)は0.2〜0.4が好ましい。
本発明に係るチタン酸バリウム微粒子粉末の粒子形状は球形又は粒状が好ましい。
次に、本発明に係るチタン酸バリウム微粒子粉末の製造方法について述べる。
本発明に係るチタン酸バリウム微粒子粉末は、あらかじめ水熱反応によって作製した平均粒径が10〜50nmのチタン酸バリウム微粒子粉末を100〜400℃の温度範囲で熱処理して得ることができる。
本発明において、水熱反応は特に限定されるものではないが、例えば、水酸化バリウム水溶液を塩化チタン水溶液に滴下・中和して水酸化チタンコロイドを得、次いで、前記水酸化チタンコロイドを水酸化バリウム水溶液に投入し、得られた混合溶液を加熱してチタン酸バリウムを生成した。冷却、水洗した後、100〜250℃の温度範囲で水熱処理を行い、水洗、乾燥、粉砕して得ることができる。
水熱反応では、反応温度、濃度、pHなどを変化させることによって大きさの異なるチタン酸バリウムを製造することができる。
水熱反応によって得られたチタン酸バリウムの平均粒径は10〜50nmが好ましい。
水熱反応により作製したチタン酸バリウム粒子(粒径:10〜50nm)を100〜400℃までの温度範囲で熱処理を行うことにより、本発明の目的とするチタン酸バリウム微粒子粉末を得ることができる。熱処理温度を前記範囲に制御することによって、チタン酸バリウム微粒子の粒径の成長を抑制するとともに、誘電率を増大させることができる。熱処理温度は、高すぎると粒子同士が融着する場合がある。
熱処理時間は、1〜3時間が好ましい。
次に、本発明に係る分散体について述べる。
本発明における分散媒体としては、水系及び溶剤系のいずれをも用いることができる。
水系分散体の分散媒体としては、水、もしくは、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ブチルアルコール等のアルコール系溶剤;メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、プロピルセロソルブ、ブチルセロソルブ等のグリコールエーテル系溶剤;ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール等のオキシエチレン又はオキシプロピレン付加重合体;エチレングリコール、プロピレングリコール、1,2,6−ヘキサントリオール等のアルキレングリコール;グリセリン、2−ピロリドン等の水溶性有機溶剤を用いることができる。これらの水系分散体用の分散媒体は、目的とする用途に応じて1種又は2種以上を混合して用いることができる。
溶剤系分散体用の分散媒体としては、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素;メチルエチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類;N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン等のアミド類;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングルコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のエーテルアルコール類;エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート等のエーテルアセテート類;酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル等の酢酸エステル類;乳酸メチルエステル、乳酸エチルエステル、乳酸プロピルエステル等の乳酸エステル類;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン等の環状エステル類及び各種モノマー等を用いることができる。これらの溶剤系分散体用の分散媒体は、目的とする用途に応じて1種又は2種以上を混合して用いることができる。
本発明に係る分散体を製造するために用いる分散機としては特に限定されるものではなく、粉体層にせん断力、衝撃力、圧縮力、及び/または摩擦力を加えることのできる装置が好ましく、例えば、ローラーミル、高速回転ミル、分級機内蔵型高速回転ミル、ボールミル、媒体攪拌式ミル、気流式粉砕機、圧密せん断ミル、コロイドミル、ロールミル等を用いることができる。
本発明に係る分散体は、チタン酸バリウム粒子粉末を分散体構成基材100重量部に対して0.1〜60重量部含有し、好ましくは0.5〜50重量部、より好ましくは1〜40重量部含有している。チタン酸バリウム粒子粉末の分散体の構成基材としては、上記チタン酸バリウム粒子粉末の他に、分散媒体からなり、必要に応じて分散剤、添加剤(樹脂、消泡剤、助剤等)等を添加することもできる。
本発明における分散剤としては、使用するチタン酸バリウム粒子粉末や分散媒体の種類に応じて適宜選択して使用することができ、アルコキシシラン、シラン系カップリング剤及びオルガノポリシロキサン等の有機ケイ素化合物、界面活性剤あるいは高分子分散剤等を用いることができ、これらは1種または2種以上を混合して用いることができる。
上記有機ケイ素化合物としては、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、ブチルトリエトキシシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン、テトラエトキシシラン及びテトラメトキシシラン等のアルコキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、γ―アミノプロピルトリエトキシシラン、γ―グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ―メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ―メタクロイルオキシプロピルトリメトキシシラン、N−(β−アミノエチル)−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−クロロプロピルトリメトキシシラン等のシラン系カップリング剤、ポリシロキサン、メチルハイドロジェンポリシロキサン、変性ポリシロキサン等のオルガノポリシロキサン等が挙げられる。
上記界面活性剤としては、脂肪酸塩、硫酸エステル塩、スルホン酸塩、リン酸エステル塩等のアニオン性界面活性剤;ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアリールエーテル等のポリエチレングリコール型非イオン界面活性剤、ソルビタン脂肪酸エステル等の多価アルコール型非イオン界面活性剤等のノニオン性界面活性剤;アミン塩型カチオン系界面活性剤、第4級アンモニウム塩型カチオン系界面活性剤等のカオチン性界面活性剤;アルキルジメチルアミノ酢酸ベタインなどのアルキルベタイン、アルキルイミダゾリンなどの両性界面活性剤が挙げられる。
高分子分散剤としては、スチレン−アクリル酸共重合体、スチレン−マレイン酸共重合体、ポリカルボン酸及びその塩等を用いることができる。
分散剤の添加量は、分散体中のチタン酸バリウム粒子粉末の総表面積に依存すると共に、チタン酸バリウム粒子粉末の分散体の用途及び分散剤の種類に応じて適宜調製すればよいが、一般的には、分散媒中のチタン酸バリウム粒子粉末に対して分散剤を0.01〜100重量%添加することによって、チタン酸バリウム粒子粉末を分散媒体中に均一且つ微細に分散させることができると共に、分散安定性も改善することができる。また、上記分散剤は、分散媒体に直接添加する他に、チタン酸バリウム粒子粉末に予め処理しておいてもよい。
次に、本発明に係る塗膜について述べる。
本発明に係る塗膜の作成は前述の分散体に樹脂を添加し、混合した後、バーコーターやスピンコーターなどのコーターを使用してPETフィルムなどのフィルム上に形成する。
使用する樹脂はアクリル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリスチレン(PS)、ポリカーボネート(PC)等が一般的に用いられる。
本発明に係るチタン酸バリウム微粒子粉末を用いた塗膜は、後述する方法によって評価した場合に、全光透過率が85%以上であって、ヘイズが0.65以上であり、透明性に優れるものである。
<作用>
本発明では、微細でありながら高い誘電率を有するチタン酸バリウム微粒子粉末が得られている。
本発明においては、水熱反応後の微細なチタン酸バリウム粒子粉末を、粒子間の焼結が生じにくい温度範囲で加熱処理を行ったことにより、熱処理前のチタン酸バリウム粒子粉末に対して粒径、格子定数比c/aおよび(111)反射の半値幅はほとんど変化することなく、誘電率だけ向上させることができたものである。
チタン酸バリウム粒子の誘電率に影響を及ぼす因子として、粒子のサイズ効果が考えられる。発明者らの測定によると、水熱反応により得られた粒径175nmのチタン酸バリウム粒子粉末の比誘電率は130程度であった。
本発明における熱処理による粒子成長は十分に小さいため、粒径の増大が誘電率に及ぼす影響だけで本発明の結果を説明することはできないと考えられる。
熱処理による誘電率が増大する他の原因として、水酸基除去による粒子表層の改質が考えられる。低温での熱処理では、通常、特性の変化は期待できないが、本発明では熱処理を行うチタン酸バリウム粒子がナノサイズであるため、表面積が大きく、誘電率に大きな増大が発現したものと考えられる。
なお、より高温で熱処理を行い粒子内部まで改質を行うことができれば、誘電率のさらなる向上が期待できるが、高温での熱処理は、粒子同士の融着などにより粒径が急速に成長してしまう可能性があり、光学フィルム用途チタン酸バリウム粒子粉末の製造には適さない。
本発明の代表的な実施の形態は、次の通りである。
チタン酸バリウム微粒子粉末の一次粒子の平均粒径(x)は、走査型電子顕微鏡((株)日立製作所S−4300)によって観察した写真(倍率5万倍)について、約500個の粒子から粒子径を計測するとともに、粒度分布(σ)を求めた。なお、一次粒子の平均粒径とは各々の粒子に対して写真から求まる面積と同等面積の円の直径を粒子径とし、それを測定全粒子に対して平均した粒子径である。視野による計測値の差が出にくくするため、低倍率で広く各視野を観察し、平均的と思える視野にて測定を行った。
チタン酸バリウム微粒子粉末について、粉末X線回折で評価し、格子定数のc/a比、(111)面の半値幅(FWHM)を測定した。
比表面積値はBET法により測定した値で示した。
チタン酸バリウム微粒子粉末の比誘電率は下記評価方法によって測定した。
即ち、チタン酸バリウム微粒子粉末2.5gと濃度3wt%のポリビニルアルコール水溶液0.5gとを混合したものを、100kg/cmの圧力で圧粉し、直径25mm、厚さ1〜2mmの円盤状圧粉体を作製した。圧粉体は水分を含むため、50℃の乾燥空気中に12時間以上放置した。
乾燥後の圧粉体の重量と体積から、チタン酸バリウム粒子粉末、PVAおよび空隙の体積比率を求めた。なお、圧粉体は、チタン酸バリウム微粒子粉末が41〜55vol%、PVAが0.1〜3vol%、残部が空隙となるように調整した。
得られた圧粉体について、Agilent社製インピーダンスアナライザー E4991Aおよび誘電率測定フィクスチャー16453Aにより、室温約25℃、湿度約40%RHの環境下で10MHzにおける比誘電率を測定した。得られた比誘電率の測定結果には、チタン酸バリウム粒子粉末、PVAおよび空隙の各成分からの寄与を含んでいるため、本発明では対数混合則を用いて測定値からチタン酸バリウムのみの寄与を見積もった。
実施例1:
水酸化バリウム八水塩(関東化学(株)製、97%Ba(OH)・8HO試薬特級)1.12kgを水に溶解、精製したものを、塩化チタン水溶液688gに滴下・中和して水酸化チタンコロイドを得た。次に、水酸化バリウム八水塩1.28kgを水に溶解、精製したものを温度70℃、pH12.5で窒素雰囲気の反応容器中に保持した。次に、前記水酸化チタンコロイドを前記水酸化バリウム水溶液に2分間かけて投入した。該混合溶液を100℃で0.5時間かけてチタン酸バリウムを生成した。室温まで冷却した後、ヌッチェで濾液にBaイオンが認められなくなるまで水洗し、濾過、乾燥を行ってチタン酸バリウム微粒子粉末を得た。得られたチタン酸バリウム微粒子粉末の平均粒径は32nmであった。得られたチタン酸バリウム微粒子粉末の電子顕微鏡写真を図1に示す。
得られた平均粒径が32nmのチタン酸バリウム粒子粉末を電気炉を用いて400℃下で空気中にて2時間、加熱した。得られた熱処理粉をSEMにより観察したところ、400℃での焼成では、一部に数10nm程度の大きさに融着した粒子がみられるが、粒径は60nm以下であり全体の粒子成長はわずかであった。得られたチタン酸バリウム微粒子粉末の電子顕微鏡写真を図2に示す。
実施例2:
水熱反応の条件を変更して平均粒径が46nmのチタン酸バリウム粒子粉末を得、次いで、実施例1に記載と同様の方法により400℃の温度下で熱処理してチタン酸バリウム微粒子粉末を得た。得られたチタン酸バリウム微粒子粉末の諸特性を1に示す。
実施例3:
水熱反応の条件を変更して平均粒径が51nmのチタン酸バリウム粒子粉末を得、次いで、実施例1に記載と同様の方法により400℃の温度下で熱処理してチタン酸バリウム微粒子粉末を得た。得られたチタン酸バリウム微粒子粉末の諸特性を表1に示す。
実施例4:
熱処理温度を300℃に変更した以外は実施例1と同様にしてチタン酸バリウム微粒子粉末を得た。得られたチタン酸バリウム微粒子粉末の諸特性を表1に示す。
実施例5:
熱処理温度を300℃に変更した以外は実施例2と同様にしてチタン酸バリウム微粒子粉末を得た。得られたチタン酸バリウム微粒子粉末の諸特性を表1に示す。
実施例6:
水熱反応の条件を変更して平均粒径が20nmのチタン酸バリウム粒子粉末を得、次いで、実施例1に記載と同様の方法により300℃の温度下で熱処理してチタン酸バリウム微粒子粉末を得た。得られたチタン酸バリウム微粒子粉末の諸特性を表1に示す。
実施例7:
平均粒径が32nmのチタン酸バリウム粒子粉末を実施例1に記載と同様の方法により100℃の温度下で熱処理し、比誘電率、c/a比、半値幅および比表面積を、実施例1に記載と同様の方法で評価を行った。得られたチタン酸バリウム微粒子粉末の諸特性を表1に示す。
比較例1:
実施例1で得られた熱処理前の平均粒径が32nmのチタン酸バリウム粒子粉末の比誘電率、c/a比、半値幅および比表面積を、実施例1に記載と同様の方法で評価を行った。得られたチタン酸バリウム微粒子粉末の諸特性を表1に示す。
比較例2:
実施例2で得られた熱処理前の平均粒径が46nmのチタン酸バリウム粒子粉末の比誘電率、c/a比、半値幅および比表面積を、実施例1に記載と同様の方法で評価を行った。得られたチタン酸バリウム微粒子粉末の諸特性を表1に示す。
比較例3:
実施例3で得られた熱処理前の平均粒径が51nmのチタン酸バリウム粒子粉末の比誘電率、c/a比、半値幅および比表面積を、実施例1に記載と同様の方法で評価を行った。得られたチタン酸バリウム微粒子粉末の諸特性を表1に示す。
比較例4:
平均粒径が32nmのチタン酸バリウム粒子粉末を実施例1に記載と同様の方法により700℃の温度下で熱処理し、比誘電率、c/a比、半値幅および比表面積を、実施例1に記載と同様の方法で評価を行った。高温での熱処理により、比誘電率が大きく増加しているが、平均粒径も大きく増加している。得られたチタン酸バリウム微粒子粉末の諸特性を表1に示す。
比較例5:
平均粒径が62nmの熱処理していないチタン酸バリウム粒子粉末の比誘電率、c/a比、半値幅および比表面積を、実施例1に記載と同様の方法で評価を行った。得られたチタン酸バリウム微粒子粉末の諸特性を表1に示す。
比較例6:
平均粒径が64nmの熱処理していないチタン酸バリウム粒子粉末の比誘電率、c/a比、半値幅および比表面積を、実施例1に記載と同様の方法で評価を行った。得られたチタン酸バリウム微粒子粉末の諸特性を表1に示す。
比較例7:
固相法により作製されたチタン酸バリウム粒子粉末に対して、実施例1に記載と同様の方法により比誘電率測定を行った。結果、10MHzでの比誘電率は約170であった。
実施例8:
実施例1で得られたチタン酸バリウム粒子粉末を縦型ビーズミル(コトブキ技研工業株式会社製「ウルトラアペックスミル UAM−05」)のジルコニア製0.5リットル攪拌容器にジルコニアビーズ(粒径50μm)を攪拌容器の70vol%になるように入れ、分散剤としてED153(楠本化成製)、溶媒のPGMEAを混合した溶液を添加し、循環させながら1時間分散させて、チタン酸バリウム粒子粉末の分散体を得た。
実施例9:
得られた分散体を、アクリル樹脂(SB−193岐阜セラツク製)と、チタン酸バリウム/バインダ(分散剤含む)=6/4の割合にて混合し、バーコーターにて、ルミラーU−46(東レ製)上に塗布し、膜厚3μm程度の塗膜を作製した。得られた塗膜について、日本電色工業株式会社製「ヘーズメーター NDH 2000」を用いて全光透過率とヘイズを測定した。
実施例10、11:
実施例3、6のチタン酸バリウム粒子粉末を実施例8、実施例9の方法に従い、シート化を行った。得られたシートの諸特性を表2に示す。
比較例8、9:
比較例1、2のチタン酸バリウム粒子粉末を実施例8、実施例9の方法に従い、シート化を行った。得られたシートの諸特性を表2に示す。
表2から明らかなとおり、本発明に係るチタン酸バリウム粒子粉末(実施例)を用いた塗膜(実施例9〜11)では、全光透過率が85%以上であって、ヘイズは表2の基材のみの1.05以下であり、透明性に優れることが明らかになった。
本発明に係るチタン酸バリウム粒子粉末は、凝集が抑制され分散性に優れているので、各種誘電材料に好適に用いることができる。
本発明に係るチタン酸バリウム粒子粉末は高い誘電率を有するので、チタン酸バリウム粒子粉末と透明樹脂を混合させる場合、従来よりもチタン酸バリウム粒子粉末の使用量を抑えることができると考えられ、また、チタン酸バリウムが微細な粒子であることから、光学フィルム用途に必要とされる透明性の確保が容易になる。

Claims (5)

  1. 一次粒子の平均粒径が20〜60nmであり、比誘電率が300〜800であることを特徴とするチタン酸バリウム微粒子粉末。
  2. 一次粒子の粒度分布を一次粒子の平均粒径で除した値が0.20〜0.25である請求項1記載のチタン酸バリウム微粒子粉末。
  3. 格子定数比c/aが1.003未満である請求項1又は2記載のチタン酸バリウム微粒子粉末。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載のチタン酸バリウム微粒子粉末を含有する分散体。
  5. 請求項1〜3のいずれかに記載のチタン酸バリウム微粒子粉末を含有する塗膜。
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