JP6851740B2 - 酸化ジルコニウムナノ粒子 - Google Patents
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Description
[1]R1−COOH、(R1O)3-n−P(O)−(OH)n、(R1)3-n−P(O)−(OH)n、(R1O)−S(O)(O)−(OH)、R1−S(O)(O)−(OH)、(R1)4-m−Si(OR2)mからなる群より選択される1以上の化合物で被覆されていることを特徴とする酸化ジルコニウムナノ粒子。
〔式中、
R1は、酸素原子、窒素原子および硫黄原子からなる群より選ばれる1以上の元素と炭素原子とを含み、R1中の炭素原子、酸素原子、窒素原子および硫黄原子の総原子数が8以下の基を表す。
R2はメチル基またはエチル基を表す。
nは1または2を示し、mは1〜3の整数を示す。〕
[2]R1中、炭素原子数に対する酸素原子、窒素原子及び硫黄原子の和の比(酸素原子、窒素原子及び硫黄原子の和/炭素原子数)が1/7以上1/1以下である[1]に記載の酸化ジルコニウムナノ粒子。
[3]前記化合物中、炭素原子数に対する酸素原子数の比(酸素原子数/炭素原子数)が1/6超1/0.2以下である[1]または[2]に記載の酸化ジルコニウムナノ粒子。[4]正方晶及び立方晶の合計が結晶構造全体の60%以上である[1]〜[3]のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子。
[5]平均粒子径が1〜100nmである[1]〜[4]のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子。
[6]エタノールに対するR1のハンセン溶解度パラメータ(HSP)距離が0(MPa)1/2以上20(MPa)1/2以下である[1]〜[5]のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子。
[7]水に対するR1のハンセン溶解度パラメータ(HSP)距離が20(MPa)1/2以上41(MPa)1/2以下である[1]〜[5]のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子。
[8][1]〜[7]のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子を含む分散液。
[9]水に対するハンセン溶解度パラメータ(HSP)距離が0(MPa)1/2以上40(MPa)1/2以下である溶媒を含む[8]に記載の分散液。
[10][1]〜[7]のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子を含む樹脂組成物。
[11]モノマー、オリゴマー及びポリマーから選択される少なくとも1種以上の樹脂成分を含む[10]に記載の樹脂組成物。
[12]水に対するハンセン溶解度パラメータ(HSP)距離が0(MPa)1/2以上40(MPa)1/2以下である溶媒を含む[10]または[11]に記載の樹脂組成物。
[13][1]〜[7]のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子を含む成型材料。
[14][1]〜[7]のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子から得られるセラミックス材料。
[15][1]〜[7]のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子を500℃以上で焼成することを特徴とするセラミックス材料の製造方法。
[16][1]〜[7]のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子を含む組成物を500℃以上で焼成することを特徴とするセラミックス材料の製造方法。
(R3)2=4*(D1−D2)2+(P1−P2)2+(H1−H2)2
〔式中、D1、P1、H1は物質1のHSPパラメータであり、D2、P2、H2は物質2のHSPパラメータである。〕
鎖式炭化水素基は、飽和または不飽和のいずれも好ましく、より好ましくは飽和である。また鎖式炭化水素基は、直鎖状または分岐状のいずれも好ましく、より好ましくは直鎖状である。鎖式炭化水素基は、好ましくは飽和鎖式炭化水素基であり、より好ましくは直鎖状の飽和鎖式炭化水素基である。
環式炭化水素基は、飽和または不飽和のいずれも好ましい。
mは、2または3が好ましく、3がより好ましい。
1級カルボン酸としては、炭素数4〜20の直鎖状1級カルボン酸、炭素数4〜20の分岐状1級カルボン酸(すなわち、α位以外の炭素原子が枝分かれしたカルボン酸)が好ましい。直鎖状カルボン酸は、好ましくは直鎖状飽和脂肪族カルボン酸であり、具体的には、酪酸、吉草酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、カプリル酸、ノナン酸、デカン酸、ラウリン酸、テトラデカン酸、ステアリン酸、オレイン酸、リシノール酸などを含む。分岐状1級カルボン酸としては、イソ吉草酸、3,3−ジメチル酪酸、3−メチル吉草酸、イソノナン酸、4−メチル吉草酸、4−メチル−n−オクタン酸、ナフテン酸などが挙げられる。
2級カルボン酸としては、炭素数4〜20の2級カルボン酸が好ましく、具体的にはイソ酪酸、2−メチル酪酸、2−エチル酪酸、2−エチルヘキサン酸、2−メチル吉草酸、2−メチルヘキサン酸、2−メチルヘプタン酸、2−プロピル酪酸、2−ヘキシル吉草酸、2−ヘキシルデカン酸、2−ヘプチルウンデカン酸、2−メチルヘキサデカン酸、4−メチルシクロヘキサンカルボン酸などが挙げられ、2−エチルヘキサン酸、2−ヘキシルデカン酸の1種以上が好ましく、2−エチルヘキサン酸が特に好ましい。
3級カルボン酸としては、炭素数5〜20の3級カルボン酸が好ましく、具体的にはピバル酸、2,2−ジメチル酪酸、2,2−ジメチル吉草酸、2,2−ジメチルヘキサン酸、2,2−ジメチルヘプタン酸、ネオデカン酸などが挙げられる。
Al及び希土類元素のうち、好ましくはAl、Y、La、Yb、Sc、Ce及びErから選ばれる少なくとも一種以上であり、より好ましくはAl、Y、Sc及びErから選ばれる少なくとも一種以上である。
前記平均粒子径は、酸化ジルコニウムナノ粒子を透過型電子顕微鏡(TEM)、電界放射型透過電子顕微鏡(FE−TEM)、電界放射型走査電子顕微鏡(FE−SEM)などで拡大し、無作為に100個の粒子を選択してその長軸方向の長さを測定し、その算術平均を求めることで決定できる。
前記カルボン酸塩含有組成物と前記酸化ジルコニウム前駆体とを反応させるには、水溶液同士又は水溶液と有機溶媒を混合させるのが好ましい。反応温度は水溶液を保持できる温度であれば特に問わないが、室温から100℃が好ましく、40℃〜80℃がより好ましい。
(ii)の実施形態では、事前に調製したカルボン酸(2)のジルコニウム塩を用いるものである。上記の様な煩雑な工程を経ることなく、水熱反応に供することが出来る利点がある。但し、容易に入手できる化合物が限られているため、目的とする有機基で被覆された酸化ジルコニウム粒子が得られないことがある。
ジルコニウム成分について前記(i)〜(iii)の少なくとも1種と、Al又は希土類元素成分を入れる場合には、前記(i)〜(iii)の少なくとも1種とを水熱反応に供することで酸化ジルコニウムナノ粒子組成物が得られる。前記(i)〜(iii)だけでは、粘度が高く水熱反応が効率的に進行しない場合には、該(i)〜(iii)に対して良好な溶解性を示す有機溶媒を添加するとよい。酸化ジルコニウムナノ粒子を得るためには、特にジルコニウム成分、Al又は希土類元素成分として、それぞれカルボン酸(2)のジルコニウム塩、カルボン酸(2)の希土類元素等の塩を用いることが好ましい。
酸化ジルコニウムナノ粒子は、特に極性溶媒に対する分散性が良好なため、好ましい有機溶媒は水、アルコール類、エステル類またはアミド類であり、より好ましくは水、アルコール類またはエステル類であり、更に好ましくは水またはアルコール類であり、特に好ましくは水、メタノール又はエタノールである。
なお分散液中、本発明のナノ粒子に含まれる金属元素(ジルコニウム、アルミニウム、遷移金属など)の酸化物の総量(コア濃度)は、式(A)に基づいて計算できる。
コア濃度=分散液中の本発明に係るナノ粒子に含まれる金属酸化物の総重量/分散液重量 …(A)
酸化ジルコニウムナノ粒子の結晶構造は、X線回折装置(リガク社製、RINT−TTRIII)を用いて解析した。測定条件は以下の通りである。
X線源:CuKα(0.154nm)
X線出力設定:50kV、300mA
サンプリング幅:0.0200°
スキャンスピード:10.0000°/min
測定範囲:10〜75°
測定温度:25℃
X線回折装置(リガク社製、RINT−TTRIII)を用いて算出される値を元に、計算ソフト(リガク社製、PDXL)を用いて参照強度比法(RIP法)により定量した(ピークの帰属も計算ソフトの指定に従った)。
酸化ジルコニウムナノ粒子の結晶子径は、X線回折装置(リガク社製、RINT−TTRIII)によって解析及び算出される30°のピークの半値幅を元に、計算ソフト(リガク社製、PDXL)を用いて算出した。
なお、X線回折測定では酸化ジルコニウムナノ粒子の立方晶と正方晶を区別することが難しく、立方晶が存在する場合でもその割合は正方晶の割合としてカウントされる。
TG−DTA(熱重量−示差熱分析)装置により、空気雰囲気下、室温から800℃まで10℃/分で酸化ジルコニウムナノ粒子を昇温し、該粒子の重量(質量)減少率を測定した。この重量(質量)減少率により、酸化ジルコニウムナノ粒子を被覆している被覆剤の割合を知ることができる。
被覆型酸化ジルコニウム粒子の平均一次粒子径は、超高分解能電界放出型走査電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社製、S−4800)で観察することによって測定した。倍率15万倍で被覆型酸化ジルコニウム粒子を観察し、任意の100個の粒子について、各粒子の長軸方向の長さを測定し、その平均値を平均一次粒子径とした。
コア濃度は、式(A)に基づいて算出した。なお実施例では、「分散液中のナノ粒子に含まれる金属酸化物の総重量」を、「(配合したナノ粒子重量×(1−(4)で測定された重量減少率))」として計算を行った。
コア濃度=分散液中のナノ粒子に含まれる金属酸化物の総重量/分散液重量 …(A)
2−エチルヘキサン酸ジルコニウムミネラルスピリット溶液(90.4g、2−エチルヘキサン酸ジルコニウム含有率44質量%、第一稀元素化学工業社製)に純水(15.5g)を混合し、200mLの水熱合成容器に仕込んだ。この容器を190℃まで加熱し、該温度で16時間保持して反応させた。水熱合成の際の圧力は、1.3MPaG(ゲージ圧)であった。反応後、水熱合成反応溶液から水を分液して取り除いた。
水を除去した後の水熱合成反応液上層を、180℃で加熱して有機溶媒を除去して得られた酸化ジルコニウムナノ粒子の結晶構造を確認したところ、正方晶と単斜晶に帰属される回折線が検出され、回折線の強度から、正方晶と単斜晶の割合は74/26で、その粒子径(正方晶及び/又は立方晶の結晶子径)は5nmであった。電子顕微鏡による平均一次粒子径の測定結果は11nmであった。また酸化ジルコニウムナノ粒子の重量(質量)減少率は、14質量%であった。従って、被覆する2−エチルヘキサン酸及び/又は2−エチルヘキサン酸由来のカルボキシレートは、酸化ジルコニウムナノ粒子全体の14質量%であることが分かった。
この有機溶媒を除去して得られた粒子(1g)にエタノール(0.5g、水に対するハンセン溶解度パラメータ(HSP)距離は24(MPa)1/2)を添加したところ、白濁が生じて粒子を分散させることはできなかった。
比較例1の水を除去した後の水熱合成反応液上層50gとメトキシ酢酸(エタノールに対するR1のハンセン溶解度パラメータ(HSP)距離は14(MPa)1/2)5gを60℃で30分撹拌混合した。次いで、n−ヘキサンを添加した後に凝集粒子を濾過により分離した。その後、分離した凝集粒子をn−ヘキサン中に添加、10分撹拌後、凝集粒子を濾過により分離し、得られた粒子を室温にて真空乾燥することで、メトキシ酢酸で被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子を得た。
この粒子の結晶構造を確認したところ、正方晶と単斜晶に帰属される回折線が検出され、回折線の強度から、正方晶と単斜晶の割合は74/26で、その粒子径(正方晶及び/又は立方晶の結晶子径)は5nmであった。また酸化ジルコニウムナノ粒子の重量(質量)減少率は、11質量%であった。従って、被覆する2−エチルヘキサン酸、2−エチルヘキサン酸由来のカルボキシレート及びメトキシ酢酸の質量は、酸化ジルコニウムナノ粒子全体の11質量%であることが分かった。
実施例1で得られた酸化ジルコニウムナノ粒子(1g)及びエタノール(0.5g)を配合し、均一になるまで撹拌することで、無機酸化物微粒子含有溶液1を得た。なお分散液中、得られたナノ粒子に含まれる金属酸化物の濃度(コア濃度)は59%(=(1g×(1−0.11))/(1g+0.5g))であった。
実施例1の2−エチルヘキサン酸ジルコニウムミネラルスピリット溶液(2−エチルヘキサン酸ジルコニウム含有率44質量%、第一稀元素化学工業社製)を86.7gに変更し、ニッカオクチックスイットリウム(イットリウム含有量6.2%、日本化学産業社製)を10.1gに変更した以外は、実施例1と同様に合成した。
得られたイットリア安定化酸化ジルコニウムナノ粒子の結晶構造を確認したところ、正方晶と単斜晶に帰属される回折線が検出され、回折線の強度から、正方晶と単斜晶の割合は97/3で、その粒子径(正方晶及び/又は立方晶の結晶子径)は4nmであった。電子顕微鏡による平均一次粒子径の測定結果は6nmであった。またイットリア安定化酸化ジルコニウムナノ粒子の重量(質量)減少率は、25質量%であった。従って、被覆する2−エチルヘキサン酸及び/又は2−エチルヘキサン酸由来のカルボキシレートは、イットリア安定化酸化ジルコニウムナノ粒子全体の25質量%であることが分かった。有機溶媒を除去して得られたイットリア安定化酸化ジルコニウムナノ粒子(1g)及びエタノール(0.5g)を混合撹拌したが、白色粉体が分散することはなかった。
使用した水を除去した後の水熱合成反応液上層を比較例2で合成したものとした以外は、実施例1と同様に合成した。イットリア安定化酸化ジルコニウムナノ粒子の重量(質量)減少率は、15質量%であった。従って、被覆する2−エチルヘキサン酸、2−エチルヘキサン酸由来のカルボキシレート及びメトキシ酢酸の質量は、イットリア安定化酸化ジルコニウムナノ粒子全体の15質量%であることが分かった。
実施例3で得られたイットリア安定化酸化ジルコニウムナノ粒子(1g)及びエタノール(0.5g)を配合し、均一になるまで撹拌することで、無機酸化物微粒子含有溶液2を得た。なお分散液中、得られたナノ粒子に含まれる金属酸化物の濃度(コア濃度)は57%(=(1g×(1−0.15))/(1g+0.5g))であった。
実施例1で得られた酸化ジルコニウムナノ粒子1g、アクリル酸2−ヒドロキシエチル(日本触媒製)1g、及びメタノール4gを配合し、室温で1時間撹拌することで、均一な無機酸化物微粒子含有樹脂組成物1を得た。
実施例1で得られた酸化ジルコニウムナノ粒子1g、ペンタエリスリトールトリアクリレート(SARTOMER社製「SR444 NS」)1g、及びメタノール4gを配合し、室温で1時間撹拌することで、均一な無機酸化物微粒子含有樹脂組成物2を得た。
実施例1で得られた酸化ジルコニウムナノ粒子1g、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート(日本化薬製「KAYARAD DPHA」)1g、及びメタノール4gを配合し、80℃で1時間加熱撹拌することで、均一な無機酸化物微粒子含有樹脂組成物3を得た。
実施例1で得られた酸化ジルコニウムナノ粒子1g、ポリビニルアルコール(クラレ製「CP−1210」)1g、及びイオン交換水4gを配合し、80℃で1時間加熱撹拌することで、均一な無機酸化物微粒子含有樹脂組成物4を得た。
Claims (17)
- R1−COOH、(R1O)3-n−P(O)−(OH)n、(R1)3-n−P(O)−(OH)n、(R1O)−S(O)(O)−(OH)、R1−S(O)(O)−(OH)、(R1)4-m−Si(OR2)mからなる群より選択される1以上の化合物(1)と、前記化合物(1)以外の第2の化合物で被覆されており、前記R1−COOHはエーテル結合含有カルボン酸であり、前記第2の化合物は2級カルボン酸であることを特徴とする酸化ジルコニウムナノ粒子。
〔式中、
R1は、酸素原子、窒素原子および硫黄原子からなる群より選ばれる1以上の元素と炭素原子とを含み、R1中の炭素原子、酸素原子、窒素原子および硫黄原子の総原子数が5以下の基を表す。
R2はメチル基またはエチル基を表す。
nは1または2を示し、mは1〜3の整数を示す。〕 - R1中、炭素原子数に対する酸素原子、窒素原子及び硫黄原子の和の比(酸素原子、窒素原子及び硫黄原子の和/炭素原子数)が1/7以上1/1以下である請求項1に記載の酸化ジルコニウムナノ粒子。
- 前記化合物中、炭素原子数に対する酸素原子数の比(酸素原子数/炭素原子数)が1/6超1/0.2以下である請求項1または2に記載の酸化ジルコニウムナノ粒子。
- 正方晶及び立方晶の合計が結晶構造全体の60%以上である請求項1〜3のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子。
- 平均粒子径が1〜100nmである請求項1〜4のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子。
- エタノールに対するR1のハンセン溶解度パラメータ(HSP)距離が0(MPa)1/2以上20(MPa)1/2以下である請求項1〜5のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子。
- 水に対するR1のハンセン溶解度パラメータ(HSP)距離が20(MPa)1/2以上41(MPa)1/2以下である請求項1〜5のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子。
- R1中の炭素原子、酸素原子、窒素原子および硫黄原子の前記総原子数が3以下である請求項1〜7のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子。
- 前記2級カルボン酸は2−エチルヘキサン酸である請求項1〜8のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子を含む分散液。
- 水に対するハンセン溶解度パラメータ(HSP)距離が0(MPa)1/2以上40(MPa)1/2以下である溶媒を含む請求項10に記載の分散液。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子を含む樹脂組成物。
- モノマー、オリゴマー及びポリマーから選択される少なくとも1種以上の樹脂成分を含む請求項12に記載の樹脂組成物。
- 水に対するハンセン溶解度パラメータ(HSP)距離が0(MPa)1/2以上40(MPa)1/2以下である溶媒を含む請求項12または13に記載の樹脂組成物。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子を含む成型材料。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子を500℃以上で焼成することを特徴とするセラミックス材料の製造方法。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の酸化ジルコニウムナノ粒子を含む組成物を500℃以上で焼成することを特徴とするセラミックス材料の製造方法。
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