JP6961428B2 - 多孔質アルミナ焼結体及びその製造方法 - Google Patents
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カルボン酸を含有するアルミニウム含有コロイドである原料液を調製する原料液調製工程と、
前記原料液の液滴を加熱して粒子化する多孔質アルミナ粒子材料の製造工程と、
前記多孔質アルミナ粒子材料を含む成形材料を焼結して多孔質アルミナ焼結体を取得する工程と、
を備える、方法を提供する。
カルボン酸を含有するアルミニウム含有コロイドである原料液を調製する原料液調製工程と、
前記原料液の液滴を加熱して粒子化する多孔質アルミナ粒子材料の製造工程と、
を備える、方法を提供する。
結晶性アルミナを含有し、平均孔径が0.2μm以上1.0μm以下であり、D10/D90が2.0以下である、焼結体を提供する。
カルボン酸を含有するアルミニウム含有コロイドである原料液を調製する原料液調製工程と、
前記原料液の液滴を加熱して粒子化する多孔質アルミナ粒子材料の粒子化工程と、
前記多孔質アルミナ粒子材料を含む成形材料を焼結して多孔質アルミナ焼結体を取得する焼成工程と、
を備える、方法。
[2]前記原料液調製工程は、アルミニウム塩水溶液にカルボン酸を加えたのち、アルカリを添加して前記原料液を調製する工程である、[1]に記載の方法。
[3]前記原料液調製工程は、アルミニウム塩水溶液にアルカリを加えたのち、カルボン酸を添加して前記原料液を調製する工程である、[1]に記載の方法。
[4]前記原料液調製工程は、不溶物である水酸化アルミニウムを含む分散液にカルボン酸を加えることで前記原料液を調製する工程である、[3]に記載の方法。
[5]前記水酸化アルミニウムはゲル状の水酸化アルミニウムである、[4]に記載の方法。
[6]前記原料液調製工程は、アルミニウム塩を溶解した前記液体のpHを調整して水酸化アルミニウムを析出させることを含む、[3]〜[5]のいずれかに記載の方法。
[7]前記原料液調製工程は、前記カルボン酸を、前記アルミニウムに対してモル比で1以上2以下加えることを含む、[1]〜[6]のいずれかに記載の方法。
[8]前記カルボン酸は、酢酸、クエン酸、シュウ酸及びリンゴ酸からなる群から選択される1種又は2種以上である、[1]〜[7]のいずれかに記載の方法。
[9]前記カルボン酸は、クエン酸である、[1]〜[8]のいずれかに記載の方法。
[10]前記粒子化工程後に、前記粒子化工程で得られた前記粒子を加熱してアルミナの結晶化を促進する結晶化工程をさらに備える、[1]〜[9]のいずれかに記載の方法。
[11]前記結晶化工程は、前記アルミナの少なくとも一部をγ−アルミナ相とする工程である、[10]に記載の方法。
[12]前記焼成工程は、前記成形材料を、α−アルミナ相が生成できる温度で焼成する工程である、[11]〜[12]のいずれかに記載の方法。
[13]多孔質アルミナ粒子材料であって、
結晶性アルミナを含有し、相対密度が60%以上80%以下、比表面積が5m2/g以上80m2/g以下である多孔質アルミナ粒子を含む、材料。
[14]前記結晶性アルミナは、少なくとも一部にγ−アルミナ相を含む、[13]に記載の材料。
[15]多孔質アルミナ焼結体を製造するための多孔質アルミナ粒子材料の製造方法であって、
カルボン酸を含有するアルミニウム含有コロイドである原料液を調製する原料液調製工程と、
前記原料液の液滴を加熱して粒子化する多孔質アルミナ粒子材料の粒子化工程と、
を備える、方法。
[16]多孔質アルミナ焼結体であって、
結晶性アルミナを含有し、平均孔径が0.2μm以上1.0μm以下であり、孔径累積分布においてD10/D90が2.0以下である、焼結体。
[17]全気孔率が50%以上である、[16]に記載の焼結体。
[18]開気孔率が50%以上である、[16]又は[17]に記載の焼結体。
[19]孔径分布が1様性分布である、[16]〜[18]のいずれかに記載の焼結体。
本粒子材料の製造方法は、アルミニウム含有コロイドである原料液調製工程と、この原料液の液滴を加熱して粒子化する粒子化工程と、を備えることができる。さらに、必要に応じて、本粒子材料製造方法は、粒子を加熱(焼成)して結晶化を促進する結晶化工程を備えることができる。
原料液調製工程は、カルボン酸を含有するアルミニウム含有コロイドである原料液を調製する工程である。原料液は、例えば、2段階で製造することができる。以下、第1の原料液をまず調製し、その後、第2の原料液を調製して、噴霧熱分解に供する場合について説明する。すなわち、本粒子材料製造方法においては、アルミニウム塩を含有する液体に対して、カルボン酸及びアンモニアなどのアルカリをそれぞれ順次を添加することで原料液を製造することができる。カルボン酸及びアルカリの添加順序は、最初にアルカリ、その後、カルボン酸であってもよいし、最初にカルボン酸、その後にアルカリであってもよい。
(第1の原料液)
第1の原料液は、不溶物として水酸化アルミニウムを含む液体とすることができる。かかる第1の原料液は、種々の方法によって準備することができる。例えば、概して、水酸化アルミニウム(Al(OH)3)は、水に不溶であるが、水酸化アルミニウムを水に投入した水であってもよい。
第2の原料液は、第1の原料液に対して、カルボン酸を加えて、不溶物である水酸化アルミニウムを、コロイド粒子として分散させたコロイド溶液として調製することができる。第2の原料液では、ゲル状の沈殿として生成した水酸化アルミニウムに、カルボン酸が吸着して、その結果、粒子間に反発力を生じさせて、コロイド粒子として分散させることができるようになるほか、カルボン酸が水酸化物イオンを一部置換したアルミニウム含有化合物も含む多様な分散質(コロイド粒子)を含むことになる。
(第1の原料液)
第1の原料液は、アルミニウム塩を含む溶液(液体)とすることができる。かかる第1の原料液は、種々の方法によって準備することができる。例えば、概して、既述の水溶性のアルミニウム塩を水に溶解して製造することができる。第2の態様の第1の原料液に含まれるアルミニウム塩の濃度は、特に限定しないが、0.05M以上5M以下とすることができ、また例えば、0.05M以上2M以下とすることができる。さらに例えば、0.1M以上1.5M以下とすることができる。
第2の態様の第1の原料液に、アルミニウム含有コロイドを形成させる程度に、アンモニアなどのアルカリを供給することで、第2の原料液を調製することができる。アルカリは、第1の態様におけるのと同様の態様(種類、濃度等)で用いることができる。
粒子化工程は、原料液、より具体的には、第2の原料液の液滴を、加熱して粒子化することができる。粒子化工程は、第2の原料液を適当な液滴形成手段により液滴とし、当該液滴を加熱して液体を蒸発させるとともに第2の原料中の原料を熱分解して、アルミナを含む粒子を生成することができる。粒子化工程は、例えば、いわゆる従来の噴霧熱分解法に準じて実施することができる。
粒子化工程で得られた粒子について、アルミナの結晶性や結晶型、多孔質性や比表面積などの粒子特性をさらに調節したり、確実にするには、追加の焼成工程を行うことが好ましい。焼成工程は、例えば、粒子化工程で得られた粒子を加熱してアルミナの結晶化を促進する結晶化工程として実施してもよいし、カルボン酸を完全に消失させて多孔質性を向上させる及び/又は比表面積を調節(減少や増大)する工程として実施してもよい。
本明細書に開示される多孔質アルミナ粒子材料は、結晶性アルミナを含有し、20m2/g以上90m2/g以下の比表面積と、60%以上80%以下の相対密度を有することができる。本製造方法によれば、水酸化アルミニウムなどのアルミニウム塩濃度やカルボン酸濃度を制御して多孔質性や比表面積を調整できるからである。
本明細書に開示される多孔質アルミナ焼結体の製造方法(以下、本焼結体製造方法ともいう。)は、本粒子材料の製造工程を備え、こうした製造工程で得られた本粒子材料を含む成形材料を焼結して多孔質アルミナ焼結体を取得する工程を、備えることができる。すなわち、本焼結体の製造方法は、アルミニウム含有コロイドを含有する原料液を調製する原料液調製工程と、前記原料液の液滴を加熱して粒子化する粒子化工程と、前記粒子化工程で得られた多孔質アルミナ粒子材料を焼成する工程と(必要に応じて)、前記焼成した多孔質アルミナ粒子材料を含む成形材料を焼結して多孔質アルミナ焼結体(以下、単に、本焼結体ともいう。)を取得する工程と、を備える、ことができる。
以上のようなプロセスを適宜用いて、本粒子材料を原料として用いる本焼結体を得ることができる。本焼結体は、その孔径分布(体積基準)0.1μm以上1.0μm以下の平均孔径及び孔径の累積分布(アンダーサイズ:孔径の大きい側がゼロ側とする)における累積率10%における孔径であるD10及び同累積率90%における孔径であるD90の比、すなわち、D10/D90の比として2.0以下を有することができる。これは、原料として用いる本粒子材料の個々の粒子の空隙性、形状、比表面積等によるものであると考えられるが、従来にないシャープな孔径分布の多孔質アルミナ焼結体となっている。平均孔径は、例えば、0.2μm以上、また例えば、0.3μm以上、また例えば、0.4μm以上、また例えば、0.5μm以上であってもよい。また、平均孔径は、例えば、0.9μm以下、また例えば、0.8μm以下、また例えば、0.7μm以下、また例えば、0.6μm以下、また例えば、0.5μm以下であってもよい。平均孔径の範囲は、これらの下限及び上限を適宜組み合わせて設定することができるが、例えば、0.1μm以上0.7μm以下、また例えば、0.2μm以上0.5μm以下などとすることができる。
(1)多孔質アルミナ粒子材料の製造方法であって、
不溶物として水酸化アルミニウムを含む第1の原料液に対して、カルボン酸を加えて、アルミニウム含有コロイドである第2の原料液を調製する原料液調製工程と、
前記第2の原料液の液滴を加熱して粒子化する粒子化工程と、
を備える、方法。
(2)前記水酸化アルミニウムはゲル状の水酸化アルミニウムである、(1)に記載の方法。
(3)前記カルボン酸は、酢酸、クエン酸、シュウ酸及びリンゴ酸からなる群から選択される1種又は2種以上である、(1)又は(2)に記載の方法。
(4)前記カルボン酸は、クエン酸である、(3)に記載の方法。
(5)前記第2の原料液はほぼ透明である、(1)〜(4)のいずれかに記載の方法。
(6)前記原料液調製工程は、アルミニウム塩を溶解した前記液体のpHを調整して水酸化アルミニウムを析出させて前記第1の原料液を調製することを含む、(1)〜(5)のいずれかに記載の方法。
(7)前記原料液調製工程は、前記カルボン酸を、前記第1の原料液中のアルミニウムに対してモル比で1以上2以下加えることを含む、(1)〜(6)のいずれかに記載の方法。
(8)前記粒子化工程で得られた前記粒子を加熱してアルミナの結晶化を促進する結晶化工程をさらに備える、(1)〜(7)のいずれかに記載の方法。
(9)多孔質アルミナ粒子材料であって、
結晶性アルミナを含有し、相対密度が60%以上80%以下、比表面積が20m2/g以上90m2/g以下である多孔質アルミナ粒子を含む、材料。
(10)多孔質アルミナ粒子材料であって、
γ−アルミナを含有し、相対密度が60%以上80%以下、比表面積が60m2/g以上である多孔質アルミナ粒子を含む、材料。
(11)多孔質アルミナ粒子材料であって、
α−アルミナを含有し、相対密度が60%以上80%以下、比表面積が20m2/g以上である多孔質アルミナ粒子を含む、材料。
多孔質アルミナ粒子材料を図2に示すスキームに従い合成した。
(実施例試料1)
原料として、硝酸アルミニウム9水和物(Al(NO3)3・9H2O)について以下の表に示す濃度の液を調製し、以下の濃度となるようにアンモニア水を添加して、ゲル状の水酸化アルミニウムの沈殿を生じさせた後、クエン酸水溶液をアルミニウム1モルに対して以下の表に示す濃度となるように撹拌しつつ徐々に添加して、アルミニウム含有コロイドを含有する透明な液とした。(アンモニア⇒クエン酸の例)
原料として、硝酸アルミニウム9水和物(Al(NO3)3・9H2O)について以下の表に示す濃度の液を調製し、以下の濃度となるようにクエン酸水溶液及びアンモニア水を添加して、アルミニウム含有コロイドを含有する透明な液とした。(クエン酸⇒アンモニアの例)
実施例試料1と同様の原料を用いて以下の表に示す濃度の液を調製し、比較例試料1については、表1に示すように、クエン酸水溶液を添加した。比較例試料2については、クエン酸溶液もアンモニア水も添加しなかった。
調製した実施例試料1〜3及び比較例試料1〜2について、超音波霧化装置を備える噴霧熱分解装置を用いて、入口から順に200℃、400℃、600℃及び800℃の熱源を備えるに全長120cmの加熱炉に、キャリアガスとして空気を5L/分で供給して、噴霧熱分解による粒子合成を行った。
(X線回折スペクトル)
実施例1で合成した実施例試料1〜3及び比較例試料1〜2について、X線回折スペクトルを取得した。結果を図3に示す。図3に示すように、全ての材料について、γ相を確認できるとともに、他の相を確認できなかった。したがって、900℃、2時間の焼成によって、ほぼ完全にγ−アルミナを得ることができることがわかった。
SEM観察の結果を図4に示す。図4に示すように、いずれの材料も真球に近い球状粒子であることがわかった。
相対密度及び比表面積の測定結果を表2及び図5に示す。実施例試料1は、80m2/gを超える比表面積を有するとともに、その相対密度も約60%であった。他の実施例や比較例に対して良好な粒子特性を有していた。このことは、実施例試料1の原料液においては、沈殿させた水酸化アルミニウムにクエン酸を添加してアルミニウム含有コロイドを形成したためと考えられた。また、900℃と1100℃との間の比表面積の減少程度から、実施例試料1は、少なくとも内部や、あるいは粒子表面に空隙を有する多孔質性ことがわかった。また、同様に、実施例試料2、3もある程度の多孔質性を有しており、種々の態様の粒子を作製できることがわかった。また、本粒子材料製造方法によれば、多様な特性の多孔質粒子を製造できることがわかった。
(X線回折スペクトル)
(1)と同様に、実施例1で合成した実施例試料1〜3及び比較例試料1〜2について、X線回折スペクトルを取得した。結果を図6に示す。図6に示すように、全ての材料について、α相を確認できたが、α相よりも少ないがγ相も確認した。したがって、1100℃、2時間の焼成によって、概ねα−アルミナ相を得ることはできることがわかった。
結果を図7に示す。図7に示すように、SEM観察により、いずれの材料も真球に近い球状粒子であることがわかった。
結果を表2及び図8に示す。実施例試料1は、20m2/gを超える比表面積を有するとともに、その相対密度も約70%であった。すなわち、(1)と同様に、実施例試料2〜3に比較して高い比表面積を有する一方、低い相対密度を有していた。このことは、実施例試料1の原料液においては、クエン酸が有効に不溶物の水酸化アルミニウムに対して供給された結果、多様な形態でアルミニウムを含有するコロイド粒子を含むアルミニウム含有コロイドになったためと考えられた。また、(1)との比較から、1100℃、2時間焼成により、粒子内部での焼結が進行して相対密度が増大し、比表面積が減少したものと考えられた。
試料の乾燥質量を測定後、試料を水中に入れ、内部に含浸させ、試料を水中に浮かせた状態での水中質量を測定する。その後、試料を取り出し、表面の水分だけを除去したのち、飽水質量を測定する。
(かさ密度)=(乾燥質量)/((飽水質量)−(水中質量))×水密度
(開気孔率)(%)=(((飽水質量)−(乾燥質量))/((飽水質量)−(水中質量))×100
(閉気孔率)(%)=(全気孔率)−(閉気孔率)
(全気孔率)(%)=100−(相対密度)
(相対密度)=(かさ密度)/4.0×100
(αアルミナの真密度は4.0g/cm3である。)
水銀ポロシメータ法を用いた。具体的には、水銀ポロシメータAutoProbeIII(島津製作所製)を用い、アルミナ多孔体試料を容器内に入れ、真空排気したのちに水銀を満たした。水銀に圧力をかけ、細孔の中に水銀を導入し、水銀の導入量(空隙量)とそのときの圧力の関係から孔の体積を測定した。圧力の増加に伴い入る孔径は小さくなることから、以下の式を用いて孔径−空孔体積のグラフを作製した。
D=−4σcosθ/P
D:細孔の直径、σ:水銀の表面張力、θ:水銀の接触角、P:圧力
焼結体試料4(900℃焼成)についての評価結果を表4、図9及び図10に示す。図9に示すように、焼結体試料4は、高い開気孔率(52.3%)と全気孔率(54.5%)を有し、また、開気孔率/全気孔率は、96%であった。また、相対密度は45.4%であった。さらに、表4に示すように、平均孔径は、0.27μmであり、D10/D90は1.8であった。
Claims (9)
- 多孔質アルミナ焼結体の製造方法であって、
硝酸アルミニウム水溶液に、クエン酸、乳酸及びリンゴ酸からなる群から選択される1種又は2種以上のαヒドロキシカルボン酸を加えた後、アンモニア又はアミンを添加するか、又は、硝酸アルミニウム水溶液にアンモニア又はアミンを加えた後、前記αヒドロキシカルボン酸を加えることにより、水酸化アルミニウム含有コロイドである原料液を調製する原料液調製工程と、
前記原料液の液滴を加熱して粒子化して多孔質アルミナ粒子を取得する粒子化工程と、
前記多孔質アルミナ粒子を含む成形材料を焼結して多孔質アルミナ焼結体を取得する焼成工程と、
を備え、
前記原料液は、
前記硝酸アルミニウム水溶液の濃度は、0.05M以上5M以下であり、
前記アンモニア又はアミンは、前記硝酸アルミニウムにおけるアルミニウム1モルに対してアンモニアは2モル以上8モル以下含有し、
前記αヒドロキシカルボン酸は、前記硝酸アルミニウムにおけるアルミニウムに対してモル比で0.5以上4以下含有する、
方法。 - 前記粒子化工程後に、前記粒子化工程で得られた前記粒子を加熱してアルミナの結晶化を促進する結晶化工程をさらに備える、請求項1に記載の方法。
- 前記結晶化工程は、前記粒子中の前記アルミナの少なくとも一部をγ−アルミナ相とする工程である、請求項2に記載の方法。
- 前記結晶化工程は、結晶性アルミナを含有し、相対密度が60%以上80%以下、比表面積が5m2/g以上80m2/g以下である多孔質アルミナ粒子を取得する工程である、請求項2又は3に記載の方法。
- 前記焼成工程は、前記成形材料を、α−アルミナ相が生成できる温度で焼成する工程である、請求項1〜4のいずれかに記載の方法。
- 前記多孔質アルミナ焼結体は、結晶性アルミナを含有し、平均孔径が0.2μm以上1.0μm以下であり、孔径累積分布においてD10/D90が2.0以下である、請求項1〜5のいずれかに記載の方法。
- 前記多孔質アルミナ焼結体の全気孔率が50%以上である、請求項6に記載の方法。
- 前記多孔質アルミナ焼結体の開気孔率が50%以上である、請求項6又7に記載の方法。
- 前記多孔質アルミナ焼結体の孔径分布が1様性分布である、請求項6〜8のいずれかに記載の方法。
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