JP7029227B2 - Method for manufacturing porous zirconia sintered body - Google Patents

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本明細書は、多孔質ジルコニア焼結体の製造方法に関する。 The present specification relates to a method for producing a porous zirconia sintered body.

安定化元素添加ジルコニアの焼結体は、典型的な固体電解質として、燃料電池や酸素センサなどの構造体の要素として使用されている。こうした構造体は、概して、反応面積を確保するために多孔体として製造される。セラミックス多孔体は、一般的には、原料のセラミックス粒子と造孔剤と混合し、焼成時に造孔剤を焼失させることにより多孔体とする(特許文献1)。 Stabilized element-added zirconia sintered bodies are used as typical solid electrolytes as elements of structures such as fuel cells and oxygen sensors. Such structures are generally manufactured as porous bodies to ensure a reaction area. The ceramic porous body is generally made into a porous body by mixing raw ceramic particles and a pore-forming agent and burning off the pore-forming agent at the time of firing (Patent Document 1).

特開2014-227324号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-227324

しかしながら、造孔剤を用いて多孔体を製造する場合、得られる多孔体の孔径分布は、造孔剤の粒径分布に依存するが、高精度に孔径制御することは困難であった。理由は、通常、多孔質セラミックス焼結体においては、多孔化とともに焼結を意図するが、焼結を優先する必要があるため、原料組成や焼成条件を孔径制御等に最適化することが困難であるからである。また、造孔剤をセラミックス材料に対して均一に分布させることが困難であり、多孔質でない部分、すなわち、反応表面としては無効化されている部分も生じてしまうからである。 However, when a porous body is produced using a pore-forming agent, the pore size distribution of the obtained porous body depends on the particle size distribution of the pore-forming agent, but it is difficult to control the pore size with high accuracy. The reason is that in a porous ceramic sintered body, it is usually intended to be sintered together with porosity, but since it is necessary to give priority to sintering, it is difficult to optimize the raw material composition and firing conditions for pore size control, etc. Because it is. In addition, it is difficult to uniformly distribute the pore-forming agent to the ceramic material, and a non-porous portion, that is, a portion that is invalidated as the reaction surface is generated.

本明細書は、より実用的な多孔質ジルコニア焼結体の製造方法等を提供することを目的とする。 It is an object of the present specification to provide a more practical method for producing a porous zirconia sintered body.

本発明者らは、焼結というプロセスにおいてジルコニア粒子の緻密化と造孔剤の焼失による多孔質化という2つの相反する事象を意図しているために、孔径制御が困難になるという推測に基づき、焼結体の製造に用いるジルコニア系粒子に多孔質性を付与することで、造孔剤を用いることなく、多孔質性や焼結性等が良好に制御された多孔質ジルコニア焼結体を得ることができるという知見を得た。 Based on the speculation that it will be difficult to control the pore size because the present inventors intend two contradictory events of densification of zirconia particles and porosification due to burning of the pore-forming agent in the process of sintering. By imparting porosity to the zirconia-based particles used in the production of the sintered body, a porous zirconia sintered body whose porosity and sinterability are well controlled without using a pore-forming agent can be obtained. I got the finding that it can be obtained.

また、本発明者らは、噴霧熱分解法における消失剤(焼失剤)及び分散剤としてカルボン酸を用いる原料液の調製について検討した。多孔質ジルコニア焼結体の製造に好適に用いることができる孔質ジルコニア粒子を含む焼結用材料を噴霧熱分解法で製造できるという知見を得た。本明細書は、こうした知見に基づき以下の手段を提供する。 In addition, the present inventors have investigated the preparation of a raw material solution using a vanishing agent (burning agent) and a carboxylic acid as a dispersant in the spray pyrolysis method. It was found that a sintering material containing porous zirconia particles, which can be suitably used for producing a porous zirconia sintered body, can be produced by a spray pyrolysis method. The present specification provides the following means based on such findings.

(1)多孔質ジルコニア焼結体の製造方法であって、
球状の多孔質ジルコニア粒子を含むジルコニア材料を含む成形体を得る成形工程と、
前記成形体を焼成してジルコニアを焼結させて多孔質ジルコニア焼結体を得る工程と、
を備える、方法。
(2)前記多孔質ジルコニア焼結体は、平均細孔径が0.1μm以上0.5μm以下であって、前記平均細孔径を含む0.1μmの範囲に全細孔の80%以上を含む、焼結体である、(1)に記載の方法。
(3)前記焼結体の相対密度が50%以上である、(1)又は(2)に記載の方法。
(4)前記焼結体の比表面積が0.8m2/g以上である、(1)~(3)のいずれかに記載の方法。
(5)さらに、前記ジルコニア材料を得るための以下の工程;
不溶物として水酸化ジルコニウムを含む第1の原料液に対して、カルボン酸を加えて、ジルコ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前記水酸化ジルコニアの少なくとも一部を熱分解して粒子化する粒子化工程と、
を、備える、(1)~(4)のいずれかに記載の方法。
(6)前記水酸化ジルコニウムはゲル状の水酸化ジルコニウムである、(5)に記載の方法。
(7)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、(5)又は(6)に記載の方法。
(8)前記カルボン酸は、クエン酸である、(7)に記載の方法。
(9)前記第2の原料液はほぼ透明である、(5)~(7)のいずれかに記載の方法。
(10)前記粒子化工程で得られた前記粒子を加熱して前記粒子の特性を調整する焼成工程をさらに備える、(5)~(9)のいずれかに記載の方法。
(11)多孔質ジルコニア焼結体を得るための材料の製造方法であって、
不溶物として水酸化ジルコニウムを含む第1の原料液に対して、カルボン酸を加えて、ジルコ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前記水酸化ジルコニアの少なくとも一部を熱分解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前記粒子を加熱して前記粒子の特性を調整する焼成工程と、
を備える、方法。
(12)多孔質ジルコニア焼結体を得るための材料であって、
球状の多孔質ジルコニア粒子と、
有機質材料である熱収縮調製剤と、
を含む、材料。
(13)前記有機質材料は、前記多孔質ジルコニア粒子の合成原料に由来する、(12)に記載の材料。
(14)前記合成原は、カルボン酸である、(13)に記載の材料。
(15)多孔質ジルコニア焼結体であって、
平均細孔径が0.1μm以上0.5μm以下であって、前記平均細孔径を含む0.1μmの範囲に全細孔の80%以上を含む、焼結体。
(16)相対密度が50%以上である、(15)に記載の焼結体。
(17)比表面積が0.8m2/g以上である、(15)又は(16)に記載の焼結体。
(18)多孔質ジルコニア層と緻密質ジルコニア層との積層体の製造方法であって、
球状の多孔質ジルコニア粒子を含む多孔質ジルコニア材料層と、緻密質ジルコニア材料層との積層体を焼成して一体化する工程、
を備え、
前記多孔質ジルコニア粒子を、以下の工程;
不溶物として水酸化ジルコニウムを含む第1の原料液に対して、カルボン酸を加えて、ジルコ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前記水酸化ジルコニアの少なくとも一部を熱分解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前記粒子を加熱して前記粒子の特性を、前記緻密質ジルコニア層との一体性を向上するように調整する焼成工程と、
を備える、方法。
(1) A method for producing a porous zirconia sintered body.
A molding process for obtaining a molded product containing a zirconia material containing spherical porous zirconia particles, and
The step of firing the molded product to sinter the zirconia to obtain a porous zirconia sintered body, and
How to prepare.
(2) The porous zirconia sintered body has an average pore diameter of 0.1 μm or more and 0.5 μm or less, and includes 80% or more of all pores in the range of 0.1 μm including the average pore diameter. The method according to (1), which is a sintered body.
(3) The method according to (1) or (2), wherein the relative density of the sintered body is 50% or more.
(4) The method according to any one of (1) to (3), wherein the specific surface area of the sintered body is 0.8 m 2 / g or more.
(5) Further, the following steps for obtaining the zirconia material;
A raw material solution preparation step of adding a carboxylic acid to a first raw material solution containing zirconium hydride as an insoluble matter to prepare a second raw material solution which is a zirconium-containing colloid.
A particle formation step of heating droplets of the second raw material liquid to thermally decompose at least a part of the zirconia hydroxide into particles.
The method according to any one of (1) to (4).
(6) The method according to (5), wherein the zirconium hydride is a gel-like zirconium hydride.
(7) The method according to (5) or (6), wherein the carboxylic acid is one or more selected from the group consisting of acetic acid, citric acid, oxalic acid and malic acid.
(8) The method according to (7), wherein the carboxylic acid is citric acid.
(9) The method according to any one of (5) to (7), wherein the second raw material liquid is substantially transparent.
(10) The method according to any one of (5) to (9), further comprising a firing step of heating the particles obtained in the particle formation step to adjust the characteristics of the particles.
(11) A method for producing a material for obtaining a porous zirconia sintered body.
A raw material solution preparation step of adding a carboxylic acid to a first raw material solution containing zirconium hydride as an insoluble matter to prepare a second raw material solution which is a zirconium-containing colloid.
A particle formation step of heating droplets of the second raw material liquid to thermally decompose at least a part of the zirconia hydroxide into particles.
A firing step of heating the particles obtained in the particle formation step to adjust the characteristics of the particles, and a firing step of adjusting the characteristics of the particles.
How to prepare.
(12) A material for obtaining a porous zirconia sintered body.
Spherical porous zirconia particles and
Heat shrinkage preparation, which is an organic material,
Including materials.
(13) The material according to (12), wherein the organic material is derived from a synthetic raw material of the porous zirconia particles.
(14) The material according to (13), wherein the synthetic source is a carboxylic acid.
(15) A porous zirconia sintered body.
A sintered body having an average pore diameter of 0.1 μm or more and 0.5 μm or less, and containing 80% or more of all pores in the range of 0.1 μm including the average pore diameter.
(16) The sintered body according to (15), which has a relative density of 50% or more.
(17) The sintered body according to (15) or (16), which has a specific surface area of 0.8 m 2 / g or more.
(18) A method for producing a laminate of a porous zirconia layer and a dense zirconia layer.
A step of firing and integrating a laminate of a porous zirconia material layer containing spherical porous zirconia particles and a dense zirconia material layer.
Equipped with
The porous zirconia particles are subjected to the following steps;
A raw material solution preparation step of adding a carboxylic acid to a first raw material solution containing zirconium hydride as an insoluble matter to prepare a second raw material solution which is a zirconium-containing colloid.
A particle formation step of heating droplets of the second raw material liquid to thermally decompose at least a part of the zirconia hydroxide into particles.
A firing step of heating the particles obtained in the particle formation step to adjust the characteristics of the particles so as to improve the integrity with the dense zirconia layer.
How to prepare.

本明細書における多孔質ジルコニア焼結体の製造プロセスの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing process of the porous zirconia sintered body in this specification. 実施例3で合成した多孔質ジルコニア焼結体の相対密度を示す図である。It is a figure which shows the relative density of the porous zirconia sintered body synthesized in Example 3. FIG. 実施例3で合成した多孔質ジルコニア焼結体の一部についての細孔分布と気孔率との評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the pore distribution and porosity about a part of the porous zirconia sintered body synthesized in Example 3. FIG. 実施例3で合成した多孔質ジルコニア焼結体の一部についての相対密度等に関する評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result about the relative density etc. about a part of the porous zirconia sintered body synthesized in Example 3. FIG. 多孔質ジルコニア焼結体と8YSZ緻密質体との積層体の製造に関する評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result about the manufacturing of the laminated body of a porous zirconia sintered body and 8YSZ dense body.

本明細書は、多孔質ジルコニア焼結体に関し、詳しくは、多孔質ジルコニア焼結体及びその製造方法、多孔質ジルコニア層と緻密質ジルコニア層との積層体の製造方法等に関する。 The present specification relates to a porous zirconia sintered body, and more particularly to a porous zirconia sintered body and a method for producing the same, a method for producing a laminate of a porous zirconia layer and a dense zirconia layer, and the like.

本明細書に開示される多孔質ジルコニア焼結体の製造方法によれば、球状の多孔質ジルコニア粒子を含むジルコニア材料を焼結体材料として用いる。これにより、多孔質性に優れ、しかも、焼結性に優れる焼結体を得ることができる。また、こうした焼結体材料は、その結晶性や多孔質化のための消失材料の残存量を意図的に制御できる。制御された粒子特性により、焼結体の多孔質性や焼結性のほか、熱収縮率を容易に制御して、所望の特性の焼結体を得ることができる。すなわち、例えば、気孔率が高くまた比表面積の大きな多孔質ジルコニア焼結体を得ることができる。また、例えば、他のセラミックス材料と一体焼結する場合において、当該他のセラミックス材料の熱収縮に応じて、多孔質ジルコニア焼結体に生じる熱収縮率を調整することができる。 According to the method for producing a porous zirconia sintered body disclosed in the present specification, a zirconia material containing spherical porous zirconia particles is used as the sintered body material. As a result, it is possible to obtain a sintered body having excellent porosity and excellent sinterability. In addition, such a sintered body material can intentionally control the residual amount of the disappearing material due to its crystallinity and porosity. Due to the controlled particle characteristics, in addition to the porosity and sinterability of the sintered body, the heat shrinkage rate can be easily controlled to obtain a sintered body having desired characteristics. That is, for example, a porous zirconia sintered body having a high porosity and a large specific surface area can be obtained. Further, for example, in the case of integrally sintering with another ceramic material, the heat shrinkage rate generated in the porous zirconia sintered body can be adjusted according to the heat shrinkage of the other ceramic material.

また、本明細書に開示される多孔質ジルコニア粒子材料は、高い多孔質性や比表面積が求められる多孔質ジルコニア焼結体の原料粒子として好適に用いることができる。 Further, the porous zirconia particle material disclosed in the present specification can be suitably used as raw material particles for a porous zirconia sintered body, which is required to have high porosity and a specific surface area.

本明細書において、ジルコニアは、純粋なジルコニアのほか、安定化ジルコニア及び部分安定化ジルコニアを含んでいる。安定化ジルコニア及び部分安定化ジルコニアは、概して、イットリウム、マグネシウム、カルシウム及びハフニウム等からなる群から選択される1種又は2種以上の酸化物で安定化されている。 As used herein, zirconia includes stabilized zirconia and partially stabilized zirconia, as well as pure zirconia. Stabilized zirconia and partially stabilized zirconia are generally stabilized with one or more oxides selected from the group consisting of yttrium, magnesium, calcium, hafnium and the like.

以下、本明細書に開示される多孔質ジルコニア焼結体の製造方法、多孔質ジルコニア焼結体、積層体の製造方法及び積層体並びに多孔質ジルコニア粒子材料の製造方法及び多孔ジルコニア粒子材料など本開示の種々の実施形態について適宜図面を参照しながら説明する。図1は、多孔ジルコニア焼結体の製造方法の概要を示す図である。 Hereinafter, a method for producing a porous zirconia sintered body, a method for producing a porous zirconia sintered body, a method for producing a laminate, a method for producing a laminate, a method for producing a porous zirconia particle material, a porous zirconia particle material, etc. Various embodiments of the disclosure will be described with reference to the drawings as appropriate. FIG. 1 is a diagram showing an outline of a method for producing a porous zirconia sintered body.

(多孔質ジルコニア焼結体の製造方法)
本明細書に開示される多孔質ジルコニア焼結体の製造方法は、球状の多孔質ジルコニア粒子を含む多孔質ジルコニア粒子材料(以下、単に、本粒子材料ともいう。)を含む成形体を得る成形工程と、前記成形体を焼成してジルコニアを焼結させて多孔質ジルコニア焼結体を得る工程と、を備えることができる。この製造方法によれば、多孔質ジルコニア粒子材料を焼結体原料として用いることで、多孔質性及び焼結性に優れる焼結体を得ることができる。また、焼結時の熱収縮を容易に調整することができる。
(Manufacturing method of porous zirconia sintered body)
The method for producing a porous zirconia sintered body disclosed in the present specification is a molding for obtaining a molded body containing a porous zirconia particle material containing spherical porous zirconia particles (hereinafter, also simply referred to as the present particle material). A step and a step of calcining the molded body to sintered zirconia to obtain a porous zirconia sintered body can be provided. According to this production method, by using a porous zirconia particle material as a raw material for a sintered body, a sintered body having excellent porosity and sinterability can be obtained. In addition, the heat shrinkage during sintering can be easily adjusted.

(成形工程)
本焼結体は、本粒子材料を用いる以外は、通常の方法で成形体を得ることができる。成形工程において用いるバインダは公知の樹脂バインダなどを用いることができる。成形には、セラミックス成形体を得るのにあたって公知の成形方法を用いることができるが、例えば、一定以上の強度を備えた自立型成形体をえるには、加圧成形することが好ましい。加圧成形には、プレス成形、押出成形、射出成型、冷間等方圧加圧(CIP)等など、公知の成形方法を単独で又は組合せて用いることができる。なお、テープキャスト、ドクターブレードなどの方法も挙げられる。
(Molding process)
As the present sintered body, a molded body can be obtained by a usual method except that the present particle material is used. As the binder used in the molding step, a known resin binder or the like can be used. For molding, a known molding method can be used to obtain a ceramic molded body, but for example, in order to obtain a self-standing molded body having a certain strength or higher, pressure molding is preferable. For pressure molding, known molding methods such as press molding, extrusion molding, injection molding, cold isotropic pressurization (CIP) and the like can be used alone or in combination. In addition, methods such as tape casting and doctor blade can also be mentioned.

以下、図1に従い、本製造方法の成形工程において用いる多孔質ジルコニア粒子材料(以下、単に本粒子材料ともいう。)の製造方法及び得られるジルコニア粒子材料についてまず説明する。 Hereinafter, according to FIG. 1, a method for producing a porous zirconia particle material (hereinafter, also simply referred to as the present particle material) used in the molding step of the present production method and the obtained zirconia particle material will be described first.

(本粒子材料の製造方法)
本粒子材料は、図1に例示するように、不溶物として水酸化ジルコニウムを含む第1の原料液に対して、カルボン酸を加えて、ジルコ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前記水酸化ジルコニアの少なくとも一部を熱分解して粒子化する粒子化工程と、により、製造することができる。また、図1に例示するように、本粒子材料は、さらに、前記粒子を加熱する焼成工程を備えることができる。
(Manufacturing method of this particle material)
As illustrated in FIG. 1, this particle material is a raw material for preparing a second raw material liquid which is a zirconium-containing colloid by adding a carboxylic acid to a first raw material liquid containing zirconium hydroxide as an insoluble matter. It can be produced by a liquid preparation step and a particle formation step of heating droplets of the second raw material liquid to thermally decompose at least a part of the zirconia hydroxide into particles. Further, as illustrated in FIG. 1, the particle material can further include a firing step of heating the particles.

(原料液調製工程)
原料液調製工程は、第1の原料液から第2の原料液を調製する工程である。第2の原料液を、噴霧熱分解法に供することができる。
(Raw material liquid preparation process)
The raw material liquid preparation step is a step of preparing a second raw material liquid from the first raw material liquid. The second raw material liquid can be subjected to a spray pyrolysis method.

(第1の原料液)
第1の原料液は、不溶物としてジルコニウム化合物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。ジルコニウム化合物は、特に限定するものではないが、例えば、水酸化ジルコニウムとすることができる。
(First raw material liquid)
The first raw material liquid can be a liquid containing a zirconium compound as an insoluble matter. The first raw material liquid can be prepared by various methods. The zirconium compound is not particularly limited, but may be, for example, zirconium hydride.

第1の原料液は、粉末状等の水酸化ジルコニウムを水に投入して分散させた分散液とすることができる。概して、水酸化ジルコニウム(Zr(OH)4)は、水に不溶である。 The first raw material liquid can be a dispersion liquid in which zirconium hydride in the form of powder or the like is put into water and dispersed. In general, zirconium hydride (Zr (OH) 4 ) is insoluble in water.

また、第1の原料液は、ジルコニウム塩を溶解した液体のpHを調整して水酸化ジルコニウムを析出させて調製してもよい。この態様の第1の原料液においては、水酸化ジルコニウムを、ゲル状の沈殿物として含むことになる。さらにまた、第1の原料液は、別途準備した水酸化ジルコニウムゲルを水等に投入して調製してもよいし、水等に投入するとゲル化するように予め調製された水酸化ジルコニウムゲル粉末(商業的に入手可能である。)を水に投入して調製してもよい。 Further, the first raw material liquid may be prepared by adjusting the pH of the liquid in which the zirconium salt is dissolved to precipitate zirconium hydride. In the first raw material liquid of this embodiment, zirconium hydride is contained as a gel-like precipitate. Furthermore, the first raw material liquid may be prepared by adding a separately prepared zirconium hydride gel to water or the like, or a zirconium hydride gel powder prepared in advance so as to gel when added to water or the like. (Commercially available) may be prepared by putting it in water.

第1の原料液は、操作性やその後の第2の原料液の調製を考慮すると、ジルコニウム塩から生成させたゲル状の水酸化ジルコニウムを含むことが好ましい。こうした水酸化ジルコニウムを含むことで、カルボン酸の添加により、噴霧熱分解法による多孔質粒子化に適したジルコニウム含有コロイドを形成することができて、消失剤としてのカルボン酸含有量を多孔質化に好適に多様な形態で分散が可能となる。また、比較的大きなコロイド粒子を形成可能であるため、多孔質性及び/又は比表面積の制御が容易になる。 The first raw material liquid preferably contains gel-like zirconium hydride produced from a zirconium salt in consideration of operability and subsequent preparation of the second raw material liquid. By containing such zirconium hydride, it is possible to form a zirconium-containing colloid suitable for forming porous particles by the spray pyrolysis method by adding carboxylic acid, and the content of carboxylic acid as a vanishing agent is made porous. It is possible to disperse in various forms suitable for the above. Further, since relatively large colloidal particles can be formed, it becomes easy to control the porosity and / or the specific surface area.

第1の原料液において、水酸化ジルコニウムを保持又は分散する液体は、例えば、水又は水と相溶する有機溶媒との混液である。有機溶媒としては、メタノール、エタノールなどの炭素数1~4程度の低級アルコール、アセトニトリル、DMSO等が挙げられる。なお、かかる混液は、水を主体とすることが好ましく、すなわち、水を体積%で50%超含み、例えば、60体積%以上、また例えば、70体積%以上、また例えば、80体積%以上、さらに例えば、90体積%以上、さらにまた例えば、95体積%以上とすることができる。 In the first raw material liquid, the liquid that retains or disperses zirconium hydride is, for example, water or a mixed liquid with an organic solvent that is compatible with water. Examples of the organic solvent include lower alcohols having about 1 to 4 carbon atoms such as methanol and ethanol, acetonitrile, DMSO and the like. The mixed solution preferably contains water as a main component, that is, contains more than 50% by volume of water, for example, 60% by volume or more, for example, 70% by volume or more, and for example, 80% by volume or more. Further, for example, it can be 90% by volume or more, and further, for example, 95% by volume or more.

第1の原料液に含まれる水酸化ジルコニウム(Zr(OH))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。 The concentration of zirconium hydride (Zr (OH) 4 ) contained in the first raw material liquid is not particularly limited, but can be 0.05 M or more and 5 M or less, and for example, 0.05 M or more and 2 M or less. Can be done. Further, for example, it can be 0.1 M or more and 1.5 M or less.

第1の原料液をジルコニウム塩から調製するとき、ジルコニウム塩としては、特に限定しないで、水溶性のジルコニウム塩を用いることができる。例えば、塩化ジルコニウム、塩化酸化ジルコニウム、硝酸ジルコニウム、硝酸酸化ジルコニウム、硫酸ジルコニウム、乳酸ジルコニウム、酢酸ジルコニウム、シュウ酸ジルコニウム、リン酸ジルコニウム等のほか、ジルコニウムセカンダリーブチレート等、さらにはジルコニウムイソプロピレート等も挙げられる。こうした水溶性のジルコニウム塩は、水和物であってもよい。ジルコニウム塩の濃度は、既に説明した水酸化ジルコニウムのモル濃度が得られる濃度とすることができる。 When the first raw material liquid is prepared from a zirconium salt, the zirconium salt is not particularly limited, and a water-soluble zirconium salt can be used. For example, zirconium chloride, zirconium chloride, zirconium nitrate, zirconium nitrate, zirconium sulfate, zirconium lactate, zirconium acetate, zirconium oxalate, zirconium phosphate, etc. Be done. Such a water-soluble zirconium salt may be a hydrate. The concentration of the zirconium salt can be a concentration at which the molar concentration of zirconium hydride described above can be obtained.

第1の原料液を、ジルコニウム塩から調製するとき、pHは、アンモニアなどのアルカリを用いて、ジルコニウム塩溶液のpHを4以上11以下程度に調整することができる。こうすることで、水酸化ジルコニウムのゲル状沈殿を析出させることができる。アンモニアなどのアルカリの添加量は、特に限定しない。例えば、ジルコニウム塩(ジルコニウム)に対してアンモニアを添加するとき、ジルコニウム1モルに対してアンモニアは2モル以上8モル以下程度とすることができる。また、例えば、同3モル以上6モル以下程度とすることもできる。 When the first raw material solution is prepared from a zirconium salt, the pH can be adjusted to about 4 or more and 11 or less by using an alkali such as ammonia. By doing so, a gel-like precipitate of zirconium hydride can be precipitated. The amount of alkali added such as ammonia is not particularly limited. For example, when ammonia is added to a zirconium salt (zirconium), the amount of ammonia can be about 2 mol or more and 8 mol or less with respect to 1 mol of zirconium. Further, for example, it may be about 3 mol or more and 6 mol or less.

第1の原料液の調製時において、後述するカルボン酸を予め含んでいてもよい。第1の原料液においてカルボン酸を含有していることで、後段で調製される第2の原料液において水酸化ジルコニウムコロイドを生成しやすい水酸化ジルコニウムのゲル状沈殿を第1の原料液に含むことができる。なお、こうした観点から、カルボン酸は、水酸化ジルコニウムゲルの生成に先だって第1の原料液に含まれている必要がある。第1の原料液におけるカルボン酸含有量は特に限定するものではないが、例えば、水酸化ジルコニウム0.4mol/lに対して0.08~0.8mol%含有することができる。この範囲であると粒子の分散性が良好であるからである。 At the time of preparation of the first raw material liquid, a carboxylic acid described later may be contained in advance. Since the first raw material liquid contains a carboxylic acid, the first raw material liquid contains a gel-like precipitate of zirconium hydride that easily produces a zirconium hydride colloid in the second raw material liquid prepared in the subsequent stage. be able to. From this point of view, the carboxylic acid needs to be contained in the first raw material liquid prior to the formation of the zirconium hydride gel. The carboxylic acid content in the first raw material liquid is not particularly limited, but can be, for example, 0.08 to 0.8 mol% with respect to 0.4 mol / l of zirconium hydride. This is because the dispersibility of the particles is good in this range.

(第2の原料液)
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ジルコニウムを、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ジルコニウムに、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ジルコ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。
(Second raw material liquid)
The second raw material solution can be prepared as a colloidal solution in which carboxylic acid is added to the first raw material solution and zirconium hydride, which is an insoluble matter, is dispersed as colloidal particles. In the second raw material liquid, the carboxylic acid is adsorbed on the zirconium hydride generated as a gel-like precipitate, and as a result, a repulsive force is generated between the particles so that the particles can be dispersed as colloidal particles. In addition, various dispersoids (colloidal particles) including zirconium-containing compounds in which the carboxylic acid partially replaces the hydroxide ion will be contained.

また、カルボン酸は、加熱により消失して粒子に孔部を形成することができる。したがって、不溶物として生成させた水酸化ジルコニウム粒子に対してカルボン酸を用いてジルコニウム含有コロイドを調製することは、比較的な大きな水酸化ジルコニウムコロイド粒子を生成させることができることと、ジルコニウムイオンと消失剤との多様な形態で分散させうることから、多孔質ジルコニア粒子材料製造のための噴霧熱分解に好適な原料液を調製することができる。 In addition, the carboxylic acid can be eliminated by heating to form pores in the particles. Therefore, preparing a zirconium-containing colloid using a carboxylic acid for the zirconium hydride particles produced as an insoluble matter can generate relatively large zirconium hydride colloid particles and disappears with zirconium ions. Since it can be dispersed in various forms with the agent, it is possible to prepare a raw material solution suitable for spray thermal decomposition for producing a porous zirconia particle material.

第2の原料液中には、こうした水酸化ジルコニウム含有コロイド粒子が多数形成される。このため、第2の原料液から形成する液滴が高濃度にかつ多様な形態でカルボン酸を含有することができることとなり、得られるジルコニア粒子の多孔質性や比表面積増大に寄与することができる。 A large number of such zirconium hydride-containing colloidal particles are formed in the second raw material liquid. Therefore, the droplets formed from the second raw material liquid can contain the carboxylic acid in a high concentration and in various forms, which can contribute to the porosity and the increase in the specific surface area of the obtained zirconia particles. ..

カルボン酸としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、乳酸などのモノカルボン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、フマル酸、マレイン酸、リンゴ酸などのジカルボン酸、クエン酸、アコニット酸などのトリカルボン酸、乳酸、リンゴ酸、クエン酸などのα-ヒドロキシカルボン酸などが挙げられる。あるいは、EDTA又はその塩であってもよい。好ましくは、α-ヒドロキシカルボン酸を用いることができる。より好ましくは、2価のα-ヒドロキシジカルボン酸又は、クエン酸などの3価のα-ヒドロキシトリカルボン酸が挙げられる。また、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種以上であってもよい。 Examples of the carboxylic acid include monocarboxylic acids such as formic acid, acetic acid, propionic acid and lactic acid, dicarboxylic acids such as oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, fumaric acid, maleic acid and malic acid, and citric acid. Examples thereof include tricarboxylic acids such as aconitic acid, α-hydroxycarboxylic acids such as lactic acid, malic acid and citric acid. Alternatively, it may be EDTA or a salt thereof. Preferably, α-hydroxycarboxylic acid can be used. More preferably, a divalent α-hydroxydicarboxylic acid or a trivalent α-hydroxytricarboxylic acid such as citric acid can be mentioned. Further, it may be one or more selected from the group consisting of acetic acid, citric acid, oxalic acid and malic acid.

水酸化ジルコニウムコロイドの形成は、第1の原料液に対してカルボン酸を添加して、ゲル状の沈殿が消失していって液体が徐々に透明になることで確認できる。特に限定するものではないが、ゲル状沈殿がおおよそなくなり、液体がほとんど透明になるまでカルボン酸を添加することが好ましい。 The formation of the zirconium hydride colloid can be confirmed by adding a carboxylic acid to the first raw material liquid so that the gel-like precipitate disappears and the liquid gradually becomes transparent. Although not particularly limited, it is preferable to add the carboxylic acid until the gel-like precipitate is almost eliminated and the liquid becomes almost transparent.

カルボン酸の量は、多孔質性及び比表面積にも影響する。本製造方法によれば、水酸化ジルコニウムをカルボン酸によりコロイドとするため、多量のカルボン酸とともに水酸化ジルコニウムを第2の原料液に分散させることができる。したがって、多孔質性や比表面積の設計自由度が向上している。 The amount of carboxylic acid also affects the porosity and specific surface area. According to this production method, since zirconium hydride is made into a colloid by carboxylic acid, zirconium hydride can be dispersed in the second raw material liquid together with a large amount of carboxylic acid. Therefore, the degree of freedom in designing the porosity and the specific surface area is improved.

カルボン酸の添加量は特に限定するものではなく、用いるカルボン酸の種類や意図する多孔質性及び/又は比表面積にもよるが、概して、第1の原料液中のジルコニウム(ジルコニウム塩)に対してモル比で、1以上4以下程度とすることができる。また、例えば、同1以上3以下程度とすることもできる。また、カルボン酸の濃度としては、例えば、0.1M以上1M以下程度、また例えば、0.1M以上0.8M以下程度とすることができる。 The amount of the carboxylic acid added is not particularly limited, and depends on the type of the carboxylic acid used, the intended porosity and / or the specific surface area, but generally, with respect to the zirconium (zirconium salt) in the first raw material liquid. The molar ratio can be about 1 or more and 4 or less. Further, for example, the number may be 1 or more and 3 or less. The concentration of the carboxylic acid can be, for example, 0.1 M or more and 1 M or less, and for example, 0.1 M or more and 0.8 M or less.

こうして調製した第2の原料液は、上記したように、各種態様のコロイド粒子を含むジルコニウム含有コロイドとなっている。このため、第2の原料液は、ジルコニウムもカルボン酸も第2の原料液内において良好に分散して含まれている。 As described above, the second raw material liquid thus prepared is a zirconium-containing colloid containing colloidal particles of various embodiments. Therefore, in the second raw material liquid, both zirconium and carboxylic acid are well dispersed and contained in the second raw material liquid.

ジルコニウム含有コロイドは、比較的大きな粒子径のコロイド粒子(分散質)を有するものと考えられる。また、このコロイドには、水酸化ジルコニウム(Zr(OH))に対してカルボン酸が吸着したコロイド粒子のほか、例えば、Zr(OH)(R(COOH)2/4、Zr(OH)(R(COOH)3/4、Zr(R(COOH)4/4など、Zr(OH)(RCOOH)~Zr(OH)(RCOOH)~Zr(RCOOH)など、カルボン酸の種類によっても多様な態様のジルコニウム含有化合物としての分散質を含んでいるものと考えられる。 The zirconium-containing colloid is considered to have colloidal particles (dispersible) having a relatively large particle size. Further, in this colloid, in addition to colloidal particles in which a carboxylic acid is adsorbed on zirconium hydroxide (Zr (OH) 4 ), for example, Zr (OH) 2 (R (COOH) 4 ) 2/4 , Zr ( OH) (R (COOH) 4 ) 3/4 , Zr (R (COOH) 4/4 ) 4 , etc. Zr (OH) 3 (RCOOH) 1 to Zr (OH) 2 (RCOOH) 2 to Zr (RCOOH) It is considered that the dispersoid as a zirconium-containing compound in various embodiments is contained depending on the type of carboxylic acid such as 4 .

こうした態様のジルコニウム含有コロイドである第2の原料液を液滴として蒸発~熱分解することで、液滴表面や内部での焼結の進行が抑制されて液滴表面及び液滴内部においても空隙を形成されやすくなるものと考えられる。 By evaporating and thermally decomposing the second raw material liquid, which is a zirconium-containing colloid of such an embodiment, as droplets, the progress of sintering on the surface and inside of the droplet is suppressed, and voids are also formed on the surface of the droplet and inside the droplet. It is thought that it becomes easier to form.

本粒子材料の製造においては、いわゆる噴霧熱分解法と称される粉末合成方法を利用する。すなわち、得ようとする粉末の原料を含む溶液又は分散液を、適切な手段で液滴とし、この液滴を加熱することで、液体を蒸発させて、少なくとも部分的に原料を熱分解するとともに粒子化する方法である。 In the production of this particle material, a powder synthesis method called a so-called spray pyrolysis method is used. That is, a solution or dispersion containing the raw material of the powder to be obtained is made into droplets by an appropriate means, and by heating the droplets, the liquid is evaporated and the raw material is at least partially thermally decomposed. It is a method of atomizing.

(粒子化工程)
粒子化工程は、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、ジルコニアを含む粒子を生成することができる。粒子化工程は、いわゆる噴霧熱分解法に準じて実施することができる。
(Particle process)
In the particle formation step, the droplets of the second raw material liquid can be heated to form particles. In the particle formation step, the second raw material liquid is made into droplets by an appropriate droplet forming means, the droplets are heated to evaporate the liquid, and the raw materials in the second raw material are thermally decomposed to contain zirconia. Can produce particles. The particle formation step can be carried out according to the so-called spray pyrolysis method.

第2の原料液から得られる液滴は、比較的大きく、かつ各種態様のコロイド粒子を含むジルコニウム含有コロイドである。すなわち、第2の原料液のジルコニウム含有コロイドは、水溶性であるジルコニウム塩に対してカルボン酸を供給して得られるジルコニウム-カルボン酸キレートよりも大きな粒子となっている。このため、粒子化工程における温度、ガス流量、霧化などの各種条件や、その後の焼成工程における温度条件によって、所望の比表面積や相対密度の制御が可能となっている。 The droplet obtained from the second raw material liquid is a zirconium-containing colloid that is relatively large and contains colloidal particles of various embodiments. That is, the zirconium-containing colloid of the second raw material liquid has larger particles than the zirconium-carboxylic acid chelate obtained by supplying a carboxylic acid to a water-soluble zirconium salt. Therefore, it is possible to control the desired specific surface area and relative density depending on various conditions such as temperature, gas flow rate, and atomization in the particle formation step, and temperature conditions in the subsequent firing step.

粒子化工程で用いる液滴化手段は、特に限定しないで、公知の噴霧熱分解法に適用されている手段を用いることができる。したがって、特に限定しないで、スプレーノズル、超音波霧化手段、静電霧化手段等を適宜選択して用いることができる。 The droplet forming means used in the particle forming step is not particularly limited, and a means applied to a known spray pyrolysis method can be used. Therefore, without particular limitation, a spray nozzle, ultrasonic atomizing means, electrostatic atomizing means and the like can be appropriately selected and used.

また、粒子化工程では、各種熱源を利用した加熱炉を用いることができる。加熱炉についても特に限定しないで公知の噴霧熱分解法に適用される赤外線加熱炉、マイクロ波加熱炉、抵抗加熱炉などの各種の加熱炉を適宜用いることができる。 Further, in the particle formation step, a heating furnace using various heat sources can be used. The heating furnace is not particularly limited, and various heating furnaces such as an infrared heating furnace, a microwave heating furnace, and a resistance heating furnace, which are applied to a known spray pyrolysis method, can be appropriately used.

粒子化工程における、第2の原料液における原料濃度のほか、温度、ガスの種類及びガス流量等については、粒径制御、組成制御、粒子構造制御及び生産性の観点から適宜設定することができる。例えば、温度は、一定温度であってもよいが、加熱炉の導入部から排出部までの間を、徐々に昇温する形態を採ることができる。典型的には、液滴の乾燥から熱分解を意図した温度設定とすることができる。液滴の乾燥のためには、おおよそ、200℃~600℃程度の温度を設定することができる。また、例えば、熱分解のためには、600℃~1600℃程度の温度を設定することができる。 In addition to the raw material concentration in the second raw material liquid in the particle formation step, the temperature, gas type, gas flow rate, etc. can be appropriately set from the viewpoints of particle size control, composition control, particle structure control, and productivity. .. For example, the temperature may be a constant temperature, but a form in which the temperature is gradually raised from the introduction portion to the discharge portion of the heating furnace can be adopted. Typically, the temperature can be set as intended for thermal decomposition from the drying of the droplets. For drying the droplets, a temperature of about 200 ° C. to 600 ° C. can be set. Further, for example, for thermal decomposition, a temperature of about 600 ° C. to 1600 ° C. can be set.

一例としては、加熱炉全体で、200℃~1000℃、また例えば、200℃~800℃の範囲で加熱するような加熱形態とし、これらの温度範囲を、2以上の、より好ましくは3以上の、さらに好ましくは4以上の異なる温度(例えば、200℃、400℃、600℃及び800℃など)に制御した熱源を配置して加熱することが好ましい。 As an example, the entire heating furnace is heated in the range of 200 ° C. to 1000 ° C., for example, 200 ° C. to 800 ° C., and these temperature ranges are set to 2 or more, more preferably 3 or more. More preferably, it is preferable to arrange and heat a heat source controlled to four or more different temperatures (for example, 200 ° C., 400 ° C., 600 ° C. and 800 ° C.).

また、ガスについては、ジルコニア生成の観点から、酸素を含んだ酸化性ガス、典型的には空気を用いることができる。その流量は、公知の噴霧熱分解法に準じて設定することができるが、例えば、2L/分~10L/分、また、例えば、3L/分~7L/分の範囲で適宜設定することができる。 As the gas, an oxidizing gas containing oxygen, typically air, can be used from the viewpoint of producing zirconia. The flow rate can be set according to a known spray pyrolysis method, and can be appropriately set, for example, in the range of 2 L / min to 10 L / min, or, for example, 3 L / min to 7 L / min. ..

粒子化工程における温度条件やガス流通条件によって、得られる粒子の特性を適宜制御することができる。すなわち、粒子におけるジルコニウム塩の熱分解程度(換言すれば、ジルコニアの生成程度)、ジルコニアの結晶性(単斜晶、正方晶、立方晶)、ジルコニアの焼結程度や熱収縮程度、カルボン酸の消失程度(換言すれば、粒子の多孔質の程度)を制御することができる。これらの粒子特定は、ジルコニア粒子材料を焼結体材料として用いた場合の焼結体の特性に寄与することができる。 The characteristics of the obtained particles can be appropriately controlled by the temperature conditions and gas flow conditions in the particle formation step. That is, the degree of thermal decomposition of the zirconium salt in the particles (in other words, the degree of zirconia formation), the degree of zirconia crystallinity (monoclinic, tetragonal, cubic), the degree of zirconia sintering and heat shrinkage, and the degree of carboxylic acid. The degree of disappearance (in other words, the degree of porosity of the particles) can be controlled. These particle identifications can contribute to the characteristics of the sintered body when the zirconia particle material is used as the sintered body material.

例えば、粒子化工程によって得られた粒子は、少なくとも一部にジルコニア粒子を含むことができる。また、少なくとも一部は、カルボン酸が消失したことによる多孔質あるいは中空状の粒子となっている。また、ジルコニアは、非晶質であってもよいし結晶質であってもよい。また、粒子は、熱分解していないジルコニウム塩を含む場合もあり、結晶化していないジルコニアや、消失していないカルボン酸を含有させることもできる。 For example, the particles obtained by the particle formation step can contain at least a part of zirconia particles. In addition, at least a part of the particles are porous or hollow due to the disappearance of the carboxylic acid. Further, zirconia may be amorphous or crystalline. The particles may also contain a zirconium salt that has not been thermally decomposed, and may contain uncrystallized zirconia or a carboxylic acid that has not disappeared.

粒子化工程で得られた粒子は、公知の捕捉手段で適宜捕捉される。こうした捕捉手段も、噴霧熱分解法において一般的に用いられる捕捉手段を適宜採用することができる。 The particles obtained in the particle formation step are appropriately captured by known capture means. As such a trapping means, a trapping means generally used in the spray pyrolysis method can be appropriately adopted.

(焼成工程)
粒子化工程で得られた粒子について、ジルコニアの結晶性や結晶型、多孔質性や比表面積などの粒子特性、さらには、それ自体の収縮率等を調整するには、追加の焼成工程を行うことができる。このような粒子特性の調整は、焼結体の特定に寄与することができる。
(Baking process)
For the particles obtained in the particle formation step, an additional firing step is performed to adjust the particle characteristics such as the crystallinity and crystal type of zirconia, the porosity and the specific surface area, and the shrinkage rate of the particles themselves. be able to. Such adjustment of particle characteristics can contribute to the identification of the sintered body.

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ジルコニア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/又は比表面積を増大させる工程として実施してもよい。さらには、カルボン酸をある程度残留させたり、ジルコニアの結晶性や焼結程度を抑制して、焼結体取得時における収縮率を確保しておくなどの調整が可能となる。 The firing step may be carried out, for example, as a crystallization step in which the particles obtained in the particle formation step are heated to promote the crystallization of zirconia, or the carboxylic acid is completely eliminated to improve the porosity. And / or may be carried out as a step of increasing the specific surface area. Further, it is possible to make adjustments such as retaining a certain amount of carboxylic acid, suppressing the crystallinity of zirconia and the degree of sintering, and ensuring the shrinkage rate at the time of obtaining the sintered body.

例えば、結晶化工程を実施する場合には、得ようとするジルコニアの結晶形態に合わせて焼成温度を設定することができる。例えば、正方晶ジルコニアを主要な結晶形とする場合には、400℃以上1000℃未満程度することができる。また、立方晶ジルコニアを主要な結晶形とする場合には、400℃以上1000℃以下程度、より好適には、600℃以上900℃以下程度とすることができる。また、焼成時間も適宜設定できるが、例えば、1時間から3、4時間以下程度、典型的には2、3時間以内とすることができる。 For example, when the crystallization step is carried out, the firing temperature can be set according to the crystal form of the zirconia to be obtained. For example, when tetragonal zirconia is used as the main crystal form, the temperature can be about 400 ° C. or higher and lower than 1000 ° C. When cubic zirconia is the main crystalline form, the temperature can be 400 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, more preferably 600 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. Further, the firing time can be appropriately set, but for example, it can be set to about 1 hour to 3 or 4 hours or less, typically within 2 or 3 hours.

多孔質性向上や比表面積の増大のためには、例えば、400℃以上800℃以下程度で必要な時間行えばよい。 In order to improve the porosity and increase the specific surface area, for example, it may be carried out at about 400 ° C. or higher and 800 ° C. or lower for a required time.

こうした本粒子材料の製造方法によれば、各種態様でジルコニウムを含有するジルコニウム含有コロイドである第2の原料液を調製することができる。第2の原料液から得られる液滴から多孔質性及び/又は比表面積に優れた粒子を得ることができる。したがって、後述する本明細書に開示される多孔質ジルコニア粒子材料のような多孔質性及び/又は比表面積、すなわち、所望の多孔質性及び/又は比表面積の多孔質ジルコニア粒子材料を製造することができる。 According to such a method for producing the particle material, a second raw material liquid which is a zirconium-containing colloid containing zirconium can be prepared in various embodiments. Particles having excellent porosity and / or specific surface area can be obtained from the droplets obtained from the second raw material liquid. Therefore, to produce a porous zirconia particle material having a porous and / or specific surface area, that is, a desired porous and / or specific surface area, such as the porous zirconia particle material disclosed in the present specification described later. Can be done.

なお、本製造方法においては、粒子化工程後のいずれかの段階で、得られた粒子の凝集状態を解除するための粒子の解砕工程を実施してもよい。こうした解砕工程は、通常の粉砕のほか、液相中での超音波破砕であってもよい。 In this production method, a particle crushing step for releasing the aggregated state of the obtained particles may be carried out at any stage after the particle formation step. Such a crushing step may be ultrasonic crushing in a liquid phase in addition to normal crushing.

(多孔質ジルコニア粒子材料)
本粒子材料は、例えば、20m2/g以上90m2/g以下の比表面積を有し多孔質性を有することができる。ジルコニア粒子材料の製造方法によれば、水酸化ジルコニウム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。かかる粒子材料は、従来のジルコニアの用途に好適である。特に、固体電解質や酸素センサなど、比表面積、多孔質性が求められる材料に有用である。
(Porous zirconia particle material)
The present particle material can have a specific surface area of 20 m 2 / g or more and 90 m 2 / g or less and have porosity, for example. This is because according to the method for producing a zirconia particle material, the porosity and specific surface area can be adjusted by controlling the zirconium hydride concentration and the carboxylic acid concentration. Such particle materials are suitable for conventional zirconia applications. In particular, it is useful for materials that require specific surface area and porosity, such as solid electrolytes and oxygen sensors.

また、本粒子材料は、噴霧熱分解法によって得られるため、球状である。本粒子材料は、ジルコニアを有している。ジルコニアは、X線回折スペクトルにより確認することができる。 Further, since the present particle material is obtained by the spray pyrolysis method, it is spherical. This particle material has zirconia. Zirconia can be confirmed by the X-ray diffraction spectrum.

また、本粒子材料は、タップかさ密度が、0.8g/cm3以上2.5g/cm3以下であることが好ましい。より好ましくは、0.8g/cm3以上2.2g/cm3以下であり、さらに好ましくは0.9g/cm3以上2.2g/cm3以下であり、なお好ましくは0.9g/cm3以上2.0g/cm3以下である。本明細書において、タップかさ密度は、JIS R1628 ファインセラミックス粉末のかさ密度測定方法により測定することができる。 Further, the particle material preferably has a tap bulk density of 0.8 g / cm 3 or more and 2.5 g / cm 3 or less. More preferably, it is 0.8 g / cm 3 or more and 2.2 g / cm 3 or less, more preferably 0.9 g / cm 3 or more and 2.2 g / cm 3 or less, and still more preferably 0.9 g / cm 3 . More than 2.0 g / cm 3 or less. In the present specification, the tap bulk density can be measured by the bulk density measuring method of JIS R1628 fine ceramic powder.

本粒子材料の比表面積は、40m/g以上であってもよく、50m/g以上とすることができ、また、例えば、60m/g以上とすることもでき、また例えば、80m/g以上とすることができる。非表面積が40m/g以上、または50m/g以上、または60m/g以上、または80m/g以上であると、触媒担体や固体酸化物形燃料電池等に用いるのに十分な表面積を有しているといえる。なお、比表面積の測定は、ガスとして窒素、装置として吸着等温線測定装置(ベルソープミニ、日本ベル製)を用い、測定条件を0.1~0.5kPaの範囲で5点測定して得ることができる。すなわち、これらの点に直線外挿し、傾きから比表面積の値を得ることができる。なお、その他の測定条件は、使用する装置のデフォルト設定で測定することができる。 The specific surface area of the particle material may be 40 m 2 / g or more, 50 m 2 / g or more, for example, 60 m 2 / g or more, and for example, 80 m 2 or more. It can be / g or more. When the non-surface area is 40 m 2 / g or more, 50 m 2 / g or more, 60 m 2 / g or more, or 80 m 2 / g or more, the surface area is sufficient for use in a catalyst carrier, a solid oxide fuel cell, or the like. It can be said that it has. The specific surface area is measured by using nitrogen as the gas and an adsorption isotherm measuring device (Bellthorpe Mini, manufactured by Nippon Bell) as the device, and measuring the measurement conditions at 5 points in the range of 0.1 to 0.5 kPa. be able to. That is, the value of the specific surface area can be obtained from the slope by linear extrapolation to these points. Other measurement conditions can be measured with the default settings of the device used.

さらに、本焼結体を得るのに際して、本粒子材料の平均粒子径自体は、焼結体の特性に大きく影響するものではなく、特に限定するものではないが、平均粒子径を0.1μm以上10μm以下とすることができる。また、平均細孔径が0.5μm以上2μm以下であってもよい。平均粒子径は、光分散法によって測定することができる。また、平均細孔径は吸着等温線によって測定することができる。 Further, when obtaining the present sintered body, the average particle size of the present particle material itself does not significantly affect the characteristics of the sintered body and is not particularly limited, but the average particle size is 0.1 μm or more. It can be 10 μm or less. Further, the average pore diameter may be 0.5 μm or more and 2 μm or less. The average particle size can be measured by the light dispersion method. Moreover, the average pore diameter can be measured by the adsorption isotherm.

以上説明したように、本明細書によれば、ジルコニア焼結体を得るのに好適な、多孔質ジルコニア粒子材料の製造方法及び多孔質ジルコニア粒子材料が提供される。 As described above, according to the present specification, there is provided a method for producing a porous zirconia particle material and a porous zirconia particle material suitable for obtaining a zirconia sintered body.

(焼成工程)
焼成工程は、成形工程で得た成形体を、ジルコニアが焼結する温度で焼成することにより実施することができる。例えば、1300℃以上とすることができ、また例えば、1350℃以上とすることができ、さらに例えば、1400℃以上とすることができる。概して、1300℃以上1400℃以下とすることができる。
(Baking process)
The firing step can be carried out by firing the molded product obtained in the molding step at a temperature at which zirconia is sintered. For example, it can be 1300 ° C. or higher, for example, 1350 ° C. or higher, and further, for example, 1400 ° C. or higher. Generally, the temperature can be 1300 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower.

上記温度での加熱時間は、特に限定するものではないが、例えば、1時間以上6時間以下程度とすることができる。 The heating time at the above temperature is not particularly limited, but can be, for example, about 1 hour or more and 6 hours or less.

焼成工程を実施することで、最終的に意図した多孔質ジルコニア焼結体を得ることができる。すなわち、焼成工程においては、本粒子材料が多孔質であることから、焼結体における細孔径分布制御が容易になっている。すなわち、本粒子材料が用いるために、焼結体は、本粒子材料が備える細孔近傍を中心細孔径とする細孔分布を備えることができる。また、焼結体は本粒子材料の粒子自体が備える細孔と、粒子が相互に焼結した際にできる粒子間間隙に基づく孔とを備える、多孔質焼結体を得ることができる。こうした細孔径分布を備える焼結体によれば、焼結体全体における高い比表面積と高い気孔率を備えることができ、反応のための大きな比表面積や求められるとともに、ガス通過性なども同時に求められる電極や触媒に好適な焼結体を得ることができる。 By carrying out the firing step, the finally intended porous zirconia sintered body can be obtained. That is, in the firing step, since the present particle material is porous, it is easy to control the pore size distribution in the sintered body. That is, for use by the present particle material, the sintered body can have a pore distribution having a central pore diameter in the vicinity of the pores provided in the present particle material. Further, the sintered body can obtain a porous sintered body having pores provided in the particles of the present particle material itself and pores based on the interparticle gap formed when the particles are sintered with each other. A sintered body having such a pore size distribution can have a high specific surface area and a high porosity in the entire sintered body, and a large specific surface area for reaction is required, and gas permeability and the like are also required at the same time. It is possible to obtain a sintered body suitable for the electrode or catalyst to be used.

また、本粒子材料においては、ジルコニアの熱分解程度、結晶性、粒子の熱収縮程度、カルボン酸の残留程度が調整されている。このため、成形体の焼成によって生じる焼結、熱収縮を容易に制御することができる。すなわち、従来のように成形体における消失剤の消失によらなくても多孔質化できるため、焼結や熱収縮を制御するための焼成条件で焼成工程を実施することができる。 Further, in the present particle material, the degree of thermal decomposition of zirconia, the degree of crystallinity, the degree of thermal shrinkage of particles, and the degree of residual carboxylic acid are adjusted. Therefore, sintering and heat shrinkage caused by firing of the molded product can be easily controlled. That is, since it can be made porous without the disappearance of the vanishing agent in the molded product as in the conventional case, the firing step can be carried out under the firing conditions for controlling sintering and heat shrinkage.

(多孔質ジルコニア焼結体)
本明細書に開示される多孔質ジルコニア焼結体(以下、単に、本焼結体ともいう。)は、ジルコニアを主成分とする多孔質焼結体である。本焼結体は、ジルコニアを50質量%以上含み、好ましくは60質量%以上含み、より好ましくは70質量%以上含み、さらに好ましくは80質量%以上含み、なお好ましくは90質量%以上含み、一層好ましくは95質量%以上含み、より一層好ましくは97質量%以上含み、さらに一層好ましくは98質量%以上含み、なお一層好ましくは99質量%以上含んでいる。
(Porous zirconia sintered body)
The porous zirconia sintered body disclosed in the present specification (hereinafter, also simply referred to as the present sintered body) is a porous sintered body containing zirconia as a main component. The present sintered body contains 50% by mass or more of zirconia, preferably 60% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, further preferably 80% by mass or more, still more preferably 90% by mass or more, and further. It preferably contains 95% by mass or more, more preferably 97% by mass or more, further preferably 98% by mass or more, and even more preferably 99% by mass or more.

本焼結体は、ジルコニア以外に例えば、適当な焼結助剤などを含むことができるほか、不可避的な成分を含んでいてもよい。 In addition to zirconia, the present sintered body may contain, for example, an appropriate sintering aid, or may contain an unavoidable component.

本焼結体は、その多孔質性、造孔剤の焼失によらずに確保することができる。また、その多孔質性を用いる本粒子材料の粒径分布や細孔径分布等で制御されうる。このため、本焼結体の相対密度(気孔率)及び比表面積は、製造工程における焼結の調整によって容易に調整される。 The present sintered body can be ensured regardless of its porosity and burning of the pore-forming agent. Further, it can be controlled by the particle size distribution, the pore size distribution, etc. of the present particle material using the porosity. Therefore, the relative density (porosity) and specific surface area of the present sintered body are easily adjusted by adjusting the sintering in the manufacturing process.

(細孔径分布)
本焼結体は、細孔径分布に関し、0.1μm以上0.5μm以下においてピーク細孔径を有し、当該ピーク細孔径(以下、第1のピーク細孔径という。)を中心として含む0.1μmの範囲に全細孔の70%以上が含まれる細孔径分布を備えるという第1の特徴を備えることができる。かかる細孔径分布を備える多孔質ジルコニア焼結体は、良好な比表面積や気孔率を備えることができる。かかる第1の特徴は、概して、細孔径分布の全体のうち、0.05μm以上10μm未満の細孔径範囲における特徴である。
(Pore diameter distribution)
The present sintered body has a peak pore diameter at 0.1 μm or more and 0.5 μm or less with respect to the pore diameter distribution, and is 0.1 μm including the peak pore diameter (hereinafter referred to as the first peak pore diameter) as a center. It is possible to have the first feature that the pore size distribution includes 70% or more of all the pores in the range of. The porous zirconia sintered body having such a pore size distribution can have a good specific surface area and porosity. Such a first feature is generally a feature in the pore diameter range of 0.05 μm or more and less than 10 μm in the entire pore diameter distribution.

本焼結体における第1のピーク細孔径は、例えば、0.15μm以上、また例えば、0.2μm以上、また例えば、0.3μm以上であってもよい。また、第1のピーク細孔径は、例えば、0.9μm以下、また例えば、0.8μm以下、さらに例えば、0.7μm以下、また例えば、0.6μm以下、さらに例えば、0.5μm以下、さらにまた例えば、0.4μm以下である。また、第1のピーク細孔径は、0.1μm以上0.5μm以下である。 The first peak pore diameter in the present sintered body may be, for example, 0.15 μm or more, for example, 0.2 μm or more, and may be, for example, 0.3 μm or more. The first peak pore diameter is, for example, 0.9 μm or less, for example, 0.8 μm or less, further, for example, 0.7 μm or less, for example, 0.6 μm or less, further, for example, 0.5 μm or less, and further. Further, for example, it is 0.4 μm or less. The first peak pore diameter is 0.1 μm or more and 0.5 μm or less.

本焼結体の細孔径分布では、第1のピーク細孔径を中心となるように含む0.1μm内(すなわち、第1のピーク細孔径±0.05μmの範囲)に、全細孔の70%以上が含まれることが好ましい。かかる分布を有することで、本焼結体はその全体において均一な反応性を備えることができる。例えば、当該細孔径範囲に、全細孔の80%以上が含まれていてもよいし、また例えば、85%以上が含まれていてもよいし、さらに例えば、90%以上であってもよいし、さらにまた例えば、95%以上であってもよい。一方、後述するように、当該範囲において全細孔の99%未満が含まれることが好ましい。99%以上の細孔が、当該範囲に含まれると、焼結体全体の通気性等が制限される場合があるからである。例えば、上限は、95%以下であってもよいし、また例えば、90%以下であってもよいし、さらに例えば、85%以下であってもよいし、さらにまた例えば、80%以下であってもよいし、また例えば、75%以下であってもよい。 In the pore size distribution of the present sintered body, 70 of all pores are within 0.1 μm (that is, in the range of the first peak pore size ± 0.05 μm) including the first peak pore size as the center. % Or more is preferably contained. By having such a distribution, the present sintered body can have uniform reactivity as a whole. For example, the pore diameter range may include 80% or more of all pores, for example, 85% or more, or further, for example, 90% or more. However, it may be, for example, 95% or more. On the other hand, as will be described later, it is preferable that less than 99% of the total pores are contained in the range. This is because if 99% or more of the pores are included in the range, the air permeability of the entire sintered body may be limited. For example, the upper limit may be 95% or less, for example, 90% or less, further, for example, 85% or less, and further, for example, 80% or less. It may be 75% or less, for example.

本焼結体は、その細孔径分布に関して、10μm以上1000μm以下に範囲に別の細孔群を備えるという第2の特徴を有することができる。このような細孔群を備えることで一層良好な気孔率を備えることができる。例えば、本焼結体は、10μm以上1000μm以下において、第1のピーク細孔径とは別に、もう一つの細孔径のピーク、すなわち、第2のピーク細孔径を備えることができる。例えば、本焼結体は、かかる第2のピーク細孔径を、概して50μm以上1000μm以下、また例えば、50μm以上800μm以下の範囲において備えることができる。 The present sintered body can have a second feature of having another pore group in a range of 10 μm or more and 1000 μm or less with respect to the pore size distribution. By providing such a pore group, a better porosity can be provided. For example, the present sintered body can have a peak of another pore diameter, that is, a second peak pore diameter, in addition to the first peak pore diameter, at 10 μm or more and 1000 μm or less. For example, the present sintered body can be provided with such a second peak pore diameter generally in the range of 50 μm or more and 1000 μm or less, for example, 50 μm or more and 800 μm or less.

本焼結体は、10μm以上1000μm以下の細孔を、全細孔の1%以上30%未満備えていることができる。1%未満であると、第2のピーク細孔径を備えていても得られる効果が少なく、30%以上であると、第1のピーク細孔径を含む分布による効果を低減する傾向が生じるからである。例えば、下限は5%以上であってもよいし、また例えば、10%以上であってもよいし、さらに例えば、15%以上であってもよい。例えば、上限は25%以下であってもよいし、また例えば、20%以下であってもよいし、さらに例えば、15%以下であってもよい。 The present sintered body can have pores of 10 μm or more and 1000 μm or less, which are 1% or more and less than 30% of the total pores. If it is less than 1%, the effect obtained even if the second peak pore diameter is provided is small, and if it is 30% or more, the effect due to the distribution including the first peak pore diameter tends to be reduced. be. For example, the lower limit may be 5% or more, for example, 10% or more, and further, for example, 15% or more. For example, the upper limit may be 25% or less, for example, 20% or less, and further, for example, 15% or less.

本焼結体の細孔径分布の第1の特徴は、本ジルコニア粒子を原料粒子として用いることにより得ることができる。本ジルコニア粒子は、それ自体、微小な多孔質粒子であるため、本焼結体の多孔質性に寄与することができる。 The first feature of the pore size distribution of the sintered body can be obtained by using the zirconia particles as raw material particles. Since the zirconia particles themselves are fine porous particles, they can contribute to the porosity of the sintered body.

また、本焼結体の細孔径分布の第2の特徴も、本ジルコニア粒子を原料粒子として用いることにより得ることができる。本ジルコニア粒子は、略真球状であるとともに高度に制御された粒径分布を有するために、本ジルコニア粒子を焼結する際、本ジルコニア粒子の間隙が、一定の分布の細孔を形成できるからである。 Further, the second feature of the pore size distribution of the sintered body can also be obtained by using the zirconia particles as raw material particles. Since the zirconia particles are substantially spherical and have a highly controlled particle size distribution, when the zirconia particles are sintered, the gaps between the zirconia particles can form pores having a constant distribution. Is.

本焼結体の細孔径分布は、例えば、水銀ポロシメーターによって測定することができる。得られた細孔径分布に基づいて、第1のピーク細孔径、第1のピーク細孔径を中心とする0.1μm範囲内における細孔含有率、及び第2のピーク細孔径を取得することができる。なお、水銀ポロシメーターによる測定においては、例えば、マイクロメリティックス社製の水銀ポロシメーターを用いて0.03気圧から4000気圧(0.5~60000psi)程度の圧力をかけて測定することができる。 The pore size distribution of the sintered body can be measured by, for example, a mercury porosimeter. Based on the obtained pore size distribution, it is possible to obtain the first peak pore size, the pore content within the range of 0.1 μm centered on the first peak pore size, and the second peak pore size. can. In the measurement with a mercury porosimeter, for example, a mercury porosimeter manufactured by Micromeritics can be used to apply a pressure of about 0.03 atm to 4000 atm (0.5 to 60,000 psi) for measurement.

(相対密度)
本焼結体の相対密度は、例えば、50%以上であることが好ましい。また例えば、55%以上、さらに例えば、60%以上、さらにまた例えば、65%以上、また例えば、70%以上であってもよい。また、上限は、例えば、80%以下でもよく、また例えば、75%以下でもよく、さらに例えば、70%以下でもよい。本ジルコニア粒子材料を用い、焼結温度を適宜調節することで意図した相対密度の本焼結体を得ることができる。なお、相対密度は、アルキメデス法により測定することができる。
(Relative density)
The relative density of the sintered body is preferably, for example, 50% or more. Further, for example, it may be 55% or more, further, for example, 60% or more, further, for example, 65% or more, and for example, 70% or more. Further, the upper limit may be, for example, 80% or less, for example, 75% or less, and further, for example, 70% or less. By using the zirconia particle material and appropriately adjusting the sintering temperature, the sintered body having the intended relative density can be obtained. The relative density can be measured by the Archimedes method.

(比表面積)
本焼結体の比表面積は、例えば、0.8m2/g以上であってもよい。また例えば、0.9m2/g以上、さらに例えば、1.0m2/g以上、さらにまた例えば、1.1m2/g以上、また例えば、1.2m2/g以上、さらに例えば、1.3m2/g以上である。上限は特に限定するものではないが、例えば、2.0m2/g以下である。比表面積が大きいほど、反応性に優れる材料として用いることができる。なお、比表面積は、窒素ガス吸着法により測定することができる。
(Specific surface area)
The specific surface area of the sintered body may be, for example, 0.8 m 2 / g or more. Further, for example, 0.9 m 2 / g or more, further, for example, 1.0 m 2 / g or more, further, for example, 1.1 m 2 / g or more, and for example, 1.2 m 2 / g or more, further, for example, 1. It is 3 m 2 / g or more. The upper limit is not particularly limited, but is, for example, 2.0 m 2 / g or less. The larger the specific surface area, the more reactive the material can be used. The specific surface area can be measured by the nitrogen gas adsorption method.

(開気孔率)
本焼結体の全体積に対する開気孔の割合(開気孔率(%))は、例えば、15%以上とすることができる。また例えば、20%以上であり、さら例えば、25%以上であり、さらにまた例えば、30%以上である。開気孔率は、例えば、アルキメデス法により測定することができる。
(Open porosity)
The ratio of open pores (open pore ratio (%)) to the total volume of the sintered body can be, for example, 15% or more. Further, for example, it is 20% or more, further, for example, 25% or more, and further, for example, 30% or more. The open porosity can be measured, for example, by the Archimedes method.

(緻密質ジルコニア層と多孔質ジルコニア層との焼結積層体)
本明細書に開示される積層体は、本焼結体からなる第1の層と緻密質ジルコニア層である第2の層との積層焼結体が提供される。ここで緻密質ジルコニアとは、相対密度が90%以上であることをいうものとする。本積層体は、第1の層を得るための第1の材料層と、第2の層を得るための第2の材料層との一括焼成による焼結体であってもよい。
(Sintered laminate of dense zirconia layer and porous zirconia layer)
As the laminated body disclosed in the present specification, a laminated sintered body of a first layer made of the present sintered body and a second layer which is a dense zirconia layer is provided. Here, the dense zirconia means that the relative density is 90% or more. The present laminated body may be a sintered body obtained by batch firing a first material layer for obtaining a first layer and a second material layer for obtaining a second layer.

第1の層は、本粒子材料を含むことができ、本粒子材料は、既述のように、粒子化工程及び焼成工程の制御により、粒径分布、細孔径分布及び比表面積等を制御することができる。こうした特性は、焼結時の熱収縮にも関連している。本粒子材料を本積層体の第1の層の原料粒子として用いることで緻密質ジルコニア層の焼結において生じうる熱収縮に適合させることができ、結果として、良好な一体性や意図した形状を備える一括焼成による焼結体を得ることができる。 The first layer can contain the present particle material, and the present particle material controls the particle size distribution, the pore size distribution, the specific surface area, etc. by controlling the particle size distribution and the firing process as described above. be able to. These properties are also related to heat shrinkage during sintering. By using the particle material as the raw material particles for the first layer of the laminate, it can be adapted to the thermal shrinkage that can occur in the sintering of the dense zirconia layer, resulting in good integrity and the intended shape. It is possible to obtain a sintered body by batch firing.

本積層体の製造方法は、例えば、本粒子材料を含む第1の材料層と第2の材料層との積層体前駆体を公知の方法により取得し、その後、この前駆体を焼成により一体化及び焼結させることで得ることができる。焼結のための温度等については、既に説明したジルコニアの焼結のための温度を適宜採用することができる。また、本積層体は、本粒子材料の製造方法に引き続いて実施することができる。すなわち、本粒子材料の製造方法を構成する工程のうち、少なくとも原料液調製工程及び粒子化工程を少なくとも実施して、積層体前駆体を取得し、その後焼結させることもできる。 As a method for producing the present laminate, for example, a laminate precursor of a first material layer containing the present particle material and a second material layer is obtained by a known method, and then the precursor is integrated by firing. And can be obtained by sintering. As for the temperature for sintering and the like, the temperature for sintering zirconia already described can be appropriately adopted. In addition, the present laminate can be carried out following the method for producing the present particle material. That is, among the steps constituting the method for producing the present particle material, at least the raw material liquid preparation step and the particle formation step may be carried out to obtain the laminate precursor, and then sintered.

以下の実施例は、本明細書の開示を具現化して説明するものであるが、本明細書の開示を限定するものではない。 The following examples embody and explain the disclosure of the present specification, but do not limit the disclosure of the present specification.

(噴霧熱分解法による多孔質イットリウム安定化ジルコニア粒子材料の合成)
多孔質ジルコニア粒子材料を図1に示すスキームに準じて合成した。
(Synthesis of porous yttria-stabilized zirconia particle material by spray pyrolysis method)
Porous zirconia particle material was synthesized according to the scheme shown in FIG.

(1)原料溶液の調製
(実施例試料)
原料として、硝酸酸化ジルコニウム9水和物(ZrO(NO・9HO)及び硝酸イットリウムについてイットリア8モル%含有ジルコニア(8YSZ)となるようにあわせて以下の表1に示す濃度となるように試料液を調製し、その後、表1に示す量のクエン酸のうち一部のクエン酸を添加し、さらに、アンモニア水を添加し、さらに残部のクエン酸を添加し、透明コロイド状の水酸化ジルコニウム液とした(表1)。
(1) Preparation of raw material solution (Example sample)
As raw materials, the concentrations shown in Table 1 below are combined so that zirconia (8YSZ) containing 8 mol% of itria is used for zirconium nitrate hexahydrate (ZrO (NO 3 ) 2.9H 2 O) and ittrium nitrate. Then, a part of the citric acid in the amount shown in Table 1 was added, aqueous ammonia was added, and the rest of the citric acid was added to form a transparent colloid. A zirconium hydroxide solution was used (Table 1).

Figure 0007029227000001
Figure 0007029227000001

(2)噴霧熱分解
調製した実施例試料11種類について、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。
(2) Spray pyrolysis For the 11 types of prepared example samples, the entire length is provided with heat sources of 200 ° C, 400 ° C, 600 ° C and 800 ° C in order from the inlet using a spray pyrolysis device equipped with an ultrasonic atomizer. Air was supplied as a carrier gas at 5 L / min to a 120 cm heating furnace, and particle synthesis was performed by spray pyrolysis.

噴霧熱分解装置の捕集部にて各材料(ジルコニア前駆体)を捕集後、さらに、800℃、2時間、空気下で焼成して白色粉末を得た。 After collecting each material (zirconia precursor) in the collecting part of the spray pyrolysis apparatus, it was further calcined in air at 800 ° C. for 2 hours to obtain a white powder.

本実施例では、実施例1で合成した多孔質ジルコニア粒子材料について、タップかさ密度を、JIS R1628により測定して算出した。結果を、以下の表に示す。 In this example, the tap bulk density of the porous zirconia particle material synthesized in Example 1 was measured and calculated by JIS R1628. The results are shown in the table below.

Figure 0007029227000002
Figure 0007029227000002

(実施例1で作製した11種類の多孔質イットリア安定化ジルコニア粒子材料を用いた多孔質イットリア安定化ジルコニア焼結体の製造)
実施例1で作製した多孔質イットリア安定化ジルコニア粒子材料を用いて、バインダとしてPVAを2質量%となるように混合して、一軸プレス(49MPa)によりディスク(直径10mm×厚み1mm)に成形した。さらに、CIP(245MPa)にて成形した。このディスクを1300℃、1350℃及び1400℃の各温度で2時間焼成して焼結体を得た。
(Manufacturing of a porous yttria-stabilized zirconia sintered body using 11 kinds of porous yttria-stabilized zirconia particle materials produced in Example 1)
Using the porous yttria-stabilized zirconia particle material prepared in Example 1, PVA was mixed as a binder so as to be 2% by mass, and molded into a disk (diameter 10 mm × thickness 1 mm) by a uniaxial press (49 MPa). .. Further, it was molded by CIP (245 MPa). This disc was fired at 1300 ° C., 1350 ° C. and 1400 ° C. for 2 hours to obtain a sintered body.

これらについて、相対密度を、寸法およびアルキメデス法により測定した結果を、図2に示す。 The relative densities of these are measured by the dimensions and the Archimedes method, and the results are shown in FIG.

図2に示すように、用いる多孔質イットリア安定化ジルコニア粒子材料の種類や焼結体の焼成温度によって、相対密度を55%から83%まで調節できることがわかった。 As shown in FIG. 2, it was found that the relative density can be adjusted from 55% to 83% depending on the type of the porous yttria-stabilized zirconia particle material used and the firing temperature of the sintered body.

実施例3で製造した4種類の多孔質イットリア安定化ジルコニア焼結体(焼成温度は1350℃)について、水銀ポロシメータによって細孔径分布を評価した。その結果を図3に示す。図3に示すように、細孔径のピークは、いずれも0.1μmから0.5μmに存在しており、それぞれの細孔径分布において、ピークの0.1μmの範囲内に、全細孔の80%以上が存在していた。また、100μm近傍に別のピークが存在していることもわかった。 The pore size distribution of the four types of porous yttria-stabilized zirconia sintered bodies (firing temperature: 1350 ° C.) produced in Example 3 was evaluated by a mercury porosimeter. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 3, the peaks of the pore diameters exist in the range of 0.1 μm to 0.5 μm, and in each pore diameter distribution, 80 of all pores are within the range of 0.1 μm of the peak. % Was present. It was also found that another peak existed in the vicinity of 100 μm.

実施例3で製造した1種類の多孔質イットリア安定化ジルコニア焼結体(焼成温度は1350℃)について、アルキメデス法によって相対密度(と気孔率と)を評価し、窒素ガス吸着法により比表面積を評価した。これらの結果を図4に示す。図4に示すように、相対密度は66%であり、良好な多孔質性を示し、比表面積も1.3m2/gと焼結体としては極めて大きかった。 The relative density (and porosity) of one type of porous yttria-stabilized zirconia sintered body (firing temperature: 1350 ° C.) produced in Example 3 was evaluated by the Archimedes method, and the specific surface area was determined by the nitrogen gas adsorption method. evaluated. These results are shown in FIG. As shown in FIG. 4, the relative density was 66%, showing good porosity, and the specific surface area was 1.3 m 2 / g, which was extremely large for a sintered body.

実施例1で製造した1種類の多孔質イットリア安定化ジルコニア粒子材料(YSZ15)であって、粒子化工程後に800℃で2時間及び500℃で6時間の各焼成工程を行った多孔質イットリア安定化ジルコニア粒子材料(YSZ15、YSZ19)を、それぞれ市販のジルコニア粉末(8YSZ、緻密質ジルコニア用)の成形体上に、実施例3と同様の操作で層状に供給してディスク状に成形し、焼成した(ただし、焼成温度は1350℃)。このディスクを比較した。結果を図5に示す。 One type of porous yttria-stabilized zirconia particle material (YSZ15) produced in Example 1, which was subjected to each firing step of 800 ° C. for 2 hours and 500 ° C. for 6 hours after the particle formation step. The chemical zirconia particle materials (YSZ15, YSZ19) are supplied in layers on a molded body of commercially available zirconia powder (8YSZ, for dense zirconia) by the same operation as in Example 3, formed into a disk, and fired. (However, the firing temperature was 1350 ° C.). I compared this disc. The results are shown in FIG.

図5に示すように、800℃の焼成工程を行った多孔質ジルコニア粒子材料(YSZ15)を用いると、緻密質ジルコニア層側の収縮が大きいために、積層体ディスクに反り(緻密質側が収縮し、多孔質側が伸長する形態)が生じた。これに対して、500℃の焼成工程を行った多孔質ジルコニア粒子材料(YSZ19)を用いた場合には、緻密質ジルコニア層側の収縮に多孔質ジルコニア層も追従することができ、反りのないフラットなディスクを得ることができた。これは、焼成温度を低くすることによって、収縮率を制御することができたものと考えられる。このように、本粒子材料によれば、焼結体における多孔質性や収縮率も容易に制御することができるようになることがわかった。 As shown in FIG. 5, when the porous zirconia particle material (YSZ15) subjected to the firing step at 800 ° C. is used, the shrinkage on the dense zirconia layer side is large, so that the laminated disk warps (the dense side shrinks). , A form in which the porous side is elongated) has occurred. On the other hand, when the porous zirconia particle material (YSZ19) subjected to the firing step at 500 ° C. is used, the porous zirconia layer can also follow the shrinkage on the dense zirconia layer side, and there is no warp. I was able to get a flat disc. It is considered that this is because the shrinkage rate could be controlled by lowering the firing temperature. As described above, it was found that according to the present particle material, the porosity and shrinkage rate of the sintered body can be easily controlled.

Claims (12)

多孔質ジルコニア焼結体の製造方法であって、
ゲル状の水酸化ジルコニウムを含む第1の原料液に対して、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種以上のカルボン酸を加えて、ジルコ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前記水酸化ジルコニウムの少なくとも一部を熱分解して多孔質ジルコニア粒子を得る粒子化工程と、
前記多孔質ジルコニア粒子を用いて、ジルコニア材料を含む成形体を得る成形工程と、
前記成形体を焼成して前記多孔質ジルコニア粒子を焼結させて、多孔質ジルコニア焼結体を得る焼結工程と、
を備える、方法。
A method for producing a porous zirconia sintered body.
One or more carboxylic acids selected from the group consisting of acetic acid, citric acid, oxalic acid and malic acid are added to the first raw material solution containing gel-like zirconium hydride, and the zirconium-containing colloid is added. The raw material liquid preparation process for preparing the second raw material liquid, which is
A particle formation step of heating droplets of the second raw material liquid to thermally decompose at least a part of the zirconium hydride to obtain porous zirconia particles.
A molding step of obtaining a molded product containing a zirconia material using the porous zirconia particles, and
A sintering step of firing the molded body to sinter the porous zirconia particles to obtain a porous zirconia sintered body.
How to prepare.
前記多孔質ジルコニア焼結体は、容積基準の細孔径分布におけるピーク細孔径が0.1μm以上0.5μm以下であり、前記ピーク細孔径を中心として含む0.1μmの範囲に容積基準で全細孔の80%以上を含む、焼結体である、請求項1に記載の方法。 The porous zirconia sintered body has a peak pore diameter of 0.1 μm or more and 0.5 μm or less in the volume-based pore diameter distribution , and is completely fine in the range of 0.1 μm including the peak pore diameter as the center . The method of claim 1, wherein the sintered body comprises 80% or more of the pores. 前記焼結体の相対密度が50%以上である、請求項1又は2に記載の方法。 The method according to claim 1 or 2, wherein the relative density of the sintered body is 50% or more. 前記焼結体の比表面積が0.8m2/g以上である、請求項1~3のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the specific surface area of the sintered body is 0.8 m 2 / g or more. 前記カルボン酸は、クエン酸である、請求項1~4のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the carboxylic acid is citric acid. 前記第2の原料液は透明である、請求項1~5のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the second raw material liquid is transparent. 前記成形工程に先立って、前記粒子化工程で得られた前記多孔質ジルコニア粒子を加熱して前記粒子についての前記カルボン酸の消失程度、比表面積、収縮率及びジルコニアの結晶性からなる群から選択される1種又は2種以上の特性を調整する焼成工程を備える、請求項1~6のいずれかに記載の方法。 Prior to the molding step, the porous zirconia particles obtained in the particle formation step are heated and selected from the group consisting of the degree of disappearance of the carboxylic acid with respect to the particles, the specific surface area, the shrinkage rate and the crystallinity of zirconia. The method according to any one of claims 1 to 6, comprising a firing step for adjusting the characteristics of one or more of the particles. 多孔質ジルコニア焼結体を得るための材料の製造方法であって、
ゲル状の水酸化ジルコニウムを含む第1の原料液に対して、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種以上のカルボン酸を加えて、ジルコ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前記水酸化ジルコニウムの少なくとも一部を熱分解して多孔質ジルコニア粒子を得る粒子化工程と、
前記粒子化工程で得られた前記多孔質ジルコニア粒子をさらに加熱して前記多孔質ジルコニア粒子についての前記カルボン酸の消失程度、比表面積、収縮率及びジルコニアの結晶性からなる群から選択される1種又は2種以上の特性を調整する焼成工程と、
を備える、方法。
A method for manufacturing a material for obtaining a porous zirconia sintered body.
One or more carboxylic acids selected from the group consisting of acetic acid, citric acid, oxalic acid and malic acid are added to the first raw material solution containing gel-like zirconium hydride, and the zirconium-containing colloid is added. The raw material liquid preparation process for preparing the second raw material liquid, which is
A particle formation step of heating droplets of the second raw material liquid to thermally decompose at least a part of the zirconium hydride to obtain porous zirconia particles.
The porous zirconia particles obtained in the particle formation step are further heated and selected from the group consisting of the degree of disappearance of the carboxylic acid with respect to the porous zirconia particles, the specific surface area, the shrinkage rate and the crystallinity of zirconia 1. A firing step that adjusts the properties of a seed or two or more species,
How to prepare.
多孔質ジルコニア焼結体であって、
容積基準の細孔径分布におけるピーク細孔径が0.1μm以上0.5μm以下であって、前記ピーク細孔径を中心として含む0.1μmの範囲に容積基準で全細孔の80%以上を含み、開気孔率が15%以上である、焼結体。
Porous zirconia sintered body
The peak pore diameter in the volume-based pore size distribution is 0.1 μm or more and 0.5 μm or less, and 80% or more of the total pores are included in the range of 0.1 μm including the peak pore diameter as the center . A sintered body having an open porosity of 15% or more.
相対密度が50%以上である、請求項に記載の焼結体。 The sintered body according to claim 9 , wherein the relative density is 50% or more. 比表面積が0.8m2/g以上である、請求項又は10に記載の焼結体。 The sintered body according to claim 9 or 10 , wherein the specific surface area is 0.8 m 2 / g or more. 多孔質ジルコニア層と緻密質ジルコニア層との積層体の製造方法であって、
多孔質ジルコニア粒子を含む多孔質ジルコニア材料層と、緻密質ジルコニア材料層との積層体を焼成して一体化する工程、
を備え、
前記多孔質ジルコニア粒子を、以下の工程;
ゲル状の水酸化ジルコニウムを含む第1の原料液に対して、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種以上のカルボン酸を加えて、ジルコ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前記水酸化ジルコニウムの少なくとも一部を熱分解して前記多孔質ジルコニア粒子を得る粒子化工程と、
前記粒子化工程で得られた前記多孔質ジルコニア粒子を加熱して、前記多孔質ジルコニア粒子についての前記カルボン酸の消失程度、比表面積、収縮率及びジルコニアの結晶性からなる群から選択される1種又は2種以上の特性を調整する焼成工程と、
を備える、方法。
A method for producing a laminate of a porous zirconia layer and a dense zirconia layer.
A process of firing and integrating a laminate of a porous zirconia material layer containing porous zirconia particles and a dense zirconia material layer.
Equipped with
The porous zirconia particles are subjected to the following steps;
One or more carboxylic acids selected from the group consisting of acetic acid, citric acid, oxalic acid and malic acid are added to the first raw material solution containing gel-like zirconium hydride, and the zirconium-containing colloid is added. The raw material liquid preparation process for preparing the second raw material liquid, which is
A particle formation step of heating droplets of the second raw material liquid to thermally decompose at least a part of the zirconium hydride to obtain the porous zirconia particles.
The porous zirconia particles obtained in the particle formation step are heated and selected from the group consisting of the degree of disappearance of the carboxylic acid with respect to the porous zirconia particles, the specific surface area, the shrinkage rate and the crystallinity of zirconia 1. A firing step that adjusts the properties of a seed or two or more species,
How to prepare.
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