JPH06115938A - 低次酸化チタンの製造方法 - Google Patents

低次酸化チタンの製造方法

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JPH06115938A
JPH06115938A JP26692492A JP26692492A JPH06115938A JP H06115938 A JPH06115938 A JP H06115938A JP 26692492 A JP26692492 A JP 26692492A JP 26692492 A JP26692492 A JP 26692492A JP H06115938 A JPH06115938 A JP H06115938A
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titanium
powder
hydrogen
black
gas
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JP26692492A
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Shuichi Yo
修一 揚
Mitsuhiro Matsufuji
充博 松藤
Noboru Okamoto
昇 岡本
Goji Sakaguchi
剛司 阪口
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Nippon Steel Corp
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Sumitomo Sitix Corp
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G23/00Compounds of titanium
    • C01G23/04Oxides; Hydroxides
    • C01G23/043Titanium sub-oxides

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Abstract

(57)【要約】 【目的】黒色顔料等に用いられる低次の酸化チタンの粉
末を安価に製造する方法の提供。 【構成】二酸化チタンを、水素と四塩化チタンとの混合
ガスで還元する。例えば図1の流動層式反応炉を用い、
水素と、モル比で水素/四塩化チタンが2〜500 の四塩
化チタンを含む還元性雰囲気中で還元する。黒色の酸化
チタンを得る場合は、還元温度を 800〜1400℃、好まし
くは 900〜1050℃とする。 【効果】従来の水素還元法によるよりも低温で、したが
って安価に製造することができる。この粉末は、耐酸化
性(耐熱性)にも優れ、従来よりも高温域での用途に適
用できる利点もある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、黒色顔料等に使用され
る低次酸化チタンの粉末を製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、カーボンブラックや四三酸化鉄(F
e2O3) に替わる黒色顔料として、黒色の低次酸化チタン
粉末が注目されている。
【0003】カーボンブラックや四三酸化鉄は安価で優
れた黒色顔料であり、広く使用されているが、カーボン
ブラック粉末には極性がないため各種の分散液中での分
散性が悪く、比重が極端に小さいため、他の顔料と混合
して用いる場合均一な分散状態を維持することが難しい
という欠点ももっている。また、製法に由来する不純物
として発ガン性の強いベンツピレンが残留しており、化
粧品、食品、医薬品など、直接人体に係わるものに使用
する顔料としては好ましくない。一方、四三酸化鉄の粉
末は熱安定性が低く、γ−Fe2O3 に酸化されやすい。
【0004】カーボンブラックや四三酸化鉄が有するこ
れらの問題を解決する顔料として、黒色の酸化チタンの
粉末からなる顔料が開発されている。この黒色酸化チタ
ンの粉末はTiOx(1<x<2)で示される低次酸化チタ
ンで、Ti2O3 、Ti3O5 、TiOなどの粉末、あるいはそれ
らが2種以上混在した粉末であり、白色顔料として現在
大量に使用されている二酸化チタン(TiO2)とほぼ同様
な顔料特性をもっているので、白色二酸化チタンで蓄積
された使用のノウハウをそのまま利用できる長所があ
る。黒色酸化チタンは人体に対して無害であり、かつ各
種の分散液中での分散性、ならびに、他の顔料との混合
性に優れているなど、顔料としてはカーボンブラックよ
りも優れた点が多く、今後の需要増が期待されている。
【0005】黒色酸化チタン(TiOx(1<x<2))の
粉末は、従来、下記 (1)の反応式に従い、白色の二酸化
チタン(TiO2)の粉末を高温で還元することにより製造
されている。
【0006】 TiO2(固体粉末)+H2(ガス) →TiOx(固体粉末)+ H2O(ガス) (1<x<2) ・・・(1) 還元処理時のガスとしては水素(H2)ガスや窒素(N2
ガスなどが使用されているが、水素ガスや窒素と水素の
混合ガス雰囲気中で二酸化チタンの還元反応を進めるに
は、1100℃以上、好ましくは1200〜1400℃程度の高温と
することが必要で、処理設備の材質が限定される上に、
エネルギー使用量が大きいため製造コストが高くなると
いう問題があった。このため、比較的簡単な設備で、安
価に低次酸化チタンの粉末を製造できる方法が必要とさ
れていた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、黒色
顔料等に用いられる低次の酸化チタンの粉末を安価に製
造できる方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の目
的を達成するために、前記 (1)の反応式に従って二酸化
チタンを還元する従来の水素還元法について検討を加え
た結果、還元ガス中に四塩化チタン(TiCl4) をガス状で
添加すると、 800℃付近から黒色化が起こり、還元反応
を従来よりも低温度域で行わせることが可能であること
を見出した。
【0009】本発明はこの知見に基づいてなされたもの
で、その要旨は、『二酸化チタンを、水素と四塩化チタ
ンとの混合ガスで還元することを特徴とする低次酸化チ
タンの製造方法』にある。
【0010】黒色顔料として用いる低次酸化チタンを得
る場合は、還元を 800〜1400℃で行えばよい。又、灰色
系の顔料を得るには 600℃以上で 800℃未満の温度域で
行えばよい。又、水素/四塩化チタンがモル比で2〜50
0 である混合ガスで還元反応を行わせるのが最適であ
る。
【0011】低次の酸化チタンとは、前記のように、Ti
2O3 、Ti3O5 、TiO などの粉末、あるいはそれらが2種
以上混在した粉末で、TiOx(1<x<2)で表され、二
酸化チタンに比較して酸化度の低い酸化チタンをいう。
【0012】また、水素と四塩化チタンとの混合ガスと
は、水素と四塩化チタンのみからなる還元性ガスはもち
ろんのこと、その他に、N2、Ar、Heなど、前記の還元性
ガスと反応しない不活性ガスを含むガスであってもよ
い。
【0013】
【作用】上記のように、本発明は、二酸化チタンを水素
だけではなく、さらに四塩化チタン(TiCl4) を含有する
雰囲気中で加熱して、低次酸化チタン(TiOx(1<x<
2))とする方法である。このとき生じる反応は、下記
(2)式で示される。
【0014】 TiO2(固体粉末)+H2(ガス)+ TiCl4(ガス) →TiOx(固体粉末)+ HCl(ガス) (1<X<2) ・・・ (2) 以下、本発明を図に基づいて詳細に説明する。
【0015】図1は、本発明を実施するための装置の一
例の構成を示す図である。この図において、1は石英製
の反応管(加熱炉)で、外周部に電気ヒーター2を有し
ており、炉内を所定温度に加熱することができる。ま
た、予熱された水素および四塩化チタンを含有するガス
を炉の底部から炉内に導入できるようになっている。排
ガスは炉の上方部から排出される。
【0016】この装置を用いて本発明方法を実施するに
は、炉内に二酸化チタンの粉末を容れ、炉の底部から窒
素ガスを送通して二酸化チタンの粉末を 400℃まで昇温
する。次いで、モル比で水素/四塩化チタンが2〜500
の混合ガスの送通を開始し、窒素ガスの送通を停止し
て、粉体層の温度を 400℃から、黒色の低次酸化チタン
を得る場合には、 800〜1400℃、好ましくは 900〜1050
℃まで上昇させる。又、灰色粉末を得る場合には 600℃
以上で 800℃未満の温度域まで昇温させる。これによっ
て、前記(2) の反応が進行し、黒色または灰色の低次酸
化チタンの粉末が得られる。ただし、この粉末には四塩
化チタンの分解で生じた塩素が残留しているので、これ
を除去するため、反応管の温度を 400〜700 ℃まで低下
させ、四塩化チタンの送通を停止して水素ガスだけを30
〜120 分間送通した後、室温まで冷却する。水素ガスの
他に、Arガス、窒素ガスなど、得られる粉末に対して不
活性なガスを流通させながら 400〜700 ℃の温度域で加
熱してもよい。
【0017】水素と四塩化チタンとの混合ガスによる還
元の際、水素/四塩化チタンのモル比が2未満では排ガ
ス中の未反応の四塩化チタンが増加し、また、 500を超
えると還元処理に長時間を要するため製造コストが高く
なる。従って、混合ガスにおける水素/四塩化チタンの
モル比は、2〜500 とするのが最適であり、特に、2〜
300 とするのが好ましい。
【0018】黒色顔料として用いる低次酸化チタンを得
る場合は、還元温度は 800〜1400℃、好ましくは 900〜
1050℃とする。 800℃未満では得られる粉末の色が濃灰
色程度に留まり黒色にはならず、1400℃を超えると使用
できる炉材が限定され、設備が高価なものになるととも
に、エネルギー消費量が大きく製造コストが高くなる。
灰色系の顔料が必要な場合には、還元を 800℃未満の温
度域で行えばよい。
【0019】この方法で得られる粉末は、後述の実施例
で示すように、黒色顔料として充分な黒色度を有してお
り、あるいは灰色顔料として良好なものである。また、
粉末の粒子サイズも0.02〜10μmと微細であり、黒色顔
料あるいは灰色顔料として使用できるサイズとなってい
る。
【0020】さらに、本発明方法で得られる黒色粉末あ
るいは灰色粉末は耐酸化性にも優れている。耐酸化性が
高いほど高温域で使用できるので、耐酸化性は顔料の重
要な特性の一つである。
【0021】図2は、後述の実施例と同じ条件で製造し
た黒色粉末と従来の水素還元法で得られた黒色粉末につ
いて、耐酸化性の比較試験を行った結果を示す図であ
る。耐酸化性は、粉末を大気中で電気炉により0〜 600
℃の範囲で設定温度を変えて2時間加熱し、各温度にお
ける粉末の黒色度の変化を分光光度計および積分球を用
いて明度L* 値として測定することにより判定した。L
* 値が低いほど黒色度が強く、L* 値が高くなるにつれ
て白色を呈する。
【0022】図2の結果から、本発明方法で作製した粉
末は 400℃まで酸化されずに黒色を保っているが、四塩
化チタンを添加しない従来の水素還元法で得られた黒色
粉末は 300℃で酸化が始まり、白色化が進んでいること
がわかる。
【0023】この耐酸化特性の違いは、次のような理由
によるものと推察される。すなわち、従来の水素還元法
では、水素により二酸化チタンの結晶から酸素が H2Oと
して脱離し、酸素が脱離した部分が不安定な欠陥となっ
ており、従って、酸化処理によってこの酸素が脱離した
欠陥部に酸素が容易に再結合する。これに対して、本発
明の四塩化チタンを添加する方法では、四塩化チタンが
二酸化チタンの酸素と結合して新たに安定な結晶構造を
もった低次酸化チタンを形成し、二酸化チタンの表面を
被覆するので、優れた耐酸化性を示す。つまり、従来の
水素還元法では二酸化チタンの酸素が引き抜かれて低次
酸化チタンの層が形成され、黒色化するが、本発明の四
塩化チタンを添加する還元法では、低次酸化チタンの層
が新たに形成され、黒色化するものと考えられる。
【0024】なお、二酸化チタンの還元に対する四塩化
チタンの効果は二酸化チタンが粉末の場合に限らず、膜
状、針状などどのような形状であってもよい。従って、
本発明を実施するための装置も、図1に示したような、
二酸化チタン(TiO2)と水素(H2)および四塩化チタン
(TiCl4)との反応を流動層を形成させて行わせる装置に
限らず、二酸化チタンを固定層とし、これに水素および
四塩化チタンを通過させ、反応させる装置、あるいは攪
拌流動層により反応させる装置を採用してもよい。
【0025】
【実施例1】図1に示した構成を有する装置(加熱炉は
内径 100mm、高さ1200mmの透明石英管)を使用し、炉内
に市販の白色二酸化チタン粉末(表面無処理品)200gを
容れ、窒素ガスを1 Nリットル/min送通し、流動層を形
成させ、これを 400℃まで昇温した。 400℃に達した
後、窒素ガスの送通を停止し、モル比で水素/四塩化チ
タンが 100となるように調整した混合ガス(還元ガス)
を1 Nリットル/min 送通しながら1000℃まで昇温し、
3時間保持した。その後、流動層の温度を 500℃まで低
下させ、四塩化チタンの送通を停止し、水素ガスを流量
2 Nリットル/minで1時間流して残留塩素を除去した。
その後、室温まで冷却して黒色の粉末を約205g回収し
た。
【0026】この粉末の黒色度を分光光度計および積分
球を用いて測定したところ粉末の明度L* 値は約14とな
っており、黒色顔料として好適なものであることが確認
出来た。
【0027】
【実施例2】還元ガスの水素/四塩化チタンのモル比を
50とした他は実施例1と同じ条件で還元処理を行い、黒
色の粉末 200gを得た。
【0028】この粉末の黒色度を実施例1と同様に測定
したところ、明度L* 値は約13で、黒色顔料として好適
なものであった。
【0029】
【実施例3】還元ガスの水素/四塩化チタンのモル比を
3とした以外は実施例1と同じ条件で還元処理を行い、
黒色の粉末 200gを得た。
【0030】得られた粉末の黒色度を実施例1と同様に
測定したところ、明度L* 値は約14であった。また、こ
の粉末は特に青黒い色調を持っており、青黒顔料として
好適に使用できるものであった。
【0031】
【実施例4】還元温度を 800℃として以外は実施例1と
同じ条件で還元処理を行い、黒色の粉末 200gを得た。
【0032】得られた粉末の黒色度を実施例1と同様に
測定したところ、明度L* 値は約24で、黒色度が若干悪
い結果となったが、黒色顔料として使用できる範囲であ
った。
【0033】
【実施例5】還元温度を 700℃とした以外は実施例1と
同じ条件で還元処理を行い、灰色の粉末 200gを得た。
【0034】この粉末の黒色度を測定したところ、明度
* 値は約35で、灰色顔料として良好なものであった。
【0035】
【比較例1】還元ガスとして四塩化チタンを添加せず水
素ガスだけを使用した以外は実施例1と同じ条件で還元
処理を行い、黒色の粉末 180gを得た。
【0036】得られた粉末の明度L* 値を測定したとこ
ろ、68となっており、外観もほぼ白色粉末のままで、黒
色顔料としては不適当なものであった。
【0037】
【発明の効果】本発明方法を適用することにより、黒色
の低次酸化チタンの粉末を従来の水素還元法によるより
も低温で、したがって安価に製造することができる。こ
の粉末は、耐酸化性(耐熱性)に優れ、黒色顔料として
好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を実施するための装置の一例の構成を示
す図である。
【図2】本発明方法により製造した黒色酸化チタンの粉
末と従来法により製造した黒色酸化チタンの粉末の耐酸
化性の比較図である。
【符号の説明】
1:石英反応管、2:電気ヒーター、3:流動層。
フロントページの続き (72)発明者 阪口 剛司 兵庫県尼崎市東浜町1番地大阪チタニウム 製造株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】二酸化チタンを、水素と四塩化チタンとの
    混合ガスで還元することを特徴とする低次酸化チタンの
    製造方法。
  2. 【請求項2】還元を 600〜1400℃で行う請求項1記載の
    低次酸化チタンの製造方法。
  3. 【請求項3】水素/四塩化チタンがモル比で2〜500 で
    ある請求項1または2に記載の低次酸化チタンの製造方
    法。
JP26692492A 1992-10-06 1992-10-06 低次酸化チタンの製造方法 Pending JPH06115938A (ja)

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Cited By (4)

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