JPWO2016084723A1 - 板状アルミナ粉末の製法及び板状アルミナ粉末 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)粒径・厚み・アスペクト比
下記2.の各実験例で得た板状アルミナ粉末に含まれる粒子の平均粒径、平均厚み、アスペクト比は、走査型電子顕微鏡(SEM)で板状アルミナ粉末中の任意の粒子100個を観察して決定した。平均粒径は、粒子板面の長軸長の平均値、平均厚みは、粒子の短軸長(厚み)の平均値、アスペクト比は平均粒径/平均厚みを算出したものである。板状のα−アルミナ粒子の模式図を図1に示す。図1(a)は平面図、図1(b)は正面図である。板状のα−アルミナ粒子は、平面視したときの形状が略六角形状であり、その粒径は図1(a)に示したとおりであり、厚みは図1(b)に示したとおりである。
各実験例で得た板状アルミナ粉末に含まれる元素のうち、Fは熱加水分解−イオンクロマトグラフ法、C,Sは燃焼(高周波加熱)−赤外線吸収法、Nは不活性ガス融解−熱伝導度法、Hは不活性ガス融解−非分散型赤外線吸収法により定量分析し、その他の元素(主にSi,Fe,Ti,Na,Ca,Mg,K,P,V,Cr,Mn,Co,Ni,Cu,Zn,Y,Zr,Pb,Bi,Li,Be,B,Cl,Sc,Ga,Ge,As,Se,Br,Rb,Sr,Nb,Mo,Ru,Rh,Pd,Ag,Cd,In,Sn,Sb,Te,Cs,Ba,Hf,Ta,W,Ir,Pt,Au,Hg,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu)はICP発光分析により定量分析した。
C,S:炭素・硫黄分析装置(LECO製 CS844)を用いて燃焼(高周波加熱)−赤外線吸収法にて分析した。
N:酸素・窒素分析装置(堀場製作所製 EMGA−650W)を用いて、不活性ガス融解−熱伝導度法にて分析した。
H:水素分析装置(堀場製作所製 EMGA−921)にて不活性ガス融解−非分散型赤外線吸収法にて分析した。
F:熱加水分解−イオンクロマトグラフ法にて分析した。JISR1675に準拠した熱加水分解法にて板状アルミナ粉末を加熱し、イオンクロマトグラフィー(サーモフィッシャーサイエンス製IC−2000)にて分析した。
上記以外の不純物元素(主にSi,Fe,Ti,Na,Ca,Mg,K,P,V,Cr,Mn,Co,Ni,Cu,Zn,Y,Zr,Pb,Bi,Li,Be,B,Cl,Sc,Ga,Ge,As,Se,Br,Rb,Sr,Nb,Mo,Ru,Rh,Pd,Ag,Cd,In,Sn,Sb,Te,Cs,Ba,Hf,Ta,W,Ir,Pt,Au,Hg,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu):JISR1649に準拠した加圧硫酸分解法にて板状アルミナ粉末を溶解し、ICP発光分析装置(日立ハイテクサイエンス製 PS3520UV−DD)にて分析した。
各実験例で得た板状アルミナ粉末の結晶相は、X線回折装置(BRUKER製、D8 ADVANCE)を用いて2θ/θ測定によって得たX線回折スペクトルから同定した。ここでは、CuKα線を用いて、管電流40mA、管電圧40kVという条件で、2θ/θ=20°〜70°で測定した。
種結晶の平均粒径(D50)は粒度分布測定装置(日機装製、MT3300II)を用いて測定した。
凝集の有無は、上記1.(1)と同様、SEMで板状アルミナ粉末中の粒子を観察して決定した。凝集とは、板状粒子が板状形状を保ったまま、板状粒子同士が固着する状態であり、物理的、化学的に結合した状態を指す。ネッキングなども含まれる。
(1)実験例1
高純度γ−アルミナ粉末(TM−300D、大明化学製)96質量部と、高純度AlF3粉末(関東化学製、鹿特級)4質量部と、種結晶として高純度α−アルミナ粉末(TM−DAR、大明化学製、D50=0.1μm)0.17質量部とを、溶媒をIPA(イソプロピルアルコール)としてφ2mmのアルミナボールを用いて5時間ポットミルで混合した。使用した高純度γ−アルミナと高純度AlF3と高純度α−アルミナ中の純度を評価したところ、Al,O,F,H,C,S以外の各不純物元素は質量割合で10ppm以下、得られた混合粉末中の不純物元素の合計は1000ppm以下であった。得られた混合粉末300gを純度99.9質量%の高純度アルミナ製のさや(容積750cm3)に入れ、純度99.9質量%の高純度アルミナ製の蓋をして電気炉内でエアフロー中、900℃、3時間熱処理してアルミナ粉末を得た。エアの流量は25000cc/minとした。図2にこのときの実験装置の模式図を示す。AlF3質量をさやの体積(容器体積)で除した値(AlF3質量/容器体積)は0.016g/cm3であった。
熱処理温度を700℃にした以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。得られた粉末の結晶相は、γ−アルミナとα−アルミナが混在していた。
熱処理温度を750℃にした以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例1と比べて、不純物量が同等でアスペクト比が小さくF含有量がやや多い板状アルミナ粉末であった。
熱処理温度を1650℃にした以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例1と比べて、不純物量が同等でアスペクト比が小さくF含有量が少ない板状アルミナ粉末であった。
熱処理温度を1700℃にした以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。得られた粉末を構成する粒子は、アスペクト比が2.5しかないα−アルミナ粒子であった。
高純度γ−アルミナ粉末に代えて、ギブサイト粉末(CL−303、住友化学製)を用いたこと以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例1と比べて、F含有量が多くアスペクト比が僅かに小さく不純物量がやや多い板状アルミナ粉末であった。なお、熱処理前の混合粉末中の不純物元素の合計は1000ppm以下であった。また、得られた板状アルミナ粉末にはFeが120ppm、Naが310ppm、Caが40ppm含まれており、それ以外の各不純物元素は10ppm以下であった。
高純度γ−アルミナ粉末に代えて、ベーマイト粉末(VK−BG613、宣城晶瑞新材料有限公司製)を用いたこと以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例1と比べて、アスペクト比がやや小さく不純物量がやや多く、F含有量が同等な板状アルミナ粉末であった。なお、熱処理前の混合粉末中の不純物元素の合計は1000ppm以下であった。また、得られた板状アルミナ粉末にはFeが60ppm、Siが60ppm含まれており、それ以外の各不純物元素は10ppm以下であった。
熱処理時の雰囲気を大気中から窒素中に変えたこと以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例1と比べて、不純物量及びF含有量が同等でアスペクト比が小さい板状アルミナ粉末であった。
高純度γ−アルミナ粉末と高純度AlF3粉末とをそれぞれ99.8質量部、0.20質量部用いた以外は実験例1と同様にして混合粉末を作製した。このときのAlF3質量/容器体積は0.0008g/cm3であった。得られた粉末を構成する粒子は、F含有量は少ないが、アスペクト比が2しかないα−アルミナ粒子であった。
高純度γ−アルミナ粉末と高純度AlF3粉末とをそれぞれ99.75質量部、0.25質量部用いた以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。このときのAlF3質量/容器体積は0.001g/cm3であった。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例1と比べて、不純物量が同等で、アスペクト比が小さくF含有量の少ない板状アルミナ粉末であった。なお、熱処理前の混合粉末中の不純物元素の合計は1000ppm以下であった。
高純度γ−アルミナ粉末と高純度AlF3粉末とをそれぞれ50質量部、50質量部用いた以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。このときのAlF3質量/容器体積は0.2g/cm3であった。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例1と比べて、アスペクト比及び不純物量が同等で、F含有量が多い板状アルミナ粉末であった。なお、熱処理前の混合粉末中の不純物元素の合計は1000ppm以下であった。
熱処理時に蓋をしなかったこと以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、結晶相がγ−アルミナのままであった。
混合粉末量を1.5gにしたこと以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。このときのAlF3質量/容器体積は0.008g/cm3であった。得られた粉末は、結晶相がγ−アルミナのままであった。
混合粉末量を1.9gにしたこと以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。このときのAlF3質量/容器体積は0.0001g/cm3であった。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例1と比べて、不純物量が同等でアスペクト比が小さくF含有量が少ない板状アルミナ粉末であった。
種結晶として高純度α−アルミナ粉末を入れなかったこと以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例1と比べて、不純物量及びF含有量が同等でアスペクト比が小さい板状アルミナ粉末であった。なお、熱処理前の混合粉末中の不純物元素の合計は1000ppm以下であった。
種結晶を高純度α−アルミナ粉末(AKP−20、住友化学製、D50=0.5μm)にしたこと以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例1と比べて、不純物量及びF含有量が同等でアスペクト比が僅かに小さい板状アルミナ粉末であった。なお、熱処理前の混合粉末中の不純物元素の合計は1000ppm以下であった。
種結晶を高純度α−アルミナ粉末(LS−210、日本軽金属製、D50=3.6μm)にしたこと以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例1と比べて、不純物量及びF含有量が同等でアスペクト比が小さい板状アルミナ粉末であった。なお、熱処理前の混合粉末中の不純物元素の合計は1000ppm以下であった。実験例1,16,17の結果から、種結晶の粒径D50が大きいほどα−アルミナ粒子の厚みが大きく傾向を示すことがわかった。
種結晶添加量を0.67質量部としたこと以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例1と比べて、不純物量及びF含有量が同等でアスペクト比が小さい板状アルミナ粉末であった。なお、熱処理前の混合粉末中の不純物元素の合計は1000ppm以下であった。
種結晶添加量を0.04質量部にしたこと以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例1と比べて、不純物量及びF含有量が同等でアスペクト比が小さい板状アルミナ粉末であった。実験例1,18,19の結果から、種結晶の添加量が多いほどα−アルミナ粒子の粒径が小さくなる傾向を示すことがわかった。なお、熱処理前の混合粉末中の不純物元素の合計は1000ppm以下であった。
さやと蓋の材質を純度99.5質量%のアルミナ製にしたこと以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例1と比べて、アスペクト比及び不純物量が同等で不純物量がわずかに多い板状アルミナ粉末であった。また、得られた板状アルミナ粉末にはZrが15ppm含まれており、それ以外の各不純物元素は10ppm以下であった。
熱処理後に純度99.9質量%のアルミナ製のさやに入れ、大気中、450℃で40時間アニール処理をしたこと以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、実験例1と同等の板状アルミナ粉末であった。
アニール条件を大気中900℃で200時間とした以外は実験例21と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例1,21と比べて、アスペクト比及び不純物量が同等でF含有量が非常に少ない板状アルミナ粉末であった。
アニール条件を大気中1200℃で43時間とした以外は実験例21と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例1,21と比べて、アスペクト比が若干小さく不純物量が同等でF含有量がきわめて少ない板状アルミナ粉末であった。
アニール条件を大気中1350℃で43時間とした以外は実験例21と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例1,21と比べて、不純物量が同等でアスペクト比が小さくF含有量が検出限界以下の板状アルミナ粉末であった。
アニール条件を大気中1400℃で43時間とした以外は実験例21と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、実験例1,21と比べて、不純物量が同等でF含有量が検出限界以下であったがアスペクト比が2.8しかないα−アルミナ粉末であった。
アニール処理後、ポットミルで解砕した以外は実験例23と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、実験例23と比べて、アスペクト比が小さくなったものの凝集がなくなっていた。
アニール処理前、ポットミルで解砕した以外は実験例23と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、実験例23と比べて、アスペクト比が小さくなっただけで凝集していた。実験例26,27から、アニール処理を行う場合、凝集を解消するにはアニール処理後に解砕する必要があることがわかった。
板状アルミナ粉末合成後、ポットミルで解砕した以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、実験例1と比べて、アスペクト比がやや小さくなったものの、凝集はなくなっていた。この結果から、アニール処理を行わない場合、凝集を解消するには熱処理後に解砕すればよいことがわかった。
混合粉末量を18.8gとした以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。このときのAlF3質量/容器体積は0.001g/cm3であった。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例1と比べて、不純物量及びF含有量が同等でアスペクト比が小さい板状アルミナ粉末であった。
高純度γ−アルミナと高純度AlF3とをそれぞれ99.8質量部、0.20質量部用いたこと及び混合粉末量を375gとしたこと以外は、実験例1と同様にして粉末を作製した。このときのAlF3質量/容器体積は0.001g/cm3であった。得られた粉末は、実験例1と比べて、不純物量及びF含有量が同等だったが、アスペクト比が2.4しかなく、板状とはいえないα−アルミナ粒子の粉末であった。実験例9,10,29,30の結果から、板状アルミナ粉末を合成するには、AlF3質量/容器体積が0.001g/cm3以上で且つ混合粉末中のAlF3量が0.25質量%以上必要なことがわかった。
アニール条件を大気中500℃で200時間とした以外は実験例21と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例1,21と比べて、アスペクト比及び不純物量が同等でF含有量が少ない板状アルミナ粉末であった。実験例21〜25、31の結果から、α−アルミナ粒子の板状を維持しつつF含有量を低減又は消失させるためには、アニール時の温度を500〜1350℃に設定するのが好ましいことがわかった。
高純度γ−アルミナ粉末と高純度AlF3粉末とをそれぞれ97.8質量部、2.2質量部用いた以外は実験例1と同様にして混合粉末を作製した。このときのAlF3質量/容器体積は0.0088g/cm3であった。得られた粉末は、板状のα−アルミナ粒子で構成された板状アルミナ粉末であった。
熱処理後に純度99.5質量%のアルミナ製のさやに入れ、大気中、1150℃で43時間アニール処理をしたこと以外は実験例1と同様にして粉末を作製した。得られた粉末は、実験例1と同等の板状アルミナ粉末であった。具体的には、実験例32と比べて、アスペクト比が若干小さく不純物量が同等でF含有量が非常に少ない板状アルミナ粉末であった。
Claims (9)
- (a)ギブサイト、ベーマイト及びγ−アルミナからなる群より選ばれる少なくとも1種の遷移アルミナ粉末とAlF3粉末とを、AlF3の含有率が0.25質量%以上となるように混合して、Al,O,F,H,C,S以外の元素の合計が1000ppm以下の混合粉末を得る工程と、
(b)容器として、前記混合粉末に含まれるAlF3の質量を前記容器の体積で除した値が1×10-4g/cm3以上になるものを用意し、前記混合粉末を前記容器に入れて蓋をするか、前記混合粉末を前記容器に入れて密閉するか、又は前記混合粉末を多孔質材料からなる容器に閉じ込め、750〜1650℃で熱処理することにより板状のα−アルミナ粉末を得る工程と、
を含む板状アルミナ粉末の製法。 - 前記工程(a)で、前記混合粉末に含まれるAl,O,F,H,C,S以外の各元素の質量割合が10ppm以下である、
請求項1に記載の板状アルミナ粉末の製法。 - 前記工程(a)で、前記混合粉末中に種結晶としてα−アルミナ粒子を添加する、
請求項1又は2に記載の板状アルミナ粉末の製法。 - 前記工程(b)で、前記容器は99.5質量%以上がアルミナである、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の板状アルミナ粉末の製法。 - 前記工程(b)で、前記熱処理の後に前記板状アルミナの解砕処理を行う、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の板状アルミナ粉末の製法。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の板状アルミナ粉末の製法であって、
(c)前記工程(b)で得られた前記板状アルミナを大気、不活性又は真空の雰囲気下で500〜1350℃でアニール処理する工程
を含む板状アルミナ粉末の製法。 - 前記工程(c)で、アニール処理の後に前記板状アルミナの解砕処理を行う、
請求項6に記載の板状アルミナ粉末の製法。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の製法で作製した板状アルミナ粉末であって、
前記板状アルミナ粉末を構成する板状のα−アルミナ粒子は、c軸に直交する結晶面が平板状に成長しており、平均粒径D50が0.3〜50μm、板面の粒径/厚みで表されるアスペクト比が3〜500である、
板状アルミナ粉末。 - Al,O,H,F,C,S以外の各元素の質量割合が10ppm以下である、
請求項8に記載の板状アルミナ粉末。
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