JPWO2018047841A1 - 微粒子複合金属水酸化物、その焼成物、その製造方法及びその樹脂組成物 - Google Patents

微粒子複合金属水酸化物、その焼成物、その製造方法及びその樹脂組成物 Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明の課題は、水酸化マグネシウムの1次粒子の平均横幅を小さくしたときに生じる、耐酸性の弱さと1次粒子の凝集の克服である。【解決手段】本発明は、以下の(A)及び(B)を満たす下記式(1)で表される複合金属水酸化物を提供する。(Mg)1−X(M2+)X(OH)2(1)(ただし、式中M2+はCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znから選ばれる少なくとも1種以上の2価金属、Xの範囲は0<X<0.5である。)(A)SEM法による1次粒子の平均横幅が10nm以上200nm未満;(B)下記式で表わされる単分散度が50%以上;単分散度(%)=(SEM法よる1次粒子の平均横幅/動的光散乱法による2次粒子の平均横幅)×100【選択図】図3

Description

本発明は、1次粒子の平均横幅が小さく、1次粒子が分散し、かつ耐酸性の高い複合金属水酸化物、その焼成物、その製造方法及びその樹脂組成物に関する。
近年、水酸化マグネシウムをリチウムイオン電池のセパレータに使用する技術が普及している。非水電解質電池、特に非水電解質二次電池では、正極の分解に伴う発熱が最も危険と考えられており、この分解は300℃近傍で起こる。このため、吸熱反応の発生温度が300℃〜400℃の範囲である水酸化マグネシウムをセパレータに配合すれば、電池の発熱を防ぐ上で有効である。特許文献1では、無機フィラーとして、難燃性の向上効果、ハンドリング性、除電効果、電池の耐久性改善効果等の観点から、金属水酸化物を用いた態様が好ましく、中でも水酸化アルミニウム又は水酸化マグネシウムが好ましいこと、無機フィラーの平均粒子径は、高温時の耐短絡性や成形性等の観点から、0.1〜2μmの範囲が好ましいことが開示されている。
特許文献1ではさらに、リチウムイオン電池のセパレータの製造方法として、ポリオレフィン多孔質基材の少なくとも片面に耐熱性多孔質層を形成する方法が開示されている。より具体的には、無機フィラーを有機溶剤に分散させて、塗工用スラリーを作成し、ポリオレフィン多孔質基材に塗布する。塗工用スラリー中で無機フィラーが分散しないと均一な塗布膜が得られないため、無機フィラーには高い分散性が求められる。無機フィラーの分散性が好ましくないときに、無機フィラーをシランカップリング剤などで表面処理し、分散性を改善する手法を開示されている。
リチウムイオン電池の小型化に伴い、セパレータの薄膜化が必要となり、配合する無機フィラーも微粒子化が求められている。特許文献2では、水酸化マグネシウムを極薄の電池用セパレータ用途として用いる場合、平均粒径が大きくなると、セパレータの厚みにも反映されてしまうので、平均粒径は、0.8μm以下であることが好ましく、0.7μm以下であることがより好ましいこと、平均粒径が0.1μm以下のマグネシウム化合物も合成も可能であるが、このサイズでは、強い粒子間相互作用が発現し、多孔性セラミック層を形成する際の塗工プロセスに影響が出るため、好ましいとはいえないことが開示されている。
1次粒子の平均横幅が1μm以下の微粒子水酸化マグネシウムを合成する試みは種々行われてきた。例えば、特許文献3ではマイクロリアクターを用いて1次粒子の平均横幅が20〜50nm、2次粒子の平均横幅が1〜100nmの水酸化マグネシウムが合成されている。
また特許文献4では、同じくマイクロリアクターを用いてマグネシウム塩と水酸化物塩とを反応させることで、平均2次粒子径が25.4nmである水酸化マグネシウムが合成されている。
水酸化マグネシウムをリチウムイオン電池のセパレータに使用する際に問題となるのが、その耐酸性である。特許文献5では、電池内に微量に存在するフッ化水素(HF)が無機フィラーと反応して、無機フィラーの表面がフッ化され、その際に水が生成され、この水分が電解液や電極表面に形成されたSEI(Solid Electrolyte Interface)皮膜を分解すること、電解液やSEI皮膜が分解してしまうと、電池の内部抵抗が上昇し、充放電に必要なリチウムが失活するため、電池の耐久性が低下してしまうおそれがあることが開示されている。
特許文献6では、本発明と同様に、Mn、Fe、Co、Ni、Cu及びZnから選ばれた少なくとも1種の遷移金属の水酸化物を水酸化マグネシウムと複合させることにより、より具体的には両者の固溶体を形成させることにより、粒子の耐酸性を向上させることが開示されている。しかし、開示されている複合金属水酸化物の2次粒子径は0.2〜4μmであり、より薄膜のセパレータに使用するには、粒子径を0.2μm未満にする必要があった。しかし、これまで微粒子、高分散性、高純度でかつ耐酸性に優れた水酸化マグネシウムは提供されてこなかった。
WO2012−081556 A1 特開2016−62689 WO2013−122239 A1 特開2011−195384 特開2010−278018 特開平6−41441
本発明の課題は、水酸化マグネシウムの1次粒子の平均横幅を小さくしたときに生じる従来技術の問題である、耐酸性の弱さと1次粒子の凝集の克服である。このような課題を解決すると、より具体的には、(1)耐酸性の改善により、水酸化マグネシウムをリチウムイオン電池のセパレータ用途に使用した際に発生する、フッ化水素との反応を抑制し、電池の耐久性を保つこと、(2)分散性の改善により、薄膜化したときに凹凸のない耐熱性多孔質層を形成すること、が可能となる。
本発明は、上記課題を克服した、以下の(A)及び(B)を満たす下記式(1)で表される複合金属水酸化物を提供する。
(Mg)1−X(M2+(OH) (1)
(ただし、式中M2+はCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znから選ばれる少なくとも1種以上の2価金属、Xの範囲は0<X<0.5である。)
(A)SEM法による1次粒子の平均横幅が10nm以上200nm未満;
(B)下記式で表わされる単分散度が50%以上;
単分散度(%)=(SEM法よる1次粒子の平均横幅/動的光散乱法による2次粒子の平均横幅)×100
本発明の複合金属水酸化物の製造方法は、以下の(1)〜(4)の工程を含む。
(1)水溶性マグネシウム塩水溶液と、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znから選ばれる少なくとも1種以上の水溶性金属塩水溶液を混合し、水溶性複合金属塩水溶液を得る原料調整工程。
(2)(1)で得られた水溶性複合金属塩水溶液と、アルカリ金属水酸化物水溶液を反応させ、生成物を含むスラリーを得る反応工程。
(3)(2)で得られた生成物を含むスラリーを、0〜100℃で1〜24時間攪拌保持する熟成工程。
(4)(3)で得られた熟成後の生成物を含むスラリーを、湿式粉砕する湿式粉砕工程。
湿式粉砕の後にアニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、リン酸エステル系処理剤、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤、アルミニウムカップリング剤、シリコーン系処理剤、ケイ酸ナトリウムからなる群より選ばれる1種以上で表面処理をすることで、更に耐酸性を高めることができ、かつ乾燥時の1次粒子の凝集を防止することができる。
本発明の複合金属水酸化物は、水酸化マグネシウムの1次粒子の平均横幅を小さくしたときに生じる従来技術の問題である、耐酸性の弱さと1次粒子の凝集の克服をすることができる。
このため、リチウムイオン電池のセパレータに配合することで、セパレータの膜厚を抑えつつ、フッ化水素との反応を抑制し、電池の安全性を高めることができる。また本発明の複合金属水酸化物は、難燃剤としても好適に用いることができる。微粒子高分散ゆえに樹脂への配合量を減らすことができ、かつ樹脂の耐酸性を向上させることができる。
本発明の複合金属水酸化物は、抗菌剤、口腔内殺菌剤、熱伝導フィラー、ファインセラミックス原料、吸着剤等の各種用途にも好適に用いることができる。また本発明の複合金属水酸化物を焼成することで、微粒子、高分散かつ耐酸性の高い、複合金属酸化物を作製することができる。該酸化物は、微粒子、高分散のため、医薬用胃腸薬、合成ゴムや接着剤の受酸剤、FRP製造用の増粘剤、電磁鋼板製造用の添加剤、熱伝導フィラー、マグネシア砥石材料、ファインセラミックス原料、ブレーキ材料、吸着剤等の各種用途に好適に用いることができる。
SEM法を用いた場合の、1次粒子の横幅の測り方の模式図である。 動的光散乱法を用いた場合の、2次粒子の横幅の測り方の模式図である。 実施例1のサンプル1の複合金属水酸化物の100000倍のSEM写真である。 実施例33のサンプル23の複合金属酸化物の100000倍のSEM写真である。
以下、本発明について具体的に説明する。
<複合金属水酸化物>
本発明の複合金属水酸化物の、金属の種類、Xの範囲、1次粒子の平均横幅、単分散度は以下の通りである。
(金属の種類)
式(1)で表される複合金属水酸化物において、M2+はCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znから選ばれる少なくとも1種以上の2価金属である。耐酸性に優れ、入手が容易であることから、好ましいM2+はNi及び/又はZnである。難燃剤用途としては、M2+金属元素の脱水素触媒効果により、プラスチック表面の炭化層形成を促進し、難燃性を向上させることができる。
(Xの範囲)
式(1)で表される複合金属水酸化物において、Xの範囲は0<X<0.5であり、好ましい範囲は0.005≦X≦0.4、さらに好ましい範囲は0.01≦X≦0.2である。Xの値が0.5以上の場合、発泡による成形不良が起こるため好ましくない。これは、水酸化マグネシウムに比べM2+金属水酸化物の脱水温度が低いためである。
(1次粒子の平均横幅)
式(1)で表される複合金属水酸化物において、(A)SEM法による1次粒子の平均横幅は10nm以上200nm未満であり、好ましくは10nm以上100nm未満であり、さらに好ましくは10nm以上50nm未満である。1次粒子の平均横幅は、SEM(走査型電子顕微鏡)によりSEM写真中の任意の100個の結晶の横幅の測定値の算術平均から求める。図1は、SEM法を用いた場合の、1次粒子の横幅の測り方の模式図である。図1で示す矢印のように、1次粒子の横幅は、1次粒子が六角板状の板面としたときの粒子の直径を測る。1次粒子の横幅は、原理上、動的光散乱法で測定することができない。したがって、SEM法により目視で確認することで正確な値を算出することができる。
(単分散度)
式(1)で表される複合金属水酸化物において、(B)下記式で表わされる単分散度が50%以上であり、好ましくは80%以上である。単分散度は以下の式で求める。
単分散度(%)=(SEM法よる1次粒子の平均横幅/動的光散乱法による2次粒子の平均横幅)×100
単分散度を高めることで、リチウムイオン電池のセパレータに用いた際、凹凸のない耐熱性多孔質層を形成することできる。2次粒子の平均横幅は、動的光散乱法により測定する。2次粒子は、複数の1次粒子が凝集して形成される。図2は、動的光散乱法を用いた場合の、2次粒子の横幅の測り方の模式図である。2次粒子の最長径が横幅となる。すなわち、図2の矢印と点線で示すように2次粒子が球体に包まれると考えた時の球体の直径を測る。なお、SEM法では、2次粒子の横幅を正確に測定することが困難である。
(表面処理)
式(1)で表される複合金属水酸化物において、耐酸性、分散性を改善するため、粒子表面に表面処理をすることが望ましい。表面処理剤としては、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、リン酸エステル系処理剤、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤、アルミニウムカップリング剤、シリコーン系処理剤、ケイ酸ナトリウム等を例示することができるが、この限りではない。耐酸性向上の観点で好ましい表面処理剤として、ケイ酸ナトリウム及びカチオン系界面活性剤の併用が挙げられる。水酸化マグネシウムの結晶表面はプラス電荷を帯びているため、まずケイ酸ナトリウムで表面処理し、その後でカチオン系界面活性剤で表面処理することで、高い耐酸性を付与することができる。表面処理剤の合計量は、式(1)で表される複合金属水酸化物の重量に対して、0.01〜20重量%、好ましくは0.5〜10重量%である。
<複合金属酸化物>
本発明の複合金属酸化物は以下に示す式(2)で表され、金属の種類、Xの範囲、1次粒子の平均横幅、単分散度は次の通りである。
(Mg)1−X(M2+O (2)
(金属の種類)
式(2)で表される複合金属酸化物において、M2+はCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znから選ばれる少なくとも1種以上の2価金属である。耐酸性に優れ、入手が容易であることから、好ましいM2+はNi及び/又はZnである。
(Xの範囲)
式(1)で表される複合金属酸化物において、Xの範囲は0<X<0.5であり、好ましい範囲は0.005≦X≦0.4、さらに好ましい範囲は0.01≦X≦0.2である。
(1次粒子の平均横幅)
式(2)で表される複合金属酸化物において、(A)SEM法による1次粒子の平均横幅は10nm以上200nm未満であり、好ましくは10nm以上100nm未満であり、さらに好ましくは10nm以上50nm未満である。1次粒子の平均横幅は、SEM法によりSEM写真中の任意の100個の結晶の横幅の測定値の算術平均から求める。
(単分散度)
式(2)で表される複合金属酸化物において、(B)下記式で表わされる単分散度が50%以上であり、好ましくは80%以上である。2次粒子の平均横幅は、動的光散乱法により測定する。SEM法では、2次粒子の横幅を正確に測定することが困難なためである。
単分散度(%)=(SEM法よる1次粒子の平均横幅/動的光散乱法による2次粒子の平均横幅)×100
(表面処理)
式(2)で表される複合金属酸化物において、耐酸性、分散性を改善するため、粒子表面に表面処理をすることが望ましい。表面処理剤としては、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、リン酸エステル系処理剤、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤、アルミニウムカップリング剤、シリコーン系処理剤、ケイ酸ナトリウム等を例示することができるが、この限りではない。表面処理剤の合計量は、式(1)で表される複合金属酸化物の重量に対して、0.01〜20重量%、好ましくは0.5〜10重量%である。
<樹脂組成物>
本発明の樹脂組成物は、樹脂100重量部に対し、0.1〜250重量部の本発明の複合金属水酸化物を含有する。複合金属水酸化物の配合量は、好ましくは1〜200重量部である。
樹脂と本発明の複合金属水酸化物との混合、混練方法には特別の制約はなく、両者を均一に混合できる方法であればよい。例えば、1軸又は2軸押出機、ロール、バンバリーミキサー等により混合、混練される。成形方法にも特別の制約はなく、樹脂及びゴムの種類、所望成形品の種類等に応じて、公知の成形手段を任意に採用できる。例えば射出成形、押出成形、ブロー成形、プレス成形、回転成形カレンダー成形、シートフォーミング成形、トランスファー成形、積層成形、真空成形等である。
本発明で用いる樹脂とは、樹脂及び/又はゴムを意味し、例えば、ポリエチレン、エチレンと他のα−オレフィンとの共重合体、エチレンと酢酸ビニルとの共重合体、エチレンとアクリル酸エーテルとの共重合体、エチレンとアクリル酸メチルとの共重合体、ポリプロピレン、プロピレンと他のα−オレフィンとの共重合体、ポリブテン−1、ポリ4−メチルペンテン−1、ポリスチレン、スチレンとアクリロニトリルとの共重合体、エチレンとプロピレンジエンゴムとの共重合体、エチレンとブタジエンとの共重合体、ポリ酢酸ビニル、ポリ乳酸、ポリビニルアルコール、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリウレタン、ポリエステル、ポリエーテル、ポリアミド、ABS、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイド等の熱可塑性樹脂が挙げられる。また、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキッド樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。また、EPDM、SBR、NBR、ブチルゴム、クロロプレンゴム、イソプレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、シリコンゴム、フッ素ゴム、塩素化ブチルゴム、臭素化ブチルゴム、エピクロルヒドリンゴム、塩素化ポリエチレン等が挙げられる。
本発明の樹脂組成物は、複合金属水酸化物以外に、他の添加剤、例えば酸化防止剤、タルク等の補強剤、紫外線吸収剤、滑剤、微粒シリカ等の艶消し剤、カーボンブラック等の顔料、臭素系難燃剤やリン酸エステル系難燃剤等の難燃剤を適宜選択して配合することができる。また、スズ酸亜鉛、スズ酸アルカリ金属塩、炭素粉末等の難燃助剤、炭酸カルシウム等の充填剤を適宜選択して配合することができる。これら添加剤の好ましい配合量は、樹脂100重量部に対し、0.01〜5重量部の酸化防止剤、0.1〜50重量部の補強剤、0.01〜5重量部の紫外線吸収剤、0.1〜5重量部の滑剤、0.01〜5重量部の艶消し剤、0.01〜5重量部の顔料、0.1〜50重量部の難燃剤、0.01〜10重量部の難燃助剤、1〜50重量部の充填剤である。
<複合金属水酸化物の製造方法>
本発明の複合金属水酸化物の製造方法は、以下の(1)〜(4)の工程を含む。
(1)水溶性マグネシウム塩水溶液と、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znから選ばれる少なくとも1種以上の水溶性金属塩水溶液を混合し、水溶性複合金属塩水溶液を得る原料調整工程。
(2)(1)で得られた水溶性複合金属塩水溶液と、アルカリ金属水酸化物水溶液を反応させ、生成物を含むスラリーを得る反応工程。
(3)(2)で得られた生成物を含むスラリーを、0〜100℃で1〜24時間攪拌保持する熟成工程。
(4)(3)で得られた熟成後の生成物を含むスラリーを、湿式粉砕する湿式粉砕工程。
(原料調整工程)
水溶性マグネシウム塩水溶液と、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znから選ばれる少なくとも1種以上の水溶性金属塩水溶液を混合し、水溶性複合金属塩水溶液を作製する。水溶性マグネシウム塩として、塩化マグネシウム、硝酸マグネシウム、酢酸マグネシウム、硫酸マグネシウム等が挙げられるが、この限りではない。1次粒子の凝集を防ぐため、塩化マグネシウム、硝酸マグネシウム、酢酸マグネシウムを用いるのが好ましい。Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znからなる群より選ばれる少なくとも1種の水溶性複合金属塩水溶液は、塩化物塩、硝酸塩、酢酸塩、硫酸塩等が挙げられるが、この限りではない。耐酸性を高め、1次粒子の凝集を防ぐという観点から、塩酸塩、硝酸塩、酢酸塩が好ましい。複合金属塩水溶液の濃度は、(Mg+M2+)として0.1〜5.0mol/L、好ましくは0.4〜4.0mol/Lである。MgとM2+の比率は、0<M2+/Mg<1であり、好ましくは0.005≦M2+/Mg≦0.667、更に好ましくは0.010≦M2+/Mg≦0.250である。
(反応工程)
水溶性複合金属塩水溶液と、アルカリ金属水酸化物水溶液を反応させることで、複合金属水酸化物を含んだスラリーを作製することができる。アルカリ金属水酸化物として、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられるが、この限りではない。反応方法としては、例えばバッチ反応、連続反応が挙げられるが、この限りではない。生産性と反応の均一性を考慮した場合、好ましくは連続反応が好適に用いられる。反応時のpHは、9.0〜12.0に調整し、好ましくは9.5〜11.5、さらに好ましくは10.0〜11.0である。反応pHが9.0より低い場合は、スラリーの熟成時に1次粒子が成長してしまうため、好ましくない。反応が12.0より高い場合は、原料由来の不純物が沈殿しやすくなることや、経済上の理由から好ましくない。アルカリ金属水酸化物の濃度は0.1〜20.0mol/Lであり、好ましくは0.4〜15.0mol/Lである。反応時の濃度は、複合金属水酸化物換算で0.1〜5.0mol/Lであり、好ましくは0.4〜4.0mol/Lである。反応時の濃度が0.1mol/Lより低い場合は生産性が低く、5.0mol/Lより高い場合は1次粒子が凝集するため好ましくない。反応温度は、0〜100℃であり、好ましくは10〜60℃、さらに好ましくは20〜40℃である。反応温度が100℃より高い場合は、1次粒子が200nm以上に成長してしまうため好ましくない。反応温度が0℃未満の場合は、スラリーが凍ってしまうため好ましくない。
(熟成工程)
上記の反応後スラリーを、1〜24時間、0〜100℃で、攪拌保持する。この工程を経ることにより、反応直後は強固である1次粒子の凝集を緩めることができる。熟成時間が1時間未満では、1次粒子の凝集を緩めるための時間として十分ではない。24時間より長く熟成しても、凝集状態に変化がないため意味をなさない。好ましい熟成時間は2〜18時間であり、さらに好ましくは4〜15時間である。熟成温度が100℃より高ければ、1次粒子が200nm以上に成長してしまうため好ましくない。熟成温度が0℃未満では、スラリーが凍ってしまうため好ましくない。さらに好ましい熟成温度は10〜60℃であり、最も好ましくは20〜40℃である。熟成時の濃度は複合金属水酸化物換算で0.1〜5.0mol/Lであり、好ましくは0.4〜4.0mol/Lである。熟成時の濃度が0.1mol/Lより低い場合は生産性が低く、5.0mol/Lより高い場合は1次粒子が凝集するため好ましくない。
(湿式粉砕工程)
熟成処理後のスラリーを脱水し、固形分に対して20倍の重量の脱イオン水にて水洗浄した後、脱イオン水にてケーキの再乳化を行う。再乳化後のスラリーを湿式粉砕する。湿式粉砕は、例えばビーズミルや高圧式ホモジナイザー等が好適に用いられる。湿式粉砕時の温度は0〜100℃であり、さらに好ましくは10〜60℃であり、最も好ましくは20〜40℃である。湿式粉砕時の温度が100℃以上では、1次粒子が200nm以上に成長してしまうため好ましくない。湿式粉砕時の温度が0℃未満では、スラリーが凍ってしまうため好ましくない。湿式粉砕時の濃度は複合金属水酸化物換算で0.1〜5.0mol/Lであり、好ましくは0.4〜4.0mol/Lである。湿式粉砕時の濃度が0.1mol/Lより低い場合は生産性が低く、5.0mol/Lより高い場合は1次粒子の凝集を解くことができないため好ましくない。ビーズミルの場合、好ましいビーズ直径は0.001mm〜0.1mm、さらに好ましくは0.01mm〜0.05mmである。高圧式ホモジナイザーの場合、好ましい圧力は100bar〜1000bar、さらに好ましくは400bar〜700barである。
(表面処理工程)
湿式粉砕後、複合金属水酸化物に対して表面処理を行うことで、樹脂に添加、混練、分散する場合の、樹脂中での分散性を改善できる。表面処理は、湿式法又は乾式法を用いることができる。処理の均一性を考慮した場合、湿式法が好適に用いられる。湿式粉砕後のスラリーを脱水し、固形分に対して20倍の重量の脱イオン水にて水洗浄した後、脱イオン水に懸濁させる。懸濁後のスラリーを温調し、撹拌下に溶解させた表面処理剤を添加する。表面処理時の温度は表面処理剤が溶解する温度に適宜調整する。
表面処理剤としては、例えばアニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、リン酸エステル系処理剤、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤、アルミニウムカップリング剤、シリコーン系処理剤、ケイ酸ナトリウム等から選ばれる少なくとも1種を用いることができる。耐酸性向上の観点から、好ましい表面処理剤はケイ酸ナトリウムとカチオン系界面活性剤の併用である。表面処理剤の合計量は、複合金属水酸化物の重量に対して、好ましくは0.01〜20重量%、より好ましくは0.5〜10重量%である。
(乾燥工程)
表面処理後のスラリーを脱水し、固形分に対して20倍の重量の脱イオン水にて水洗浄した後、乾燥させ、本発明の複合金属水酸化物を得る。乾燥方法は、熱風乾燥、真空乾燥等を用いることができるが、特に制限されるものではない。
<複合金属酸化物の製造方法>
本発明の複合金属酸化物は、本発明の複合金属水酸化物を焼成することにより得られる。焼成後、乾式又は湿式法で表面処理を行うことにより、1次粒子の凝集を防ぎ、単分散度の高い複合金属酸化物を得ることができる。
(焼成工程)
本発明の複合金属水酸化物を、400〜1000℃、1〜10時間焼成することで、本発明の複合金属酸化物を得ることができる。より好ましい焼成温度は450〜900℃、さらに好ましくは500〜800℃である。焼成温度が400℃以下では酸化マグネシウムが生成せず、1000℃以上では焼結により1次粒子が粗大化してしまうため好ましくない。より好ましい焼成時間は1〜8時間、さらに好ましくは1〜6時間である。焼成時間が1時間未満では酸化マグネシウムが生成するのに十分ではなく、10時間以上では焼結により1次粒子が粗大化してしまうため好ましくない。
(表面処理工程)
焼成後、複合金属酸化物に対して表面処理を行うことで、樹脂に添加、混練、分散する場合の、樹脂中での分散性を改善できる。表面処理は、湿式法又は乾式法を用いることができる。処理の均一性を考慮した場合、湿式法が好適に用いられる。焼成後の粉末をアルコール溶媒に分散させ、撹拌下に溶解させた表面処理剤を添加する。表面処理時の温度は表面処理剤が溶解する温度に適宜調整する。
表面処理剤としては、例えばアニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、リン酸エステル系処理剤、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤、アルミニウムカップリング剤、シリコーン系処理剤、ケイ酸ナトリウム等から選ばれる少なくとも1種を用いることができる。表面処理剤の添加量は、複合金属水酸化物の重量に対して、好ましくは0.01〜20重量%、より好ましくは0.5〜10重量%である。
以下実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。実施例において、各物性は以下の方法で測定した。
(a)1次粒子の平均横幅
試料をエタノールに加え、超音波処理を5分間行った後、走査型電子顕微鏡(SEM)(日本電子製、JSM−7600F)を用い、任意の100個の結晶の1次粒子の横幅を測定し、その算術平均をもって1次粒子の平均横幅とした。なお、1次粒子の横幅は、図1で示す矢印のように、1次粒子が六角板状の板面としたときの粒子の直径を測定する。
(b)2次粒子の平均横幅
試料をエタノールに加え、超音波処理を5分間行った後、動的散乱法粒度測定機(大塚電子製、ELSZ−2000S)を用いて粒度分布を測定し、その個数平均径をもって、2次粒子の平均横幅とした。すなわち、2次粒子が球体に包まれると考えた時の球体の直径を2次粒子の横幅として測定し、その個数平均を2次粒子の平均横幅とした。
(c)単分散度
以下の式に基づいて、(a)及び(b)の値から算出した。単分散度(%)=(1次粒子の平均横幅/2次粒子の平均横幅)×100
(d)化学組成の定量
サンプルを硝酸に加熱・溶解させた後、Mg、Mn、Ni、Znをキレート滴定にて定量した。
(e)表面処理量の定量
(ケイ酸)サンプルを硫酸及び硝酸を用いて加熱・溶解させた後、重量法により、
サンプルの重量に対するケイ酸(SiOとして)の被覆量を算出した。
(ステアリン酸)エーテル抽出法により、サンプルの重量に対するステアリン酸の被覆量を算出した。
(カチオン系界面活性剤)ケルダール法によりサンプルの窒素分を抽出した後、分光光度計を用い、吸光度から窒素含量を測定した。サンプル中の窒素含量から、サンプルの重量に対するカチオン系界面活性剤の被覆量を算出した。
(f)粉末の耐酸性試験法
32℃に保温しておいたビーカーに32℃のエタノール2mLと回転子を入れ、該ビーカーを恒温槽(32℃)に浸し、撹拌を開始する。1分後に試料0.1gを投入する。試料投入より1分後に32℃の水40mLを投入し、pHメーター電極とビュレットのセットをビーカー内に浸す。水投入より1分後に、自動滴定装置(東亜ディーケーケー社製)を使用し、試験スラリーのpHが常に4.0、温度32℃になるよう、0.1N塩酸を注加する。0.1N塩酸5.15mLを注加した時点で滴定を終了する。耐酸性は、0.1N塩酸5.15mLの注加開始から終了までの時間で評価した。時間が長いほど耐酸性に優れる。
(g)樹脂組成物の難燃性試験法(UL94垂直試験(1/8インチ))
ポリエチレン100重量部に対して、各サンプルを110重量部添加して樹脂組成物を作成した。ポリエチレンと各サンプルを、プラストミル(BRABENDER社製)を用いて150℃で溶融混練し、得られた樹脂組成物をプレス成形(神藤金属社製、シンドー式SF型油圧プレス)することでテストピースを作成した。UL94垂直試験法(1/8インチ)に従い、樹脂組成物の難燃性を測定した。難燃性が高い順に、V−0、V−1、V−2の規格が付与される。難燃規格を満たさないものは、規格外とされる。
(h)樹脂組成物の耐酸性試験法(炭酸ガス吹き込み試験)
(g)で作成したテストピースを500mLの脱イオン水に含浸させ、温度を20℃に保持して炭酸ガスを500mL/分の速度で吹き込こみ、24時間保持した。耐酸性は、保持後の溶液中のMg濃度で評価した。溶液中のMg濃度が低いほど耐酸性に優れる。
(原料調整工程)
試薬1級の塩化マグネシウムと試薬1級の塩化ニッケルを脱イオン水に溶解させ、Mg=0.9mol/L、Ni=0.1mol/Lの複合金属塩水溶液を調製した。一方、試薬1級の水酸化ナトリウムを脱イオン水に溶解させ、Na=2mol/Lのアルカリ金属水酸化物水溶液を調製した。
(反応工程)
それぞれの溶液を、計量ポンプを用いて20mL/minで連続的に反応槽に供給し、共沈反応をさせた。反応槽はステンレス製、容量500mLでオーバーフローする構造となっており、この反応槽にあらかじめ300mLの脱イオン水を入れ、30℃に温度調整し、攪拌機を用い500rpmで撹拌をしておく。同じく30℃に温度調整した原料を反応槽に供給し、反応pHが10.3となるように流量を調整した。
(熟成工程)
得られたスラリーを30℃に温調し、300rpmで攪拌しながら10時間熟成させた。反応生成物を濾過、脱イオン水洗した後、ケーキを脱イオン水に分散させ、スラリーを得た。
(湿式粉砕工程)
スラリーを、ビーズミル(広島メタル&マシナリー社製、ウルトラアペックスミル)を用い、湿式粉砕した。濃度0.5mol/Lのスラリー400mLを200mL/minで循環させ、直径0.03mmビーズ、回転数400Hzで20分間粉砕を行った。粉砕後のスラリーを吸引濾過、脱イオン洗浄した。ケーキを熱風乾燥器に入れ、110℃で12時間乾燥させた後、粉砕し、本発明の複合金属水酸化物サンプル1を得た。サンプル1の実験条件を表1に、化学組成、1次粒子の平均横幅、2次粒子の平均横幅、単分散度、耐酸性試験結果を表2に示す。図3に、サンプル1の100000倍のSEM写真を示す。
実施例1の原料調整工程において、試薬1級の塩化ニッケルに代えて試薬1級の塩化亜鉛を使用したこと以外は同様にしてサンプルを作製し、本発明の複合金属水酸化物サンプル2を得た。
実施例1の原料調整工程において、試薬1級の塩化ニッケルに代えて試薬1級の塩化マンガン(2)を使用したこと以外は同様にしてサンプルを作製し、本発明の複合金属水酸化物サンプル3を得た。
実施例1の原料調整工程において、複合金属塩水溶液の濃度をMg=0.7mol/L、Ni=0.3mol/Lとしたこと以外は同様にしてサンプルを作製し、本発明の複合金属水酸化物サンプル4を得た。
実施例1の反応工程において、反応時のpHを9.3としたこと以外は同様にしてサンプルを作製し、本発明の複合金属水酸化物サンプル5を得た。
実施例1の反応工程において、反応時のpHを11.6としたこと以外は同様にしてサンプルを作製し、本発明の複合金属水酸化物サンプル6を得た。
実施例1の熟成工程において、熟成温度を60℃としたこと以外は同様にしてサンプルを作製し、本発明の複合金属水酸化物サンプル7を得た。
実施例1の熟成工程において、熟成温度を10℃としたこと以外は同様にしてサンプルを作製し、本発明の複合金属水酸化物サンプル8を得た。
実施例1の熟成工程において、熟成時間を3時間としたこと以外は同様にしてサンプルを作製し、本発明の複合金属水酸化物サンプル9を得た。
実施例1の熟成工程において、熟成時間を20時間としたこと以外は同様にしてサンプルを作製し、本発明の複合金属水酸化物サンプル10を得た。
実施例1において、ビーズミルに代え、高圧式ホモジナイザー(SMT社製、LAB1000)を用いて湿式粉砕を行ったこと以外は同様にしてサンプルを作製し、本発明の複合金属水酸化物サンプル11を得た。濃度0.5mol/Lのスラリー400mLを200mL/minで循環させ、500barで20分間湿式粉砕を行った。
(表面処理工程)
複合金属水酸化物に対して、4重量%の試薬1級の3号ケイ酸ナトリウム溶液を用い、脱イオン水で50mLにメスアップし、すなわち、脱イオン水を50mLになるまで加え(以下、同様。)、ケイ酸ナトリウム含有処理液とした。複合金属水酸化物に対して1重量%の試薬1級の塩化ジオレイルジメチルアンモニウム溶液を用い、脱イオン水で50mLにメスアップし、塩化ジオレイルジメチルアンモニウム処理液とした。
実施例1において、湿式粉砕後のスラリーに、80℃に昇温したケイ酸ナトリウム含有処理液を加え、80℃で20分間撹拌保持した。続けて80℃に昇温した塩化ジオレイルジメチルアンモニウム処理液を加え、80℃で20分間攪拌保持した。表面処理後のスラリーを30℃まで冷却した後、吸引濾過、脱イオン洗浄を行った。その後、ケーキを熱風乾燥器に入れ、110℃で12時間乾燥させた後、粉砕し、本発明の複合金属水酸化物サンプル12を得た。
実施例12の表面処理工程において、3号ケイ酸ナトリウムを単独で用いたこと以外は同様にしてサンプルを作製し、本発明の複合金属水酸化物サンプル13を得た。
実施例12の表面処理工程において、塩化ジオレイルジメチルアンモニウムを単独で用いたこと以外は同様にしてサンプルを作製し、本発明の複合金属水酸化物サンプル14を得た。
実施例12の表面処理工程において、ケイ酸ナトリウムに代え、複合金属水酸化物に対して1重量%のステアリン酸ナトリウムを用いたこと以外は同様にしてサンプルを作製し、本発明の複合金属水酸化物サンプル15を得た。
実施例12の表面処理工程において、複合金属水酸化物に対して、1重量%のステアリン酸ナトリウムを単独で用いたこと以外は同様にしてサンプルを作製し、本発明の複合金属水酸化物サンプル16を得た。
(比較例1)
実施例1の原料調整工程において、試薬1級の塩化マグネシウムを単独で使用したこと以外は同様にしてサンプルを作製し、サンプル17を得た。
(比較例2)
実施例1の反応工程において、反応時のpHを8.5としたこと以外は同様にしてサンプルを作製し、サンプル18を得た。
(比較例3)
実施例1の熟成工程において、熟成時間を30分としたこと以外は同様にしてサンプルを作製し、サンプル19を得た。
(比較例4)
実施例1の熟成工程において、熟成温度を120℃としたこと以外は同様にしてサンプルを作製し、サンプル20を得た。
(比較例5)
実施例1において、熟成工程を省いたこと以外は同様にしてサンプルを作製し、サンプル21を得た。
(比較例6)
実施例1において、湿式粉砕工程を除いたこと以外は同様にしてサンプルを作製し、サンプル22を得た。
Figure 2018047841
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表1と表2より、本願の複合金属水酸化物は1次粒子の平均横幅が200nm以下であり、かつ単分散度が50%以上であることが分かる。実施例1の複合金属水酸化物は、比較例1の水酸化マグネシウムに比べ、高い単分散度を維持しながら、粉末耐酸性が大幅に改善されている。表面処理を施した実施例12から16のサンプルは、表面処理がないサンプルに比べ高い単分散度と、粉末耐酸性を示している。特に、ケイ酸ナトリウムと塩化ジオレイルジメチルアンモニウムを使用した実施例12は、顕著な単分散度と耐酸性の向上を示している。
ポリエチレン100重量部に対して、実施例1で作製した粉末サンプル1を110重量部添加して樹脂組成物を製造した。ポリエチレン(日本ポリエチレン社製、ノバテックLL UF−240)と粉末サンプルを、プラストミル(BRABENDER社製)を用いて150℃で溶融混練し、得られた樹脂組成物をプレス成形(神藤金属社製、シンドー式SF型油圧プレス)することによりテストピースを作成した。難燃性試験結果及び耐酸性試験結果を表3に示す。
実施例2で作製した粉末サンプル2を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
実施例3で作製した粉末サンプル3を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
実施例4で作製した粉末サンプル4を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
実施例5で作製した粉末サンプル5を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
実施例6で作製した粉末サンプル6を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
実施例7で作製した粉末サンプル7を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
実施例8で作製した粉末サンプル8を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
実施例9で作製した粉末サンプル9を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
実施例10で作製した粉末サンプル10を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
実施例11で作製した粉末サンプル11を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
実施例12で作製した粉末サンプル12を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
実施例13で作製した粉末サンプル13を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
実施例14で作製した粉末サンプル14を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
実施例15で作製した粉末サンプル15を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
実施例16で作製した粉末サンプル16を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
(比較例7)
比較例1で作製した粉末サンプル17を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
(比較例8)
比較例2で作製した粉末サンプル18を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
(比較例9)
比較例3で作製した粉末サンプル19を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
(比較例10)
比較例4で作製した粉末サンプル20を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
(比較例11)
比較例5で作製した粉末サンプル21を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
(比較例12)
比較例6で作製した粉末サンプル22を用い、実施例17と同様の方法でテストピースを作成した。
Figure 2018047841
Figure 2018047841
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表3より、本発明の複合金属水酸化物を配合した樹脂組成物は、UL94垂直試験(1/8インチ)において、V−0又はV−1規格を満たし、かつ炭酸ガス吹き込み試験において、Mgの溶出が少ないことが分かる。
(焼成工程)
実施例1で作製した粉末サンプル1を、シリコニット電気炉で大気雰囲気下、500℃で1時間焼成した。冷却後、乳鉢を用いて粉砕し、本発明の複合金属酸化物サンプル23を得た。サンプル23の実験条件を表4に、化学組成、1次粒子の平均横幅、2次粒子の平均横幅、単分散度、耐酸性試験結果を表5に示す。図4に、サンプル23の100000倍のSEM写真を示す。
実施例33において、焼成温度を800℃にしたこと以外は同様にして、本発明の複合金属酸化物サンプル24を得た。
実施例33において、焼成時間を8時間にしたこと以外は同様にして、本発明の複合金属酸化物サンプル25を得た。
(表面処理工程)
複合金属酸化物に対して1重量%の試薬1級のステアリン酸を用い、エタノール50mLに溶解させ、ステアリン酸含有処理液とした。
実施例33において、焼成後の複合金属酸化物を攪拌下のエタノール溶媒に分散させ、60℃に温調した。同じく60℃に昇温したステアリン酸含有処理液を加え、60℃で20分間撹拌保持した。表面処理後のスラリーを30℃まで冷却した後、吸引濾過を行った。ケーキを自然乾燥させた後、粉砕し、本発明の複合金属酸化物サンプル26を得た。
(比較例13)
実施例33において、焼成温度を1200℃にしたこと以外は同様にして、サンプル27を得た。
(比較例14)
実施例33において、焼成時間を12時間にしたこと以外は同様にして、サンプル28を得た。
(比較例15)
実施例33において、実施例1で作製した粉末サンプル1に代え、比較例1で作製したサンプル17を、シリコニット電気炉で大気雰囲気下、500℃で1時間焼成した以外は同様にして、サンプル29を得た。
Figure 2018047841
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表4と表5より、本願の複合金属酸化物は、1次粒子の大きさが200nm未満で、単分散度が50%以上で、かつ耐酸性が高いことが分かる。特に、ステアリン酸で表面処理をしたサンプル26(実施例36)は、高い耐酸性を示している。サンプル27(比較例13)及びサンプル28(比較例14)は、焼結により1次粒子が大きく成長しており、サンプル29(比較例15)は、粉末の耐酸性が悪いことが分かる。
本発明の複合金属水酸化物は、リチウムイオン電池のセパレータに配合することで、セパレータの膜厚を抑えつつ、フッ化水素との反応を抑制し、電池の安全性を高めることができる。また本発明の複合金属水酸化物は、難燃剤としても好適に用いることができる。微粒子高分散ゆえに樹脂への配合量を減らすことができ、かつ樹脂の耐酸性を向上させることができる。
本発明の複合金属水酸化物は、抗菌剤、口腔内殺菌剤、熱伝導フィラー、ファインセラミックス原料、吸着剤等の各種用途にも好適に用いることができる。また本発明の複合金属水酸化物を焼成することで、微粒子、高分散かつ耐酸性の高い、複合金属酸化物を作製することができる。該酸化物は、微粒子、高分散のため、医薬用胃腸薬、合成ゴムや接着剤の受酸剤、FRP製造用の増粘剤、電磁鋼板製造用の添加剤、熱伝導フィラー、マグネシア砥石材料、ファインセラミックス原料、ブレーキ材料、吸着剤等の各種用途に好適に用いることができる。

Claims (13)

  1. 以下の(A)及び(B)を満たす下記式(1)で表される複合金属水酸化物。
    (Mg)1−X(M2+(OH) (1)
    (ただし、式中M2+はCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znから選ばれる少なくとも1種以上の2価金属、Xの範囲は0<X<0.5である。)
    (A)SEM法による1次粒子の平均横幅が10nm以上200nm未満;
    (B)下記式で表わされる単分散度が50%以上;
    単分散度(%)=(SEM法による1次粒子の平均横幅/動的光散乱法による2次粒子の平均横幅)×100
  2. 請求項1において、(A)SEM法による1次粒子の平均横幅が10nm以上100nm未満である、請求項1記載の複合金属水酸化物。
  3. 請求項1において、(A)SEM法による1次粒子の平均横幅が10nm以上50nm未満である、請求項1記載の複合金属水酸化物。
  4. 請求項1において、(B)横幅の単分散度が80%以上である、請求項1記載の複合金属水酸化物。
  5. 請求項1において、式(1)のxの範囲が0.005≦x≦0.4である、請求項1記載の複合金属水酸化物。
  6. 請求項1において、式(1)のxの範囲が0.01≦x≦0.2である、請求項1記載の複合金属水酸化物。
  7. 請求項1において、式(1)のM2+がNi及び/又はZnである請求項1記載の複合金属水酸化物。
  8. アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、リン酸エステル系処理剤、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤、アルミニウムカップリング剤、シリコーン系処理剤、ケイ酸からなる群より選ばれる1種以上で表面処理されている、請求項1記載の複合金属水酸化物。
  9. ケイ酸及びカチオン系界面活性剤で表面処理されている、請求項1記載の複合金属水酸化物。
  10. 以下の(A)及び(B)を満たす下記式(2)で表される複合金属酸化物。
    (Mg)1−X(M2+O (2)
    (ただし、式中M2+はCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znから選ばれる少なくとも1種以上の2価金属、Xの範囲は0<X<0.5である。)
    (A)SEM法による1次粒子の平均横幅が10nm以上200nm未満;
    (B)下記式で表わされる単分散度が50%以上;
    単分散度(%)=(SEM法よる1次粒子の平均横幅/動的光散乱法による2次粒子の平均横幅)×100
  11. 樹脂100重量部に対し、0.1〜250重量部の請求項1記載の複合金属水酸化物を含有する樹脂組成物。
  12. 以下の工程:
    (1)水溶性マグネシウム塩水溶液と、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znから選ばれる少なくとも1種以上の水溶性金属塩水溶液を混合し、水溶性複合金属塩水溶液を得る原料調整工程、
    (2)(1)で得られた水溶性複合金属塩水溶液と、アルカリ金属水酸化物水溶液を反応させ、生成物を含むスラリーを得る反応工程、
    (3)(2)で得られた生成物を含むスラリーを、0〜100℃で1〜24時間攪拌保持する熟成工程、
    (4)(3)で得られた熟成後の生成物を含むスラリーを、湿式粉砕する湿式粉砕工程、
    を含む、請求項1記載の複合金属水酸化物の製造方法。
  13. 以下の工程:
    (1)水溶性マグネシウム塩水溶液と、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znから選ばれる少なくとも1種以上の水溶性金属塩水溶液を混合し、水溶性複合金属塩水溶液を得る原料調整工程、
    (2)(1)で得られた水溶性複合金属塩水溶液と、アルカリ金属水酸化物水溶液を反応させ、生成物を含むスラリーを得る反応工程、
    (3)(2)で得られた生成物を含むスラリーを、0〜100℃で1〜24時間攪拌保持する熟成工程、
    (4)(3)で得られた熟成後の生成物を含むスラリーを、湿式粉砕する湿式粉砕工程、
    (5)(4)で得られた湿式粉砕後のスラリーを脱水し、得られたケーキを乾燥し、複合金属水酸化物を得る乾燥工程、
    (6)(5)で得られた複合金属水酸化物を、400〜1000℃、1〜10時間焼成する焼成工程、
    を含む、請求項10記載の複合金属酸化物の製造方法。
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