WO2023008395A1 - チタン酸ストロンチウム微粒子粉末及びその製造方法、分散体並びに樹脂組成物 - Google Patents

チタン酸ストロンチウム微粒子粉末及びその製造方法、分散体並びに樹脂組成物 Download PDF

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titanate fine
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particle size
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誉元 河口
耕作 田万里
健一 中田
真次 植本
紫央里 大下
良樹 河合
祐司 三島
正浩 金光
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戸田工業株式会社
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    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/12Surface area

Definitions

  • the object of the present invention is to obtain a strontium titanate fine particle powder that is optimal as a filler.
  • brightness enhancement films used in displays and diffractive optical elements used in AR/MR glasses achieve characteristics such as higher brightness, thinner films, and improved viewing angles.
  • a refractive index is required. Therefore, adding an inorganic filler having a high refractive index to the resin to improve the refractive index of the resin film has been studied.
  • insulating films such as thin film transistors (TFTs) are being replaced from inorganic materials such as silicon nitride to resin compositions of easy-to-pattern resins and high-dielectric inorganic fillers. Development is in full swing.
  • the characteristics required of inorganic fillers in such hybrid materials include an increase in filling rate, uniform dispersibility, and suppression of deterioration of the resin film due to hybridization.
  • fine spherical particles with a good particle size distribution are optimal for increasing the filling rate, and particles with few particle defects are optimal for uniform dispersion and suppression of resin film deterioration. be.
  • strontium titanate is a highly functional material with a perovskite structure, and is used alone for various purposes.
  • it is used for optical applications such as pigments using high refractive index, reflectors and light collecting materials, high dielectric constant for ceramic capacitors, and visible light photocatalysts by utilizing the fact that it has photocatalytic activity.
  • It is used for semiconductors, semiconductor capacitors, thermoelectric materials, EL, light-emitting materials, etc., taking advantage of the fact that it becomes a semiconductor by adding other elements.
  • Patent Documents 1 to 9 Various reports have hitherto been made on strontium titanate fine particles.
  • strontium titanate fine particles suitable for fillers as described above are currently most demanded, they have not yet been obtained.
  • Patent Document 1 describes a method for producing a strontium titanate fine particle powder having an average particle size of 0.05 ⁇ m or less, no consideration is given to particle defects in the obtained strontium titanate. Furthermore, this method requires an in-line mixer to mix the reaction instantaneously and uniformly, which complicates the process and is not industrially preferable.
  • Patent Document 2 describes a production method for obtaining strontium titanate by subjecting a hydrolyzate of a titanium compound and a strontium compound to a wet reaction in the presence of hydrogen peroxide.
  • the average particle size is as large as 0.1 ⁇ m or more, and this method is uneconomical because it uses a large amount of hydrogen peroxide.
  • Patent Documents 3 and 4 describe that a hydrolysis product of a titanium compound and a water-soluble strontium salt are reacted in a strong alkaline aqueous solution to obtain fine particles of strontium titanate.
  • it is not suitable as a filler because it is rectangular parallelepiped or cubic.
  • particle defects are not taken into consideration, and it is considered that there are many particle defects from the ratio of the primary particle size to the BET equivalent particle size described in the examples.
  • a hydrolysis product of a titanium compound and a water-soluble strontium salt are reacted in a strong alkaline aqueous solution with the addition of hydroxycarboxylic acid and a third component to produce spherical strontium titanate.
  • the addition of hydroxycarboxylic acid or other elements may change the properties of strontium titanate, making it unsuitable as a filler for imparting the properties of strontium titanate alone.
  • particle defects are not taken into consideration, and it is considered that there are many particle defects from the ratio of the primary particle size to the BET equivalent particle size described in the examples.
  • Patent Documents 7 and 8 describe cubic strontium titanate having excellent photocatalytic properties, but the shape is controlled to be cubic in order to exhibit the catalytic function, so it is not suitable for use as a resin filler. .
  • Patent Document 9 describes spherical strontium titanate having an average particle size of 50 to 150 nm by wet reaction, but the average particle size is as large as 50 nm or more, and adhesion with resin cannot be obtained. , it is difficult to say that it is suitable as a filler. Moreover, particle defects are not taken into consideration, and it is considered that there are many particle defects from the ratio of the primary particle size to the BET equivalent particle size described in the examples.
  • Non-Patent Document 1 reports cubic strontium titanate with a primary particle size of 32 to 45 nm. However, since the particle shape is cubic and the filling rate cannot be increased, it is not suitable as a filler.
  • an object of the present invention is to produce strontium titanate fine particles suitable for fillers in composite materials.
  • the average primary particle diameter of the primary particles is 50 nm or less, and the BET conversion particle diameter derived from the average primary particle diameter and the BET specific surface area value by the relational expression: 6000/(BET ⁇ 5.13) (Present invention 1).
  • the spherical strontium titanate fine particle powder according to the present invention has reduced particle defects, and can suppress the elution of Sr when combined with a resin.
  • the present invention is the strontium titanate fine particle powder according to the present invention 1, which is a spherical strontium titanate fine particle powder having a circularity of 0.8 or more (present invention 2).
  • the present invention is also a dispersion containing the strontium titanate fine particle powder according to Invention 1 or 2 (Invention 3).
  • strontium titanate fine particles are suitable as a filler, they can be processed and developed for various uses.
  • the present invention is also a resin composition containing the strontium titanate fine particle powder according to Invention 1 or 2 and a resin (Invention 4).
  • the resin composition can form a resin composition having functionality.
  • the strontium titanate fine particle powder according to the present invention is fine and has few particle defects, so it is possible to suppress the elution of Sr. Therefore, deterioration of a film in a composite using the strontium titanate fine particle powder can be prevented, and it is suitable as a filler for an organic-inorganic hybrid material.
  • the strontium titanate fine particle powder according to the present invention has an average primary particle size of 50 nm or less, and a ratio of the average primary particle size to the BET equivalent particle size calculated by the following relational expression is 0.85 to 1.0 nm. 25 range of spherical particles. Relational expression: 6000/(BET x 5.13).
  • the average primary particle size of the primary particles of the strontium titanate fine particle powder according to the present invention is 50 nm or less. By controlling the average primary particle size within the above range, a strontium titanate fine particle powder that can be uniformly dispersed in a resin film can be obtained.
  • the average primary particle size is preferably 45 nm or less, more preferably 40 nm or less. Its lower limit is about 8 nm.
  • the ratio of the average primary particle size to the BET equivalent particle size (average primary particle size/BET equivalent particle size) of the strontium titanate fine particle powder according to the present invention is 0.85 to 1.25. By controlling this ratio within the above range, a strontium titanate fine particle powder with few particle defects and a narrow particle size distribution can be obtained. If this value is less than 0.85, the BET specific surface area is low with respect to the average particle size, so there are many coarse particles and the distribution is poor. If the value of the ratio is larger than 1.25, the BET specific surface area is high with respect to the average particle diameter, so that the particles have many defects.
  • a preferred range is 0.88 to 1.23, more preferably 0.90 to 1.20.
  • the BET specific surface area of the strontium titanate fine particle powder according to the present invention is preferably 23.4 m 2 /g or more. When the BET specific surface area is less than 23.4 m 2 /g, the average particle size of the strontium titanate fine particles becomes larger than 50 nm.
  • the BET specific surface area is more preferably 30.0 m 2 /g or more, more preferably 35 m 2 /g or more.
  • the upper limit of the BET specific surface area is about 120 m 2 /g.
  • the BET equivalent particle size of the strontium titanate fine particle powder according to the present invention is preferably 58.8 nm or less, more preferably 50.0 nm or less.
  • the BET-equivalent particle size is evaluated by the method described later.
  • the particle shape of the strontium titanate fine particle powder according to the present invention is spherical, and the degree of circularity thereof is preferably 0.8 or more.
  • the degree of circularity of the strontium titanate fine particles is less than 0.8, the shape may be rectangular parallelepiped and the packing density may be lowered.
  • a more preferable circularity is 0.82 or more, and still more preferably 0.83 to 1.0.
  • circularity is evaluated by the method mentioned later.
  • the Sr/Ti of the strontium titanate fine particle powder according to the present invention is preferably 0.90 to 1.10. By controlling Sr/Ti within this range, various properties of strontium titanate can be exhibited. More preferably Sr/Ti is 0.95 to 1.05, still more preferably 0.98 to 1.02.
  • the Sr elution concentration of the strontium titanate fine particle powder according to the present invention is preferably 500 ppm or less. If the Sr elution concentration exceeds 500 ppm, the eluted Sr accelerates the deterioration of the resin film when producing a composite film.
  • the Sr elution concentration is more preferably 400 ppm or less, more preferably 100 to 350 ppm.
  • the strontium titanate fine particle powder according to the present invention is obtained by neutralizing an aqueous titanium tetrachloride solution with an aqueous strontium hydroxide solution to obtain a hydrous titanium hydroxide slurry (neutralization reaction), heating the hydrous titanium hydroxide slurry, and then washing the hydrous titanium hydroxide slurry with water.
  • a hydrous titanium hydroxide slurry neutralization reaction
  • heating the hydrous titanium hydroxide slurry heating the hydrous titanium hydroxide slurry
  • washing the hydrous titanium hydroxide slurry with water can be obtained by adding it to an aqueous solution of strontium hydroxide and performing a wet reaction in the temperature range of 60 to 200°C.
  • the addition ratio (Sr/Ti) of the titanium raw material and the alkaline aqueous solution during the neutralization reaction is preferably 1.1 to 1.8. If the addition ratio is less than 1.1, the production yield of strontium titanate core particles decreases, and if it exceeds 1.8, the distribution of primary particles of strontium titanate deteriorates. A more preferable addition ratio is 1.25 to 1.65.
  • the water-washed CM of the resulting hydrous titanium oxide colloid has a CM of the colloid slurry of 10 mS/cm or less, more preferably 8 mS/cm or less.
  • the reaction solution for producing strontium titanate fine particles preferably has a pH of 11 to 13.5 and a temperature range of 60 to 300°C.
  • the reaction concentration of the reaction solution for producing strontium titanate fine particles is preferably 0.05 to 0.7 mol/L in terms of titanium compound. If it is less than 0.05 mol/L, the yield is low and is not industrially applicable. It is difficult to conduct a uniform liquid phase reaction.
  • strontium hydroxide After the neutralization reaction, add an aqueous solution of strontium hydroxide.
  • the amount of the strontium hydroxide aqueous solution to be added is such that Sr/Ti is 1.5 to 3.0 with respect to Ti in the reaction solution.
  • the reaction temperature of the wet reaction is preferably 60-300°C. If the temperature is less than 60°C, it becomes difficult to obtain dense spherical strontium titanate fine particles. If the temperature exceeds 300°C, it is difficult to design the hydrothermal vessel. It is preferably 65 to 250°C.
  • the particles after the wet reaction are washed with water and dried according to the usual method. Excess strontium can be washed away by washing with water. Also, impurities such as Na, K, and Cl can be removed at the same time.
  • the desired strontium titanate fine particle powder can be obtained by controlling the reaction concentration, Sr/Ti during neutralization, and Sr/Ti during wet reaction.
  • pulverization and crushing treatment may be performed.
  • a dispersion containing strontium titanate can be used.
  • Both an aqueous system and a solvent system can be used as the dispersion medium according to the present invention.
  • Examples of the dispersion medium for the aqueous dispersion include water, alcohol solvents such as methyl alcohol, ethyl alcohol, propyl alcohol, isopropyl alcohol, and butyl alcohol; glycol ether solvents such as methyl cellosolve, ethyl cellosolve, propyl cellosolve, and butyl cellosolve; oxyethylene or oxypropylene addition polymers such as diethylene glycol, triethylene glycol, polyethylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol and polypropylene glycol; alkylene glycols such as ethylene glycol, propylene glycol and 1,2,6-hexanetriol; glycerin , 2-pyrrolidone, and other water-soluble organic solvents can be used.
  • These dispersion media for aqueous dispersions can be used alone or in combination of two or more depending on the intended use.
  • Dispersion media for solvent-based dispersions include aromatic hydrocarbons such as toluene and xylene; ketones such as methyl ethyl ketone and cyclohexanone; amides such as N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide and N-methylpyrrolidone.
  • Ether alcohols such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether; ethylene glycol monomethyl ether acetate, ethylene glycol monoethyl ether acetate, propylene glycol monomethyl Ether acetates such as ether acetate and propylene glycol monoethyl ether acetate; Acetate esters such as ethyl acetate, butyl acetate and isobutyl acetate; Lactate esters such as methyl lactate, ethyl lactate and propyl lactate; ethylene carbonate, propylene Carbonates, cyclic esters such as ⁇ -butyrolactone, various monomers, and the like can be used.
  • These dispersion media for solvent-based dispersions can be used alone or in combination of two or more depending on the intended use.
  • the concentration of the strontium titanate fine particle powder in the dispersion according to the present invention is preferably adjusted to 5 to 60% by weight. If it is less than 5% by weight, the productivity in the next step is low, and if it exceeds 60% by weight, it is difficult to say that a highly fluid slurry can be produced. More preferably 10 to 55% by weight, still more preferably 15 to 50% by weight.
  • Dispersants, additives (resins, antifoaming agents, auxiliaries, etc.) and the like can be added to the dispersion according to the present invention, if necessary.
  • the dispersant used in the present invention can be appropriately selected depending on the type of the strontium titanate fine particles and the dispersion medium to be used. , an organic titanium compound such as a titanate coupling agent, an organic aluminum compound such as an aluminate coupling agent, an organic zirconium compound such as a zirconate coupling agent, a surfactant, or a polymer dispersant. These can be used singly or in combination of two or more.
  • organosilicon compounds include methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, phenyltriethoxysilane, ethyltriethoxysilane, propyltriethoxysilane, butyltriethoxysilane, hexyltriethoxysilane, octyltriethoxysilane, silanes, alkoxysilanes such as tetraethoxysilane and tetramethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, ⁇ -aminopropyltriethoxysilane, ⁇ -glycidoxypropyltrimethoxysilane, ⁇ -mercaptopropyltrimethoxysilane, Silane-based coupling such as ⁇ -methacryloyloxypropyltrimethoxysilane, N-( ⁇ -aminoe
  • organic titanium compounds examples include isopropyl triisostearoyl titanate, isopropyl tris(dioctylpyrophosphate) titanate, bis(dioctylpyrophosphate)oxyacetate titanate, isopropyl tri(N-aminoethyl/aminoethyl) titanate, tris(dioctylpyrophosphate).
  • ethylene titanate isopropyl dioctylpyrophosphate titanate, isopropyl tris(dodecylbenzenesulfonyl) titanate, titanium tetra-normal butoxide, titanium tetra-2-ethylhexoxide, tetraisopropylbis(dioctylphosphite) titanate, tetraoctylbis(ditridecyl phosphite) titanate, tetra(2,2-diallyloxymethyl-1-butyl)bis(ditridecyl)phosphite titanate, tetraoctylbis(ditridecylphosphate) titanate, tetra(2-2-diallyloxymethyl-1- butyl)bis(ditridecyl)phosphate titanate, bis(dioctylpyrophosphate)oxyacetate titanate, bis(dioctylpyr
  • organic aluminum compounds examples include acetoalkoxyaluminum diisopropylate, aluminum diisopropoxymonoethylacetoacetate, aluminum trisethylacetoacetate, and aluminum trisacetylacetonate.
  • organic zirconium compounds examples include zirconium tetrakisacetylacetonate, zirconium dibutoxybisacetylacetonate, zirconium tetrakisethylacetoacetate, zirconium tributoxymonoethylacetoacetate, and zirconium tributoxyacetylacetonate.
  • surfactant examples include anionic surfactants such as fatty acid salts, sulfate salts, sulfonates, and phosphate ester salts; polyethylene glycol-type nonionic surfactants such as polyoxyethylene alkyl ethers and polyoxyethylene aryl ethers. nonionic surfactants such as polyhydric alcohol type nonionic surfactants such as sorbitan fatty acid esters; cationic surfactants such as amine salt type cationic surfactants and quaternary ammonium salt type cationic surfactants agents; alkylbetaines such as alkyldimethylaminoacetic acid betaine, and amphoteric surfactants such as alkylimidazoline.
  • anionic surfactants such as fatty acid salts, sulfate salts, sulfonates, and phosphate ester salts
  • polyethylene glycol-type nonionic surfactants such as polyoxyethylene alkyl ethers and polyoxyethylene aryl
  • polymer dispersant styrene-acrylic acid copolymer, styrene-maleic acid copolymer, polycarboxylic acid and salts thereof, etc. can be used.
  • the amount of the dispersant to be added depends on the total surface area of the strontium titanate fine particle powder in the dispersion, and may be appropriately adjusted according to the use of the dispersion of the strontium titanate fine particle powder and the type of dispersant. Specifically, by adding 0.01 to 100% by weight of a dispersant to the strontium titanate fine particle powder in the dispersion medium, the strontium titanate fine particle powder can be uniformly and finely dispersed in the dispersion medium. Along with this, the dispersion stability can also be improved. Moreover, the dispersing agent may be added directly to the dispersion medium, or the strontium titanate fine particle powder may be treated in advance.
  • the present invention is a resin composition containing strontium titanate fine particles in a resin.
  • the resin used is not particularly limited, but acrylic resin, polycarbonate, polystyrene resin, polyester resin, polyimide resin, polymethyl methacrylate (PMMA), AS resin, silicone resin, fluorine resin, etc. can be used.
  • a representative embodiment of the present invention is as follows.
  • the average primary particle size was measured from about 300 particles.
  • the average primary particle size is the particle size obtained by averaging the diameter of a circle having the same area as the area obtained from the photograph for each particle, and then averaging the diameter of all measured particles.
  • the particle shape was judged from the electron micrograph.
  • the degree of circularity was indicated by (4 ⁇ area)/perimeter 2 of the particles measured from the electron micrograph.
  • the specific surface area value is shown as a value (m 2 /g) measured by the BET method. Also, the BET equivalent particle size (nm) was calculated by the relational expression: 6000/(BET specific surface area ⁇ 5.13). 5.13 is the density of strontium titanate (g/cm 3 ).
  • the ratio (average primary particle size/BET equivalent particle size) is calculated from the average primary particle size and the BET equivalent particle size.
  • the stability of the composite film is evaluated by the Sr elution concentration.
  • the Sr elution concentration was measured by adding 2.5 g of strontium titanate fine particles to 50 ml of pure water, boiling the mixture for 10 minutes, cooling to room temperature, filtering, and measuring the amount of Sr in the filtrate.
  • Example 1 A 20 wt % strontium hydroxide aqueous solution was added to a solution obtained by mixing an aqueous titanium tetrachloride solution with water so that the molar concentration of Ti was 2.10 mol/l, so that the molar ratio of Sr/Ti was 1.37. A titanium slurry was obtained. The slurry was washed with water so that the CM of the slurry was 10 mS/cm or less. The resulting titanium hydroxide slurry was added to an aqueous strontium hydroxide solution previously dissolved in a reaction vessel. The strontium hydroxide aqueous solution at this time was adjusted so that the Sr/Ti molar ratio would be 1.8.
  • the concentration during the reaction was set to 0.22 mol/l as the strontium titanate concentration. After that, stirring was continued at 180° C. for 8 hours to carry out a hydrothermal reaction. After the reaction, the mixture was cooled to room temperature, washed with water until the electric conductivity of the filtrate became 200 ⁇ S/cm or less, filtered and dried to obtain a white powder of fine strontium titanate particles.
  • strontium titanate fine particle powder When the obtained strontium titanate fine particle powder was observed with an electron microscope, it was found to be spherical particles with an average primary particle size of 22.7 nm and a degree of circularity of 0.84, and a BET specific surface area of 54.1 m 2 /g. The ratio of the diameter to the BET equivalent particle size was 1.05.
  • Examples 2-6 Strontium titanate fine particles were obtained in the same manner as in Example 1, except that the reaction concentration, amount of strontium hydroxide during neutralization and crystallization, reaction temperature and time were changed.
  • Table 1 shows the production conditions at this time, and Table 2 shows the powder properties of the obtained strontium titanate.
  • Comparative example 1 It was produced with reference to Example 19 of Patent Document 1. Specifically, an aqueous titanium tetrachloride solution was added to pure water and stirred for 1 hour. 5% aqueous ammonia was added dropwise to this aqueous solution to obtain a white slurry having a pH of 7.8. After the slurry was filtered and washed with water, it was reslurried, heated to 60° C., acetic acid was added, and aged at pH 6.0 for 40 minutes. After aging, it was filtered and washed with water to obtain a hydrous titanium hydroxide gel cake.
  • the Sr elution concentration in the examples is as low as 500 ppm or less. Therefore, even if the strontium titanate fine particles in the examples are used as a filler for kneading with a resin, a stable composite can be produced without degrading the film. This is because the ratio of the primary particle size to the BET equivalent particle size correlates with the Sr elution concentration, that is, strontium titanate fine particles with few defects are obtained in the examples.
  • the strontium titanate fine particle powder of the present invention has the characteristics that the average particle size can be controlled according to the purpose, and that it is fine and has few defects and is spherical, which prevents deterioration of the film and facilitates increasing the filling density of the filler. be. Therefore, the strontium titanate fine particle powder of the present invention is a high-refractive-index inorganic filler for increasing the refractive index of resin compositions in luminance-enhancing films used in displays and diffractive optical elements used in AR/MR glasses and the like. , or as a high dielectric inorganic filler for high dielectric resin compositions that can be used in electronic parts such as thin film transistors (TFTs).
  • TFTs thin film transistors

Abstract

本発明は、一次粒子の平均一次粒子径が50nm以下であって、平均一次粒子径とBET比表面積から関係式:6000/(BET×5.13)で導出されるBET換算粒子径との比が0.85~1.25の範囲にあることを特徴とする球状チタン酸ストロンチウム微粒子粉末である。

Description

チタン酸ストロンチウム微粒子粉末及びその製造方法、分散体並びに樹脂組成物
 本発明は、フィラーとして最適なチタン酸ストロンチウム微粒子粉末を得ることを目的とするものである。
 近年、各種電子機器の小型化、高性能化及び軽量化に伴い、有機樹脂の加工性を維持したまま、無機フィラーの機能性(屈折率、誘電率、導電性、磁性、熱伝導性等)を付与した有機無機ハイブリッド材料のニーズが高まっている。
 例えば、ディスプレイに用いられる輝度向上フィルムや、AR/MRグラス等に用いられる回折光学素子は、高輝度化、薄膜化、視野角の向上等の特性を得るため、樹脂単体では達することができない高い屈折率が必要とされる。そのため、高屈折率を持つ無機フィラーを樹脂に添加し、樹脂膜の屈折率を向上させることが検討されている。
 また、電子部品の軽薄短小化、高機能化に伴い、例えば薄膜トランジスタ(TFT)等の絶縁膜を窒化ケイ素等の無機材料から、パターン形成が容易な樹脂と高誘電無機フィラーの樹脂組成物に置き換える開発が盛んに行われている。
 このようなハイブリッド材料における無機フィラーに求められる特性として、充填率の増加、均一分散性、ハイブリッド化による樹脂膜の劣化の抑制があげられる。これらの特性を満足させるフィラーは充填率の増加に対しては、微細で粒度分布のよい球状の粒子が、また、均一分散、樹脂膜劣化の抑制に対しては粒子欠陥が少ない粒子が最適である。
 一方で、チタン酸ストロンチウムはペロブスカイト構造を持つ高機能材料であり、単体では種々の用途に用いられている。例えば、高い屈折率を利用した顔料や、反射材並びに集光材等の光学用途や、高い誘電率からセラミックコンデンサ用途、さらには、光触媒活性を有する点を利用して可視光光触媒に用いられたり、他の元素を添加して半導体化する点などを利用して、半導体、半導体コンデンサ、熱電材料、EL、発光材料などに用いられる。
 このような高機能性を持つチタン酸ストロンチウムと樹脂との複合体を形成することで、樹脂のみでは達成できない機能性を持つ新たな材料が作製できると期待される。
 従来より、チタン酸ストロンチウム微粒子については種々の報告がある(特許文献1~9、非特許文献1)。
特開平6-48734号公報 特開平5-58633号公報 特開2003-277054号公報 特開2015-137208号公報 特開2018-20919号公報 特開2019-151507号公報 特開2016-69211号公報 特開2015-151304号公報 国際公開第2015/152237号
Ceramics International (2015), 41, 13516-13524
 しかしながら、前記のようなフィラーに適するチタン酸ストロンチウム微粒子粉末は現在最も要求されているところであるが、未だ得られていない。
 即ち、前出特許文献1には、平均粒子径が0.05μm以下のチタン酸ストロンチウム微粒子粉末の製造方法が記載されているが、得られるチタン酸ストロンチウムの粒子欠陥については考慮されていない。更にこの方法では反応を瞬間的かつ均一に混合するためにインラインミキサーが必要となり、工程が複雑なものとなって工業的に好ましいとは言い難いものである。
 また、前出特許文献2には、チタン化合物の加水分解物とストロンチウム化合物とを過酸化水素の存在下で湿式反応させて、チタン酸ストロンチウムを得る製造方法が記載されているが、チタン酸ストロンチウムも平均粒子径は0.1μm以上と大きいものであり、またこの方法では過酸化水素の使用量が多いため不経済である。
 また、前出特許文献3、4には、チタン化合物の加水分解生成物と水溶性ストロンチウム塩とを強アルカリ水溶液中で反応させて微粒子のチタン酸ストロンチウムを得ることが記載されているが、形状が直方体状や立方体状であるため、フィラーとしては適さない。また、粒子欠陥については考慮されておらず、実施例記載の一次粒子径とBET換算粒子径の比率から粒子欠陥が多いと考えられる。
 また、前出特許文献5,6には、チタン化合物の加水分解生成物と水溶性ストロンチウム塩とをヒドロキシカルボン酸や第三成分を添加し強アルカリ水溶液中で反応させて球状のチタン酸ストロンチウムを得ることが記載されているが、ヒドロキシカルボン酸や他元素の添加によりチタン酸ストロンチウムの特性が変わる可能性があり、チタン酸ストロンチウム単体の特性を付与するためのフィラーとしては適さない。また、粒子欠陥については考慮されておらず、実施例記載の一次粒子径とBET換算粒子径の比率から粒子欠陥が多いと考えられる。
 また、前出特許文献7,8には光触媒特性に優れる立方体状チタン酸ストロンチウムが記載されているが、触媒機能を発揮するため形状が立方体状に制御されており、樹脂フィラー用途としては適さない。
 また、前出特許文献9には湿式反応により平均粒子径が50~150nmの球状チタン酸ストロンチウムが記載されているが、平均粒子径が50nm以上と大きく、樹脂との密着性が得られないため、フィラーとしては好適とは言い難い。また、粒子欠陥については考慮されておらず、実施例記載の一次粒子径とBET換算粒子径の比率から粒子欠陥が多いと考えられる。
 また、前出の非特許文献1には、一次粒子径が32~45nmで立方体状のチタン酸ストロンチウムが報告されている。しかし、粒子形状は立方体状であり、充填率を上げることができないためフィラーとしては適さない。
 そこで、本発明はコンポジット材料におけるフィラーに適したチタン酸ストロンチウム微粒子を作製することを課題とする。
 前記目的は、次の通りの本発明によって達成できる。
 即ち、本発明は、一次粒子の平均一次粒子径が50nm以下であって、平均一次粒子径とBET比表面積値から関係式:6000/(BET×5.13)で導出されるBET換算粒子径との比が0.85~1.25の範囲にあることを特徴とする球状チタン酸ストロンチウム微粒子粉末である(本発明1)。
 本発明に係る球状チタン酸ストロンチウム微粒子粉末では、粒子欠陥が低減されており、樹脂と複合化したときにSrの溶出を抑制することができる。
 また、本発明は、本発明1に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子粉末であって、円形度が0.8以上である球状チタン酸ストロンチウム微粒子粉末である(本発明2)。
 このようにすることで、充填性を向上させることができる。
 また、本発明は、本発明1又は2に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子粉末を含む分散体である(本発明3)。
 チタン酸ストロンチウム微粒子はフィラーとして好適なため、種々の用途に加工、展開することができる。
 また、本発明は、本発明1又は2に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子粉末と樹脂とを含む樹脂組成物である(本発明4)。
 前記樹脂組成物は機能性を有する樹脂組成物を形成することができる。
 本発明に係るチタン酸ストロンチウム微粒子粉末は、微細で粒子欠陥が少ないためSrの溶出を抑制することができる。したがって、当該チタン酸ストロンチウム微粒子粉末を用いたコンポジットにおける膜の劣化を防ぐことができ、有機無機ハイブリッド材料のフィラーとして好適である。
 本発明の構成を詳述すれば、次の通りである。
 本発明に係るチタン酸ストロンチウム微粒子粉末は、一次粒子の平均一次粒子径が50nm以下であって、平均一次粒子径と下記関係式により算出されるBET換算粒子径の比が0.85~1.25の範囲にある球状粒子である。関係式:6000/(BET×5.13)。
 本発明に係るチタン酸ストロンチウム微粒子粉末の一次粒子の平均一次粒子径は50nm以下である。平均一次粒子径を前記範囲に制御することによって、樹脂膜に均一に分散することができるチタン酸ストロンチウム微粒子粉末とすることができる。好ましい平均一次粒子径は45nm以下であり、より好ましくは40nm以下である。その下限値は8nm程度である。
 本発明に係るチタン酸ストロンチウム微粒子粉末の平均一次粒子径とBET換算粒子径との比(平均一次粒子径/BET換算粒子径)は0.85~1.25である。この比を前記範囲に制御することによって粒子欠陥の少なく、粒度分布の狭いチタン酸ストロンチウム微粒子粉末とすることができる。この値が0.85未満の場合、平均粒子径に対してBET比表面積が低いことから粗大粒子が多く分布が悪い。前記比の値が1.25より大きいと、平均粒子径に対してBET比表面積が高いことがから、粒子に欠陥が多くなる。好ましい範囲は0.88~1.23であり、より好ましくは0.90~1.20である。
 本発明に係るチタン酸ストロンチウム微粒子粉末のBET比表面積は23.4m/g以上が好ましい。BET比表面積が23.4m/g未満の場合には、チタン酸ストロンチウム微粒子粉末の平均粒子径が50nmより大きくなる。より好ましいBET比表面積は30.0m/g以上であり、さらに好ましくは35m/g以上である。BET比表面積の上限値は120m/g程度である。
 本発明に係るチタン酸ストロンチウム微粒子粉末のBET換算粒子径は58.8nm以下が好ましく、より好ましくは50.0nm以下である。なお、BET換算粒子径は後述する方法で評価する。
 本発明に係るチタン酸ストロンチウム微粒子粉末の粒子形状は球状であり、その円形度は0.8以上が好ましい。チタン酸ストロンチウム微粒子の円形度が0.8未満の場合、形状が直方体状などであり充填密度が低下する場合がある。より好ましい円形度は0.82以上であり、さらにより好ましくは0.83~1.0である。なお、円形度は後述する方法で評価する。
 本発明に係るチタン酸ストロンチウム微粒子粉末のSr/Tiは0.90~1.10が好ましい。Sr/Tiをこの範囲に制御することで、チタン酸ストロンチウムとしての諸特性を発揮することができる。より好ましいSr/Tiは0.95~1.05であり、さらにより好ましくは0.98~1.02である。
 本発明に係るチタン酸ストロンチウム微粒子粉末のSr溶出濃度は500ppm以下が好ましい。Sr溶出濃度が500ppmを超える場合、コンポジット膜を作成する際に、溶出したSrにより樹脂膜の劣化が促進される。より好ましいSr溶出濃度は400ppm以下であり、さらに好ましくは100~350ppmである。
 次に、本発明に係るチタン酸ストロンチウム微粒子粉末の製造法について述べる。
 本発明に係るチタン酸ストロンチウム微粒子粉末は、四塩化チタン水溶液を水酸化ストロンチウム水溶液で中和して含水水酸化チタンスラリーを得(中和反応)、加熱した後、含水水酸化チタンスラリーを水洗し、水酸化ストロンチウム水溶液に添加し60~200℃の温度範囲で湿式反応させて得ることができる。
 中和反応の際のチタン原料とアルカリ性水溶液との添加割合(Sr/Ti)は、1.1~1.8が好ましい。前記添加割合が1.1未満の場合にはチタン酸ストロンチウム核粒子の生成収率が低下し、1.8を越える場合には、チタン酸ストロンチウムの一次粒子の分布が悪化する。より好ましい添加割合は1.25~1.65である。
 中和反応を行った後、得られた含水水酸化チタンコロイドの水洗CMはコロイドスラリーのCMが10mS/cm以下になることが好ましく、8mS/cm以下になることがより好ましい。
 チタン酸ストロンチウム微粒子を生成させる反応溶液は、pHが11~13.5が好ましく、温度範囲は60~300℃が好ましい。
 チタン酸ストロンチウム微粒子生成させる反応溶液の反応濃度はチタン化合物換算で0.05~0.7mol/Lが好ましい。0.05mol/L未満の場合、収率が低く工業的ではなく、0.7mol/L以上の場合、反応溶液中の水酸化ストロンチウム量が溶解度を超えるため、Sr(OH)が析出し、均一な液相反応を行うことが困難である。
 中和反応の後、水酸化ストロンチウム水溶液を添加する。水酸化ストロンチウム水溶液の添加量は、反応溶液中のTiに対して、Sr/Tiが1.5~3.0となるように添加する。
 反応中は窒素をフローさせて、ストロンチウム化合物と空気中の炭酸ガス等とが反応しないように制御することが好ましい。
 湿式反応の反応温度は60~300℃が好ましい。60℃未満の場合には、緻密な球状チタン酸ストロンチウム微粒子を得ることが困難となる。300℃を超える場合、水熱容器の設計が困難である。好ましくは65~250℃である。
 湿式反応後の粒子は、常法に従って水洗、乾燥する。水洗することによって、過剰のストロンチウムを洗い流すことができる。また、不純物であるNa、K、及びClなども同時に除去することができる。
 本発明では、反応濃度、中和時のSr/Ti、湿式反応時のSr/Tiを制御することで、所望のチタン酸ストロンチウム微粒子粉末を得ることができる
 また、本発明においては、粉砕・解砕処理を行ってもよい。
 本発明では、チタン酸ストロンチウムを含む分散体とすることができる。
 本発明に係る分散媒体としては、水系及び溶剤系のいずれをも用いることができる。
 水系分散体の分散媒体としては、水、もしくは、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ブチルアルコール等のアルコール系溶剤;メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、プロピルセロソルブ、ブチルセロソルブ等のグリコールエーテル系溶剤;ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール等のオキシエチレン又はオキシプロピレン付加重合体;エチレングリコール、プロピレングリコール、1,2,6-ヘキサントリオール等のアルキレングリコール;グリセリン、2-ピロリドン等の水溶性有機溶剤を用いることができる。これらの水系分散体用の分散媒体は、目的とする用途に応じて1種又は2種以上を混合して用いることができる。
 溶剤系分散体用の分散媒体としては、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素;メチルエチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類;N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン等のアミド類;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングルコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のエーテルアルコール類;エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート等のエーテルアセテート類;酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル等の酢酸エステル類;乳酸メチルエステル、乳酸エチルエステル、乳酸プロピルエステル等の乳酸エステル類;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ-ブチロラクトン等の環状エステル類及び各種モノマー等を用いることができる。これらの溶剤系分散体用の分散媒体は、目的とする用途に応じて1種又は2種以上を混合して用いることができる。
 本発明に係る分散体のチタン酸ストロンチウム微粒子粉末の濃度は、5~60重量%に調整することが好ましい。5重量%未満であれば次工程の用途として生産性が低く、また、60重量%を超えると流動性の高いスラリーができるとは言い難い。より好ましくは10~55重量%、さらにより好ましくは15~50重量%である。
 本発明に係る分散体は、必要に応じて分散剤、添加剤(樹脂、消泡剤、助剤等)等を添加することもできる。本発明における分散剤としては、使用するチタン酸ストロンチウム微粒子粉末や分散媒体の種類に応じて適宜選択して使用することができ、アルコキシシラン、シラン系カップリング剤及びオルガノポリシロキサン等の有機ケイ素化合物、チタネート系カップリング剤等の有機チタン化合物、アルミネート系カップリング剤等の有機アルミ化合物、ジルコネート系のカップリング剤等の有機ジルコニウム化合物、界面活性剤あるいは高分子分散剤等を用いることができ、これらは1種または2種以上を混合して用いることができる。
 上記有機ケイ素化合物としては、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、ブチルトリエトキシシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン、テトラエトキシシラン及びテトラメトキシシラン等のアルコキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、γ―アミノプロピルトリエトキシシラン、γ―グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ―メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ―メタクロイルオキシプロピルトリメトキシシラン、N-(β-アミノエチル)-γ-アミノプロピルトリメトキシシラン、γ-グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ-クロロプロピルトリメトキシシラン等のシラン系カップリング剤、ポリシロキサン、メチルハイドロジェンポリシロキサン、変性ポリシロキサン等のオルガノポリシロキサン等が挙げられる。
 上記有機チタン化合物としては、イソプロピルトリイソステアロイルチタネート、イソプロピルトリス(ジオクチルパイロホスフェート)チタネート、ビス(ジオクチルパイロホスフェート)オキシアセテートチタネート、イソプロピルトリ(N-アミノエチル・アミノエチル)チタネート、トリス(ジオクチルパイロホスフェート)エチレンチタネート、イソプロピルジオクチルパイロホスフェートチタネート、イソプロピルトリス(ドデシルベンゼンスルフォニル)チタネート、チタンテトラノルマルブトキシド、チタンテトラ-2-エチルヘキソキシド、テトライソプロピルビス(ジオクチルホスファイト)チタネート、テトラオクチルビス(ジトリデシルホスファイト)チタネート、テトラ(2,2-ジアリルオキシメチル-1-ブチル)ビス(ジトリデシル)ホスファイトチタネート、テトラオクチルビス(ジトリデシルホスフェイト)チタネート、テトラ(2-2-ジアリルオキシメチル-1-ブチル)ビス(ジトリデシル)ホスフェイトチタネート、ビス(ジオクチルパイロホスフェート)オキシアセテートチタネート、ビス(ジオクチルパイロホスフェート)エチレンチタネート等が挙げられる。
 上記有機アルミ化合物としては、アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピレート、アルミニウムジイソプロボキシモノエチルアセトアセテート、アルミニウムトリスエチルアセトアセテート、アルミニウムトリスアセチルアセトネート等が挙げられる。
 上記有機ジルコニウム化合物としては、ジルコニウムテトラキスアセチルアセトネート、ジルコニウムジブトキシビスアセチルアセトネート、ジルコニウムテトラキスエチルアセトアセテート、ジルコニウムトリブトキシモノエチルアセトアセテート、ジルコニウムトリブトキシアセチルアセトネート等が挙げられる。
 上記界面活性剤としては、脂肪酸塩、硫酸エステル塩、スルホン酸塩、リン酸エステル塩等のアニオン性界面活性剤;ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアリールエーテル等のポリエチレングリコール型非イオン界面活性剤、ソルビタン脂肪酸エステル等の多価アルコール型非イオン界面活性剤等のノニオン性界面活性剤;アミン塩型カチオン系界面活性剤、第4級アンモニウム塩型カチオン系界面活性剤等のカオチン性界面活性剤;アルキルジメチルアミノ酢酸ベタインなどのアルキルベタイン、アルキルイミダゾリンなどの両性界面活性剤が挙げられる。
 高分子分散剤としては、スチレン-アクリル酸共重合体、スチレン-マレイン酸共重合体、ポリカルボン酸及びその塩等を用いることができる。
 分散剤の添加量は、分散体中のチタン酸ストロンチウム微粒子粉末の総表面積に依存すると共に、チタン酸ストロンチウム微粒子粉末の分散体の用途及び分散剤の種類に応じて適宜調製すればよいが、一般的には、分散媒中のチタン酸ストロンチウム微粒子粉末に対して分散剤を0.01~100重量%添加することによって、チタン酸ストロンチウム微粒子粉末を分散媒体中に均一且つ微細に分散させることができると共に、分散安定性も改善することができる。また、上記分散剤は、分散媒体に直接添加する他に、チタン酸ストロンチウム微粒子粉末に予め処理しておいてもよい。
 本発明は、樹脂中にチタン酸ストロンチウム微粒子を含む樹脂組成物である。
 用いられる樹脂としては特に制限はないが、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、AS樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂等を用いることができる。
 本発明の代表的な実施の形態は、次の通りである。
 チタン酸ストロンチウム微粒子粉末を透過型電子顕微鏡(日本電子(株)製 JEM-F200)によって観察した写真(25k)について、約300個の粒子から平均一次粒子径を計測した。ここで、平均一次粒子径とは各々の粒子に対して写真から求まる面積と同等面積の円の直径を粒子径とし、それを測定全粒子に対して平均した粒子径である。また、粒子形状は前記電子顕微鏡写真から判断した。さらに、円形度は、前記電子顕微鏡写真から測定した粒子の(4π×面積)/周囲長で示した。
 比表面積値はBET法により測定した値(m/g)で示した。また、BET換算粒子径(nm)は関係式:6000/(BET比表面積×5.13)で算出した。なお、5.13はチタン酸ストロンチウムの密度(g/cm)である。
 前記平均一次粒子径と前記BET換算粒子径から、その比(平均一次粒子径/BET換算粒子径)を算出する。
 コンポジット膜の安定性はSr溶出濃度で評価される。Sr溶出濃度は2.5gのチタン酸ストロンチウム微粒子を50mlの純水に添加し、10分間煮沸した後、室温まで冷却してろ過し、そのろ液のSr量を測定した。
 Sr/Tiは蛍光X線分析装置(リガク製 ZSX PrimusII)を使用して測定した。
実施例1
 四塩化チタン水溶液を水にTiのモル濃度が2.10mol/lになるように混合した溶液に、20wt%の水酸化ストロンチウム水溶液をSr/Tiモル比が1.37になるように加え水酸化チタンスラリーを得た。そのスラリーのCMが10mS/cm以下になるように水洗した。得られた水酸化チタンスラリーをあらかじめ反応容器内で溶解させた水酸化ストロンチウム水溶液に投入した。この際の水酸化ストロンチウム水溶液はSr/Tiモル比で1.8となるように調整した。また、反応時の濃度はチタン酸ストロンチウム濃度として0.22mol/lとした。その後180℃で8時間攪拌を続け水熱反応を行った。反応後室温まで冷却した後、ヌッチェでろ液の電気伝導度が200μS/cm以下になるまで水洗し、ろ過、乾燥を行なってチタン酸ストロンチウム微粒子の白色粉末を得た。
 得られたチタン酸ストロンチウム微粒子粉末を電子顕微鏡で観察すると、一次平均粒子径が22.7nm、円形度0.84の球状粒子であり、BET比表面積が54.1m/gであり、一次粒子径とBET換算粒子径の比が1.05であった。
実施例2~6
 反応濃度、中和及び晶析時の水酸化ストロンチウム量、反応温度、時間を変化させた以外は実施例1と同様にしてチタン酸ストロンチウム微粒子粉末を得た。
 このときの製造条件を表1に、得られたチタン酸ストロンチウムの粉体特性を表2に示す。
 比較例1
 特許文献1の実施例19を参考に作製した。すなわち、四塩化チタン水溶液を純水に添加し、1時間攪拌した。この水溶液に5%アンモニア水を滴下してpH7.8の白色スラリーを得た。このスラリーをろ過水洗した後、再スラリー化し、60℃に加熱し酢酸を添加してpH6.0で40分間熟成した。熟成後、ろ過水洗し、含水水酸化チタンゲルのケーキを得た。この含水水酸化チタンゲルケーキに純水を加えた後、煮沸させたスラリーと水酸化ストロンチウム水溶液をSr/Tiが1.2になるように調整し、インラインミキサーを通して混合した後、80℃で4時間還流して熟成させた。熟成後、スラリーをろ過水洗乾燥した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 
 実施例におけるSr溶出濃度は、500ppm以下と低い。したがって、実施例におけるチタン酸ストロンチウム微粒子はフィラーとして樹脂との混錬に用いても、膜を劣化させることなく安定なコンポジットを作製できる。これは、一次粒子径とBET換算粒子径の比がSr溶出濃度と相関しており、すなわち、実施例において欠陥が少ないチタン酸ストロンチウム微粒子が得られているためである。
 本発明のチタン酸ストロンチウム微粒子粉末は、目的に応じて平均粒子径をコントロールすることができ、かつ微細で欠陥が少なく球状であるため膜の劣化を防ぎ、フィラーの充填密度を上げやすいという特徴がある。したがって、本発明のチタン酸ストロンチウム微粒子粉末は、ディスプレイに用いられる輝度向上フィルムや、AR/MRグラス等に用いられる回折光学素子における樹脂組成物の、高屈折率化のための高屈折率無機フィラー、または薄膜トランジスタ(TFT)等電子部品に利用できる高誘電樹脂組成物の高誘電無機フィラーに最適である。

Claims (4)

  1. 一次粒子の平均一次粒子径が50nm以下であって、平均一次粒子径とBET比表面積から関係式:6000/(BET×5.13)で導出されるBET換算粒子径との比が0.85~1.25の範囲にあることを特徴とする球状チタン酸ストロンチウム微粒子粉末。
  2. 請求項1に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子粉末であって、円形度が0.80以上であるチタン酸ストロンチウム微粒子粉末。
  3. 請求項1又は2に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子粉末を含む分散体。
  4. 請求項1又は2に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子粉末と樹脂とを含む樹脂組成物。
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