JP2013060389A - アルミニウムアルコキサイドの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 金属アルミニウムとアルコールを含む液との固液反応によってアルミニウムアルコキサイドを効率よく製造するアルミニウムアルコキサイドの製造方法を提供する。
【解決手段】固相である金属アルミニウムと、炭素数１〜８個の一価アルコールからなるアルコールを含む液とを固液反応させてアルミニウムアルコキサイドを製造する方法において、固相に対するアルコールを含む液の流速を０．０５ｍ／ｓ以上として固液反応させる。
【選択図】 なし
【解決手段】固相である金属アルミニウムと、炭素数１〜８個の一価アルコールからなるアルコールを含む液とを固液反応させてアルミニウムアルコキサイドを製造する方法において、固相に対するアルコールを含む液の流速を０．０５ｍ／ｓ以上として固液反応させる。
【選択図】 なし
Description
本発明は、アルミニウムアルコキサイドの製造方法に関する。詳しくは、金属アルミニウムとアルコールを含む液との固液反応によりアルミニウムアルコキサイドを製造する方法に関する。
アルミニウムアルコキサイドは、高純度アルミナの原料、有機合成触媒、脱水縮合剤、表面処理剤や、塗料、インキ、接着剤などの改質用添加剤、或いは撥水剤、機能性ガラスなどとして幅広く利用されている。
近年、表示材料、エネルギー、自動車、半導体やコンピューターといった高い成長が期待される分野での高純度アルミナの需要が拡大しており、その原料となるアルミニウムアルコキサイドを効率よく製造することが求められている。
近年、表示材料、エネルギー、自動車、半導体やコンピューターといった高い成長が期待される分野での高純度アルミナの需要が拡大しており、その原料となるアルミニウムアルコキサイドを効率よく製造することが求められている。
アルミニウムアルコキサイドの製造方法として、金属アルミニウムとアルコールとを固液反応させる製造方法が知られている。特許文献１には、ガリウム、インジウム或いはこれら金属の化合物の少なくとも１種を液相に対し０．０２〜５０ｐｐｍ（金属換算）存在する条件下で固液反応させる方法が開示されており、特許文献２には、触媒の非存在下で、金属アルミニウムとして、直径が２ｍｍ〜１００ｍｍの粒状アルミニウムを用い、使用するアルコール中の水分が２０００ｐｐｍ以下である条件下で固液反応させる方法が開示されている。
しかしながら、特許文献１、２に記載の方法では、アルミニウムアルコキサイドを効率よく製造することはできず、従って、従来の方法よりも、さらに効率よくアルミニウムアルコキサイドを製造することが求められている。
本発明は、金属アルミニウムとアルコールを含む液との固液反応によってアルミニウムアルコキサイドを効率よく製造するアルミニウムアルコキサイドの製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、金属アルミニウムとアルコールを含む液との固液反応によってアルミニウムアルコキサイドを効率よく製造するアルミニウムアルコキサイドの製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、金属アルミニウムに対するアルコールを含む液の流速を所定以上とすると、金属アルミニウムとアルコールとの固液反応の進行を促進することができるとの知見を得、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、以下の構成からなる。
（１）固相である金属アルミニウムと、アルコールを含む液とを固液反応させてアルミニウムアルコキサイドを製造する方法において、固相に対するアルコールを含む液の流速を０．０５ｍ／ｓ以上として固液反応させることを特徴とするアルミニウムアルコキサイドの製造方法。
（２）アルコールが炭素数１〜８個の一価アルコールである前記（１）記載のアルミニウムアルコキサイドの製造方法。
（３）アルコールを含む液に、アルミニウムアルコキサイドを含有し、アルコールとアルミニウムアルコキサイドとの重量比が、５／９５〜８５／１５である前記（１）または（２）記載のアルミニウムアルコキサイドの製造方法。
（４）アルコールがイソプロピルアルコールである前記（１）〜（３）のいずれか記載のアルミニウムアルコキサイドの製造方法。
（１）固相である金属アルミニウムと、アルコールを含む液とを固液反応させてアルミニウムアルコキサイドを製造する方法において、固相に対するアルコールを含む液の流速を０．０５ｍ／ｓ以上として固液反応させることを特徴とするアルミニウムアルコキサイドの製造方法。
（２）アルコールが炭素数１〜８個の一価アルコールである前記（１）記載のアルミニウムアルコキサイドの製造方法。
（３）アルコールを含む液に、アルミニウムアルコキサイドを含有し、アルコールとアルミニウムアルコキサイドとの重量比が、５／９５〜８５／１５である前記（１）または（２）記載のアルミニウムアルコキサイドの製造方法。
（４）アルコールがイソプロピルアルコールである前記（１）〜（３）のいずれか記載のアルミニウムアルコキサイドの製造方法。
本発明の製造方法によれば、固相に対するアルコールを含む液の流速を０．０５ｍ／ｓ以上として固液反応させるので、効率よくアルミニウムアルコキサイドを製造することができる。
本発明のアルミニウムアルコキサイドの製造方法は、金属アルミニウムと、アルコールを含む液とを、所定の流速下で固液反応させてアルミニウムアルコキサイドを製造する方法である。
（金属アルミニウム）
固相を形成する原料としての金属アルミニウムは、その純度は特に限定されないが、例えば、本発明の製造方法で得られるアルミニウムアルコキサイドを純度９９．９９％以上の高純度アルミナの原料として使用する場合には、純度９９．９９％以上の高純度であるのが好ましい。純度が上記範囲内であれば、金属アルミニウム中の鉄、ケイ素、銅、マグネシウム等の不純物濃度が、金属アルミニウムの総重量に対して、１００ｐｐｍ以下であるので、得られるアルミニウムアルコキサイドの精製が不要となる。
金属アルミニウムの形状としては、特に限定されず、例えば、インゴット、ペレット、板、箔、線、粉末などが挙げられる。
固相を形成する原料としての金属アルミニウムは、その純度は特に限定されないが、例えば、本発明の製造方法で得られるアルミニウムアルコキサイドを純度９９．９９％以上の高純度アルミナの原料として使用する場合には、純度９９．９９％以上の高純度であるのが好ましい。純度が上記範囲内であれば、金属アルミニウム中の鉄、ケイ素、銅、マグネシウム等の不純物濃度が、金属アルミニウムの総重量に対して、１００ｐｐｍ以下であるので、得られるアルミニウムアルコキサイドの精製が不要となる。
金属アルミニウムの形状としては、特に限定されず、例えば、インゴット、ペレット、板、箔、線、粉末などが挙げられる。
（アルコール）
アルコールを含む液を形成する原料としてのアルコールは、製造目的とするアルミニウムアルコキサイドによって適宜選択すればよく、炭素数が１〜８個の一価アルコールであるのが好ましく、なかでも、炭素鎖が長くなるほど金属アルミニウムとの反応性が低下するおそれがあることから、下記式（i）で表されるアルコールがより好ましく、イソプロピルアルコールが特に好ましい。
Ｒ1ＯＨ （i）
［式中、Ｒ1は、メチル、エチル、ノルマルプロピル、イソプロピル、ノルマルブチル、イソブチル、ネオブチル、ノルマルペンチル、イソペンチル、ネオペンチル、ノルマルヘキシル、イソヘキシル、ネオヘキシル、ノルマルヘプチル、イソヘプチル、ネオヘプチル、ノルマルオクチル、イソオクチル及びネオオクチルからなる群より選ばれる少なくとも１つである。］
アルコールを含む液を形成する原料としてのアルコールは、製造目的とするアルミニウムアルコキサイドによって適宜選択すればよく、炭素数が１〜８個の一価アルコールであるのが好ましく、なかでも、炭素鎖が長くなるほど金属アルミニウムとの反応性が低下するおそれがあることから、下記式（i）で表されるアルコールがより好ましく、イソプロピルアルコールが特に好ましい。
Ｒ1ＯＨ （i）
［式中、Ｒ1は、メチル、エチル、ノルマルプロピル、イソプロピル、ノルマルブチル、イソブチル、ネオブチル、ノルマルペンチル、イソペンチル、ネオペンチル、ノルマルヘキシル、イソヘキシル、ネオヘキシル、ノルマルヘプチル、イソヘプチル、ネオヘプチル、ノルマルオクチル、イソオクチル及びネオオクチルからなる群より選ばれる少なくとも１つである。］
アルコールを含む液には、前記した固液反応に悪影響を及ぼさない範囲で、例えば、アルミニウムアルコキサイドを効率よく製造する観点から、アルコールを含む液の総重量に対するケトン類の重量が１３０ｐｐｍ以下となる範囲内で、ベンゼン、トルエン等の他の溶媒を含有していてもよい。
（固液反応）
固液反応は、例えば、反応装置内に、アルコールを含む液と、金属アルミニウムとを投入し、所定の流速下で行われる。その際、あらかじめ触媒を存在させたり、あらかじめアルコールを含む液中にアルミニウムアルコキサイドを添加しておくのが好ましい。なかでも、固液反応の進行を促進し、効率よくアルミニウムアルコキサイドを製造する観点から、触媒の存在下で反応を進行させるのが好ましく、より好ましくは、アルミニウムアルコキサイドとアルコールを含む液を混合して得られた液中に、触媒の存在下で、金属アルミニウムを投入して反応を進行させるのがよい。
固液反応は、例えば、反応装置内に、アルコールを含む液と、金属アルミニウムとを投入し、所定の流速下で行われる。その際、あらかじめ触媒を存在させたり、あらかじめアルコールを含む液中にアルミニウムアルコキサイドを添加しておくのが好ましい。なかでも、固液反応の進行を促進し、効率よくアルミニウムアルコキサイドを製造する観点から、触媒の存在下で反応を進行させるのが好ましく、より好ましくは、アルミニウムアルコキサイドとアルコールを含む液を混合して得られた液中に、触媒の存在下で、金属アルミニウムを投入して反応を進行させるのがよい。
反応装置としてバッチ式反応装置を用いて固液反応させる方法としては、例えば、下記の（ａ）〜（ｃ）の方法などが挙げられる。
（ａ）反応容器内に仕込んだアルコールを含む液中に、周面部にアルミニウム片を取り付けた軸体を含侵させ、該軸体を軸線回りに所定速度で回転させて固液反応させる方法。
（ｂ）反応容器内に仕込んだアルコールを含む液を攪拌翼を用いて所定速度で攪拌し、該アルコールを含む液にアルミニウム片を取り付けた軸体を含侵させて、固液反応させる方法。
（ｃ）反応容器内に仕込んだアルコールを含む液を攪拌翼を用いて所定速度で攪拌し、該アルコールを含む液に、周面部にアルミニウム片を取り付けた軸体を含侵させ、該軸体を軸線回りに回転させて固液反応させる方法。
なお、用いる軸体の下端には、流速を後述する範囲内とすることができれば、攪拌用のローターブレードを備えていてもよい。
（ａ）反応容器内に仕込んだアルコールを含む液中に、周面部にアルミニウム片を取り付けた軸体を含侵させ、該軸体を軸線回りに所定速度で回転させて固液反応させる方法。
（ｂ）反応容器内に仕込んだアルコールを含む液を攪拌翼を用いて所定速度で攪拌し、該アルコールを含む液にアルミニウム片を取り付けた軸体を含侵させて、固液反応させる方法。
（ｃ）反応容器内に仕込んだアルコールを含む液を攪拌翼を用いて所定速度で攪拌し、該アルコールを含む液に、周面部にアルミニウム片を取り付けた軸体を含侵させ、該軸体を軸線回りに回転させて固液反応させる方法。
なお、用いる軸体の下端には、流速を後述する範囲内とすることができれば、攪拌用のローターブレードを備えていてもよい。
固液反応を行なわせる際、固相に対するアルコールを含む液の流速は、０．０５ｍ／ｓ以上であり、好ましくは０．１０ｍ／ｓ以上であり、より好ましくは０．１５ｍ／ｓ以上である。流速が上記範囲内であれば、金属アルミニウムとアルコールを含む液との接触頻度を高め、固液反応の進行を促進することができ、効率よくアルミニウムアルコキサイドを製造することができる。
なお、流速は下記のように定義する。
上記方法（ａ）のように、アルコールを含む液が静的であり、固相が動的である場合、固相の速度を流速とする。具体的には、アルミニウム片の速度を流速とする。
上記方法（ｂ）のように、アルコールを含む液が動的であり、固相が静的である場合、アルコールを含む液の速度を流速とする。例えば、攪拌翼の攪拌速度から算出したアルコールを含む液の速度を流速とすればよい。
上記方法（ｃ）のように、アルコールを含む液および固相がともに動的である場合、アルコールを含む液と固相の進行方向が同じであれば、アルコールを含む液の速度と、固相の速度との速度差を流速とし、アルコールを含む液と固相の進行方向が異なれば、アルコールを含む液の速度と、固相の速度との和を流速とする。
上記方法（ａ）のように、アルコールを含む液が静的であり、固相が動的である場合、固相の速度を流速とする。具体的には、アルミニウム片の速度を流速とする。
上記方法（ｂ）のように、アルコールを含む液が動的であり、固相が静的である場合、アルコールを含む液の速度を流速とする。例えば、攪拌翼の攪拌速度から算出したアルコールを含む液の速度を流速とすればよい。
上記方法（ｃ）のように、アルコールを含む液および固相がともに動的である場合、アルコールを含む液と固相の進行方向が同じであれば、アルコールを含む液の速度と、固相の速度との速度差を流速とし、アルコールを含む液と固相の進行方向が異なれば、アルコールを含む液の速度と、固相の速度との和を流速とする。
また、反応装置として連続式反応装置を用いることもできる。連続式反応装置を用いて固液反応させる方法としては、例えば、反応容器内にアルミニウム片とアルコールを含む液を連続的に投入して、アルコールを含む液を反応容器内に、例えばポンプ等で所定速度で循環させて固液反応させ、生成したアルミニウムアルコキサイドを連続的に回収する方法（ｄ）などが挙げられる。
上記方法（ｄ）のような場合は、反応容器内のアルコールを含む液の速度を固相に対するアルコールを含む液の流速とし、その流速が上述した範囲内になるようにすればよい。
上記方法（ｄ）のような場合は、反応容器内のアルコールを含む液の速度を固相に対するアルコールを含む液の流速とし、その流速が上述した範囲内になるようにすればよい。
触媒をあらかじめ反応装置内に存在させて固液反応を行う場合、触媒は、ガリウム、インジウムあるいはそれら金属の化合物である。ガリウム、インジウムの化合物としては、例えば、メトキサイド、エトキサイド、イソプロポキサイドなどのアルコキサイド化合物；フェノキサイドなどのアリロキサイド化合物；フォルメート、アセテートなどのカルボキシレート化合物；アセチルアセトネート化合物、塩化物などの無水ハロゲン化物の中から使用するアルコール或いは他の溶媒に溶解度のあるものを単独或いは混合して用いることができる。
触媒の含有量は、金属アルミニウムと接触しているアルコールを含む液に含まれるアルミニウムの金属換算での総重量に対して、０．０２〜５０ｐｐｍであり（但し、ガリウムまたはインジウムの化合物の場合には、金属換算での値である。）、好ましくは０．１〜４０ｐｐｍである。触媒の含有量が０．０２ｐｐｍ未満であると反応促進効果が認められず、他方、５０ｐｐｍを越えると、得られるアルミニウムアルコキサイドを高純度アルミナ等のファインセラミックス粉末の原料として用いる場合に、ガリウム、インジウムが不純物として最終製品に移行し、焼結性や光学特性を悪化させるなどの不都合を生じるおそれがある。
触媒をアルコールを含む液中に存在させる方法としては、アルコールを含む液中の濃度が上記範囲内となるようにすることができる方法であれば特に限定はされず、例えば、固液界面においてより有効に反応促進効果を発揮させる観点から、触媒をあらかじめアルコールを含む液中に混合分散させるか、あるいは金属アルミニウムに固溶させる等の公知の方法で含有させ、固液反応時に触媒をアルコールを含む液中に分散或いは溶出させつつ金属アルミニウムとアルコールを含む液を反応させる方法が好適に用いられる。
また、所望のガリウムおよび／またはインジウム量は、金属アルミニウム中からの溶出量と直接アルコールを含む液中に添加する量を勘案して、決定してもよい。
また、所望のガリウムおよび／またはインジウム量は、金属アルミニウム中からの溶出量と直接アルコールを含む液中に添加する量を勘案して、決定してもよい。
ガリウムおよび／またはインジウムを含有する金属アルミニウムは、ガリウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも１種を、金属アルミニウムの総重量に対して、好ましくは０．０２〜５０ｐｐｍ、さらに好ましくは０．１〜４０ｐｐｍ、特に好ましくは０．５〜２０ｐｐｍ含有しているのが好ましい。これにより、新たに触媒をアルコールを含む液に添加することなく、または添加量を少なくして反応を行なわせることができる。
アルミニウムアルコキサイドをあらかじめ反応装置内に存在せしめ固液反応を行う場合、アルコールを含む液と混合するアルミニウムアルコキサイドとしては、製造目的とするアルミニウムアルコキサイドと同一の化合物であるのが好ましく、具体的には、下記式（ii）で表されるアルミニウムアルコキサイドなどが挙げられる。
Ａｌ（ＯＲ2）3 （ii）
ここで、Ｒ2は、それぞれ独立に、メチル、エチル、ノルマルプロピル、イソプロピル、ノルマルブチル、イソブチル、ネオブチル、ノルマルペンチル、イソペンチル、ネオペンチル、ノルマルヘキシル、イソヘキシル、ネオヘキシル、ノルマルヘプチル、イソヘプチル、ネオヘプチル、ノルマルオクチル、イソオクチル及びネオオクチルからなる群より選ばれる少なくとも１つであり、上述した式（i）のおけるＲ1と同一であるのが好ましい。
Ａｌ（ＯＲ2）3 （ii）
ここで、Ｒ2は、それぞれ独立に、メチル、エチル、ノルマルプロピル、イソプロピル、ノルマルブチル、イソブチル、ネオブチル、ノルマルペンチル、イソペンチル、ネオペンチル、ノルマルヘキシル、イソヘキシル、ネオヘキシル、ノルマルヘプチル、イソヘプチル、ネオヘプチル、ノルマルオクチル、イソオクチル及びネオオクチルからなる群より選ばれる少なくとも１つであり、上述した式（i）のおけるＲ1と同一であるのが好ましい。
アルコールを含む液中のアルミニウムアルコキサイドの含有量は、アルコール／アルミニウムアルコキサイドが重量比で５／９５〜８５／１５、好ましくは５／９５〜８０／２０、より好ましくは５／９５〜７０／３０である。アルミニウムアルコキサイドの含有量が上記範囲内であれば、反応促進効果を発揮することができる。
固液反応に際し、アルコールを含む液中のアルコールと金属アルミニウムの使用量比はバッチ式或いは連続式等の反応様式や所望するアルミニウムアルコキサイドの濃度により一義的でないが、通常、アルコール／金属アルミニウムのモル比は、約３以上、好ましくは約４以上とするのがよい。
金属アルミニウムとアルコールを含む液の反応温度は、反応が進行しさえすれば特に限定されず、反応を促進させる観点から、アルコールを含む液の沸騰、還流条件下での反応が好適である。
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
（実施例１）
還流冷却器付き２リットルセパラブルフラスコに、８５重量％のアルミニウムイソプロポキサイドを溶解含有するイソプロピルアルコール溶液（Ｇａをイソプロピルアルコール溶液の総重量に対して０．２ｐｐｍ含有）１００重量部を投入し、昇温した。
次いで、ポリテトラフルオロエチレン被覆された軸体の周面部にポリテトラフルオロエチレンチューブを用いて取り付けた２．３重量部のアルミニウム片（大きさ：直径約１６．５ｍｍ×長さ約４０ｍｍ、純度＞９９．９９％、Ｇａ／Ａｌ＝２ｐｐｍ）を溶液中に投入して、０．１７３ｍ／ｓの速度でアルミニウム片を軸線回りに回転させながらイソプロピルアルコールの沸騰還流下（約９２℃）で、３００分間反応を行った。反応の進行に伴い水素ガスの発生とアルミニウムの溶解が観察された。
３００分間の反応後、降温してアルミニウム片を取り出し、アルミニウム片の反応前後の重量減少からアルミニウムの溶解量、すなわち反応量を調べた。その結果を表１に示す。なお、アルミニウム片の周速度を固相に対するアルコールを含む液の流速とした。
還流冷却器付き２リットルセパラブルフラスコに、８５重量％のアルミニウムイソプロポキサイドを溶解含有するイソプロピルアルコール溶液（Ｇａをイソプロピルアルコール溶液の総重量に対して０．２ｐｐｍ含有）１００重量部を投入し、昇温した。
次いで、ポリテトラフルオロエチレン被覆された軸体の周面部にポリテトラフルオロエチレンチューブを用いて取り付けた２．３重量部のアルミニウム片（大きさ：直径約１６．５ｍｍ×長さ約４０ｍｍ、純度＞９９．９９％、Ｇａ／Ａｌ＝２ｐｐｍ）を溶液中に投入して、０．１７３ｍ／ｓの速度でアルミニウム片を軸線回りに回転させながらイソプロピルアルコールの沸騰還流下（約９２℃）で、３００分間反応を行った。反応の進行に伴い水素ガスの発生とアルミニウムの溶解が観察された。
３００分間の反応後、降温してアルミニウム片を取り出し、アルミニウム片の反応前後の重量減少からアルミニウムの溶解量、すなわち反応量を調べた。その結果を表１に示す。なお、アルミニウム片の周速度を固相に対するアルコールを含む液の流速とした。
（実施例２）
流速を０．３４５ｍ／ｓとした他は、実施例１と同様にして、アルミニウムの反応量を評価した。その結果を表１に示す。
流速を０．３４５ｍ／ｓとした他は、実施例１と同様にして、アルミニウムの反応量を評価した。その結果を表１に示す。
（実施例３）
流速を０．０８６ｍ／ｓとした他は、実施例１と同様にして、アルミニウムの反応量を評価した。その結果を表１に示す。
流速を０．０８６ｍ／ｓとした他は、実施例１と同様にして、アルミニウムの反応量を評価した。その結果を表１に示す。
（比較例１）
流速を０ｍ／ｓとした他は、実施例１と同様にして、アルミニウムの反応量を評価した。その結果を表１に示す。
流速を０ｍ／ｓとした他は、実施例１と同様にして、アルミニウムの反応量を評価した。その結果を表１に示す。
以上のように、実施例１〜３では、固相に対するアルコールを含む液の流速を０．０５ｍ／ｓ以上として固液反応させたので、固相に対するアルコールを含む液の流速を０．０５ｍ／ｓ未満として固液反応させた比較例１に比べ、高いアルミニウムの反応量を示した。
Claims (4)
- 固相である金属アルミニウムと、アルコールを含む液とを固液反応させてアルミニウムアルコキサイドを製造する方法において、
固相に対するアルコールを含む液の流速を０．０５ｍ／ｓ以上として固液反応させることを特徴とするアルミニウムアルコキサイドの製造方法。 - アルコールが炭素数１〜８個の一価アルコールである請求項１記載のアルミニウムアルコキサイドの製造方法。
- アルコールを含む液に、アルミニウムアルコキサイドを含有し、アルコールとアルミニウムアルコキサイドとの重量比が、５／９５〜８５／１５である請求項１または２記載のアルミニウムアルコキサイドの製造方法。
- アルコールがイソプロピルアルコールである請求項１〜３のいずれか記載のアルミニウムアルコキサイドの製造方法。
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