JP3729205B2 - 複合酸化物ゾルおよびその製造法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、シリカと他の無機酸化物とからなる複合酸化物ゾルおよびその製造法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、シリカとアルミナ、ジルコニア等との複合酸化物ゾルは公知であり、種々の触媒原料等として用いられている。
これらのゾルに分散している複合酸化物粒子は、いずれも粒子内部に殆ど細孔を持たない無孔質の粒子であり、その比表面積は小さく、微粒子の平均粒径をDp（nm）で表した場合、比表面積Ｓ（m²/g）の値は、３０００／Dp（nm）未満である。
【０００３】
また、例えば、特公昭５９−１７０４７号公報には、触媒組成物の前駆体としての無定形アルミノシリケートゾルの製造法が開示されており、同公報記載の製造法によれば、ヒールゾル溶液のｐＨを厳密に制御して粒子成長を行い、３〜９０nmの無孔質のコロイド粒子が分散したゾルを得、次いで、この無孔質粒子のゾルを乾燥させ、多孔質の集塊粒子を構成することによって、大きな比表面積の粉末を得ることに成功している。
【０００４】
【発明の目的】
しかしながら、上記製造方法で得られるゾルのコロイド粒子自体は無孔質であるから、その複合酸化物ゾルの用途も制限されたものとならざるを得ない。
即ち、本発明は比表面積が大きく、多孔質の微粒子が分散した新規な複合酸化物ゾル、およびその製造法を提供することを目的とする。
【０００５】
【発明の概要】
本発明の複合酸化物ゾルは、シリカとシリカ以外の無機酸化物の１種または２種以上とからなる多孔質複合酸化物の微粒子が分散したゾルであって、該微粒子の平均粒径（Dp）と比表面積（Ｓ）が、不等式
Ｓ（m²/g）≧３０００／ Dp（nm）
を満足するものである。
また、本発明の複合酸化物ゾルの製造法は、アルカリ金属、アンモニウムまたは有機塩基の珪酸塩と、アルカリ可溶の無機化合物とを、ｐＨ１０以上のアルカリ水溶液中に同時に添加し、この反応液のｐＨを制御せずにコロイド粒子を生成させるものである。
【０００６】
【発明の具体的説明】
本発明の複合酸化物は、シリカとシリカ以外の無機酸化物とからなる複合酸化物であって、それぞれの酸化物の混合物ではない。
無機酸化物としては、周期表の３Ａ族、３Ｂ族、４Ａ族、４Ｂ族、５Ａ族、５Ｂ族、６Ａ族の金属または非金属の元素の酸化物を挙げることができ、具体的にはＡｌ₂ Ｏ₃ 、Ｂ₂ Ｏ₃ 、ＴｉＯ₂ 、ＺｒＯ₂ 、ＳｎＯ₂ 、Ｃｅ₂ Ｏ₃ 、Ｐ₂ Ｏ₅ 、Ｓｂ₂ Ｏ₃ 、ＭｏＯ₃ 、ＷＯ₃ 等がある。
【０００７】
上記無機酸化物に対するシリカの複合割合（モル比）は、０．５乃至２０の範囲が適当である。この比が２０を越えると、後記する微粒子の比表面積が小さくなり、一方、０．５未満では、微粒子の比表面積は殆ど増加しなくなる。また、ゾルの安定性も劣ってくる。
【０００８】
本発明では、ゾル中に分散した複合酸化物の微粒子の比表面積Ｓ（m²/g）が、大きいことが特徴であり、具体的には微粒子の平均粒径をDp（nm）で表した場合、不等式
Ｓ（m²/g）≧３０００／ Dp（nm）
を満足する微粒子が分散したゾルである。
【０００９】
次に、複合酸化物ゾルの製造法について説明する。
シリカの原料としては、アルカリ金属、アンモニウムまたは有機塩基の珪酸塩を用いる。アルカリ金属の珪酸塩としては、珪酸ナトリウム（水ガラス）や珪酸カリウムが用いられる。
有機塩基としては、テトラエチルアンモニウム塩などの第４級アンモニウム塩、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミンなどのアミン類を挙げることができ、アンモニウムの珪酸塩または有機塩基の珪酸塩には、珪酸液にアンモニア、第４級アンモニウム水酸化物、アミン化合物などを添加したアルカリ性溶液も含まれる。
【００１０】
また、無機酸化物の原料としては、アルカリ可溶の無機化合物を用い、前記した金属または非金属のオキソ酸のアルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩、アンモニウム塩、第４級アンモニウム塩を挙げることができ、より具体的には、アルミン酸ナトリウム、四硼酸ナトリウム、炭酸ジルコニルアンモニウム、アンチモン酸カリウム、錫酸カリウム、アルミノ珪酸ナトリウム、モリブデン酸ナトリウム、硝酸セリウムアンモニウム、燐酸ナトリウムが適当である。
【００１１】
複合酸化物ゾルを生成するには、予め、前記化合物のアルカリ水溶液を個別に調製するか、または、混合水溶液を調製しておき、この水溶液を目的とする複合酸化物の複合割合に応じて、ｐＨ１０以上のアルカリ水溶液中に撹拌しながら徐々に添加する。
これらの水溶液の添加と同時に同溶液のｐＨ値は変化するが、本発明ではこのｐＨ値を所定の範囲に制御するような操作は特に必要ない。水溶液は、最終的に、無機酸化物の種類とその複合割合とによって定まるｐＨ値に落ち着く。
ｐＨを所定の範囲に制御するとき、例えば酸を添加することがあるが、この場合、添加された酸により複合酸化物の原料の金属の塩が生成し、このためゾルの安定性が低下することがある。なお、このときの水溶液の添加速度には格別の制限はない。
【００１２】
シード粒子の分散液を出発原料として、本発明の複合酸化物ゾルを製造することも可能である。この場合には、シード粒子として、ＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＴｉＯ₂ またはＺｒＯ₂ 等の無機酸化物またはこれらの複合酸化物の微粒子が用いられ、通常、これらのゾルを用いることができる。勿論、前記本発明の製造法によって得られたゾルをシード粒子分散液としてもよい。
【００１３】
このｐＨ１０以上に調整したシード粒子分散液中に前記化合物の水溶液を、上記したアルカリ水溶液中に添加する方法と同様にして、撹拌しながら添加する。この場合も、分散液のｐＨ制御は行わず成り行きに任せる。このように、シード粒子を核として複合酸化物粒子を成長させると、成長粒子の粒径コントロールが容易であり、粒度の揃ったものを得ることができる。
【００１４】
上記したシリカ原料および無機酸化物原料はアルカリ側で高い溶解度をもっている。しかしながら、この溶解度の大きいｐＨ領域で両者を混合すると、珪酸イオンおよびアルミン酸イオンなどのオキソ酸イオンの溶解度が低下し、これらの複合物が析出してコロイド粒子に成長したり、あるいは、シード粒子上に析出して粒子成長が起こる。従って、コロイド粒子の析出、成長に際して、従来法のようなｐＨ制御は不要となる。
また、このようにして得られたゾルのコロイド粒子は従来法によるコロイド粒子と異なり、大きな比表面積をもっており、従って、多孔質となる。
【００１５】
上記の微粒子が分散したゾルを濃縮する場合には、予め分散液中のアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンおよびアンモニウムイオン等の一部を除去した後に濃縮したほうが、複合酸化物微粒子が分散した安定な濃縮ゾルが得られる。除去方法としては、限外濾過等の公知の方法を採用する。
【００１６】
【実施例】
〔実施例１〕
平均粒径５nm、ＳｉＯ₂ 濃度２０重量％のシリカゾル２０ｇと純水３８０ｇの混合物を８０℃に加温した。この反応母液のｐＨは１０．５であり、同母液にＳｉＯ₂ として１．５重量％の珪酸ナトリウム水溶液１８００ｇとＡｌ₂ Ｏ₃ として０．５重量％のアルミン酸ナトリウム水溶液１８００ｇとを同時に添加した。添加速度は５ml／分であり、その間、反応液の温度を８０℃に保持した。反応液のｐＨは添加直後、１２．５に上昇し、その後、殆ど変化しなかった。添加終了後、反応液を室温まで冷却し、ＳｉＯ₂ ・Ａｌ₂ Ｏ₃ 複合酸化物ゾルを得た。
【００１７】
この複合酸化物ゾル中に分散したコロイド粒子の比表面積と平均粒径を表１に示す。なお、比表面積はタイトレーション法〔Analytical Chemistry Vol.28,No.12(1956) 〕に基づいて測定し、平均粒径は動的光散乱法により測定した。
【００１８】
〔実施例２〕
実施例１のアルミン酸ナトリウム水溶液の代わりに、Ｂ₂ Ｏ₃ として０．５重量％の四硼酸ナトリウム水溶液１８００ｇを用いた以外は実施例１と同様にして、ＳｉＯ₂ ・Ｂ₂ Ｏ₃ 複合酸化物ゾルを得た。
【００１９】
〔実施例３〕
実施例１のアルミン酸ナトリウム水溶液の代わりに、ＺｒＯ₂ として０．５重量％の炭酸ジルコニルアンモニウム水溶液１８００ｇを用いた以外は実施例１と同様にして、ＳｉＯ₂ ・ＺｒＯ₂ 複合酸化物ゾルを得た。
【００２０】
〔実施例４〕
実施例１のアルミン酸ナトリウム水溶液の代わりに、ＳｎＯ₂ として０．５重量％の錫酸カリウム水溶液１８００ｇを用いた以外は実施例１と同様にして、ＳｉＯ₂ ・ＳｎＯ₂ 複合酸化物ゾルを得た。
【００２１】
〔実施例５〕
実施例１で用いたものと同じ反応母液を８０℃に加温した後、これにＳｉＯ₂ として２．３重量％の珪酸ナトリウム水溶液１２００ｇ、Ａｌ₂ Ｏ₃ として０．４重量％のアルミン酸ナトリウム水溶液１２００ｇおよびＢ₂ Ｏ₃ として１．０重量％の四硼酸ナトリウム水溶液１２００ｇを、添加速度５ml／分で同時に注加して、ＳｉＯ₂ ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・Ｂ₂ Ｏ₃ 複合酸化物ゾルを得た。
【００２２】
〔実施例６〕
８０℃に加温した０．１重量％の水酸化ナトリウム水溶液（ｐＨ１２．５）４００ｇ中に、ＳｉＯ₂ として０．５重量％の珪酸ナトリウム水溶液１８００ｇとＡｌ₂ Ｏ₃ として１．４重量％のアルミン酸ナトリウム水溶液１８００ｇとを同時に添加した。添加速度は５ml／分であり、その間、反応液の温度を８０℃に保持した。反応液のｐＨは僅かに変化し、添加終了時には１２．４となった。
添加終了後、反応液を室温まで冷却し、ＳｉＯ₂ ・Ａｌ₂ Ｏ₃ 複合酸化物ゾルを得た。
【００２３】
〔実施例７〕
実施例６の珪酸ナトリウム水溶液の濃度を３．０重量％に変え、アルミン酸ナトリウム水溶液の濃度を０．３重量％に変えた以外は実施例６と同様にして、ＳｉＯ₂ ・Ａｌ₂ Ｏ₃ 複合酸化物ゾルを得た。
【００２４】
〔実施例８〕
珪酸ナトリウム水溶液を陽イオン交換樹脂で処理して得られた珪酸液（ＳｉＯ₂ 濃度１．５重量％）にテトラエチルアンモニウムハイドロオキサイドを、ＳｉＯ₂ ／（Ｃ₂ Ｈ₅)₄ ＮＯＨモル比１０の割合で添加したアルカリ水溶液を調製した。実施例１で用いたものと同じ反応母液に上記アルカリ水溶液１８００ｇと、Ａｌ₂ Ｏ₃ として０．５重量％のアルミン酸ナトリウム水溶液１８００ｇを同時に添加して、ＳｉＯ₂ ・Ａｌ₂ Ｏ₃ 複合酸化物ゾルを得た。添加時の条件は実施例１と同様である。
【００２５】
〔実施例９〕
テトラエチルアンモニウムハイドロオキサイドの代りにアンモニアを用い、ＳｉＯ₂ ／ＮＨ₃ モル比２とした以外は実施例８と同様にしてＳｉＯ₂ ・Ａｌ₂ Ｏ₃ 複合酸化物ゾルを得た。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【発明の効果】
本発明に係る複合酸化物ゾルは、分散微粒子の比表面積が大きく、微粒子の内部に多数の細孔を有している。従って、触媒としての用途以外にも、以下のような種々の用途に適用することができる。
【００２８】
（１）バインダー力が大きいので、種々の耐火物用のバインダーとして用いれば、高強度の成形体を得ることができ、例えば、精密鋳造用ロストワックス法のバインダーとして用いれば、強度に優れた型を得ることができる。また、セラミックスシート等の無機繊維のバインダーとして用いれば、引張強度の優れた無機繊維が得られる。
（２）陽イオン吸着能力が大きいので、排水中のアンモニウムイオンおよび重金属イオンを吸着除去するための吸着剤や、高分子電解質の固定化剤、または、合成洗剤に配合されるビルダーとして利用できる。
【００２９】
（３）特に、高アルカリ側で安定であることから、セメント配合剤や土壌硬化剤としても用いることができ、土壌硬化剤として用いた場合には、配合量によって硬化剤のゲル化速度を調整することが可能になる。
（４）更に、多孔質であることから、低屈折率用のフィラーとしたり、コロイド粒子の細孔中に染料や顔料を固定して色素材料としての利用も可能である。
（５）その他、清酒、ビールの製造過程で使用されるオリ下げ剤、クロマトグラフ充填剤、各種プラスチックやゴムの充填剤、滑り性向上剤、化粧品配合剤、潤滑剤、増粘剤、食料品の鮮度保持剤等に有用である。
【００３０】
本発明に係る複合酸化物ゾルの製造法は、反応液のｐＨコントロールを不要とするものであるから、コロイド粒子を生成させる操作が容易で、製造プロセスを簡略化することができる。

Claims (3)

1. シリカとシリカ以外の無機酸化物の１種または２種以上とからなる複合酸化物の多孔質微粒子が分散したゾルであって、該微粒子の平均粒径（Dp）と比表面積（Ｓ）が、不等式
   Ｓ（m²/g）≧３０００／ Dp（nm）
   を満足することを特徴とする複合酸化物ゾル。
2. アルカリ金属、アンモニウムまたは有機塩基の珪酸塩と、アルカリ可溶の無機化合物とを、ｐＨ１０以上のアルカリ水溶液中に同時に添加し、この反応液のｐＨを制御せずにコロイド粒子を生成させることを特徴とする請求項１記載の複合酸化物ゾルの製造法。
3. シード粒子が分散したｐＨ１０以上の分散液中に、アルカリ金属、アンモニウムまたは有機塩基の珪酸塩と、アルカリ可溶の無機化合物とを同時に添加し、この分散液のｐＨを制御せずにシード粒子を核として複合酸化物の粒子成長を行わせることを特徴とする請求項１記載の複合酸化物ゾルの製造法。