JPWO2002079091A1 - 塩基性金属硝酸塩の製造法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、塩基性金属硝酸塩の製造法に関する。
従来の技術
塩基性金属硝酸塩の合成法については、古くから各種の製法が知られている。例えば、硝酸銅溶液を用いた塩基性硝酸銅の合成法として、GMELINS HANDBUCH DERANORGANISCHEN CHEMIE「KUPFER」Teil B,p.188−193(System Nummer 60),1958;VERLAG CHEMIE,GMBH.,WEINHEIM/BERGSTRASSEに記載された方法が知られている。この文献には、塩基性硝酸銅の合成法として、硝酸銅溶液とアンモニア又はアルカリ水酸化物を使用する方法、希薄硝酸銅水溶液と0.1N水酸化ナトリウム水溶液との反応、中性硝酸銅溶液と水酸化ナトリウム水溶液との反応、空気及び水の存在下での硝酸アンモニウムとの反応等が記載されている。しかし、いずれの合成法も得られる塩基性硝酸銅の収量が不明であり、更に得られる塩基性硝酸銅の色及び結晶状態も一定ではないため、工業的利用が困難である。
Acta Chemica Scandinavia A 30 No.5 343−350(1976)には、硝酸銅溶液−硝酸アンモニウム溶液−アンモニア水系による合成法が記載されている。しかし、この合成法では、4Lのフラスコを用いて合成したにも拘わらず、収量は僅か5gであり、これを工場規模に換算して見ると収量が約53%と低いため、工業的利用が困難である。
Aust.J.Chem.,1990,43,749−754には、硝酸銅溶液における2価の銅イオン濃度が10−4又は10−3Mであり、硝酸カリウムによる硝酸アニオン濃度が10−3、10−2及び10−1Mである溶液に、10−1M水酸化カリウム溶液を段階的に添加する際、溶液の初期のpH値を約3に調整する合成法が記載されている。しかし、この合成法では、希薄溶液を使用する工程を含むため、合成時間が約36時間以上と長くなりすぎるという問題がある。
本発明の開示
本発明の課題は、高品質の塩基性金属硝酸塩を高い収量でかつ効率よく得られる塩基性金属硝酸塩の製造法及びその製法で合成される塩基性金属硝酸塩を提供することである。
本発明は、上記課題の解決手段として、金属硝酸塩水溶液又は金属硝酸塩と水溶性添加物の混合物の水溶液と、アルカリ水溶液を、反応開始前のpH(20℃)が1.5〜2.5に調整された反応溶媒が存在する反応器中に添加して、攪拌手段による攪拌下、反応中のpHの最高値が5.0〜6.5になるように反応を行う塩基性金属硝酸塩の製造法を提供する。
pHは、以下において説明する種々の要因によって決定されるものであり、各要因を適切に選択することによって調整する。
本発明の製造法により得られる塩基性金属硝酸塩は、次のような一般式(I)で示される一連の化合物が挙げられ、水和水を含む化合物も存在する場合もある。
M(NO3)y・nM(OH)z又はMx’(NO3)y’(OH)z’(I)〔式中、Mは金属を、x’は金属数を、y、y’はNO3イオン数を、z’はOHイオン数を、nはM(NO3)y部分に対するM(OH)z部分の比を示すものである。〕一般式(I)に相当するものとしては、金属Mとして銅、コバルト、亜鉛、マンガン、鉄、モリブデン、ビスマス、セリウムを含む、塩基性硝酸銅〔Cu2(NO3)(OH)3、Cu3(NO3)(OH)5・2H2O〕、塩基性硝酸コバルト〔Co2(NO3)(OH)3〕、塩基性硝酸亜鉛〔Zn2(NO3)(OH)3〕、塩基性硝酸マンガン〔Mn(NO3)(OH)2〕、塩基性硝酸鉄〔Fe4(NO3)(OH)11・2H2O〕、塩基性硝酸モリブデン、塩基性硝酸ビスマス〔Bi(NO3)(OH)2〕、塩基性硝酸セリウム〔Ce(NO3)3(OH)−3H2O〕が挙げられるが、これらの中でも塩基性硝酸銅(BCN)が好ましい。
本発明の製造法によれば、安価で工業的に入手が容易な原料を用い、特殊な反応設備を特に必要とせず、かつ容易に制御できる反応条件で塩基性硝酸銅等の塩基性金属硝酸塩を工業的に製造することができる。更に、高収率で、一定の結晶状態であり、かつ粒径の揃った(粒径分布の狭い)塩基性金属硝酸塩を得ることができる。
更に本発明の製造法により得られた塩基性金属硝酸塩は、インフレータ用のガス発生剤の酸化剤として用いたとき、ガス発生剤の燃焼速度を好適な範囲に調整することができる。
発明の実施の形態
以下、本発明の製造法の一実施形態を製造工程に分けて説明するが、下記の各製造工程は、当業者によって通常なされる改変によって、適宜変更、追加することができる。
まず、反応原料となる金属硝酸塩水溶液又は金属硝酸塩と水溶性添加物の混合物の水溶液と、アルカリ水溶液を用意する。
金属硝酸塩は、コバルト、銅、亜鉛、マンガン、鉄、モリブデン、ビスマス及びセリウムから選ばれる1又は2以上の金属塩が好ましく、硝酸銅がより好ましい。
水溶性添加物は、硝酸アンモニウム、亜硝酸アンモニウム、酢酸アンモニウム、炭酸アンモニウム、重炭酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、亜硫酸アンモニウム、重硫酸アンモニウム、重亜硫酸アンモニウム、硫酸水素アンモニウム、亜硫酸水素アンモニウム、硼酸アンモニウム8水和物、四硼酸アンモニウム、燐酸二アンモニウム、燐酸一アンモニウム、燐酸三アンモニウム三水和物、燐酸水素アンモニウムナトリウム四水和物、過塩素酸アンモニウム、過レニウム酸アンモニウム、硝酸アンモニウムセリウム(IV)、硝酸アンモニウムセリウム(III)四水和物、硫酸セリウムアンモニウム(IV)二水和物、硫酸アンモニウムクロム(III)12水和物、硫酸アンモニウムコバルト(II)六水和物、硫酸アンモニウム鉄(II)六水和物、硫酸アンモニウム鉄(III)12水和物、クロム酸アンモニウム、二クロム酸アンモニウム、モリブデン酸アンモニウム四水和物、バナジン(V)酸アンモニウム、燐モリブデン酸アンモニウム三水和物、燐タングステン酸アンモニウム三水和物、硫酸マンガン(II)アンモニウム、硫酸ニッケル(II)アンモニウム六水和物、硫酸ニッケル(II)アンモニウム六水和物、塩化アンモニウム、臭化アンモニウム、沃化アンモニウム、酢酸アンモニウム、アジピン酸アンモニウム、アルギン酸アンモニウム、安息香酸アンモニウム、くえん二酸アンモニウム、くえん酸三アンモニウム、くえん酸アンモニウム鉄(III)、ぎ酸アンモニウム、酒石酸アンモニウム、酒石酸水素アンモニウム、乳酸アンモニウム、メタクリルスルホン酸アンモニウム、フタル酸アンモニウム、サリチル酸アンモニウム、こはく酸アンモニウム、スルファミン酸アンモニウムから選ばれる1又は2以上のものであり、これらの中でも硝酸アンモニウムが好ましい。
水溶液又は混合物の水溶液中の金属硝酸塩濃度は、好ましくは65重量%以下、より好ましくは40〜55重量%である。金属硝酸塩濃度が高すぎると、金属硝酸塩の結晶が析出し、反応器への仕込み作業が困難となり、反応系のpHが高くなってしまうので好ましくない。
水溶性添加物濃度は、好ましくは5重量%以下、より好ましくは0.01〜1.5重量%である。水溶性添加物濃度が高すぎると、過剰のアンモニウムイオンが金属硝酸塩の金属イオンに配位して錯イオンとして安定に存在し、塩基性金属硝酸塩の製造を妨げるので好ましくない。
アルカリは、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム等の水酸化アルカリ金属塩が好ましく、水酸化ナトリウムがより好ましい。
アルカリ水溶液中のアルカリ濃度は、好ましくは60重量%以下、より好ましくは20〜50重量%である。アルカリ濃度が高すぎると、アルカリの結晶が析出し、反応器への仕込み作業が困難となり、反応系のpHが高くなるので好ましくない。
金属硝酸塩とアルカリの混合比率は、金属硝酸塩1モルに対してアルカリ2モル以下が好ましく、1.0〜1.7モルの範囲がより好ましい。この範囲よりアルカリが少ない場合は、塩基性金属硝酸塩の品質は向上せず、収率が低くなるだけで工業的な製造方法としては意味がない。また、この範囲より多い場合は、塩基性金属硝酸塩の中に金属水酸化物が混入するため好ましくない。
次に、金属硝酸塩水溶液又は金属硝酸塩と水溶性添加物の混合物の水溶液と、アルカリ溶液を、反応溶媒が存在する反応器中に添加し、攪拌手段により攪拌下で反応させる。
金属硝酸塩の添加速度S1(mol/分)と、アルカリの添加速度S2(mol/分)との比S1/S2は、0.2〜3.0が好ましく、0.4〜0.9がより好ましい。この比S1/S2が小さすぎると、反応時にpHが急上昇し、ゲル状の金属水酸化物が生成して攪拌の継続が困難となるので好ましくない。この比S1/S2が大きすぎると、反応系を均一することができないので好ましくない。
反応溶媒の反応開始前の20℃でのpHは、1.5〜2.5であり、好ましくは1.8〜2.2である。反応開始前のpHが高すぎると、反応時にpHが急上昇し、ゲル状の金属水酸化物が生成して攪拌の継続が困難となるので好ましくない。反応開始時のpHが低すぎると、反応中の反応系のpHが十分に上昇せず、得られる塩基性金属硝酸塩が不規則な凝集体になってしまうので好ましくない。
反応溶媒は、酸の水溶液又は酸と水溶性添加物の混合物の水溶液が好ましく、硝酸水溶液又は硝酸と硝酸アンモニウムの混合物の水溶液がより好ましい。このとき、水溶性添加物濃度は5重量%以下が好ましく、0.1〜3重量%がより好ましい。水溶性添加物濃度が高すぎると、反応液中で発生した過剰のアンモニアが金属イオンに配位し、錯イオンのまま安定化してpHが上昇するので塩基性金属硝酸塩が得られない。
攪拌に使用する攪拌手段は、長さ方向に複数段に分離して設けられた攪拌羽根を有するものが、反応系を均一に攪拌する上で好ましい。
金属硝酸塩水溶液又は金属硝酸塩と水溶性添加物の混合溶の水溶液と、アルカリ溶液は、攪拌手段で攪拌しながら反応器中に添加する。これらの添加位置は、攪拌手段として上記の攪拌羽根を使用したとき、反応液の攪拌がより均一に行われるように、液中で攪拌羽根のより近傍又は直近であることが好ましく、液中でより下段の攪拌羽根の近傍又は直近が特に好ましい。
反応は、pHの最高値が5.0〜6.5になるように行い、pHの最高値は5.5〜6.2が好ましい。
反応温度は、好ましくは60℃以下、より好ましくは10〜50℃である。温度が高すぎると、生成した塩基性金属硝酸塩が熱による脱水縮合反応を起こし、金属酸化物になってしまうので好ましくない。
反応時の攪拌速度は、好ましくは200rpm未満、より好ましくは10〜150rpm、更に好ましくは90〜110rpmである。攪拌速度が速すぎると、反応時のpHの最高値が高くなりすぎ、得られる塩基性金属硝酸塩が粒径分布の広い球状の凝集体になってしまうので好ましくない。
反応時間は、好ましくは20〜100時間、より好ましくは10〜40時間である。
本発明により得られた塩基性金属硝酸塩は、ガス発生剤の酸化剤として使用することができ、その場合には、他の酸化剤を使用した場合に比べてガス発生剤の燃焼速度の調整が容易となる。また、前記ガス発生剤は、例えば、各種乗り物の運転席のエアバッグ用インフレータ、助手席のエアバッグ用インフレータ、サイドエアバッグ用インフレータ、インフレータブルカーテン用インフレータ、ニーボルスター用インフレータ、インフレータブルシートベルト用インフレータ、チューブラーシステム用インフレータ、プリテンショナー用ガス発生器に適用できる。
実施例
以下、実施例により本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではない。以下における試験法は下記のとおりである。
(1)粒径及び粒子形態の確認
試料粉末を専用試料台に固定し、走査型電子顕微鏡により、500倍、2,000倍、10,000倍の観察視野像中における試料粉末粒径を計測し、同時に粒子形態を判定した。なお、粒子が針状粒子の場合は長さを粒径とし、棒状(プリズム状)や板状粒子の場合は最大対角長さを粒径とし、更に真球に類似した粒子は長径を粒径とした。
(2)燃焼速度(mm/sec)
塩基性硝酸銅52重量部、ニトログアニジン45重量部及びグアガム3重量部の合計100重量部に対し、イオン交換水15重量部を添加して十分に混合した後、直径約9.6mm、高さ約12.7mmの円柱状に成型した。この成型品を80℃で16時間乾燥させたものを、窒素雰囲気中、ゲージ圧70kg/cm2の加圧下にて、円柱状成型品の端面より燃焼させ、そのときの速度を圧力の経時変化から読み取って燃焼速度とした。
実施例1
図1で示すように、計5段の十字羽根(上から4段目の十字羽根の長さは、他段の十字羽根の約1.5倍の長さであり、他段の十字羽根の長さは同一である)からなる攪拌手段を備えた5Lの反応器を用い、塩基性硝酸銅の製造を行った。なお、反応器中には、反応溶媒として硝酸により20℃でのpHが2.23になるように調整した0.5重量%硝酸アンモニウム水溶液1Lを入れた。
まず、攪拌羽根を作動させて反応溶媒を95rpmで攪拌しながら、2800重量部のイオン交換水に対して、硝酸銅3水和物が銅換算で18重量%、硝酸アンモニウムが0.75重量%になるように、それぞれ6000重量部と66重量部加え、混合した水溶液(水溶液中の硝酸銅の濃度は53重量%)を2.6ml/minで反応器中に添加しつつ、同時に30重量%水酸化ナトリウム水溶液を1.8ml/minで反応器中に添加した。このとき、混合物及びアルカリ水溶液は、図示するように、4段目の攪拌羽根のあたりに添加した。
反応は、攪拌速度95rpmで、反応温度40℃の条件で行い、約21時間後に終了させた。生成した沈殿物を室温で濾過し、蒸留水で洗浄した。生成物を80℃、常圧下で16時間乾燥して、塩基性硝酸銅を得た。得られた塩基性硝酸銅は弱い凝集をしており、一次粒子は青緑色の棒状(プリズム状)であり、一次粒子径は0.5〜3μmであった。仕込み原料に対する収率は96%であった。
なお、反応初期の反応系のpHの最高値は5.72であり、反応の進行と共に低下して行き、約2時間後にはpH3.85になった。反応系pHの0〜120分間の経時変化を図2に示す。
実施例2
実施例1と同様にして塩基性硝酸銅を製造した。但し、反応開始前の反応溶媒のpHは1.97とし、反応時間は約24時間とした。得られた塩基性硝酸銅は弱い凝集をしており、一次粒子は青緑色の棒状(プリズム状)であり、一次粒子径は0.5〜3μmであった。仕込み原料に対する収率は99%であった。なお、反応初期の反応系のpHの最高値は5.90であり、反応の進行と共に低下して行き、約2時間後にはpH3.72になった。反応系pHの0〜120分間の経時変化を図2に示す。
実施例3
実施例1と同様にして塩基性硝酸銅を製造した。但し、反応開始前の反応溶媒のpHは2.05とし、反応時間は約24時間とした。得られた塩基性硝酸銅は弱い凝集をしており、一次粒子は青緑色の棒状(プリズム状)で、一次粒子径は0.5〜3μmであった。仕込み原料に対する収率は100%であった。
なお、反応初期の反応系のpHの最高値は5.72であり、反応の進行と共に低下して行き、約2時間後にはpH3.85になった。反応系pHの0〜120分間の経時変化を図2に示す。
実施例4
実施例1と同様にして塩基性硝酸銅を製造した。但し、反応溶媒のpH(反応開始前)は2.04、反応時間は約27時間とした。得られた塩基性硝酸銅は弱い凝集をしており、一次粒子は青緑色の棒状(プリズム状)であり、一次粒子径は0.5〜3μmであった。仕込み原料に対する収率は99%であった。なお、反応初期の反応系のpHの最高値は5.84であり、反応の進行と共に低下して行き、約2時間後にはpH3.63になった。
実施例5
実施例1と同様にして塩基性硝酸銅を製造した。但し、反応開始前の反応溶媒のpHは1.84、実施例1と同じ硝酸銅と硝酸アンモニウムの混合物水溶液の添加速度と30重量%水酸化ナトリウムの添加速度は、いずれも1.7ml/min、攪拌速度は97rpm、反応時間は11時間とした。得られた塩基性硝酸銅は凝集しておらず、粒子は青緑色の棒状(プリズム状)で、粒子径は1.0〜3.0μmであった。仕込み原料に対する収率は98%であった。
なお、反応初期の反応系のpHの最高値は5.74であり、反応の進行と共に低下して行き、約2時間後にはpH3.76になった。
実施例6
反応温度を20℃にし、反応開始前のpHを1.96とした以外は実施例1と同様にして製造し、塩基性硝酸銅を得た。得られた塩基性硝酸銅は弱い凝集をしており、一次粒子は青緑色の棒状(プリズム状)及び一部が板状のものであり、一次粒子径は0.5〜2.0μmであった。仕込み原料に対する収率は95%であった。
なお、反応初期の反応系のpHの最高値は6.04であり、反応の進行と共に低下して行き、約2時間後にはpH4.47になった。
実施例7
硝酸アンモニウムを硝酸銅水溶液及び反応溶媒中に添加せず、反応開始前のpHを1.88とした以外は実施例1と同様にして製造し、塩基性硝酸銅を得た。得られた塩基性硝酸銅は凝集しておらず、青緑色の棒状(プリズム状)であり、粒子径は1.0〜3.0μmであった。仕込み原料に対する収率は86%であった。
なお、反応初期の反応系のpHの最高値は5.91であり、反応の進行と共に低下して行き、約2時間後にはpH3.45になった。
比較例1
実施例1において、反応開始前の反応溶媒のpHを2.04、反応時の攪拌速度を200rpmとした以外は同様にして製造した。反応初期の反応系のpHの最高値は6.90であり、反応の進行と共に低下して行き、約2時間後のpHは3.90であった。得られた塩基性硝酸銅は、0.5〜5.0μmの径を有する微細板状結晶が凝集した青緑色の5〜30μmの球状凝集体であった。仕込み原料に対する収率は97%であった。
比較例2
実施例1において、反応開始前の反応溶媒のpHを0.05、攪拌速度を100rpm、反応時間を20時間にした以外は同様にして製造した。反応初期の反応系のpHの最高値は4.06にしかならず、pHは反応の進行と共に低下して行き、約2時間後のpHは3.79であった。得られた塩基性硝酸銅は、青緑色の板状結晶の不規則な凝集体であり、板状結晶の径は0.1〜1.0μmであった。仕込み原料に対する収率は99%であった。
比較例3
実施例1において、硝酸銅水溶液濃度を70重量%にした以外は同様にして製造したが、硝酸銅水溶液中の硝酸銅結晶が析出して定量的に反応器に仕込めず、pHが上昇して8を超えてしまい、目的とする塩基性硝酸銅が得られなかった。
比較例4
実施例1において、反応溶媒中の硝酸アンモニウム濃度を50重量%にした以外は同じ条件にて製造したが、反応液中で発生した過剰のアンモニアが銅イオンに配位し、錯イオンのまま青緑色の溶液として安定化したため、pHが上昇して11を超えてしまい、目的とする塩基性硝酸銅がほとんど得られなかった。
比較例5
実施例1において、水酸化ナトリウム濃度を70重量%にした以外は同様にして製造したが、水酸化ナトリウム結晶が析出して定量的に反応器に仕込めず、pHの最高値が5を超えることがなく、目的とする塩基性硝酸銅が得られなかった。
比較例6
実施例1において、混合液の添加速度を0.1ml/分、水酸化ナトリウム水溶液の添加速度を1.8ml/分とした以外は同様にして製造したが、pHが急上昇して11以上となったまま下がらず、ゲル状の水酸化銅が大量に析出して攪拌が継続できず、製造が中断した。
比較例7
実施例1において、反応器中の反応溶媒に硝酸を添加せず、20℃でのpH5.6とした以外は同様にして製造したが、pHが急上昇して8以上となったまま下がらず、ゲル状の水酸化銅が大量に析出して攪拌が継続できず、製造が中断した。
表1から明らかなとおり、実施例1〜7で得られた塩基性硝酸銅は、粒径及び粒径分布が適度な範囲となっており、それらを酸化剤として使用した場合、ガス発生剤の燃焼速度を好ましい範囲に調整できる。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明の製造法を説明するための概念図である。
図2は、反応系のpHの経時変化を示す図である。
Claims (15)
- 金属硝酸塩水溶液又は金属硝酸塩と水溶性添加物の混合物の水溶液と、アルカリ水溶液を、反応開始前のpH(20℃)が1.5〜2.5に調整された反応溶媒が存在する反応器中に添加して、攪拌手段による攪拌下、反応中のpHの最高値が5.0〜6.5になるように反応を行う塩基性金属硝酸塩の製造法。
- 金属硝酸塩が硝酸銅である請求項1記載の塩基性金属硝酸塩の製造法。
- 金属硝酸塩水溶液又は金属硝酸塩と水溶性添加物の混合物の水溶液におけるそれぞれの金属硝酸塩の濃度が65重量%以下である請求項1又は2記載の塩基性金属硝酸塩の製造法。
- 金属硝酸塩と水溶性添加物の混合物の水溶液における水溶性添加物濃度が5重量%以下である請求項1〜3のいずれか1記載の塩基性金属硝酸塩の製造法。
- アルカリが水酸化アルカリ金属塩である請求項1〜4のいずれか1記載の塩基性金属硝酸塩の製造法。
- アルカリ溶液の濃度が60重量%以下である請求項1〜5のいずれか1記載の塩基性金属硝酸塩の製造法。
- 反応溶媒が酸の水溶液又は酸と水溶性添加物の混合物の水溶液である請求項1〜6のいずれか1記載の塩基性金属硝酸塩の製造法。
- 酸が硝酸である請求項7記載の塩基性金属硝酸塩の製造法。
- 反応溶媒中の水溶性添加物の濃度が5重量%以下である請求項7又は8記載の塩基性金属硝酸塩の製造法。
- 金属硝酸塩の添加速度S1(mol/分)と、アルカリの添加速度S2(mol/分)との比S1/S2が0.2〜3.0である請求項1〜9のいずれか1記載の塩基性金属硝酸塩の製造法。
- 反応温度が60℃以下である請求項1〜10のいずれか1記載の塩基性金属硝酸塩の製造法。
- 反応時の攪拌手段による攪拌速度が200rpm未満である請求項1〜11のいずれか1記載の塩基性金属硝酸塩の製造法。
- 金属硝酸塩水溶液又は金属硝酸塩と水溶性添加物の混合物の水溶液と、アルカリ溶液の添加位置が、液中で攪拌手段の近傍又は直近である1〜12のいずれか1記載の塩基性金属硝酸塩の製造法。
- 金属硝酸塩が銅の硝酸塩であり、水溶性添加物が硝酸アンモニウムであり、アリカリが水酸化ナトリウムである請求項1〜13のいずれか1記載の塩基性金属硝酸塩の製造法。
- 請求項1〜14のいずれかの方法で製造された塩基性金属硝酸塩。
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