JP6796386B2 - Zirconium oxide nanoparticles - Google Patents
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Description
本発明は、酸化ジルコニウムナノ粒子に関する。 The present invention relates to zirconium oxide nanoparticles.
近年、金属酸化物ナノ粒子は、光学材料、医薬品、セラミックス、電子材料などの幅広い分野で応用されており、非常に注目を集めている。しかしながら単一金属の酸化物ナノ粒子の機能は限定的であり、より特異な性能を発揮する可能性のある複合酸化物ナノ粒子が注目を集めてきている。特に、ジルコニアナノ粒子は、セラミックス材料への応用が期待される。 In recent years, metal oxide nanoparticles have been applied in a wide range of fields such as optical materials, pharmaceuticals, ceramics, and electronic materials, and have attracted a great deal of attention. However, the function of single metal oxide nanoparticles is limited, and composite oxide nanoparticles, which may exhibit more specific performance, are attracting attention. In particular, zirconia nanoparticles are expected to be applied to ceramic materials.
例えば、特許文献1〜3には、呈色した安定化ジルコニア焼結体が開示されている。特許文献1〜3ではいずれも、原料として複数種の金属酸化物を別々に用意し、これらをボールミルなどで混合し、成形して焼結している。しかし、複数種の原料を別々に用意して混合すると、異種原料同士の混合が不均一であったり、またボールミルを用いると、ミルに由来して不純物が混入したり、粒径が不均一になったりする。このような方法で焼結されたセラミックスは粒界に起因して透明性が低下したり、呈色が不均一であるという問題があった。 For example, Patent Documents 1 to 3 disclose colored stabilized zirconia sintered bodies. In all of Patent Documents 1 to 3, a plurality of types of metal oxides are separately prepared as raw materials, these are mixed by a ball mill or the like, molded, and sintered. However, when multiple kinds of raw materials are prepared separately and mixed, the mixing of different kinds of raw materials is non-uniform, and when a ball mill is used, impurities are mixed from the mill and the particle size is non-uniform. Or become. Ceramics sintered by such a method have problems that transparency is lowered due to grain boundaries and coloration is non-uniform.
本発明は、透明性や呈色の均一性に優れたセラミックスの前駆体(原料)として有用な酸化ジルコニウムナノ粒子を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide zirconium oxide nanoparticles which are useful as precursors (raw materials) of ceramics having excellent transparency and color uniformity.
上記課題を達成した本発明は、カルボン酸で被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子であって、前記酸化ジルコニウムナノ粒子は、イットリウムを含有すると共に、希土類元素以外の遷移金属の少なくとも1種を含有する酸化ジルコニウムナノ粒子である。本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子は、酸化ジルコニウム焼成体の前駆体として好適である。 The present invention that has achieved the above problems is zirconium oxide nanoparticles coated with carboxylic acid, wherein the zirconium oxide nanoparticles contain yttrium and at least one kind of transition metal other than a rare earth element. Zirconium nanoparticles. The zirconium oxide nanoparticles of the present invention are suitable as precursors for fired zirconium oxide.
本発明は、前記酸化ジルコニウムナノ粒子を焼成して得られるセラミックス材料も包含する。更に、本発明は、前記酸化ジルコニウムナノ粒子を500℃以上で焼成するセラミックス材料の製造方法、及び前記酸化ジルコニウムナノ粒子を含む組成物を500℃以上で焼成するセラミックス材料の製造方法も包含する。 The present invention also includes a ceramic material obtained by firing the zirconium oxide nanoparticles. Furthermore, the present invention also includes a method for producing a ceramic material in which the zirconium oxide nanoparticles are fired at 500 ° C. or higher, and a method for producing a ceramic material in which the composition containing the zirconium oxide nanoparticles is fired at 500 ° C. or higher.
本発明によれば、イットリウムと、希土類元素以外の遷移金属元素を共に含み、カルボン酸で被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子が実現でき、このようなナノ粒子を用いて焼成したセラミックス(焼結されたセラミックスも含む。以下、同じ。)は透明性及び呈色の均一性に優れている。 According to the present invention, zirconium oxide nanoparticles containing both yttrium and transition metal elements other than rare earth elements and coated with carboxylic acid can be realized, and ceramics fired using such nanoparticles (sintered). Ceramics are also included. The same shall apply hereinafter) is excellent in transparency and color uniformity.
本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子は、カルボン酸で被覆されているため、分散性が良好(溶媒や樹脂といった有機媒体に対する分散性を含む)であり、本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子を焼成して得られるセラミックス材料は透光性、靱性、強度等のセラミックス特性が良好である。また、イットリウムを含んでいるため、酸化ジルコニウムナノ粒子の結晶構造における正方晶及び/又は立方晶割合を向上でき、また該ナノ粒子を焼成してセラミックス材料を得た際に、イットリウムが構造安定化剤として働き、正方晶及び/又は立方晶の割合の変化を抑制できる。更に、本発明では酸化ジルコニウムナノ粒子が遷移金属を含んでいるため、このナノ粒子を焼成して得られるセラミックスが呈色すると共に、酸化ジルコニウムナノ粒子自体が遷移金属を含んでいるため、酸化ジルコニウムと遷移金属の酸化物とを別々に用意して混合して焼成させる場合に比べて、均一に呈色するだけでなく、他の酸化物との粒界に起因する焼結体の強度低下を防ぐことが可能となる。 Since the zirconium oxide nanoparticles of the present invention are coated with a carboxylic acid, they have good dispersibility (including dispersibility in an organic medium such as a solvent or a resin), and are obtained by firing the zirconium oxide nanoparticles of the present invention. The ceramic material to be used has good ceramic properties such as translucency, toughness, and strength. Further, since it contains ittium, the ratio of tetragonal and / or cubic crystals in the crystal structure of the zirconium oxide nanoparticles can be improved, and when the nanoparticles are calcined to obtain a ceramic material, the yttrium is structurally stabilized. It acts as an agent and can suppress changes in the proportion of tetragonal and / or cubic crystals. Further, in the present invention, since the zirconium oxide nanoparticles contain the transition metal, the ceramics obtained by firing the nanoparticles are colored, and the zirconium oxide nanoparticles themselves contain the transition metal, so that the zirconium oxide is zirconium oxide. Compared to the case where and the oxide of the transition metal are prepared separately and mixed and fired, not only the color is uniformly developed, but also the strength of the sintered body is reduced due to the grain boundary with other oxides. It becomes possible to prevent.
本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子を被覆するカルボン酸(以下、第1のカルボン酸と呼ぶ)は、炭素数3以上、22以下(好ましくは4以上、20以下、より好ましくは5以上、18以下)のカルボン酸が好ましく、その場合、1級カルボン酸、2級カルボン酸、3級カルボン酸のいずれであっても良い。 The carboxylic acid (hereinafter referred to as the first carboxylic acid) that coats the zirconium oxide nanoparticles of the present invention has 3 or more carbon atoms and 22 or less carbon atoms (preferably 4 or more and 20 or less, more preferably 5 or more and 18 or less). In that case, any of a primary carboxylic acid, a secondary carboxylic acid, and a tertiary carboxylic acid may be used.
1級カルボン酸としては、直鎖状1級カルボン酸、分岐状1級カルボン酸(すなわち、α位以外の炭素原子が枝分かれしたカルボン酸)が挙げられ、中でも炭素数が4以上(より好ましくは5以上、更に好ましくは8以上)20以下の直鎖状カルボン酸、α位以外の炭素原子が枝分かれしたカルボン酸が好ましい。炭素数が4以上20以下の直鎖状カルボン酸は、直鎖状飽和脂肪族カルボン酸であることが好ましく、具体的には、酪酸、吉草酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、カプリル酸、ノナン酸、デカン酸、ラウリン酸、テトラデカン酸、ステアリン酸、オレイン酸、リシノール酸などが挙げられ、好ましくはカプリル酸、ラウリン酸、ステアリン酸、オレイン酸、リシノール酸である。α位以外の炭素原子が枝分かれしたカルボン酸とは、すなわち炭化水素基にカルボキシル基が結合したカルボン酸であって、前記炭化水素基のα位以外の炭素原子が枝分かれしたカルボン酸を意味する。このようなカルボン酸の炭素数は4〜20が好ましく、より好ましくは5〜18であり、例えばイソ吉草酸、3,3−ジメチル酪酸、3−メチル吉草酸、イソノナン酸、4−メチル吉草酸、4−メチル−n−オクタン酸、ナフテン酸などが挙げられる。 Examples of the primary carboxylic acid include a linear primary carboxylic acid and a branched primary carboxylic acid (that is, a carboxylic acid in which carbon atoms other than the α-position are branched), and among them, the number of carbon atoms is 4 or more (more preferably). 5 or more, more preferably 8 or more) 20 or less linear carboxylic acid, and carboxylic acid in which carbon atoms other than the α-position are branched are preferable. The linear carboxylic acid having 4 or more and 20 or less carbon atoms is preferably a linear saturated aliphatic carboxylic acid, and specifically, butyric acid, valeric acid, hexanic acid, heptanic acid, caprylic acid, and nonanoic acid. , Decanoic acid, lauric acid, tetradecanoic acid, stearic acid, oleic acid, ricinoleic acid and the like, preferably caprylic acid, lauric acid, stearic acid, oleic acid, ricinoleic acid and the like. The carboxylic acid in which a carbon atom other than the α-position is branched means a carboxylic acid in which a carboxyl group is bonded to a hydrocarbon group, and the carbon atom other than the α-position of the hydrocarbon group is branched. The carbon number of such a carboxylic acid is preferably 4 to 20, more preferably 5 to 18, for example, isovaleric acid, 3,3-dimethylbutyric acid, 3-methylvaleric acid, isononanoic acid, 4-methylvaleric acid. , 4-Methyl-n-octanoic acid, naphthenic acid and the like.
2級カルボン酸としては、炭素数4〜20の2級カルボン酸が好ましく、炭素数5〜18の2級カルボン酸がより好ましく、具体的にはイソ酪酸、2−メチル酪酸、2−エチル酪酸、2−エチルヘキサン酸、2−メチル吉草酸、2−メチルヘキサン酸、2−メチルヘプタン酸、2−プロピル酪酸、2−ヘキシル吉草酸、2−プロピル酪酸、2−ヘキシルデカン酸、2−ヘプチルウンデカン酸、2−メチルヘキサデカン酸、4−メチルシクロヘキサンカルボン酸などが挙げられる。中でも、2−エチルヘキサン酸、2−ヘキシルデカン酸の1種以上であることが好ましく、2−エチルヘキサン酸が特に好ましい。 As the secondary carboxylic acid, a secondary carboxylic acid having 4 to 20 carbon atoms is preferable, a secondary carboxylic acid having 5 to 18 carbon atoms is more preferable, and specifically, isobutyric acid, 2-methylbutyric acid, and 2-ethylbutyric acid. , 2-Ethylhexanoic acid, 2-Methylvaleric acid, 2-Methylhexanoic acid, 2-Methylheptanic acid, 2-propylbutyric acid, 2-Hexyl valeric acid, 2-propylbutyric acid, 2-Hexyldecanoic acid, 2-Heptylundecane Acids, 2-methylhexadecanoic acid, 4-methylcyclohexanecarboxylic acid and the like can be mentioned. Among them, one or more of 2-ethylhexanoic acid and 2-hexyldecanoic acid are preferable, and 2-ethylhexanoic acid is particularly preferable.
3級カルボン酸としては、炭素数5〜20の3級カルボン酸が好ましく、具体的にはピバル酸、2,2−ジメチル酪酸、2,2−ジメチル吉草酸、2,2−ジメチルヘキサン酸、2,2−ジメチルヘプタン酸、ネオデカン酸などが挙げられる。 As the tertiary carboxylic acid, a tertiary carboxylic acid having 5 to 20 carbon atoms is preferable, and specifically, pivalic acid, 2,2-dimethylbutyric acid, 2,2-dimethylvaleric acid, 2,2-dimethylhexanoic acid, and the like. Examples thereof include 2,2-dimethylheptanic acid and neodecanoic acid.
第1のカルボン酸としては、1級カルボン酸及び2級カルボン酸の1種以上が好ましく、α位以外の炭素原子が枝分かれしたカルボン酸、炭素数4〜20の直鎖状カルボン酸、及び2級カルボン酸の1種以上であることが好ましい。このうち、第1のカルボン酸としては、α位以外の炭素原子が枝分かれしたカルボン酸及び2級カルボン酸の少なくとも1種が好ましく、より好ましくは2級カルボン酸である。 As the first carboxylic acid, one or more of a primary carboxylic acid and a secondary carboxylic acid are preferable, a carboxylic acid in which carbon atoms other than the α-position are branched, a linear carboxylic acid having 4 to 20 carbon atoms, and 2 It is preferably one or more of the primary carboxylic acids. Of these, as the first carboxylic acid, at least one of a carboxylic acid in which a carbon atom other than the α-position is branched and a secondary carboxylic acid is preferable, and a secondary carboxylic acid is more preferable.
第1のカルボン酸の量は、第1のカルボン酸で被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子に対して、例えば5〜40質量%(好ましくは8〜35質量%であり、より好ましくは10〜30質量%)である。本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子が、後述する第1のカルボン酸以外の有機酸で更に被覆される場合には、第1のカルボン酸と、第1のカルボン酸以外の有機酸の合計量が前述の範囲となれば良い。 The amount of the first carboxylic acid is, for example, 5 to 40% by mass (preferably 8 to 35% by mass, more preferably 10 to 30% by mass) with respect to the zirconium oxide nanoparticles coated with the first carboxylic acid. %). When the zirconium oxide nanoparticles of the present invention are further coated with an organic acid other than the first carboxylic acid described later, the total amount of the first carboxylic acid and the organic acid other than the first carboxylic acid is described above. It should be within the range of.
なお、本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子が第1のカルボン酸で被覆されているとは、第1のカルボン酸が酸化ジルコニウムナノ粒子に化学的に結合した状態及び物理的に結合した状態のいずれをも含む意味であり、第1のカルボン酸及び/又は第1のカルボン酸由来のカルボキシレートで被覆されていることを意味する。 The zirconium oxide nanoparticles of the present invention are coated with the first carboxylic acid in either a state in which the first carboxylic acid is chemically bonded to the zirconium oxide nanoparticles or a state in which the first carboxylic acid is physically bonded. It also means that it is coated with a first carboxylic acid and / or a carboxylate derived from the first carboxylic acid.
本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子は、イットリウムを含んでおり(例えばイットリアとして含まれる)、酸化ジルコニウム結晶における結晶構造が安定している。すなわち、本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子中の正方晶及び/又は立方晶の割合を高くできると共に、酸化ジルコニウムナノ粒子を焼成した際の正方晶及び/又は立方晶の減少を抑制でき、焼成後の正方晶及び/又は立方晶の割合を高くできる。 The zirconium oxide nanoparticles of the present invention contain yttrium (for example, as yttria) and have a stable crystal structure in the zirconium oxide crystal. That is, the proportion of tetragonal crystals and / or cubic crystals in the zirconium oxide nanoparticles of the present invention can be increased, and the decrease of tetragonal crystals and / or cubic crystals when the zirconium oxide nanoparticles are fired can be suppressed, and after firing. The proportion of tetragonal and / or cubic can be increased.
イットリウムの含有量は、酸化ジルコニウムナノ粒子中のジルコニウム、イットリウム、希土類元素以外の遷移金属(以下、本明細書で「遷移金属」とは、希土類元素を除く遷移金属の意味で用いる)の合計質量に対する割合で、0.5〜30質量%であることが好ましく、より好ましくは1〜20質量%であり、更に好ましくは1.5〜15質量%である。なお、希土類元素とは、Sc、Yと、ランタノイド系(原子番号57のLa〜原子番号71のLu)を意味する。イットリウム量が少なすぎると、安定化効果が十分に得られない可能性があり、またイットリウム量が多すぎると酸化ジルコニウム本来の性能を十分に得られない可能性がある。 The content of yttrium is the total mass of transition metals other than zirconium, yttrium, and rare earth elements in zirconium oxide nanoparticles (hereinafter, "transition metal" is used in the present specification to mean a transition metal excluding rare earth elements). It is preferably 0.5 to 30% by mass, more preferably 1 to 20% by mass, and further preferably 1.5 to 15% by mass. The rare earth element means Sc, Y, and a lanthanoid system (La of atomic number 57 to Lu of atomic number 71). If the amount of yttrium is too small, the stabilizing effect may not be sufficiently obtained, and if the amount of yttrium is too large, the original performance of zirconium oxide may not be sufficiently obtained.
本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子は、イットリウムと共に、遷移金属の少なくとも1種を含んでいる。ナノ粒子が遷移金属を含むことで、ナノ粒子を焼成して得られるセラミックス材料が均一に呈色する。遷移金属としては、周期表第4周期及び第5周期の遷移金属の少なくとも1種が好ましく、より好ましくは第4周期の遷移金属(すなわち、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu)の少なくとも1種が好ましく、より好ましくはMn、Fe、Co、Ni、Cuの少なくとも1種である。 The zirconium oxide nanoparticles of the present invention contain at least one of the transition metals together with yttrium. When the nanoparticles contain a transition metal, the ceramic material obtained by firing the nanoparticles is uniformly colored. As the transition metal, at least one of the transition metals of the 4th period and the 5th period of the periodic table is preferable, and more preferably, the transition metal of the 4th period (that is, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, At least one of Cu) is preferable, and at least one of Mn, Fe, Co, Ni, and Cu is more preferable.
遷移金属の含有量(複数種含む場合には合計の含有量)は、酸化ジルコニウムナノ粒子中のジルコニウム、イットリウム、遷移金属の合計質量に対する割合で、0.05〜2質量%であり、より好ましくは0.1〜1質量%、更に好ましくは0.15〜0.6質量%である。遷移金属量が少なすぎると、遷移金属の効果が十分発揮できない可能性があり、焼成後の着色やドーピング効果が十分に発揮されない。一方、遷移金属量が多すぎると、イットリウムの安定化効果が低下し、焼成した後の硬さや靱性に影響が出る。 The content of the transition metal (the total content when a plurality of types are contained) is 0.05 to 2% by mass, more preferably, as a ratio to the total mass of zirconium, yttrium, and the transition metal in the zirconium oxide nanoparticles. Is 0.1 to 1% by mass, more preferably 0.15 to 0.6% by mass. If the amount of the transition metal is too small, the effect of the transition metal may not be sufficiently exhibited, and the coloring and doping effects after firing may not be sufficiently exhibited. On the other hand, if the amount of the transition metal is too large, the stabilizing effect of yttrium is lowered, and the hardness and toughness after firing are affected.
なお、本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子に含まれるジルコニウムの割合は、ジルコニウムナノ粒子に含まれる全金属元素の合計に対して、例えば65質量%以上であり、好ましくは68質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上である。また、本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子に含まれる金属元素として、イットリウム、遷移金属(希土類を除く)以外の他の金属元素が含まれていても良く、このような他の金属元素は通常、周期表3族以降の金属元素である。他の金属元素の合計量は、ジルコニウムナノ粒子に含まれる全金属元素の合計に対して、例えば3質量%以下であり、より好ましくは2質量%以下であり、0質量%であっても良い。 The proportion of zirconium contained in the zirconium oxide nanoparticles of the present invention is, for example, 65% by mass or more, preferably 68% by mass or more, based on the total amount of all metal elements contained in the zirconium nanoparticles. It is preferably 70% by mass or more. Further, as the metal element contained in the zirconium oxide nanoparticles of the present invention, other metal elements other than yttrium and transition metals (excluding rare earths) may be contained, and such other metal elements usually have a periodic period. These are metal elements from Group 3 onwards. The total amount of other metal elements is, for example, 3% by mass or less, more preferably 2% by mass or less, and 0% by mass, based on the total amount of all metal elements contained in the zirconium nanoparticles. ..
本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子の結晶構造は、立方晶、正方晶、単斜晶であり、正方晶及び立方晶の合計が結晶構造全体の80%以上であることが好ましい。正方晶及び/又は立方晶の割合は、正方晶及び立方晶の合計で好ましくは85%以上であり、より好ましくは90%以上である。正方晶単独又は立方晶単独であっても良い。また、本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子は、イットリウムを含んでいるため、正方晶及び/又は立方晶が安定しており、焼成して得られるセラミックス材料の正方晶及び/又は立方晶の割合も高い。本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子を焼成して得られるセラミックス材料の正方晶及び/又は立方晶の割合は、正方晶及び立方晶の合計で例えば25%以上であり、好ましくは50%以上、より好ましくは90%以上である。焼成前後の正方晶及び立方晶の合計割合の変化量は、焼成前の正方晶及び立方晶の合計割合に対して70%以下が好ましく、より好ましくは30%以下、更に好ましくは10%以下であり、最も好ましくは5%以下である。 The crystal structure of the zirconium oxide nanoparticles of the present invention is cubic, tetragonal, or monoclinic, and the total of tetragonal and cubic crystals is preferably 80% or more of the entire crystal structure. The ratio of tetragonal crystals and / or cubic crystals is preferably 85% or more, more preferably 90% or more in total of tetragonal crystals and cubic crystals. It may be a tetragonal crystal alone or a cubic crystal alone. Further, since the zirconium oxide nanoparticles of the present invention contain yttrium, tetragonal and / or cubic crystals are stable, and the proportion of tetragonal and / or cubic crystals in the ceramic material obtained by firing is also high. .. The ratio of tetragonal crystals and / or cubic crystals of the ceramic material obtained by firing the zirconium oxide nanoparticles of the present invention is, for example, 25% or more, preferably 50% or more, more preferably the total of tetragonal crystals and cubic crystals. Is 90% or more. The amount of change in the total ratio of tetragonal crystals and cubic crystals before and after calcination is preferably 70% or less, more preferably 30% or less, still more preferably 10% or less with respect to the total ratio of tetragonal crystals and cubic crystals before calcination. Yes, most preferably 5% or less.
酸化ジルコニウムナノ粒子の形状としては球状、粒状、楕円球状、立方体状、直方体状、ピラミッド状、針状、柱状、棒状、筒状、りん片状、板状、薄片状等が挙げられる。溶媒等への分散性や焼結した後の物理的強度を考慮すると、前記形状としては、球状、粒状、柱状等が好ましい。 Examples of the shape of the zirconium oxide nanoparticles include a spherical shape, a granular shape, an elliptical spherical shape, a cubic shape, a rectangular parallelepiped shape, a pyramid shape, a needle shape, a columnar shape, a rod shape, a tubular shape, a flaky shape, a plate shape, and a flaky shape. Considering the dispersibility in a solvent and the like and the physical strength after sintering, the shape is preferably spherical, granular, columnar or the like.
X線回折解析により算出される酸化ジルコニウムナノ粒子の結晶子径は、30nm以下であることが好ましい。このようにすることによって、酸化ジルコニウムナノ粒子を含有する組成物の透明率を向上できる。また、当該粒子を焼成温度の低減、焼成体の透明性向上なども合わせて期待できる。該結晶子径は、より好ましくは20nm以下であり、さらに好ましくは15nm以下である。該結晶子径の下限は、通常1nm程度である。 The crystallite diameter of the zirconium oxide nanoparticles calculated by X-ray diffraction analysis is preferably 30 nm or less. By doing so, the transparency of the composition containing the zirconium oxide nanoparticles can be improved. In addition, the particles can be expected to reduce the firing temperature and improve the transparency of the fired body. The crystallite diameter is more preferably 20 nm or less, still more preferably 15 nm or less. The lower limit of the crystallite diameter is usually about 1 nm.
酸化ジルコニウムナノ粒子の粒子径は、各種電子顕微鏡によって得られた画像を処理することによって得られる平均粒子径によって評価でき、該平均粒子径(平均一次粒子径)は、50nm以下が好ましい。このようにすることによって、酸化ジルコニウムナノ粒子を含有する組成物の透明率を向上できる。平均一次粒子径は、より好ましくは30nm以下であり、さらに好ましくは20nm以下である。平均一次粒子径の下限は、通常1nm程度(特に5nm程度)である。 The particle size of the zirconium oxide nanoparticles can be evaluated by the average particle size obtained by processing images obtained by various electron microscopes, and the average particle size (average primary particle size) is preferably 50 nm or less. By doing so, the transparency of the composition containing the zirconium oxide nanoparticles can be improved. The average primary particle size is more preferably 30 nm or less, still more preferably 20 nm or less. The lower limit of the average primary particle size is usually about 1 nm (particularly about 5 nm).
前記平均粒子径は、酸化ジルコニウムナノ粒子を透過型電子顕微鏡(TEM)、電界放射型透過電子顕微鏡(FE−TEM)、電界放射型走査電子顕微鏡(FE−SEM)などで拡大し、無作為に100個の粒子を選択してその長軸方向の長さを測定し、その算術平均を求めることで決定できる。 The average particle size is obtained by enlarging the zirconium oxide nanoparticles with a transmission electron microscope (TEM), a field emission transmission electron microscope (FE-TEM), a field emission scanning electron microscope (FE-SEM), or the like, and randomly. It can be determined by selecting 100 particles, measuring their lengths in the long axis direction, and calculating their arithmetic averages.
本発明の酸化ジルコニウム粒子は、水熱合成反応後に得られた前記第1のカルボン酸で被覆されたものを、更に常温もしくは加熱して表面処理を行うことによって第1のカルボン酸以外の有機酸、シランカップリング剤、界面活性剤及び有機リン化合物等で表面修飾されていてもよい。最初に得られたナノ粒子に再度表面処理を施すことにより、焼成前駆体として他の物質との混合性、成型性等を制御することが可能となり、様々な用途への応用することができるようになる。好ましい有機酸、シランカップリング剤、界面活性剤及び有機リン化合物について、以下に説明する。 The zirconium oxide particles of the present invention are organic acids other than the first carboxylic acid, which are obtained after the hydrothermal synthesis reaction and are coated with the first carboxylic acid and further subjected to surface treatment at room temperature or by heating. , Silane coupling agent, surfactant, organic phosphorus compound and the like may be surface-modified. By subjecting the first obtained nanoparticles to surface treatment again, it becomes possible to control the mixability, moldability, etc. with other substances as a firing precursor, and it can be applied to various uses. become. Preferred organic acids, silane coupling agents, surfactants and organic phosphorus compounds will be described below.
<有機酸> <Organic acid>
有機酸としては、第1のカルボン酸以外の、カルボキシル基を有するカルボン酸化合物が好ましく用いられる。カルボン酸化合物は酸化ジルコニウムナノ粒子に化学結合するか、或いは水素原子やカチオン性原子と共にカルボン酸やその塩を形成して酸化ジルコニウムナノ粒子に付着するため、本発明において「被覆」とは、カルボン酸化合物が酸化ジルコニウムに化学的に結合した状態、カルボン酸化合物が酸化ジルコニウムに物理的に付着した状態の両方を包含する。 As the organic acid, a carboxylic acid compound having a carboxyl group other than the first carboxylic acid is preferably used. Since the carboxylic acid compound chemically bonds to the zirconium oxide nanoparticles or forms a carboxylic acid or a salt thereof together with hydrogen atoms and cationic atoms and adheres to the zirconium oxide nanoparticles, the term "coating" is used in the present invention. It includes both a state in which the acid compound is chemically bonded to zirconium oxide and a state in which the carboxylic acid compound is physically attached to zirconium oxide.
第1のカルボン酸以外の、カルボキシル基を有するカルボン酸化合物としては、溶媒への分散性や、酸化ジルコニウムナノ粒子以外の材料の性質で自由に選択可能であるが、(メタ)アクリル酸類、エステル基、エーテル基、水酸基、アミノ基、アミド基、チオエステル基、チオエーテル基、カーボネート基、ウレタン基、およびウレア基からなる群より選ばれる1以上の置換基を有するカルボン酸、炭素数4〜20の直鎖状カルボン酸、分枝鎖状カルボン酸、環状カルボン酸又は芳香族カルボン酸等の1つ以上(好ましくは1つ)のカルボン酸基を有する炭化水素類が好ましく採用される。 The carboxylic acid compound having a carboxyl group other than the first carboxylic acid can be freely selected depending on the dispersibility in the solvent and the properties of the material other than the zirconium oxide nanoparticles, but (meth) acrylic acids and esters. A carboxylic acid having one or more substituents selected from the group consisting of a group, an ether group, a hydroxyl group, an amino group, an amide group, a thioester group, a thioether group, a carbonate group, a urethane group, and a urea group, having 4 to 20 carbon atoms. Hydrocarbons having one or more (preferably one) carboxylic acid groups such as linear carboxylic acid, branched chain carboxylic acid, cyclic carboxylic acid, and aromatic carboxylic acid are preferably adopted.
このようなカルボン酸化合物を具体的に例示すると、(メタ)アクリル酸類(例えば、アクリル酸、メタクリル酸、3−アクリロイルオキシプロピオン酸等の(メタ)アクリロイロキシC1-6アルキルカルボン酸等);C3-9脂肪族ジカルボン酸の(メタ)アクリロイロキシC1-6アルキルアルコールによるハーフエステル類(例えば、2−アクリロイロキシエチルコハク酸、2−メタクリロイロキシエチルコハク酸等)、C5-10脂環式ジカルボン酸の(メタ)アクリロイロキシC1-6アルキルアルコールによるハーフエステル類(例えば、2−アクリロイロキシエチルヘキサヒドロフタル酸、2−メタクリロイロキシエチルヘキサヒドロフタル酸等)、C8-14芳香族ジカルボン酸の(メタ)アクリロイロキシC1-6アルキルアルコールによるハーフエステル類(例えば、2−アクリロイロキシエチルフタル酸、2−メタクリロイロキシエチルフタル酸等)等のエステル基を有するカルボン酸;ピバリン酸、2,2−ジメチル酪酸、2,2−ジメチル吉草酸、2,2−ジエチル酪酸、ネオデカン酸等の分枝鎖状カルボン酸;ナフテン酸、シクロヘキサンジカルボン酸等の環状カルボン酸;エーテル基を含有するカルボン酸(メトキシ酢酸、エトキシ酢酸等);水酸基を含有するカルボン酸(乳酸、ヒドロキシプロピオン酸等)、アミノ基を有するカルボン酸(グリシン、アラニン、システイン等のアミノ酸類等)等が挙げられる。 Specific examples of such carboxylic acid compounds include (meth) acrylates (eg, (meth) acryloyloxy C 1-6 alkylcarboxylic acids such as acrylic acid, methacrylic acid, 3-acryloyloxypropionic acid); C. Half esters of (meth) acryloyloxy C 1-6 alkyl alcohols of 3-9 aliphatic dicarboxylic acids (eg 2-acryloyloxyethyl succinic acid, 2-methacryloyloxyethyl succinic acid, etc.), C 5-10 fat Half esters of (meth) acryloyloxy C 1-6 alkyl alcohols of cyclic dicarboxylic acids (eg 2-acryloyloxyethyl hexahydrophthalic acid, 2-methacryloyloxyethyl hexahydrophthalic acid, etc.), C 8-14 Carboxylic acids having ester groups such as half esters of (meth) acryloyloxy C 1-6 alkyl alcohols of aromatic dicarboxylic acids (eg 2-acryloyloxyethyl phthalic acid, 2-methacryloyloxyethyl phthalic acid, etc.); Branched chain carboxylic acids such as pivalic acid, 2,2-dimethylbutyric acid, 2,2-dimethylvaleric acid, 2,2-diethylbutyric acid and neodecanoic acid; cyclic carboxylic acids such as naphthenic acid and cyclohexanedicarboxylic acid; ether groups Carboxylic acid containing (methoxyacetic acid, ethoxyacetic acid, etc.); carboxylic acid containing a hydroxyl group (lactic acid, hydroxypropionic acid, etc.), carboxylic acid having an amino group (amino acids such as glycine, alanine, cysteine, etc.), etc. Be done.
<シランカップリング剤>
シランカップリング剤としては、加水分解性基−Si−OR1(なお、R1はメチル基又はエチル基)を有する化合物が好ましい。このようなシランカップリング剤としては、官能基を有するシランカップリング剤や、アルコキシシラン等が例示できる。
<Silane coupling agent>
As the silane coupling agent, a compound having a hydrolyzable group-Si-OR 1 (where R 1 is a methyl group or an ethyl group) is preferable. Examples of such a silane coupling agent include a silane coupling agent having a functional group, an alkoxysilane, and the like.
官能基を有するシランカップリング剤としては、下記式(1):
[X−(CH2)m]4-n−Si−(OR1)n …(1)
(式中、Xは官能基、R1は前記に同じ、mは0〜4の整数、nは1〜3の整数を表す。)で表されるシランカップリング剤が挙げられる。
Examples of the silane coupling agent having a functional group include the following formula (1):
[X- (CH 2 ) m ] 4-n- Si- (OR 1 ) n ... (1)
(In the formula, X is a functional group, R 1 is the same as above, m is an integer of 0 to 4, and n is an integer of 1 to 3).
Xとしては、ビニル基、アミノ基、(メタ)アクリロキシ基、メルカプト基、グリシドキシ基等が挙げられる。シランカップリング剤を具体的に例示すると、例えば、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン等の官能基Xがビニル基であるシランカップリング剤;3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルメチルトリメトキシシラン等の官能基Xがアミノ基であるシランカップリング剤;3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン等の官能基Xが(メタ)アクリロキシ基であるシランカップリング剤;3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン等の官能基Xがメルカプト基であるシランカップリング剤;2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン等の官能基Xがグリシドキシ基であるシランカップリング剤;等が挙げられる。 Examples of X include a vinyl group, an amino group, a (meth) acryloxy group, a mercapto group, a glycidoxy group and the like. Specific examples of the silane coupling agent include a silane coupling agent in which the functional group X such as vinyltrimethoxysilane and vinyltriethoxysilane is a vinyl group; 3-aminopropyltrimethoxysilane and 3-aminopropyltri. Silane coupling in which the functional group X such as ethoxysilane, N-2- (aminoethyl) -3-aminopropylmethyldimethoxysilane, N-2- (aminoethyl) -3-aminopropylmethyltrimethoxysilane is an amino group Agents; functional groups such as 3-acryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltriethoxysilane, 3-methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, 3-methacryloxypropylmethyldiethoxysilane A silane coupling agent in which the group X is a (meth) acryloxy group; a silane coupling agent in which a functional group X such as 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropyltriethoxysilane is a mercapto group; 2- (3, 4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane A silane coupling agent in which the functional group X of the above is a glycidoxy group; and the like.
また、アルコキシシランとしては、例えば、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、トリメチルメトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、ブチルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、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、デシルトリメトキシシラン等のアルキル基がアルコキシシランのケイ素原子に直接結合しているアルキル基含有アルコキシシラン;フェニルトリメトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、p−スチリルトリメトキシシラン等の芳香環がアルコキシシランのケイ素原子に直接結合しているアリール基含有アルコキシシラン;等が挙げられる。 Examples of the alkoxysilane include methyltrimethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, trimethylmethoxysilane, propyltrimethoxysilane, butyltriethoxysilane, hexyltrimethoxysilane, hexyltriethoxysilane, octyltriethoxysilane, and decyltrimethoxy. Alkoxy group-containing alkoxysilane in which an alkyl group such as silane is directly bonded to the silicon atom of alkoxysilane; aromatic rings such as phenyltrimethoxysilane, diphenyldimethoxysilane, and p-styryltrimethoxysilane are directly bonded to the silicon atom of alkoxysilane. Alkoxysilanes containing an aryl group that are bonded; and the like.
シランカップリング剤としては、中でも官能基Xが(メタ)アクリロキシ基であるシランカップリング剤及びアルキル基含有アルコキシシランが好ましく、特に好ましくは、3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン、デシルトリメトキシシランである。 As the silane coupling agent, among them, a silane coupling agent in which the functional group X is a (meth) acryloxy group and an alkyl group-containing alkoxysilane are preferable, and 3-acryloxypropyltrimethoxysilane and 3-methacryloxypropyl are particularly preferable. These are trimethoxysilane, hexyltrimethoxysilane, octyltriethoxysilane, and decyltrimethoxysilane.
前記シランカップリング剤は、1種のみを用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。シランカップリング剤の量(被覆量)は、酸化ジルコニウムナノ粒子全体100質量部に対して、0.1質量部以上、30質量部以下が好ましい。 The silane coupling agent may be used alone or in combination of two or more. The amount (coating amount) of the silane coupling agent is preferably 0.1 part by mass or more and 30 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the entire zirconium oxide nanoparticles.
<界面活性剤>
界面活性剤は、組成物の透明性や分散性の向上させることが可能となる。さらに組成物の低粘度化を達成することもできる。界面活性剤としては、陰イオン系界面活性剤、陽イオン系界面活性剤、両性イオン界面活性剤等のイオン性界面活性剤、あるいは非イオン系界面活性剤が好適に用いられ、陰イオン系界面活性剤としては、例えば、オレイン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、ラウリン酸ナトリウム等の脂肪酸ナトリウム、脂肪酸カリウム、脂肪酸エステルスルフォン酸ナトリウム等の脂肪酸系、アルキルリン酸エステルナトリウム等のリン酸系、アルファオレインスルフォン酸ナトリウム等のオレフィン系、アルキル硫酸ナトリウム等のアルコール系、アルキルベンゼン系等が、陽イオン系界面活性剤としては、例えば、塩化アルキルメチルアンモニウム、塩化アルキルジメチルアンモニウム、塩化アルキルトリメチルアンモニウム、塩化アルキルジメチルベンジルアンモニウム等が、両性イオン界面活性剤としては、例えば、アルキルアミノカルボン酸塩等のカルボン酸系、フォスフォベタイン等のリン酸エステル系が、非イオン系界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンラウリン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル等の脂肪酸系、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、脂肪酸アルカノールアミド等が挙げられる。界面活性剤は、組成物の全成分100質量%に対して、0.1質量%以上5質量%以下添加すると良い。
<Surfactant>
Surfactants can improve the transparency and dispersibility of the composition. Further, it is possible to achieve a low viscosity of the composition. As the surfactant, an ionic surfactant such as an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric ionic surfactant, or a nonionic surfactant is preferably used, and an anionic surfactant is preferably used. Examples of the activator include fatty acid sodium such as sodium oleate, sodium stearate, and sodium laurate, fatty acid potassium, fatty acid ester such as sodium sulfonate, phosphoric acid type such as alkyl phosphate sodium, and alpha olein sulfone. Olefin-based surfactants such as sodium acid, alcohol-based surfactants such as sodium alkylsulfate, alkylbenzene-based surfactants, and the like are examples of cationic surfactants such as alkylmethylammonium chloride, alkyldimethylammonium chloride, alkyltrimethylammonium chloride, and alkyldimethylbenzyl chloride. Ammonium and the like can be used as an amphoteric ionic surfactant, for example, a carboxylic acid type such as an alkylaminocarboxylate, a phosphoric acid ester type such as phosphobetaine, and a nonionic surfactant, for example, polyoxyethylene. Examples thereof include fatty acid-based materials such as laurin fatty acid ester and polyoxyethylene sorbitan fatty acid ester, polyoxyethylene alkyl phenyl ether, and fatty acid alkanolamide. The surfactant is preferably added in an amount of 0.1% by mass or more and 5% by mass or less with respect to 100% by mass of all the components of the composition.
<有機リン化合物>
有機リン化合物としては、例えば、下記式:
<Organophosphorus compound>
Examples of the organic phosphorus compound include the following formula:
(上記式中、p1、p2は、それぞれ1〜100が好ましく、より好ましくは1〜50であり、更に好ましくは1〜30であり、より好ましくは4〜15である。またp1+p2は、1〜100が好ましく、より好ましくは1〜50であり、更に好ましくは1〜30である。)で表されるリン酸モノエステル、及びこれらと同じ置換基を有するリン酸ジエステルが挙げられる。 (In the above formula, p 1 and p 2 are preferably 1 to 100, more preferably 1 to 50, still more preferably 1 to 30, and even more preferably 4 to 15, respectively, and p 1 + p. 2 is preferably 1 to 100, more preferably 1 to 50, still more preferably 1 to 30), and examples thereof include phosphoric acid monoesters represented by these) and phosphoric acid diesters having the same substituents. Be done.
また下記式: In addition, the following formula:
[上記式中、aは1又は2であり、Aが下記式で表される置換基群: [In the above formula, a is 1 or 2, and A is a substituent group represented by the following formula:
(上記式中、p1、p2、p5は、それぞれ1〜100が好ましく、より好ましくは1〜50であり、更に好ましくは1〜30であり、より好ましくは4〜15である。またp1+p2+p5は、1〜100が好ましく、より好ましくは1〜50であり、更に好ましくは1〜30である。r、r2は1〜100が好ましく、より好ましくは1〜50であり、更に好ましくは1〜20である。R4は炭素数1〜18の2価の炭化水素基、又は、炭素数6〜30の2価の芳香族含有炭化水素基。*はリン原子との結合部位を示す。)より選択される少なくとも1つ]で表されるリン酸モノエステル又はリン酸ジエステル等の化合物や、下記式: (In the above formula, p 1 , p 2 , and p 5 are preferably 1 to 100, more preferably 1 to 50, still more preferably 1 to 30, and even more preferably 4 to 15, respectively. p 1 + p 2 + p 5 is preferably 1 to 100, more preferably 1 to 50, still more preferably 1 to 30, and r and r 2 are preferably 1 to 100, more preferably 1 to 50. Yes, more preferably 1 to 20. R 4 is a divalent hydrocarbon group having 1 to 18 carbon atoms, or a divalent aromatic-containing hydrocarbon group having 6 to 30 carbon atoms. * Is a phosphorus atom. A compound such as a phosphoric acid monoester or a phosphoric acid diester represented by [at least one selected from the following formulas:
[上記式中、aは1又は2であり、Aが下記式で表される置換基群: [In the above formula, a is 1 or 2, and A is a substituent group represented by the following formula:
(上記式中、p1は1〜100が好ましく、より好ましくは1〜50であり、更に好ましくは1〜30である。)より選択される少なくとも1つ]で表される化合物(例えば、下記式: (In the above formula, p 1 is preferably 1 to 100, more preferably 1 to 50, still more preferably 1 to 30), and the compound represented by the compound represented by [for example, the following. formula:
(上記式中、p1は1〜100が好ましく、より好ましくは1〜50であり、更に好ましくは1〜30である。)で表される化合物)や、下記式: (In the above formula, p 1 is preferably 1 to 100, more preferably 1 to 50, still more preferably 1 to 30), and the following formula:
で表される各種リン酸化合物又はリン酸エステルが例示できる。 Examples thereof include various phosphoric acid compounds or phosphoric acid esters represented by.
なお本発明では、リン酸モノエステル、リン酸ジエステルなどのように構造が異なる2種以上の有機リン化合物又はその塩を、それぞれ単独で、またはこれらを組み合わせて使用してもよい。 In the present invention, two or more kinds of organic phosphorus compounds having different structures such as phosphoric acid monoester and phosphoric acid diester or salts thereof may be used alone or in combination thereof.
前述した有機リン化合物としては、例えば、ニューコール1000−FCP(日本乳化剤社製)、アントックスEHD−400(日本乳化剤社製)、Phoslexシリーズ(SC有機化学社製)、ライトアクリレートP−1A(共栄社化学社製)、ライトアクリレートP−1M(共栄社化学社製)、TEGO(登録商標) Dispers651、655、656(エボニック社製)、DISPERBYK−110、111(ビックケミー・ジャパン社製)、KAYAMERPM−2、KAYAMERPM−21(日本化薬社製)等の市販のリン酸エステルを適宜用いることができる。 Examples of the above-mentioned organic phosphorus compounds include Newcol 1000-FCP (manufactured by Nippon Emulsifier Co., Ltd.), Antox EHD-400 (manufactured by Nippon Emulsifier Co., Ltd.), Phoslex series (manufactured by SC Organic Chemistry Co., Ltd.), and light acrylate P-1A (manufactured by SC Organic Chemistry Co., Ltd.). Kyoeisha Chemical Co., Ltd.), Light Aacrylate P-1M (Kyoeisha Chemical Co., Ltd.), TEGO (registered trademark) Dispers 651, 655, 656 (Ebonic), DISPERBYK-110, 111 (Big Chemie Japan), KAYAMERPM-2 , KAYAMERPM-21 (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.) and other commercially available phosphoric acid esters can be appropriately used.
有機リン化合物の量は、本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子含有組成物100質量部に対して0.5〜10質量部程度である。 The amount of the organic phosphorus compound is about 0.5 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the zirconium oxide nanoparticle-containing composition of the present invention.
本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子は、ジルコニウム成分と、イットリウム成分と、遷移金属成分と、第1のカルボン酸成分とを水熱反応することによって、第1のカルボン酸で被覆され、イットリウムと、遷移金属を含む酸化ジルコニウムナノ粒子を得ることができる。前記ジルコニウム成分としては、第1のカルボン酸と、ジルコニウム又はジルコニウム含有化合物とから構成(好ましくは結合体)されるジルコニウム原料物質を用いることができ、このようなジルコニウム原料物質は第1のカルボン酸成分とも言える。また、イットリウム成分としては、第1のカルボン酸と、イットリウム又はイットリウム含有化合物とから構成(好ましくは結合体)されるイットリウム原料物質を用いることができ、このようなイットリウム原料物質は第1のカルボン酸成分とも言える。更に、遷移金属成分としては、第1のカルボン酸と、遷移金属又は遷移金属含有化合物とから構成(好ましくは結合体)される遷移金属原料物質を用いることができ、このような遷移金属原料物質は第1のカルボン酸成分とも言える。 The zirconium oxide nanoparticles of the present invention are coated with the first carboxylic acid by hydrothermally reacting the zirconium component, the yttrium component, the transition metal component, and the first carboxylic acid component, and the transition with the yttrium. Zirconium oxide nanoparticles containing a metal can be obtained. As the zirconium component, a zirconium raw material composed of a first carboxylic acid and a zirconium or a zirconium-containing compound (preferably a conjugate) can be used, and such a zirconium raw material is the first carboxylic acid. It can be said to be an ingredient. Further, as the yttrium component, an yttrium raw material composed of a first carboxylic acid and an yttrium or an yttrium-containing compound (preferably a conjugate) can be used, and such an yttrium raw material is a first carboxylic acid. It can also be said to be an acid component. Further, as the transition metal component, a transition metal raw material composed of a first carboxylic acid and a transition metal or a transition metal-containing compound (preferably a conjugate) can be used, and such a transition metal raw material can be used. Can be said to be the first carboxylic acid component.
ジルコニウム原料物質として、具体的には、(i)第1のカルボン酸と酸化ジルコニウム前駆体との塩、(ii)第1のカルボン酸のジルコニウム塩、および(iii)第1のカルボン酸及び酸化ジルコニウム前駆体、から選ばれる少なくとも1種以上が挙げられる。 Specific examples of the zirconium raw material include (i) a salt of a first carboxylic acid and a zirconium oxide precursor, (ii) a zirconium salt of a first carboxylic acid, and (iii) a first carboxylic acid and oxidation. At least one selected from zirconium precursors can be mentioned.
前記した酸化ジルコニウム前駆体としては、例えばジルコニウムの水酸化物、塩化物、オキシ塩化物、酢酸塩、オキシ酢酸物、オキシ硝酸物、硫酸塩、炭酸塩、アルコキシド等が含まれる。すなわち、水酸化ジルコニウム、塩化ジルコニウム、オキシ塩化ジルコニウム、酢酸ジルコニウム、オキシ酢酸ジルコニウム、オキシ硝酸ジルコニウム、硫酸ジルコニウム、炭酸ジルコニウム、およびテトラブトキシジルコニウム等のジルコニウムアルコキシド等である。 Examples of the zirconium oxide precursor include zirconium hydroxides, chlorides, oxychlorides, acetates, oxyacetic acids, oxynitrates, sulfates, carbonates, alkoxides and the like. That is, zirconium alkoxides such as zirconium hydroxide, zirconium chloride, zirconium oxychloride, zirconium acetate, zirconium oxyacetate, zirconium oxynitrate, zirconium sulfate, zirconium carbonate, and tetrabutoxyzirconium.
以下、前記酸化ジルコニウム前駆体として、ジルコニウムのオキシ塩化物等の塩化物やオキシ硝酸物等の硝酸塩等の、水溶性で腐食性の高い酸化ジルコニウム前駆体を原料として用いるときに好適である前記(i)の場合について、詳述する。尚、塩とは、カルボン酸と酸化ジルコニウム前駆体との量論比で構成される単種類の化合物だけでなく、複合塩や、未反応のカルボン酸又は酸化ジルコニウム前駆体が存在する組成物であってもよい。 Hereinafter, as the zirconium oxide precursor, a zirconium oxide precursor that is water-soluble and highly corrosive, such as chloride such as oxychloride of zirconium and nitrate such as oxynitrate, is suitable as a raw material ( The case of i) will be described in detail. The salt is not only a single compound composed of a stoichiometric ratio of a carboxylic acid and a zirconium oxide precursor, but also a composite salt and a composition in which an unreacted carboxylic acid or a zirconium oxide precursor is present. There may be.
前記(i)において、第1のカルボン酸と酸化ジルコニウム前駆体との塩とは、アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属により中和度が0.1〜0.8の範囲に中和された第1のカルボン酸由来のカルボン酸塩含有組成物と酸化ジルコニウム前駆体とを反応させて得られた、第1のカルボン酸とジルコニウムとの塩であることが好ましい。 In (i) above, the salt of the first carboxylic acid and the zirconium oxide precursor was neutralized by an alkali metal and / or an alkaline earth metal in the range of 0.1 to 0.8. It is preferably a salt of the first carboxylic acid and zirconium obtained by reacting a carboxylic acid salt-containing composition derived from the first carboxylic acid with a zirconium oxide precursor.
前記中和度は0.1〜0.8が好ましく、0.2〜0.7がより好ましい。0.1未満では第1のカルボン酸化合物の溶解性が低いために前記塩が十分に形成できないことがあり、また0.8を超えるとジルコニウムの水酸化物と推測される多量の白色沈殿が生成して被覆型酸化ジルコニウム粒子の収率が低下する場合がある。前記カルボン酸塩含有組成物を得るために用いるアルカリ金属及びアルカリ土類金属はいずれであってもよいが、水溶性の高いカルボン酸塩を形成する金属が好ましく、アルカリ金属、特にナトリウム及びカリウムが好適である。 The degree of neutralization is preferably 0.1 to 0.8, more preferably 0.2 to 0.7. If it is less than 0.1, the salt may not be sufficiently formed due to the low solubility of the first carboxylic acid compound, and if it exceeds 0.8, a large amount of white precipitate presumed to be a hydroxide of zirconium is formed. It may be produced and the yield of coated zirconium oxide particles may decrease. The alkali metal and alkaline earth metal used to obtain the carboxylate-containing composition may be either, but a metal forming a highly water-soluble carboxylate is preferable, and alkali metals, particularly sodium and potassium, are used. Suitable.
前記カルボン酸塩含有組成物と前記酸化ジルコニウム前駆体との割合は、酸化ジルコニウム前駆体1モルに対してカルボキシル基が1モル〜20モルであることが好ましく、1.2〜18モルがより好ましく、1.5〜15モルがさらに好ましい。前記カルボン酸塩含有組成物と前記酸化ジルコニウム前駆体とを反応させるには、水溶液同士又は水溶液と有機溶媒を混合させるのが好ましい。反応温度は水溶液を保持できる温度であれば特に問わないが、室温から100℃が好ましく、40℃〜80℃がより好ましい。 The ratio of the carboxylate-containing composition to the zirconium oxide precursor is preferably 1 mol to 20 mol, more preferably 1.2 to 18 mol, with respect to 1 mol of the zirconium oxide precursor. , 1.5 to 15 mol is more preferred. In order to react the carboxylate-containing composition with the zirconium oxide precursor, it is preferable to mix the aqueous solutions with each other or the aqueous solution with an organic solvent. The reaction temperature is not particularly limited as long as it can hold the aqueous solution, but is preferably room temperature to 100 ° C., more preferably 40 ° C. to 80 ° C.
前記カルボン酸塩含有組成物と前記酸化ジルコニウム前駆体とを反応させて得られた前記塩は、そのまま水熱反応に供しても良いが、不溶性の副生物を濾過や分液等により取り除いておくのが好ましい。 The salt obtained by reacting the carboxylate-containing composition with the zirconium oxide precursor may be subjected to a hydrothermal reaction as it is, but insoluble by-products are removed by filtration, liquid separation, or the like. Is preferable.
次に(ii)の場合について、詳細に説明する。(ii)の実施形態では、事前に調製した第1のカルボン酸のジルコニウム塩を用いるものである。上記の様な煩雑な工程を経ることなく、水熱反応に供することが出来る利点がある。但し、容易に入手できる化合物が限られているため、目的とする有機基で被覆された酸化ジルコニウム粒子が得られないことがある。 Next, the case (ii) will be described in detail. In the embodiment (ii), a zirconium salt of the first carboxylic acid prepared in advance is used. There is an advantage that it can be subjected to a hydrothermal reaction without going through the complicated process as described above. However, due to the limited availability of compounds, zirconium oxide particles coated with the desired organic group may not be obtained.
(ii)の実施形態で用いることが出来るジルコニウム塩としては、オクタン酸ジルコニウム、2−エチルヘキサン酸ジルコニウム、ステアリン酸ジルコニウム、ラウリン酸ジルコニウム、ナフテン酸ジルコニウム、オレイン酸ジルコニウム、リシノール酸ジルコニウム等を例示することが出来る。ジルコニウム塩の純度が低い場合には、精製を施してから用いることもあるが、市販品又は事前に調製した塩をそのまま水熱反応に供することが出来る。 Examples of the zirconium salt that can be used in the embodiment (ii) include zirconium octanate, zirconium 2-ethylhexanate, zirconium stearate, zirconium laurate, zirconium naphthenate, zirconium oleate, and zirconium ricinoleate. Can be done. When the purity of the zirconium salt is low, it may be used after being purified, but a commercially available product or a salt prepared in advance can be directly subjected to a hydrothermal reaction.
前記(iii)で、用いることの出来る前記酸化ジルコニウム前駆体は、上述した酸化ジルコニウム前駆体と同様である。(iii)の場合において、酸化ジルコニウム前駆体は、炭酸ジルコニウムであることが好ましい。前記カルボン酸と前記酸化ジルコニウム前駆体との割合は、酸化ジルコニウム前駆体1モルに対して、カルボン酸が0.5モル〜10モルであることが好ましく、1モル〜8モルであることがより好ましく、1.2モル〜5モルであることがさらに好ましい。前記カルボン酸と前記酸化ジルコニウム前駆体は、そのまま水熱反応に供してもよいし、水熱反応前にあらかじめ反応させておいてもよい。水熱反応前に反応させるには、カルボン酸と酸化ジルコニウム前駆体を有機溶媒中でスラリーにて反応させることが好ましい。その際、反応時に生じる水を取り除きながら反応させることが、反応速度や収率を向上させる意味でも好ましい。反応時に水を抜き出しながら反応を行うため、反応溶媒としては沸点が水よりも高い溶媒を用いることが好ましく、より好ましくは後述する水熱反応に用いる溶媒である。また反応温度は、水を抜き出すことができるように、70℃以上が好ましく、80℃以上がより好ましい。反応温度上限は、180℃以下で、150℃以下がより好ましい。温度が高すぎると、副反応が進みカルボン酸の分解が起きてしまう可能性がある。反応時に水の取出しがうまくいかない場合には、反応圧力を下げて水の沸点を下げて反応させることもできる。 The zirconium oxide precursor that can be used in (iii) above is the same as the zirconium oxide precursor described above. In the case of (iii), the zirconium oxide precursor is preferably zirconium carbonate. The ratio of the carboxylic acid to the zirconium oxide precursor is preferably 0.5 mol to 10 mol, and more preferably 1 mol to 8 mol, based on 1 mol of the zirconium oxide precursor. It is preferably 1.2 mol to 5 mol, and more preferably 1.2 mol to 5 mol. The carboxylic acid and the zirconium oxide precursor may be subjected to a hydrothermal reaction as they are, or may be reacted in advance before the hydrothermal reaction. In order to react before the hydrothermal reaction, it is preferable to react the carboxylic acid and the zirconium oxide precursor in a slurry in an organic solvent. At that time, it is preferable to carry out the reaction while removing the water generated during the reaction from the viewpoint of improving the reaction rate and the yield. Since the reaction is carried out while extracting water during the reaction, it is preferable to use a solvent having a boiling point higher than that of water as the reaction solvent, and more preferably a solvent used for the hydrothermal reaction described later. The reaction temperature is preferably 70 ° C. or higher, more preferably 80 ° C. or higher so that water can be extracted. The upper limit of the reaction temperature is 180 ° C. or lower, more preferably 150 ° C. or lower. If the temperature is too high, side reactions may proceed and carboxylic acid decomposition may occur. If the water cannot be taken out during the reaction, the reaction pressure can be lowered to lower the boiling point of the water for the reaction.
イットリウム原料物質として、具体的には、(i)第1のカルボン酸と酸化イットリウム前駆体との塩、(ii)第1のカルボン酸のイットリウム塩、および(iii)第1のカルボン酸及び酸化イットリウム前駆体、から選ばれる少なくとも1種以上が挙げられる。(i)〜(iii)の好ましい態様は、ジルコニウム原料物質における(i)〜(iii)の好ましい態様と同様である。 Specifically, as the yttrium raw material, (i) a salt of the first carboxylic acid and the yttrium oxide precursor, (ii) the yttrium salt of the first carboxylic acid, and (iii) the first carboxylic acid and oxidation. At least one selected from yttrium precursors can be mentioned. The preferred embodiments of (i) to (iii) are the same as the preferred embodiments of (i) to (iii) in the zirconium raw material.
遷移金属原料物質として、具体的には、(i)第1のカルボン酸と遷移金属酸化物前駆体との塩、(ii)第1のカルボン酸の遷移金属塩、および(iii)第1のカルボン酸及び遷移金属酸化物前駆体、から選ばれる少なくとも1種以上が挙げられる。(i)〜(iii)の好ましい態様は、ジルコニウム原料物質における(i)〜(iii)の好ましい態様と同様である。 Specifically, as the transition metal raw material, (i) a salt of the first carboxylic acid and the transition metal oxide precursor, (ii) the transition metal salt of the first carboxylic acid, and (iii) the first. At least one selected from carboxylic acids and transition metal oxide precursors can be mentioned. The preferred embodiments of (i) to (iii) are the same as the preferred embodiments of (i) to (iii) in the zirconium raw material.
続いて、水熱反応について説明する。まず、ジルコニウム成分について前記(i)〜(iii)の少なくとも1種と、イットリウム成分についての前記(i)〜(iii)の少なくとも1種と、遷移金属成分についての前記(i)〜(iii)の少なくとも1種とを、好ましくは水存在下で混合する。この時に、加熱や減圧下で行うことにより、アンモニアや酢酸等の前記酸化ジルコニウム前駆体に含まれる低沸点の化合物を系外へ追い出すことができ、次工程の水熱反応での圧上昇が抑えられるので、好適である。前記(i)〜(iii)だけでは、粘度が高く水熱反応が効率的に進行しない場合には、前記(i)〜(iii)に対して良好な溶解性を示す有機溶媒を添加すると良い。本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子を得るためには、特にジルコニウム成分、イットリウム成分、遷移金属成分として、それぞれ第1のカルボン酸のジルコニウム塩、第1のカルボン酸のイットリウム塩、第1のカルボン酸の遷移金属塩を用いる、すなわちジルコニウム成分、イットリウム成分、遷移金属成分いずれについても(ii)の態様を用いることが好ましい。但し、ジルコニウム成分、イットリウム成分、遷移金属成分について(ii)の態様を用いることが難しい成分が少なくとも1つ存在する場合には、もちろん(i)又は(iii)の態様で用いる成分があっても良く、そのような場合には、ジルコニウム成分、イットリウム成分、遷移金属成分として用いる原料物質の態様として、(ii)と(i)のみ、(ii)と(iii)のみ、(i)のみ、(iii)のみのいずれかであることが好ましい。(iii)の形態で用いる成分が2成分以上ある場合には、水熱反応前に2成分以上の酸化物前駆体(すなわち、酸化ジルコニウム前駆体、酸化イットリウム前駆体及び遷移金属酸化物前駆体の2種以上)と第1のカルボン酸を混合して2成分以上を含む原料物質を予め合成しても良く、このようにすることで合成の工程数を削減できる。 Subsequently, the hydrothermal reaction will be described. First, at least one of the above (i) to (iii) for the zirconium component, at least one of the above (i) to (iii) for the yttrium component, and the above (i) to (iii) for the transition metal component. At least one of the above is preferably mixed in the presence of water. At this time, by heating or under reduced pressure, low boiling point compounds contained in the zirconium oxide precursor such as ammonia and acetic acid can be expelled from the system, and the pressure increase in the hydrothermal reaction in the next step can be suppressed. It is suitable because it can be used. When the viscosity is high and the hydrothermal reaction does not proceed efficiently with only the above (i) to (iii), it is preferable to add an organic solvent showing good solubility in the above (i) to (iii). .. In order to obtain the zirconium oxide nanoparticles of the present invention, in particular, as the zirconium component, the yttrium component, and the transition metal component, the zirconium salt of the first carboxylic acid, the yttrium salt of the first carboxylic acid, and the first carboxylic acid, respectively. It is preferable to use the transition metal salt, that is, to use the aspect (ii) for all of the zirconium component, the yttrium component, and the transition metal component. However, if there is at least one component in which it is difficult to use the aspect (ii) for the zirconium component, the yttrium component, and the transition metal component, of course, even if there is a component used in the aspect (i) or (iii). Well, in such a case, as the mode of the raw material used as the zirconium component, the yttrium component, and the transition metal component, only (ii) and (i), (ii) and (iii) only, (i) only, ( It is preferable that only one of iii) is used. When there are two or more components used in the form of (iii), the oxide precursors of two or more components (that is, the zirconium oxide precursor, the yttrium oxide precursor and the transition metal oxide precursor) are used before the hydrothermal reaction. (2 or more types) and the first carboxylic acid may be mixed to synthesize a raw material containing two or more components in advance, and by doing so, the number of synthesis steps can be reduced.
前記有機溶媒としては、炭化水素、ケトン、エーテル、アルコール等を用いることが出来る。水熱反応時に気化する溶媒では十分に反応が進行しない恐れがあるので、常圧下での沸点が120℃以上の有機溶媒が好ましく、140℃以上がより好ましく、150℃以上が更に好ましい。具体的には、デカン、ドデカン、テトラデカン、メシチレン、プソイドクメン、鉱油、オクタノール、デカノール、シクロヘキサノール、テルピネオール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、1,2−プロパンジオール、1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、2,3−ブタンジオール、ヘキサンジオール、グリセリン、メタントリメチロール、トルエン、キシレン、トリメチルベンゼン、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)等が例示され、ドデカン、テトラデカン、トリメチルベンゼンが好ましい。 As the organic solvent, hydrocarbons, ketones, ethers, alcohols and the like can be used. Since the solvent that vaporizes during the hydrothermal reaction may not sufficiently proceed, an organic solvent having a boiling point of 120 ° C. or higher under normal pressure is preferable, 140 ° C. or higher is more preferable, and 150 ° C. or higher is further preferable. Specifically, decane, dodecane, tetradecane, mesitylene, pseudocumene, mineral oil, octanol, decanol, cyclohexanol, terpineol, ethylene glycol, diethylene glycol, 1,2-propanediol, 1,3-propanediol, 1,4-butane. Examples thereof include diol, 2,3-butanediol, hexanediol, glycerin, methanetrimethylol, toluene, xylene, trimethylbenzene, dimethylformamide (DMF) and dimethylsulfoxide (DMSO), with dodecane, tetradecane and trimethylbenzene being preferred.
前記有機溶媒を添加したことにより2層に分離した場合には、界面活性剤等を添加して均一相状態や懸濁乳化状態にしてもよいが、通常は2層のまま水熱反応に供することが出来る。前記組成物は原料に由来する十分な量の水を含有している場合もあるが、原料中に含まれる水分が無い又は少ない場合には、水熱反応に供する前に水分を添加しておく必要がある。 When the two layers are separated by adding the organic solvent, a surfactant or the like may be added to bring them into a uniform phase state or a suspended emulsified state, but usually the two layers are subjected to a hydrothermal reaction as they are. Can be done. The composition may contain a sufficient amount of water derived from the raw material, but if the raw material contains no or little water, the water is added before the hydrothermal reaction. There is a need.
水熱反応の系内に存在する水分量は、系内に存在する酸化ジルコニウム前駆体又はジルコニウムを含む塩(以下、酸化ジルコニウム前駆体等)中のジルコニウムのモル数に対する水のモル数(水のモル数/酸化ジルコニウム前駆体等中のジルコニウムのモル数)で1/1〜50/1が好ましく、4/1〜30/1がより好ましい。1/1未満では水熱反応に長時間を要したり、得られた前記酸化ジルコニウム粒子の粒径が大きくなったりすることがある。一方、50/1超では、系内に存在する酸化ジルコニウム前駆体等が少ないため生産性が低下する以外は特に問題は無い。 The amount of water present in the hydrothermal reaction system is the number of moles of water (water) relative to the number of moles of zirconium in the zirconium oxide precursor or salt containing zirconium (hereinafter, zirconium oxide precursor, etc.) existing in the system. The number of moles / number of moles of zirconium in the zirconium oxide precursor or the like) is preferably 1/1 to 50/1, more preferably 4/1 to 30/1. If it is less than 1/1, the hydrothermal reaction may take a long time, or the particle size of the obtained zirconium oxide particles may become large. On the other hand, if it exceeds 50/1, there is no particular problem except that the productivity is lowered because the zirconium oxide precursor and the like existing in the system are small.
水熱反応は、2MPaG(ゲージ圧)以下の圧力で行うのが好ましい。2MPaG超でも反応は進行するが、反応装置が高価になるため工業的には好ましくない。一方、圧力が低すぎると反応の進行が遅くなり、また長時間の反応により前記ナノ粒子の粒径が大きくなったり、酸化ジルコニウムが複数の結晶系を持ったりすることがある為、0.1MPaG以上の圧力下で行うのが好ましく、0.2MPaG以上で行うのがより好ましい。水熱反応の温度は、例えば150〜250℃であり、該温度範囲にて例えば2〜24時間程度保持すれば良い。 The hydrothermal reaction is preferably carried out at a pressure of 2 MPaG (gauge pressure) or less. Although the reaction proceeds even if it exceeds 2 MPaG, it is not industrially preferable because the reactor becomes expensive. On the other hand, if the pressure is too low, the progress of the reaction will be slowed down, the particle size of the nanoparticles may become large due to the reaction for a long time, and zirconium oxide may have a plurality of crystal systems. It is preferably carried out under the above pressure, and more preferably 0.2 MPaG or more. The temperature of the hydrothermal reaction is, for example, 150 to 250 ° C., and may be maintained in the temperature range for, for example, about 2 to 24 hours.
なお、本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子を、第1のカルボン酸と、更に第1のカルボン酸以外の有機酸で被覆する場合には、まず初めに第1のカルボン酸で被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子を調製し、次いでこの第1のカルボン酸化合物を、前記有機酸で置換することで製造できる。この置換は、具体的には、第1のカルボン酸で被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子と、有機酸とを含む混合物(特に混合液)を攪拌することによって行う。有機酸と、第1のカルボン酸で被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子との質量比は、5/100〜200/100が好ましい。 When the zirconium oxide nanoparticles of the present invention are coated with a first carboxylic acid and an organic acid other than the first carboxylic acid, first of all, the zirconium oxide nanoparticles coated with the first carboxylic acid. It can be produced by preparing particles and then substituting the first carboxylic acid compound with the organic acid. Specifically, this substitution is carried out by stirring a mixture (particularly a mixed solution) containing the zirconium oxide nanoparticles coated with the first carboxylic acid and the organic acid. The mass ratio of the organic acid to the zirconium oxide nanoparticles coated with the first carboxylic acid is preferably 5/100 to 200/100.
本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子は、各種媒体に対する分散性が良好であるため、多様な溶媒、モノマー(単官能モノマー及び/又は架橋性モノマー)、オリゴマー、ポリマー等、又はこれらの組み合わせへの添加が可能である。本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子は、これを含有する組成物としても好適に用いることができる。組成物には、酸化ジルコニウムナノ粒子を含有する分散液、及び酸化ジルコニウムナノ粒子を含有する樹脂組成物が含まれる。 Since the zirconium oxide nanoparticles of the present invention have good dispersibility in various media, they can be added to various solvents, monomers (monofunctional monomers and / or crosslinkable monomers), oligomers, polymers, etc., or combinations thereof. It is possible. The zirconium oxide nanoparticles of the present invention can also be suitably used as a composition containing the nanoparticles. The composition includes a dispersion liquid containing zirconium oxide nanoparticles and a resin composition containing zirconium oxide nanoparticles.
代表的な溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、エチレングリコールなどのアルコール類;メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン類;酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートなどのエステル類;エチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテルなどのエーテル類;プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートなどの変性エーテル類(好ましくはエーテル変性及び/又はエステル変性エーテル類、さらに好ましくはエーテル変性及び/又はエステル変性アルキレングリコール類);ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、トリメチルベンゼン、ヘキサン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、ミネラルスピリットなどの炭化水素類;ジクロロメタン、クロロホルムなどのハロゲン化炭化水素類;ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドンなどのアミド類;水;鉱物油、植物油、ワックス油、シリコーン油などの油類を挙げることができる。これらのうち1種を選択して使用することもできるし、2種以上を選択し混合して用いることもできる。取扱性の面から、常圧での沸点が40℃以上、250℃以下程度の溶媒が好適であり、後述するレジスト用途では、ケトン類、変性エーテル類などが好適である。 Typical solvents include, for example, alcohols such as methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol and ethylene glycol; ketones such as methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone and cyclohexanone; ethyl acetate, propyl acetate, propylene glycol monomethyl ether acetate and the like. Esters; ethers such as ethylene glycol monomethyl ether and diethylene glycol monobutyl ether; modified ethers such as propylene glycol monomethyl ether acetate (preferably ether-modified and / or ester-modified ethers, more preferably ether-modified and / or ester-modified. Alkylene glycols); hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, ethylbenzene, trimethylbenzene, hexane, cyclohexane, methylcyclohexane, ethylcyclohexane, mineral spirits; halogenated hydrocarbons such as dichloromethane, chloroform; dimethylformamide, N, Amids such as N-dimethylacetamide and N-methylpyrrolidone; water; oils such as mineral oil, vegetable oil, wax oil and silicone oil can be mentioned. One of these can be selected and used, or two or more can be selected and used in combination. From the viewpoint of handleability, a solvent having a boiling point of 40 ° C. or higher and 250 ° C. or lower at normal pressure is preferable, and ketones, modified ethers and the like are suitable for resist applications described later.
単官能モノマーは、重合可能な炭素−炭素二重結合を1つだけ有する化合物であればよく、(メタ)アクリル酸エステル;スチレン、p−tert−ブチルスチレン、α−メチルスチレン、m−メチルスチレン、p−メチルスチレン、p−クロロスチレン、p−クロロメチルスチレン等のスチレン系単量体;(メタ)アクリル酸等のカルボキシル基含有単量体;ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート等の水酸基含有単量体等が挙げられる。上記の(メタ)アクリル酸エステルとしては、具体的には、例えば、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、n−プロピル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、tert−ブチル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート等の(メタ)アクリル酸アルキルエステル;シクロヘキシル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート等の(メタ)アクリル酸シクロアルキルエステル;ベンジル(メタ)アクリレート等の(メタ)アクリル酸アラルキル;グリシジル(メタ)アクリレートなどのグリシジル基を有する(メタ)アクリル酸エステル等が挙げられるが、メチル(メタ)アクリレートが特に好ましい。これら例示の単官能単量体は、単独で用いてもよく、また、二種類以上を適宜混合して用いてもよい。 The monofunctional monomer may be a compound having only one polymerizable carbon-carbon double bond, and is a (meth) acrylic acid ester; styrene, p-tert-butylstyrene, α-methylstyrene, m-methylstyrene. , P-methylstyrene, p-chlorostyrene, p-chloromethylstyrene and other styrene-based monomers; carboxyl group-containing monomers such as (meth) acrylic acid; hydroxyl group-containing monomers such as hydroxyethyl (meth) acrylate The body etc. can be mentioned. Specific examples of the (meth) acrylic acid ester include methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, n-propyl (meth) acrylate, n-butyl (meth) acrylate, and isobutyl (meth). (Meta) acrylic acid alkyl esters such as acrylates, tert-butyl (meth) acrylates, 2-ethylhexyl (meth) acrylates and lauryl (meth) acrylates; (meth) acrylics such as cyclohexyl (meth) acrylates and isobornyl (meth) acrylates. Acid cycloalkyl ester; (meth) acrylate such as benzyl (meth) acrylate; (meth) acrylic acid ester having a glycidyl group such as glycidyl (meth) acrylate may be mentioned, but methyl (meth) acrylate is particularly preferable. .. These exemplified monofunctional monomers may be used alone, or two or more kinds may be appropriately mixed and used.
架橋性モノマーは、モノマーが有する炭素−炭素二重結合と共重合可能な炭素−炭素二重結合を複数含有する化合物であればよい。該架橋性モノマーとしては、具体的には、例えば、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、プロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート等のアルキレングリコールポリ(メタ)アクリレート;ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、ジネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート等のネオペンチルグリコールポリ(メタ)アクリレート;トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラ(メタ)アクリレート等のトリメチロールプロパンポリ(メタ)アクリレート;ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート等のペンタエリスリトールポリ(メタ)アクリレート等の多官能(メタ)アクリレート;ジビニルベンゼン等の多官能スチレン系単量体;ジアリルフタレート、ジアリルイソフタレート、トリアリルシアヌレート、トリアリルイソシアヌレート等の多官能アリルエステル系単量体等が挙げられる。 The crosslinkable monomer may be a compound containing a plurality of carbon-carbon double bonds copolymerizable with the carbon-carbon double bond of the monomer. Specific examples of the crosslinkable monomer include alkylene glycol poly such as ethylene glycol di (meth) acrylate, diethylene glycol di (meth) acrylate, propylene glycol di (meth) acrylate, and dipropylene glycol di (meth) acrylate. (Meta) Acrylate: Neopentyl glycol di (meth) acrylate, dineopentyl glycol di (meth) acrylate and other neopentyl glycol poly (meth) acrylate; trimerol propanetri (meth) acrylate, ditrimethylol propanetetra (meth) Trimethylol propanepoly (meth) acrylate such as acrylate; Polyfunctional (meth) acrylate such as pentaerythritol tetra (meth) acrylate, pentaerythritol hexa (meth) acrylate and the like; polyfunctional (meth) acrylate such as divinylbenzene and the like. Polyfunctional styrene-based monomers; Examples thereof include polyfunctional allyl ester-based monomers such as diallyl phthalate, diallyl isophthalate, triallyl cyanurate, and triallyl isocyanurate.
上記モノマーを含む組成物は、硬化性組成物に該当する。該硬化性組成物は、硬化後は、樹脂組成物を構成し、このような硬化性組成物も本発明の樹脂組成物に含まれる。また本発明の組成物は、上記ポリマー(樹脂)を含む樹脂組成物であってもよい。本発明の樹脂組成物を構成する場合、媒体であるポリマーは例えば、6−ナイロン、66−ナイロン、12−ナイロンなどのポリアミド類;ポリイミド類;ポリウレタン類;ポリエチレン、ポロプロピレンなどのポリオレフィン類;PET、PBT、PENなどのポリエステル類;ポリ塩化ビニル類;ポリ塩化ビニリデン類;ポリ酢酸ビニル類;ポリスチレン類;(メタ)アクリル樹脂系ポリマー;ABS樹脂;フッ素樹脂;フェノール・ホルマリン樹脂、クレゾール・ホルマリン樹脂などのフェノール樹脂;エポキシ樹脂;尿素樹脂、メラミン樹脂、グアナミン樹脂などのアミノ樹脂などを挙げることができる。また、ポリビニルブチラール系樹脂、ポリウレタン系樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体系樹脂、エチレン−(メタ)アクリル酸エステル共重合体系樹脂などの軟質樹脂や硬質樹脂、なども挙げられる。上記した中で、ポリイミド類、ポリウレタン類、ポリエステル類、(メタ)アクリル樹脂系ポリマー、フェノール樹脂、アミノ樹脂、エポキシ樹脂がより好ましい。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。 The composition containing the above-mentioned monomer corresponds to a curable composition. The curable composition constitutes a resin composition after curing, and such a curable composition is also included in the resin composition of the present invention. Further, the composition of the present invention may be a resin composition containing the above polymer (resin). When constituting the resin composition of the present invention, the polymer as a medium is, for example, polyamides such as 6-nylon, 66-nylon, and 12-nylon; polyimides; polyurethanes; polyolefins such as polyethylene and polypropylene; PET. , PBT, PEN and other polyesters; polyvinyl chlorides; polyvinylidene chlorides; polyvinyl acetates; polystyrenes; (meth) acrylic resin-based polymers; ABS resins; fluororesins; phenol-formalin resins, cresol-formalin resins Such as phenol resin; epoxy resin; urea resin, melamine resin, amino resin such as guanamine resin and the like can be mentioned. Further, soft resins such as polyvinyl butyral resin, polyurethane resin, ethylene-vinyl acetate copolymer resin, ethylene- (meth) acrylic acid ester copolymer resin, and hard resin are also mentioned. Among the above, polyimides, polyurethanes, polyesters, (meth) acrylic resin-based polymers, phenol resins, amino resins, and epoxy resins are more preferable. These may be used alone or in combination of two or more.
上記組成物中に占める本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子の濃度は用途に応じて適宜設定することができるが、該組成物が未硬化の場合やポリマー(樹脂)を含む場合、通常、該組成物の全成分(置換被覆型粒子、溶媒、モノマー、オリゴマー、ポリマー、及び後述するポリマー前駆体などのうち使用されているもの全ての合計)100質量%に対して、90質量%以下である。90質量%を超えると均一に分散し難くなり未硬化組成物が白濁するおそれがあり得る。一方、下限値は特に制限されないが、溶媒コストを考慮すると、例えば、1質量%以上である。より好ましくは5質量%以上、85質量%以下、さらに好ましくは10質量%以上、80質量%以下である。 The concentration of the zirconium oxide nanoparticles of the present invention in the composition can be appropriately set depending on the intended use, but when the composition is uncured or contains a polymer (resin), the composition is usually used. It is 90% by mass or less with respect to 100% by mass of all the components (total of all the components used among the substitution-coated particles, the solvent, the monomer, the oligomer, the polymer, and the polymer precursor described later). If it exceeds 90% by mass, it becomes difficult to disperse uniformly, and the uncured composition may become cloudy. On the other hand, the lower limit value is not particularly limited, but is, for example, 1% by mass or more in consideration of the solvent cost. It is more preferably 5% by mass or more and 85% by mass or less, and further preferably 10% by mass or more and 80% by mass or less.
なお、本発明の樹脂組成物には、上記したポリマー(高分子化合物)と、本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子との組成物だけでなく、上記ポリマーを構成するモノマー(ポリマー前駆体)、例えば、ジカルボン酸とジアミンの混合物、アクリル酸やメタアクリル酸等の不飽和カルボン酸やそのエステル化合物等と、本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子との組成物も含まれる。また、本発明の樹脂組成物は、ポリマーとモノマーを両方含むもの、ポリマーと溶剤を含むもの(コーティング材)であっても良いし、光学フィルムなどの成型材料に用いられる成型用樹脂であっても良い。 The resin composition of the present invention includes not only the composition of the above-mentioned polymer (polymer compound) and the zirconium oxide nanoparticles of the present invention, but also a monomer (polymer precursor) constituting the above polymer, for example. A composition of a mixture of dicarboxylic acid and diamine, unsaturated carboxylic acid such as acrylic acid and methacrylic acid and an ester compound thereof, and zirconium oxide nanoparticles of the present invention is also included. Further, the resin composition of the present invention may be one containing both a polymer and a monomer, one containing a polymer and a solvent (coating material), and a molding resin used as a molding material such as an optical film. Is also good.
また本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子は、分散性が顕著に優れているため、高濃度の組成物(分散体)であっても、組成物は良好な透明性を有する。酸化ジルコニウムナノ粒子が高濃度に分散された組成物は、例えば、屈折率の向上に有利であり、各種用途に応じた屈折率の調整が可能となる。高濃度の酸化ジルコニウムナノ粒子組成物として用いる場合には、該組成物中の酸化ジルコニウムナノ粒子の量を、25質量%以上とすることが好ましく、より好ましくは30質量%以上であり、更に好ましくは60質量%以上である。上限は特に限定されないものの、該組成物中の酸化ジルコニウムナノ粒子の量は、90質量%以下とするとよい。 Further, since the zirconium oxide nanoparticles of the present invention are remarkably excellent in dispersibility, the composition has good transparency even in a high concentration composition (dispersion). A composition in which zirconium oxide nanoparticles are dispersed at a high concentration is advantageous for improving the refractive index, for example, and the refractive index can be adjusted according to various uses. When used as a high-concentration zirconium oxide nanoparticles composition, the amount of zirconium oxide nanoparticles in the composition is preferably 25% by mass or more, more preferably 30% by mass or more, and further preferably. Is 60% by mass or more. Although the upper limit is not particularly limited, the amount of zirconium oxide nanoparticles in the composition is preferably 90% by mass or less.
本発明の樹脂組成物(硬化後の硬化性組成物を含む)には、酸化ジルコニウムナノ粒子と樹脂の他の添加成分を配合してもよい。かかる添加成分としては、例えば、硬化剤、硬化促進剤、着色剤、離型剤、反応性希釈剤、可塑剤、安定化剤、難燃助剤、架橋剤などを挙げることができる。なお、本ナノ粒子は遷移金属を添加しているために着色されており、用途に応じて遷移金属の種類や量を変えることによって、色目を変えることが可能である。 The resin composition of the present invention (including the curable composition after curing) may contain zirconium oxide nanoparticles and other additive components of the resin. Examples of such additive components include curing agents, curing accelerators, colorants, mold release agents, reactive diluents, plasticizers, stabilizers, flame retardant aids, cross-linking agents and the like. The nanoparticles are colored because the transition metal is added, and the color can be changed by changing the type and amount of the transition metal according to the application.
本発明の樹脂組成物(硬化後の硬化性組成物を含む)の形状は特に制限されず、例えば、板、シート、フィルム、繊維などの成型材料としても良い。 The shape of the resin composition of the present invention (including the curable composition after curing) is not particularly limited, and may be used as a molding material such as a plate, a sheet, a film, or a fiber.
本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子は、良好な分散性から、反射防止フィルム、ハードコートフィルム、輝度向上フィルム、プリズムフィルム、レンチキュラーシート、マイクロレンズシート等の光学フィルム(又はシート)や、光学用屈折率調整剤、光学用粘接着材、光導波路、レンズ、触媒、CMP研磨用組成物、電極、キャパシタ、インクジェット記録方法、圧電素子、LED・OLED・有機EL等光取出し向上剤、抗菌剤、歯科用接着剤、太陽電池パネルに使用する集光構造体、カラーフィルターに好適に用いられる。また、良好な分散性から、本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子を焼成した際に均一に呈色し、自然な色調を出すことが可能であるため、セラミックスの釉薬、人工宝石、歯科材料などのセラミックス材料用途にも好適に用いることができる。 The zirconium oxide nanoparticles of the present invention have an optical film (or sheet) such as an antireflection film, a hard coat film, a brightness improving film, a prism film, a lenticular sheet, and a microlens sheet, and an optical refractive index because of their good dispersibility. Adjuster, optical adhesive, optical waveguide, lens, catalyst, CMP polishing composition, electrode, capacitor, inkjet recording method, piezoelectric element, light extraction improver such as LED / OLED / organic EL, antibacterial agent, dentistry It is suitably used for adhesives for optical lenses, condensing structures used for solar cell panels, and color filters. In addition, due to its good dispersibility, the zirconium oxide nanoparticles of the present invention can be uniformly colored when fired to give a natural color tone, so that ceramics such as ceramic glazes, artificial jewels, and dental materials can be used. It can also be suitably used for material applications.
本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子は、イットリウムを含んでいるため、安定した結晶構造を有している。すなわち、本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子を焼成した際に、結晶構造の変化が抑えられ、結晶構造の変化に起因する割れや強度低下などが抑制できる。また、本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子は特定の第1のカルボン酸で被覆されているため、分散性が良好であり、本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子を焼成して得られるセラミックス材料は、透光性、靱性、強度等のセラミックス特性が良好である。 Since the zirconium oxide nanoparticles of the present invention contain yttrium, they have a stable crystal structure. That is, when the zirconium oxide nanoparticles of the present invention are fired, changes in the crystal structure can be suppressed, and cracks and a decrease in strength due to changes in the crystal structure can be suppressed. Further, since the zirconium oxide nanoparticles of the present invention are coated with a specific first carboxylic acid, the dispersibility is good, and the ceramic material obtained by firing the zirconium oxide nanoparticles of the present invention is translucent. It has good ceramic properties such as properties, toughness, and strength.
本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子から得られるセラミックス材料は、本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子単独を焼成して得ることができる。また、本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子に、アルミナ、スピネル、YAG、ムライト、ホウ酸アルミ化合物のような添加剤を含む組成物を焼成して得ることもできる。更に、本発明の酸化ジルコニウムナノ粒子とバインダーからなる組成物を焼成して得ることもできる。この時の焼成温度は500〜1600℃程度とすれば良い。焼成は、公知の方法で行うことができる。焼成時に焼結を促進するために圧力をかけてもかまわない。また空気中や酸素雰囲気、酸素と空気の混合雰囲気中で焼成してもよく、窒素中、アルゴン中等の不活性雰囲気で焼成してもよい。それぞれ、焼成した後の用途に応じて適切に選択することが可能である。 The ceramic material obtained from the zirconium oxide nanoparticles of the present invention can be obtained by firing the zirconium oxide nanoparticles of the present invention alone. Further, the zirconium oxide nanoparticles of the present invention can also be obtained by firing a composition containing additives such as alumina, spinel, YAG, mullite, and aluminum borate compound. Further, the composition composed of the zirconium oxide nanoparticles of the present invention and the binder can be obtained by firing. The firing temperature at this time may be about 500 to 1600 ° C. Firing can be performed by a known method. Pressure may be applied during firing to promote sintering. Further, it may be fired in air, an oxygen atmosphere, or a mixed atmosphere of oxygen and air, or may be fired in an inert atmosphere such as nitrogen or argon. Each can be appropriately selected according to the intended use after firing.
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. The present invention is not limited by the following examples, and it is of course possible to carry out the present invention with appropriate modifications within a range that can be adapted to the above-mentioned purpose, and all of them are technical of the present invention. Included in the range.
実施例で開示される物性及び特性は、以下の方法により測定した。 The physical properties and properties disclosed in the examples were measured by the following methods.
(1)結晶構造の解析
酸化ジルコニウム粒子の結晶構造は、X線回折装置(リガク社製、RINT−TTRIII)を用いて解析した。測定条件は以下の通りである。
X線源:CuKα(0.154nm)
X線出力設定:50kV、300mA
サンプリング幅:0.0200°YSZ
スキャンスピード:10.0000°/min
測定範囲:10〜75°
測定温度:25℃
(1) Analysis of Crystal Structure The crystal structure of the zirconium oxide particles was analyzed using an X-ray diffractometer (RINT-TTRIII, manufactured by Rigaku Co., Ltd.). The measurement conditions are as follows.
X-ray source: CuKα (0.154 nm)
X-ray output setting: 50kV, 300mA
Sampling width: 0.0200 ° YSZ
Scan speed: 10.000 ° / min
Measuring range: 10-75 °
Measurement temperature: 25 ° C
(2)X線回折解析による結晶子径算出
酸化ジルコニウム粒子の結晶子径は、X線回折装置(リガク社製、RINT−TTRIII)によって解析及び算出される30°のピークの半値幅を元に、計算ソフト(リガク社製、PDXL)を用いて算出した。
(2) Calculation of crystallite diameter by X-ray diffraction analysis The crystallite diameter of zirconium oxide particles is based on the half-value width of the peak of 30 ° analyzed and calculated by an X-ray diffractometer (RINT-TTRIII, manufactured by Rigaku). , Calculation software (manufactured by Rigaku, PDXL) was used for calculation.
(3)重量(質量)減少率の測定
TG−DTA(熱重量−示唆熱分析)装置により、空気雰囲気下、室温から800℃まで10℃/分で被覆された酸化ジルコニウム粒子を昇温し、該粒子の重量(質量)減少率を測定した。この重量(質量)減少率により、酸化ジルコニウム粒子を被覆しているカルボン酸の割合、及び酸化ジルコニウムの割合を知ることができる。
(3) Measurement of weight (mass) reduction rate Using a TG-DTA (thermogravimetric analysis) device, the temperature of zirconium oxide particles coated at 10 ° C./min from room temperature to 800 ° C. was raised in an air atmosphere. The weight (mass) reduction rate of the particles was measured. From this weight (mass) reduction rate, the ratio of the carboxylic acid coating the zirconium oxide particles and the ratio of the zirconium oxide can be known.
(4)蛍光X線分析
蛍光X線分析装置(ZSX PrimusII リガク社製)を用いて、被覆された酸化ジルコニウム粒子中のジルコニウム含有量、イットリウム含有量、及び遷移金属含有量を測定した。
(4) Fluorescent X-ray analysis Using a fluorescent X-ray analyzer (manufactured by ZSX PrimusII Rigaku), the zirconium content, yttrium content, and transition metal content in the coated zirconium oxide particles were measured.
(5)吸光度測定
吸光度測定は、島津製作所製UV−3100を用いて硫酸バリウムを用いた積分球での拡散反射測定を行った。測定波長は、200〜800nmを0.2nm刻みで行った。
(5) Absorbance measurement For the absorbance measurement, diffuse reflection measurement was performed with an integrating sphere using barium sulfate using UV-3100 manufactured by Shimadzu Corporation. The measurement wavelength was 200 to 800 nm in 0.2 nm increments.
実施例1
2−エチルヘキサン酸及び/又は2−エチルヘキサン酸由来のカルボキシレートで被覆された鉄含有イットリア安定化ジルコニア粒子の製造
2−エチルヘキサン酸ジルコニウムミネラルスピリット溶液(83.0g、ジルコニウム含有率12質量%、第一稀元素化学工業社製)に、2−エチルヘキサン酸イットリウム(III)(3.66g、イットリウム含有率17質量%、日本化学産業社製)と2−エチルヘキサン酸鉄(II)(0.35g、鉄含有率6質量%、和光純薬工業社製)及び純水(15.8g)を混合し、200mLの水熱合成容器に仕込んだ。この容器を190℃まで加熱し、該温度で8時間保持して反応させた。水熱合成の際の圧力は、1.4MPaG(ゲージ圧)であった。反応後の混合液を取り出し、分液して水相を取り除いたところ、ナノ粒子分散液が得られた。この溶液を減圧し、有機溶媒を除去し180℃で乾燥させることで淡黄色の被覆型鉄含有イットリア安定化ジルコニアナノ粒子を18g回収した。なお、イットリア安定化ジルコニアとは、イットリアによって結晶構造が安定化されたジルコニアを意味し、以下ではYSZと呼ぶ。
Example 1
Production of Iron-Contained Yttria Stabilized Zirconia Particles Coated with Carboxylate Derived from 2-Ethylhexanoic Acid and / or 2-Ethylhexanoic Acid 2-Zirconium Hexanoate Mineral Spirit Solution (83.0 g, Zirconium Content 12% by Mass , Daiichi Rare Element Chemical Industry Co., Ltd.), yttrium 2-ethylhexanate (III) (3.66 g, yttrium content 17% by mass, manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) and iron 2-ethylhexanate (II) ( 0.35 g, iron content 6% by mass, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and pure water (15.8 g) were mixed and charged into a 200 mL hydrothermal synthesis container. The vessel was heated to 190 ° C. and held at that temperature for 8 hours for reaction. The pressure during hydrothermal synthesis was 1.4 MPaG (gauge pressure). When the mixed solution after the reaction was taken out and separated to remove the aqueous phase, a nanoparticle dispersion solution was obtained. The solution was depressurized, the organic solvent was removed, and the mixture was dried at 180 ° C. to recover 18 g of pale yellow coated iron-containing yttria-stabilized zirconia nanoparticles. The yttria-stabilized zirconia means zirconia whose crystal structure is stabilized by yttria, and is hereinafter referred to as YSZ.
上記した「(1)結晶構造の解析」に従って被覆型鉄含有YSZナノ粒子の結晶構造を測定したところ、正方晶/単斜晶の割合が97/3であった。なお、X線回折測定では立方晶と正方晶を区別することが難しく、立方晶が存在する場合でもその割合は正方晶の割合としてカウントされる。 When the crystal structure of the coated iron-containing YSZ nanoparticles was measured according to the above-mentioned "(1) Analysis of crystal structure", the ratio of tetragonal crystals / monoclinic crystals was 97/3. In X-ray diffraction measurement, it is difficult to distinguish between cubic and tetragonal crystals, and even if cubic crystals are present, the ratio is counted as the ratio of tetragonal crystals.
上記した「(2)X線回折解析による結晶子径算出」に従って測定した被覆型鉄含有YSZ粒子の結晶子径は5nmであった。 The crystallite diameter of the coated iron-containing YSZ particles measured according to the above-mentioned "(2) Calculation of crystallite diameter by X-ray diffraction analysis" was 5 nm.
上記した「(3)重量(質量)減少率の測定」に従って測定した被覆型鉄含有YSZナノ粒子の質量減少率は、25質量%であった。従って、被覆型鉄含有YSZナノ粒子を被覆する2−エチルヘキサン酸及び/又は2−エチルヘキサン酸由来のカルボキシレートは、被覆型鉄含有YSZナノ粒子全体の25質量%であることが分かった。 The mass reduction rate of the coated iron-containing YSZ nanoparticles measured according to the above-mentioned "(3) Measurement of weight (mass) reduction rate" was 25% by mass. Therefore, it was found that the carboxylate derived from 2-ethylhexanoic acid and / or 2-ethylhexanoic acid that coats the coated iron-containing YSZ nanoparticles was 25% by mass of the total amount of the coated iron-containing YSZ nanoparticles.
また、上記「(4)蛍光X線分析」に従って測定した被覆型鉄含有YSZナノ粒子中のジルコニウム、イットリウム、鉄の重量存在比は、94:5.7:0.2であった。 The weight abundance ratio of zirconium, yttrium, and iron in the coated iron-containing YSZ nanoparticles measured according to the above "(4) Fluorescent X-ray analysis" was 94: 5.7: 0.2.
更に、得られた被覆型鉄含有YSZナノ粒子を1000℃で3時間焼成したサンプルは、図1に示す吸光度測定の結果から明らかな通り黄色を呈しており、かつ均一に呈色していた。また結晶構造を上記「(1)結晶構造の解析」に従って測定したところ、図2(a)のパターンが得られ、後述の比較例で示す正方晶のYSZ(図2(b))と同様のパターンが得られ、正方晶の割合が100%であった。なお、図2(c)は正方晶の酸化ジルコニウムのX線回折パターンである。 Further, the obtained sample obtained by calcining the coated iron-containing YSZ nanoparticles at 1000 ° C. for 3 hours was yellow as is clear from the result of the absorbance measurement shown in FIG. 1, and was uniformly colored. Further, when the crystal structure was measured according to the above "(1) Analysis of crystal structure", the pattern of FIG. 2 (a) was obtained, which was the same as the tetragonal YSZ (FIG. 2 (b)) shown in the comparative example described later. A pattern was obtained and the proportion of tetragonal crystals was 100%. Note that FIG. 2C is an X-ray diffraction pattern of tetragonal zirconium oxide.
実施例2
実施例1の2−エチルヘキサン酸鉄(II)を0.18g用いたほかは、実施例1と同様にして、淡黄色の被覆型鉄含有YSZナノ粒子18gを回収した。
Example 2
18 g of pale yellow coated iron-containing YSZ nanoparticles were recovered in the same manner as in Example 1 except that 0.18 g of iron (II) 2-ethylhexanoate of Example 1 was used.
「(1)結晶構造の解析」に従って測定した正方晶と単斜晶の割合は97/3であり、「(2)X線回折解析による結晶子径算出」に従って測定した結晶子径は5nmであった。「(4)蛍光X線分析」に従って測定した被覆型鉄含有YSZナノ粒子中のジルコニウム、イットリウム、鉄の重量存在比は、94:5.8:0.1であった。得られた被覆型鉄含有YSZナノ粒子を1000℃で3時間焼成したサンプルは、前記した実施例1よりも薄い淡黄色であり、かつ均一に呈色していた。その結晶構造は、正方晶の割合が100%であった。 The ratio of tetragonal crystals to monoclinic crystals measured according to "(1) Analysis of crystal structure" is 97/3, and the crystallite diameter measured according to "(2) Calculation of crystallite size by X-ray diffraction analysis" is 5 nm. there were. The weight abundance ratio of zirconium, yttrium, and iron in the coated iron-containing YSZ nanoparticles measured according to "(4) Fluorescent X-ray analysis" was 94: 5.8: 0.1. The obtained sample obtained by calcining the coated iron-containing YSZ nanoparticles at 1000 ° C. for 3 hours had a lighter yellow color than that of Example 1 and was uniformly colored. The crystal structure had a tetragonal proportion of 100%.
実施例3
実施例1の2−エチルヘキサン酸鉄(II)を0.7g用いたほかは、実施例1と同様にして、淡黄色の被覆型鉄含有YSZナノ粒子18gを回収した。
Example 3
18 g of pale yellow coated iron-containing YSZ nanoparticles were recovered in the same manner as in Example 1 except that 0.7 g of 2-ethylhexanoate iron (II) of Example 1 was used.
「(1)結晶構造の解析」に従って測定した正方晶と単斜晶の割合は97/3であり、「(2)X線回折解析による結晶子径算出」に従って測定した結晶子径は5nmであった。「(4)蛍光X線分析」に従って測定した被覆型鉄含有YSZナノ粒子中のジルコニウム、イットリウム、鉄の重量存在比は、94:5.7:0.4であった。得られた被覆型鉄含有YSZナノ粒子を1000℃で3時間焼成したサンプルは、前記した実施例1よりも濃い黄色であり、かつ均一に呈色していた。その結晶構造は、正方晶の割合が100%であった。 The ratio of tetragonal crystals to monoclinic crystals measured according to "(1) Analysis of crystal structure" is 97/3, and the crystallite diameter measured according to "(2) Calculation of crystallite size by X-ray diffraction analysis" is 5 nm. there were. The weight abundance ratio of zirconium, yttrium, and iron in the coated iron-containing YSZ nanoparticles measured according to "(4) Fluorescent X-ray analysis" was 94: 5.7: 0.4. The sample obtained by calcining the obtained coated iron-containing YSZ nanoparticles at 1000 ° C. for 3 hours had a deeper yellow color than that of Example 1 described above and had a uniform color. The crystal structure had a tetragonal proportion of 100%.
実施例4
実施例1の2−エチルヘキサン酸鉄(II)を1.4g用いたほかは、実施例1と同様にして、黄色の被覆型鉄含有YSZナノ粒子19gを回収した。
Example 4
19 g of yellow coated iron-containing YSZ nanoparticles were recovered in the same manner as in Example 1 except that 1.4 g of 2-ethylhexanoate iron (II) of Example 1 was used.
「(1)結晶構造の解析」に従って測定した正方晶と単斜晶の割合は97/3であり、「(2)X線回折解析による結晶子径算出」に従って測定した結晶子径は5nmであった。「(4)蛍光X線分析」に従って測定した被覆型鉄含有YSZナノ粒子中のジルコニウム、イットリウム、鉄の重量存在比は、94:5.7:0.8であった。得られた被覆型鉄含有YSZナノ粒子を1000℃で3時間焼成したサンプルは、褐色であり、かつ均一に呈色していた。 The ratio of tetragonal crystals to monoclinic crystals measured according to "(1) Analysis of crystal structure" is 97/3, and the crystallite diameter measured according to "(2) Calculation of crystallite size by X-ray diffraction analysis" is 5 nm. there were. The weight abundance ratio of zirconium, yttrium, and iron in the coated iron-containing YSZ nanoparticles measured according to "(4) Fluorescent X-ray analysis" was 94: 5.7: 0.8. The sample obtained by calcining the obtained coated iron-containing YSZ nanoparticles at 1000 ° C. for 3 hours was brown and uniformly colored.
実施例5
実施例1の2−エチルヘキサン酸鉄(II)を2.8g用いたほかは、実施例1と同様にして、褐色の被覆型鉄含有YSZナノ粒子19gを回収した。
Example 5
19 g of brown coated iron-containing YSZ nanoparticles were recovered in the same manner as in Example 1 except that 2.8 g of 2-ethylhexanoate iron (II) of Example 1 was used.
「(1)結晶構造の解析」に従って測定した正方晶と単斜晶の割合は97/3であり、「(2)X線回折解析による結晶子径算出」に従って測定した結晶子径は5nmであった。「(4)蛍光X線分析」に従って測定した被覆型鉄含有YSZナノ粒子中のジルコニウム、イットリウム、鉄の重量存在比は、94:5.6:1.5であった。得られた被覆型鉄含有YSZナノ粒子を1000℃で3時間焼成したサンプルは、褐色であり、かつ均一に呈色していた。 The ratio of tetragonal crystals to monoclinic crystals measured according to "(1) Analysis of crystal structure" is 97/3, and the crystallite diameter measured according to "(2) Calculation of crystallite size by X-ray diffraction analysis" is 5 nm. there were. The weight abundance ratio of zirconium, yttrium, and iron in the coated iron-containing YSZ nanoparticles measured according to "(4) Fluorescent X-ray analysis" was 94: 5.6: 1.5. The sample obtained by calcining the obtained coated iron-containing YSZ nanoparticles at 1000 ° C. for 3 hours was brown and uniformly colored.
実施例6
実施例1の2−エチルヘキサン酸鉄(II)の代わりに、2−エチルヘキサン酸コバルト(II)(Aldrich社製、65%ミネラルスピリット溶液)を0.2g用いたほかは、実施例1と同様にして、褐色の被覆型コバルト含有YSZナノ粒子18gを回収した。
Example 6
Example 1 and Example 1 except that 0.2 g of cobalt 2-ethylhexanoate (II) (manufactured by Aldrich, 65% mineral spirit solution) was used instead of iron (II) 2-ethylhexanoate in Example 1. Similarly, 18 g of brown coated cobalt-containing YSZ nanoparticles were recovered.
「(1)結晶構造の解析」に従って測定した正方晶と単斜晶の割合は97/3であり、「(2)X線回折解析による結晶子径算出」に従って測定した結晶子径は5nmであった。「(4)蛍光X線分析」に従って測定した被覆型コバルト含有YSZナノ粒子中のジルコニウム、イットリウム、コバルトの重量存在比は、94:5.7:0.2であった。得られた被覆型コバルト含有YSZナノ粒子を1000℃で3時間焼成したサンプルの吸光度測定結果は図1に示す通りであり、サンプルの色は灰色であり、かつ均一に呈色していた。その結晶構造は、正方晶の割合が100%であった。 The ratio of tetragonal crystals to monoclinic crystals measured according to "(1) Analysis of crystal structure" is 97/3, and the crystallite diameter measured according to "(2) Calculation of crystallite size by X-ray diffraction analysis" is 5 nm. there were. The weight abundance ratio of zirconium, yttrium, and cobalt in the coated cobalt-containing YSZ nanoparticles measured according to "(4) Fluorescent X-ray analysis" was 94: 5.7: 0.2. The absorbance measurement results of the obtained coated cobalt-containing YSZ nanoparticles calcined at 1000 ° C. for 3 hours were as shown in FIG. 1, and the color of the sample was gray and uniformly colored. The crystal structure had a tetragonal proportion of 100%.
実施例7
実施例1の2−エチルヘキサン酸鉄(II)の代わりに、2−エチルヘキサン酸マンガン(日本化学産業社製、商品名ニッカオクチックスマンガン8%)を0.3g用いたほかは、実施例1と同様にして、紫色の被覆型マンガン含有YSZナノ粒子18gを回収した。
Example 7
Examples except that 0.3 g of manganese 2-ethylhexanoate (manufactured by Nippon Kagaku Sangyo Co., Ltd., trade name: Nikkaoctix manganese 8%) was used instead of iron (II) 2-ethylhexanoate in Example 1. In the same manner as in 1, 18 g of purple coated manganese-containing YSZ nanoparticles were recovered.
「(1)結晶構造の解析」に従って測定した正方晶と単斜晶の割合は97/3であり、「(2)X線回折解析による結晶子径算出」に従って測定した結晶子径は5nmであった。「(4)蛍光X線分析」に従って測定した被覆型マンガン含有YSZナノ粒子中のジルコニウム、イットリウム、マンガンの重量存在比は、94:5.7:0.2であった。得られた被覆型マンガン含有YSZナノ粒子を1000℃で3時間焼成したサンプルの吸光度測定結果は図1に示す通りであり、サンプルの色は灰色であり、かつ均一に呈色していた。その結晶構造は、正方晶の割合が100%であった。 The ratio of tetragonal crystals to monoclinic crystals measured according to "(1) Analysis of crystal structure" is 97/3, and the crystallite diameter measured according to "(2) Calculation of crystallite size by X-ray diffraction analysis" is 5 nm. there were. The weight abundance ratio of zirconium, yttrium, and manganese in the coated manganese-containing YSZ nanoparticles measured according to "(4) X-ray fluorescence analysis" was 94: 5.7: 0.2. The absorbance measurement results of the obtained coated manganese-containing YSZ nanoparticles calcined at 1000 ° C. for 3 hours were as shown in FIG. 1, and the color of the sample was gray and uniformly colored. The crystal structure had a tetragonal proportion of 100%.
実施例8
実施例1の2−エチルヘキサン酸鉄(II)の代わりに、2−エチルヘキサン酸ニッケル(日本化学産業社製、商品名ニッカオクチックスニッケル10%)を0.2g用いたほかは、実施例1と同様にして、淡黄色の被覆型ニッケル含有YSZナノ粒子18gを回収した。
Example 8
Examples except that 0.2 g of nickel 2-ethylhexanoate (manufactured by Nippon Kagaku Sangyo Co., Ltd., trade name:
「(1)結晶構造の解析」に従って測定した正方晶と単斜晶の割合は97/3であり、「(2)X線回折解析による結晶子径算出」に従って測定した結晶子径は5nmであった。「(4)蛍光X線分析」に従って測定した被覆型ニッケル含有YSZナノ粒子中のジルコニウム、イットリウム、ニッケルの重量存在比は、94:5.8:0.2であった。得られた被覆型ニッケル含有YSZナノ粒子を1000℃で3時間焼成したサンプルの吸光度測定結果は図1に示す通りであり、サンプルの色は淡黄色であり、かつ均一に呈色していた。その結晶構造は、正方晶の割合が100%であった。 The ratio of tetragonal crystals to monoclinic crystals measured according to "(1) Analysis of crystal structure" is 97/3, and the crystallite diameter measured according to "(2) Calculation of crystallite size by X-ray diffraction analysis" is 5 nm. there were. The weight abundance ratio of zirconium, yttrium, and nickel in the coated nickel-containing YSZ nanoparticles measured according to "(4) X-ray fluorescence analysis" was 94: 5.8: 0.2. The absorbance measurement results of the obtained sample obtained by calcining the coated nickel-containing YSZ nanoparticles at 1000 ° C. for 3 hours were as shown in FIG. 1, and the color of the sample was pale yellow and uniformly colored. The crystal structure had a tetragonal proportion of 100%.
実施例9
実施例1の2−エチルヘキサン酸鉄(II)の代わりに、ネオデカン酸銅(日本化学産業社製、商品名ネオデカン酸銅5%)を0.5g用いたほかは、実施例1と同様にして、緑色の被覆型銅含有YSZナノ粒子18gを回収した。
Example 9
Same as in Example 1 except that 0.5 g of copper neodecanoate (manufactured by Nippon Kagaku Sangyo Co., Ltd., trade name: copper neodecanoate 5%) was used instead of iron (II) 2-ethylhexanoate in Example 1. Then, 18 g of green coated copper-containing YSZ nanoparticles were recovered.
「(1)結晶構造の解析」に従って測定した正方晶と単斜晶の割合は97/3であり、「(2)X線回折解析による結晶子径算出」に従って測定した結晶子径は5nmであった。「(4)蛍光X線分析」に従って測定した被覆型銅含有YSZナノ粒子中のジルコニウム、イットリウム、銅の重量存在比は、94:5.7:0.2であった。得られた被覆型コバルト含有YSZナノ粒子を1000℃で3時間焼成したサンプルの吸光度測定結果は図1に示す通りであり、サンプルの色は緑色であり、かつ均一に呈色していた。その結晶構造は、正方晶の割合が100%であった。 The ratio of tetragonal crystals to monoclinic crystals measured according to "(1) Analysis of crystal structure" is 97/3, and the crystallite diameter measured according to "(2) Calculation of crystallite size by X-ray diffraction analysis" is 5 nm. there were. The weight abundance ratio of zirconium, yttrium, and copper in the coated copper-containing YSZ nanoparticles measured according to "(4) Fluorescent X-ray analysis" was 94: 5.7: 0.2. The absorbance measurement results of the obtained coated cobalt-containing YSZ nanoparticles calcined at 1000 ° C. for 3 hours were as shown in FIG. 1, and the color of the sample was green and uniformly colored. The crystal structure had a tetragonal proportion of 100%.
比較例1
2−エチルヘキサン酸及び/又は2−エチルヘキサン酸由来のカルボキシレートで被覆されたYSZ粒子の製造
実施例1の2−エチルヘキサン酸鉄(II)を用いない他は、実施例1と同様にして、白色の被覆型YSZナノ粒子18gを回収した。
Comparative Example 1
Production of YSZ Particles Coated with Carboxylate Derived from 2-Ethylhexanoic Acid and / or 2-Ethylhexanoic Acid Same as in Example 1 except that iron (II) 2-ethylhexanoate in Example 1 is not used. Then, 18 g of white coated YSZ nanoparticles were recovered.
上記した「(3)重量(質量)減少率の測定」に従って測定した被覆型YSZナノ粒子の質量減少率は、25質量%であった。従って、被覆型YSZナノ粒子を被覆する2−エチルヘキサン酸及び/又は2−エチルヘキサン酸由来のカルボキシレートは、被覆型YSZナノ粒子全体の25質量%であることが分かった。 The mass reduction rate of the coated YSZ nanoparticles measured according to the above-mentioned "(3) Measurement of weight (mass) reduction rate" was 25% by mass. Therefore, it was found that the carboxylate derived from 2-ethylhexanoic acid and / or 2-ethylhexanoic acid that coats the coated YSZ nanoparticles was 25% by mass of the total amount of the coated YSZ nanoparticles.
上記した「(1)結晶構造の解析」に従って被覆型YSZナノ粒子の結晶構造を測定したところ、正方晶/単斜晶の割合が97/3であった。 When the crystal structure of the coated YSZ nanoparticles was measured according to the above-mentioned "(1) Analysis of crystal structure", the ratio of tetragonal / monoclinic crystals was 97/3.
また、上記「(4)蛍光X線分析」に従って測定した被覆型鉄含有YSZナノ粒子中のジルコニウム、イットリウムの重量存在比は、94:5.8であった。 The weight abundance ratio of zirconium and yttrium in the coated iron-containing YSZ nanoparticles measured according to the above "(4) Fluorescent X-ray analysis" was 94: 5.8.
更に、得られた被覆型YSZナノ粒子を1000℃で焼成したサンプルは、白色を呈しており、その結晶構造を上記「(1)結晶構造の解析」に従って測定したところ、正方晶の割合が100%であった。 Further, the obtained coated YSZ nanoparticles fired at 1000 ° C. had a white color, and the crystal structure thereof was measured according to the above "(1) Analysis of crystal structure". As a result, the ratio of tetragonal crystals was 100. %Met.
Claims (6)
前記酸化ジルコニウムナノ粒子は、イットリウムを含有すると共に、希土類元素以外の遷移金属の少なくとも1種を含有する酸化ジルコニウムナノ粒子。 Zirconium oxide nanoparticles coated with carboxylic acid
The zirconium oxide nanoparticles are zirconium oxide nanoparticles containing yttrium and at least one of a transition metal other than a rare earth element.
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