微粒状氧化钛及其制造方法

文档序号:3432002阅读:307来源:国知局
专利名称:微粒状氧化钛及其制造方法
与相关申请的关系本专利申请,是根据美国法典第119条(e)项(1)的规定主张按照美国法典第35卷第111条(b)的规定,于1999年9月15日提交的临时专利申请第60/232,852号的申请日,基于美国法典第35卷第111条(a)项的专利申请。
氧化钛具有板钛矿、锐钛矿和金红石的三种结晶形态,其中,锐钛矿型和金红石型氧化钛在工业上特别重要。可是,金红石的能带间隔(相当于激发能量)比锐钛矿的小(光的吸收波长区域也比锐钛矿的波长要长),因此优选将金红石用于紫外线屏蔽方面的用途。然而,在实际的紫外线屏蔽用途中,除了吸收紫外线的效果之外,还包含与粒径有关的对紫外线的散射效果,因此必须采取对策。
最近有文献报导,氧化钛能吸收约400nm或以下的紫外线并因此激发了最外层的电子,由此而产生的电子和空穴到达粒子表面上,在表面处与氧或水化合而产生各种各样的自由基,从而具有分解存在于粒子表面附近的有机物的作用。因此,在将氧化钛应用到化妆品等的情况下,一般都广泛地尝试对微粒状,特别是超微粒状的氧化钛表面进行表面处理。
另外,为了利用由氧化钛的光激发引起的光催化反应,可以使用微粒状的氧化钛。另外,在为了使散射紫外线的目的而使用氧化钛的情况下,可以使用一次粒径为80nm的超微粒状的氧化钛。一般来说,超微粒子的一次粒径是不明确的,但通常是指粒径在0.1μm或以下的微粒子。
氧化钛的制造方法大体上分为液相法和气相法两大类,液相法是使四氯化钛或硫酸氧钛在亲水性溶剂中进行水解反应,而气相法则是首先使四氯化钛那样的挥发性原料气化,然后使其与氧或水蒸汽那样的氧化性气体反应。在使用气相法时虽然也可获得超微粒状的氧化钛,但是只能获得以锐钛矿为主相的氧化钛。因此,传统上都是使用液相法来获得具有金红石结构的超微粒状氧化钛。
利用液相法制得的氧化钛粉末,一般都存在激烈地凝聚的缺点。因此,在将氧化钛用于化妆品等的情况下,必须将氧化钛强烈地破碎或粉碎,由此则会引起在粉碎等处理的过程中混入的磨损物、粒度分布不均匀,触感不良等的问题。
迄今为止已经有人提出了几种制造金红石含量高的氧化钛的方法。例如在特开平3-252315号公报中公开了一种在气相反应中通过改变氢气在氢氧混合气中的比率来调整金红石的含量比的制造方法和一种通过将氢气浓度调整到15-17体积%的范围内来制造金红石的含量比在99%或以上的高纯度氧化钛的制造方法。另外,在特开平6-340423号公报中公开了一种通过将混合气体中的四氯化钛、氢和氧的摩尔比调整到特定混合比的范围内来制造金红石含量高的氧化钛(金红石含量为85重量%到90重量%)的制造方法。
另外,即便是在利用气相法制造的氧化钛的情况下,按照传统的气相法虽然可以获得超微粒状的氧化钛,但是只能获得粒子长大了的氧化钛,因此,为了获得微粒状,特别是超微粒状的氧化钛,必须将氧化钛强烈地破碎或粉碎,从而存在与液相法的情况同样的问题。进一步,对于金红石含量高的氧化钛来说,虽然称得上是超微粒状的氧化钛,但是比表面积不充分,因此,从以化妆品为首的各种用途所要求的分散性的观点考虑,这种金红石含量高的氧化钛是不够理想的。
本发明的另一个目的在于提供一种制造所说微粒状、特别是超微粒状的金红石含量高的氧化钛的方法。
本发明者们为了达到上述目的进行了深入研究,结果发现在气相法中,用惰性气体将四氯化钛稀释,然后对该四氯化钛的稀释气体与氧化性气体分别进行预热,以特定流速将其供入反应管中并在特定的高温滞留时间内使其反应,可得到金红石的含量高、而且具有高BET比表面积的特定性能的微粒状、特别是超微粒状的金红石含量高的氧化钛,由此完成了本发明。
也就是说,本发明涉及下述的技术方案[1]-[10]。一种微粒状氧化钛,它是按照气相法制造的含有金红石结晶的混晶类氧化钛,其特征在于,该氧化钛具有由下述通式表示的特性,R≥1300×B-0.95(式中,R表示用X射线衍射法测定的金红石含有率(%);B表示BET比表面积(m2/g),其范围是15-200m2/g)。如上述第1项所述的微粒状氧化钛,其特征在于,用B表示BET比表面积为40-200m2/g。如上述第1或第2项所述的微粒状氧化钛,其特征在于该氧化钛的用激光衍射粒度分布测定法测定的90%累计重量粒度分布粒径D90在2.5μm或以下。如上述第1-3项的任一项中所述的微粒状氧化钛,其特征在于该氧化钛的按罗辛一拉姆尔公式求得的分布常数n在1.5或以上。一种微粒状氧化钛的制造方法,该方法是通过将用惰性气体将四氯化钛稀释至10-90体积%的四氯化钛稀释气体,用含有氧气或水蒸汽或它们的混合气体的氧化性气体进行高温氧化来制造氧化钛的气相法,其特征在于将预热到900℃或以上的四氯化钛稀释气体和氧化性气体分别以20m/秒或以上的流速供入反应管中,按照超过700℃的高温滞留时间在3秒或以下的条件进行反应。如上述第5项所述的微粒状氧化钛的制造方法,其特征在于使用惰性气体将四氯化钛稀释到20-80体积%的四氯化钛稀释气体。如上述第5或第6项所述的微粒状氧化钛的制造方法,其特征在于将四氯化钛稀释气体和氧化性气体分别预热至1000℃或以上的温度。如上述第5-7项的任一项中所述的微粒状氧化钛的制造方法,其特征在于,将四氯化钛稀释气体和氧化性气体用同轴平行流喷嘴供入反应管内,而且该同轴平等流喷嘴的内管的内径在50mm或以下。一种微粒状氧化钛,其特征在于它是按照上述第5-8项的任一项中所述的微粒状氧化钛的制造方法制成的。一种氧化钛组合物,其特征在于含有上述第1-4项和第9项的任一项中所述的微粒状氧化钛。
对附图的简单说明

图1是超微粒子氧化钛的金红石含有率对BET比表面积的关系图,其中还示出了本发明的超微粒状含金红石氧化钛的特性范围。
图2是表示在实施例中使用的具有同轴平行流喷嘴的反应管的概略模式图。
本发明的最佳实施方案本发明涉及一种以四氯化钛作为原料按照气相法制造的含有金红石结晶的混晶类氧化钛(简称含金红石氧化钛),其特征在于该含金红石氧化钛具有由下述式(1)表示的特性R≥1300×B-0.95式中,R表示用X射线衍射法测定的金红石含有率(%);B表示BET比表面积(m2/g),其范围是15-200m2/g)。也就是说,本发明的微粒状、特别是超微粒状的含金红石氧化钛是一种在图2中满足上述式(1)条件的含金红石氧化钛。公知的微粒状或超微粒状氧化钛,即使是含金红石的氧化钛,也是在金红石含有率对BET比表面积的关系中具有处于曲线R≥1300×B-0.95的下部图示区域特性的含金红石氧化钛。
本发明的含金红石氧化钛是一种满足式(1)的特性,为微粒状、特别是超微粒状,其特征在于其BET比表面积范围为15-200m2/g,优选40-200m2/g。
另外,本发明的微粒状含金红石氧化钛优选是其粒径小而且其粒度分布窄的,在本发明中,作为分散性指标,采用激光衍射粒度分布测定法测定了粒度分布。下面说明粒度分布的测定步骤。
向氧化钛0.05g中加入纯水50ml和10%的六偏磷酸钠水溶液100μl以形成浆液,用超声波对此浆液照射3分钟(46KHz,65W)。用激光衍射式粒度分布测定装置((株)岛津制作所制SALD-2000J)测定上述浆液中的粒度分布。在如此测定的粒度分布中,90%累计重量粒度分布的粒经D90的值越小,则可判断它在亲水性溶剂中的分散性越好。
本发明的微粒状氧化钛具有优良的粒度分布均一性。在本发明中,关于粒度分布的均一性是用罗辛-拉姆尔(Rosin-Rammler)公式,用其分布常数n来规定。下面对罗辛-拉姆尔公式进行简单的说明,其详细内容记载于《陶瓷工学手册》((社)日本陶瓷协会编,第1版,第596-598页)中。
罗辛-拉姆尔公式以下述式(2)表示R=100exp(-bDn)(2)式中,D表示粒径,R表示粒径大于D的粒子数相对于全部粒子数的百分率,n为分布常数。
此处,如果令b=1/Den,则式(2)可以改写为
R=100exp {-(D/De)n}(3)其中,De称为粒度特性数,n是称为分布常数的常数。在式(2)中的常数b是根据粒度特性数De和分布常数n按照上式(b=1/Den)导出的常数,其中,粒度特性数De是相对于当筛上物为36.8%(R=1/e=0.368)的粒径。
由上述式(2)或式(3)可以导出下述式(4)。
log{log(100/R)}=nlogD+C (4)式中的C表示常数。在根据上述式(4),以logD作为x轴的刻度,以log{log(100/R)}作为Y轴的刻度的罗辛-拉姆尔(RR)线图中,将二者的关系作图时大体上为直线状。该直线的斜率(n)表示粒度均一性的程度,n的数值越大,可以判断为粒度分布的均一性越好。
本发明的微粒状氧化钛优选是其90%累计重量粒度分布的粒径D90在2.5μm或以下,由罗辛-拉姆尔公式获得的分布常数n优选在1.5或以上。
本发明的微粒状氧化钛可作为各种组合物的颜料或具有光催化效果的粒子成分而含有,具体地说,可以作为化妆品、衣料、紫外线屏蔽材料和硅橡胶等各种制品的添加剂使用。
下面参照附图来说明本发明的微粒状氧化钛的制造方法。图1是在按照气相法制造本发明的微粒状氧化钛时使用的具有同轴平等流喷嘴的反应管的概略模式图。用预热器2把含有四氯化钛的气体预热至规定的温度,然后将其通过同轴平行流喷嘴部1的内管导入反应管3中。另外,在本发明中,各预热器2的温度也可以各不相同。用预热器2把氧化性气体预热至规定温度,然后将其通过同轴平行流喷嘴部1的外管导入反应管3中。导入到反应管内的气体在混合反应后用冷却气体将其急冷,然后将其送往袋式过滤器4以捕集其中的微粒状氧化钛。
利用气相法来制造一般的氧化钛的制造方法是公知的,该方法是利用氧或水蒸汽这样的氧化性气体在约1000℃的反应条件下将四氯化钛氧化,得到微粒状氧化钛。
在气相法中的粒子生长机理大体上分为两类,其中,一类是CVD(化学的气相生长),还有一类是通过粒子的碰撞(合体)或通过烧结生长。为了获得符合本发明目的的微粒状、特别是超微粒状的氧化钛,任何一种情况下的生长时间(生长区域)都必须缩短。也就是说,在前者的生长中,可以通过提高预热温度来提高化学反应性(反应速度)等措施来抑制粒子的生长。在后者的生长中,可以通过在CVD结束之后采取迅速冷却、稀释等的措施来尽量减小高温带滞留时间,来抑制由于烧结等导致的粒子的生长。
另一方面,如果要获得金红石含有率高的粒子,为了促进由锐钛矿型向金红石型的热转变,就需要有充分的高温滞留时间。这一点是与上述的微粒子、特别是超微粒子的制造条件是相互矛盾的。因此,以往利用气相法获得的微粒子或超微粒子皆是以锐钛矿型为主相的或者是非晶质的。
在本发明中,在如上所述,通过将用惰性气体将四氯化钛稀释至90%或以下的四氯化钛稀释气体用上述氧化性气体进行高温氧化,制造氧化钛的气相法中,通过将预热至900℃或以上的四氯化钛稀释气体和氧化性气体分别地以20m/秒或以上的流速供入反应管中,按照平均滞留时间为3秒或以下的条件进行反应,得到一种在BET比表面积对金红石含有率的关系中,金红石的含有率高的微粒状、特别是超微粒状的氧化钛。
另外,在本发明中,在四氯化钛稀释气体中的四氯化钛浓度优选为10-90体积%,更优选为20-80体积%。四氯化钛的浓度如果低于10%体积,则会由于反应性低而不能提高金红石的含有率。另外,如果四氯化钛的浓度高于90%体积,则会由于粒子的碰撞、烧结所引起促进生长而不能获得所希望的微粒状、特别是超微粒状的氧化钛。
用于稀释四氯化钛的气体应该选择那些不与四氯化钛反应并且不会被氧化的气体。具体地可以举出氮气或氩气等。
四氯化钛稀释气体与氧化性气体的预热温度可以相同或不同,但优选是二者均在900℃或以上,更优选是均在1000℃或以上,特别优选为1100℃。虽然这两种气体的预热温度差越小越好,但是,如果目的预热温度低于900℃,则在喷嘴附近的反应性低,从而不能提高金红石含有率。
四氯化钛稀释气体与氧化性气体导入反应管时的流速优选在20m/秒或以上,更优选在30m/秒或以上,特别优选在50m/秒或以上。通过提高流速,可以促进两种气体的混合。如果导入温度在900℃或以上,则可以在与混合的同时使反应结束,从而增进均一核的产生,而且可以缩小反应区域(受CVD支配的生长的粒子的形成区域)。如果流速小于20m/秒,则混合不够充分,从而不能获得所需的微粒子、特别是超微粒子。另外,作为导入喷嘴,可以采用那些能够形成同轴平等流、斜交叉流、十字流等的喷嘴。
优选将预热的四氯化钛稀释气体和氧化性气体供入反应管内时,在反应管内产生湍流。另外,优选是用同轴平行流喷嘴将四氯化钛稀释气体和氧化性气体供入反应管内,而且该同轴平行流喷嘴的内管直径优选在50mm或以下。
另一方面,在原料气体被导入反应管而进行反应时,由于本反应是发热反应而导致存在一个反应温度超过1000℃的反应区。虽然多少存在一些装置的放热,但是只要不进行急冷却就会使氧化钛粒子迅速生长。因此,在本发明中,优选将超过700℃的高温滞留时间控制到3秒或以下,优选1秒或以下,特别优选0.5秒或以下,然后将其急冷。如果高温滞留时间超过3秒,则会发生粒子烧结,而不可取。
作为使反应后的氧化钛粒子急冷的手段,可以采用向反应混合物中导入大量冷空气或氮气等气体的方法,或者采用向其中喷水雾的方法等。
本发明的微粒状氧化钛,特别是超微粒状氧化钛,由于其粒度分布窄,并且在水性溶剂中的分散性优良,因此适合在化妆品和衣料等领域中作为紫外线的屏蔽材料使用。因此,通过将本发明的微粒状氧化钛与在这些领域中使用的公知的载体,添加剂等混合,便通能获得可作为紫外线屏蔽材料使用的组合物。
得到的氧化钛微粒子是一种BET比表面积为20m2/g,金红石含有比率(也称金红石含有率)为92%的微粒子。其中,BET比表面积是用岛津制作所制的比表面积测定装置(机种フロソブII,2300)测得的结果,金红石的含有比率是用X射线分析并根据与金红石型结晶对应的峰面积(简称Sr)和与锐钛矿型结晶对应的峰面积(简称Sa)算出的比率(=100×Sr/(Sr+Sa))。上述的金红石含有率要比将比表面积20m2/g代入式(1)时算出的数值大得多。
此外,对于如此得到的氧化钛微粒子的粒度分布用激光衍射式粒度分布测定法测得的90%累计重量粒度分布粒径D90为1.2μm,而罗辛-拉姆尔公式中的n值为2.3。
另外,n值是通过把在激光衍射中获得的三点数据D10、D50、D90分别作为RR线图中的R=90%、50%、10%制图,然后根据这3点形成的近似直线求出n值。(实施例2)把用6Nm3/小时的氮气将8.3Nm3/小时的气体四氯化钛稀释而成的四氯化钛稀释气体预热至1100℃,并把由4Nm3/小时的氧气与15Nm3/小时的水蒸汽混合而成的氧化性气体预热至1100℃,使用如图2所示的反应装置将这些原料气通过同轴平行流喷嘴分别以流速35m/秒和50m/秒导入石英玻璃制的反应器中。以使超过700℃的高温滞留时间为0.2秒的方式向反应管中导入冷却空气,然后用聚四氟乙烯制的袋式过滤器捕集氧化钛的微粒子粉末。
得到的氧化钛微粒子是一种BET比表面积为55m2/g,金红石含有率为45%的微粒子。该金红石的含有率要比将比表面55m2/g代入式(1)时算出的数值大得多。对于该粉末用激光衍射式粒度分布测定法测得的粒度分布中的90%累计重量粒度分布粒径D90为1.4μm,在罗辛-拉姆尔公式中的n值为2.0。(实施例3)把用16Nm3/小时的氮气将4.7Nm3/小时的气体四氯化钛稀释而成的四氯化钛稀释气体预热至1100℃,并把由20Nm3/小时的空气与25Nm3/小时的水蒸汽混合而成的氧化性气体预热至1000℃,使用如图2所示的反应装置将这些原料气通过同轴平行流喷嘴分别以流速45m/秒和60m/秒导入石英玻璃制的反应器中。以使超过700℃的高温滞留时间为0.2秒的方式向反应管中导入冷却空气,然后用聚四氟乙烯制的袋式过滤器捕集氧化钛的微粒子粉末。
得到的氧化钛微粒子是一种BET比表面积为115m2/g,金红石含有率为20%的微粒子。该金红石的含有率要比将比表面积115m2/g代入通式(1)时算出的数值大得多。另外,对于该粉末用激光衍射式粒度分布测定法测得的粒度分布中的90%累计重量粒度分布粒径D90为2.1μm,在罗辛-拉姆尔公式中的n值为1.8。(比较例1)把用6Nm3/小时的氮气将8.3Nm3/小时的气体四氯化钛稀释而成的四氯化钛稀释所体预热至800℃,并把由4Nm3/小时的氧气与15Nm3/小时的水蒸汽混合而成的氧化性气体预热至900℃,使用如图2所示的反应装置将这些原料气通过同轴平行流喷嘴分别以流速35m/秒和50m/秒导入石英玻璃制的反应器中,以使超过700℃的高温滞留时间为0.3秒的方式向反应管中导入冷却空气,然后用聚四氟乙烯制的袋式过滤器捕集氧化钛的微粒子粉末。
得到的氧化钛微粒子是一种BET比表面积为21m2/g,金红石含有率为26%的微粒子。该金红石的含有率要比将比表面积21m2/g代入通式(1)时算出的数值小得多。另外对于该粉末用激光衍射式粒度分布测定法测得的粒度分布中的90%累计重量粒度分布粒径D90为2.9μm,在罗辛-拉姆尔公式中的n值为1.8。(比较例2)在对日本アエロジル株式会社制的超微粉氧化钛P-25进行分析时测得,其比表面积为54m2/g,其金红石含有率为15%。该金红石含有率要比将比表面积54m2/g代入通式(1)时算出的数值还小。另外,对于该粉末用激光衍射式粒度分布测定法测得的粒度分布中的90%累计重量粒度分布粒径D90为3.1μm,在罗辛-拉姆尔公式中的为1.4。
在对出光兴产株式会社制的超微粉氧化钛IT-S进行分析时测得,其比表面积为108m2/g,其金红石含有率为0%(非晶质)。将比表面积108m2/g代入式(1)时算出的值约为16%。对于该粉末的粒度分布,使用激光衍射式粒度分布测定法测定的结果表明,其90%累计重量粒度分布粒径D90为6.3μm,在罗辛-拉姆尔公式中的n值为1.8。工业应用领域本发明的微粒状,特别是超微粒状的氧化钛,在BET比表面积(B)对金红石含有率(R)的相关关系中满足上述式(1)的条件。另外,按照本发明的制造方法制得的微粒状的含金红石氧化钛,与具有同等BET比表面积的其他氧化钛相比,其金红石含有率要高得多,而且其分散性特别优良。
另外,具有如此特性的超微粒子氧化钛在按激光衍射式粒度分布测定法测得的90%累计重量粒度分布粒径D90优选在2.5μm或以下,而根据罗辛-拉姆尔公式得到的分布常数n优选在1.5或以上。
具有本发明特性的微粒状氧化钛适合在化妆品或衣料等领域中作为紫外线屏蔽材料使用。特别是其粒度分布窄,并且它在水性溶剂中的分散性优良,因此不需要破碎工序等,只需要极轻微的设备就可以了,在工业上具有非常大的实用价值。
在不脱离本发明的实质性特征的条件下,也可以按其他的特定的实施方案来实施本发明。因此,本实施方案的所有方面皆是示例性的而不是限定性的,本发明的范围与其说是上述说明的范围倒不如说是由所附的权利要求书所限定,因此,只要落入与权利要求范围同等的范围内,所有的各种变更均应认为是包含在本发明之内。
权利要求
1.一种微粒状氧化钛,它是按照气相法制造的含有金红石结晶的混晶类氧化钛,其特征在于该氧化钛具有由下述通式表示的特性,R≥1300×B-0.95式中,R表示用X射线衍射法测定的金红石含有率(%);B表示BET比表面积(m2/g),其范围是15-200m2/g。
2.如权利要求1所述的微粒状氧化钛,其特征在于用B表示BET比表面积为40-200m2/g。
3.如权利要求1或2所述的微粒状氧化钛,其特征在于该氧化钛按激光衍射粒度分布测定法测定的90%累计重量粒度分布粒径D90为2.5μm或以下。
4.如权利要求1-3的任一项中所述的微粒状氧化钛,其特征在于该氧化钛按罗辛-拉姆尔公式求得的分布常数n在1.5或以上。
5.一种微粒状氧化钛的制造方法,该方法是通过将用惰性气体将四氯化钛稀释至10-90体积%的四氯化钛稀释气体,用含有氧气或水蒸汽或它们的混合气体的氧化性气体进行高温氧化来制造氧化钛的气相法,其特征在于将预热到900℃或以上的四氯化钛稀释气体和氧化性气体分别以20m/秒或以上的流速供入反应管中,按照超过700℃的高温滞留时间在3秒或以下的条件进行反应。
6.如权利要求5所述的微粒状氧化钛的制造方法,其特征在于使用惰性气体将四氯化钛稀释到20-80体积%的四氯化钛稀释气体。
7.如权利要求5或6所述的微粒状氧化钛的制造方法,其特征在于将四氯化钛稀释气体和氧化性气体分别预热至1000℃或以上的温度。
8.如权利要求5-7的任一项中所述的微粒状氧化钛的制造方法,其特征在于将四氯化钛稀释气体和氧化性气体用同轴平行流喷嘴供入反应管内,而且该同轴平等流喷嘴的内管的内径在50mm或以下。
9.一种微粒状氧化钛,其特征在于它是按照权利要求5-8的任一项中所述的微粒状氧化钛的制造方法制成的。
10.一种氧化钛组合物,其特征在于其中含有在权利要求1-4和9的任一项中所述的微粒状氧化钛。
全文摘要
本发明提供了微粒状氧化钛及其制造方法。该微粒状氧化钛是按照气相法制造的含有金红石结晶的混晶类氧化钛,该氧化钛具有由下述通式表示的特性,R≥1300×B
文档编号C01G23/07GK1373738SQ00812757
公开日2002年10月9日 申请日期2000年9月27日 优先权日1999年9月27日
发明者田中淳, 鹿山进, 山谷勇登 申请人:昭和电工株式会社
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