JP2014201451A - Titania nanoparticle, dispersion liquid thereof, and titania paste using the titania nanoparticle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、チタニアナノ粒子及びその分散液、並びに該チタニアナノ粒子を用いたチタニアペーストに関する。 The present invention relates to titania nanoparticles, a dispersion thereof, and a titania paste using the titania nanoparticles.
チタニア(酸化チタン)は光触媒として、有害物質や汚れの分解、親水化膜として利用されているほか、水素や酸素の合成、防食、樹脂添加剤、色素増感太陽電池の負極、人工光合成等様々な応用が考えられている。硫酸チタニルを原料とする湿式法や四塩化チタンを原料とする気相法で合成されたチタニアが一般的であり、パウダーとして販売されている。 Titania (titanium oxide) is used as a photocatalyst for decomposing toxic substances and dirt, and as a hydrophilic film, as well as various hydrogen and oxygen synthesis, anticorrosion, resin additives, negative electrodes for dye-sensitized solar cells, artificial photosynthesis, etc. Application is considered. Titania synthesized by a wet method using titanyl sulfate as a raw material or a gas phase method using titanium tetrachloride as a raw material is common and is sold as a powder.
しかしながら、これらの光触媒用チタニアについては分散性が不十分であり、水やアルコール中では凝集してしまい、均一に塗布しにくいという問題点がある
一方、有機系の分散剤を用いた場合は、チタニア表面の活性が損なわれるという問題点がある。また硝酸や塩酸等の無機強酸を用いて分散した場合は、分散性は向上するが酸の揮発により周辺の装置を腐食してしまうという問題がある。
However, these photocatalytic titanias are insufficiently dispersible and agglomerate in water or alcohol, which is difficult to apply uniformly. On the other hand, when an organic dispersant is used, There is a problem that the activity of the titania surface is impaired. Further, when dispersed using a strong inorganic acid such as nitric acid or hydrochloric acid, the dispersibility is improved, but there is a problem that the surrounding apparatus is corroded by the volatilization of the acid.
また、色素増感太陽電池等に用いる場合には分散剤を使用した後高温での焼成を行うため分散剤が分解されるが、市販の光触媒用チタニアは透明性が不足し光の散乱過剰によりエネルギーをロスし十分な性能が得られない(光触媒用チタニアは強固に凝集した状態であり、分散剤を入れても凝集を避けられない)という問題がある。 In addition, when used in dye-sensitized solar cells, etc., the dispersant is decomposed because it is fired at a high temperature after using the dispersant, but commercially available titania for photocatalyst is insufficient in transparency and excessive light scattering. There is a problem that energy is lost and sufficient performance cannot be obtained (titania for photocatalyst is in a strongly aggregated state, and aggregation cannot be avoided even if a dispersant is added).
また、チタンアルコキシド等のチタン源と硝酸や塩酸等の無機強酸を用いて水熱合成反応を行う方法(非特許文献1等)もあるが、工業的には排水の問題や反応器の腐食の問題が起こる恐れがあるため、硝酸や塩酸を用いることができない場合が多い。また、非特許文献1の方法では、結晶化が速く、粒子形成が完了してしまい、粒径が飽和するため、反応時間を延ばしても、温度を上げても、粒径があまり大きくならない。特にスケールアップ時に粒径制御が困難であるという課題もある。 There is also a method of hydrothermal synthesis reaction using a titanium source such as titanium alkoxide and an inorganic strong acid such as nitric acid or hydrochloric acid (Non-Patent Document 1 etc.). In many cases, nitric acid or hydrochloric acid cannot be used because problems may occur. In the method of Non-Patent Document 1, crystallization is fast, particle formation is completed, and the particle size is saturated. Therefore, even if the reaction time is extended or the temperature is increased, the particle size is not so large. In particular, there is a problem that it is difficult to control the particle size during scale-up.
そこで、本発明は、分散性がきわめて良好でチタニアナノ粒子を、無機強酸や有機分散剤等を用いずに提供し、且つチタニアナノ粒子の粒径を制御することを目的とする。また、無機強酸や有機分散剤等を用いずに透明性の高い分散液やチタニアペーストを簡易に得ることも目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide titania nanoparticles having extremely good dispersibility without using a strong inorganic acid, an organic dispersant, or the like, and to control the particle size of the titania nanoparticles. Another object of the present invention is to easily obtain a highly transparent dispersion or titania paste without using a strong inorganic acid or organic dispersant.
上記目的を鑑み、鋭意検討した結果、本発明者らは、有機酸を特定量使用して水熱合成反応を行うことで、上記課題を全て解決できることを見出した。そして、さらに研究を重ね、本発明を完成させた。すなわち、本発明は、以下の構成を包含する。
項1.(A)チタンを含む物質、有機酸及び水を混合して分散液を得る工程、
(B)前記工程(A)で得られた分散液を5分以上攪拌する工程、及び
(C)前記工程(B)で得られた分散液を50℃以上で1時間以上加熱する工程
を備え、且つ、
前記工程(A)において、チタンを含む物質と有機酸との混合比率は、チタンを含む物質中のチタン1モルに対して有機酸中のカルボキシル基が2モル以上である方法により得られるチタニアナノ粒子。
項2.前記工程(A)が、有機酸と水との混合溶媒に、攪拌しながらチタンを含む物質を投入する工程である、項1に記載のチタニアナノ粒子。
項3.前記工程(C)における加熱温度が150℃以上である、項1又は2に記載のチタニアナノ粒子。
項4.前記工程(C)における加熱圧力が0.45MPa以上である、項1〜3のいずれかに記載のチタニアナノ粒子。
項5.前記工程(C)が、前記工程(B)で得られた分散液を、374℃以上の超臨界水と接触させるとともに、300℃以上で10秒以上保持する工程である、項1〜4のいずれかに記載のチタニアナノ粒子。
項6.前記チタンを含む物質がチタンアルコキシド又は水酸化チタン又はハロゲン化チタンである、項1〜5のいずれかに記載のチタニアナノ粒子。
項7.工程(A)において作製される分散液中のN、Cl及びS元素の濃度がいずれも0.01mol/L以下である、項1〜6のいずれかに記載のチタニアナノ粒子。
項8.工程(A)において作製される分散液中の無機酸の濃度が0.01mol/L以下である、項1〜7のいずれかに記載のチタニアナノ粒子。
項9.工程(A)において作製される分散液のpHが2以上6未満である、項1〜8のいずれかに記載のチタニアナノ粒子。
項10.前記有機酸が、炭素数1〜12のモノカルボン酸、炭素数2〜10のジカルボン酸、及び炭素数1〜6のヒドロキシカルボン酸よりなる群から選ばれる少なくとも1種である、項1〜9のいずれかに記載のチタニアナノ粒子。
項11.前記有機酸が酢酸である、項1〜10のいずれかに記載のチタニアナノ粒子。
項12.(A)チタンを含む物質、有機酸及び水を混合して分散液を得る工程、
(B)前記工程(A)で得られた分散液を5分以上攪拌する工程、及び
(C)前記工程(B)で得られた分散液を50℃以上で1時間以上攪拌する工程
を備え、且つ、
前記工程(A)において、チタンを含む物質と有機酸との混合比率は、チタンを含む物質中のチタン1モルに対して有機酸中のカルボキシル基が2モル以上である、チタニアナノ粒子の製造方法。
項13.水60重量%以上及び項1〜11のいずれかに記載のチタニアナノ粒子を含有する、チタニア分散液。
項14.前記有機酸とは別途有機分散剤を含有しない、項13に記載のチタニア分散液。
As a result of intensive studies in view of the above object, the present inventors have found that all of the above problems can be solved by performing a hydrothermal synthesis reaction using a specific amount of an organic acid. Then, further research was conducted to complete the present invention. That is, the present invention includes the following configurations.
Item 1. (A) A step of mixing a substance containing titanium, an organic acid and water to obtain a dispersion,
(B) a step of stirring the dispersion obtained in the step (A) for 5 minutes or more, and (C) a step of heating the dispersion obtained in the step (B) at 50 ° C. or more for 1 hour or more. ,and,
In the step (A), the mixing ratio of the substance containing titanium and the organic acid is a titania nanoparticle obtained by a method in which the carboxyl group in the organic acid is 2 moles or more with respect to 1 mole of titanium in the substance containing titanium. .
Item 2. Item 2. The titania nanoparticles according to Item 1, wherein the step (A) is a step of adding a substance containing titanium to a mixed solvent of an organic acid and water while stirring.
Item 3. Item 3. The titania nanoparticles according to Item 1 or 2, wherein the heating temperature in the step (C) is 150 ° C or higher.
Item 4. Item 4. The titania nanoparticles according to any one of Items 1 to 3, wherein the heating pressure in the step (C) is 0.45 MPa or more.
Item 5. Item 1-4 is a step in which the step (C) is a step of bringing the dispersion obtained in the step (B) into contact with supercritical water at 374 ° C or higher and holding at 300 ° C or higher for 10 seconds or longer. The titania nanoparticle according to any one of the above.
Item 6. Item 6. The titania nanoparticles according to any one of Items 1 to 5, wherein the substance containing titanium is titanium alkoxide, titanium hydroxide, or titanium halide.
Item 7. Item 7. The titania nanoparticles according to any one of Items 1 to 6, wherein the concentrations of the N, Cl, and S elements in the dispersion prepared in the step (A) are each 0.01 mol / L or less.
Item 8. Item 8. The titania nanoparticles according to any one of Items 1 to 7, wherein the concentration of the inorganic acid in the dispersion produced in the step (A) is 0.01 mol / L or less.
Item 9. Item 9. The titania nanoparticles according to any one of Items 1 to 8, wherein the dispersion prepared in the step (A) has a pH of 2 or more and less than 6.
Item 10. Item 1-9, wherein the organic acid is at least one selected from the group consisting of a monocarboxylic acid having 1 to 12 carbon atoms, a dicarboxylic acid having 2 to 10 carbon atoms, and a hydroxycarboxylic acid having 1 to 6 carbon atoms. The titania nanoparticle according to any one of the above.
Item 11. Item 11. The titania nanoparticles according to any one of Items 1 to 10, wherein the organic acid is acetic acid.
Item 12. (A) A step of mixing a substance containing titanium, an organic acid and water to obtain a dispersion,
(B) a step of stirring the dispersion obtained in the step (A) for 5 minutes or more, and (C) a step of stirring the dispersion obtained in the step (B) at 50 ° C. or more for 1 hour or more. ,and,
In the step (A), the mixing ratio of the substance containing titanium and the organic acid is such that the carboxyl group in the organic acid is 2 mol or more per 1 mol of titanium in the substance containing titanium. .
Item 13. A titania dispersion containing 60% by weight or more of water and the titania nanoparticles according to any one of Items 1 to 11.
Item 14. Item 14. The titania dispersion according to Item 13, which does not contain an organic dispersant separately from the organic acid.
本発明によれば、分散、塗布時の透明性が高いチタニアナノ粒子を、無機強酸や有機分散剤を用いずに粒径を制御して製造することができる。また、塗布時の透明性が高いチタニア分散液及びチタニアペーストを製造することができる。 According to the present invention, titania nanoparticles having high transparency during dispersion and coating can be produced by controlling the particle size without using an inorganic strong acid or an organic dispersant. Moreover, the titania dispersion liquid and titania paste with high transparency at the time of application | coating can be manufactured.
本明細書において、「酸化チタン」又は「チタニア」とは、二酸化チタン(TiO2)のみを指すものではなく、三酸化二チタン(Ti2O3);一酸化チタン(TiO);Ti4O7、Ti5O9等に代表される二酸化チタンから酸素欠損した組成のもの等も含む。また、末端OH基やCOOH基に代表されるように一部酸化チタンの合成に起因するTi−O−Ti以外の基を含んでいてもよい。 In this specification, “titanium oxide” or “titania” does not only refer to titanium dioxide (TiO 2 ) but also titanium dioxide (Ti 2 O 3 ); titanium monoxide (TiO); Ti 4 O. 7 and those having a composition deficient in oxygen from titanium dioxide typified by Ti 5 O 9 and the like. Further, as represented by terminal OH groups and COOH groups, groups other than Ti—O—Ti resulting from the synthesis of titanium oxide may be included.
1.チタニアナノ粒子
本発明のチタニアナノ粒子は、
(A)チタンを含む物質、有機酸及び水を混合して分散液を得る工程、
(B)前記工程(A)で得られた分散液を5分以上攪拌する工程、及び
(C)前記工程(B)で得られた分散液を70℃以上で1時間以上加熱する工程
を備え、且つ、
前記工程(A)において、チタンを含む物質と有機酸との混合比率は、チタンを含む物質中のチタン1モルに対して有機酸中のカルボキシル基が2モル以上である方法により得られる。
1. Titania nanoparticles The titania nanoparticles of the present invention are:
(A) A step of mixing a substance containing titanium, an organic acid and water to obtain a dispersion,
(B) a step of stirring the dispersion obtained in the step (A) for 5 minutes or more, and (C) a step of heating the dispersion obtained in the step (B) at 70 ° C. or more for 1 hour or more. ,and,
In the step (A), the mixing ratio of the substance containing titanium and the organic acid is obtained by a method in which the carboxyl group in the organic acid is 2 moles or more with respect to 1 mole of titanium in the substance containing titanium.
<工程(A)>
工程(A)では、特定量のチタンを含む物質、特定量の有機酸及び水を混合して分散液を得る。
<Process (A)>
In the step (A), a substance containing a specific amount of titanium, a specific amount of organic acid, and water are mixed to obtain a dispersion.
使用するチタンを含む物質としては、加熱により酸化チタンとなる物質であれば特に制限はない。つまり、チタンを含む物質としては、酸化チタン及び/又は酸化チタン前駆体が好ましく、具体的には、酸化チタン;水酸化チタン;チタンアルコキシド;三塩化チタン、四塩化チタン等のハロゲン化チタン(特に塩基で中和したもの);金属チタン等が挙げられる。また、これらの1種のみを用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。これらのなかでも、得られるチタニアの分散性の観点から、チタンアルコキシド、水酸化チタン又はハロゲン化チタン(特に塩基で中和したもの)が好ましく、特に純度及び分散性の観点からチタンアルコキシドがより好ましい。 The substance containing titanium to be used is not particularly limited as long as it is a substance that becomes titanium oxide by heating. That is, as the substance containing titanium, titanium oxide and / or a titanium oxide precursor are preferable. Specifically, titanium oxide; titanium hydroxide; titanium alkoxide; titanium halide such as titanium trichloride and titanium tetrachloride (especially Neutralized with a base); metal titanium and the like. Moreover, only 1 type of these may be used and 2 or more types may be used together. Among these, titanium alkoxide, titanium hydroxide or titanium halide (especially neutralized with a base) is preferable from the viewpoint of dispersibility of the obtained titania, and titanium alkoxide is particularly preferable from the viewpoint of purity and dispersibility. .
チタンアルコキシドとしては、チタンテトライソプロポキシド、チタンテトラn−ブトキシド、チタンテトラn−プロポキシド、チタンテトラエトキシド等が挙げられ、コスト及び副生成物の水溶性の観点から、チタンテトライソプロポキシドが好ましい。 Examples of the titanium alkoxide include titanium tetraisopropoxide, titanium tetra n-butoxide, titanium tetra n-propoxide, titanium tetraethoxide, and the like, from the viewpoint of cost and water solubility of by-products, titanium tetraisopropoxide. Is preferred.
なお、チタンアルコキシドと有機酸との組合せによっては、得られるチタニアを触媒として水に溶けにくいエステル化合物が遊離することがあるが、チタニア自身には問題はない(例えば、チタンテトラn−ブトキシドと酢酸の組合せにおいて、混合し加熱した段階で酢酸ブチルが生じ遊離する)が、均一な分散液を得る観点からは、水溶性に優れる有機酸アルコキシドが得られる有機酸とチタンアルコキシドとの組合せを採用することが好ましい。 Depending on the combination of titanium alkoxide and organic acid, an ester compound that is hardly soluble in water may be liberated using the obtained titania as a catalyst, but titania itself has no problem (for example, titanium tetra-n-butoxide and acetic acid). However, from the viewpoint of obtaining a uniform dispersion, a combination of an organic acid and a titanium alkoxide is used from which a water-soluble organic acid alkoxide can be obtained. It is preferable.
ハロゲン化チタン(四塩化チタン、三塩化チタン等)については、不純物(ハロゲン)、量産時の反応器の腐食、及び結晶性制御の観点から、塩基で中和し、沈殿物の洗浄を行ってから用いることが好ましい。その場合、得られるチタニアの分散性の観点から、乾燥を行わずに用いることが好ましい。 Titanium halide (titanium tetrachloride, titanium trichloride, etc.) is neutralized with a base from the viewpoint of impurities (halogen), corrosion of the reactor during mass production, and crystallinity control, and the precipitate is washed. Is preferably used. In that case, it is preferable to use without performing drying from a dispersible viewpoint of the titania obtained.
なお、酸化チタン、金属チタン等の固体を用いる場合は、平均粒子径は100nm以下が好ましく、50nm以下がより好ましい。下限値は特に設定されないが、通常1nm程度である。なお、粒径が大きい場合は遊星ボールミル、ペイントシェーカー等を用いて乾式又は湿式で粉砕して用いてもよい。平均粒子径は、例えば、電子顕微鏡(SEM又はTEM)観察等により測定することができる。 In addition, when using solid, such as a titanium oxide and a metal titanium, an average particle diameter has preferable 100 nm or less, and 50 nm or less is more preferable. The lower limit is not particularly set, but is usually about 1 nm. When the particle size is large, the particles may be pulverized dry or wet using a planetary ball mill, paint shaker or the like. The average particle diameter can be measured, for example, by observation with an electron microscope (SEM or TEM).
分散液中のチタンを含む物質の濃度は、生産性と反応液の粘度の観点から、0.01〜5mol/Lが好ましく、0.05〜3mol/Lがより好ましい。 The concentration of the substance containing titanium in the dispersion is preferably from 0.01 to 5 mol / L, more preferably from 0.05 to 3 mol / L, from the viewpoint of productivity and the viscosity of the reaction solution.
反応に使用する酸は、有機酸であり、化学式CnH2n+1COOH(n=0〜11)で示されるモノカルボン酸、HOOCCmH2mCOOH(m=0〜8)で示されるジカルボン酸、炭素数1〜6のヒドロキシカルボン酸等が挙げられる。 The acid used in the reaction is an organic acid, a monocarboxylic acid represented by the chemical formula C n H 2n + 1 COOH (n = 0 to 11), a dicarboxylic acid represented by HOOCC m H 2m COOH (m = 0 to 8), Examples thereof include hydroxycarboxylic acids having 1 to 6 carbon atoms.
モノカルボン酸においては、水に対する溶解性(特にn=4以下が水に溶解しやすい)と臭気(特にn=2〜4が悪臭が強い)の観点から、n=1の酢酸が望ましい。 In the monocarboxylic acid, acetic acid with n = 1 is desirable from the viewpoint of solubility in water (especially n = 4 or less is easily dissolved in water) and odor (especially, n = 2 to 4 has a strong bad odor).
ジカルボン酸については、水への溶解性の観点からm=0〜2が好ましいが、チタニアへの分散性も考慮すると、m=1又は2がより好ましい。 As for the dicarboxylic acid, m = 0 to 2 is preferable from the viewpoint of solubility in water, but m = 1 or 2 is more preferable in consideration of dispersibility in titania.
ヒドロキシカルボン酸については、グリコール酸、乳酸、リンゴ酸、酒石酸、クエン酸等が挙げられる。 Examples of the hydroxycarboxylic acid include glycolic acid, lactic acid, malic acid, tartaric acid, citric acid and the like.
これらのなかでも、特に酢酸が好ましい。 Of these, acetic acid is particularly preferable.
これらの有機酸は1種のみを用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。 These organic acids may use only 1 type and may use 2 or more types together.
有機酸の使用量は、分散性とコストの観点から、チタンを含む物質中のチタン1モルに対して、COOH基を2モル以上、好ましくは4〜10モル含むように調整することが好ましい。有機酸を多く用いるほど分散性が向上し、粒径が大きくなる。 From the viewpoint of dispersibility and cost, the amount of the organic acid used is preferably adjusted so as to contain 2 moles or more, preferably 4 to 10 moles of COOH groups with respect to 1 mole of titanium in the substance containing titanium. The more organic acid is used, the better the dispersibility and the larger the particle size.
分散液中の有機酸の濃度は、分散性とコストの観点から、0.02〜10mol/Lが好ましく、0.1〜7mol/Lがより好ましい。 The concentration of the organic acid in the dispersion is preferably 0.02 to 10 mol / L and more preferably 0.1 to 7 mol / L from the viewpoints of dispersibility and cost.
反応溶媒としては、水等の水性溶媒を主成分(具体的には、例えば50重量%以上)として用いることが好ましいが、反応時にアルコール類又はエステル類を含んでいてもよい。 As the reaction solvent, an aqueous solvent such as water is preferably used as a main component (specifically, for example, 50% by weight or more), but may contain alcohols or esters during the reaction.
例えばチタンテトライソプロポキシドを原料として用いた場合、有機酸との反応によりイソプロパノールが生じる。また、加熱により有機酸のイソプロピルエステルが生じることもある。つまり、工程(A)により得られる分散液中には、アルコール類又はエステル類を投入してもよいし、系中で発生していてもよい。このアルコール類又はエステル類については、100℃以下の開放系における加熱により除去してもよいし、反応液中に残留していてもよい。 For example, when titanium tetraisopropoxide is used as a raw material, isopropanol is produced by reaction with an organic acid. Moreover, the isopropyl ester of organic acid may be produced by heating. That is, alcohols or esters may be added to the dispersion obtained in the step (A) or may be generated in the system. The alcohols or esters may be removed by heating in an open system at 100 ° C. or lower, or may remain in the reaction solution.
なお、分散液中にアルコール類が含まれる場合には粒径が小さくなる傾向にあり、粒径を制御するために、意図的にアルコール類を添加してもよい。 In addition, when alcohol is contained in a dispersion liquid, it exists in the tendency for a particle size to become small, and in order to control a particle size, you may add alcohol intentionally.
本発明においては、通常チタニアナノ粒子の水熱合成反応に用いることが多い硝酸、塩酸、硫酸等の無機酸(特に無機強酸)は、得られるチタニアナノ粒子の透明性が低いことに加えて、装置の腐食、不純物、排水等の観点から原則用いない。ただし、原料の分散性、均一性等を高め取扱いを容易にする場合には、効果を損なわない範囲で、例えば、0.01mol/L以下の範囲で補助的に使用することもできる。この場合、分散液中のN、Cl及びS元素の濃度がいずれも0.01mol/Lとなる。 In the present invention, inorganic acids (particularly strong inorganic acids) such as nitric acid, hydrochloric acid, and sulfuric acid that are often used for the hydrothermal synthesis reaction of titania nanoparticles usually have low transparency of the resulting titania nanoparticles. Do not use in principle from the viewpoint of corrosion, impurities, drainage, etc. However, when the dispersibility, uniformity, etc. of the raw materials are increased and handling is facilitated, they can be used supplementarily within a range not impairing the effect, for example, within a range of 0.01 mol / L or less. In this case, the concentrations of N, Cl, and S elements in the dispersion are all 0.01 mol / L.
このような工程(A)で得られる分散液のpHは、装置の腐食や取扱いの安全性、及び分散性の観点から、2以上6未満が好ましく、2.4〜5がより好ましい。 The pH of the dispersion obtained in the step (A) is preferably 2 or more and less than 6 and more preferably 2.4 to 5 from the viewpoints of corrosion of the apparatus, safety of handling, and dispersibility.
工程(A)において、分散液の作製方法は特に制限はなく、チタンを含む物質、有機酸及び水(溶媒)を同時に混合してもよいし、逐次混合してもよい。特に、凝集して大きな塊を形成しにくく攪拌を継続できる観点から、有機酸及び水(溶媒)を混合した後に、攪拌しながらチタンを含む物質を投入することが好ましい。なお、チタンを含む物質及び有機酸を混合した後に水を滴下すると、反対に凝集しやすい。 In the step (A), a method for producing the dispersion is not particularly limited, and a substance containing titanium, an organic acid, and water (solvent) may be mixed simultaneously or sequentially. In particular, from the viewpoint of preventing agglomeration and forming a large lump so that stirring can be continued, it is preferable to add a substance containing titanium while stirring after mixing the organic acid and water (solvent). In addition, when water is dripped after mixing the substance containing titanium and the organic acid, it tends to aggregate on the contrary.
<工程(B)>
工程(B)においては、工程(A)で得られた分散液を5分以上攪拌する。
<Process (B)>
In the step (B), the dispersion obtained in the step (A) is stirred for 5 minutes or more.
攪拌の方法は特に制限はなく、常法に従えばよい。また、攪拌時間は、チタンを含む物質と有機酸と水を十分に反応する観点から、5分以上、好ましくは15分以上である。攪拌時間の上限値は特に制限されないが、通常240時間程度である。 There is no restriction | limiting in particular in the method of stirring, What is necessary is just to follow a conventional method. The stirring time is 5 minutes or more, preferably 15 minutes or more, from the viewpoint of sufficiently reacting the substance containing titanium, the organic acid and water. The upper limit of the stirring time is not particularly limited, but is usually about 240 hours.
<工程(C)>
工程(C)においては、工程(B)で得られた分散液を70℃以上で1時間以上加熱する。
<Process (C)>
In the step (C), the dispersion obtained in the step (B) is heated at 70 ° C. or higher for 1 hour or longer.
工程(C)は、常圧下に行ってもよいし、密閉容器内で加圧下に行ってもよい。加圧下に行う場合は、超臨界条件下に行ってもよい。より具体的には、加熱時の圧力は粒径を大きくする観点から、0.45MPa以上が好ましく、1〜30MPaがより好ましい。ただし、粒径が小さくてよい場合は、常圧下で行う方が簡易である。 Step (C) may be performed under normal pressure, or may be performed under pressure in a sealed container. When performed under pressure, it may be performed under supercritical conditions. More specifically, the pressure during heating is preferably 0.45 MPa or more and more preferably 1 to 30 MPa from the viewpoint of increasing the particle size. However, when the particle size may be small, it is easier to carry out under normal pressure.
加熱温度は、50℃以上、好ましくは70〜450℃、より好ましくは150〜400℃である。加熱温度が50℃未満では、活性の高いチタニアナノ粒子が得られない。 The heating temperature is 50 ° C. or higher, preferably 70 to 450 ° C., more preferably 150 to 400 ° C. When the heating temperature is less than 50 ° C., highly active titania nanoparticles cannot be obtained.
なお、反応を常圧下に行う場合は、より平均粒子径の小さいチタニアナノ粒子が得られる観点から、50〜120℃が好ましく、70〜110℃がより好ましい。 In addition, when performing reaction under a normal pressure, 50-120 degreeC is preferable and 70-110 degreeC is more preferable from a viewpoint from which a titania nanoparticle with a smaller average particle diameter is obtained.
また、反応を加圧下(超臨界ではない)に行う場合は、常圧下よりも平均粒子径の大きいチタニアナノ粒子が得られる観点から、120〜370℃が好ましく、150〜300℃がより好ましい。この場合、まず低温(例えば50〜120℃)で加熱してから高温(例えば120〜370℃)に加熱してもよい。 Moreover, when performing reaction under pressurization (not supercritical), 120-370 degreeC is preferable and 150-300 degreeC is more preferable from a viewpoint from which a titania nanoparticle with a larger average particle diameter than normal pressure is obtained. In this case, you may heat at low temperature (for example, 50-120 degreeC) first, and then you may heat to high temperature (for example, 120-370 degreeC).
加圧下のなかでも、超臨界条件下に行う場合は、工程(B)で得られた分散液を、例えば流通式反応器内で超臨界水と混合することにより、きわめて短時間で粒子径のそろったチタニアナノ粒子、及び分散性がきわめて高いチタニア分散液を合成することができる。この場合、50℃以下の工程(B)で得られた分散液を、374℃以上の超臨界水と混合し、300℃以上(特に375〜450℃)で1秒以上(特に5〜600秒)保持することが好ましい。超臨界水と接触させる場合には、反応を極めて短時間で終了させることができる。 Even under pressure, when the process is performed under supercritical conditions, the dispersion obtained in step (B) is mixed with supercritical water in a flow reactor, for example, so that the particle size can be reduced in a very short time. It is possible to synthesize all the titania nanoparticles and a titania dispersion with extremely high dispersibility. In this case, the dispersion obtained in step (B) at 50 ° C. or lower is mixed with supercritical water at 374 ° C. or higher, and 300 ° C. or higher (especially 375 to 450 ° C.) for 1 second or longer (especially 5 to 600 seconds). ) It is preferable to hold. When contacting with supercritical water, the reaction can be completed in a very short time.
このようにして得られる本発明のチタニアナノ粒子は、従来のチタニアナノ粒子と比較し、分散性を大きく改善したものである。 The titania nanoparticles of the present invention thus obtained have greatly improved dispersibility compared to conventional titania nanoparticles.
本発明のチタニアナノ粒子は、平均粒子径が3〜50nm程度、特に4〜40nm程度のものが得られる。また、本発明のチタニアナノ粒子は、比表面積が30〜500m2/g、特に40〜350m2/gのものが得られる。さらに、本発明のチタニアナノ粒子は、N、Cl及びS元素の濃度がいずれも0〜5000ppm、特に0〜1000ppmのものが得られる。 The titania nanoparticles of the present invention have an average particle size of about 3 to 50 nm, particularly about 4 to 40 nm. Moreover, the titania nanoparticle of the present invention has a specific surface area of 30 to 500 m 2 / g, particularly 40 to 350 m 2 / g. Furthermore, the titania nanoparticles of the present invention can be obtained in which the concentrations of N, Cl and S elements are all 0 to 5000 ppm, particularly 0 to 1000 ppm.
この後、常法により、本発明のチタニアナノ粒子を沈殿及び遠心分離すること等により、本発明のチタニアナノ粒子を回収することができる。 Thereafter, the titania nanoparticles of the present invention can be recovered by precipitation and centrifugation of the titania nanoparticles of the present invention by a conventional method.
このように、本発明のチタニアナノ粒子は、平均粒子径及び比表面積を調整することができ、また、分散性に優れるため、光触媒用(超親水、有機物/無機物分解、水素製造等)だけでなく、色素増感太陽電池用、透明導電膜用、触媒担体用、耐熱コーティング用、高屈折コーティング用、遮熱コーティング用等、種々様々な用途に使用することができる。 Thus, the titania nanoparticles of the present invention can adjust the average particle diameter and specific surface area, and are excellent in dispersibility, so that they are not only for photocatalysts (superhydrophilic, organic / inorganic decomposition, hydrogen production, etc.) , For dye-sensitized solar cells, for transparent conductive films, for catalyst carriers, for heat-resistant coatings, for high refractive coatings, for thermal barrier coatings, etc.
2.チタニア分散液
本発明のチタニア分散液は、上記工程(A)〜(C)を経た反応液を用い、超音波分散等の分散工程を加えることにより、均一な分散液を作製できる。この時、従来のチタニア分散液においては分散剤を使用しなければ均一な分散液を得ることができなかったことから、本発明においても、分散剤を加えてもよいが、分散剤を加えなくても通常のチタニアナノ粒子より遥かに分散性のよい分散液が得られる。分散性がよい結果、コーティングの耐クラック性にも優れる。また、分散剤を加えなくてもよい結果、緻密なチタニアのコーティングが可能になる。
2. Titania Dispersion The titania dispersion of the present invention can be prepared as a uniform dispersion by adding a dispersion step such as ultrasonic dispersion using the reaction solution that has undergone the steps (A) to (C). At this time, in the conventional titania dispersion, since a uniform dispersion could not be obtained unless a dispersant was used, in the present invention, a dispersant may be added, but a dispersant is not added. However, a dispersion having far better dispersibility than ordinary titania nanoparticles can be obtained. As a result of good dispersibility, the coating has excellent crack resistance. Further, as a result of not having to add a dispersant, a dense titania coating is possible.
この際、本発明のチタニア分散液においては、溶媒である水の含有量をコーティングの容易さ、およびコーティングの膜性の観点から、60重量%以上、特に75重量%以上とすることが好ましい。 At this time, in the titania dispersion of the present invention, the content of water as a solvent is preferably 60% by weight or more, particularly 75% by weight or more from the viewpoint of easy coating and film properties of the coating.
また、チタニアナノ粒子を反応液から取り出し、溶媒を変更することも可能である。反応液から遠心分離やろ過膜などにより水分を除去し、有機溶媒に置換してもよい。その際はチタニアナノ粒子を乾燥させないことが、分散性、透明性等の観点から好ましい。 It is also possible to take out titania nanoparticles from the reaction solution and change the solvent. Water may be removed from the reaction solution by centrifugation, filtration membrane, or the like, and replaced with an organic solvent. In that case, it is preferable not to dry the titania nanoparticles from the viewpoint of dispersibility, transparency and the like.
分散液に使用する有機溶媒としては、アルコール類等が挙げられる。このアルコール類としては、メタノール、エタノール、イソプロパノール等の炭素数1〜6の脂肪族アルコール類の他、α−テルピネオール等の非脂肪族アルコール類;ブチルカルビトール(ジエチレングリコールモノブチルエーテル)、ヘキシレングリコール(2−メチル−2,4−ペンタンジオール)、エチレングリコール−2−エチルヘキシルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル等のグリコール系溶媒、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール等のジオール類等が挙げられる。 Examples of the organic solvent used in the dispersion include alcohols. Examples of the alcohol include aliphatic alcohols having 1 to 6 carbon atoms such as methanol, ethanol and isopropanol, and non-aliphatic alcohols such as α-terpineol; butyl carbitol (diethylene glycol monobutyl ether), hexylene glycol ( 2-methyl-2,4-pentanediol), glycol solvents such as ethylene glycol-2-ethylhexyl ether, ethylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, 1,4-butanediol, 1,5-pentanediol, And diols such as 6-hexanediol.
また、OH基を有さなくても、チタニア及び他の溶媒(水、アルコール等)との親和性があればよく、ジエチレングリコールブチルメチルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、トリエチレングリコールブチルメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールジアセテート、トリエチレングリコールジアセテート、テトラエチレングリコールジアセテート等が挙げられる。なかでも、沸点等の観点から、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、テトラエチレングリコールジメチルエーテル等が好ましい。 Moreover, even if it does not have an OH group, it only needs to have an affinity with titania and other solvents (water, alcohol, etc.), diethylene glycol butyl methyl ether, tripropylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol dibutyl ether, Examples include triethylene glycol butyl methyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether acetate, diethylene glycol monoethyl ether acetate, diethylene glycol diacetate, triethylene glycol diacetate, and tetraethylene glycol diacetate. Of these, diethylene glycol monobutyl ether acetate, tetraethylene glycol dimethyl ether and the like are preferable from the viewpoint of boiling point and the like.
本発明のチタニア分散液は、用途に応じて粘度を調整し、例えば、スピンコート、ディップコート、スプレー等に用いる場合は低粘度、刷毛塗り、スキージ法等に用いる場合はそれより粘度を高く調整し、スクリーン印刷に用いる場合は、さらに粘度を高く調製し、流動性を抑制することが好ましい。 The titania dispersion of the present invention adjusts the viscosity according to the application, for example, low viscosity when used for spin coating, dip coating, spraying, etc., and higher viscosity when used for brush coating, squeegee method, etc. And when using for screen printing, it is preferable to adjust viscosity further and to suppress fluidity | liquidity.
実施例に基づいて、本発明を具体的に説明するが、本発明は、これらのみに限定されるものではない。 The present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited to these examples.
[実施例1]
チタンテトライソプロポキシド142.1g(0.5mol)に酢酸120g(2mol)を加え15分撹拌し、水を550g加えた。この分散液のpHは2.5であった。半透明の沈殿が大量に発生したが、60分間撹拌した後に加熱を行ったところ60℃で沈殿がすべて溶解した。
[Example 1]
Acetic acid 120 g (2 mol) was added to titanium tetraisopropoxide 142.1 g (0.5 mol), and the mixture was stirred for 15 minutes, and 550 g of water was added. The pH of this dispersion was 2.5. Although a large amount of translucent precipitate was generated, heating was performed after stirring for 60 minutes, and all the precipitate was dissolved at 60 ° C.
その後、常圧(0.1MPa)で80℃で5時間撹拌した後、反応液に水を加え、合計800gに調製した後、超音波をかけたところ、無機強酸を使用せずとも、半透明の均一なチタニア分散液が得られた。この分散液をスピンコートによりガラスに塗布し、乾燥したところ、透明な塗膜が得られた。 Then, after stirring at 80 ° C. for 5 hours at normal pressure (0.1 MPa), water was added to the reaction solution to prepare a total of 800 g, and then subjected to ultrasonic waves, it was translucent without using an inorganic strong acid. A uniform titania dispersion was obtained. When this dispersion was applied to glass by spin coating and dried, a transparent coating film was obtained.
この分散液にアンモニア水を加え、pH6にすることにより沈殿させ、遠心分離によりチタニアナノ粒子を回収し、平均粒子径をBET比表面積(300m2/g)から計算により算出したところ、5nmであった。 Aqueous ammonia was added to this dispersion, and the mixture was precipitated to pH 6. The titania nanoparticles were collected by centrifugation, and the average particle size was calculated from the BET specific surface area (300 m 2 / g). .
またX線回折で結晶性を解析したところ、アナターゼ100%であった。 Further, when the crystallinity was analyzed by X-ray diffraction, it was 100% anatase.
[実施例2]
実施例1で得たチタニア分散液200gをチタン製オートクレーブに入れ、さらに9MPaで300℃の熱風炉内で12時間反応を行った。
[Example 2]
200 g of the titania dispersion obtained in Example 1 was placed in a titanium autoclave, and further reacted in a hot air oven at 9 MPa and 300 ° C. for 12 hours.
得られた反応液は白い沈殿が生じていたが、超音波分散を行うことにより、無機強酸を使用せずとも均一に分散され、240時間後も沈殿が生じなかった。この分散液をガラスに塗布し、乾燥したところ、半透明の塗膜が得られた。 The resulting reaction solution had a white precipitate, but by ultrasonic dispersion, it was evenly dispersed without using an inorganic strong acid, and no precipitate was formed after 240 hours. When this dispersion was applied to glass and dried, a translucent coating film was obtained.
この分散液を遠心分離することによりチタニアナノ粒子を回収し、平均粒子径をBET比表面積(60m2/g)から計算により算出したところ、25nmであった。 The dispersion was centrifuged to collect titania nanoparticles, and the average particle size was calculated from the BET specific surface area (60 m 2 / g), which was 25 nm.
またX線回折で結晶性を解析したところ、アナターゼ100%であった。 Further, when the crystallinity was analyzed by X-ray diffraction, it was 100% anatase.
[実施例3]
酢酸60g(1mol)と水600gの混合物に、チタンテトライソプロポキシド142.1g(0.5mol)をゆっくり滴下しながら加えた。この分散液のpHは2.6であった。その後、60分撹拌したところ、白色の沈殿が大量に発生した。その後、撹拌しながら常圧(0.1MPa)で60℃で3時間、80℃で5時間加熱を行ったところ、白濁した液が得られた。
[Example 3]
To a mixture of 60 g (1 mol) of acetic acid and 600 g of water, 142.1 g (0.5 mol) of titanium tetraisopropoxide was slowly added dropwise. The dispersion had a pH of 2.6. Thereafter, when the mixture was stirred for 60 minutes, a large amount of white precipitate was generated. Thereafter, heating was performed at 60 ° C. for 3 hours and at 80 ° C. for 5 hours at normal pressure (0.1 MPa) with stirring, and a cloudy liquid was obtained.
この液に水を加え、800gに調製した後、超音波分散を行うことにより、無機強酸を使用せずとも均一なチタニア分散液が得られ、240時間後も沈殿が生じなかった。この分散液をガラスに塗布し、乾燥したところ、半透明の塗膜が得られた。 Water was added to this solution to prepare 800 g, and then ultrasonic dispersion was performed to obtain a uniform titania dispersion without using an inorganic strong acid, and precipitation did not occur after 240 hours. When this dispersion was applied to glass and dried, a translucent coating film was obtained.
この分散液200gをチタン製オートクレーブに入れ、さらに9MPaで300℃の熱風炉内で12時間反応を行った。 200 g of this dispersion was placed in a titanium autoclave and further reacted in a hot air oven at 9 MPa and 300 ° C. for 12 hours.
得られた反応液は白い沈殿が生じていたが、超音波分散を行うことにより、無機強酸を使用せずとも均一なチタニア分散液が得られ、240時間後も沈殿が生じなかった。この分散液をガラスに塗布し、乾燥したところ、半透明の塗膜が得られた。 The resulting reaction solution had a white precipitate, but by carrying out ultrasonic dispersion, a uniform titania dispersion was obtained without using an inorganic strong acid, and no precipitate was formed after 240 hours. When this dispersion was applied to glass and dried, a translucent coating film was obtained.
この分散液を遠心分離することによりチタニアナノ粒子を回収し、平均粒子径をBET比表面積(70m2/g)から計算により算出したところ、22nmであった。 The dispersion was centrifuged to recover titania nanoparticles, and the average particle size was calculated from the BET specific surface area (70 m 2 / g), which was 22 nm.
[実施例4]
熱風炉内での300℃の反応時間を12時間ではなく60時間に変える以外は実施例2と同様に実験を行った。
[Example 4]
The experiment was conducted in the same manner as in Example 2 except that the reaction time at 300 ° C. in the hot stove was changed to 60 hours instead of 12 hours.
得られたチタニア分散液は白い沈殿が生じていたが、超音波分散を行うことにより均一に分散され、240時間後も沈殿が生じなかった。このチタニア分散液をガラスに塗布し、乾燥したところ、半透明の塗膜が得られた。 The obtained titania dispersion had a white precipitate, but was uniformly dispersed by ultrasonic dispersion, and no precipitate was formed after 240 hours. When this titania dispersion was applied to glass and dried, a translucent coating film was obtained.
この分散液を遠心分離することによりチタニアナノ粒子を回収し、平均粒子径をBET比表面積(38m2/g)から計算により算出したところ、40nmであった。 The titania nanoparticles were recovered by centrifuging the dispersion, and the average particle size was calculated from the BET specific surface area (38 m 2 / g) to be 40 nm.
[実施例5]
熱風炉内での反応温度を300℃ではなく250℃に変える以外は実施例2と同様に実験を行った。
[Example 5]
The experiment was performed in the same manner as in Example 2 except that the reaction temperature in the hot stove was changed to 250 ° C. instead of 300 ° C.
得られたチタニア分散液は白い沈殿が生じていたが、超音波分散を行うことにより均一に分散され、240時間後も沈殿が生じなかった。このチタニア分散液をガラスに塗布し、乾燥したところ、透明な塗膜が得られた。 The obtained titania dispersion had a white precipitate, but was uniformly dispersed by ultrasonic dispersion, and no precipitate was formed after 240 hours. When this titania dispersion was applied to glass and dried, a transparent coating film was obtained.
この分散液を遠心分離することによりチタニアナノ粒子を回収し、平均粒子径をBET比表面積(90m2/g)から計算により算出したところ、17nmであった。 The dispersion was centrifuged to collect titania nanoparticles, and the average particle size was calculated from the BET specific surface area (90 m 2 / g), and was 17 nm.
[実施例6]
熱風炉内での反応温度を300℃ではなく反応温度を250℃に変え、反応時間を12時間ではなく60時間に変える以外は実施例2と同様に実験を行った。
[Example 6]
The experiment was conducted in the same manner as in Example 2 except that the reaction temperature in the hot stove was changed to 250 ° C. instead of 300 ° C., and the reaction time was changed to 60 hours instead of 12 hours.
得られたチタニア分散液は白い沈殿が生じていたが、超音波分散を行うことにより均一に分散され、240時間後も沈殿が生じなかった。このチタニア分散液をガラスに塗布し、乾燥したところ、半透明な塗膜が得られた。 The obtained titania dispersion had a white precipitate, but was uniformly dispersed by ultrasonic dispersion, and no precipitate was formed after 240 hours. When this titania dispersion was applied to glass and dried, a translucent coating film was obtained.
この分散液を遠心分離することによりチタニアナノ粒子を回収し、平均粒子径をBET比表面積(65m2/g)から計算により算出したところ、24nmであった。 The dispersion was centrifuged to recover titania nanoparticles, and the average particle size was calculated from the BET specific surface area (65 m 2 / g), which was 24 nm.
[実施例7]
実施例5で得たチタニア分散液を遠心分離することによりチタニアナノ粒子を回収し、乾燥させないように気をつけながら、エタノール洗浄、超音波分散及び遠心分離を3回繰り返した。
[Example 7]
The titania nanoparticles obtained in Example 5 were centrifuged to collect titania nanoparticles, and ethanol washing, ultrasonic dispersion, and centrifugation were repeated three times, taking care not to dry them.
得られたチタニアナノ粒子10g分(ただし、エタノール25gで湿潤している)にエタノール100g、テルピネオール40g及びエチルセルロース(10cp)5gを加え、3時間撹拌し、超音波分散を行ったところ、エタノール及びテルピネオールに分散した均一なチタニア分散液が得られ、240時間後も沈殿が生じなかった。このチタニア分散液をガラスに塗布し、乾燥したところ、透明な塗膜が得られた。 100 g of ethanol, 40 g of terpineol and 5 g of ethyl cellulose (10 cp) were added to 10 g of the titania nanoparticles obtained (wet with 25 g of ethanol), and stirred for 3 hours. After ultrasonic dispersion, ethanol and terpineol were mixed. A dispersed uniform titania dispersion was obtained, and no precipitation occurred after 240 hours. When this titania dispersion was applied to glass and dried, a transparent coating film was obtained.
[実施例8]
四塩化チタン水溶液にアンモニア水を加え、pH10に調整することにより、含水水酸化チタンを得た(チタニア換算で16wt%)。
[Example 8]
Aqueous titanium hydroxide was obtained by adding ammonia water to the titanium tetrachloride aqueous solution and adjusting the pH to 10 (16 wt% in terms of titania).
この含水水酸化チタン100g(チタニア0.2mol相当)に酢酸60g(1mol)と水160gを加えた。この分散液のpHは2.4であった。60分間撹拌した後に常圧(0.1MPa)で80℃で5時間加熱した後、水を加え320gに調製した。 To 100 g of this hydrous titanium hydroxide (corresponding to 0.2 mol of titania), 60 g (1 mol) of acetic acid and 160 g of water were added. The pH of this dispersion was 2.4. After stirring for 60 minutes and heating at 80 ° C. for 5 hours at normal pressure (0.1 MPa), water was added to prepare 320 g.
この液200gをチタン製オートクレーブに入れ、9MPaで300℃で12時間反応を行った。 200 g of this solution was placed in a titanium autoclave and reacted at 9 MPa and 300 ° C. for 12 hours.
得られた反応液は白い沈殿が生じていたが、超音波分散を行うことにより、無機強酸を使用せずとも均一に分散され、48時間後も沈殿が生じなかった。この分散液をガラスに塗布し、乾燥したところ、半透明の塗膜が得られた。 The resulting reaction solution had a white precipitate, but by ultrasonic dispersion, it was uniformly dispersed without using an inorganic strong acid, and no precipitate was formed after 48 hours. When this dispersion was applied to glass and dried, a translucent coating film was obtained.
この分散液を遠心分離することによりチタニアナノ粒子を回収し、平均粒子径をBET比表面積(42m2/g)から計算により算出したところ、37nmであった。 The dispersion was centrifuged to collect titania nanoparticles, and the average particle size was calculated from the BET specific surface area (42 m 2 / g), which was 37 nm.
このチタニアナノ粒子10g分(ただし、エタノール20gで湿潤している)にエタノール100g、テルピネオール40g、エチルセルロース(10cp)2.5g、エチルセルロース(50cp)2.5gを加え、3時間撹拌し、超音波分散を行ったところ、上記実施例1〜8ほどではないものの、エタノール及びテルピネオールに分散した均一な分散液が得られ、48時間後も沈殿が生じなかった。このチタニア分散液をガラスに塗布し、乾燥したところ、半透明な塗膜が得られた。 100 g of ethanol, 40 g of terpineol, 2.5 g of ethyl cellulose (10 cp) and 2.5 g of ethyl cellulose (50 cp) are added to 10 g of titania nanoparticles (but wet with 20 g of ethanol), and stirred for 3 hours to perform ultrasonic dispersion. As a result, a uniform dispersion dispersed in ethanol and terpineol was obtained, but no precipitation occurred after 48 hours, although not as much as in Examples 1-8 above. When this titania dispersion was applied to glass and dried, a translucent coating film was obtained.
この塗膜を500℃で焼成を行うことによって、半透明のチタニアナノ粒子のみからなる塗膜が得られた。 By baking this coating film at 500 degreeC, the coating film which consists only of translucent titania nanoparticle was obtained.
[実施例9]
実施例1で得たチタニア分散液200gを水800gで希釈し、1000gとした。半透明で均一な分散液が得られた。
[Example 9]
200 g of the titania dispersion obtained in Example 1 was diluted with 800 g of water to obtain 1000 g. A translucent and uniform dispersion was obtained.
流通式超臨界反応装置を用いて、この分散液に対して、体積で3倍量の450℃超臨界水を金属チューブ内で混合し、400℃で約60秒保持した。 Using a flow-type supercritical reaction apparatus, a volume of 450 ° C. supercritical water was mixed with this dispersion in a metal tube and held at 400 ° C. for about 60 seconds.
反応装置から排出された反応液は既に半透明の分散液(チタニア分散液)となっていた。この分散液をガラスに塗布し、乾燥したところ、半透明な塗膜が得られた。 The reaction liquid discharged from the reactor was already a translucent dispersion (titania dispersion). When this dispersion was applied to glass and dried, a translucent coating film was obtained.
[比較例1]
pH0.7の硝酸水溶液650gを撹拌しながら、チタンテトライソプロポキシド142.1g(0.5mol)を加えた。この分散液のpHは1.0であった。1時間撹拌したのち、常圧(0.1MPa)で80℃に昇温して8時間保持し、半透明のチタニア分散液を合成した。最終重量は800gに調整した。
[Comparative Example 1]
While stirring 650 g of an aqueous nitric acid solution having a pH of 0.7, 142.1 g (0.5 mol) of titanium tetraisopropoxide was added. The pH of this dispersion was 1.0. After stirring for 1 hour, the temperature was raised to 80 ° C. at normal pressure (0.1 MPa) and maintained for 8 hours to synthesize a translucent titania dispersion. The final weight was adjusted to 800 g.
この分散液をガラス基板上にスピンコートにより塗布したが、乾燥したところチタニアが基板から剥離・脱落した。 This dispersion was applied onto a glass substrate by spin coating, but when dried, titania peeled off from the substrate.
得られた分散液を乾燥し、ナノ粒子の平均粒子径をBET比表面積(220m2/g)から計算により算出したところ、7nmであった。 The obtained dispersion was dried, and the average particle size of the nanoparticles was calculated from the BET specific surface area (220 m 2 / g) by calculation.
また、原料のチタニア分散液を48時間後に観察したところ、沈殿が発生し、ゲル化が進行して高粘度化していた。 Further, when the raw titania dispersion was observed after 48 hours, precipitation occurred and gelation progressed to increase the viscosity.
[比較例2]
比較例1で得られたチタニア分散液200gをチタン製圧力容器に封入し、4MPaで250℃の熱風炉内で12時間反応を行い、チタニアナノ粒子を合成した。
[Comparative Example 2]
200 g of the titania dispersion obtained in Comparative Example 1 was sealed in a titanium pressure vessel and reacted in a hot air oven at 4 MPa and 250 ° C. for 12 hours to synthesize titania nanoparticles.
得られた反応液は白い沈殿が生じており、超音波分散を行ったが、1時間後沈殿が生じ不均一な状態になっていた。 The obtained reaction solution had a white precipitate and was subjected to ultrasonic dispersion, but the precipitate was formed after 1 hour and was in a non-uniform state.
また、得られたナノ粒子の平均粒子径をBET比表面積(126m2/g)から計算により算出したところ、12nmであった。 Moreover, it was 12 nm when the average particle diameter of the obtained nanoparticle was computed from the BET specific surface area (126 m < 2 > / g) by calculation.
[比較例3]
チタンテトライソプロポキシド142.1g(0.5mol)に酢酸を30g(0.5mol)加え15分撹拌し、水を630g加えた。この分散液のpHは3.0であった。半透明の沈殿が大量に発生したが、65%硝酸を4ml加え、60分間撹拌しながら加熱を行ったところ50℃で沈殿がすべて溶解した。
[Comparative Example 3]
Acetic acid (30 g, 0.5 mol) was added to titanium tetraisopropoxide (142.1 g, 0.5 mol) and stirred for 15 minutes, and water (630 g) was added. The pH of this dispersion was 3.0. Although a large amount of translucent precipitate was generated, 4 ml of 65% nitric acid was added and heated with stirring for 60 minutes. All precipitates were dissolved at 50 ° C.
その後、常圧(0.1MPa)で80℃で5時間撹拌した液に水を加え、合計800gに調製した後、超音波をかけたところ、半透明の均一なチタニア分散液が得られたが、ガラスに塗布し、乾燥したところ、塗膜にクラックが生じ、ガラスから脱落した。 Thereafter, water was added to the liquid stirred at 80 ° C. for 5 hours at normal pressure (0.1 MPa) to prepare a total of 800 g, and ultrasonic waves were applied to obtain a translucent uniform titania dispersion. When applied to glass and dried, the coating film cracked and dropped out of the glass.
このチタニア分散液にアンモニア水を加え、pH6にすることにより沈殿させ、遠心分離によりチタニアナノ粒子を回収し、平均粒子径をBET比表面積(280m2/g)から計算により算出したところ、5.5nmであった。 Ammonia water was added to the titania dispersion and the precipitate was adjusted to pH 6. The titania nanoparticles were collected by centrifugation, and the average particle size was calculated from the BET specific surface area (280 m 2 / g) to be 5.5 nm. Met.
その後、このチタニア分散液200gをチタン製圧力容器に封入し、4MPaで250℃の熱風炉内で12時間反応を行い、チタニアナノ粒子を合成した。 Thereafter, 200 g of this titania dispersion was sealed in a titanium pressure vessel and reacted in a hot air oven at 4 MPa and 250 ° C. for 12 hours to synthesize titania nanoparticles.
得られた反応液は白い沈殿が生じており、超音波分散を行ったが、1時間後沈殿が生じ不均一な状態になっていた。 The obtained reaction solution had a white precipitate and was subjected to ultrasonic dispersion, but the precipitate was formed after 1 hour and was in a non-uniform state.
この分散液を遠心分離することによりチタニアナノ粒子を回収し、得られたチタニアナノ粒子の平均粒子径をBET比表面積(128m2/g)から計算により算出したところ、12nmであった。 The titania nanoparticles were recovered by centrifuging this dispersion, and the average particle diameter of the obtained titania nanoparticles was calculated from the BET specific surface area (128 m 2 / g), and was 12 nm.
[比較例4]
熱風炉内での反応時間を12時間ではなく24時間に変える以外は比較例3と同様に実験を行った。
[Comparative Example 4]
The experiment was performed in the same manner as in Comparative Example 3 except that the reaction time in the hot stove was changed to 24 hours instead of 12 hours.
得られた反応液は白い沈殿が生じており、超音波分散を行ったが、1時間後沈殿が生じ不均一な状態になっていた。 The obtained reaction solution had a white precipitate and was subjected to ultrasonic dispersion, but the precipitate was formed after 1 hour and was in a non-uniform state.
この分散液を遠心分離することによりチタニアナノ粒子を回収し、得られたナノ粒子の平均粒子径をBET比表面積(120m2/g)から計算により算出したところ、13nmであり、反応時間を長くすることにより粒径を大きくすることができなかった。 The titania nanoparticles were recovered by centrifuging this dispersion, and the average particle diameter of the obtained nanoparticles was calculated from the BET specific surface area (120 m 2 / g), which was 13 nm, which increased the reaction time. Therefore, the particle size could not be increased.
[比較例5]
熱風炉内での反応温度を250℃ではなく300℃に変える以外は比較例3と同様に実験を行った。
[Comparative Example 5]
The experiment was conducted in the same manner as in Comparative Example 3 except that the reaction temperature in the hot stove was changed to 300 ° C. instead of 250 ° C.
得られた反応液は白い沈殿が生じており、超音波分散を行ったが、1時間後沈殿が生じ不均一な状態になっていた。 The obtained reaction solution had a white precipitate and was subjected to ultrasonic dispersion, but the precipitate was formed after 1 hour and was in a non-uniform state.
この分散液を遠心分離することによりチタニアナノ粒子を回収し、得られたナノ粒子の平均粒子径をBET比表面積(96m2/g)から計算により算出したところ、16nmであり、反応温度を高くすることにより粒径を飛躍的に大きくすることができなかった。 The dispersion was centrifuged to collect titania nanoparticles, and the average particle size of the obtained nanoparticles was calculated from the BET specific surface area (96 m 2 / g). The result was 16 nm, and the reaction temperature was increased. As a result, the particle size could not be increased dramatically.
[比較例6]
比較例3で得たチタニアナノ粒子10g分(ただし、エタノール45gで湿潤している)にエタノール100g、テルピネオール40g、エチルセルロース(10cp)5gを加え、3時間撹拌し、超音波分散を行った。
[Comparative Example 6]
100 g of ethanol, 40 g of terpineol, and 5 g of ethylcellulose (10 cp) were added to 10 g of titania nanoparticles obtained in Comparative Example 3 (wet with 45 g of ethanol), and the mixture was stirred for 3 hours and subjected to ultrasonic dispersion.
この分散液をガラス基板上に塗布し、500℃で焼成を行ったところ、クラックが生じ、チタニア膜がガラスから脱落した。 When this dispersion was applied onto a glass substrate and baked at 500 ° C., cracks occurred, and the titania film dropped from the glass.
[比較例7]
チタニアナノ粒子ST−21:10g(石原産業(株)製、比表面積50m2/g、31nm相当)にエタノール100g、テルピネオール40g、エチルセルロース(10cp)2.5g、エチルセルロース(50cp)2.5gを加え、3時間撹拌し、超音波分散を行った。
[Comparative Example 7]
Add titania nano particles ST-21: 10 g (Ishihara Sangyo Co., Ltd., specific surface area 50 m 2 / g, equivalent to 31 nm) 100 g ethanol, 40 g terpineol, 2.5 g ethyl cellulose (10 cp), 2.5 g ethyl cellulose (50 cp), The mixture was stirred for 3 hours and subjected to ultrasonic dispersion.
この分散液をガラス基板上に塗布し、500℃で焼成を行ったところ、細かいクラックが生じており、また、チタニア膜が完全に不透明であった。 When this dispersion was applied onto a glass substrate and baked at 500 ° C., fine cracks were produced, and the titania film was completely opaque.
[比較例8]
チタニアナノ粒子ST−21:5gに対して、水を95g加え、超音波分散を加えた。しかしながら、すぐに沈殿が生じ、分散液を得ることができなかった。
[Comparative Example 8]
95 g of water was added to the titania nanoparticle ST-21: 5 g, and ultrasonic dispersion was added. However, precipitation occurred immediately and a dispersion could not be obtained.
さらに、65%硝酸を1ml加えても同様に沈殿が生じ、均一な分散液を得ることができなかった。 Further, even when 1 ml of 65% nitric acid was added, precipitation similarly occurred, and a uniform dispersion could not be obtained.
参考までに、実施例2の反応液(超音波分散240時間経過後)及び比較例3の反応液(超音波分散1時間経過後)の状態を図1に示す。 For reference, the states of the reaction solution of Example 2 (after 240 hours of ultrasonic dispersion) and the reaction solution of Comparative Example 3 (after 1 hour of ultrasonic dispersion) are shown in FIG.
Claims (14)
(B)前記工程(A)で得られた分散液を5分以上攪拌する工程、及び
(C)前記工程(B)で得られた分散液を50℃以上で1時間以上加熱する工程
を備え、且つ、
前記工程(A)において、チタンを含む物質と有機酸との混合比率は、チタンを含む物質中のチタン1モルに対して有機酸中のカルボキシル基が2モル以上である方法により得られるチタニアナノ粒子。 (A) A step of mixing a substance containing titanium, an organic acid and water to obtain a dispersion,
(B) a step of stirring the dispersion obtained in the step (A) for 5 minutes or more, and (C) a step of heating the dispersion obtained in the step (B) at 50 ° C. or more for 1 hour or more. ,and,
In the step (A), the mixing ratio of the substance containing titanium and the organic acid is a titania nanoparticle obtained by a method in which the carboxyl group in the organic acid is 2 moles or more per 1 mole of titanium in the substance containing titanium. .
(B)前記工程(A)で得られた分散液を5分以上攪拌する工程、及び
(C)前記工程(B)で得られた分散液を50℃以上で1時間以上攪拌する工程
を備え、且つ、
前記工程(A)において、チタンを含む物質と有機酸との混合比率は、チタンを含む物質中のチタン1モルに対して有機酸中のカルボキシル基が2モル以上である、チタニアナノ粒子の製造方法。 (A) A step of mixing a substance containing titanium, an organic acid and water to obtain a dispersion,
(B) a step of stirring the dispersion obtained in the step (A) for 5 minutes or more, and (C) a step of stirring the dispersion obtained in the step (B) at 50 ° C. or more for 1 hour or more. ,and,
In the step (A), the mixing ratio of the substance containing titanium and the organic acid is such that the carboxyl group in the organic acid is 2 mol or more per 1 mol of titanium in the substance containing titanium. .
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