酸化ジルコニウム 化学特性,用途語,生産方法
外観
白色〜わずかにうすい褐色, 粉末
定義
本品は、ジルコニウムの酸化物であり、次の化学式で表される。
溶解性
水に不溶。塩酸, 硝酸に微溶。硫酸に可溶。
解説
酸化ジルコニウム(Ⅳ)，ZrO2(123.22)．二酸化ジルコニウム，ジルコニアともいう．天然にバッデリ石として産出する．水酸化ジルコニウムZrO2･nH2Oを強熱すると得られる．白色の粉末．密度5.49 g cm－3．水に不溶．硫酸，フッ化水素酸には可溶であるが，その他の酸および塩基に侵されにくい．硬度が高く，熱膨張係数が小さく，高融点(2700 ℃)のため，炉材料，るつぼ，陶磁器用うわぐすり，特殊ガラス，圧電素子用結晶の製造などに用いられる．酸素によって伝導性が変化するので，酸素センサーにも用いられる．
用途
窯業原料、耐火物材料、顔料、構造材料?機能材料?切削工具?耐摩耗部品?圧電素子?セラミックコンデンサー?光学ガラス添加剤、触媒、燃料電池(固体電解質型)、医薬部外品添加物(化粧品等) (NITE総合検索 (2015))
用途
光学ガラス添加材、電子材料、触媒、窯業原料、研磨剤。
用途
光学ガラス添加剤、電子材料、触媒、酸素計材料。
化粧品の成分用途
不透明化剤
使用上の注意
アルゴン封入
化学的特性
Zirconium dioxide is a white, amorphous powder, insoluble
in water but slightly soluble in acid.
物理的性質
Monoclinic zirconia
(baddeleyite structure) stable
below 1197°C, tetragonal
zirconia (rutile structure) stable
between 1197 and 2300°C, cubic
zirconia (fluorine structure)
stable above 2300°C or at lower
temperature if stabilized by
addition of magnesia, calcia or
yttria. Maximum service
temperature 2400°C. Zirconia
starts to act as an oxygen anion
conductor at 1200°C. Highly corrosion resistant to molten
metals such as Bi, Hf, Ir, Pt, Fe,
Ni, Mo, Pu, and V. Strongly
attacked by liquid metals Be, Li,
Na, K, Si, Ti, Zr, and Nb.
Insoluble in water, but slowly
soluble in HCl and HNO
3; soluble in boiling concentrated
H
2SO
4 and alkali hydroxides but readily attacked by HF.
物理的性質
White, heavy, amorphous powder or monoclinic crystals; refractive index 2.13; density 5.68 g/cm
3; Mohs hardness 6.5; transforms to tetragonal structure above 1,100°C and cubic form above 1,900°C; melts at 2,710°C and vaporizes at about 4,300°C; insoluble in water; soluble in hydrofluoric acid and hot sulfuric, nitric and hydrochloric acids.
使用
Lanthanum-modified lead zirconate titanate (PLZT) fibers with a diameter of around 300 microns were produced by a thermoplastic processing method. The main use of zirconia is in the production of ceramics with other uses including as a protective coating on particles of titanium dioxide pigments, as a refractory material, in insulation, abrasives and enamels. Stabilized zirconia is used in oxygen sensors and fuel cell membranes because it has the ability to allow oxygen ions to move freely through the crystal structure at high temperatures. This high ionic conductivity (and a low electronic conductivity) makes it one of the most useful electroceramics.Zirconium dioxide is also used as the solid electrolyte in electrochromic devices. Zirconia is a precursor to the electroceramic lead zirconate titanate (PZT), which is a high-K dielectric, which is found in myriad components.
一般的な説明
Zirconium(IV) oxide (ZrO
2) which is also known as zirconia is a ceramic nanoparticle that can be used as a nano-filler. It can be incorporated in a variety of polymer and metal composites to improve the thermo-mechanical properties of the base material.
使用用途
酸化ジルコニウムの性質を生かした使用用途は、以下の通りです。
- 融点が非常に高い・耐熱性が高い・化学的な侵食に強い
や研磨工具、耐火物などの原料
- 高硬度・耐久性が高い
歯科用材料、セラミックス包丁、宝飾品 (模造ダイヤモンド)
- 酸素イオンの良伝導体
固体電解質型の
酸化ジルコニウムはダイアモンドと呼ばれるほど高硬度で、その硬さは一般的なセラミックスの10倍程度と非常に高いです。その他、酸化ジルコニウムは・といった電子部品の材料やの添加剤、触媒や化粧品などの医薬部外品の添加物に使用される場合もあります。
工業用途
There are several types of zirconia: a pure(monoclinic) oxide and a stabilized (cubic)form, and a number of variations such asyttria- and magnesia-stabilized zirconia andnuclear grades. Stabilized zirconia has a highmelting point, about 2760°C, low thermal conductivity,and is generally unaffected by oxidizingand reducing atmospheres and mostchemicals. Yttria- and magnesia-stabilized zirconiasare widely used for equipment and vesselsin contact with liquid metals. Monoclinicnuclear zirconia is used for nuclear fuel elements,reactor hardware, and related applicationswhere high purity (99.7%) is needed.Zirconia has the distinction of being an electricalinsulator at low temperatures, graduallybecoming a conductor as temperaturesincrease.
発がん性
To simulate the chronic alpha radiation of Thorotrast, the
liver of female Wistar rats was exposed to fractionated
neutron irradiation at 14-day intervals (0.2Gy per fraction)
over 2 years to a total dose of 10.0Gy. Before the start of
irradiation, half of the animals received 120 mL of nonradioactive
Zirconotrast (ZrO2), which is comparable to
Thorotrast in all other physical and chemical properties.
The first liver tumor was detected 1 year after the beginning
of irradiation. At the end of the life span study, the
incidence of irradiated animals with liver tumors was about
40%. In the animals treated additionally with ZrO2, the
incidence, time of onset, and overall number of liver
tumors were nearly equal, indicating that the fractionated
neutron irradiation was the exclusive cause of tumor
development. The lifelong-deposited ZrO2 colloid had
no influence on tumor induction or development. Histological
types of benign and malignant liver tumors seen in
this study were the same as those seen in animals treated
with Thorotrast.
特徴
酸化ジルコニウムは、原子番号40のジルコニウムの酸化物でセラミックスに分類されます。化学式はZrO2、分子量は123.22、主な物理的および化学的性質は、融点が2715℃、沸点が4300℃、密度が5.68g/cm3、屈折率が2.13です。
酸化ジルコニウムは、低熱伝導率、耐熱性、耐食性、高強度等、多くの機能を有しています。その一方、酸化ジルコニウムは、温度変化によって結晶構造が変化し体積変化も伴うため、劣化しやすいです。
室温では最も安定な単斜晶の結晶構造を形成していますが、温度を上げていくと正方晶、立方晶へと順次変化していきます。この結晶構造変化による体積変化を抑えるために、 (Y2O3) 、酸化カルシウム (CaO) 、 (CeO2) 、 (MgO) などの酸化物が安定化剤として用いられます。
酸化物を酸化ジルコニウムに添加し反応させ、結晶構造中に固溶させることで、立方晶の室温での安定的な存在が可能です。なお、室温で立方晶が安定となった酸化ジルコニウムを混合する安定化剤の添加量によって、安定化、もしくは部分安定化ジルコニアと呼びます。安定化剤の影響で酸素空孔が形成されるため、酸素イオンの良導体となります。
製造方法
酸化ジルコニウムの製造方法は、主に湿式精製法と乾式精製法の2種類があります。どちらもジルコン、ハデライトなどのジルコニウム鉱石が原料です。湿式精製法での最初の工程は、選別した鉱石を苛性ソーダで溶融した後、で分解、濃縮する工程です。
さらに、水洗、濾過などの工程を経て、得られた水酸化ジルコニウムを焼成、粉砕することで酸化ジルコニウム粉末を製造します。一方の乾式精製法では、鉱石を粉砕して不純物を除去した後、選鉱を繰り返し行うことで、純粋な酸化ジルコニウムを製造します。
製造方法
ジルコニウムは金属で原子同士が金属結合で結び付けられているのに対して、酸化ジルコニウムはセラミックスで金属結合より強固な共有結合で原子同士が結び付けられています。結合様式の違いにより、ジルコニウムと比較して以下のような優れる特性を持ちます。
腐食しにくい
ジルコニウムは環境中の酸素や硫黄などの腐食性の元素と結合しやすく、比較的容易に腐食してしまいますが、酸化ジルコニウムはほとんど腐食することがありません。
高硬度で耐熱性に優れている
酸化ジルコニウムは金属結合よりも強い共有結合で形成されているので、非常に硬く丈夫で変形しづらく、また融点も1,855℃と高温であることからも耐熱性にも優れています。
参考文献
酸化ジルコニウム 上流と下流の製品情報
原材料
準備製品