(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リン酸イットリウム化合物の合成方法であって、
（ａ）０．１ｇ／ｌ未満の溶解度を有するイットリウム化合物の水性スラリーを形成する工程と、
（ｂ）前記スラリーにリン酸を加えて、リン酸イットリウム化合物を形成する工程であって、加えるリン酸の量が、工程（ａ）のイットリウム化合物のすべてをリン酸イットリウム化合物へと転化するのに必要とされる化学量論的量よりも少なくなっている工程と、
（ｃ）前記スラリーに、イットリウムと共に水溶性の塩を形成する無機酸を加える工程と、
（ｄ）前記スラリーを、固体のリン酸イットリウム化合物と水相に分離する工程と、
を順に有してなる方法。
【請求項２】
（i）工程（ａ）において、前記イットリウム化合物が酸化イットリウムである、及び／または
（ii）工程（ｂ）において加える前記リン酸の量が、前記スラリー中に存在する前記イットリウム化合物の量よりも１．５モル％少ない、及び／または
（iii）工程（ｃ）において、前記無機酸が硝酸である、及び／または
（iv）工程（ｄ）において、前記固体のリン酸イットリウム化合物がチャーチ石の結晶構造を呈する、
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
工程（ｄ）の前記固体のリン酸イットリウム化合物を乾燥させる、または洗浄及び乾燥させる工程をさらに有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
（i）前記乾燥が、３００℃よりも高く、１，０００℃未満の温度で行なわれ、及び／または
（ii）前記乾燥が、３００℃よりも高く、５００℃未満の温度で行なわれ、及び／または
（iii）前記乾燥させた、または洗浄及び乾燥させたリン酸イットリウム化合物が、ゼノタイムの結晶構造を呈する、及び／または
（iv）前記乾燥させた、または洗浄及び乾燥させたリン酸イットリウム化合物が、単相のリン酸イットリウム化合物である、及び／または
（v）前記乾燥させた、または洗浄及び乾燥させたリン酸イットリウム化合物が、化学式：
ＹaＰＯ4
を満たし、ａが１．０００より大きく１．００５以下の範囲である、及び／または
（vi）前記乾燥させた、または洗浄及び乾燥させたリン酸イットリウム化合物が、化学式：
ＹaＰＯ4
を満たし、ａが１．０００より大きく１．００２５以下の範囲である、及び／または
（vii）前記乾燥させた、または洗浄及び乾燥させたリン酸イットリウム化合物が、粒子の形態である、及び／または
（viii）前記乾燥させた、または洗浄及び乾燥させたリン酸イットリウム化合物が、糸状に織り合わされた結晶のリン酸イットリウム化合物を含む、粒子の形態である、及び／または
（ix）前記乾燥させた、または洗浄及び乾燥させたリン酸イットリウム化合物が、糸状に織り合わされた結晶のリン酸イットリウム化合物を含む、粒子の形態であり、前記方法が、前記糸状に織り合わされた結晶のリン酸イットリウム化合物からナノサイズの粒子を形成する工程をさらに含む、
ことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
鉱物チャーチ石の結晶構造を有する、水和されたリン酸イットリウム化合物を含む組成物であって、前記水和されたリン酸イットリウム化合物が、化学式：
ＹaＰＯ4・ｎＨ2Ｏ
を満たし、ａが１．０００より大きく１．００５以下の範囲であることを特徴とする、
組成物。
【請求項６】
鉱物チャーチ石の結晶構造を有する、水和されたリン酸イットリウム化合物を含む組成物であって、前記水和されたリン酸イットリウム化合物が、化学式：
ＹaＰＯ4・ｎＨ2Ｏ
を満たし、ａが１．０００より大きく１．００２５以下の範囲であることを特徴とする、
組成物。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本願は、参照することによりその内容全体が援用される、２００６年６月５日出願の米国仮特許出願第６０／８１１，２２２号の米国特許法１１９条（ｅ）に基づく利益を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、一般に、リン酸イットリウム及びその工業規模での製造方法に関し、具体的には、ゼノタイム結晶構造を有する、純相または単相のリン酸イットリウム、及び、極度の高温を用いずにそれを合成する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
近年、多くの研究者が、セラミック材料の分野におけるリン酸イットリウムの使用を検討している。リン酸イットリウムは、セラミックマトリックス複合材料における繊維−マトリックス界面として、及び、熱保護のためのコーティングとして、ラミネート複合材における使用に有用であるように思われる。高温での曝露における膨張に対する耐性の理由から、特に、コーティングとして有用であると考えられている。
【０００４】
さまざまな研究者によって、費用のかかる高温での固相反応及び湿性の化学沈殿を経た、リン酸イットリウムの合成が報告されているが、いずれも、工業用途の大量のリン酸イットリウムが得られるとは思えない。さらには、利用されるリン酸イットリウムが第２相及び他の不純物を含まないことは、セラミック材料の加工分野において非常に重要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、大量の純相または単相のリン酸イットリウム、特に、ゼノタイムの結晶構造を有するリン酸イットリウムを合成する、比較的安価な方法の開発が明らかに必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にしたがって、比較的低温の工程を用いて、ゼノタイムの結晶構造を有する純相のリン酸イットリウムを合成できることが見出されたのだが、この工程は、水中で、固体及び比較的不溶性のイットリウム化合物、好ましくは酸化イットリウムのスラリーを形成することによって開始される。次に、リン酸を、リン酸イットリウムを形成するのに必要とされる化学量論的量よりも少ない量でスラリーに加える。よって、スラリー中のリン酸に対するイットリウムのモル比は１．０よりも大きい。次に、無機酸、好ましくは硝酸をスラリーに加え、過剰のイットリウム化合物と反応させ、それによって、水溶性のイットリウム塩を形成する。イットリウム化合物とリン酸との反応によって形成される固体のリン酸イットリウムは、実質的に、余分なリン酸及びイットリウム化合物を含んでおらず、これを、次に、スラリーから取り出し、洗浄して可溶性の不純物を除去し、通常、１０００℃をかなり下回る温度で乾燥させる。結果として得られた物質は、未反応のイットリウム化合物及びリン酸が存在せず、リン酸イットリウムの他の形態を含まない、ゼノタイムの結晶構造を有する単相または純相のリン酸イットリウムである。
【発明の効果】
【０００７】
この純相のリン酸イットリウムを、１０００℃を上回る温度を使用する必要なしに作ることができるという事実は、本発明にかかる方法の使用が実質的なコスト削減になるということを意味している。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】リン酸を加え、濾過し、１０００℃で乾燥後の進行度試験から得られた試料のＸ線回折パターン。
【図２】鉱酸と反応させ、洗浄し、１０００℃までの温度で乾燥後の単相のリン酸イットリウムへの転換を示す、Ｘ線回折パターン。
【図３】図１及び２と同一試料で行った熱重量分析（ＴＧＡ）及び示差走査熱量測定試験の画像。
【図４】図１及び２と同一試料で行った熱重量分析（ＴＧＡ）及び示差走査熱量測定試験の画像。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
工業規模のリン酸イットリウムを製造するための本発明の方法における最初の工程は、イットリウム化合物を含むスラリーの形成である。比較的水に不溶性である、任意の固体のイットリウム化合物を使用することができる。典型的には、イットリウム化合物は約０．１ｇ／ｌ未満の溶解度を有するであろう。使用可能なイットリウム化合物の例としては、酸化イットリウム、炭酸イットリウム、重炭酸イットリウム、及び水酸化イットリウムが挙げられる。一般に、十分な固体のイットリウム化合物を水と混合し、得られたスラリーが約０．５〜５０重量％、好ましくは約３．０〜２０重量％、さらに好ましくは約５〜１５重量％の固形物を含むようにする。
【００１０】
イットリウム化合物の水性スラリーを強攪拌すると同時に、リン酸を加えてリン酸イットリウムを形成させる。化学量論的量のリン酸を使用すると、非ゼノタイム型のリン酸塩のみならず、未反応のイットリウム化合物及び未反応のリン酸を含んだリン酸イットリウムが形成されてしまうことが判明した。この不純物の混じったリン酸イットリウムは、未反応のイットリウム化合物の被包化及びリン酸の解離の遅延による不完全な反応に起因すると理論付けられる。意外にも、必要とされる化学量論的量よりも少なく加えられている、リン酸の量の制限が、結果的に、ゼノタイムの鉱物構造を有する純粋な単相のリン酸イットリウムを形成する結果となることが判明した。よって、リン酸を、リン酸イットリウムの形成に必要とされる化学量論的量よりも少ない量で、イットリウム化合物の水性スラリーに加える。
【００１１】
スラリーを連続的に攪拌し、典型的には約２０℃〜約７０℃の範囲の温度を維持しつつ、一般に、リン酸の７５〜８５重量％溶液を約１５分〜約９０分かけてスラリーに加える。スラリーに加えるリン酸の量は、通常、スラリー中に存在するイットリウム化合物の量よりも約１．５モル％少ない。使用するイットリウム化合物が酸化イットリウムの場合、反応が起こり、リン酸イットリウム、少量の酸化イットリウム、少量の表面吸着したリン酸、及び水を形成する。形成されたリン酸イットリウムは、スラリー中のおよそ９５．５％の固形部分を含む。
【００１２】
過剰の酸化イットリウム及びリン酸をスラリー中の固形物から除去するため、少量の無機酸をスラリーに加える。酸がイットリウム化合物及びリン酸をリン酸イットリウムから放出させ、リン酸が消費されるまで、それら自体を反応させる。１．５モル％過剰のイットリウム化合物は酸と反応して、スラリー中の水相に溶解する、可溶性のイットリウム塩を形成する。酸化イットリウムをイットリウム化合物として使用し、硝酸を無機酸として使用する場合は、反応が水溶性の硝酸イットリウムを提供し、これが残存するリン酸と結合して、水溶液中の少量の硝酸イットリウムと共に、リン酸イットリウムの固形物を生成する。
【００１３】
リン酸イットリウムは、本方法におけるこの時点では、鉱物チャーチ石（水和したリン酸イットリウム）の結晶構造を有しているが、これを次に、濾過、遠心分離、または他の液体−固体分離技術によって水相から分離する。
【００１４】
例証の目的で硝酸を使用しているが、通常は、多くの他の無機酸を用いて過剰のイットリウム化合物を可溶化し、沈殿したリン酸イットリウムからそれらを除去することができる。このような酸の例として、臭化水素酸、ヨウ化水素酸、及び硫酸が挙げられる。
【００１５】
リン酸イットリウムをスラリーの水相から取り出してすぐに、通常は、水で洗浄し、残存する水溶性の不純物を除去し、次に、１０００℃未満の温度で乾燥させる。水性スラリーから取り出したリン酸イットリウムは、超高純度の鉱物チャーチ石の単相の針状結晶であり、未反応の構成物質及び非チャーチ石型のリン酸イットリウムを実質的に含まないことが判明した。乾燥工程は、チャーチ石からゼノタイムの結晶構造にリン酸イットリウムを転化する際に水分を飛ばすのに必要とされるだけであって、未反応のイットリウム化合物、リン酸、または他の不純物を分解するのではない。チャーチ石からゼノタイムの結晶構造への転化は、およそ３００℃で起こる。この観点から、約３００℃〜９００℃、好ましくは５００℃未満の比較的低温でリン酸イットリウムを乾燥させることにより、相当なコスト削減をもたらすことができる。
【００１６】
乾燥工程から回収されたリン酸イットリウムは、実質的に、純粋な単相の、ゼノタイムの結晶構造のリン酸イットリウムである。分子式はＹaＰ０4であり、ａは１．０００〜１．００５の範囲である。存在するイットリウムの量は、化学式ＹＰ０4に基づいて、０．２５モル％過剰のＹを上回らない。形成されたリン酸イットリウムの粒子は針状であり、細かい結晶が糸状に織り合わされた柔らかい塊の形態に見える。塊は、容易にバラバラに広がり、ナノサイズの粒子を形成する。
【００１７】
本発明の性質及び目的物について、以下の例によってさらに例証するが、これらは例示の目的でのみ提供され、特許請求の範囲によって定義される本発明を制限するものではない。例は、鉱酸の使用による、過剰の酸化イットリウムを溶解させ、純相のリン酸イットリウムを形成する効果を示す。
【００１８】
図１、すなわち、試料ＤＷ−１５−１２７−１のＸＲＤパターンは、固体材料、主にリン酸イットリウムを、少量の酸化イットリウムの存在と共に示す。試料は、リン酸を加え、濾過し、１０００℃で乾燥後の進行度試験から得られた。
【００１９】
図２、すなわち、ＤＷ−１５−１２７−３のＸＲＤパターンは、ＤＷ−１５−１２７−１に示す物質から、鉱酸と反応させ、洗浄し、１０００℃までの温度で乾燥後の単相のリン酸イットリウムへの転換を示す。
【００２０】
図３及び４は、図１及び２と同一試料で行った、熱重量分析（ＴＧＡ）及び示差走査熱量測定試験の画像である。図３及び４は、さらなる相変態がないことから、相の純粋性を追認している。
【００２１】
本発明を例示の目的で詳細に説明してきたが、これらの詳細な記述は、もっぱら説明を目的とするものであって、添付の特許請求の範囲に定義される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者によって、本発明に変更をなしうるものと理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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