JP2001158613A - 低級酸化ケイ素粉末及びその製造方法 - Google Patents
低級酸化ケイ素粉末及びその製造方法Info
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Abstract
性度の高い低級酸化ケイ素粉末を提供することである。
また、そのような耐酸化性と活性度の高い低級酸化ケイ
素粉末を容易に製造すること。 【解決手段】比表面積が10m2/g以上で、アスペク
ト比2以上の針状粒子の含有率が30%以上であり、し
かもSiOx(1.00<x≦1.40)組成を有する
ものであることを特徴とする低級酸化ケイ素粉末。酸化
性指数が10%以下で、活性度が90%以上であり、し
かもSiOx(1.00<x≦1.40)組成を有する
ものであることを特徴とする低級酸化ケイ素粉末。低級
酸化ケイ素粉末の製造方法。
Description
に好適なSiOx(1.00<x≦1.40)組成を有
する低級酸化ケイ素粉末及びその製造方法に関する。
成を有する低級酸化ケイ素粉末は、光学レンズの反射防
止等の保護膜や食品包装用のガスバリヤーフィルムの蒸
着原料としての用途がある。
シリコン、又はシリコンとシリカの混合物を真空中で高
温加熱してSiO蒸気を発生させ、それを冷却、凝縮し
て製造する方法が知られている。しかしながら、この方
法で得られる粉末は塊状粉であるので、比表面積が10
m2/g以上の微粉末とするには粉砕が必要となり、そ
の際に、酸素や、Fe、Cr、Mn等の陽イオン金属不
純物によって汚染されやすい。また、この粉砕粉は、蒸
着に必要な加熱温度が1300℃前後と比較的高いの
で、高温高真空処理によって発生した蒸着ガスが上記不
純物で汚染されるという問題がある。そのうえ、この製
法においては、大型の真空高温炉が必要となるため、設
備コストが高くなると共に、シール状態が悪いとSiO
xのx値が高くなるということも問題である。
素粉末の製造方法も提案されている。例えば、特開昭5
9−8613号公報には、高温減圧下で生成させたSi
O蒸気を断熱膨張急冷することによって、平均粒径1μ
m以下の超微粉低級酸化ケイ素粉末を製造することが知
られている。しかしながら、このような超微粉は、非常
に活性であり、大気中に取り出すと直ぐに酸化燃焼して
二酸化ケイ素SiO2となるので、それを阻止するた
め、その表面を窒化、炭化、酸化等の処理を行って安定
化させている。そのため、結局は高い蒸着温度が必要に
なっている。
酸化物原料粉末を炭化水素ガス−酸素ガスの不完全燃焼
炎を通過させることによって、超微粉の低級金属酸化物
の製造方法が記載されている。しかし、この方法では、
不完全燃焼状態で炭素ラジカルを発生させている点と、
酸化物原料粉末が還元性ガスによる滞留時間の短い固気
反応であるという点から、得られた低級酸化物には、必
然的に炭素、金属炭化物等の不純物が混入し、これまた
蒸着原料としては適切ではない。
てなされたものであり、その目的は、微粉末にして耐酸
化性に優れ、蒸発の容易な活性度の高い低級酸化ケイ素
粉末を提供することである。また、本発明の別の目的
は、そのような耐酸化性と活性度の高い低級酸化ケイ素
粉末を容易に製造することである。
表面積が10m2/g以上で、アスペクト比2以上の針
状粒子の含有率が30%以上であり、しかもSiOx
(1.00<x≦1.40)組成を有するものであるこ
とを特徴とする低級酸化ケイ素粉末である。また、本発
明は、酸化性指数が10%以下で、活性度が90%以上
であり、しかもSiOx(1.00<x≦1.40)組
成を有するものであることを特徴とする低級酸化ケイ素
粉末である。更に、本発明は、シリカと、金属シリコン
及び/又は炭素とを含む混合原料を、少なくとも8×1
04Pa以上の非酸化性かつ非窒化性雰囲気下で高温処
理してSiO含有ガスを生成させ、それを1000℃/
秒以下の冷却速度かつ0.2m/秒以上の流速で冷却
し、SiOx(1.00<x≦1.40)組成を有する
微粉末を析出させることを特徴とする低級酸化ケイ素粉
末の製造方法である。
説明する。
が10m2/g以上、好ましくは30m2/g以上、特に
好ましくは50m2/g以上である。比表面積が10m2
/g未満であると、蒸着温度が高くなり、炉内からの不
純物混入や、装置上の制限が大きくなる。
の一つは、その形状にあって、粒状、破砕状、球状、塊
状ではない、アスペクト比2以上の針状粒子を含んでい
ることである。その含有率は30%以上、好ましくは5
0%以上、特に好ましくは70%以上である。針状粒子
のアスペクト比が2未満又はその含有率が30%未満で
あると、比表面積10m2/g以上としたときに、高い
活性度を示しても、耐酸化性に劣り、蒸着原料としては
不適切となる。
は、その構造をSiOxと仮定した場合、1.00<x
≦1.40であることが必要である。x値が1.00で
は比表面積10m2/g以上の低級酸化ケイ素粉末を得
ることが困難となり、また1.40をこえると、蒸着原
料としての活性度が著しく低下する。好ましくは1.0
5<x<1.35であり、特に好ましくは1.08<x
<1.15である。
状粒子のアスペクト比とその含有率、及びSiOxのx
値は、以下のようにして測定され、また低級酸化ケイ素
構造は以下のとおりである。
率 アセトン溶媒に極微量の試料を超音波分散させ、その希
薄溶液をメンブランフィルターで吸引ろ過して粉末を分
散状態にして乾燥する。その後、フィルターに付着した
ままの粉末を走査型電子顕微鏡で写真撮影する。得られ
た写真を画像解析処理装置(例えば日本アビオニクス社
「SPICCA−II」)に取り込み、各粒子のアスペク
ト比を計測し、アクペクト比2以上の粒子の割合(面
積)を統計処理する。その際、取り込まれた画像は粉末
の分散状態によって粒子の輪郭が切れていたり、粒子同
士が連結しているときは、手動修正を行う。
6」)を用いて、酸素量(%)を測定し、式、x=
(1.75×酸素量/100)/{1−(酸素量/10
0)}に従って算出する。
2の混合物ではなく、非化学量論的化合物の酸化ケイ素
であり、X線光電子分光法分析を行うと、Siの結合エ
ネルギー位置が、SiやSiO2のそれとは異なるこ
と、具体的には、SiとSiO2の結合エネルギーは、
それぞれ約1.59×10-17J、約1.68×10-17
Jであるが、その間の約1.64×10-17J近傍のみ
に単独ピークを見いだせることによって確認することが
できる。また、蛍光X線法によっては、Si以外の金属
成分が検出されないものであることが好ましい。
て説明すると、それは、酸化性指数が10%以下、好ま
しくは5%以下、特に好ましくは2%以下であり、活性
度が90%以上であり、しかもSiOx(1.00<x
≦1.40)組成を有する低級酸化ケイ素粉末である。
値が既知の試料約10gを空気中、温度500℃で10
分間加熱処理を行ってからx値を測定し、その増加値を
求める。それを試験前のx値に対する百分率(%)とし
て算出された値である。
力0.05Pa、温度1200℃で10分間保持して試
料を蒸発させ、その残存量を測定する。それを試験前の
質量に対する百分率(%)として算出された値である。
る。
合原料については特に限定はされないが、反応性を考慮
するとその粒度は10mm以下、特に3mm以下である
ことが好ましい。また、その純度は高いほど望ましい
が、95〜99%程度のものでもよい。シリカと金属シ
リコンの混合比率についてはモル%で50:50が最も
好ましいが、炉内温度や雰囲気等の炉内条件でその最適
比率が変化するので、概ねモル%で80:20〜40:
60の範囲とすることが好ましい。
ンと同程度の粒度を有するコークス等の炭素に置き換え
てもよい。
スを生成させる反応室と、低級酸化ケイ素粉末を生成さ
せる析出室と、それを捕集する捕集室とから構成され
る。
×104Pa以上の非酸化性かつ非窒化性雰囲気下で、
高温処理してSiO含有ガスを生成させる。その装置と
しては、電気抵抗式加熱炉、高周波炉、アーク炉等の電
気炉が好ましく、特に電気炉の場合、エネルギー効率の
面より通電加熱とアーク放電加熱を併用することが好ま
しい。加熱温度は、SiOガスの発生効率を考慮し、1
700℃以上、特に2200℃以上が好ましい。170
0℃未満ではシリカが金属シリコン及び/又は炭素で還
元され難く、SiOの発生量が極端に少なくなる。
は、SiOガスの酸化又は窒化を阻止するためである。
具体的には、水素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスの
雰囲気とする。
ス圧を8×104Pa以上にした理由は、8×104Pa
未満では針状粒子の得られる割合が極端に低くなり、1
×104Paまで減圧すると針状粒子が生成しなくなる
からである。
Oガスを、例えばその上部に設けた導管を通して析出室
に導き、冷却させて低級酸化ケイ素粉末を析出させる。
針状粒子を得るためには、反応室から析出室への冷却速
度を1000℃/秒以下にする必要がある。冷却速度が
1000℃/秒をこえると、粒状となる。冷却速度は導
管近傍の反応室温度と析出室温度との温度差△Tを導管
内を通過する時間で除して求める。通過時間は、原料の
反応量及び希釈ガス量から求められる全ガス量と導管内
の平均温度から通過するガスの体積を求め、導管の断面
積から流速を、また導管の長さより通過時間を求める。
であり、0.2m/秒以上が必要で、これより流速が遅
くなると導管で閉塞したり、比表面積の小さい塊状物が
生成したりする。また、導管入り口温度が1600℃以
下であると、導管での閉塞が起こり易くなるので注意が
必要である。
ロワーで吸引し、その途中に設けたバグフィルター等で
捕集する。この場合、500℃以下の温度であれば酸化
性又は窒化性雰囲気に関係なく捕集することができる。
ミナ製又はステンレス製で外部水冷構造であることが好
ましい。
本発明を説明する。
2mm)をモル%で50:50の割合で混合し、100
KVAの単相アーク炉内に20kg充填し、流量10・
/minのアルゴンガスで炉内雰囲気を置換し、ブロワ
ーで9.5×104Paの圧力になるよう調整して加熱
した。加熱は、アーク放電加熱と通電加熱を併用して行
い、炉内温度を2600℃以上に調整した。
20cmのジルコニア製導管を通して析出室へ吸引・導
入し、更にバグフィルターで生成粉末を捕集した。析出
室はSUS304製の容器であり、外部水冷及びアルゴ
ンガスを導入することによって所定の温度で冷却した。
示す。更に、バグフィルターで捕集された粉末と配管に
付着していた粉末の全質量を測定し、SiOガスが発生
した時間から単位時間当たりのSiOガス発生量、アル
ゴンガスをも含んだ導管中でのガス流速、及びガス流
速、導管長、導管両端での温度差から計算される導管中
での冷却速度を求めた。これらの結果についても表1に
示す。
て、X線光電子分光法(島津製作所「ESCA750」
と蛍光X線法により分析を行ったところ、SiとSiO
2の混合物ではなく、非化学量論的化合物のSiOx構
造であることを確認した。また、捕集粉末のBET比表
面積、針状粒子のアスペクト比とその含有率、及びSi
Oxのx値、低級酸化ケイ素構造を、上記に従って測定
した。それらの結果を表2に示す。また、走査型電子顕
微鏡写真を図1に示す。
外は、実施例1と同じ条件で低級酸化ケイ素粉末を製造
した。
気圧を8.5×104Pa(実施例5)、7.0×104
Pa(比較例4)に制御したこと以外は、実施例1と同
じ条件で低級酸化ケイ素粉末を製造した。
ス(比較例5)を用いたこと以外は、実施例1と同じ条
件で低級酸化ケイ素粉末を製造した。
された実施例1〜6の低級酸化ケイ素粉末は、いずれも
比表面積が10m2/g以上で、アスペクト比2以上の
針状粒子の含有率が30%以上であり、しかもSiOx
(1.00<x≦1.40)組成を有するものであるこ
とがわかる。
れた粉末について、酸化性指数と活性度を上記に従い測
定した。それらの結果を表3に示す。
実施例1〜6の低級酸化ケイ素粉末は、いずれも酸化性
指数が10%以下で、活性度が90%以上であり、しか
もSiOx(1.00<x≦1.40)組成を有するも
のであり、耐酸化性と活性度のいずれもに優れていた。
微粉末にして耐酸化性に優れ、蒸発の容易な活性度の高
いものとなる。また、本発明の低級酸化ケイ素粉末の製
造方法によれば、そのような耐酸化性と活性度の高い低
級酸化ケイ素粉末を容易に製造することができる。
電子顕微鏡写真である。写真中に示されたアンダーバー
が100nmである。
Claims (3)
- 【請求項1】 比表面積が10m2/g以上で、アスペ
クト比2以上の針状粒子の含有率が30%以上であり、
しかもSiOx(1.00<x≦1.40)組成を有す
るものであることを特徴とする低級酸化ケイ素粉末。 - 【請求項2】 酸化性指数が10%以下で、活性度が9
0%以上であり、しかもSiOx(1.00<x≦1.
40)組成を有するものであることを特徴とする低級酸
化ケイ素粉末。 - 【請求項3】 シリカと、金属シリコン及び/又は炭素
とを含む混合原料を、少なくとも8×104Pa以上の
非酸化性かつ非窒化性雰囲気下で高温処理してSiO含
有ガスを生成させ、それを1000℃/秒以下の冷却速
度かつ0.2m/秒以上の流速で冷却し、SiOx
(1.00<x≦1.40)組成を有する微粉末を析出
させることを特徴とする低級酸化ケイ素粉末の製造方
法。
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