JP2005028356A - 複合粒子の製造方法、並びにその方法により製造された複合粒子 - Google Patents

Abstract

【課題】 一又は複数種の微細な粉末粒子からなる造粒物としての複合粒子を効率よく得ることを目的とする。
【解決手段】 一又は複数種の１μｍ以下のナノサイズの粉末粒子が混合された状態の被処理物４に対して圧縮力と剪断力を付与させることで、各ナノサイズの粉末粒子が互いに混在し合った造粒物としての複合粒子を形成させることができ、これによって、性状や物性の異なる粉末材料の組合せに伴う様々な特性と用途を有する複合粒子を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、粉末冶金、セラミックス、磁石などの焼結材料、粉体塗料、ハイブリット樹脂、薬品、その他各種工業分野において使用される造粒物としての複合粒子の製造方法に関する。

従来、微細な粉末粒子を造粒して所望の大きさの粒子を製造する方法として、パドルやスクリューなどの攪拌部材を用いて粉末にバインダを添加し、攪拌、混合、混練などを繰り返し付与して造粒する機械的方法（特許文献１参照）、あるいは流動状態の粉末にバインダを噴霧して造粒する方法（特許文献２参照）、また懸濁化した液状原料を噴霧し乾燥させつつ造粒成長させて造粒物を得る方法（特許文献３参照）がある。

特公平６−２２６６７号公報 特開平６−９１１５１号公報 特開平１１−３１９５３４号公報

しかし、これらの方法では造粒できる粉末粒子の大きさは数μｍ程度が限度で、１μｍ以下の微細な粉末粒子を結合させて造粒化することは困難であった。
本発明は、この点に鑑み、微細な粉末粒子であっても各粒子が均一に分散し混在する造粒化された複合粒子を効率よく得ることを目的とするものである。

第１の発明に係る複合粒子の製造方法は、一又は複数種の粉末材料を混合状態において圧縮力と剪断力を付与させて、前記一又は複数種の粉末材料の粉末粒子同士を結合させて造粒化させるものである。
本発明を実施するには、例えば図１や図２に示すような粉体処理装置を使用することによって効率良く所望の製品を得ることができる。なお、図１の粉体処理装置は通常バッチ運転を行うもので、１回毎に原料の供給と処理製品の排出を行い、運転中は製品の取り出しは行わない構造になっている。図２に示す粉体処理装置では、原料の供給と共に処理製品の排出をも行うことができ、連続運転が行えるようになっている。

〔作用効果〕第１の発明に係る複合粒子の製造方法は、造粒物としての複合粒子の形成を攪拌混合状態の一又は複数種の粉末材料に対して圧縮力と剪断力を付加することによって行うことである。本発明では、一又は複数種の粉末材料を攪拌混合させつつ圧縮力と剪断力を同時にかつ繰り返し加えることで粉末材料の各粒子が全域に分散し均一に混在し合った状態が形成できる。例えば、双方の粉末粒子径に大きな差がある場合でも、強力な分散作用によって微細な小径粒子の凝集塊は解かれ単粒子化されると、小径粒子は大径粒子の表面に付着するとともに圧縮力と剪断力を受けてその表面に固定または結合されて複合化された粒子が形成される。そして、この複合粒子を均一に分散することで極めて微細な粒子であっても略均一に分散されたことになり、該複合粒子同士を造粒化させて複合粒子を形成することができる。

また、本発明の複合粒子の製造方法では、粉末材料の種類、性状、大きさ等によって一部の粉末粒子が特定の位置に集中するように設計された造粒粒子を作成することも可能である。例えば、処理段階においては、粉末材料の供給を段階的に行うことで特定の粉末材料の粒子を他の粉末材料の粒子で挟み込む、いわゆるサンドイッチ構造のような多層構造の造粒粒子を作成することもできる。さらに、本発明では、圧縮力と剪断力の付与に加え攪拌混合作用によって複合粒子を球形化させる効果も有する。

本発明の複合粒子の製造方法では、製造される造粒物の硬さや結合度合いは、粉末材料以外ではバインダの種類と量、圧縮力および剪断力の程度によって決定される。なお、粉末材料の種類によっては複合粒子へのバインダの添加を不要にしたり、添加量を極力抑えることも可能で、バインダ等の別物質の混入を好まない場合にも十分適用できる。

第２の発明に係る複合粒子の製造方法は、第１の発明に係る複合粒子の製造方法の優れた特徴として、粉末粒子の粒径が１μｍ以下のナノサイズの粒子であっても良好な造粒物としての複合粒子を製造できるものである。

〔作用効果〕粉末粒子の粒径が１μｍ以下の粉末材料は、各粒子が単一に分散していることはなく、通常凝集し合って凝集塊になっているのがほとんどである。したがって、従来の攪拌式造粒機ではこれら凝集塊を解して単粒子にすることも、これらを均一に分散させることも困難であった。これに対し、本発明では、１μｍ以下のナノサイズの粉末粒子であっても混合状態において強力な圧縮力と剪断力とを付与させることで凝集塊は解され単粒子化され、かつ粒子レベルでの精密混合が行われ、さらに強力な圧縮力と剪断力を繰り返し受けて粒子同士の結合が進み造粒化される。ここで精密混合とは、異種の原料を単一粒子レベルで均一に分散させた状態に混合することをいう。

第３の発明に係る複合粒子は、第１ないし第２の発明に係る複合粒子の製造方法によって製造された複合粒子であり、一又は複数種の粉末材料を混合状態において圧縮力と剪断力を付与させることによって、当該粉末材料の粒子同士が互いに均一に混在し合って結合され、微細な各粒子が精密混合される中できわめて緻密にかつ満遍なく分散されて造粒化された造粒物である。

〔作用効果〕本発明による複合粒子は、一又は複数種の粉末材料の各粒子が均一に分散して互いに固着あるいはバインダを介して結合させることにより、適度な結合度合いを有する造粒化された微細な複合粒子である。本複合粒子の材料物質としては、無機、有機、金属を挙げることができる。また、粉末材料の性状としては、粉体材料のほかには懸濁液のような液状材料も適用できるので、使用目的および用途に適応した最適な造粒物としての複合材料を提供することができる。例えば、数ｎｍの微細な粉末粒子と数十ｎｍの粉末粒子とを本発明により造粒して数μｍの複合粒子を得ることも可能で、この粉末粒子は一種または複数種でも可能である。造粒品の粒度は自在に制御可能で、造粒品の結合度合いをバインダの有無に関わらず調整できる。

また、本発明の複合粒子では、粉末材料の粒子同士をバインダを使用せずに結合させて造粒させる場合はバインダ成分が複合粒子に混入することがないので、食品や医薬製剤などの原料や製品としても利用分野を拡大できる。なお、複合化に当っては結合剤としてバインダを必ずしも加える必要はないが、造粒品の強度を高めたり、あるいは緩めたり、と造粒品の強度調整や造粒品の用途や適用範囲を広げる目的で必要に応じてバインダを加えることが好ましい。

第４の発明に係る複合粒子は、第３の発明に係る複合粒子に対し、該複合粒子を製造する際に粉末材料に有機溶剤や水などの液状物質を添加することによって極めて滑らかな表面を有するとともに、造粒物の強度が補強された複合粒子が得られる。

〔作用効果〕これは複合粒子を製造する際の粉末材料に有機溶剤や水などの液状物質を添加することによって、その後の圧縮力と剪断力を粉末粒子に付与する際に当該液状物質が分散剤や潤滑剤として作用し、大径粒子および造粒過程の複合粒子の表面に付着した微粒子が該大径粒子および複合粒子の表面部に擦り付けられて空孔および窪み部に押し込まれるものと推測される。こうした作用を繰り返し受けて造粒化された複合粒子は極めて表面が滑らかで光沢を有するとともに、空孔および窪み部に押し込まれた微粒子によって造粒物の強度が補強された状態になる。

第５の発明に係る複合粒子は、第４の発明に係る複合粒子において、有機溶剤の好適な具体例として、アルコール、エーテル、グリコール誘導体、ハロゲン化合物、芳香族炭化水素、脂肪族炭化水素、エステル類、ケトン類を使用するものである。

第６の発明に係る複合粒子は、第３〜第４の発明に係る複合粒子において、前記造粒化された造粒物を仮焼きして複合粒子とするものであり、仮焼きによって、造粒物として得られた複合粒子の利用可能な用途が拡大する。

以上のように、本発明によれば、一又は複数種の粉末材料粒子同士が均一に分散し混在し合った造粒物としての複合粒子を効率よく製造することができる。種類の異なる粉末材料を処理工程中に段階的に供給することで、多層構造の造粒化された複合粒子を得ることができる。しかも、粉末材料は凝集塊状態のままであっても優れた攪拌作用によって単粒子に分散され精密混合されるため、極めて緻密な造粒物を得ることができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１および図２は本発明に用いる粉体処理装置の概略を示す。図３〜図１４は本発明の実施により製造された複合粒子を示す。

（粉体処理装置）図１の粉体処理装置は、主に、基台１に設置した略円筒形状のケーシング２、および、当該ケーシング２の内部に設けた同じく略円筒形状の筒状回転体３、当該筒状回転体３との間に押圧力を発生させて被処理物４を処理すべく前記筒状回転体３の内部に配設したプレスヘッド５とからなる。前記筒状回転体３を回転させることで、当該筒状回転体３の内周面に形成した受け面６と前記プレスヘッド５とを相対回転させ、前記受け面６と前記プレスヘッド５との間の空間７に存する被処理物４に圧縮力および剪断力を付与して、前述のごとく原料どうしの複合化・混合・球状化等を行うのである。尚、本発明においては、これらの処理を総称してメカノフュージョン処理という。

前記プレスヘッド５によって圧縮力と剪断力を付与された前記被処理物４は、主に前記筒状回転体３の周壁８に設けた孔部９を介して外方に排出され、前記周壁８の外周部に形成した羽根部材１０によって再び前記筒状回転体３の内部に循環させる。本構成にすることで、プレスヘッド５と受け面６との間に挟まれた被処理物４を積極的に流動・循環させ、前記受け面６に対する被処理物４の付着量を少なくすることができる。尚、処理する材料の種類によっては、過大な圧縮力あるいは剪断力を加えると物性を損ねたりする場合がある。しかし、当該粉体処理装置のごとく、孔部９を介して被処理物４を循環させる構成の装置を用いることとすれば、被処理物４に作用させる圧縮力等を適宜加減することができる。例えば、前記孔部９の開口面積を広く設定しておけば、被処理物４は筒状回転体３の外部に容易に排出されるから、被処理物４に対するプレスヘッド５の作用時間が短かくなり、被処理物４に作用する圧縮力等が結果的に弱まることとなる。逆に、前記孔部９の開口面積を狭く設定しておけば、被処理物４に対するプレスヘッド５の作用時間が長くなり、前記圧縮力等は強まることとなる。このように、本構成の粉体処理装置を用いる場合には、被処理物４に作用させる圧縮力等を任意に変更して最適な粉体処理条件を得ることが可能であり、優れた品質の製品を得ることができる。

処理する材料によっては、粉体処理装置の内部を減圧したり所定のガス雰囲気にする場合がある。そのため、本発明に係る粉体処理装置では、例えば、ケーシング２と筒状回転体３の軸体３ａとの間、あるいは、ケーシング２とプレスヘッド５の支持杆５ａとの間にシール部材１１ａ，１１ｂを設けてある。

図２に示す粉体処理装置は、連続処理を可能とするもので、機台（図示省略）に固定された横型長胴のケーシング２２に対して、横向き状態の回転軸２０に支持されたプレスヘッド２５が複数個、回転軸２０の外周部に複数列に亘って配置されてケーシング２２の内面に沿って回転するように構成され、かつ原料の供給口と処理製品の排出口が前記回転軸２０の両端部側に配置されて構成されている点が異なるものの、プレスヘッド２５とケーシング２２の内面間で行われる作用効果は、図１の装置と同様である。図２に示すごとく、回転軸２０の長手方向に沿って隣接するプレスヘッド２５の間に、ケーシング２２の内面から突出すると共に回転軸２０の回転方向に延出するスリット板３０を設け、処理材料が回転軸２０の軸方向に移動するときの速度を抑えて機内での滞留時間を確保させるようにしている。同時に、スリット板３０にスリット状の開口３１を設け、処理材料の量に応じて軸方向の移動速度を調整できるようにしてある。

〔複合粉体〕本発明による複合粉体（複合粒子）の形態としては、(1)一種類の粉末粒子が粒子の形を保ったまま結合しているもの、(2)複数種の粉末粒子が一つの複合粒子中に均一に分散しているもの、(3)一又は複数種の粉末粒子で粒子間に相当な粒径差が有る材料の場合で、大き目の粒子が表面に微細な粒子を付着あるいは皮膜層を形成した状態で結合されているもの、(4)複合化された粉末粒子同士がさらに凝集結合しており、微細な粉末粒子が内部に閉じ込められているもの、(5)造粒化された粒子の表面に別の粉末粒子が被覆して皮膜層を形成するもの、(6)前記(5)の応用例で粉末材料を一定時間おいて段階的に添加して多層構造をもたせたもの、などの造粒物粒子がある。これらは、単に粒子の大きさや形状、粉末材料の種類等によって決定されるものではなく、粉末材料同士の組合せや処理装置の運転条件や設定条件によっても多様かつ多機能的な特性を有するものを製造することができる。

次に、本発明を実施して製造した複合粒子について説明する。
（実施例１）図３はＳｉＯ2の原料粉末（液相合成品）、図４は同原料粉末を前述の装置により造粒処理したもの、図５は図４のＡ部の複合粒子、図６は図４のＢ部の複合粒子をそれぞれ拡大した電子顕微鏡写真である。平均粒径８ｎｍの原料粉末粒子が造粒されて平均粒径約５０ｎｍの複合粒子に成長しており、原料中の微細粒子が姿を消し個々の中小の粒子が独立すると共に各粒子が球状化されているのが分かる。なお、実施例における当該装置の設定条件としては、回転容器の回転数は２５００ｒｐｍ、プレスヘッドと壁面との隙間は３ｍｍ、処理時間は４０分である。

（実施例２）図７はＡｌ2Ｏ3の原料粉末（液相合成品）、図８は同原料粉末を前述の装置により処理した造粒品の各複合粒子の電子顕微鏡写真である。原料粉末の平均粒径は約１９ｎｍ、複合粒子の平均粒径は１４μｍであり、原料粉末は空孔の多い粒子であるのに対し、処理された造粒品は緻密な粒子になっているのが分かる。装置の設定条件は、回転容器の回転数は２５００ｒｐｍ、プレスヘッドと壁面との隙間は３ｍｍ、処理時間は２０分である。その他の条件等は上記の実施例１と同様である。

（実施例３）図９はＡｌ2Ｏ3の原料粉末（液相合成品）、図１０は同原料粉末を前述の装置により造粒処理したもの、図１１は該造粒粒子を拡大した電子顕微鏡写真である。原料粉末の平均粒径は９ｎｍ、複合粒子の平均粒径は３０μｍであり、原料全体にわたって造粒化されている。実施例における当該装置の設定条件は、回転容器の回転数は２０００ｒｐｍ、プレスヘッドと壁面との隙間は３ｍｍ、処理時間は６０分で、その他の条件等は上記の実施例１と同様である。

（実施例４）図１２は、実施例３と同じ原料粉末にメタノールを添加して複合化処理した造粒品粒子の電子顕微鏡写真、図１３はメタノールに加えて水を添加して複合化処理した後に乾燥させた造粒品粒子の電子顕微鏡写真、図１４は図１３の造粒粒子の拡大写真である。このようにメタノール、水、その他の液状物質を添加して複合化処理することで当該液状物質が分散剤や潤滑剤として作用するので、非常に滑らかで光沢のある表面を持ち、また造粒物の強度が補強された粒子を製造することができる。また、有機溶剤としてメタノールやエタノール等のアルコール、エーテル、グリコール誘導体、ハロゲン化合物、芳香族炭化水素、脂肪族炭化水素、エステル類、ケトン類などが使用可能である。なお、実施例における当該装置の設定条件は、回転容器の回転数は２０００ｒｐｍ、プレスヘッドと壁面との隙間は１ｍｍ、処理時間は３０分である。その他の条件等は上記の実施例１と同様である。

以上の実施例に加え、今後の複合粒子を形成する際に考えられる二種類の粉末材料の組合せとその用途および期待される効果等を以下に列挙する。何れも粒子レベルでの精密混合により異種材料粒子が混在する緻密な組成物が形成されることで多様な特性を持った複合粒子が得られる。また、圧縮力と剪断力を付与する過程で混合造粒作用に伴い球状化されて充填性が向上するという効果も挙げられる。

（Ａ）粉末材料が金属の場合、溶融法とは結晶構造的には異なるものの、各種合金化も可能で、用途面では金属同士の特性を生かした傾斜機能材料、導電特性を生かした帯電防止剤として利用できる。なお、帯電防止剤としては、衣服や床材に着けたり、樹脂机に塗布したり表面にコーティングするなどして滑り効果を持たせることもできる。

（Ｂ）粉末材料が金属と無機材料の場合、金属は融点が低いため表面張力により緻密化し低温度での焼結が可能で、燒結体としてコアーの渦電流を低下させたり、燒結密度の向上のほか、耐熱性、耐食性、耐摩耗性の向上が図れ、傾斜機能材料、導電性材料、磁石材料などの用途に利用できる。

（Ｃ）粉末材料が金属と有機材料の場合、造粒後に仮焼してイオン交換剤や液状磁石、粉体塗料などの用途に利用できる。例えば、導電体材料として、電極バルク、フィルム、グリース等に、また熱伝導体材料として、フィルム、グリース等に利用できる。さらに、耐熱性、耐食性、耐薬品性などを持たせて、錆止材、カビ防止材、高強度材、難燃材、発光材料、電気絶縁材等の用途にも利用できる。

（Ｄ）粉末材料が共に無機材料の場合、造粒し仮焼し焼結して各種セラミック製品やフィラーとして利用できるほか、種々の材料素材として造粒による充填性改善の効果も期待できる。

（Ｅ）粉末材料が無機材料と有機材料の場合、造粒後に仮焼して有機物を除去することで、触媒、フィルター、脱臭剤、粉体塗料、高強度材、難燃材、発光材料、電気伝導材、二次電池の活物質材料、フィラーなどに利用できる。

（Ｆ）粉末材料が共に有機材料の場合、医薬製剤では徐放性や生体親和性とコントロールリリースを目的としたＤＤＳ（ドラッグ・デリバリー・システム）による医薬品への応用面での用途にも利用できる。また、ＰＰ＋ＰＥなど重合では使えない有機物として利用できる。

本発明に係る造粒物としての複合粒子は、粉末冶金、セラミックス、磁石などの焼結材料、粉体塗料、ハイブリット樹脂、薬品、その他各種工業分野において使用できる。

本発明の複合粒子は、微細な複合粒子であっても溶液やバインダなどを加える必要がないので、複合粒子にバインダなどの不要な成分が混入しない製品が得られ、医薬品や食品にも利用できる。

さらに、本発明は、造粒工程において適切なバインダを選択することで、材料の種類、組み合わせ、形状や性状を問わず処理工程を実施でき、所望の良好な複合粒子の製造を可能とし、製品の複合粒子は各種素材として様々な工業分野において利用される。

本発明の実施に用いる粉体処理装置の概要を示す正面断面図 本発明の実施に用いる別の粉体処理装置の概要を示す正面断面図 本発明の実施例１における原料粉末の顕微鏡写真 本発明の実施例１における複合粒子の顕微鏡写真 図４のＡ部の複合粒子を拡大した顕微鏡写真 図５のＢ部の複合粒子を拡大した顕微鏡写真 本発明の実施例２における原料粉末粒子の顕微鏡写真 本発明の実施例２における複合粒子の顕微鏡写真 本発明の実施例３における原料粉末の顕微鏡写真 本発明の実施例３における複合粒子の顕微鏡写真 図１０の複合粒子を拡大した顕微鏡写真 本発明の実施例４における複合粒子の顕微鏡写真 本発明の実施例４における別の複合粒子の顕微鏡写真 図１３の複合粒子を拡大した顕微鏡写真

符号の説明

１ 基台
２ ケーシング
３ 筒状回転体
４ 被処理物
５ プレスヘッド
６ 受け面
７ 空間
８ 筒状回転体の周壁
９ 孔部
１０ 羽根部材
２０ 回転軸
２２ ケーシング
２５ プレスヘッド
３０ スリット板
３１ 開口

Claims (6)

1. 一又は複数種の粉末材料を混合状態において圧縮力と剪断力を付与させて、前記一又は複数種の粉末材料の粉末粒子同士を結合させ造粒化させることを特徴とする複合粒子の製造方法。
2. 前記粉末粒子の粒径が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の複合粒子の製造方法。
3. 一又は複数種の粉末材料を混合状態において圧縮力と剪断力を付与させて、前記一又は複数種の粉末材料の粉末粒子同士を結合させ、各粉末粒子が均一に分散し混在する造粒物として得られた複合粒子。
4. 前記粉末材料に圧縮力と剪断力を付与させる前に有機溶剤や水等の液状物質を添加して造粒化させた請求項３記載の複合粒子。
5. 前記有機溶剤として、アルコール、エーテル、グリコール誘導体、ハロゲン化合物、芳香族炭化水素、脂肪族炭化水素、エステル類、ケトン類を使用する請求項４記載の複合粒子。
6. 前記造粒物を仮焼きして得られた請求項３〜５のいずれか１項に記載の複合粒子。