JP2007106658A

JP2007106658A - 微細タルク粒子の製造方法

Info

Publication number: JP2007106658A
Application number: JP2005301995A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Kawabata; 清川端; Naoyuki Fujibayashi; 直幸藤林; Junnosuke Hayashi; 順之助林
Original assignee: NIPPON TALC CO Ltd
Current assignee: NIPPON TALC CO Ltd
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2007-04-26

Abstract

【課題】微細タルク粒子を工業的規模で製造できる方法を提供する。
【解決手段】化学式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２で示される白色粉末状タルク粒子を湿式又は乾式のジェットミル及び／又はビーズミルに投入し、粉砕することにより、数平均粒子径０．０５〜１μｍであり、かつ、粒子の少なくとも５０重量％が粒径０．１〜０．９μｍの範囲である微細タルク粒子を製造する方法に係る。
【選択図】なし

Description

本発明は、化粧品基材、合成樹脂等に充填することにより優れた特性を付与した塗料、複合材料等を提供し得る微細タルク粒子の新規な製造方法に関する。

化学式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２で示される白色粉末状タルク粒子は、滑石とも呼ばれている。この化合物は、組成式３ＭｇＯ・４ＳｉＯ_２・Ｈ_２Ｏで示すこともでき、結晶学的には三斜晶系に分類される板状白色物質である。また、せっけん石（Soap Stone）として天然に産出する含水珪酸マグネシウムである。これを粉砕、精製したものがタルク粉末である。

タルク粉末は、化粧品基材、合成樹脂等の充填材（フィラー）として大量に使用されている。フィラーとしては、旧くから製紙によく使用されてきたが、合成樹脂として代表的なポリオレフィン系樹脂（特にポリプロピレン樹脂）との相性が良いこと及びポリプロピレン樹脂が自動車に多用されることから、ポリプロピレン樹脂をはじめとする各種の合成樹脂用フィラーとして急成長している材料である。

従来のタルク粒子は、炭酸カルシウムと同様に安価で扱いやすく、汎用的な性格が特徴である。板状に近い粒子形状を有することから、炭酸カルシウムより補強力があり、またタルクの結晶面が例えばポリプロピレン樹脂の結晶成長核になりやすいため、ポリプロピレン樹脂の補強用フィラーとして重用されている。また、タルク粒子は、表面が弱酸であり、裏面がアルカリ性という２面性をもつとされている。タルク粒子は、柔らかく、モース硬度１の標準に指定されている。柔らかいということは、金型、加工機械等における摩耗が少ないということで成形加工の点でも有利である。

フィラーとしての用途は、汎用樹脂（ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂等）の補強用（剛性付与）、表面平滑性付与等の目的での需要が多い。

特に、自動車の分野では、バンパー等でタルク粒子充填ポリプロピレン樹脂が多用されている。その他にも、製紙用、塗料（粘度調整、耐酸、耐水、耐候、防錆性付与等）、化粧品等に汎用されている。各種表面処理品も製造されており、一般的にはカップリング剤処理がなされているが、脂肪酸処理品も市販されている。

原料であるタルク原石は、日本でも兵庫県等で産出されているものの、量・品質面の点で十分なものとは言えない。このため、日本では、タルク原石は輸入に頼っており、主に中国から輸入されているほか、オーストラリア、アメリカ、ヨーロッパ、インド等からも輸入されている。

タルク粒子の調製に関し、従来より、タルク原石を輸入して日本でいろいろな粉砕方法で粉砕されており、粉砕条件によって粒度、比表面積、吸油量等が異なり、それだけ用途によって種々の品番が準備されている。

これまでの粉砕技術としては、いろいろな方法が採用されている。タルク原石からタルク粒子を製造する方法としては、乾式法と湿式法に大別される。現在では、ほとんど乾式法が採用されている。

従来は、ジョークラッシャー等を使って粉砕し、除鉄のために磁力選鉱した後、レーモンドミル等の荒粉砕品、ミクロンミル等の中粒子品又は微粒子品にジェットミルを使用している。図１に一般的なタルクの粉砕工程を示す。

従来より市販されているタルクの粒径は、最も小さくてもせいぜい１μｍ程度までである。図２に示すように、例えばポリプロピレン樹脂にタルク粒子を７０：３０（重量比）で充填したときの曲げ弾性率を示すが、タルク粒子の平均粒子径が小さくなればなるほど曲げ弾性率（ｋｇ／ｃｍ^２）が向上することが知られている。このため、０．１〜１μｍ程度の微細タルク粒子を製造することができれば、ポリプロピレン／タルク複合材料の機械的特性をさらに高めることができる。しかし、現時点では、このような微細タルク粒子は未だ製造されるに至っていない。

従って、本発明の主な目的は、微細タルク粒子を工業的規模で製造できる方法を提供することにある。

本発明者は、従来技術の問題点に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定の方法を適用することによって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、下記の微細タルク粒子の製造方法に係る。
１．化学式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２で示される白色粉末状タルク粒子を湿式又は乾式のジェットミル及び／又はビーズミルに投入し、粉砕することにより、数平均粒子径０．０５〜１μｍであり、かつ、粒子の少なくとも５０重量％が粒径０．１〜０．９μｍの範囲である微細タルク粒子を製造する方法。
２．粒子の少なくとも５０重量％が粒径０．１〜０．４μｍの範囲である、前記項１に記載の方法。
３．乾式ジェットミルが、ノズルから噴出する高速気流により形成された同心円状の渦に化学式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２で示される白色粉末状タルク粒子を巻き込み、前記タルク粒子相互の衝撃による衝撃力及び摩擦力により粉砕する方式の乾式ジェットミルである、前記項１に記載の方法。
４．湿式ジェットミルが、化学式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２で示される白色粉末状タルク粒子が分散した液体に圧力を加え、対向衝突チャンバー、ボール衝突チャンバー又はシングルノズルチャンバーに導入して粉砕する方式の湿式ジェットミルである、前記項１に記載の方法。
５．ビーズミルが、回転するローターと固定スターターの間に形成される隙間に化学式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２で示される白色粉末状タルク粒子と１）マイクロビーズ又は２）マイクロビーズ及び液体の混合物を導入して粉砕する方式のビーズミルである、前記項１に記載の方法。
６．化学式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２で示される白色粉末状タルク粒子が、粒径２〜６μｍの範囲である、前記項１に記載の製造方法。

本発明の微細タルク粒子の製造方法によれば、化学式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２で示される白色粉末状タルク粒子を所定の方式で粉砕することから、数平均粒子径０．０５〜１μｍであり、かつ、粒子の少なくとも５０重量％が粒径０．１〜０．９μｍの範囲である微細タルク粒子を工業的規模で効率的に製造することができる。そして、この方法により得られた微細タルク粒子は、各種のフィラー（合成樹脂充填用フィラー等）をはじめとするさまざまな用途において有効である。

本発明の製造方法は、化学式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２で示される白色粉末状タルク粒子を湿式又は乾式のジェットミル及び／又はビーズミルに投入し、粉砕することにより、数平均粒子径０．１〜１μｍであり、かつ、粒子の少なくとも５０％が粒径０．１〜０．９μｍの範囲である微細タルク粒子を製造する方法である。

１．出発原料
出発原料は、化学式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２で示される白色粉末状タルク粒子を用いる。これらは市販品を用いることができる。

出発原料（白色粉末状タルク粒子）の粒度は限定的でなく、必要に応じてミクロンメーターサイズの白色粉末状タルク粒子に調節して使用することもできる。より具体的には、数平均粒子径が２〜６μｍである粉末を用いることが望ましい。上記粒度をもつ出発原料を用いることにより、微粉タルク粒子をより効率的に製造することができる。

また、本発明で使用する白色粉末状タルク粒子は、予め焼成したもの（焼成タルク粒子）を使用することもできる。例えば、９００〜１５００℃で焼成したものを好適に用いることができる。焼成雰囲気は、大気中、酸化性雰囲気中、真空中等のいずれであってもよい。なお、焼成後は、必要に応じて粉砕、分級等を行うこともできる。

２．粉砕方式
本発明での粉砕方式としては、特に、１）乾式ジェットミル、２）湿式ジェットミル及び３）ビーズミルを好適に用いることができる。これにより、化学式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２で示される白色粉末状タルク粒子を粉砕し、所定の粒度の微細タルク粒子を製造することができる。本発明では、これら１）〜３）は、適宜組み合わせて用いることも可能である。

以下、本発明において使用する上記１）〜３）の粉砕方式（装置）についてそれぞれ説明する。

１）乾式ジェットミル
乾式ジェットミルは、ノズルから噴出する高速気流により形成された同心円状の渦に化学式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２で示される白色粉末状タルク粒子を巻き込み、前記タルク粒子相互の衝撃による衝撃力及び摩擦力により粉砕する方式の乾式ジェットミルである。

この乾式ジェットミルによれば、気体自由膨張時の湿度低下効果（トムソンジュール効果）により、処理物の温度上昇を抑制し、粒子間の摩擦力による粉砕のため、コンタミネーションが少なく、高純度で微粉砕を行うこともできる。

従来のジェットミルは、円周内に均等分割した位置に粉砕ノズルを配置し、その間又は上部に供給ノズルを設置しているため、同心円の渦ができず、偏じた渦になってしまうこと、同心円の渦を生成できないので、圧力を上げると吹き返し、圧着等のトラブルが多くなるので、偏摩耗につながることも多い。

これに対し、上記「ナノグラインディングミル」は、以下のような特徴を有している。
（１）円周内で均等分割した位置に粉砕ノズルを配置し、そのひとつ又は複数個を供給ノズルに変更されているため、同心円の渦を形成することができる。
（２）圧力を高くしても同心円の渦を保つことができるため、高圧エアを使い、ナノオーダーの粒子径を生成する粒子間衝突の依存度を高め、より高濃度（高処理量）での粉砕が可能となり、ランニングコストを低減できる。
（３）旋回流のモード（ノズル形状）を変更することにより、これまで困難であった材料の粉砕も可能になる。
（４）壁面への衝突があまりないため、圧着・摩耗が非常に少なく、コンタミネーションを抑制できる。

このような乾式ジェットミルは、公知のもの又は市販の装置を用いることもできる。例えば、サンレックス工業株式会社から市販されているジェットミル（商標名「ナノグラインディングミル」）を好適に用いることができる。

乾式ジェットミルの運転条件としては一般的な条件の範囲内で定め得るが、例えばエアコンプレッサー等を用いて空気に圧力（好ましくは０．５〜２ＭＰａ程度）を加え、パス回数は５パス以上（好ましくは１０パス以上）ジェットミル装置を通過させる。このようにして白色粉末タルク粒子を相互に衝突させ、その衝撃力と摩擦力により白色粉末タルク粒子を微粉砕し、所望の微細タルク粒子を得ることができる。また、その他の条件として、使用風量は０．１〜２５ｍ^３／分、処理量５０〜５００ｋｇ／時に設定することが望ましい。

２）湿式ジェットミル
湿式ジェットミルは、化学式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２で示される白色粉末状タルク粒子が分散した液体に圧力を加え、対向衝突チャンバー、ボール衝突チャンバー又はシングルノズルチャンバーに導入して粉砕する方式の湿式ジェットミルである。上記の各チャンバー自体は公知の方式のものを採用することができる。この湿式ジェットミルの特徴を示すと以下のとおりである。
（１）エネルギー密度が高いため、短時間でサブミクロン程度の微粉砕ができる。
（２）粉砕媒体を使用していないため、微粒子化されたタルク粒子は不純物が少ない。
（３）メディア式よりも均一でシャープな粒度分布が得られる。
（４）固形分濃度（重量比）５０重量％又は高粘性２０００ｃｐｓのものまで処理できる。
（５）シール部の精微構造により硬質スラリーの処理も可能である。
（６）メディア式に比べ、金属の粒子形状を変形させずに分散することも可能である。

このような湿式ジェットミルは、公知のもの又は市販品を用いることができる。例えば、株式会社スギノマシンから市販されているジェットミル（商標名「アルティマイザーシステム」を好適に用いることができる。

本発明において、湿式ジェットミルにより粉砕する場合は、あらかじめ白色粉末タルク粒子を分散媒（好ましくは水）に分散させてスラリーを調製した上で、これを湿式ジェットミルに投入することが好ましい。スラリー濃度は限定されないが、好ましくは５〜５０重量％、より好ましくは１０〜２５重量％とする。本発明のタルク粒子の場合、スラリー濃度が低い場合は、得られる微細タルク粒子の数平均粒子径が小さくなり、パス回数（湿式ジェットミルで微粉砕化する回数）が多いほど微細タルク粒子の数平均粒子径が小さくなる。

湿式ジェットミルの運転条件は一般的な条件の範囲内で定めることができるが、スラリーに高い圧力（例えば７０〜２４５ＭＰａ以上（特に２００ＭＰａ以上の範囲））をかけることが好ましい。また、パス回数は、所望の粒度等に応じて適宜設定できるが、通常２０回以上、特に３０回以上（３０〜５０回程度）とすることが望ましい。

湿式ジェットミルを利用して微細タルク粒子を製造する場合は、分散媒を除去することにより、微細タルク粒子が得られる。分散媒の除去方法は、公知の方法に従えば良いが、本発明ではスプレードライ法が好ましい。例えば、４頭ノズル方式を有するスプレードライ装置を用いることができる。

３）ビーズミル
ビーズミルは、回転するローターと固定スターターの間に形成される隙間に化学式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２で示される白色粉末状タルク粒子と１）マイクロビーズ（乾式ビーズミルの場合）又は２）マイクロビーズ及び液体の混合物（湿式ビーズミルの場合）を導入して粉砕する方式のビーズミルである。

これは、回転するローターを固定のステーターの間に生成される隙間がＵ字状の直列の二重構造の粉砕室になるため、粉砕室の容量が小さく、ビーズ等のメディアの使用量が少なく、メディアは装置内で原料とともに循環されるため流量が大きくとることができる。

本発明で使用するマイクロビーズとしては、直径０．２〜１．５ｍｍ（特に０．５〜１ｍｍ）のものを使用することが望ましい。マイクロビーズの材質も限定的ではなく、例えばアルミナ、ジルコニア等の金属酸化物（セラミックス）を用いることができる。このようなビーズを用いることにより、原料である白色粉末状タルク粒子をナノメーター領域までより確実に粉砕することができる。

また、湿式ビーズミル法においては、白色粉末タルク粒子をスラリーとして投入することが好ましい。このときのスラリー濃度は１〜３０重量％、特に５〜２０重量％とすることが好ましい。これをビーズミル装置に投入し、通常６０〜２４０分間（特に９０〜１８０分間）微粉砕することにより、所望の微細タルク粒子を得ることができる。

このようなマイクロビーズを利用するビーズミルは、公知のもの又は市販品を用いることができる。例えば、中央化工機製、浅田鉄工製、コトブキ技研工業製等の装置を好適に用いることができる。

また、乾式のビーズミル法においては、その運転条件は一般的な条件の範囲内で定めることができるが、例えば白色粉末タルク粒子と直径０．５〜３ｍｍ程度のビーズと混合し、乾式ビーズミル装置に投入し、微粉砕化し、回転数１０００〜３０００ｒｐｍの条件下で微粉砕することが望ましい。上記混合割合は、制限されないが、容積比で白色粉末タルク粒子：ビーズ＝１：１〜５程度とすればよい。

湿式ビーズミルを利用して微細タルク粒子を製造する場合は、分散媒を除去することにより、微細タルク粒子が得られる。分散媒の除去方法は、公知の方法に従えば良いが、本発明ではスプレードライ法が好ましい。例えば、４頭ノズル方式を有するスプレードライ装置を用いることができる。

３．微細タルク粒子
本発明の製造方法で得られる微細タルク粒子は、数平均粒子径０．０５〜１μｍであり、かつ、粒子の少なくとも５０重量％が粒径０．１〜０．９μｍ（特に０．１〜０．４μｍ）の範囲にある。

また、微細タルク粒子（粉末）の比表面積（ＢＥＴ法）は、例えば湿式ジェットミル法では１０〜１５ｍ^２／ｇ、湿式ビーズミル法では１８０〜３００ｍ^２／ｇと比較的大きいものも得られる。この場合、水分の吸着量の増大あるいは２次凝集が抑制ないしは防止するために、一般的な表面処理剤、凝集防止剤等を使用することもできる。また、必要に応じ、少量の湿潤剤等を併用してもよい。

以下に実施例を示し、本発明の特徴をより具体的に説明する。ただし、本発明の範囲は、実施例に限定されない。

＜実施例１＞
図３に示す装置を用いてタルクの粉砕を実施した。この装置では、コンプレッサー２から送り込まれる気流とテーブルフィーダー３の出発原料が粉砕装置１に導入される。その後、サイクロン４及びバグフィルター５を介して所望の微細タルク粒子が回収される。

上記粉砕装置としては、乾式超微粉砕システム（製品名「ナノグラインディングミル」、サンフレックス工業株式会社製、ＮＪ−３０、使用風量０．１〜０．２５ｍ^３／分、処理量５０〜２００ｇ／時、粉砕部材質：ＳＵＳ３０４）を用いた。また、出発原料として、市販の白色粉末タルク粒子（製品名「ミクロエースＰ−４」、日本タルク株式会社製、Ｄ_５０：４．５μｍ）を用い、フィード量２００ｇ／時で供給しながら微粉砕を行った。

粉砕して得られた微細タルク粒子について、粒度分布測定機（島津製作所製「ＳＡＬＤ−２０００Ｊ」）でその粒径を測定した。その結果、数平均粒子径が０．０５〜１μｍであり、これら微細タルク粒子の５０重量％が粒径０．１〜０．９μｍの範囲内で微粉砕されていた。

＜実施例２＞
市販の乾式ビーズミル（バッチ式卓上サンドミル、株式会社カンペパピオ製）を用いた。出発原料として、白色粉末タルク粒子（製品名「ＳＧ−９５」、日本タルク株式会社製、Ｄ_５０：２．５μｍ）を用いた。粉砕条件は、ジルコニア製ビーズ（直径約１ｍｍ）を用い、ディスク回転数２１６０ｒｐｍで粉砕時間１２時間で乾式ビーズミルを稼働し、微粉砕を行った。

得られた微細タルク粒子を粒度分布測定機（島津製作所製「ＳＡＬＤ−２０００Ｊ」）で粒径を測定した。その結果、数平均粒子径が０．０５〜１μｍであり、これら微細タルク粒子の５０重量％が０．１〜０．９μｍ粒径に微粉砕されていた。

＜実施例３＞
市販の湿式ジェットミル（製品名「アルティマイザーシステム」、株式会社スギノマシン製、ラボ機；ＨＪＰ−２５００（５．５Ｋｗ）、最高圧力：３００ＭＰａ、常用圧力：２４５ＭＰａ、最大流量：０．５１リットル／分）を用いて微粉砕を実施した。出発原料として、白色粉末タルク粒子（製品名「ミクロエースＰ−４」、日本タルク株式会社製、Ｄ_５０：４．５μｍ）に水を加え、濃度２０重量％に調整したスラリーを用い、これを粉砕装置に投入し、同一条件で３０パス（３０回）通し、微粉砕することにより微細タルク粒子を得た。

得られた微細タルク粒子を粒度分布測定機（島津製作所製「ＳＡＬＤ−２０００Ｊ」）で粒径を測定した。その結果、数平均粒子径が０．０５〜１μｍであり、これら微細タルク粒子の５０重量％が０．１〜０．９μｍの粒径に微粉砕されていた。

＜実施例４＞
湿式ビーズミル（中央化工機株式会社製、ラボ機、ＤＥＦ１２、有効容量１．２１リットル、駆動５．５ＫＷ）を用いて微粉砕を行った。出発原料として、白色粉末タルク粒子（製品名「Ｐ−３」、日本タルク株式会社製、Ｄ_５０：２．５μｍ）にアルミナ製ビーズ（直径約０．５ｍｍ）と混合し、水に分散してスラリー濃度１０重量％のスラリーを調製した。これを上記湿式ビーズミルに投入し、１２０分間粉砕を行った。

得られた微細タルク粒子を粒度分布測定機（島津製作所製「ＳＡＬＤ−２０００Ｊ」）で粒径を測定した。その結果、数平均粒子径が０．０５〜１μｍであり、これら微細タルク粒子の５０重量％が０．１〜０．３μｍ粒径に微粉砕されていた。

従来のタルクの粉砕工程の概要を示す図である。タルクの粒子サイズと曲げ弾性率との関係を示す図である。実施例１で使用した装置の概要を示す図である。

Claims

化学式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２で示される白色粉末状タルク粒子を湿式又は乾式のジェットミル及び／又はビーズミルに投入し、粉砕することにより、数平均粒子径０．０５〜１μｍであり、かつ、粒子の少なくとも５０重量％が粒径０．１〜０．９μｍの範囲である微細タルク粒子を製造する方法。
粒子の少なくとも５０重量％が粒径０．１〜０．４μｍの範囲である、請求項１に記載の方法。
乾式ジェットミルが、ノズルから噴出する高速気流により形成された同心円状の渦に化学式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２で示される白色粉末状タルク粒子を巻き込み、前記タルク粒子相互の衝撃による衝撃力及び摩擦力により粉砕する方式の乾式ジェットミルである、請求項１に記載の方法。
湿式ジェットミルが、化学式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２で示される白色粉末状タルク粒子が分散した液体に圧力を加え、対向衝突チャンバー、ボール衝突チャンバー又はシングルノズルチャンバーに導入して粉砕する方式の湿式ジェットミルである、請求項１に記載の方法。
ビーズミルが、回転するローターと固定スターターの間に形成される隙間に化学式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２で示される白色粉末状タルク粒子と１）マイクロビーズ又は２）マイクロビーズ及び液体の混合物を導入して粉砕する方式のビーズミルである、請求項１に記載の方法。
化学式Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２で示される白色粉末状タルク粒子が、粒径２〜６μｍの範囲である、請求項１に記載の製造方法。