JP2007191337A - 窒化ホウ素粉末、その製造方法及び用途 - Google Patents

Abstract

【課題】、低粘度かつ高濃度の水スラリーを調製することのできる窒化ホウ素粉末、その製造方法、及び２５℃粘度が７５００ｍＰａ・ｓ以下にして窒化ホウ素粉末濃度が４０質量％以上である低粘度かつ高濃度の窒化ホウ素の水スラリーを提供する。
【解決手段】表面酸素量に対する内部酸素量の質量比（内部酸素量／表面酸素量の質量比）が０．８〜１．１であり、内部酸素量と表面酸素量の合計が０．４〜０．６質量％である窒化ホウ素粉末。その製造方法。その窒化ホウ素粉末を用いた水スラリー。
[内部酸素量の定義]
酸素／窒素同時分析装置を用い、試料をヘリウム雰囲気中、昇温速度４．６℃／秒で室温から３０００℃まで加熱しながら酸素量と窒素量を測定した場合、窒素が検出される間に検知された酸素量の総和。
[表面酸素量の定義]
上記測定において、窒素が検出されない間に検知された酸素量の総和。
【選択図】 なし

Description

本発明は、窒化ホウ素粉末、その製造方法及び用途に関する。

窒化ホウ素（ＢＮ）粉末は、熱伝導性、電気絶縁性、化学的安定性等に優れており、固体潤滑剤、離型剤、焼結体原料などに利用されている。これらに適用するには、窒化ホウ素粉末は水スラリーに調製されることが多い。水スラリーに要求される特性は、低粘度かつ高濃度である。

普通に入手できる市販の窒化ホウ素粉末を用いた水スラリーの濃度は、２５℃粘度が１０００〜７５００ｍＰａ・ｓであるときに１５〜３０質量％であり、更なる低粘度かつ高濃度の要求があった。また、このような水スラリーを調製するには、多くの添加剤を必要としており（特許文献１）、それによる問題、例えば高温下で使用される離型剤では有機化合物の分解物が製品に混入することによる着色の問題があった。窒化ホウ素粉末をシランカップリング剤で処理する提案もあるが（特許文献２）、ＢＮ結晶は厚み（ｃ軸）方向の長さに対する幅（ａ軸）方向の長さの比で表される扁平度（以下、「アスペクト比」という。）が小さいので、ＯＨ基をａ軸に存在させることが困難であり、十分な表面処理の効果はなかった。
特開平７−２０４４９２号公報 特開２００１−１９２５００号公報

本発明の目的は、低粘度かつ高濃度の水スラリーを調製することのできる窒化ホウ素粉末とその製造方法、及び２５℃粘度が７５００ｍＰａ・ｓ以下にして窒化ホウ素粉末濃度が４０質量％以上である低粘度かつ高濃度の窒化ホウ素の水スラリーを提供することである。

本発明は、以下に定義される表面酸素量に対する以下に定義される内部酸素量の質量比（内部酸素量／表面酸素量の質量比）が０．８〜１．１であり、内部酸素量と表面酸素量の合計が０．４〜０．６質量％であることを特徴とする窒化ホウ素粉末である。この場合において、窒化ホウ素粉末の平均アスペクト比が５〜１２であることが好ましい。
[内部酸素量の定義]
酸素／窒素同時分析装置を用い、試料をヘリウム雰囲気中、昇温速度４．６℃／秒で室温から３０００℃まで加熱しながら酸素量と窒素量を測定した場合、窒素が検出される間に検知された酸素量の総和。
[表面酸素量の定義]
上記測定において、窒素が検出されない間に検知された酸素量の総和。

また、本発明は、平均アスペクト比が５〜１２の窒化ホウ素粉末を、酸素を含む雰囲気下、攪拌翼を有する攪拌混合機にて、平均アスペクト比を減じない程度に混合し、表面酸素を増加させることを特徴とする窒化ホウ素粉末の製造方法である。

また、本発明は、平均アスペクト比が５〜１２の窒化ホウ素粉末を、１０〜１５容量％の酸素を含む雰囲気下、上羽根と下羽根の攪拌翼を有する攪拌混合機、好ましくは上羽根が２枚平羽根パドル翼で、下羽根が２枚ファウドラー型翼である攪拌混合機にて、１５００〜２０００ｒｐｍで１０〜２０分間混合し、表面酸素を増加させることを特徴とする窒化ホウ素粉末の製造方法である。

さらに、本発明は、上記窒化ホウ素粉末を４０質量％以上含有し、２５℃粘度が７５００ｍＰａ・ｓ以下であることを特徴とする窒化ホウ素粉末の水スラリーである。

本発明によれば、２５℃粘度が７５００ｍＰａ・ｓ以下にして窒化ホウ素粉末濃度が４０質量％以上である低粘度かつ高濃度の窒化ホウ素の水スラリーを調製することができる窒化ホウ素粉末とその製造方法が提供される。また、本発明によれば、上記特性を有する低粘度かつ高濃度の窒化ホウ素の水スラリーが提供される。

本発明の窒化ホウ素粉末は、内部酸素量／表面酸素量の質量比が０．８〜１．１である。この比が０．８未満であると、表面への酸化膜の膜厚が過剰となって、熱伝導性が損なわれる。また、この比が１．１をこえると、内部酸素が過剰であるため、フォノンによる熱伝導性が損なわれる。内部酸素量／表面酸素量の質量比が０．８〜１．１であっても、内部酸素と表面酸素の合計が０．４質量％未満であると、表面酸素量が少ないために水中での分散性が不十分となり、また０．６質量％をこえると表面への酸化膜が過剰となって、熱伝導性が損なわれる。なお、窒化ホウ素粉末の平均アスペクト比は、水への分散性の点から、５〜１２であることが好ましい。

本明細書において、内部酸素量及び表面酸素量は以下のように定義される。酸素／窒素同時分析装置として、堀場製作所社製「酸素・窒素同時分析計 ＥＭＧＡ−６４０W」を用いた。
[内部酸素量の定義]
酸素／窒素同時分析装置を用い、試料をヘリウム雰囲気中、昇温速度４．６℃／秒で室温から３０００℃まで加熱しながら酸素量と窒素量を測定した場合、窒素が検出される間に検知された酸素量の総和。
[表面酸素量の定義]
上記測定において、窒素が検出されない間に検知された酸素量の総和。

本発明の窒化ホウ素粉末は、本発明の窒化ホウ素粉末の製造方法によって製造することができる。本発明の窒化ホウ素粉末の製造方法は、攪拌翼を有する攪拌混合機を用い、酸素を含む雰囲気下、窒化ホウ素粉末の平均アスペクト比を減じないようにして混合し、表面酸素を増加させることを特徴とするものである。具体的には、平均アスペクト比が５〜１２の窒化ホウ素粉末を、１０〜１５容量％の酸素を含む雰囲気下、上羽根が２枚平羽根パドル翼、下羽根が２枚ファウドラー型翼の攪拌翼を有する攪拌混合機にて、１５００〜２０００ｒｐｍで１０〜２０分間混合し、表面酸素を増加させることが好ましい。

上羽根、下羽根を例示すれば、２枚平羽根、２枚平羽根パドル翼、２枚角度付平羽根、２枚ファウドラー型翼、２枚ピッチ付平羽根、２枚湾曲羽根等（「化学工学便覧」化学工学協会１９８８年発行改訂第五版 ８９１頁〜８９６頁）であり、これらを適宜組み合わせて使用する。これらのうち、好ましい上羽根は、２枚平羽根、２枚平羽根パドル翼、２枚角度付平羽根であり、特に２枚平羽根パドル翼が好ましい。また、好ましい下羽根は、２枚ファウドラー型翼、２枚ピッチ付平羽根、２枚湾曲羽根であり、特に２枚ファウドラー型翼が好ましい。このような攪拌翼を有する攪拌混合機の一例には、ヘンシェルミキサー（カワタ社製商品名「ＳＵＰＥＲ ＭＩＸＥＲ（型式：Ｇ−１００）」がある。

原料の窒化ホウ素粉末の平均アスペクト比を５〜１２にしたのは、この範囲にある窒化ホウ素粉末であれば、攪拌翼を有する攪拌混合機で混合した際、平均アスペクト比が減じることがあっても、それが著しく少なくして表面酸素を増加させることができるからである。しかも、得られた窒化ホウ素粉末の水への分散性が良好となるからである。なお、原料の窒化ホウ素粉末の内部酸素量と表面酸素は、いずれも０．１５〜０．３０質量％であることが好ましい。

窒化ホウ素粉末の表面酸素を増やすために、攪拌混合は酸素を含む雰囲気で行われる。好ましくは、酸素が１０〜１５容量％で、残部が非酸化不活性ガス、好ましくは窒素である雰囲気下で行われる。このような雰囲気であれば、内部酸素／表面酸素の質量比が０．８〜１．１である窒化ホウ素粉末を容易に製造することができる。表面酸素量の調整は、窒化ホウ素粉末の攪拌混合機への投入量、回転数、撹拌時間、雰囲気の酸素濃度などによって行うことができる。

従来、アトライターミルなどの媒体撹拌式粉砕機を用い、窒化ホウ素粉末を大気中で粉砕することが提案されているが（特開平１０−１９４７１１号公報）、この方法では窒化ホウ素粒子が劈開してしまうので、内部酸素量／表面酸素量の質量比が０．８未満となり、水への分散性が悪化する。そのため、窒化ホウ素粉末を４０質量％以上含有する水スラリーの２５℃粘度を、７５００ｍＰａ・ｓ以下にすることができなかった。たとえば、１４６００ｍＰａ・ｓ程度であった。

本発明の水スラリーは、本発明の窒化ホウ素粉末を４０質量％以上含有させたものであって、２５℃における粘度が７５００ｍＰａ・ｓ以下であり、条件を選べば１０００〜７５００ｍＰａ・ｓにもなる。このような水スラリーは、従来にない低粘度かつ高濃度である。

水スラリーは、本発明の窒化ホウ素粉末と水を、例えばパドル型撹拌混合機（例えば新東科学社製商品名「スリーワンモータ（型式：ＢＬ１０００）」）を用い、回転数５００〜６００ｒｐｍで２〜３分間混合することによって調製することができる。

実施例１
窒化ホウ素粉末原料として市販品（電気化学工業社製商品名「デンカボロンナイトライド グレード名ＳＧＰ」）を用いた。この窒化ホウ素粉末は、内部酸素量が０．２３質量％、表面酸素量が０．１９質量％（内部酸素量／表面酸素量の質量比が１．２、内部酸素量と表面酸素量の合計が０．４２質量％）であり、平均アスペクト比が９．７である。一方、攪拌翼を有する攪拌混合機として、市販のヘンシェルミキサー（カワタ社製商品名「ＳＵＰＥＲ ＭＩＸＥＲ（型式：Ｇ−１００）」容積１００Ｌ）を準備した。これは、上羽根が２枚平羽根パドル翼、下羽根が２枚ファウドラー型翼の攪拌翼を有する攪拌混合機である。上羽根と下羽根は、両者が重なり合わないように７ｃｍの間隔を設け、９０°ずらして攪拌棒に設置されている。

窒化ホウ素粉末原料の１０ｋｇを攪拌混合機に仕込み、酸素が１３容量％、窒素が８７容量％の雰囲気下、１７４５ｒｐｍで１５．５分間撹拌混合して、平均アスペクト比を著しく減じることなく窒化ホウ素粉末の表面酸素を増加させる処理を行った。処理後の窒化ホウ素粉末の内部酸素量と表面酸素量及び平均アスペクト比を以下に従って測定した。また、処理後の窒化ホウ素粉末の４０質量％を蒸留水に分散させてなる水スラリーを調製し粘度を測定した。水スラリーの混合には、新東科学社製商品名「スリーワンモータ（型式：ＮＺ−１１００）」を用いた。

（１）内部酸素量と表面酸素量：試料２０ｍｇを秤量し、堀場製作所社製「酸素・窒素同時分析計 ＥＭＧＡ−６４０W」を使用して測定した。
（２）平均アスペクト比：二次電子組成像を画像処理システム（日本アビオニクス社製「ＳＰＩＣＯＡ−２」）によって２値化し、３００個の粒子についてそれぞれの二次元画像により長軸及び短軸を測定し平均アスペクト比を求めた。
（３）水スラリー粘度：温度２５℃における粘度を、Ｂ型粘度計（東京計器社製ＢＨ）のＮｏ．４のスピンドルを用い、回転数１０ｒｐｍで測定した。

実施例２、３
実施例１で得られた窒化ホウ素粉末の５０質量％又は７０質量％を水に分散させたこと以外は、実施例１と同様にして水スラリーを調製した。

実施例４、５
攪拌混合の雰囲気を、酸素量が１０容量％又は１５容量％を含み、残部がいずれも窒素である雰囲気としたこと以外は、実施例１と同様にして水スラリーを調製した。

実施例６
攪拌混合機を、上羽根が２枚角度付平羽根、下羽根が２枚ピッチ付平羽根にしたこと以外は、実施例１と同様にして水スラリーを調製した。

実施例７、８
攪拌翼の回転数を、１５００ｒｐｍ又は２０００ｒｐｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして水スラリーを調製した。

実施例９、１０
攪拌翼の回転時間を、１０分又は２０分としたこと以外は、実施例１と同様にして水スラリーを調製した。

比較例１〜３
撹拌混合処理を行わなかった窒化ホウ素粉末原料を用いたこと以外は、実施例１、実施例２又は実施例３と同様にして水スラリーを調製した。

比較例４
攪拌混合機のかわりに媒体撹拌式粉砕機（三井鉱山社製商品名「アトライタ（型式：ＭＡ１０ＳＥ）」アトライターミル）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして水スラリーを調製した。

比較例５
窒化ホウ素粉末原料を分級し、平均粒子径を３μｍとした窒化ホウ素粉末原料を用いたこと以外は、実施例１と同様にして水スラリーを調製した。

比較例６
窒化ホウ素粉末原料を分級し、平均粒子径を１３μｍとした窒化ホウ素粉末原料を用いたこと以外は、実施例１と同様にして水スラリーを調製した。

比較例７
攪拌混合の雰囲気を、酸素量が８容量％を含み、残部が窒素である雰囲気としたこと以外は、実施例１と同様にして水スラリーを調製した。

比較例８、９
攪拌翼の回転数を、１２００ｒｐｍ又は２３００ｒｐｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして水スラリーを調製した。

比較例１０、１１
攪拌翼の回転時間を、５分又は２５分としたこと以外は、実施例１と同様にして水スラリーを調製した。

以上の結果を表１、表２に示す。

本発明の窒化ホウ素粉末は、例えばグリース、電子部品の放熱材等に使用することができる。また、本発明の窒化ホウ素粉末の水スラリーは、例えば離型剤等に使用することができる。

Claims (6)

1. 以下に定義される表面酸素量に対する以下に定義される内部酸素量の質量比（内部酸素量／表面酸素量の質量比）が０．８〜１．１であり、内部酸素量と表面酸素量の合計が０．４〜０．６質量％であることを特徴とする窒化ホウ素粉末。
   [内部酸素量の定義]
   酸素／窒素同時分析装置を用い、試料をヘリウム雰囲気中、昇温速度４．６℃／秒で室温から３０００℃まで加熱しながら酸素量と窒素量を測定した場合、窒素が検出される間に検知された酸素量の総和。
   [表面酸素量の定義]
   上記測定において、窒素が検出されない間に検知された酸素量の総和。
2. 平均アスペクト比が５〜１２であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ホウ素粉末。
3. 平均アスペクト比が５〜１２の窒化ホウ素粉末を、酸素を含む雰囲気下、攪拌翼を有する攪拌混合機にて、平均アスペクト比を減じない程度に混合し、表面酸素を増加させることを特徴とする窒化ホウ素粉末の製造方法。
4. 平均アスペクト比が５〜１２の窒化ホウ素粉末を、１０〜１５容量％の酸素を含む雰囲気下、上羽根と下羽根の攪拌翼を有する攪拌混合機にて、１５００〜２０００ｒｐｍで１０〜２０分間混合し、表面酸素を増加させることを特徴とする窒化ホウ素粉末の製造方法。
5. 上羽根が２枚平羽根パドル翼、下羽根が２枚ファウドラー型翼であることを特徴とする請求項４に記載の窒化ホウ素粉末の製造方法。
6. 請求項１又は２に記載の窒化ホウ素粉末を４０質量％以上含有し、２５℃粘度が７５００ｍＰａ・ｓ以下であることを特徴とする窒化ホウ素粉末の水スラリー。