JP2009221054A - 球状化シリカの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ケイ石から球状シリカを製造する際に結晶化シリカによる影響を抑制できる球状化シリカの製造方法を提供することを解決すべき課題とする。
【解決手段】ケイ石原料を熔融非晶化して非晶化シリカ原料とする熔融非晶化工程と、前記非晶化シリカ原料を粉砕して非晶化シリカ粉末とする粉砕工程と、前記非晶化シリカ粉末を熔融球状化して球状化シリカ粉末とする球状化工程とを有することにある。結晶化シリカ（ケイ石原料）の粒径が大きくその浮遊が問題となりにくいときに熔融化させることにより、非晶化シリカに変換することにより、結晶化シリカによる影響を低減させている。非晶化シリカは、ＩＡＲＣの分類によると、グループ３（人に対する発がん性については分類できない）に分類されており、その取り扱いにおいて、結晶化シリカとは比較にならない。
【選択図】なし

Description

本発明は、球状化シリカの製造方法に関する。

シリカからなる球状シリカを製造する方法としては、火炎熔融法を挙げることができる。火炎熔融法は目的とするケイ石などを粉砕などにより粉末化した後に、火炎中に投入・溶解させた後、冷却・固化させることで、球状シリカを製造する方法である。
IARC Monographs Programme on the Evaluation of Carcinogenic Risk to Humans

ところで、球状化シリカの原料となるケイ石は結晶性シリカを含有している。結晶性シリカは国際がん研究機関（ＩＡＲＣ）において、グループ１：「人に対して発がん性がある」と分類されており、その取り扱いには注意が必要である（非特許文献１）。特に、粒径が小さい（数μｍ以下）場合、その粉末は容易に地上に降下することはなく、長時間大気中に浮遊することが示唆されている。従って、球状化シリカを製造する現場においても注意が必要である。

本発明は上記実情に鑑みなされたものであり、結晶化シリカによる影響を抑制できる球状化シリカの製造方法を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する請求項１に係る本発明の球状化シリカの製造方法の特徴は、ケイ石原料を熔融非晶化して非晶化シリカ原料とする熔融非晶化工程と、
前記非晶化シリカ原料を粉砕して非晶化シリカ粉末とする粉砕工程と、
前記非晶化シリカ粉末を熔融球状化して球状化シリカ粉末とする球状化工程と、
を有することにある。

上記課題を解決する請求項２に係る本発明の球状化シリカの製造方法の特徴は、請求項１において、前記非晶化シリカ原料の結晶化率が実質的に０％であることにある。

上記課題を解決する請求項３に係る本発明の球状化シリカの製造方法の特徴は、請求項１又は２において、前記ケイ石原料の粒径が３０μｍ以上であることにある。

請求項１に係る本発明の球状化シリカの製造方法は、結晶化シリカ（ケイ石原料）の粒径が大きくその浮遊が問題となりにくいときに熔融化させることにより、非晶化シリカに変換することにより、結晶化シリカによる影響を低減させている。非晶化シリカは、ＩＡＲＣの分類によると、グループ３：「人に対する発がん性については分類できない」に分類されており、その取り扱いの容易さは結晶化シリカと比較にならない。

請求項２に係る本発明の球状化シリカの製造方法は、非晶化シリカ原料の結晶化率を実質的に０％にすることにより、その後の粉砕工程において粉末化しても、粉末中に結晶化シリカが混入するおそれがなくなるからである。結晶化シリカが粉末化されると先に述べたように浮遊の問題が生じ、その対策がより困難になる。

請求項３に係る本発明の球状化シリカの製造方法は、ケイ石原料の粒径として、３０μｍ以上のものを採用することにより、その大気中への浮遊の影響は殆ど考慮する必要がなくなる。例えば、粒径が１μｍの粒子と粒径が３０μｍの粒子とを比較すると、その落下速度は８６２倍にもなる（ストークスの法則からの導出）。

本発明の球状化シリカの製造方法について実施形態に基づき以下詳細に説明を行う。本実施形態の球状化シリカの製造方法は、ケイ石原料から球状化シリカを製造する方法であり、熔融非晶化工程と粉砕工程と球状化工程とを有する。

熔融非晶化工程はケイ石原料を熔融して非晶化することにより非晶化シリカ原料にする工程である。ケイ石原料としては特に限定しないが、その粒径が大きいものが望ましく、特に粒径３０μｍ以上、更にはミリメートルオーダー、センチメートルオーダーであることがより望ましい。ケイ石原料の熔融方法はケイ石原料の融点以上に加熱すること以外、特に限定されない。例えば、適正な炉やるつぼの中で加熱することで熔融することができる。熔融に用いる炉やるつぼとしては特に限定しないが、問題になる不純物の含有量が少ない高融点材料にて形成されたものが望ましい。例えば、アルミナ製、マグネシア製、ジルコニア製、黒鉛製、石英製のるつぼや炉である。加熱方法も特に限定されないが、電気にて加熱するなど不純物が混入しない方法が望ましい。また、熔融するにあたり、熔融温度を調節することによりケイ石原料中の不純物を除去することも可能である。例えば、高融点の不純物を含む場合に、熔融温度を調節することにより、高融点不純物を分離することができる。加熱熔融した後、その熔融物を急冷することにより非晶化シリカ原料を得ることができる。ここで、急冷の方法としては特に限定しない。例えば、熔融した後、室温に放置する程度でも十分な急冷条件である。従って、非晶化シリカ原料が得られたかどうかの判断はケイ石原料を一度でも熔融させたものは非晶化したものとして扱うことができる。

より厳密に非晶化したかどうかについて評価を行う場合には結晶化率が実質的に０％になったかどうかにより判断することができる。具体的にはＸ線回折により、２θが２６．７°におけるピークが実質的に観察されない場合に結晶化率が実質的に０％であると判断できる。実質的に観察されないとの判断は例えばピーク強度が１５０ｃｐｓ以下である場合に行うことができる。Ｘ線回折はＲＩＧＡＫＵ製のＭｕｌｔｉｆｌｅｘを用いて測定した値である。

粉砕工程は非晶化シリカ原料を適正な方法にて粉砕して粉末化する工程である。粉砕の程度は最終的に製造される球状シリカの粒径に応じて適正に選択される。製造する球状シリカの粒径と同程度乃至はそれ以下の粒径とすることが望ましい。

粉砕工程において非晶化シリカ原料の粉砕をどのように行うかについては特に限定しない。例えば、ハンマーミル、ボールミル、振動ミル、ジェットミルなどを単独乃至組み合わせることで必要な粒径分布を実現する。粉砕工程においては必要に応じて分級操作を行っても良い。

球状化工程は粉末化工程にて得られた非晶化シリカ粉末を火炎中に噴霧して高温に曝すことにより熔融させて球状化する工程である。採用した非晶化シリカ粉末の融点以上の温度にすること以外は、火炎の種類としては特に限定されず、プロパンガスや天然ガスなどを燃料に採用した火炎を挙げることができる。火炎は耐火煉瓦などにて区画した炉内に形成し、その中に非晶化シリカ粉末を噴霧することができる。

非晶化シリカ粉末の噴霧は何らかのキャリヤガスに非晶化シリカ粉末を混合して行うことができる。キャリヤガスとしては特に限定しないが、空気、前述の火炎に用いられる燃料、それらの混合物が例示できる。

特に、球状化工程は搬送工程と熔融工程と凝固工程とを明示的にもつことが望ましい。搬送工程により非晶化シリカ粉末を搬送した後、熔融工程にて非晶化シリカ粉末を熔融・球状化し、凝固工程にて熔融した非晶化シリカ粉末を凝固させる。

搬送工程は非晶化シリカ粉末をキャリヤガスと共に搬送する工程である。ホッパーなどに貯蔵された非晶化シリカ粉末をキャリヤガスを流通させている輸送路中に供給することで搬送する。キャリヤガスとしては非晶化シリカ粉末との間で望まない反応が進行しないガスを選択する。窒素、空気、酸素、アルゴンなどの希ガスなどが採用できる。特に、窒素や空気を採用することがコストの観点からは望ましい。

熔融工程は搬送された非晶化シリカ粉末を高温火炎中に分散させて加熱熔融する工程である。熔融工程は加熱炉中にて行うことが望ましい。加熱炉は特に限定しないが、製造する球状無機物粉体に要求される純度に応じて加熱炉の壁を構成する材料を選択することが望ましい。

凝固工程は、熔融工程にて加熱熔融した非晶化シリカ粉末を火炎中から回収して、冷却凝固させる工程である。冷却凝固させるには火炎中から球状化して球状シリカになった非晶化シリカ粉末を回収する必要があるが、火炎中から回収する方法としては限定しない。

凝固工程の一例としては以下の工程を挙げることができる。熔融工程において火炎中に分散された非晶化シリカ粉末は火炎の熱によって熔融した後、自重によって下降していくので、加熱炉の下方に火炎を形成させずに、下方の空間の温度を低くしておくことで、熔融して球状化した非晶化シリカ粉末は加熱炉の下方空間にて凝固する、といった工程を採用することができる。この構成を採用した場合に、冷却凝固して形成された球状低融点ガラス組成物粉体は加熱炉の下方、例えば、下方に形成した回収口から内容物を吸引することで回収することができる。

ケイ石原料としての天然ケイ石（０．５ｍｍ篩透過分）を２０００℃に加熱し、完全に熔融した後、室温にて放置することにより急冷して非晶化シリカ原料を得た（熔融非晶化工程）。

その後、体積平均粒径が１．２μｍになるように粉砕を行い、非晶化シリカ粉末とした（粉砕工程）。体積平均粒径はレーザ回折光散乱法（堀場製、ＬＡ７５０）にて測定を行った。この非晶化シリカ粉末は比表面積が１０ｍ²／ｇ、結晶性ピーク（Ｘ線回折における２θが２６．７°におけるピーク）が０ｃｐｓであった。

得られた非晶化シリカ粉末を火炎熔融法にて球状化することにより球状シリカを得た（球状化工程）。得られた球状化シリカは平均粒径が１．２μｍ、比表面積が１１ｍ²／ｇ、結晶性ピークが０ｃｐｓ、円形度が０．９８であった。円形度は、ＳＥＭで写真を撮り、その観察される粒子の面積と周囲長から、（真球度）＝｛４π×（面積）÷（周囲長）²｝で算出される値として算出する。１に近づくほど真球に近い。具体的には画像処理装置（シスメックス株式会社：ＦＰＩＡ−３０００）を用いて１００個の粒子について測定した平均値を採用する。

比較例

ケイ石原料を体積平均粒径が１．６μｍになるように粉砕を行い、粉末とした。この粉末は比表面積が６ｍ²／ｇ、結晶性ピークが１５０００ｃｐｓであった。

従って、本実施例の方法によれば、結晶化シリカを粉末状態にすることなく球状シリカを得ることが可能になり、結晶化シリカによる影響（特に粉末状態の結晶化シリカが雰囲気中に浮遊するおそれ）を少なくすることができる。

Claims (3)

1. ケイ石原料を熔融非晶化して非晶化シリカ原料とする熔融非晶化工程と、
   前記非晶化シリカ原料を粉砕して非晶化シリカ粉末とする粉砕工程と、
   前記非晶化シリカ粉末を熔融球状化して球状化シリカ粉末とする球状化工程と、
   を有することを特徴とする球状化シリカの製造方法。
2. 前記非晶化シリカ原料は結晶化率が実質的に０％である請求項１に記載の球状化シリカの製造方法。
3. 前記ケイ石原料の粒径は３０μｍ以上である請求項１又は２に記載の球状化シリカの製造方法。