JP2010131577A - Method for producing fine particles and apparatus for producing the same - Google Patents

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Yasunori Tanaka
康規 田中
Yoshibumi Sakai
義文 酒井
Keitaro Nakamura
圭太郎 中村
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Kanazawa University NUC
Nisshin Seifun Group Inc
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Kanazawa University NUC
Nisshin Seifun Group Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing fine particles which enables highly efficient generation of fine nanoparticles having a narrow particle size distribution width, which has been hitherto difficult, and a method for producing fine particles which can be suitably used for the practise of the method. <P>SOLUTION: The method for producing fine particles includes dispersing and supplying one or more kinds of particles as a raw material for fine particle production into a thermal plasma flame, evaporating the particles for the raw material for fine particle production to prepare a mixture in a gas phase state, and cooling the mixture. A modulated induction thermal plasma device is used as the device for generating the thermal plasma flame, and amplitude modulation of coil current of the modulated induction thermal plasma device is repeated at a predetermined time interval. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、微粒子の製造方法に関し、より具体的には、原料の完全利用(完全蒸発)とナノ粒子の高効率生成を可能とした微粒子の製造方法、並びにこの方法を実施するに好適に用い得る微粒子の製造装置に関する。   TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing fine particles, and more specifically, a method for producing fine particles that enables complete utilization (complete evaporation) of raw materials and high-efficiency production of nanoparticles, and is preferably used for carrying out this method. The present invention relates to an apparatus for producing fine particles.

近年、家電製品をはじめとして、あらゆる製品のダウンサイジング化,精密化と連動するように、家電製品や化粧品,医薬品などの原料として使用される粉体についても、ナノ粒子化や複雑な粉体設計が要求されるようになっている。このナノ粒子を作る一手法として熱プラズマを用いる手法がある。熱プラズマは、プラズマ全体が高温で熱容量が大きく、被加熱物をすばやく加熱できるという特徴がある。   In recent years, in conjunction with downsizing and refinement of all kinds of products including home appliances, nano-particles and complex powder designs are also used for powders used as raw materials for home appliances, cosmetics and pharmaceuticals. Is now required. There is a technique using thermal plasma as one technique for producing the nanoparticles. Thermal plasma is characterized in that the plasma as a whole has a high temperature and a large heat capacity, and can quickly heat an object to be heated.

中でも高周波誘導熱プラズマの最大の利点は、反応性豊かな高温の熱プラズマ空間が無電極状態で実現できるため、電極間のアーク放電を利用する直流プラズマと比較して、電極金属のスパッタリングや溶融による汚染問題から開放されたクリーンな高温,高速のプラズマ媒体を形成できる点にある。この特徴は不純物混入が極めて少なく、任意の媒体中(不活性雰囲気,酸化雰囲気,還元雰囲気)で反応を促進させることができるという点で原料生成分野では非常に有利である。   Above all, the greatest advantage of high-frequency induction thermal plasma is that a hot plasma space with high reactivity can be realized without an electrode, so that sputtering and melting of electrode metal is possible compared to DC plasma using arc discharge between electrodes. It is possible to form a clean, high-temperature, high-speed plasma medium that has been freed from contamination problems. This feature is very advantageous in the field of raw material production in that impurities are very little mixed and the reaction can be promoted in any medium (inert atmosphere, oxidizing atmosphere, reducing atmosphere).

また、ナノ粒子生成においても、液相中の生成法に比べ高純度金属,合金,金属間化合物,表面清浄粒子などの面において非常に優れた粒子が得られるという特性をもっている(非特許文献1参照)。
さらに、非特許文献2に示されている変調誘導熱プラズマ装置は、コイル電流を振幅変調させることで、熱プラズマの高温状態と低温状態をマイクロ秒から数秒オーダーで繰り返させることができる。
In addition, the nanoparticle production also has characteristics that very excellent particles can be obtained in terms of high-purity metals, alloys, intermetallic compounds, surface clean particles and the like as compared with the production method in the liquid phase (Non-patent Document 1). reference).
Furthermore, the modulation induction thermal plasma apparatus shown in Non-Patent Document 2 can repeat the high temperature state and low temperature state of the thermal plasma on the order of microseconds to several seconds by amplitude-modulating the coil current.

明石和夫編集代表:プラズマ材料科学ハンドブック、オーム社(1992)Kazuo Akashi, Editor-in-Chief: Plasma Materials Science Handbook, Ohmsha (1992) 南雲他:平成19年度電気関係学会北陸支部連合大会、A−1(2007)Nanun et al .: 2007 Japan Electrical Engineering Association Hokuriku Branch Association Conference, A-1 (2007)

そこで、本発明の第1の目的は、上述の変調誘導熱プラズマを用いて、従来は困難であった微細でかつ粒度分布幅の狭いナノ粒子を高効率に生成可能とする微粒子の製造方法、並びにこの方法を実施するに好適に用い得る微粒子の製造装置を提供することにある。
また、本発明の第2の目的は、同じく上述の変調誘導熱プラズマのコイル電流の振幅変調をマイクロ秒から数秒オーダーで繰り返させることにより、従来は必要であった原料供給速度を下げたり、大量の急冷ガスを導入したりすることなしに、生成するナノ粒子の粒径を任意に制御し、微細でかつ粒度分布幅の狭いナノ粒子を高効率に生成可能とする微粒子の製造方法、並びにこの方法を実施するのに好適に用い得る微粒子の製造装置を提供することにある。
Therefore, the first object of the present invention is to use the above-described modulated induction thermal plasma, and a method for producing fine particles capable of efficiently generating fine nanoparticles having a narrow particle size distribution width, which has been difficult in the past, In addition, an object of the present invention is to provide an apparatus for producing fine particles that can be suitably used for carrying out this method.
In addition, the second object of the present invention is to reduce the material supply speed, which has been conventionally required, by reducing the amplitude modulation of the coil current of the modulated induction thermal plasma in the order of microseconds to several seconds. And a method for producing fine particles capable of efficiently producing fine nanoparticles having a narrow particle size distribution width by arbitrarily controlling the particle size of the produced nanoparticles without introducing a quenching gas. An object of the present invention is to provide an apparatus for producing fine particles that can be suitably used for carrying out the method.

上記目的を達成するために、本発明の第1の態様に係る第1の微粒子の製造方法は、微粒子製造用原料としての一種以上の粒子を分散させて熱プラズマ炎中に供給し、前記微粒子製造用原料粒子を蒸発させ気相状態の混合物とし、この混合物を冷却して、微粒子を製造する微粒子の製造方法であって、前記熱プラズマ炎の発生装置として変調誘導熱プラズマ装置を用い、この変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流の振幅変調を所定時間間隔で繰り返させることを特徴とする。   In order to achieve the above-mentioned object, the first fine particle production method according to the first aspect of the present invention is characterized in that one or more kinds of particles as a fine particle production raw material are dispersed and supplied into a thermal plasma flame. A production method of fine particles for producing fine particles by evaporating raw material particles for production into a mixture in a gas phase state, and cooling the mixture, wherein a modulation induction thermal plasma apparatus is used as the thermal plasma flame generating device. It is characterized in that the amplitude modulation of the coil current of the modulation induction thermal plasma apparatus is repeated at predetermined time intervals.

また、上記目的を達成するために、本発明に係る第2の微粒子の製造方法は、微粒子製造用原料としての一種以上の粒子を溶媒中に溶解させて熱プラズマ炎中に供給し、前記微粒子製造用原料粒子を蒸発させ気相状態の混合物とし、この混合物を冷却して、微粒子を製造する微粒子の製造方法であって、前記熱プラズマ炎の発生装置として変調誘導熱プラズマ装置を用い、この変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流の振幅変調を所定時間間隔で繰り返させることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the second method for producing fine particles according to the present invention comprises dissolving one or more particles as a raw material for producing fine particles in a solvent and supplying them into a thermal plasma flame. A production method of fine particles for producing fine particles by evaporating raw material particles for production into a mixture in a gas phase state, and cooling the mixture, wherein a modulation induction thermal plasma apparatus is used as the thermal plasma flame generating device. It is characterized in that the amplitude modulation of the coil current of the modulation induction thermal plasma apparatus is repeated at predetermined time intervals.

また、上記目的を達成するために、本発明に係る第3の微粒子の製造方法は、微粒子製造用原料としての一種以上の粒子をスラリー中に分散させて熱プラズマ炎中に供給し、前記微粒子製造用原料粒子を蒸発させ気相状態の混合物とし、この混合物を冷却して、微粒子を製造する微粒子の製造方法であって、前記熱プラズマ炎の発生装置として変調誘導熱プラズマ装置を用い、この変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流の振幅変調を所定時間間隔で繰り返させることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the third method for producing fine particles according to the present invention includes dispersing one or more kinds of particles as a raw material for producing fine particles in a slurry and supplying the particles into a thermal plasma flame. A production method of fine particles for producing fine particles by evaporating raw material particles for production into a mixture in a gas phase state, and cooling the mixture, wherein a modulation induction thermal plasma apparatus is used as the thermal plasma flame generating device. It is characterized in that the amplitude modulation of the coil current of the modulation induction thermal plasma apparatus is repeated at predetermined time intervals.

ここで、本発明に係る微粒子の製造方法においては、前記変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流を振幅変調する際には、前記コイル電流を予め定められている波形により振幅変調させるようにすることが好ましい。   Here, in the method for producing fine particles according to the present invention, when the amplitude of the coil current of the modulation induction thermal plasma apparatus is amplitude-modulated, the amplitude of the coil current may be modulated by a predetermined waveform. preferable.

また、本発明に係る微粒子の製造方法においては、前記変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流を振幅変調する際に用いる予め定められている波形として、矩形波,三角波,のこぎり波,逆のこぎり波、もしくは正弦波等を含む曲線を含む繰り返し波からなる波形を用いることが好ましい。   Further, in the method for producing fine particles according to the present invention, a rectangular waveform, a triangular wave, a sawtooth wave, a reverse sawtooth wave, or a predetermined waveform used for amplitude modulation of the coil current of the modulation induction thermal plasma apparatus, or It is preferable to use a waveform composed of a repetitive wave including a curve including a sine wave.

また、本発明に係る微粒子の製造方法においては、前記変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流の振幅変調を繰り返させる所定時間間隔は、マイクロ秒から数秒オーダーであることが好ましい。   In the method for producing fine particles according to the present invention, it is preferable that the predetermined time interval for repeating the amplitude modulation of the coil current of the modulation induction thermal plasma apparatus is on the order of microseconds to several seconds.

一方、上記目的を達成するために、本発明の第2の態様に係る微粒子の製造装置は、微粒子製造用原料としての一種以上の粒子をそのまま分散させて、もしくは溶媒中に溶解させて、もしくはスラリー中に分散させて熱プラズマ炎中に供給する微粒子製造用原料供給手段と、前記熱プラズマ炎中で蒸発した前記微粒子製造用原料を気相状態の混合物とし、さらにこの混合物を冷却する後処理手段と、前記混合物が冷却されて生成した微粒子を回収する微粒子回収手段とを有する微粒子の製造装置であって、前記熱プラズマ炎の発生装置として変調誘導熱プラズマ装置を用い、この変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流を振幅変調させる変調誘導熱プラズマ装置の制御手段とを有し、前記制御手段により前記変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流の振幅変調を所定時間間隔で繰り返させることを特徴とする。   On the other hand, in order to achieve the above object, the fine particle production apparatus according to the second aspect of the present invention disperses one or more kinds of particles as a fine particle production raw material as they are, or dissolves them in a solvent, or A raw material supply means for producing fine particles dispersed in a slurry and fed into a thermal plasma flame, and a post-treatment for converting the raw material for producing fine particles evaporated in the thermal plasma flame into a gas phase mixture and further cooling the mixture And a fine particle collecting means for collecting fine particles generated by cooling the mixture, wherein the modulated induction thermal plasma apparatus is used as the thermal plasma flame generator, and the modulated induction thermal plasma is used. A modulation induction thermal plasma apparatus for controlling the amplitude of the coil current of the apparatus, and the control means for controlling the coil current of the modulation induction thermal plasma apparatus. Characterized in that to repeat amplitude modulation at a predetermined time interval.

ここで、本発明に係る微粒子の製造装置においては、前記変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流を振幅変調する際には、前記コイル電流を予め定められている波形により振幅変調させるようにすることが好ましい。   Here, in the fine particle manufacturing apparatus according to the present invention, when the amplitude of the coil current of the modulation induction thermal plasma apparatus is amplitude-modulated, the coil current may be amplitude-modulated by a predetermined waveform. preferable.

また、本発明に係る微粒子の製造装置においては、前記変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流を振幅変調する際に用いる予め定められている波形として、矩形波,三角波,のこぎり波,逆のこぎり波、もしくは正弦波等を含む曲線を含む繰り返し波からなる波形を用いることが好ましい。   In the fine particle manufacturing apparatus according to the present invention, a rectangular waveform, a triangular wave, a sawtooth wave, a reverse sawtooth wave, or a predetermined waveform used for amplitude modulation of the coil current of the modulation induction thermal plasma apparatus, or It is preferable to use a waveform composed of a repetitive wave including a curve including a sine wave.

また、本発明に係る微粒子の製造装置においては、前記変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流の振幅変調を繰り返させる所定時間間隔は、マイクロ秒から数秒オーダーであることが好ましい。   In the fine particle manufacturing apparatus according to the present invention, it is preferable that the predetermined time interval for repeating the amplitude modulation of the coil current of the modulation induction thermal plasma apparatus is on the order of microseconds to several seconds.

本発明によれば、従来は困難であった微細でかつ粒度分布幅の狭いナノ粒子を高効率に生成可能とする微粒子の製造方法、並びにこの方法を実施するに好適に用い得る微粒子の製造装置を提供することができるという優れた効果を奏するものである。
また、本発明によれば、生成するナノ粒子の粒径を任意に制御可能とする微粒子の製造方法、並びにこの方法を実施するに好適に用い得る微粒子の製造装置を提供することができるという優れた効果を奏するものである。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the microparticles | fine-particles which can produce | generate the fine particle which was difficult conventionally, and a narrow particle size distribution width | variety with high efficiency, and the microparticles manufacturing apparatus which can be used suitably for implementing this method It is an excellent effect that can be provided.
Further, according to the present invention, it is possible to provide a method for producing fine particles capable of arbitrarily controlling the particle size of the generated nanoparticles, and an apparatus for producing fine particles that can be suitably used for carrying out this method. It is effective.

本発明の一実施形態に係るTiO微粒子の製造方法を実施するための製造装置の全体構成を示す模式図である。The method for producing a TiO 2 fine particles according to an embodiment of the present invention is a schematic diagram showing an overall configuration of a manufacturing apparatus for carrying out. 微粒子製造用原料として粉体原料を使用する場合に好適に用い得る原料供給装置の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the raw material supply apparatus which can be used suitably when using a powder raw material as a raw material for fine particle manufacture. 実施形態に係る製造装置に用いる変調誘導熱プラズマ発生装置の電源の一構成例を示す図である。It is a figure which shows the example of 1 structure of the power supply of the modulation | alteration induction thermal plasma generator used for the manufacturing apparatus which concerns on embodiment. 図1中のプラズマトーチを拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the plasma torch in FIG. パルス変調時のコイル電流の概略を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline of the coil current at the time of pulse modulation. 図1の製造装置を用いて行ったナノ粒子生成実験の結果、フィルター部で回収した粒子のSEM画像を示す(写真代用)図である。It is a figure which shows the SEM image of the particle | grains collect | recovered by the filter part as a result of the nanoparticle production | generation experiment performed using the manufacturing apparatus of FIG. 同じ実験の結果、フィルター部で回収した粒子の粒径度数分布を示す図である(その1)。It is a figure which shows the particle size frequency distribution of the particle | grains collect | recovered by the filter part as a result of the same experiment (the 1). 同じ実験の結果、フィルター部で回収した粒子の粒径度数分布を示す図である(その2)。It is a figure which shows the particle size frequency distribution of the particle | grains collect | recovered by the filter part as a result of the same experiment (the 2). 回収された粒子のSEM画像から、平均粒径の原料供給量依存性を算出した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the raw material supply amount dependence of the average particle diameter from the SEM image of the collect | recovered particle | grains. 回収された粒子のSEM画像から、標準偏差の原料供給量依存性を算出した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the raw material supply amount dependence of the standard deviation from the SEM image of the collect | recovered particle | grains. 各実験条件における生成粒子の平均粒径に対する電流変調率依存性を示す図である。It is a figure which shows the current modulation factor dependence with respect to the average particle diameter of the production | generation particle | grains in each experimental condition. 生成粒子の平均粒子径に対するデューティ比依存性を示す図である。It is a figure which shows the duty ratio dependence with respect to the average particle diameter of a production | generation particle | grain. 各回収場所で生成された粒子のBET法による比表面積の算出結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the specific surface area by BET method of the particle | grains produced | generated at each collection place. 回収された粒子のXRD分析結果を示す図である。It is a figure which shows the XRD analysis result of the collect | recovered particle | grains. Anatase型TiOの重量分率の原料粉体供給量依存性を示す図である。Is a diagram showing the raw material powder supply amount dependent weight fraction of Anatase type TiO 2. 他の実施形態に係るTiO微粒子の製造方法を実施するための製造装置に用いられる液状原料の供給装置の構成例を示す模式図である。It is a schematic view showing a configuration example of a supply device of the liquid raw material used in the production apparatus for carrying out the method for producing TiO 2 fine particles according to another embodiment.

以下、図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係るTiO微粒子の製造方法を実施するための微粒子製造装置(以下、単に製造装置ともいう)10の全体構成を示す模式図である。 FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a fine particle production apparatus (hereinafter also simply referred to as a production apparatus) 10 for carrying out a method for producing TiO 2 fine particles according to an embodiment of the present invention.

図1に示す製造装置10は、大きく分けて5つの部分から構成されている。それらは、(1)原料供給部12、(2)高周波MOSFETインバータ電源14、(3)熱プラズマトーチ16、(4)チャンバー18、そして(5)回収部20である。   The manufacturing apparatus 10 shown in FIG. 1 is roughly composed of five parts. These are (1) the raw material supply unit 12, (2) the high frequency MOSFET inverter power supply 14, (3) the thermal plasma torch 16, (4) the chamber 18, and (5) the recovery unit 20.

まず、原料供給部12は、供給管を介してプラズマトーチ16の上部に接続され、微粒子製造用原料を分散させてプラズマトーチ16内へ供給するものである。本実施形態に係る製造装置10では、原料供給装置として、粉体原料を使用するのに適した装置を使用して、TiO微粒子を製造する。但し、ここで、粉体原料は熱プラズマ炎中に供給される際に、分散されている必要がある。 First, the raw material supply unit 12 is connected to the upper part of the plasma torch 16 through a supply pipe, and disperses the raw material for producing fine particles into the plasma torch 16. In the manufacturing apparatus 10 according to the present embodiment, TiO 2 fine particles are manufactured using an apparatus suitable for using a powder raw material as a raw material supply apparatus. However, here, the powder raw material needs to be dispersed when supplied into the thermal plasma flame.

そこで、本実施形態における原料供給装置は、粉体原料を分散状態(いわゆる、一次粒子の状態)に維持しつつ定量的にプラズマトーチ内部の熱プラズマ炎中に供給することができるものが好ましい。そのような機能を有する原料供給装置として、例えば本出願人の出願に係る特許第3217415号公報に開示されている粉体分散装置のような装置が利用可能である。   Therefore, it is preferable that the raw material supply apparatus in the present embodiment can quantitatively supply the powder raw material into the thermal plasma flame inside the plasma torch while maintaining the powder raw material in a dispersed state (so-called primary particle state). As a raw material supply apparatus having such a function, for example, an apparatus such as a powder dispersion apparatus disclosed in Japanese Patent No. 3217415 related to the applicant's application can be used.

図2に、微粒子製造用原料として粉体原料を使用する場合に好適に用い得る原料供給装置30の概略構成を示した。図2に示す原料供給装置30は、主に、粉体原料を貯蔵する貯蔵槽32と、粉体原料を定量搬送するスクリューフィーダ50と、スクリューフィーダ50で搬送された粉体原料が最終的に散布される前に、これを一次粒子の状態に分散させる分散部60とから構成されている。   FIG. 2 shows a schematic configuration of a raw material supply apparatus 30 that can be suitably used when a powder raw material is used as a raw material for producing fine particles. 2 mainly includes a storage tank 32 for storing powder raw materials, a screw feeder 50 for quantitatively conveying powder raw materials, and a powder raw material conveyed by the screw feeder 50 finally. It is comprised from the dispersion | distribution part 60 which disperse | distributes this to the state of a primary particle before being spread | dispersed.

貯蔵槽32の内部には、貯蔵された粉体原料34の凝集を防止するために、攪拌軸36とそれに接続された攪拌羽根38とが設けられる。攪拌軸36は、オイルシール40aと軸受け42aとによって、貯蔵槽32内で回転可能に配設されている。また、貯蔵槽32外部にある攪拌軸36の端部は、モータ44aに接続されており、図示しない制御装置によってその回転が制御される。   In the storage tank 32, a stirring shaft 36 and a stirring blade 38 connected thereto are provided in order to prevent the stored powder raw material 34 from agglomerating. The stirring shaft 36 is rotatably arranged in the storage tank 32 by an oil seal 40a and a bearing 42a. Further, the end of the stirring shaft 36 outside the storage tank 32 is connected to a motor 44a, and its rotation is controlled by a control device (not shown).

貯蔵槽32の下部には、スクリューフィーダ50が設けられ、粉体原料34の定量的な搬送を可能にする。スクリューフィーダ50は、スクリュー52と、スクリュー52の軸54と、ケーシング56と、スクリュー52の回転動力源であるモータ44bとを含み構成されている。スクリュー52および軸54は、貯蔵槽32内の下部を横切って設けられている。軸54は、オイルシール40bと軸受け42bとによって貯蔵槽32内で回転可能に配設されている。   A screw feeder 50 is provided in the lower part of the storage tank 32 to enable quantitative conveyance of the powder raw material 34. The screw feeder 50 includes a screw 52, a shaft 54 of the screw 52, a casing 56, and a motor 44 b that is a rotational power source of the screw 52. The screw 52 and the shaft 54 are provided across the lower part in the storage tank 32. The shaft 54 is rotatably disposed in the storage tank 32 by an oil seal 40b and a bearing 42b.

また、貯蔵槽32外部にある軸54の端部は、モータ44bに接続されており、図示しない制御装置によってその回転が制御される。さらに、貯蔵槽32の下部の開口部と、後述する分散部60とを接続し、スクリュー52を包む筒状通路であるケーシング56が設けられる。ケーシング56は、後述する分散部60の内部途中まで延設されている。   Further, the end of the shaft 54 outside the storage tank 32 is connected to a motor 44b, and its rotation is controlled by a control device (not shown). Further, a casing 56 that is a cylindrical passage that connects the opening of the lower portion of the storage tank 32 and a dispersion unit 60 described later and wraps the screw 52 is provided. The casing 56 is extended to the middle of the dispersion part 60 described later.

図2に示すように、分散部60は、ケーシング56の一部に外挿固定された外管62と、軸54の先端部に植設された回転ブラシ66を有し、スクリューフィーダ50によって定量搬送された粉体原料34を一次分散させることができる。
外管62の外挿固定された端部と反対の端部は、その形状が円錐台形状であり、その内部にも円錐台形状の空間である粉体分散室64を有する。また、その端部には分散部60で分散された粉体原料を搬送する搬送管72が接続される。
As shown in FIG. 2, the dispersing unit 60 includes an outer tube 62 that is extrapolated and fixed to a part of the casing 56, and a rotating brush 66 that is implanted at the tip of the shaft 54, and is fixed by the screw feeder 50. The conveyed powder raw material 34 can be primarily dispersed.
The end portion of the outer tube 62 opposite to the end portion that is fixed by extrapolation has a truncated cone shape, and also has a powder dispersion chamber 64 that is a truncated cone-shaped space. Further, a transport pipe 72 for transporting the powder raw material dispersed by the dispersion unit 60 is connected to the end thereof.

外管62の側面には気体供給口68が設けられており、また、ケーシング56の外壁と外管62の内壁とによって設けられる空間は、供給された気体が通過する気体通路70としての機能を有する。
回転ブラシ66は、ナイロン等の比較的柔軟な材質、あるいは鋼線等の硬質な材質からなる針状部材で、ケーシング56の先端部近傍の内部から粉体分散室64の内部まで、軸54の径外方に延出して密集植設されることによって形成される。
A gas supply port 68 is provided on the side surface of the outer tube 62, and the space provided by the outer wall of the casing 56 and the inner wall of the outer tube 62 functions as a gas passage 70 through which the supplied gas passes. Have.
The rotating brush 66 is a needle-like member made of a relatively soft material such as nylon or a hard material such as steel wire, and the shaft 54 extends from the vicinity of the tip of the casing 56 to the inside of the powder dispersion chamber 64. It is formed by extending radially outward and being densely planted.

分散部60では、分散・搬送用の気体(キャリアガス)が、図示しない圧力気体供給源から気体供給口68、気体通路70を通って回転ブラシ66の径方向外側から回転ブラシ66に噴出され、定量的に搬送される粉体原料34が、回転ブラシ66の針状部材間を通過することで一次粒子に分散される。   In the dispersion unit 60, a gas for dispersion / conveyance (carrier gas) is jetted from a pressure gas supply source (not shown) through the gas supply port 68 and the gas passage 70 to the rotary brush 66 from the outside in the radial direction of the rotary brush 66, The powder material 34 conveyed quantitatively is dispersed into primary particles by passing between the needle-like members of the rotating brush 66.

搬送管72は、その一端は外管62と接続され、他端はプラズマトーチ16に接続される。また、搬送管72は、その管径の10倍以上の管長を有し、少なくとも途中に分散粉体を含む気流が流速20m/sec以上になる管径部分を設けることが好ましい。これにより分散部60で一次粒子の状態に分散された粉体原料144の凝集を防止し上記の分散状態を維持したまま、粉体原料34をプラズマトーチ16内部に散布することができる。   The transfer tube 72 has one end connected to the outer tube 62 and the other end connected to the plasma torch 16. Further, it is preferable that the transport pipe 72 has a pipe length that is 10 times or more the pipe diameter, and has a pipe diameter portion at which the air flow containing the dispersed powder is at a flow velocity of 20 m / sec or more at least in the middle. As a result, the powder raw material 144 dispersed in the state of primary particles by the dispersing unit 60 can be prevented from agglomerating, and the powder raw material 34 can be dispersed inside the plasma torch 16 while maintaining the above dispersed state.

本実施形態に係る製造装置10は、上述したような原料供給装置30を図1に示すプラズマトーチ16に接続し、これを用いて本実施形態におけるTiO微粒子の製造方法を実施することができる。
なお、ここで、微粒子製造用原料として使用する粉体原料は、熱プラズマ炎中で蒸発させることができるものであり、その粒径が100μm以下である粉体原料であることが好ましい。
The manufacturing apparatus 10 according to this embodiment can connect the raw material supply apparatus 30 as described above to the plasma torch 16 shown in FIG. 1 and use this to implement the method for manufacturing TiO 2 fine particles according to this embodiment. .
Here, the powder raw material used as the raw material for producing fine particles can be evaporated in a thermal plasma flame, and is preferably a powder raw material having a particle size of 100 μm or less.

次に、高周波MOSFETインバータ電源14について説明する。
高周波MOSFETインバータ電源14は、基本周波数450kHz,最大電力50kW,定格電圧150V,定格電流460AのMOSFETインバータ電源である。通常、真空管電源を用いて生成される誘導熱プラズマに用いられる周波数が数MHzであるのに対し、本実施形態に係る微粒子製造装置10では、周波数f= 450kHzのものを用いている。
Next, the high frequency MOSFET inverter power supply 14 will be described.
The high-frequency MOSFET inverter power supply 14 is a MOSFET inverter power supply having a fundamental frequency of 450 kHz, a maximum power of 50 kW, a rated voltage of 150 V, and a rated current of 460 A. Normally, the frequency used for induction thermal plasma generated using a vacuum tube power supply is several MHz, whereas in the fine particle manufacturing apparatus 10 according to the present embodiment, the one having a frequency f = 450 kHz is used.

MOSFETインバータ電源は電力変換効率が90%であり、従来の真空管型電源の効率30〜60%に比較して高く、エネルギー効率が低いというICPの欠点を克服するものである。また、この電源は電流の振幅を変調できる機能を有している。
図3に、上述の、電源電流の振幅を変調する機能を実現する構成例を示す。
The MOSFET inverter power supply has a power conversion efficiency of 90%, which is higher than the efficiency of the conventional vacuum tube type power supply of 30 to 60%, and overcomes the disadvantage of ICP that the energy efficiency is low. This power supply has a function of modulating the amplitude of the current.
FIG. 3 shows a configuration example for realizing the above-described function of modulating the amplitude of the power supply current.

図3に示すのは、変調誘導熱プラズマ発生装置の電源として用いられる構成例であり、入力電源として三相交流を用いるものである。
この装置では、三相全波整流回路により交流−直流変換を行った後、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)を用いたDC−DCコンバータにより、その出力電圧値を変化させる。
FIG. 3 shows a configuration example used as a power source of a modulation induction thermal plasma generator, and uses a three-phase alternating current as an input power source.
In this device, after AC-DC conversion is performed by a three-phase full-wave rectifier circuit, the output voltage value is changed by a DC-DC converter using an IGBT (insulated gate bipolar transistor).

次いで、MOSFETインバータ回路により、直流−交流変換を行う。これにより、インバータ出力をAM変調することができる。
そして、インバータの出力側には、コンデンサ,共振コイルからなる直列共振回路が接続されており、プラズマ負荷を含めた負荷インピーダンスの共振周波数がインバータ電源の駆動周波数領域内となるようにインピーダンスマッチングを行う。
Next, DC-AC conversion is performed by the MOSFET inverter circuit. As a result, the inverter output can be AM-modulated.
A series resonance circuit composed of a capacitor and a resonance coil is connected to the output side of the inverter, and impedance matching is performed so that the resonance frequency of the load impedance including the plasma load is within the drive frequency region of the inverter power supply. .

次に、プラズマトーチ16について説明する。
プラズマトーチ16は、図4に示すように、石英管16aと、その外側を取り巻く高周波発振用コイル16bとで構成されている。プラズマトーチ16の上部には、微粒子製造用原料であるTi粒子と、キャリアガスとをプラズマトーチ16内に供給するための供給管16cがその中央部に設けられており、プラズマガス供給口16dがその周辺部(同一円周上)に形成されている。
Next, the plasma torch 16 will be described.
As shown in FIG. 4, the plasma torch 16 includes a quartz tube 16a and a high-frequency oscillation coil 16b surrounding the outside. Above the plasma torch 16, a supply pipe 16c for supplying Ti particles as a raw material for producing fine particles and a carrier gas into the plasma torch 16 is provided at the center, and a plasma gas supply port 16d is provided. It is formed in the peripheral part (on the same circumference).

また、プラズマトーチ16の石英管16aの外側は、同心円状に形成された石英管16eで囲まれており、石英管16aと16eの間に冷却水16fを循環させて石英管16aを水冷し、プラズマトーチ16内で発生した熱プラズマ炎24により石英管16aが高温になりすぎるのを防止している。   The outside of the quartz tube 16a of the plasma torch 16 is surrounded by a concentric quartz tube 16e, and cooling water 16f is circulated between the quartz tubes 16a and 16e to cool the quartz tube 16a. The quartz tube 16a is prevented from becoming too hot due to the thermal plasma flame 24 generated in the plasma torch 16.

プラズマトーチ16は、ここでは、石英管16aの内径75mm,長さ330mmのものを用いている。
また、プラズマ発生用誘導コイル16bは、外径130mm,コイル導体径14mmφ,コイル長155mmの8ターンのものを使用している。
As the plasma torch 16, a quartz tube 16a having an inner diameter of 75 mm and a length of 330 mm is used here.
In addition, the plasma generating induction coil 16b is an 8-turn one having an outer diameter of 130 mm, a coil conductor diameter of 14 mmφ, and a coil length of 155 mm.

このコイル長155mmは一般的なものに比べ約3倍程度長い。このように、コイル長を長くすることの利点としては、軸方向に長く強い電磁場を発生させることができるため、それにより発生するプラズマも軸方向に長くなり、トーチヘッドから投入される原料粉体の蒸発に有利な特徴を持っている。   The coil length 155 mm is about three times longer than a general one. As described above, the advantage of increasing the coil length is that it can generate a strong electromagnetic field that is long in the axial direction, so that the plasma generated thereby becomes longer in the axial direction, and the raw material powder charged from the torch head It has advantageous characteristics for evaporation.

プラズマトーチ16の下流部には、水冷のチャンバー18が接続されている。チャンバー18は、図1に示すように、プラズマトーチ16に近い方から、上流チャンバーをトーチと同軸方向に取り付けている。また、上流チャンバーと垂直に下流チャンバーを設け、さらに下流には回収部(フィルター部)20を設けている。粒子の回収場所としては、上流チャンバー,下流チャンバー,フィルターの3個所としている。   A water-cooled chamber 18 is connected to the downstream portion of the plasma torch 16. As shown in FIG. 1, the chamber 18 has an upstream chamber attached in the same direction as the torch from the side closer to the plasma torch 16. In addition, a downstream chamber is provided perpendicular to the upstream chamber, and a collection unit (filter unit) 20 is provided further downstream. There are three places to collect the particles: an upstream chamber, a downstream chamber, and a filter.

以下、本実施形態に係る製造装置10を用いて行うTiO微粒子の製造方法についてより詳細に説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the TiO 2 fine particles performed using the manufacturing apparatus 10 according to the present embodiment will be described in more detail.

押し出し圧力をかけられたキャリアガスが、図示されていない原料供給装置30内の噴霧ガス供給源から微粒子製造用原料であるTi粒子と共に、図4中に示されるように供給管16cを介してプラズマトーチ16内の熱プラズマ炎24中へ供給される。供給管16cは、微粒子製造用原料をプラズマトーチ16内の熱プラズマ炎中に噴出するための噴出ノズル機構を有しており、これにより、微粒子製造用原料をプラズマトーチ16内の熱プラズマ炎24中に噴出することができる。キャリアガスとしてはアルゴン,窒素,水素等が単独または適宜組み合わせて用いられる。   The carrier gas to which the extrusion pressure is applied is converted into plasma through a supply pipe 16c as shown in FIG. 4 together with Ti particles that are raw materials for producing fine particles from a spray gas supply source in a raw material supply device 30 (not shown). It is supplied into the thermal plasma flame 24 in the torch 16. The supply pipe 16 c has a jet nozzle mechanism for jetting the raw material for producing fine particles into the thermal plasma flame in the plasma torch 16, whereby the thermal plasma flame 24 in the plasma torch 16 is supplied with the raw material for producing fine particles. Can erupt inside. As the carrier gas, argon, nitrogen, hydrogen or the like is used alone or in appropriate combination.

そして、前述のとおり、チャンバー18がプラズマトーチ16の下方に隣接して設けられており、プラズマトーチ12内の熱プラズマ炎24中に噴霧された粉体原料は、蒸発して気相状態の混合物になり、その直後にこの混合物が上流チャンバーからその下流の下流チャンバー内で急冷され、TiO微粒子が生成される。つまり、上流チャンバーからその下流の下流チャンバーは冷却槽としての機能を有する。 As described above, the chamber 18 is provided adjacent to the lower side of the plasma torch 16, and the powder raw material sprayed into the thermal plasma flame 24 in the plasma torch 12 evaporates to form a gas phase mixture. Immediately thereafter, the mixture is quenched from the upstream chamber into the downstream chamber downstream thereof, and TiO 2 fine particles are generated. That is, the downstream chamber downstream from the upstream chamber functions as a cooling tank.

原料供給装置30からプラズマトーチ16内に射出された微粒子製造用原料は、熱プラズマ炎24中で反応して蒸発した気相状態の混合物となる。そして、この気相状態の混合物は、下流のチャンバー18内で急冷され、微粒子が生成される。この際、下流のチャンバー18内壁面等から気体を射出するようにすることで、微粒子がチャンバー18の内壁面に付着することを防止することも望ましい。   The fine particle production raw material injected into the plasma torch 16 from the raw material supply device 30 becomes a vapor phase mixture which is evaporated by reacting in the thermal plasma flame 24. The gas phase mixture is rapidly cooled in the downstream chamber 18 to generate fine particles. At this time, it is also desirable to prevent fine particles from adhering to the inner wall surface of the chamber 18 by injecting gas from the inner wall surface or the like of the downstream chamber 18.

チャンバー18の側方下部には、生成された微粒子を捕集するための所望のフィルター20aを備える回収部(フィルター部)20が設けられている。このフィルター部20は、フィルターを備えた回収室と、この回収室内下方に設けられた管を介して接続された真空ポンプ20bとを備えている。チャンバー18から送られた微粒子は、上述の真空ポンプ20bで吸引されることにより、回収室内に引き込まれ、フィルターの表面で留まった状態にて回収される。   A collection unit (filter unit) 20 including a desired filter 20 a for collecting the generated fine particles is provided at a lower side portion of the chamber 18. The filter unit 20 includes a recovery chamber provided with a filter and a vacuum pump 20b connected via a pipe provided below the recovery chamber. The fine particles sent from the chamber 18 are drawn into the collection chamber by being sucked by the above-described vacuum pump 20b, and are collected while remaining on the surface of the filter.

上述のように構成される製造装置を用いて、熱プラズマへのTi原料粉体投入実験を行った。表1に、固定した実験条件を示す。実験条件はプラズマへの平均入力を20kW一定として、シースガスとしてAr+Oを用いて合計流量100L/min(標準状態換算、以下同様),流量組成Ar90%+O10%とした。キャリアガスはArを用いて、その流量は4L/minとした。反応容器内圧力は300torr(≒40kPa)に固定し,原料Ti粉体には平均直径45μmのものを用いた。粉体を投入する水冷プローブのトーチ内部挿入長は誘導コイル4,5ターン目の間(挿入長:134mm)とした。 Using the manufacturing apparatus configured as described above, an experiment of charging Ti raw material powder into thermal plasma was performed. Table 1 shows the fixed experimental conditions. The experimental conditions were such that the average input to the plasma was constant 20 kW, Ar + O 2 was used as the sheath gas, the total flow rate was 100 L / min (converted to the standard state, the same applies hereinafter), and the flow rate composition Ar 90% + O 2 10%. The carrier gas was Ar, and its flow rate was 4 L / min. The pressure inside the reaction vessel was fixed at 300 torr (≈40 kPa), and the raw material Ti powder having an average diameter of 45 μm was used. The internal insertion length of the water-cooled probe into which the powder was introduced was between the fourth and fifth turns of the induction coil (insertion length: 134 mm).

ここで、用語の定義について、図5に示す矩形波を用いるパルス変調時のコイル電流の概略に基づいて説明しておく。
まず、コイル電流に対して、電流振幅の高値(HCL),低値(LCL)と定義し、変調一周期の中で、HCLをとる時間をオン時間、LCLをとる時間をオフ時間と定義する。さらに、一周期におけるオン時間の割合(オン時間/(オン時間+オフ時間)×100(%))をデューティ比(DF)とする。また、コイルの電流振幅の比(LCL/HCL×100(%))を電流変調率(SCL)とする。
Here, the definition of terms will be described based on the outline of the coil current at the time of pulse modulation using the rectangular wave shown in FIG.
First, the coil current is defined as a high value (HCL) and a low value (LCL) of the current amplitude, and in one modulation period, the time for taking the HCL is defined as the on time, and the time for taking the LCL is defined as the off time. . Furthermore, the ratio of on time in one cycle (on time / (on time + off time) × 100 (%)) is defined as a duty ratio (DF). Further, the ratio of the current amplitude of the coil (LCL / HCL × 100 (%)) is defined as a current modulation rate (SCL).

以上の共通固定条件の下、表2に示すようにコイル電流を変調しない場合と電流変調率(SCL)約70%の矩形変調を行った場合について、計6回の実験を行い、矩形変調条件の有無による生成粒子の違いを検討した。生成物の分析にはSEM(走査型電子顕微鏡),XRD(X線回折法)およびBET(Brunauer,Emmet and Teller’s)法を用いて、平均粒径,結晶構造,比表面積などを調べた。   Under the above-mentioned common fixed conditions, as shown in Table 2, a total of six experiments were conducted for the case where the coil current was not modulated and the case where the rectangular modulation with a current modulation factor (SCL) of about 70% was performed. The difference of the generated particles by the presence or absence of was investigated. For the analysis of the product, SEM (scanning electron microscope), XRD (X-ray diffraction method), and BET (Brunauer, Emmet and Teller's) method were used to examine the average particle size, crystal structure, specific surface area, etc. .

SEM観察結果:
図6に、各実験条件でナノ粒子生成実験を行い、フィルター部20で回収した粒子のSEM画像を示す。なお、用いたフィルターは日本フィルター工業社製のバグフィルター(ミクロテックスMT−1000)である。これらの画像において(a)および(b)は、それぞれ無変調時および矩形変調時に対応するものである。これらの画像より、矩形変調時には、いずれの条件においても、直径数十nmの球状のナノ粒子が生成されているが、無変調時では直径100nmを超える大きい粒子が生成されていることがわかる。以上より、SCL70%の矩形変調を加えた方が明らかに粒径の小さい粒子が生成されていることが確認できた。
SEM observation results:
FIG. 6 shows an SEM image of particles collected by the filter unit 20 by performing a nanoparticle generation experiment under each experimental condition. The filter used was a bag filter (Microtex MT-1000) manufactured by Nippon Filter Industry. In these images, (a) and (b) correspond to no-modulation and rectangular modulation, respectively. From these images, it is understood that spherical nanoparticles with a diameter of several tens of nm are generated under any condition during rectangular modulation, but large particles with a diameter exceeding 100 nm are generated during non-modulation. From the above, it was confirmed that particles having an apparently smaller particle size were produced by applying rectangular modulation of 70% SCL.

なお、上述の矩形変調時の所定時間間隔、すなわち表2中のオン時間/オフ時間については、例えばそれぞれを、マイクロ秒から数秒オーダーの範囲内において任意に決定することが可能である。   Note that the predetermined time interval at the time of the rectangular modulation described above, that is, the on time / off time in Table 2, can be arbitrarily determined, for example, within the range of microseconds to several seconds.

粒径度数分布・平均粒径:
上述のSEM画像を用いて、200個の粒子を無作為に抽出し、その粒径度数分布を調べた。具体的には、異なる測定での倍率10万倍のSEM画像を2枚使用し,それぞれ100個計200個の粒子の粒径を測定した。図7,図8に各実験条件においてフィルター部20での回収粒子の粒径度数分布を示す。上記図中には、平均粒径と粒径の標準偏差も付記した。
Particle size frequency distribution / average particle size:
Using the SEM image described above, 200 particles were randomly extracted and the particle size frequency distribution was examined. Specifically, two SEM images with a magnification of 100,000 in different measurements were used, and the particle diameters of a total of 200 particles were measured. 7 and 8 show the particle size frequency distribution of the recovered particles in the filter unit 20 under each experimental condition. In the figure, the average particle diameter and the standard deviation of the particle diameter are also shown.

なお、図7において(a),(b),(c)は無変調時の各粉体供給速度に対するもの、図8において(a),(b),(c)は変調時,SCL70%の各粉体供給速度に対するものを示している。
図7,図8の比較結果から、矩形変調を加えた方が粒径のばらつきが小さくなっていることが、明確に認められる。
In FIG. 7, (a), (b), and (c) correspond to each powder supply speed at the time of non-modulation, and (a), (b), and (c) in FIG. The results are shown for each powder supply rate.
From the comparison results of FIGS. 7 and 8, it is clearly recognized that the variation in particle size is smaller when the rectangular modulation is applied.

同様にして、各回収場所で生成された粒子のSEM画像から平均粒径を算出した。図9,図10にそれぞれ平均粒径,標準偏差の原料供給量依存性を示す。両図より、矩形変調条件の有(グラフB)・無(グラフA)で平均粒径の値を比較すると、矩形変調を加えた方が明らかに平均粒径が小さくなり、粒径のばらつきも小さくなっていることが確認できる。   Similarly, the average particle diameter was calculated from the SEM images of the particles generated at each collection place. FIGS. 9 and 10 show the dependency of the average particle size and standard deviation on the raw material supply amount, respectively. From both figures, when comparing the average particle size with and without rectangular modulation conditions (graph B) and without (graph A), the average particle size is clearly smaller when the rectangular modulation is applied, and the variation in particle size is also It can be confirmed that it is getting smaller.

次に、電流変調率(SCL)の影響について、図11を用いて説明する。
図11は、各実験条件における生成粒子の平均粒径に対する電流変調率依存性を示す図である。同図に示すように、デューティ比(DF)90%,80%,67%の各条件において、SCL100%の場合と比較して、SCLの値を小さくして変調の度合いを徐々に大きくしていくと、それに伴って平均粒径の値も小さくなる傾向が確認できる。
Next, the influence of the current modulation factor (SCL) will be described with reference to FIG.
FIG. 11 is a graph showing the dependence of the current modulation rate on the average particle size of the generated particles under each experimental condition. As shown in the figure, in each of the duty ratio (DF) 90%, 80%, and 67%, the SCL value is decreased and the degree of modulation is gradually increased as compared with the case of SCL 100%. As it goes on, it can be confirmed that the average particle size tends to be smaller.

図12は、種々の電流変調率(SCL)におけるデューティ比(DF)の影響を説明する図である。
図12(a),(b),(c)は、それぞれ、電流変調率90%,80%,70%の場合に対応する平均粒子径を示している。これらの図からは、デューティ比(DF)が70%〜80%辺りに好適な領域があることが読み取れる。
FIG. 12 is a diagram for explaining the influence of the duty ratio (DF) on various current modulation factors (SCL).
FIGS. 12A, 12B, and 12C show average particle sizes corresponding to current modulation rates of 90%, 80%, and 70%, respectively. From these figures, it can be read that there is a suitable region where the duty ratio (DF) is around 70% to 80%.

BET法による比表面積測定結果:
このような傾向をクロスチェックするために、BET法により回収粒子の比表面積を求めた。比表面積とは、1g中に含まれる全粒子に対する表面積の総和のことで、この値が大きいほど粒径の小さな粒子が多く存在していることになる。
ここでのBET法では、N粒子を吸着させることで比表面積を算出している。図13に、BET法による比表面積測定結果を示す。
Specific surface area measurement result by BET method:
In order to cross-check such a tendency, the specific surface area of the recovered particles was determined by the BET method. The specific surface area is the total surface area with respect to all particles contained in 1 g, and the larger this value, the more particles having a smaller particle diameter.
In the BET method here, the specific surface area is calculated by adsorbing N 2 particles. FIG. 13 shows the specific surface area measurement results by the BET method.

図13中で、グラフC1は矩形変調:有の場合を、グラフC2は矩形変調:無の場合を、それぞれ示している。
同図から、比表面積は矩形変調を加えた場合には、無変調の場合より大きいことがわかる。このことは、SEM画像から得られた傾向と一致している。
In FIG. 13, a graph C1 shows a case where rectangular modulation is present, and a graph C2 shows a case where rectangular modulation is not present.
From the figure, it can be seen that the specific surface area is larger when rectangular modulation is applied than when it is not modulated. This is consistent with the trend obtained from SEM images.

したがって,無変調時と比較して,矩形変調を加えた条件の方が粒径の小さい粒子が生成できるといえる。これは、原料が蒸発した直後の蒸気をプラズマ収縮による急激な温度変化で急冷することにより、生成される粒子の成長を抑えられ、粒径が大きくならないためであると考えられる。   Therefore, it can be said that particles with a smaller particle size can be generated under the condition of adding rectangular modulation as compared with the case of no modulation. This is considered to be because the growth of the generated particles can be suppressed and the particle size does not increase by quenching the vapor immediately after the raw material has evaporated by rapid temperature change due to plasma contraction.

XRDによる生成粒子表面組成:
生成粒子の結晶構造および組成をみるために、XRD分析を行った。図14に、フィルター部20で回収された粒子のXRD分析結果を示す。図14より、いずれの実験条件においても、原料であるTiのピークは見られず、TiOのピークが多数検出され、生成粒子にはTiOが含まれていることが確認できた。
XRD-generated particle surface composition:
In order to see the crystal structure and composition of the produced particles, XRD analysis was performed. FIG. 14 shows an XRD analysis result of the particles collected by the filter unit 20. From FIG. 14, under any experimental condition, the peak of Ti as a raw material was not observed, and many peaks of TiO 2 were detected, and it was confirmed that the generated particles contained TiO 2 .

特にAnatase型結晶構造のTiOのピークが比較的大きく見える。これは、生成粒子において、よりAnatase型TiOの含有量が多いためと考えられる。
XRD分析の際に検出される回折線の強度比は、試料に含まれる物質の構成特性に関係しているため、回折線ピーク値を用いて物質の重量分率を算出できる。
In particular TiO 2 peaks of Anatase-type crystal structure appear relatively large. This is considered to be due to the fact that the produced particles have a higher content of Anatase-type TiO 2 .
Since the intensity ratio of the diffraction lines detected in the XRD analysis is related to the constituent characteristics of the substance contained in the sample, the weight fraction of the substance can be calculated using the diffraction line peak value.

今回は各実験条件・回収場所において、定量的なAnatase型TiOの含有量を評価するために、Anatase型TiOのピーク2θ=25.280に現われるピークと、Rutile型TiOのピーク2θ=27.445に現われるピークを用いて、次式によりAnatase型TiOの重量分率を算出した。 In this experiment, in order to evaluate the quantitative content of Anatase-type TiO 2 at each experimental condition / recovery place, the peak appearing at the peak 2θ = 25.280 of Anatase-type TiO 2 and the peak 2θ of Rutile-type TiO 2 = Using the peak appearing at 27.445, the weight fraction of the Anatase-type TiO 2 was calculated by the following formula.

図15に、Anatase型TiOの重量分率の原料粉体供給量依存性を示す。同図から、いずれの実験条件においてもAnatase型TiOの重量分率の値が0.85〜0.9程度になっていることが確認できる。このことから、生成粒子の結晶構造および組成は変調条件の有(グラフB)無(グラフA)や、原料粉体供給量に依存しないことが考えられる。 FIG. 15 shows the dependency of the weight fraction of the Anatase type TiO 2 on the amount of raw material powder supplied. From the figure, it can be confirmed that the value of the weight fraction of Anatase-type TiO 2 is about 0.85 to 0.9 under any experimental condition. From this, it is conceivable that the crystal structure and composition of the generated particles do not depend on whether there is a modulation condition (graph B) or not (graph A) or on the amount of raw material powder supplied.

Anatase型TiO2の重量分率は、下記の式(1)に従って求めた。
The weight fraction of the Anatase type TiO2 was determined according to the following formula (1).

ここで、f:Anatase型TiOの重量分率
:Anatase型TiO2のピーク
(2θ=25.280,面指数:101)
:Rutile型TiOのピーク
(2θ=27.445,面指数:110)
である。
Here, f A : weight fraction of Anatase type TiO 2
I A : Peak of Anatase type TiO 2
(2θ = 25.280, surface index: 101)
I R : Peak of Rutile TiO 2
(2θ = 27.445, plane index: 110)
It is.

以上、詳細に説明した通り、本実施形態に係る製造装置10によれば、微粒子製造用原料として粉体原料を使用し、上述の変調誘導熱プラズマを用いて、従来は困難であった微細でかつ粒度分布幅の狭いナノ粒子を高効率に生成可能とする微粒子の製造方法が実現できる。また、従来は必要であった原料供給速度を下げたり、大量の急冷ガスを導入したりすることなしに、生成するナノ粒子の粒径を任意に制御し、微細でかつ粒度分布幅の狭いナノ粒子を高効率に生成可能とする微粒子の製造方法が実現できる。   As described above in detail, according to the manufacturing apparatus 10 according to the present embodiment, the powder raw material is used as the raw material for fine particle manufacturing, and the above-described modulation induction thermal plasma is used. In addition, it is possible to realize a method for producing fine particles that can efficiently generate nanoparticles having a narrow particle size distribution width. In addition, it is possible to arbitrarily control the particle size of the generated nanoparticles without lowering the raw material supply rate or introducing a large amount of quenching gas, which has been necessary in the past. A method for producing fine particles capable of generating particles with high efficiency can be realized.

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、微粒子製造用原料であるTi粒子を分散媒中に分散させたスラリー状にして供給する、図16に示すような、液状原料供給装置30Aを用いてプラズマトーチ16内に供給するという形態によっても実現することができる。同様に、微粒子製造用原料であるTi粒子を分散媒中に分散させたコロイド液状にして供給することも可能である。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, For example, the liquid raw material as shown in FIG. 16 which supplies in the slurry form which disperse | distributed Ti particle | grains which are fine particle manufacturing raw materials in a dispersion medium. This can also be realized by a form of supplying the plasma torch 16 using the supply device 30A. Similarly, it is also possible to supply in the form of a colloidal liquid in which Ti particles, which are raw materials for producing fine particles, are dispersed in a dispersion medium.

なお、図16に示す液状原料供給装置30Aは、スラリー30Bを入れる容器30Cと、容器30C中のスラリー30Bを攪拌する攪拌機30Dと、前述のプラズマトーチ16の供給管16cを介してスラリー30Bに高圧をかけてプラズマトーチ16内に供給するためのポンプ30Eとを有して構成されている。   Note that the liquid raw material supply device 30A shown in FIG. And a pump 30E for feeding the plasma torch 16 into the plasma torch 16.

なお、上記実施例においては、微粒子製造用原料であるTi粒子を酸化させてTiO微粒子を製造する場合を例として挙げたが、他の元素の粒子を微粒子製造用原料として用いて、その酸化物,金属,窒化物,炭化物等の微粒子製造を行うことも可能であることもいうまでもない。 In the above embodiment, the case of producing TiO 2 fine particles by oxidizing Ti particles, which are raw materials for producing fine particles, has been described as an example. Needless to say, it is also possible to produce fine particles of materials, metals, nitrides, carbides and the like.

また、上記実施形態並びに実施例は、いずれも本発明の一例を示したものであり、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更や改良を行ってもよいことはいうまでもない。   The above embodiments and examples are only examples of the present invention, and the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made without departing from the spirit of the present invention. Needless to say, improvements may be made.

本発明によれば、従来は困難であった微細でかつ粒度分布幅の狭いナノ粒子を高効率に生成可能とすることができるとともに、生成するナノ粒子の粒径を任意に制御可能とする微粒子の製造方法、並びにこの方法を実施するに好適に用い得る微粒子の製造装置を提供することができるという優れた効果を奏するものである。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being able to produce | generate the fine nanoparticle with a narrow particle size distribution width which was difficult conventionally, it is possible to produce | generate highly efficiently, and the particle size which makes it possible to control the particle size of the produced | generated nanoparticle arbitrarily The production method and the fine particle production apparatus that can be suitably used for carrying out this method can be provided.

なお、上記実施形態は、本発明の一例を示したものであり、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更や改良を行ってもよいことはいうまでもない。
例えば、パルス変調時のコイル電流の波形についても、実施例に挙げた矩形波を用いるものに限定はされず、三角波,のこぎり波,逆のこぎり波、もしくは正弦波等を含む曲線を含む繰り返し波からなる波形をも用いてよいことはいうまでもない。
The above embodiment shows an example of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications and improvements are made without departing from the spirit of the present invention. Needless to say, it may be.
For example, the waveform of the coil current at the time of pulse modulation is not limited to the one using the rectangular wave mentioned in the embodiment, but from a repetitive wave including a curve including a triangular wave, a sawtooth wave, a reverse sawtooth wave, or a sine wave. Needless to say, the following waveform may also be used.

10 (微粒子)製造装置
12 原料供給部
14 高周波MOSFETインバータ電源
16 プラズマトーチ
16a 石英管(内管)
16b 高周波発振用コイル
16c 原料供給口
16d プラズマガス供給口
16e 石英管(外管)
16f 冷却水流路
18 チャンバー
20 回収部
20a フィルター
20b 真空ポンプ
24 熱プラズマ炎
30 原料供給装置
30A 液状原料供給装置
32 貯蔵槽
50 スクリューフィーダ
60 分散部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 (Fine particle) manufacturing apparatus 12 Raw material supply part 14 High frequency MOSFET inverter power supply 16 Plasma torch 16a Quartz tube (inner tube)
16b Coil for high frequency oscillation 16c Raw material supply port 16d Plasma gas supply port 16e Quartz tube (outer tube)
16f Cooling water flow path 18 Chamber 20 Recovery part 20a Filter 20b Vacuum pump 24 Thermal plasma flame 30 Raw material supply apparatus 30A Liquid raw material supply apparatus 32 Storage tank 50 Screw feeder 60 Dispersion part

Claims (10)

微粒子製造用原料としての一種以上の粒子を分散させて熱プラズマ炎中に供給し、
前記微粒子製造用原料粒子を蒸発させ気相状態の混合物とし、この混合物を冷却して、微粒子を製造する微粒子の製造方法であって、
前記熱プラズマ炎の発生装置として変調誘導熱プラズマ装置を用い、
この変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流の振幅変調を所定時間間隔で繰り返させることを特徴とする微粒子の製造方法。
Disperse one or more particles as a raw material for fine particle production and supply them into a thermal plasma flame,
A method for producing fine particles, in which the raw material particles for fine particle production are evaporated to form a gas phase mixture, and the mixture is cooled to produce fine particles,
Using a modulated induction thermal plasma device as the thermal plasma flame generator,
A method for producing fine particles, characterized in that the amplitude modulation of the coil current of this modulation induction thermal plasma apparatus is repeated at predetermined time intervals.
微粒子製造用原料としての一種以上の粒子を溶媒中に溶解させて熱プラズマ炎中に供給し、
前記微粒子製造用原料粒子を蒸発させ気相状態の混合物とし、この混合物を冷却して、微粒子を製造する微粒子の製造方法であって、
前記熱プラズマ炎の発生装置として変調誘導熱プラズマ装置を用い、
この変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流の振幅変調を所定時間間隔で繰り返させることを特徴とする微粒子の製造方法。
One or more kinds of particles as a raw material for producing fine particles are dissolved in a solvent and supplied to a thermal plasma flame,
A method for producing fine particles, in which the raw material particles for fine particle production are evaporated to form a gas phase mixture, and the mixture is cooled to produce fine particles,
Using a modulated induction thermal plasma device as the thermal plasma flame generator,
A method for producing fine particles, characterized in that the amplitude modulation of the coil current of this modulation induction thermal plasma apparatus is repeated at predetermined time intervals.
微粒子製造用原料としての一種以上の粒子をスラリー中に分散させて熱プラズマ炎中に供給し、
前記微粒子製造用原料粒子を蒸発させ気相状態の混合物とし、この混合物を冷却して、微粒子を製造する微粒子の製造方法であって、
前記熱プラズマ炎の発生装置として変調誘導熱プラズマ装置を用い、
この変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流の振幅変調を所定時間間隔で繰り返させることを特徴とする微粒子の製造方法。
One or more kinds of particles as a raw material for producing fine particles are dispersed in a slurry and supplied into a thermal plasma flame,
A method for producing fine particles, in which the raw material particles for fine particle production are evaporated to form a gas phase mixture, and the mixture is cooled to produce fine particles,
Using a modulated induction thermal plasma device as the thermal plasma flame generator,
A method for producing fine particles, characterized in that the amplitude modulation of the coil current of this modulation induction thermal plasma apparatus is repeated at predetermined time intervals.
前記変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流を振幅変調する際には、前記コイル電流を予め定められている波形により振幅変調させるようにする請求項1〜3のいずれかに記載の微粒子の製造方法。   The method for producing fine particles according to any one of claims 1 to 3, wherein when the coil current of the modulation induction thermal plasma apparatus is amplitude-modulated, the coil current is amplitude-modulated by a predetermined waveform. 前記変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流を振幅変調する際に用いる予め定められている波形として、矩形波,三角波,のこぎり波,逆のこぎり波、もしくは正弦波等を含む曲線を含む繰り返し波からなる波形を用いる請求項4に記載の微粒子の製造方法。   As a predetermined waveform used when amplitude-modulating the coil current of the modulation induction thermal plasma apparatus, a waveform comprising a repetitive wave including a curve including a rectangular wave, a triangular wave, a sawtooth wave, a reverse sawtooth wave, or a sine wave The method for producing fine particles according to claim 4, wherein 前記変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流の振幅変調を繰り返させる所定時間間隔は、マイクロ秒から数秒オーダーである請求項1〜5のいずれかに記載の微粒子の製造方法。   The method for producing fine particles according to any one of claims 1 to 5, wherein the predetermined time interval at which the amplitude modulation of the coil current of the modulation induction thermal plasma apparatus is repeated is in the order of microseconds to several seconds. 微粒子製造用原料としての一種以上の粒子をそのまま分散させて、もしくは溶媒中に溶解させて、もしくはスラリー中に分散させて熱プラズマ炎中に供給する微粒子製造用原料供給手段と、
前記熱プラズマ炎中で蒸発した前記微粒子製造用原料を気相状態の混合物とし、さらにこの混合物を冷却する後処理手段と、
前記混合物が冷却されて生成した微粒子を回収する微粒子回収手段とを有する微粒子の製造装置であって、
前記熱プラズマ炎の発生装置として変調誘導熱プラズマ装置を用い、
この変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流を振幅変調させる変調誘導熱プラズマ装置の制御手段とを有し、
前記制御手段により前記変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流の振幅変調を所定時間間隔で繰り返させる
ことを特徴とする微粒子の製造装置。
One or more kinds of particles as a raw material for fine particle production are dispersed as they are, or dissolved in a solvent, or dispersed in a slurry and supplied into a thermal plasma flame, and a raw material production means for fine particle production,
A raw material for producing fine particles evaporated in the thermal plasma flame as a gas phase mixture, and further, a post-processing means for cooling the mixture;
A fine particle production apparatus comprising fine particle collection means for collecting fine particles generated by cooling the mixture,
Using a modulated induction thermal plasma device as the thermal plasma flame generator,
A modulation induction thermal plasma apparatus control means for modulating the amplitude of the coil current of the modulation induction thermal plasma apparatus,
The apparatus for producing fine particles, wherein the control means repeats amplitude modulation of the coil current of the modulation induction thermal plasma apparatus at predetermined time intervals.
前記変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流を振幅変調する際には、前記コイル電流を予め定められている波形により振幅変調させるようにする請求項7に記載の微粒子の製造装置。   8. The fine particle manufacturing apparatus according to claim 7, wherein when the amplitude of the coil current of the modulation induction thermal plasma apparatus is amplitude-modulated, the coil current is amplitude-modulated by a predetermined waveform. 前記変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流を振幅変調する際に用いる予め定められている波形として、矩形波,三角波,のこぎり波,逆のこぎり波、もしくは正弦波等を含む曲線を含む繰り返し波からなる波形を用いる請求項8に記載の微粒子の製造装置。   As a predetermined waveform used when amplitude-modulating the coil current of the modulation induction thermal plasma apparatus, a waveform comprising a repetitive wave including a curve including a rectangular wave, a triangular wave, a sawtooth wave, a reverse sawtooth wave, or a sine wave The apparatus for producing fine particles according to claim 8, wherein 前記変調誘導熱プラズマ装置のコイル電流の振幅変調を繰り返させる所定時間間隔は、マイクロ秒から数秒オーダーである請求項7〜9のいずれかに記載の微粒子の製造装置。   The apparatus for producing fine particles according to any one of claims 7 to 9, wherein a predetermined time interval at which the amplitude modulation of the coil current of the modulation induction thermal plasma apparatus is repeated is on the order of microseconds to several seconds.
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