JP2011094837A - 固形粒子の製造装置と製造方法並びにその方法により得られた固形粒子 - Google Patents

Abstract

【課題】ナノレベルの粒子径を持った固形粒子を容易、かつ効率的に製造する装置と方法を提供する。
【解決手段】固形粒子の製造装置として、外部空間と隔絶するチャンバー１０と当該チャンバー１０内に配置した一軸回転盤３３と、この回転盤３３の一端にある受け面３４と、この受け面３４に前記原材料を供給する原料供給機構２０と、前記受け面３４に供給された原材料を薄膜化し、その外周縁から煙化飛散させるように遠心力を前記回転盤３３に与える回転機構が具備されているとともに少なくとも前記受け面３４の外周縁から回転中心側の温度を前記揮発性溶媒の揮発温度未満とし、それより外側の温度を前記揮発性溶媒の揮発温度以上にするチャンバー１０内温度調整機構が設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、揮発性溶媒中に固形成分が溶解した原材料より、前記溶媒を乾燥除去して、固形粒子を製造するための装置及びその製造方法に関するものである。

従来より、溶融した金属や合金、あるいは固形分を溶媒に溶解もしくは分散させた液状物から固形粒子を製造するための装置、方法としては、回転盤上の受け面からの煙化飛散によるスピニング法がよく知られ、既に実施されている。しかしながら、この従来のスピニング法により得られる固形粒子の大きさには限界があり、その粒径は、数ミクロン程度を下限とするものであった。
また、無機酸化物又は無機水酸化物を固形成分とする結晶化方法についても、特許文献１に示すように、本発明者らが既に提案しているところであるが、この方法においても、その粒子径はせいぜいミクロンレベルのものにとどまっている。
しかしながら、スピニング法は、その簡便さや生産性の高さ、粒子の均一性等の点において有用性が高いことから、固形粒子の機能発現性などの観点からも、ナノレベル、すなわち１ミクロン未満のナノメートルスケールでの粒子径の固形粒子の製造を可能とする方策の実現が望まれていた。

特開２００８−１２７２４８号公報

本願発明は、このような実情に鑑み、従来技術の問題点を解消し、ナノレベルの粒子径を持った固形粒子を容易に効率良く製造することのできる新しい製造装置と製造方法を提供することを課題としている。

本発明は、上記課題を解決するものとして、以下のことを特徴としている。

第１：揮発性溶媒中に固形成分が溶解した原材料より前記溶媒を乾燥除去して固形粒子を製造するための装置であって、
外部空間と隔絶するチャンバーと当該チャンバー内に配置した一軸回転盤と、この回転盤の一端にある受け面と、この受け面に前記原材料を供給する原料供給機構と、前記回転盤に遠心力を与えて、前記受け面に供給された原材料を薄膜化し、そして、その薄膜を前記受け面の外周縁から煙化飛散させる回転機構とが具備されているとともに、煙化飛散するまでの原材料の雰囲気温度を、前記揮発性溶媒の揮発温度未満とし、かつ、煙化飛散した原材料の雰囲気温度を、前記揮発性溶媒の揮発温度以上にするチャンバー内温度調整機構が設けられていることを特徴とする。

第２：第１の装置において、前記受け面が水平面とされていて、前記チャンバー内温度調整機構は、前記受け面より上部のチャンバー内空間を加熱制御する第一ヒータと、この空間より下部のチャンバー内空間を加熱制御する第二ヒータとにより構成されていることを特徴とする。

第３： 揮発性溶媒中に固形成分が溶解した原材料より前記溶媒を乾燥除去して固形粒子を製造する方法であって、前記原材料を一軸回転盤の回転中心に直交する受け面に滴下し、前記受け面上に遠心力にて原材料による薄膜を形成し、前記受け面の薄膜外周縁から煙化飛散させ、煙化飛散した後に、前記溶媒を加熱蒸発させて、固形粒子を得ることを特徴とする。

第４：第３の方法により得られる固形粒子であって、その粒子は無機酸化物又は無機水酸化物であることを特徴とする。

本発明の製造装置、製造方法は、回転盤受け面により煙化飛散される前の雰囲気温度（Ｔ_１）と、煙化飛散された後の雰囲気温度（Ｔ_２）を、溶媒の揮発温度（Ｔ_０）との関係として、
Ｔ_１＜Ｔ_０≦Ｔ_２
に制御することを本質的特徴としている。
まずは、原材料が回転盤受け面の薄膜外周縁より煙化飛散するまでは、溶媒の蒸発を押さえることにより、煙化飛散する直前の薄膜の厚さを薄くし、煙化飛散した粒子の大きさを小さくすることができる。
そして、煙化飛散した後にチャンバー内に浮遊している状態での雰囲気温度（Ｔ_２）を前記のように高温とすることで、溶媒が蒸発され除去され、煙化飛散した粒子が何れかに貯まって大型化することがなくなり、飛散した粒子より溶媒成分を除去した分，小さい直径となる。
このため、実施例でも示すようにナノレベルの直径を有する固形粒子を生成することができるとともに、当該遠心噴霧の特徴を生かし、粒径の揃った状態で得ることが可能になる。

本発明の雰囲気温度の制御についての概要図。 実施例１の装置の概要を示す縦断正面図。 生成されたサポナイトナノ粒子（走査型電子顕微鏡写真）。 生成されたサポナイトナノ粒子（透過型電子顕微鏡写真）。 本装置で生成したアルミノ珪酸塩ナノ粒子（透過型電子顕微鏡写真）。

本発明は、原材料の煙化飛散の前後における雰囲気温度をコントロールするという、従来法からは想起できない特徴を有するものである。
そして、揮発性溶媒中に固形成分を溶解した原材料を用いることにより、煙化飛散直後の粒子径が例えミクロンレベルであっても、その後の溶媒の蒸発除去により、直径が縮小し、ナノスケールの粒径を持つものとして製造することが可能になった。
ここで、固形成分と揮発性溶媒との組合わせは、固形成分が溶媒に溶解し、溶媒の蒸発にともなって乾固される結果となる組合せであれば、その他の制限を必要としない。たとえば、揮発性溶媒としては水、あるいはアルコール、エーテル等の各種の有機溶媒、あるいはこれらの混合物であってもよい。
たとえば、前記特許文献１に記載して示した各種無機酸化物、無機水酸化物については、いずれも本発明に使用可能である。揮発性溶媒とこれら無機酸化物、無機水酸化物としては、たとえば、ヘクトライトやモンモリロナイトなどが挙げられる。
固形粒子の生成においては、物理的な析出、結晶化だけでなく、化学的な反応を伴うものであってもよい。たとえば無機粒子、有機塩等における水和物粒子の形成でもよく、その外に、揮発性溶媒に有機モノマーを溶解した溶液を用いた場合は、モノマーの微粒子化を粒子径の揃った形で達成し得るものである。

本発明は、発明の効果の項ですでに述べたとおり、原材料の状態変化に対応した雰囲気温度の制御を基本とするもので、その理想的な制御パターンを図１に示す。
当該パターンは、図中、受け面（３４）の上方から原材料から受け面（３４）に供給されることを前提にしたもので、受け面（３４）の上方には、煙化飛散された原材料が至らないことを前提にしている。
すなわち、回転盤（３３）の上面を受け面（３４）とし、その上の原材料（溶液）の薄膜（５０）の外周縁（３５）を基準とすると、この外周縁とそこから回転盤（３３）の回転中心側への領域（Ａ_１）での雰囲気温度（Ｔ_１）、そして外周縁よりも外側の領域（Ａ_２）での雰囲気温度（Ｔ_２）は、原材料溶液中の揮発性溶媒の揮発温度（Ｔ_０）との関係として、
Ｔ_１＜Ｔ_０≦Ｔ_２
であるようにする。この場合、「雰囲気」とは薄膜近傍であることは言うまでもない。また、領域Ａ_１、Ａ_２の全体において温度Ｔ_１、Ｔ_２は一定である必要はなく、図１に例示したように、前記回転中心からの距離に応じて勾配を有していてもよい。

前記Ｔ_１＜Ｔ_０≦Ｔ_２のように温度をコントロールするための手段としては、回転盤をその内部に配置しているチャンバー内の複数箇所にヒータ（４１）（４２）（４３）を設けて、その設定温度の組合わせ調整（たとえば実施例１のように）や、光熱照射の調整等の各種のものとしてよい。
もちろん、本発明の装置、方法においては、以上のような発明の本質的特徴の前提として、また組合わせとして、回転盤（３３）の受け面（３４）上への原材料溶液の薄膜（５０）が形成されるようにする。このため、製造装置の原料供給機構において、原材料の供給（量、速度）を調整可能とし、かつ回転盤の回転機構において、回転速度を調整可能とする。薄膜（５０）は、これら調整をともなって、前記のＴ_２＜Ｔ_０の温度コントロールで、その厚さを小さくすることができる。このことがナノレベルの固形粒子形成を可能とする。
また、前記回転機構については、煙化飛散された原材料から揮発性溶媒が十分に、ほぼ完全に蒸発除去されるだけの飛散時間を保つように、遠心力を、回転速度によって調整可能とする。

以上のような温度Ｔ_１とＴ_２、そして回転盤の回転速度は、溶媒、固形成分の種類と原材料としての溶液の濃度や粘度、受け面の面積、薄膜の厚みと所望の固形粒子の粒径等を考慮して定めることができる。
たとえば、雰囲気温度については、一般的には揮発温度（Ｔ_０）との差として、
Ｔ_０−Ｔ_１が、３０℃〜５０℃の範囲内に、また、
Ｔ_２−Ｔ_０が、２０℃〜５０℃の範囲内にあるようにすることが考慮される。また、回転盤の回転数としては、一般的には、２００００ｒｐｍ〜６００００ｒｐｍの範囲内にすることが考慮される。
そこで以下に、実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の例によって限定されるものではない。

本実施例は、本発明の製造装置の一例を示す。
図２に示したように、実施例としての製造装置では、外部空間と隔絶する円筒型のチャンバー（１０）を用いている。このチャンバー（１０）の上端には原材料を貯蔵するタンク（２１）が配置されている。また、前記チャンバー（１０）の天井部中央には前記タンク（２１）に貯留された原材料を下方に滴下するノズル（２２）が設けてある。原料供給機構（２０）は、このタンク（２１）とノズル（２２）を備え、これらは、原料供給の調整手段によって制御されている。
また、前記チャンバー（１０）の内部中央には、回転軸部（３１）を上方に向けて電動モータ（３２）が配置され、その回転軸部（３１）の上端に円盤状の一軸回転盤（３３）を固定して、回転機構（３０）を構成してある。
この回転盤（３３）の上面を受け面（３４）とし、前記ノズル（２２）から滴下した原材料を受け止め、回転盤（３３）の回転によりそれを薄膜化し、その外周縁（３５）から前記チャンバー内に煙化飛散させるようにしてある。

前記チャンバー（１０）の内周面には、上限３段に区切って円筒状のヒータ（４１）（４２）（４３）が設けてあり、上部ヒータ（４１）は、前記回転盤（３３）、受け面（３４）よりも上部の空間を、中間ヒータ（４２）と下部ヒータ（４３）とは、前記回転盤（３３）、受け面（３４）よりも下方の空間を、上下２分割して加熱するようにして温度調整機構（４０）が設けてある。チャンバー（１０）の内壁が最も高温となり、前記回転軸（３１）に近づくほどにヒータからの加熱が低減されるようにしてある。
たとえば以上のようにヒータ加熱システムを複数区分することによって、本発明の雰囲気温度調整はより容易に行うことが可能となる。

実施例１の装置を用いて、固形粒子を製造した。
原材料は表１に示した。

原材料をタンク内に貯留し、表２で示す操作条件にて操作した。なお、これらの条件は、予備的実験によってあらかじめ選択し、設定されている。

この表２において、「外周縁近傍」は、薄膜外周縁の外側の近傍位置を意味しており、そこでの温度２５０℃（Ｎｏ．１）、１５０℃（Ｎｏ．２）は、熱電対測定によって測定したものである。
実験Ｎｏ．１およびＮｏ．２のいずれにおいても薄膜外周縁から回転中心への内側での雰囲気温度は、いずれも１００℃未満であることは、薄膜形成をともなわない予備的実験によって確認した。
また、薄膜外周縁での薄膜の厚さは、Ｎｏ．１、Ｎｏ．２のいずれにおいても約１００ナノメータと確認された。
以上の結果得られた固形粒子は表３の通りである。
なお、図３、図４は、Ｎｏ．１で生成されたサポナイトナノ粒子のＳＥＭおよびＴＥＭ写真であり、図５はＮｏ．２で生成されたアルミノ珪酸塩ナノ粒子のＴＥＭ写真である。

サポナイトおよびアルミノ珪酸塩ナノ粒子はその触媒作用のみならず、触媒担持材料、吸着材料など様々な機能を有するナノ材料として期待される。

Claims (4)

1. 揮発性溶媒中に固形成分が溶解した原材料より前記溶媒を乾燥除去して固形粒子を製造するための装置であって、外部空間と隔絶するチャンバーと当該チャンバー内に配置した一軸回転盤と、この回転盤の一端にある受け面と、この受け面に前記原材料を供給する原料供給機構と、前記回転盤に遠心力を与えて、前記受け面に供給された原材料を薄膜化し、そして、その薄膜を前記受け面の外周縁から煙化飛散させる回転機構とが具備されているとともに、煙化飛散するまでの原材料の雰囲気温度を、前記揮発性溶媒の揮発温度未満とし、かつ、煙化飛散した原材料の雰囲気温度を、前記揮発性溶媒の揮発温度以上にするチャンバー内温度調整機構が設けられていることを特徴とする固形粒子の製造装置。
2. 前記受け面が水平面とされていて、前記チャンバー内温度調整機構は、前記受けより上部のチャンバー内空間を加熱制御する第一ヒータと、この空間より下部のチャンバー内空間を加熱制御する第二ヒータとにより構成されていていることを特徴とする請求項１に記載の固形粒子の製造装置。
3. 揮発性溶媒中に固形成分が溶解した原材料より前記溶媒を乾燥除去して固形粒子を製造する方法であって、前記原材料を一軸回転盤の回転中心に直交する受け面に滴下し、前記受け面上に遠心力にて原材料による薄膜を形成し、前記受け面の薄膜外周縁から煙化飛散させ、煙化飛散した後に、前記溶媒を加熱蒸発させて、固形粒子を得ることを特徴とする固形粒子の製造方法。
4. 請求項３に記載の方法により得られる固形粒子であって、その粒子は無機酸化物又は無機水酸化物であることを特徴とする固形粒子。