JP2011125801A - 湿式分級装置及びその湿式分級方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、微粒子を分級する際の５０％部分分離効率の粒子径（分離径）をさらに小さくする湿式分級装置と、その装置を用いた湿式分級方法を提供することである。
【解決手段】
スラリー中の粒子に対して静電場を印加する電場機構を有する湿式分級装置。湿式分級装置が液体サイクロンであることが好ましい。粒子に対して静電場を印可する電場が７０Ｖ以上であることが好ましい。粒子を含有するスラリーに分散処理を行い、分散直後のゼータ電位に対し、変動率が１５％以内で分級処理する前記の湿式分級装置を用いた湿式分級方法。分散処理としてビーズミルを使用することが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、湿式分級装置及びその湿式分級方法に関する。

近年、ナノ微粒子を利用することにより、高付加価値の工業製品を製造するための最適な粉体プロセスに関する研究が活発に行われている。この理由は、粉体を微粒子化することにより、製品の小型軽量化が可能となるばかりでなく、比表面積の増加による微粉体の有効な機能が出現するためである。特に、半導体の分野では有効な機能が出現するため、半導体の高集積密度が可能となる。更に、ナノ微粒子では低温焼結が可能となること、蛍光性のセラミックするでは光照射による強い発光強度が出現するなどの優れた特性が現れる。

これらの目的を達成させるには、微粒子の高精度な分級技術の確立が必要である。湿式分級操作は微粒子の分散が乾式よりも容易となるため、スラリーでの分級が注目されている。工業性の観点から、この微粒子の湿式分級装置として液体サイクロンが多く用いられるが、セラミック粉末の分級では分離径が一般に１μｍ以上となっており、ナノ微粒子が対象となる分離径を１μｍ以下にすることは非常に困難であった。

特開平１０−１２８１５９号公報

本発明の目的は、微粒子を分級する際の５０％部分分離効率の粒子径（分離径）をさらに小さくする湿式分級装置と、その装置を用いた湿式分級方法を提供することである。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用する。
（１）スラリー中の粒子に対して静電場を印加する電場機構を有することを特徴とする湿式分級装置
（２）湿式分級装置が液体サイクロンであることを特徴とする前記（１）に記載の湿式分級装置。
（３）粒子に対して静電場を印可する電場が７０Ｖ以上であることを特徴とする前記（１）又は前記（２）に記載の湿式分級装置。
（４）粒子を含有するスラリーに分散処理を行い、分散直後のゼータ電位に対し、変動率が１５％以内で分級処理することを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の湿式分級装置を用いた湿式分級方法。
（５）分散処理として、ビーズミルを使用することを特徴とする前記（４）に記載の湿式分級方法。

本発明の湿式分級装置及び湿式分級方法を用いることにより、微粒子を分級する効率をより高くすることができる。特に、微粒子を分級する際の５０％部分分離効率の粒子径を０．９μｍ以下にすることができる。

本発明の装置の一例を示す説明図

本発明は、粒子に対し静電場を印加する電場機構を有する、スラリー中の粒子を遠心力を用いて分離する湿式分級装置及び湿式分級方法である。

本発明でいう粒子とは、粒子に対し静電場を印加した際、電荷を帯びるものであれば、電荷量に限らず、特に限定されるものではない。セラミックス粒子の場合は、シリカやアルミナ等の酸化物や窒化アルミ、窒化硼素、窒化珪素等の窒化物、水酸化アルミ等の水酸化物が挙げられ、金属であればシリコン、アルミ等が挙げられる。

本発明における湿式分級装置は、遠心力によってより大きな粒子は遠心力のベクトル方向へ移動し、大粒子と小粒子を別々の場所より回収することで、効率的に分離される。湿式分級装置は遠心場を形成する装置であれば特に限定がないが、液体サイクロン、デカンタ、遠心分離器である。なかでも、装置がコンパクト、且つ動力費を抑えられるという生産性、工業性といった観点から、液体サイクロンが好ましい。また、遠心場の他に、重力場等を利用しても良い。

本発明において粒子に対し静電場を印加する電場機構とは、大粒子回収側および小粒子回収側にそれぞれに電極を設け、電圧をかけることにより、電場が発生し、粒子に対し静電場を印加することである。電場機構を有することによって、遠心場だけでの分級では到達が出来なかった分離点を小粒径化することが可能となる。

液体サイクロンを用いた場合は、図１に示すように、小粒子回収側として中心部に電極棒を設け、大粒子回収側としては壁面に導電性金属を用い、これを電極することで電場を形成することができる。その際、装置の壁面以外の導電部分と壁面には、絶縁材を設けることが必要である。

電場の形成に必要な電圧の大きさは、装置寸法、遠心力の大きさ、粒子が有する電荷量等の条件によって調整する必要があるが、７０Ｖ以上にすることが好ましく、特に上限は無い。７０Ｖ以上であれば、十分に電場を形成し、殆どの粒子に対して静電場を印可することが出来る。

粒子が正極に電荷を帯びる場合には、負電極を大粒子回収側に、正電極を小粒子回収側に備え付ける。また粒子が負極に電荷を帯びた場合は、その逆となるよう設置する。

例えば、ｐH＝７水中にシリカ粒子を分散させて、液体サイクロンを用いて行う場合は、シリカ粒子が負電荷を帯びるので、液体サイクロンの中心部に負電極を、壁側を正電極とする。

本発明において、液体サイクロンの様に、湿式処理装置へのスラリー供給機が必要な場合は、ダイアフラム式ポンプ、ホースポンプのポンプ等を使用する方法、媒体を使用した圧力送液する方法を適応できる。また、回収側からの吸引でも可能である。

スラリー濃度は、分級場における粒子同士の衝突による分級効率の低下を引き起こすため、低濃度が良いが、過剰に希薄なスラリーの場合はゼータ電位が低下するので、好ましくは０．０５〜３０％であり、さらに好ましくは０．１〜１０％である。

スラリーに使用する媒体は、イオン交換水やメタノール、エタノール等のアルコール類、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンといった有機溶媒を使用することができる。

本発明の湿式分級装置は、５０％の部分分離効率の粒子径を０．９μｍ以下にすることが可能である。特に、効率的に５０％の部分分離効率の粒子径を０．１〜０．６μｍにすることが可能である。

部分分級分離は、分級する粒子について大粒子回収側にて回収された割合を示したもので、５０％の部分分離効率の粒子径とは、大粒子回収側と小粒子回収側の回収が各々５０％の割合で回収される粒子径を示しており、以下で定義される。

粒子径ｘ（μｍ）における大粒子回収側の回収割合がＡｘ（％）とした時、小粒子回収側の回収割合Ｂｘ（％）は、Ｂｘ＝１００−Ａｘとなる。Ａｘ＝Ｂｘ＝５０％の時が、５０％の部分分離効率であり、その際の粒子径ｘ（μｍ）が５０％の部分分離効率の粒子径となる。

なお、粒子径については、粒度分布測定機を使用することが出来る。本発明における測定装置としては、株式会社堀場製作所製「動的光散乱式粒径分布測定装置ＬＢ−５５０」を用いた。

本発明におけるスラリーの粒子径測定手順の一例を以下に示す。
スラリーに使用する同種類溶媒をＬＢ−５５０粒度分布測定機のセル内に入れておき、試料のスラリーをスポイドで採取し、測定機セル内に測定機にて感知する濃度が０．００４〜０．０１％の範囲内になるように調整する。なおシリカ、水を使用した屈折率の場合は、粒子の屈折率を１．４６、溶媒の屈折率を１．３３とした。

本発明において、粒子を含有するスラリーに分散処理を行い、分散直後のゼータ電位に対し、変動率が１５％以内にて、分級処理することが好ましい。この方法を行うことで、より５０％部分分離効率の粒子径を小さくすることが可能となる。

本発明では、部分分離効率へ寄与する因子として、分散直後のゼータ電位の変動率を抑えることが重要であると判明した。分散直後にゼータ電位の絶対値は最大となり、その後スラリーの静置や簡易的な攪拌操作に関わらず、ゼータ電位の絶対値は低減していく。これは粒子の再凝集が起因すると考えられ、このゼータ電位を分散直後のゼータ電位の変動率が１５％以内にて、分級処理することで、再凝集を起こす前に分級処理を行うことが可能となる。その結果、５０％部分分級効率の粒子径をより小さくすることが可能となる。

分散直後のゼータ電位とは、分散装置より排出されて１０分以内で測定されたゼータ電位の値であり、例えばビーズミル処理の場合は、排出口から直接サンプル容器に採取し、それをゼータ電位測定機にて測定を行う。

本発明におけるゼータ電位測定機は、Ｍａｌｖｅｒｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製「Ｚｅｔａｓｉｚｅｒ２０００」を用いた。

スラリーのゼータ電位測定手順としては、試料のスラリーを希釈することなく、Ｚｅｔａｓｉｚｅｒ２０００ゼータ電位測定機のセル内に入れ、同装置による自動測定を行う。なお、測定する際には、シリカ、水を使用した屈折率の場合は、粒子の屈折率を１．４６、溶媒の屈折率を１．３３、溶媒の粘度を０．０００８９Ｐａ・ｓとした。

分散処理方法としては、湿式での操作が可能であれば装置に特に制限は無いが、高速回転式の撹拌機、ディスパーサー等、セラミックスビーズやボールなどの媒体を使用したボールミル、ビーズミル等や、超音波ホモジナイザーなどを使用することが出来る。中でも、小粒子同士の凝集を引き離すシェアを十分に有し、且つ処理能力が高いといった観点から、ビーズミルが好ましい。

実施例１〜９、比較例１〜３
スラリーの作製
電気化学工業株式会社製の球状シリカ粉末ＵＦＰ−５０（５０％粒子径０．０７μｍ）、ＳＦＰ−２０Ｍ（５０％粒子径０．３０μｍ）を１：１で使用し、１×１０^−５Ｓ／ｍ、ｐＨ＝７．０のイオン交換水をプロペラ式撹拌機にて混合し、ビーズミルにて分散処理を行い、処理後の静置時間を変えて、表１に示すスラリー番号Ａ〜Ｄのスラリーを作製した。ビーズミルは、型式ＵＡＭ−０１５（寿工業株式会社製）を用い、１５０μｍのシリカビーズを媒体としベッセル内に７０体積％充填し、ローター回転数２８００回転／分のもと、処理速度０．２Ｌ／分にて、３０分の処理にて行った。
電気化学工業（株）製の球状シリカ粉末ＵＦＰ−５０、ＳＦＰ−２０Ｍを９：１で使用し、同様の作製方法にて、表１に示すスラリー番号Ｅを調整した。
電気化学工業（株）製の球状シリカ粉末ＵＦＰ−３０（５０％粒子径０．１μｍ）を単独で使用し、同様の作製方法にて、表１に示すスラリー番号Ｆを調整した。

ゼータ電位の変動率は、分散処理直後のスラリーのゼータ電位の絶対値Ｘおよび規定の静置時間を経たスラリーのゼータ電位の絶対値Ｙを測定し、変動率（％）＝（Ｘ−Ｙ）／Ｘ×１００にて求めた。

実施例１〜９は、Ａ〜Ｆのスラリーを３０℃に調整維持し、図１に示す装置を用い、湿式分級を行った。スラリーをプロペラ撹拌機（２）を有するスラリータンク（１）に投入し、１Ｌ／分にてポンプ（３）を用いて内径２０ｍｍ、円錐部長さ１，２００ｍｍの液体サイクロン（４）に供給した。液体サイクロン（４）には、中心部に直径２．５ｍｍの負電極（８）を備え付け、液体サイクロン（４）の正電極として液体サイクロン壁面（９）とした。直流電圧発生器（５）を用い、表２に示す電圧にて、正電極、負電極間に電場を形成させ、粒子に印加した。壁面側を伝ってきた粒子は大粒子回収口（７）として下部に、中心部の粒子は小粒子回収口（６）として各々回収した。
比較例１〜３は、Ａ、Ｂ及びＤのスラリーを用い、直流電圧発生器で電圧を発生させず、粒子に印加しないこと以外は、実施例１〜９と同様に湿式分級を行った。

実施例と比較例の対比から分かるように、本発明の湿式分級装置を用いることにより、微粒子を分級する効率をより高くすることができた。特に、微粒子を分級する際の５０％部分分離効率の粒子径を０．９μｍ以下にすることができた。

本発明の湿式分級装置、およびこれを用いた湿式分級方法は、例えば電子機器の小型軽量化や半導体工業の分野で用いられる微粒子を得るために使用される。

１ スラリータンク
２ プロペラ撹拌機
３ ポンプ
４ 液体サイクロン
５ 直流電圧発生器
６ 大粒子回収口
７ 小粒子回収口
８ 負電極
９ 正電極（液体サイクロン壁面）

Claims (5)

1. スラリー中の粒子に対して静電場を印加する電場機構を有することを特徴とする湿式分級装置。
2. 湿式分級装置が液体サイクロンであることを特徴とする請求項１記載の湿式分級装置。
3. 粒子に対して静電場を印加する電場が７０Ｖ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の湿式分級装置。
4. 粒子を含有するスラリーに分散処理を行い、分散直後のゼータ電位に対し、変動率が１５％以内で分級処理することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の湿式分級装置を用いた湿式分級方法。
5. 分散処理として、ビーズミルを使用することを特徴とする請求項４記載の湿式分級方法。

Images