JP2012052209A - Device and method for continuously manufacturing nanoscale conductive particles - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、導電性微粒子の製造に関し、特に、同一品質のナノスケール導電性微粒子を長時間連続して製造するための装置及び方法に関する。 The present invention relates to the production of conductive fine particles, and more particularly, to an apparatus and method for continuously producing nanoscale conductive fine particles of the same quality for a long time.
粒径が数nm〜数百nmのナノスケールの導電性微粒子は、例えば粒径が約1μmより大きいマイクロスケールの粒子には見られない化学的、光学的、電磁気的機能が出現するため、近年、注目を集めている。ナノスケールの導電性微粒子は、例えば、化学反応触媒の材料、磁気記録媒体の磁性粉末、半導体素子の材料、配線用導電性インクの材料、医薬品・化粧品の材料などへの応用が期待されている。 In recent years, nanoscale conductive fine particles having a particle size of several nanometers to several hundred nanometers, for example, have emerged chemical, optical, and electromagnetic functions that are not found in microscale particles having a particle diameter larger than about 1 μm. , Attracting attention. Nanoscale conductive fine particles are expected to be applied to, for example, chemical reaction catalyst materials, magnetic powders for magnetic recording media, semiconductor element materials, conductive ink materials for wiring, and pharmaceutical and cosmetic materials. .
ナノスケールの導電性微粒子は、一般に、分子レベルの原料を成長させて生成するビルドアップ・プロセスである気相法又は液相法を用いて製造される。これら方法のいずれにおいても、導電性微粒子単体の品質向上や生産性向上が課題となっている。気相法は、主に、純物質を気化させてその蒸気を凝集させる方法であり、純度が高く粒径の小さな微粒子が得られやすい。しかしながら、材料の気化、凝集や生成された導電性微粒子の捕集などに大がかりな装置が必要となること、生産効率やエネルギー効率が低いことなどの欠点がある。液相法は、主に、液相における化学反応を利用して微粒子を合成する方法である。液相法は、簡単に多量の微粒子が生成でき、微粒子の生成に基板が不要であるという利点はあるものの、不純物が混入しやすいこと、粒子形状の制御が困難であること、数nm以下の微粒子を生成することが難しいことなどの欠点がある。 Nanoscale conductive fine particles are generally manufactured using a gas phase method or a liquid phase method, which is a build-up process in which a raw material at a molecular level is grown and generated. In any of these methods, improvement in the quality and productivity of the conductive fine particles are a problem. The gas phase method is mainly a method of vaporizing a pure substance and aggregating the vapor, and it is easy to obtain fine particles having a high purity and a small particle diameter. However, there are drawbacks in that a large-scale apparatus is required for vaporization, aggregation, and collection of the generated conductive fine particles, and that production efficiency and energy efficiency are low. The liquid phase method is a method of synthesizing fine particles mainly using a chemical reaction in a liquid phase. The liquid phase method can easily produce a large amount of fine particles, and has the advantage that a substrate is not necessary for the production of fine particles, but it is easy to introduce impurities, the particle shape is difficult to control, and a few nanometers or less. There are drawbacks such as difficulty in producing fine particles.
これらの技術に対して、特許文献1に開示される技術が提案されている。特許文献1における技術では、導電性液体中に配置された対電極を用いて発生させたプラズマを利用して、陰極の材料を原料とする導電性微粒子を生成する。陰極近傍に限定して発生する非熱プラズマである液中グロー放電プラズマにより陰極が局所的に溶解し、溶解した陰極材料が液体中に放出され、表面張力によって球状に凝固することにより、ナノスケールの導電性微粒子が生成される。この方法は、液相と、液体中の陰極近傍における放電によりプラズマ化した気相との共存領域における反応過程を利用する方法であるため、従来の液相法と気相法の長所を併せ持った技術である。特許文献1の技術によれば、安定に制御された状態で短時間に、高品質のナノスケール導電性微粒子を生成することができる。 For these techniques, a technique disclosed in Patent Document 1 has been proposed. In the technique in Patent Document 1, conductive fine particles using a cathode material as a raw material are generated using plasma generated using a counter electrode arranged in a conductive liquid. The cathode is locally dissolved by the glow discharge plasma in liquid, which is a non-thermal plasma generated only in the vicinity of the cathode, and the dissolved cathode material is released into the liquid and solidified into a spherical shape by surface tension. Conductive fine particles are produced. This method uses the reaction process in the coexistence region of the liquid phase and the gas phase converted to plasma by discharge in the vicinity of the cathode in the liquid, and thus has the advantages of the conventional liquid phase method and the gas phase method. Technology. According to the technique of Patent Document 1, high-quality nanoscale conductive fine particles can be generated in a short time in a stably controlled state.
特許文献1の技術には、以下のような課題がある。特許文献1に開示される技術は、単一の容器を用いるバッチ式技術である。したがって、時間の経過とともに導電性液体中の微粒子濃度が増大して凝集が生じ、生成される微粒子の平均粒径が大きくなる。凝集が生じないようにするためには、細い電極、例えば横断面の直径が1mm程度の陰極を用いるか、又は単一の容器を大容量のものにしなければならない。細い陰極を用いると、時間の経過とともに陰極の電流密度が増加し続け、粒径の大きな微粒子が生成し始めるため、最終的に得られる粒子の粒度分布幅が広くなる。また、このような細い陰極を用いると、短時間で電極が消耗して断線するため、微粒子を短時間しか製造できず、収量が少ない。一方、大容量の容器を用いても、容器の容量に応じて電極間の距離を制限無く離すことが可能となるわけではないため、時間が経過すればやはり電極近傍の微粒子濃度が増大して凝集が生じる。また、大容量の容器を用いた場合には、導電性液体の量も多くなるため、取り扱いの点で不都合が生じる。 The technique of Patent Document 1 has the following problems. The technology disclosed in Patent Document 1 is a batch technology using a single container. Therefore, the concentration of fine particles in the conductive liquid increases with the passage of time, causing aggregation, and the average particle size of the produced fine particles increases. In order to prevent agglomeration, a thin electrode, for example, a cathode having a cross-sectional diameter of about 1 mm must be used, or a single container must have a large capacity. When a thin cathode is used, the current density of the cathode continues to increase with the passage of time, and fine particles having a large particle diameter begin to be generated, so that the particle size distribution width of the finally obtained particles becomes wide. Further, when such a thin cathode is used, the electrodes are consumed and disconnected in a short time, so that the fine particles can be produced only for a short time and the yield is low. On the other hand, even if a large-capacity container is used, it is not possible to increase the distance between the electrodes without restriction depending on the capacity of the container. Aggregation occurs. In addition, when a large-capacity container is used, the amount of conductive liquid increases, which causes inconvenience in terms of handling.
さらに、特許文献1の技術は単一の容器を用いるものであるため、生成された微粒子を回収、分級するのに別の操作が必要となるとともに、異なる性質の導電性微粒子を一度に生成することは困難である。 Furthermore, since the technique of Patent Document 1 uses a single container, another operation is required to collect and classify the generated fine particles, and conductive fine particles having different properties are generated at a time. It is difficult.
本発明はこのような事情に鑑み、平均粒径の小さなナノスケール導電性微粒子を長時間にわたって連続的に製造することができる、ナノスケール導電性微粒子の連続製造装置を提供することを課題とする。 In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a continuous production apparatus for nanoscale conductive fine particles capable of continuously producing nanoscale conductive fine particles having a small average particle diameter over a long period of time. .
本発明者らは、導電性液体中におけるグロー放電プラズマを利用してナノスケールの導電性微粒子を生成するにあたり、導電性液体に含まれる導電性微粒子の濃度を導電性微粒子の凝集が生じないに維持するための機構を設けることにより、陰極のサイズを大きくすることができ、液体内で凝集を生じることなく連続的に導電性微粒子の製造が可能となるという知見に基づいて、本発明を完成させた。 In producing nano-scale conductive fine particles using glow discharge plasma in a conductive liquid, the inventors have set the concentration of the conductive fine particles contained in the conductive liquid to prevent aggregation of the conductive fine particles. By providing a mechanism for maintaining the size of the cathode, the present invention is completed based on the knowledge that conductive fine particles can be continuously produced without causing aggregation in the liquid. I let you.
本発明の第1の態様は、ナノスケールの導電性微粒子を連続的に製造する装置を提供する。本装置は、導電性の液体を収容した第1の容器と、第1の容器に導電性の液体を供給する送液路と、第1の容器内の導電性の液体中に配置された導電性材料からなる陰極と、導電性の液体中において陰極から所定の距離を隔てて配置された陽極と、陰極の近傍にグロー放電プラズマを生じさせる電圧を陰極と陽極との間に印加する電源と、液体を収容した1つ又は複数の第2の容器と、第1の容器及び1つ又は複数の第2の容器を連通する液体流路とを備える。陰極と陽極との間に電圧を印加することによって、第1の容器内の導電性の液体中には導電性微粒子が生成される。第1の容器内の導電性微粒子の濃度は、導電性液体が送液路から第1の容器に供給され、流路を通って第1の容器から1つ又は複数の第2の容器に移動することにより、導電性微粒子の凝集が生じない濃度に維持される。 The first aspect of the present invention provides an apparatus for continuously producing nanoscale conductive fine particles. The apparatus includes a first container containing a conductive liquid, a liquid supply path for supplying the conductive liquid to the first container, and a conductive material disposed in the conductive liquid in the first container. A cathode made of a conductive material, an anode arranged in a conductive liquid at a predetermined distance from the cathode, and a power source for applying a voltage between the cathode and the anode to generate a glow discharge plasma in the vicinity of the cathode One or a plurality of second containers that contain liquid, and a liquid flow path that communicates the first container and the one or more second containers. By applying a voltage between the cathode and the anode, conductive fine particles are generated in the conductive liquid in the first container. The concentration of the conductive fine particles in the first container is such that the conductive liquid is supplied from the liquid supply path to the first container, and moves from the first container to one or more second containers through the flow path. By doing so, the concentration is maintained such that the conductive fine particles do not aggregate.
本発明の一実施形態においては、第1の容器及び1つ又は複数の第2の容器の各々は、流路を介して直列に接続されており、第1の容器をオーバーフローした導電性の液体は、1つ又は複数の第2の容器のうちの一つに移動する。さらにその容器をオーバーフローした液体は、1つ又は複数の第2の容器のうちの次の一つに移動する。本発明の別の実施形態においては、1つ又は複数の第2の容器は並列に接続されており、第1の容器は、そのうちの一つの容器と直列に接続されている。したがって、第1の容器からオーバーフローした液体は、並列に接続された1つ又は複数の第2の容器に移動する。このように、第1の容器から、次の容器に順次、導電性の液体が移動することにより、各々の容器内の液体の量は、概ね一定に維持され、その結果、各々の容器内の導電性微粒子の濃度は凝集が生じない濃度に維持される。 In one embodiment of the present invention, each of the first container and the one or more second containers is connected in series via a flow path, and the conductive liquid overflows the first container. Move to one of the one or more second containers. Furthermore, the liquid overflowing the container moves to the next one of the one or more second containers. In another embodiment of the invention, the one or more second containers are connected in parallel, and the first container is connected in series with one of the containers. Therefore, the liquid overflowing from the first container moves to one or more second containers connected in parallel. As described above, the conductive liquid sequentially moves from the first container to the next container, so that the amount of liquid in each container is maintained substantially constant. The concentration of the conductive fine particles is maintained at a concentration at which aggregation does not occur.
一実施形態においては、各容器を接続する流路はパイプであり、その両方の端部は、それぞれ別の容器の液体中に位置している。パイプには、パイプの両方の端部の液体中における垂直方向の位置を調整するための機構が設けられている。この機構を用いて端部の位置を調整することによって、液体中における導電性微粒子の濃度及び粒径を制御することができる。 In one embodiment, the flow path connecting each container is a pipe, both ends of which are located in the liquid of another container. The pipe is provided with a mechanism for adjusting the vertical position in the liquid at both ends of the pipe. By adjusting the position of the end using this mechanism, the concentration and particle size of the conductive fine particles in the liquid can be controlled.
一実施形態においては、少なくとも導電性液体中に配置される陰極の部分には、縁部が存在しないことが好ましい。例えば多角形の横断面を有する柱状の電極の場合には、横断面の多角形の頂点に相当する縁部が、電極の長軸方向に沿って電極の側面に存在することになる。また、円柱状の電極の場合には、その側面には縁部が存在しないが、両端部が丸められていない限り両端部には縁部が存在することになる。本発明の一実施形態においては、円柱状の陰極が用いられ、少なくとも導電性液体中に配置される陰極の部分において、陰極の先端部を覆う絶縁性のカバーが取り付けられていることが好ましい。 In one embodiment, it is preferred that at least the portion of the cathode disposed in the conductive liquid does not have an edge. For example, in the case of a columnar electrode having a polygonal cross section, an edge corresponding to the apex of the polygon in the cross section exists on the side surface of the electrode along the major axis direction of the electrode. Further, in the case of a cylindrical electrode, there is no edge on the side surface, but there are edges on both ends unless both ends are rounded. In one embodiment of the present invention, a cylindrical cathode is used, and it is preferable that an insulating cover that covers the tip of the cathode is attached at least in the portion of the cathode disposed in the conductive liquid.
一実施形態においては、陽極は2つ以上であり、その場合には、陰極とそれぞれの陽極との間の距離は等しい。 In one embodiment, there are two or more anodes, in which case the distance between the cathode and each anode is equal.
一実施形態においては、本装置は、陰極と陽極との間に配置された隔壁をさらに備える。この隔壁によって、陰極から生成された導電性微粒子が第1の容器内部で拡散しにくくすることができる。 In one embodiment, the apparatus further comprises a partition disposed between the cathode and the anode. With this partition wall, the conductive fine particles generated from the cathode can be made difficult to diffuse inside the first container.
本発明の第2の態様は、ナノスケールの導電性微粒子を連続的に製造する方法を提供する。本方法は、第1の容器内の導電性の液体中に配置された陽極と導電性材料からなる陰極とに所定の電圧を印加し、陰極の近傍にグロー放電プラズマを生成させて、ナノスケールの導電性微粒子を生成し、第1の容器内に導電性の液体を供給し、第1の容器から1つ又は複数の第2の容器に流路を介して導電性液体を移動させることを含む。これらのステップにより、第1の容器内の導電性の液体中における導電性微粒子の濃度が、導電性微粒子の凝集が生じない濃度に維持される。 The second aspect of the present invention provides a method for continuously producing nanoscale conductive fine particles. In this method, a predetermined voltage is applied to an anode disposed in a conductive liquid in a first container and a cathode made of a conductive material, glow discharge plasma is generated in the vicinity of the cathode, and nanoscale Generating conductive fine particles, supplying a conductive liquid into the first container, and moving the conductive liquid from the first container to one or a plurality of second containers via the flow path. Including. By these steps, the concentration of the conductive fine particles in the conductive liquid in the first container is maintained at a concentration at which the aggregation of the conductive fine particles does not occur.
本発明によれば、導電性液体を収容した複数の容器を多段階に接続し、生成された導電性微粒子を含む導電性液体を前段の容器から後段の容器に順次オーバーフローさせることにより、各々の容器内の導電性液体に含まれる導電性微粒子の濃度を凝集が生じない濃度に維持することができる。そのため、本発明によれば、導電性微粒子が凝集することなく、長時間にわたって連続的に導電性微粒子を製造することができる。また、サイズの大きな陰極を用いることができるため、時間が経過しても陰極の電流密度を概ね一定に維持することができ、導電性微粒子の収量も多い。したがって、粒径の小さい微粒子を長時間にわたって製造することが可能となり、粒径分布幅の狭い微粒子が大量に得られる。 According to the present invention, a plurality of containers containing conductive liquids are connected in multiple stages, and the conductive liquid containing the generated conductive fine particles is sequentially overflowed from the preceding container to the subsequent container, thereby The concentration of the conductive fine particles contained in the conductive liquid in the container can be maintained at a concentration at which no aggregation occurs. Therefore, according to the present invention, the conductive fine particles can be continuously produced over a long time without aggregation of the conductive fine particles. In addition, since a large-sized cathode can be used, the current density of the cathode can be maintained almost constant over time, and the yield of conductive fine particles is large. Accordingly, fine particles having a small particle size can be produced for a long time, and a large amount of fine particles having a narrow particle size distribution range can be obtained.
さらに、本発明によれば、導電性の液体中に配置された陰極に縁部が存在しないようにすることによって、陰極表面近傍における電流集中現象を陰極全体にわたって一様に生じさせることができるため、均一かつ小さな粒径の導電性微粒子を連続的に製造することができる。 Furthermore, according to the present invention, since no edge is present in the cathode disposed in the conductive liquid, the current concentration phenomenon in the vicinity of the cathode surface can be uniformly generated over the entire cathode. It is possible to continuously produce conductive fine particles having a uniform and small particle diameter.
さらに、本発明によれば、複数の容器を連続的に接続しているため、それぞれの容器毎に異なる粒径の導電性微粒子を収集することができ、別途の操作を必要とすることなく導電性微粒子の分級が可能となる。また、複数の容器に収容される液体をそれぞれ異なるものとすれば、異なる性質の導電性微粒子を一度に生成することができる。 Furthermore, according to the present invention, since a plurality of containers are connected continuously, it is possible to collect conductive fine particles having different particle diameters for each container, and without conducting a separate operation. Classification of conductive fine particles becomes possible. If the liquids stored in the plurality of containers are different from each other, conductive fine particles having different properties can be generated at a time.
さらに、従来の液相法又は気相法では、ランニングコストが上昇するため装置の停止は好ましくなかった。これに対して、本発明によれば、主容器の稼働を停止させることで装置の停止を簡単に行うことができ、導電性液体の温度が大きく低下しない限り、すなわちプラズマの発生が可能である限り、容易に再稼働することができる。したがって、装置を停止し、容器及び陽極を洗浄し、陰極を別の材料のものに交換することによって、容易に別の導電性微粒子を連続的に製造することができる。 Furthermore, in the conventional liquid phase method or gas phase method, since the running cost increases, it is not preferable to stop the apparatus. On the other hand, according to the present invention, the operation of the main container can be stopped to easily stop the apparatus, and plasma can be generated as long as the temperature of the conductive liquid does not greatly decrease. As long as it can be restarted easily. Therefore, another electroconductive fine particle can be easily manufactured continuously by stopping the apparatus, cleaning the container and the anode, and replacing the cathode with another material.
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態を詳細に説明する。
本発明は、ナノスケールの導電性微粒子を連続的に製造する装置を提供するものである。ナノスケールの導電性微粒子とは、粒径がマイクロメートル・オーダーを下回るナノメートル・オーダーの導電性微粒子、すなわち、粒径が数nm〜数百nm程度の導電性微粒子をいう。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The present invention provides an apparatus for continuously producing nanoscale conductive fine particles. The nano-scale conductive fine particles refer to conductive fine particles having a particle size of a nanometer order lower than a micrometer order, that is, conductive fine particles having a particle diameter of about several nm to several hundred nm.
(ナノスケールの導電性微粒子の生成原理)
最初に、ナノスケールの導電性微粒子が生成される原理を説明する。この原理は、特許文献1に詳細に記載されている。ナノスケールの導電性微粒子は、陽極と、生成しようとする導電性材料からなる陰極とを導電性液体中に配置し、陰極と陽極との間に電圧を印加して陰極近傍にグロー放電プラズマを発生させることにより形成することができる。具体的には、陰極と陽極とからなる対電極に電圧を印加し、陰極の周りの導電性液体の温度を沸点以上に上昇させて気化させ、陰極の近傍に生じた気相にグロー放電プラズマを発生させる。このプラズマによって陰極が局所的に融解し、融解した材料が導電性液体中で再凝固することによって、導電性微粒子が生成される。
(Generation principle of nano-scale conductive fine particles)
First, the principle of producing nanoscale conductive fine particles will be described. This principle is described in detail in Patent Document 1. Nanoscale conductive fine particles are prepared by placing an anode and a cathode made of a conductive material to be generated in a conductive liquid and applying a voltage between the cathode and the anode to generate glow discharge plasma near the cathode. It can be formed by generating. Specifically, a voltage is applied to the counter electrode composed of the cathode and the anode, the temperature of the conductive liquid around the cathode is raised to the boiling point or higher, and vaporization is performed in the gas phase generated in the vicinity of the cathode. Is generated. This plasma locally melts the cathode, and the melted material re-solidifies in the conductive liquid, thereby generating conductive fine particles.
対電極に電圧を印加することにより、陰極表面での電力損失によって電極温度が上昇し、陰極周りの導電性液体が沸点以上に上昇すると、陰極の周りに水蒸気を含むシース(さや)状の気相が発生する。さらに電圧を印加することにより、発生した気相で持続的な電離が生じ、陰極周辺の気相でグロー放電プラズマが発生する。プラズマが発生すると、陰極と導電性液体との界面におけるシース状プラズマ内で電流集中現象が起こる。これにより、陰極を構成する導電性材料の表面の温度が、局所的にその材料の融点を超え、材料が局所的に融解する。融解して液滴状態で陰極表面から遊離した材料は、導電性液体中に入り、表面張力によって概ね球状に成型された後、急冷されて、ナノスケールの導電性微粒子となる。 By applying a voltage to the counter electrode, the electrode temperature rises due to power loss at the cathode surface, and when the conductive liquid around the cathode rises above the boiling point, a sheath (sheath) -like gas containing water vapor around the cathode. A phase occurs. When a voltage is further applied, continuous ionization occurs in the generated gas phase, and glow discharge plasma is generated in the gas phase around the cathode. When the plasma is generated, a current concentration phenomenon occurs in the sheath plasma at the interface between the cathode and the conductive liquid. Thereby, the temperature of the surface of the conductive material constituting the cathode locally exceeds the melting point of the material, and the material is locally melted. The material that is melted and released from the cathode surface in the form of droplets enters the conductive liquid, is formed into a substantially spherical shape by surface tension, and is then rapidly cooled to become nanoscale conductive fine particles.
(ナノスケールの導電性微粒子を連続的に製造する装置1の構造)
<主容器、副容器、流路>
図1は、本発明に係る、ナノスケールの導電性微粒子を連続的に製造する装置1の一実施形態を示す概略図である。図1の右側の図は正面図であり、左側の図は側面図である。図2は、図1に示される装置1の斜視図である。本発明に係る装置1によって、特に球状化処理などの後処理をすることなく、平均粒径の小さい導電性微粒子を連続的に製造することができる。装置1は、主容器10と、流体の流路70によって主容器10と接続された1つ又は複数の副容器60とを備える。図1においては、2つの副容器60a、60bが示されており、この場合には、副容器60bが最終の容器となる。このため、最終の容器からは粒径分布幅の狭い、粒径の小さな微粒子を回収することができる。主容器10には導電性液体CLが収容される。1つ又は複数の副容器60には、生成される導電性微粒子の性質に応じて導電性液体CL又は他の液体が収容される。主容器10には、導電性液体CLがポンプ(図示せず)によって送液路20を介して外部の導電性液体供給源(図示せず)から供給される。送液路20の下端、すなわち導電性液体の流出口21の垂直方向の位置は、主容器10の底面の近くが好ましい。流出口21が導電性液体の液面近くから主容器10に供給されると、主容器10内の導電性液体が撹拌され、その結果、主容器10内の生成された導電性微粒子が適切に分級されなくなる場合がある。
(Structure of the apparatus 1 for continuously producing nanoscale conductive fine particles)
<Main container, sub container, flow path>
FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of an apparatus 1 for continuously producing nanoscale conductive fine particles according to the present invention. The right side of FIG. 1 is a front view, and the left side is a side view. FIG. 2 is a perspective view of the device 1 shown in FIG. By the apparatus 1 according to the present invention, it is possible to continuously produce conductive fine particles having a small average particle diameter without any post-treatment such as spheroidization. The apparatus 1 comprises a main container 10 and one or more sub-containers 60 connected to the main container 10 by a fluid flow path 70. In FIG. 1, two sub-containers 60a and 60b are shown. In this case, the sub-container 60b is the final container. For this reason, fine particles having a small particle size distribution width and a small particle size can be recovered from the final container. The main container 10 contains a conductive liquid CL. The one or more sub-containers 60 contain the conductive liquid CL or other liquid depending on the properties of the generated conductive fine particles. The main container 10 is supplied with a conductive liquid CL from an external conductive liquid supply source (not shown) via a liquid feeding path 20 by a pump (not shown). The lower end of the liquid feeding path 20, that is, the vertical position of the conductive liquid outlet 21 is preferably near the bottom surface of the main container 10. When the outlet 21 is supplied to the main container 10 from near the liquid level of the conductive liquid, the conductive liquid in the main container 10 is agitated, and as a result, the generated conductive fine particles in the main container 10 are appropriately There are cases where classification is not possible.
<容器の材質、容量>
主容器10及び1つ又は複数の副容器60の材質は、収容する液体に対して安定であれば特に限定されず、例えば、ガラス、プラスチックなどとすることができる。主容器10及び1つ又は複数の副容器60の大きさは特に限定されず、本発明を実現するのに必要な量の液体を収容することができるとともに、取り扱いが困難にならないものであればよい。また、それぞれの容器の大きさは同一であってもよく、互いに異なっていてもよい。
<Material and capacity of container>
The material of the main container 10 and the one or more sub-containers 60 is not particularly limited as long as it is stable with respect to the liquid to be stored, and may be, for example, glass or plastic. The size of the main container 10 and the one or more sub-containers 60 is not particularly limited as long as it can accommodate an amount of liquid necessary to realize the present invention and does not become difficult to handle. Good. Moreover, the size of each container may be the same or different from each other.
<容器間の接続>
本発明の一実施形態においては、主容器10及び1つ又は複数の副容器60の各々は、容器の各々を連通する流路70によって直列に接続されることが好ましい。すなわち、図1及び図2に示されるように、主容器10と、1つ又は複数の副容器60のうちの第1の副容器60aとは流路70によって接続される。また、第1の副容器60aと、1つ又は複数の副容器60のうちの第2の副容器60bともまた、流路70によって接続され、以下同様に、1つ又は複数の容器60はそれぞれ、流路70によって直列に接続される。本発明の別の実施形態においては、主容器10と1つ又は複数の副容器60のうちの一の容器とを流路70によって接続し、その一の容器と1つ又は複数の副容器60のうちの他の容器とを流路70によって並列に接続することもできる。本発明のさらに別の実施形態においては、主容器10及び1つ又は複数の副容器60は、一部を直列に接続し、一部を並列に接続することもできる。このように、主容器10及び1つ又は複数の副容器60を多段階に直列及び/又は並列に接続し、前段の容器からオーバーフローした液体が後段の容器に送られる。そのため、各々の容器内の導電性微粒子の濃度を凝集が生じない濃度に維持することができるとともに、多段階の接続を利用して導電性微粒子を粒径に応じて分級することができる。
<Connection between containers>
In one embodiment of the present invention, the main container 10 and each of the one or more sub-containers 60 are preferably connected in series by a flow path 70 that communicates each of the containers. That is, as shown in FIGS. 1 and 2, the main container 10 and the first sub container 60 a among the one or more sub containers 60 are connected by the flow path 70. In addition, the first sub container 60a and the second sub container 60b of the one or more sub containers 60 are also connected by the flow path 70. Similarly, the one or more containers 60 are respectively Are connected in series by a flow path 70. In another embodiment of the present invention, the main container 10 and one of the one or more sub-containers 60 are connected by a flow path 70, and the one container and the one or more sub-containers 60 are connected. The other container can be connected in parallel by the flow path 70. In yet another embodiment of the present invention, the main container 10 and one or more sub-containers 60 may be connected in part in series and part in parallel. In this way, the main container 10 and the one or more sub-containers 60 are connected in series and / or parallel in multiple stages, and the liquid overflowed from the preceding container is sent to the succeeding container. Therefore, the concentration of the conductive fine particles in each container can be maintained at a concentration at which aggregation does not occur, and the conductive fine particles can be classified according to the particle diameter using multistage connection.
図1及び図2に示されるように、流路70は、一実施形態においては、中空のパイプとすることができる。流路70は、液体の出入口となる両方の端部がそれぞれ別の容器内の液体中に配置されている。従って、前段の容器例えば主容器10の導電性液体CLが一定の量を超えたとき、すなわち主容器10内の導電性液体の液面が流路70の流入口71の高さを超えたときに、超えた分の導電性液体CLは、流路70を通って後段の容器例えば副容器60aに移動する。前段の容器と後段の容器とを接続する流路70の数は、1つであっても、複数であってもよい。例えば、主容器1と副容器60aとを、5本の流路70で接続することもできる。 As shown in FIGS. 1 and 2, the channel 70 may be a hollow pipe in one embodiment. Both ends of the flow path 70 serving as the liquid inlet / outlet are disposed in the liquid in different containers. Accordingly, when the conductive liquid CL in the preceding container, for example, the main container 10 exceeds a certain amount, that is, when the level of the conductive liquid in the main container 10 exceeds the height of the inlet 71 of the flow path 70. In addition, the excess amount of the conductive liquid CL moves through the flow path 70 to the subsequent container, for example, the sub container 60a. The number of the flow paths 70 that connect the former container and the latter container may be one or plural. For example, the main container 1 and the sub container 60 a can be connected by five flow paths 70.
流路70における導電性液体の流入口71の垂直方向の位置、すなわち、容器の底面から流入口71までの距離は、各々の容器内に維持される導電性液体に含まれる導電性微粒子の濃度をどの程度の濃度に保つかという条件に応じて、変えることができる。例えば、流入口71の位置を低くすると、主容器10の導電性液体CLの量が少なくなるため、他の条件が同一の場合には、導電性液体CL中の導電性微粒子の濃度は高くなる。逆に、流入口71の位置を高くすると、導電性液体CL中の導電性微粒子の濃度は低くなる。なお、導電性液体CL中の導電性微粒子の濃度が高すぎると、導電性微粒子が凝集するため、流入口71の位置の下限は、導電性微粒子の凝集が生じない濃度に導電性微粒子の濃度が維持される位置でなければならない。 The vertical position of the inlet 71 of the conductive liquid in the flow path 70, that is, the distance from the bottom surface of the container to the inlet 71 is the concentration of the conductive fine particles contained in the conductive liquid maintained in each container. Can be changed according to the condition of how much concentration is kept. For example, when the position of the inflow port 71 is lowered, the amount of the conductive liquid CL in the main container 10 is reduced, so that the concentration of the conductive fine particles in the conductive liquid CL is increased when the other conditions are the same. . Conversely, when the position of the inflow port 71 is increased, the concentration of the conductive fine particles in the conductive liquid CL is decreased. Note that if the concentration of the conductive fine particles in the conductive liquid CL is too high, the conductive fine particles are aggregated. Therefore, the lower limit of the position of the inlet 71 is a concentration at which the conductive fine particles are not aggregated. Must be in a position to be maintained.
また、流入口71の垂直方向の位置を変えることによって、下段の容器60に流出する導電性微粒子の大きさを制御することができる。すなわち、主容器10において生成された導電性微粒子は、種々の大きさの微粒子を含んでおり、粒径の大きいものは主容器10の下方に沈み、粒径の小さいものは上方に浮くことになる。したがって、流入口71の垂直方向の位置を下げるにつれて、粒径の大きい導電性微粒子が下段の容器60に流出し、結果として下段の容器60に収容される導電性微粒子の粒度分布幅は広くなる。逆に、流入口71の垂直方向の位置を上げるにつれて、粒径の小さい導電性微粒子が優先的に下段の容器60に流出し、結果として下段の容器60に収容される導電性微粒子の粒度分布幅は狭くなる。流路70における導電性液体の流出口72の垂直方向の位置、すなわち、容器の底面から流出口72までの距離は、任意に設定することができる。 Further, the size of the conductive fine particles flowing out to the lower container 60 can be controlled by changing the position of the inflow port 71 in the vertical direction. That is, the conductive fine particles generated in the main container 10 include fine particles of various sizes, and those having a large particle size sink below the main container 10 and those having a small particle size float upward. Become. Therefore, as the vertical position of the inlet 71 is lowered, the conductive fine particles having a large particle size flow out into the lower container 60, and as a result, the particle size distribution width of the conductive fine particles accommodated in the lower container 60 becomes wider. . Conversely, as the vertical position of the inflow port 71 is increased, the conductive fine particles having a small particle size preferentially flow out to the lower container 60, and as a result, the particle size distribution of the conductive fine particles accommodated in the lower container 60. The width becomes narrower. The vertical position of the conductive liquid outlet 72 in the flow path 70, that is, the distance from the bottom surface of the container to the outlet 72 can be arbitrarily set.
流路70の導電性液体の流入口71の水平方向の位置、すなわち、上から容器をみたときの流入口71の位置は特に問わない。図1及び図2に示される本発明の実施形態においては、流路70は容器端部の中央に位置しているが、これは、主容器10及び複数の容器60を接続することを考慮しているためである。すなわち、例えば、主容器10の次の容器60aを考えると、容器60a内において前段の容器10からの液体が流入する位置72と後段の容器60bに液体が流出する位置71とは、容器60a内における液体の濃度を均一に維持するために、離れていることが好ましい。このような状態にすることを考慮して、本実施形態においては、流路70は、容器の端部中央に設置されている。 The position of the inflow port 71 of the conductive liquid in the flow path 70 in the horizontal direction, that is, the position of the inflow port 71 when the container is viewed from above is not particularly limited. In the embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 and 2, the flow path 70 is located at the center of the container end, which is considered to connect the main container 10 and the plurality of containers 60. This is because. That is, for example, considering the next container 60a after the main container 10, the position 72 where the liquid from the preceding container 10 flows into the container 60a and the position 71 where the liquid flows out into the succeeding container 60b are within the container 60a. In order to maintain a uniform concentration of liquid in In consideration of such a state, in the present embodiment, the flow path 70 is installed at the center of the end of the container.
本発明の一実施形態においては、流路70は、複数の中空パイプ70a、70b、70cと、複数の中空パイプ70a〜70cを連結する、例えばシリコンゴム製のジョイントなどの連結部材75とで構成することができる。容器内における液体の流入口71又は流出口72の高さは、連結部材75内部において中空パイプの端部同士を離したり近づけたりすることによって調整可能である。中空パイプ70a〜70cの材質は、内部を通る導電性液体に対して安定であれば特に限定されず、例えば、ガラス、プラスチックなどとすることができる。 In one embodiment of the present invention, the flow path 70 includes a plurality of hollow pipes 70a, 70b, and 70c and a connection member 75 such as a joint made of silicon rubber that connects the plurality of hollow pipes 70a to 70c. can do. The height of the liquid inflow port 71 or the outflow port 72 in the container can be adjusted by moving the end portions of the hollow pipes apart from or close to each other inside the connecting member 75. The material of the hollow pipes 70a to 70c is not particularly limited as long as it is stable with respect to the conductive liquid passing through the inside, and for example, glass, plastic or the like can be used.
主容器10及び1つ又は複数の副容器60の各々の物理的な位置関係は特に限定されず、流路70を介して容器内の液体が前段の容器から後段の容器に滞りなく流れることができる配置であればよい。 The physical positional relationship between each of the main container 10 and the one or more sub-containers 60 is not particularly limited, and the liquid in the container may flow from the preceding container to the succeeding container through the flow path 70 without delay. Any arrangement can be used.
なお、本明細書においては主容器が1つのみの場合について説明されているが、当然のことながら、複数の主容器を用いて導電性微粒子を製造することも可能である。この場合には、本明細書に記載されている主容器と副容器との接続の考え方を拡張し、本発明の導電性微粒子を連続的に製造する装置を、複数の主容器と各々の主容器に接続された1つ又は複数の副容器とを用いるシステムとして考えることができる。このようなシステムによれば、より大量の導電性微粒子を連続的に製造することができる。 In the present specification, the case where there is only one main container is described, but naturally, it is also possible to produce conductive fine particles using a plurality of main containers. In this case, the concept of connection between the main container and the sub-container described in this specification is expanded, and an apparatus for continuously producing the conductive fine particles of the present invention includes a plurality of main containers and each main container. It can be thought of as a system using one or more sub-containers connected to the container. According to such a system, a larger amount of conductive fine particles can be continuously produced.
<導電性液体>
導電性液体CLの溶媒は、電解質物質を溶かすことができる液体であればよく、例えば、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、炭酸ジメチル等の有機溶媒、水、イオン性液体などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、導電性液体CLは、電解質を溶質として含む電解水溶液でもよく、導電性を有する溶融塩でもよい。電解質は、中性、アルカリ性、酸性のいずれでもよく、アルカリ性の電解質としては、炭酸カリウム、炭酸ナトリウムなどの炭酸塩が挙げられる。
<Conductive liquid>
The solvent of the conductive liquid CL may be any liquid that can dissolve the electrolyte substance. Examples thereof include organic solvents such as ethylene carbonate, diethyl carbonate, propylene carbonate, and dimethyl carbonate, water, and ionic liquid. It is not limited to these. Further, the conductive liquid CL may be an electrolytic aqueous solution containing an electrolyte as a solute, or may be a molten salt having conductivity. The electrolyte may be neutral, alkaline, or acidic, and examples of the alkaline electrolyte include carbonates such as potassium carbonate and sodium carbonate.
導電性液体CLの温度は、液体が全面的に気体化するような沸点以下であればよいが、常温程度であってもよい。導電性液体CLが電解水溶液の場合は、導電性液体の温度は、大気圧下で70〜90℃程度であるのが好ましく、加圧環境下では100℃を超えていてもよい。 The temperature of the conductive liquid CL may be equal to or lower than the boiling point at which the liquid is completely gasified, but may be about room temperature. When the conductive liquid CL is an electrolytic aqueous solution, the temperature of the conductive liquid is preferably about 70 to 90 ° C. under atmospheric pressure, and may exceed 100 ° C. under a pressurized environment.
1つ又は複数の副容器60に収容される液体は、主容器10に収容される導電性液体CLと異なるものとすることもできる。例えば、主容器10に導電性液体CLを収容し、2段目の副容器60aに還元性液体を収容することによって、主容器10で生成された導電性微粒子を2段目の副容器60aで還元することができる。また、前述のように、2段目以降の複数の副容器60を並列に接続する場合も考えられる。この場合には、それぞれの副容器60に異なる液体を収容して、それぞれ性質の異なる導電性微粒子を生成することもできる。 The liquid stored in the one or more sub containers 60 may be different from the conductive liquid CL stored in the main container 10. For example, the conductive liquid CL is accommodated in the main container 10 and the reducing liquid is accommodated in the second-stage sub-container 60a, so that the conductive fine particles generated in the main container 10 are contained in the second-stage sub-container 60a. Can be reduced. Further, as described above, a case where a plurality of sub containers 60 after the second stage are connected in parallel is also conceivable. In this case, it is also possible to store different liquids in the respective sub-containers 60 to generate conductive fine particles having different properties.
<電極>
主容器10に収容された導電性液体中には、導電性材料からなる陰極30と、陰極30から所定の距離を隔てて陽極40とが配置される。陰極30に用いる導電性材料は、生成されるナノスケールの導電性微粒子の原料となるものであり、生成したい導電性微粒子の性質に合わせて素材や組成を適宜選択することができる。陰極30として、各種の金属及び半導体などの単一元素材を用いることができ、合金化した複合元素材を用いることもできる。
<Electrode>
In the conductive liquid stored in the main container 10, a cathode 30 made of a conductive material and an anode 40 are arranged at a predetermined distance from the cathode 30. The conductive material used for the cathode 30 is a raw material for the generated nanoscale conductive fine particles, and the material and composition can be appropriately selected according to the properties of the conductive fine particles to be generated. As the cathode 30, a single source material such as various metals and semiconductors can be used, and an alloyed composite source material can also be used.
陰極30の形状は、特に限定されるものではないが、平均電界の一様性の観点から対称性を有する形状であることが好ましく、円柱状、円筒状、球状、円錐状であることが好ましく、円柱状であることがより好ましい。陰極30が円柱状の場合における先端部の形状は、用いられる材料に応じて変えることが好ましい。例えば、陰極30として用いられる材料が低融点材料の場合は、先端部の形状は平坦な方が好ましく、高融点材料の場合は、先端部の形状は鋭角的な形状が好ましい。特に、陰極30の材料が、亜鉛、アルミニウムの場合には、先端部は鋭角に形成されるより平坦に形成される方が断線しにくいため好ましい。高融点材料の場合においても、先端部の形状を平坦なものとすることもできるが、陰極30の側面にもプラズマを生成させるには、より高い電圧を印加することが必要となる。 The shape of the cathode 30 is not particularly limited, but is preferably a shape having symmetry from the viewpoint of uniformity of the average electric field, and is preferably a columnar shape, a cylindrical shape, a spherical shape, or a conical shape. More preferably, it is cylindrical. When the cathode 30 is cylindrical, the shape of the tip is preferably changed according to the material used. For example, when the material used for the cathode 30 is a low melting point material, the tip is preferably flat, and when the material is a high melting point, the tip is preferably acute. In particular, when the material of the cathode 30 is zinc or aluminum, it is preferable that the tip portion is formed flat rather than formed at an acute angle because it is more difficult to break. Even in the case of a high melting point material, the shape of the tip can be made flat, but in order to generate plasma also on the side surface of the cathode 30, it is necessary to apply a higher voltage.
さらに、より粒径の均一な導電性微粒子が連続的に生成されるようにするためには、少なくとも陰極30の導電性液体CL中に存在する部分において、陰極30に縁部が存在しないこと(言い換えると、電極30の導電性液体CLに接触する部分が、形状的に一様性を有すること)が好ましい。例えば横断面形状が多角形の陰極30には、その長軸方向に沿って延びる縁部が存在することになる。縁部が存在しない電極30を得るための一実施形態が、断面図として表現された図3に示される。図3に示される実施形態においては、導電性液体CL中において電極30に縁部が存在しないように、陰極30の形状を円柱状にするとともに、その先端部31が導電性液体CLに接触しないように先端部31を覆うカバー35が取り付けられる。カバー35は、例えばガラス、テフロン(登録商標)などの絶縁性物質を用いて形成された、一端が閉じた中空キャップ状のカバーである。陰極30の先端部31を覆うようにカバー35を陰極30に取り付けることによって、少なくとも陰極30の導電性液体CLと接触する部分(図3における「L」の部分)には、例えば図3における先端部31又は横断面形状が多角形の陰極30において長軸方向に沿って延びる縁部のような縁部が存在しなくなる。 Further, in order to continuously generate conductive fine particles having a more uniform particle diameter, at least a portion of the cathode 30 existing in the conductive liquid CL does not have an edge ( In other words, the portion of the electrode 30 that contacts the conductive liquid CL is preferably uniform in shape). For example, the cathode 30 having a polygonal cross-sectional shape has an edge extending along the long axis direction. One embodiment for obtaining an electrode 30 with no edges is shown in FIG. 3 expressed as a cross-sectional view. In the embodiment shown in FIG. 3, the shape of the cathode 30 is made cylindrical so that no edge is present in the electrode 30 in the conductive liquid CL, and the tip portion 31 does not contact the conductive liquid CL. Thus, a cover 35 that covers the tip 31 is attached. The cover 35 is a hollow cap-shaped cover with one end closed, formed using an insulating material such as glass or Teflon (registered trademark). By attaching the cover 35 to the cathode 30 so as to cover the tip portion 31 of the cathode 30, at least a portion (“L” portion in FIG. 3) in contact with the conductive liquid CL of the cathode 30 is, for example, the tip in FIG. 3. In the cathode 31 having the polygonal section 31 or the cross-sectional shape, there is no edge such as an edge extending along the long axis direction.
陰極30の導電性液体CLと接触する部分に、例えば図3における先端部31のような縁部が存在する場合には、他の部分と比べてその縁部に特に頻繁に電流集中現象が生じる。電極の一部分に電流集中が生じると、その部分からの導電性微粒子の生成が多くなり、生成される導電性微粒子の粒径は次第に大きくなる。一方、電極に縁部が存在しない場合、例えば図3に示されるように導電性液体CLと接触する電極30の部分Lが面のみで構成される場合には、電流集中現象が電極30の表面全体にわたって一様に生じ、電流集中が特に頻繁になる場所がないため、表面全体から粒径の揃った導電性微粒子が生成されることになる。以上が、電極30に縁部が存在しないことにより粒径が均一の導電性微粒子が得られる理由と考えられる。 In the case where an edge such as the tip 31 in FIG. 3 is present in the portion of the cathode 30 that contacts the conductive liquid CL, a current concentration phenomenon occurs particularly frequently at the edge compared to other portions. . When current concentration occurs in a part of the electrode, the generation of conductive fine particles from the part increases, and the particle diameter of the generated conductive fine particles gradually increases. On the other hand, when the electrode has no edge, for example, as shown in FIG. 3, when the portion L of the electrode 30 that is in contact with the conductive liquid CL is composed of only a surface, the current concentration phenomenon may occur on the surface of the electrode 30. Since there is no place where the current concentration occurs uniformly and current concentration is particularly frequent, conductive fine particles having a uniform particle diameter are generated from the entire surface. The above is considered to be the reason why conductive fine particles having a uniform particle diameter can be obtained due to the absence of an edge in the electrode 30.
陰極30のサイズ(大きさ又は太さ)は、導電性液体CLの量、生成される導電性微粒子の収量、生成持続時間、電流密度の変動などの条件を考慮して、適宜選択される。一般に、陰極30のサイズが大きい方が、導電性微粒子の生成量は多く、生成持続時間が長く、電流密度の変動が小さいため平均粒径は小さくなる。しかしながら、例えば、従来技術のようなバッチ式の生成装置の場合には、陰極30のサイズを大きくすると、導電性液体中における導電性微粒子の濃度が短時間で上昇し、凝集が生じる。これに対して、本発明に係る連続製造装置1では、主容器10をオーバーフローした導電性微粒子を含む導電性液体CLが流路70を通って後段の副容器60に移動することによって、主容器10内の導電性微粒子の濃度を凝集が生じない濃度に維持することができるため、陰極30は大きなものを用いることができる。したがって、本装置1を用いると、平均粒径の小さな導電性微粒子を長時間にわたって製造することが可能となる。 The size (size or thickness) of the cathode 30 is appropriately selected in consideration of the conditions such as the amount of the conductive liquid CL, the yield of the conductive fine particles to be generated, the generation duration, and the current density. In general, the larger the size of the cathode 30, the larger the amount of conductive fine particles generated, the longer the generation duration, and the smaller the current density variation, the smaller the average particle size. However, for example, in the case of a batch-type production apparatus as in the prior art, when the size of the cathode 30 is increased, the concentration of the conductive fine particles in the conductive liquid increases in a short time, and aggregation occurs. On the other hand, in the continuous manufacturing apparatus 1 according to the present invention, the conductive liquid CL containing the conductive fine particles overflowing the main container 10 moves to the sub container 60 in the subsequent stage through the flow path 70, so that the main container 10 can be maintained at a concentration at which aggregation does not occur, so that a large cathode 30 can be used. Therefore, when this apparatus 1 is used, it becomes possible to produce conductive fine particles having a small average particle diameter over a long period of time.
陽極40の材料は、例えばプラチナが挙げられるが、これに限定されるものではなく、導電性液体CL中で安定なものであればよい。陽極40の形状は特に限定されないが、表面積をできるだけ大きくすることが好ましい。陽極40の表面積は、陰極30の表面積に対して約25〜約1000倍であることが好ましい。陽極40の表面積を大きくすることによって、陰極30の周囲で一様な電界を発生させることができ、また、陰極30の近傍に電圧低下、電力損失及び温度上昇を集中させることができる。陽極40の表面積を大きくするためには、例えば、陽極40の大きさ自体を大きくしたり、陽極40を、陰極30を取り囲むメッシュ電極としたりすればよい。 Examples of the material of the anode 40 include platinum, but the material is not limited to this, and any material that is stable in the conductive liquid CL may be used. The shape of the anode 40 is not particularly limited, but it is preferable to increase the surface area as much as possible. The surface area of the anode 40 is preferably about 25 to about 1000 times the surface area of the cathode 30. By increasing the surface area of the anode 40, a uniform electric field can be generated around the cathode 30, and voltage drop, power loss and temperature increase can be concentrated in the vicinity of the cathode 30. In order to increase the surface area of the anode 40, for example, the size of the anode 40 itself may be increased, or the anode 40 may be a mesh electrode surrounding the cathode 30.
陰極30の数は、図1及び図2においては1つのみが示されているが、これに限定されるものではない。陰極30が2つ以上の場合には、それらの陰極30に対応する陽極40が対電極を形成するように設けられればよい。また、図1及び図2においては、2つの陽極40が示されているが、陽極40の数はこれに限定されるものではない。面積の大きな陽極40を用いることができれば、陽極40の数は1つでもよい。また、陽極40の数は、必要に応じて3つ以上とすることもできる。陽極40の数が2つ以上の場合における陽極40の配置は、陰極30と陽極40の各々との距離が等しくなるような配置が好ましい。容量の大きな主容器10を用いる場合には、その容量に応じて陰極30と陽極40からなる対電極を複数組用いることもできる。 Although only one cathode 30 is shown in FIGS. 1 and 2, the number of the cathodes 30 is not limited to this. When the number of the cathodes 30 is two or more, the anodes 40 corresponding to the cathodes 30 may be provided so as to form a counter electrode. Moreover, in FIG.1 and FIG.2, although the two anodes 40 are shown, the number of the anodes 40 is not limited to this. If the anode 40 with a large area can be used, the number of the anodes 40 may be one. Further, the number of anodes 40 may be three or more as required. When the number of anodes 40 is two or more, the arrangement of the anodes 40 is preferably such that the distances between the cathodes 30 and the anodes 40 are equal. When the main container 10 having a large capacity is used, a plurality of pairs of counter electrodes each composed of the cathode 30 and the anode 40 can be used according to the capacity.
陰極30と陽極40は、互いに接触することなく導電性液体CL中に配置される。陰極30と陽極40との間には導電性液体CLのみが存在するのが好ましい。陰極30の周囲を均等に囲むように、同心円的に陽極40を配置することが好ましい。 The cathode 30 and the anode 40 are disposed in the conductive liquid CL without contacting each other. It is preferable that only the conductive liquid CL exists between the cathode 30 and the anode 40. It is preferable to arrange the anodes 40 concentrically so as to evenly surround the cathode 30.
陰極30と陽極40との間の距離は、電圧の印加により陰極30の表面近傍で安定なグロー放電プラズマは発生するが、陰極30と陽極40とが高電流密度の放電路で直接つながってアーク放電が生じることがないように、適宜調整される。陰極30と陽極40との間の適切な距離は、導電性液体の濃度との関連で決まる。導電性液体は、中性以外の場合には取り扱いの観点から濃度が低い方が好ましい。しかしながら、低濃度の導電性液体を用いた場合には、陰極30と陽極40との距離が遠すぎると電極間に電流が流れなくなるため、より高い電圧を印加することが必要となり、経済性及び環境負荷の観点から好ましくない。逆に、陰極30と陽極40との距離が近すぎると、アーク放電が生じやすくなるため、導電性微粒子の生成条件の制御が難しくなる。したがって、陰極30と陽極40との距離は、例えば、約20〜約1000mmが好ましく、約50mmがより好ましい。主容器10の容量が大きい場合には、所定の距離だけ離れた陰極30と陽極40の複数の組を用いることが好ましく、このような構成は、例えば、陰極30と陽極40とを所定の距離を隔てて交互に配置することで実現できる。 The distance between the cathode 30 and the anode 40 is that a stable glow discharge plasma is generated in the vicinity of the surface of the cathode 30 by the application of a voltage, but the cathode 30 and the anode 40 are directly connected by a high current density discharge path. It adjusts suitably so that discharge may not arise. The appropriate distance between the cathode 30 and the anode 40 is determined in relation to the concentration of the conductive liquid. In the case of other than neutral, the conductive liquid preferably has a lower concentration from the viewpoint of handling. However, in the case of using a low-concentration conductive liquid, if the distance between the cathode 30 and the anode 40 is too long, no current flows between the electrodes, so it is necessary to apply a higher voltage. It is not preferable from the viewpoint of environmental load. On the other hand, if the distance between the cathode 30 and the anode 40 is too short, arc discharge is likely to occur, making it difficult to control the conditions for generating conductive fine particles. Therefore, for example, the distance between the cathode 30 and the anode 40 is preferably about 20 to about 1000 mm, and more preferably about 50 mm. When the capacity of the main container 10 is large, it is preferable to use a plurality of pairs of the cathode 30 and the anode 40 separated by a predetermined distance. Such a configuration, for example, connects the cathode 30 and the anode 40 to a predetermined distance. This can be realized by arranging them alternately.
<印加電圧>
印加する電圧は、陰極30の近傍でグロー放電プラズマを発生させることができる下限の電圧より高く、陰極30が赤熱する電圧より低いことが好ましい。陰極30が赤熱すると、材料が溶融し、導電性微粒子が連続的に生成されない。陰極30が赤熱する電圧は、例えば、銅では約200V、銀では約180V、タングステンでは約300Vである。印加する電圧は、陰極30が赤熱する電圧より低い電圧が好ましい。この程度の電圧を印加することによって、陰極30の近傍が完全プラズマに近いが完全プラズマには達していない状態となるため、プラズマのムラが少なくなり、導電性微粒子が連続的に生成される。電圧が低すぎると、陰極30の近傍でグロー放電プラズマが発生せず導電性微粒子が得られず、プラズマが発生したとしても導電性微粒子の収量が極めて少ない。また、電圧が高すぎると、陽極及び陰極間にアーク放電が生じるため、所望の導電性微粒子が得られない。印加する電圧は、導電性液体が電解水溶液である場合は、好ましくは約65V〜約200V、より好ましくは約80V〜約140Vである。
<Applied voltage>
The voltage to be applied is preferably higher than the lower limit voltage at which glow discharge plasma can be generated in the vicinity of the cathode 30 and lower than the voltage at which the cathode 30 glows red. When the cathode 30 is red hot, the material melts and the conductive fine particles are not continuously generated. The voltage at which the cathode 30 glows red is, for example, about 200 V for copper, about 180 V for silver, and about 300 V for tungsten. The voltage to be applied is preferably a voltage lower than the voltage at which the cathode 30 glows red. By applying a voltage of this level, the vicinity of the cathode 30 is close to the complete plasma but does not reach the complete plasma, so that the plasma unevenness is reduced and conductive fine particles are continuously generated. When the voltage is too low, glow discharge plasma is not generated in the vicinity of the cathode 30 and conductive fine particles cannot be obtained. Even if plasma is generated, the yield of conductive fine particles is extremely small. On the other hand, if the voltage is too high, arc discharge occurs between the anode and the cathode, so that desired conductive fine particles cannot be obtained. When the conductive liquid is an electrolytic aqueous solution, the voltage to be applied is preferably about 65 V to about 200 V, more preferably about 80 V to about 140 V.
<隔壁>
本発明の一実施形態においては、陰極30と陽極40との間に、隔壁80を設けることができる。隔壁80は、導電性液体CL中における電子の移動を阻害しない材料で構成されればよく、例えば、ジルコニア(酸化ジルコニウム)の多孔質膜、テフロン(登録商標)メッシュなどの材料で構成されることが好ましい。隔壁80を設けることによって、陰極30から生成された導電性微粒子が主容器10内部で拡散しにくくすることができる。また、導電性液体CLとして電解水溶液を用いた場合には、水の電気分解によって陰極30の近傍から水素が発生するが、隔壁80の上に水素を回収するための覆い90を設けることにより、発生した水素を効率的に回収することができる。隔壁80の形状は、特に限定されないが、陰極30の周りのできるだけ多くの面積を覆うことができる形状が好ましい。
<Partition wall>
In one embodiment of the present invention, a partition wall 80 can be provided between the cathode 30 and the anode 40. The partition wall 80 may be made of a material that does not inhibit the movement of electrons in the conductive liquid CL. For example, the partition wall 80 may be made of a material such as a porous film of zirconia (zirconium oxide) or Teflon (registered trademark) mesh. Is preferred. By providing the partition wall 80, the conductive fine particles generated from the cathode 30 can be made difficult to diffuse inside the main container 10. In addition, when an electrolytic aqueous solution is used as the conductive liquid CL, hydrogen is generated from the vicinity of the cathode 30 by electrolysis of water, but by providing a cover 90 for recovering hydrogen on the partition wall 80, The generated hydrogen can be efficiently recovered. The shape of the partition wall 80 is not particularly limited, but a shape that can cover as much area as possible around the cathode 30 is preferable.
(ナノスケールの導電性微粒子を連続的に製造する方法)
ここで、装置1を用いてナノスケールの導電性微粒子を連続的に製造する方法の一実施形態を説明する。まず、導電性液体CLを主容器10に収容する。主容器10に収容した導電性液体CLと同一の組成の導電性液体を、1つ又は複数の副容器60にも収容する。図1に示されるように、ここでは、2つの副容器60a、60bが直列に接続されている。別の実施形態においては、1つ又は複数の副容器60には、主容器10とは別の液体を収容することもできる。また、1つ又は複数の副容器60は並列に接続することもできる。主容器10における導電性の液体中に配置された陰極30と陽極40とからなる対電極に、電源50によって電圧を印加する。
(Method of continuously producing nanoscale conductive particles)
Here, an embodiment of a method for continuously producing nanoscale conductive fine particles using the apparatus 1 will be described. First, the conductive liquid CL is accommodated in the main container 10. A conductive liquid having the same composition as that of the conductive liquid CL stored in the main container 10 is also stored in one or a plurality of sub-containers 60. As shown in FIG. 1, here, two sub-containers 60a and 60b are connected in series. In another embodiment, the one or more sub-containers 60 can contain a liquid other than the main container 10. Moreover, the one or several sub container 60 can also be connected in parallel. A voltage is applied by a power supply 50 to the counter electrode composed of the cathode 30 and the anode 40 disposed in the conductive liquid in the main container 10.
対電極に電圧が印加されると、陰極30の表面における電力損失によって陰極30の温度が上昇し、それに伴って、陰極30の周りの導電性液体の温度も上昇する。導電性液体の温度が沸点を超えると、陰極30の近傍に水蒸気を含むシース状の気相が形成され、気相の中でグロー放電プラズマが発生する。グロー放電プラズマが確立された後、さらに電圧を上昇させ、陰極30の近傍にグロー放電プラズマを持続的に形成させる。 When a voltage is applied to the counter electrode, the temperature of the cathode 30 rises due to power loss at the surface of the cathode 30, and accordingly, the temperature of the conductive liquid around the cathode 30 also rises. When the temperature of the conductive liquid exceeds the boiling point, a sheath-like gas phase containing water vapor is formed in the vicinity of the cathode 30, and glow discharge plasma is generated in the gas phase. After the glow discharge plasma is established, the voltage is further increased, and the glow discharge plasma is continuously formed in the vicinity of the cathode 30.
グロー放電プラズマの持続的形成後、陰極30と導電性液体CLとの界面におけるシース状のプラズマ内の電流集中現象により、陰極30表面の局所温度がその材料の融点を超え、材料が局所的に融解する。融解して液滴状態で陰極30表面から遊離した材料は、導電性液体CL中に入り、表面張力によって球状に成型された後、急冷されて、ナノスケールの導電性微粒子が生成される。本装置1においては、特許文献1に開示された方法より大きなサイズの陰極30を用いることができるため、陰極30が短時間で消耗することなく、同一品質のナノスケールの導電性微粒子を長時間にわたって連続して製造することができる。 After the continuous formation of the glow discharge plasma, the local temperature of the cathode 30 surface exceeds the melting point of the material due to the current concentration phenomenon in the sheath-shaped plasma at the interface between the cathode 30 and the conductive liquid CL, and the material is locally Melt. The material that is melted and released from the surface of the cathode 30 in the form of droplets enters the conductive liquid CL, is formed into a spherical shape by surface tension, and is then rapidly cooled to generate nanoscale conductive fine particles. In the present apparatus 1, since the cathode 30 having a size larger than that disclosed in Patent Document 1 can be used, the nanoscale conductive fine particles having the same quality can be used for a long time without the cathode 30 being consumed in a short time. Can be produced continuously.
ナノスケールの導電性微粒子の生成前又は生成後に、ポンプ(図示せず)を稼働させ、導電性液体の供給源(図示せず)から送液路20を介して主容器10に導電性液体CLの供給を開始する。導電性液体CLの供給流量は、一定であることが好ましく、流路70を介して主容器10から副容器60aに送られる導電性液体CLの流量と概ね等しいことが好ましい。このように導電性液体CLの主容器10への供給流量と主容器10からの流出流量とをバランスさせることにより、主容器10における導電性液体CLの量を概ね一定に維持することができる。その結果、導電性液体CL中の導電性微粒子の濃度を、凝集が発生しない濃度に維持することができる。例えば、特許文献1のような単一の容器を用いたバッチ式技術の場合には、本発明者らの実験では、約300ccの導電性液体中に約10mgの導電性微粒子(ステンレス(SUS316))が存在したときに微粒子が凝集した。したがって、例えばステンレス(SUS316)微粒子の場合には、導電性液体CL中における微粒子濃度は、少なくともこれより低い濃度に維持される必要がある。 Before or after the generation of the nanoscale conductive fine particles, a pump (not shown) is operated, and the conductive liquid CL is supplied from the conductive liquid supply source (not shown) to the main container 10 via the liquid supply path 20. Start supplying. The supply flow rate of the conductive liquid CL is preferably constant, and is preferably substantially equal to the flow rate of the conductive liquid CL sent from the main container 10 to the sub container 60a via the flow path 70. Thus, by balancing the supply flow rate of the conductive liquid CL to the main container 10 and the outflow flow rate from the main container 10, the amount of the conductive liquid CL in the main container 10 can be maintained substantially constant. As a result, the concentration of the conductive fine particles in the conductive liquid CL can be maintained at a concentration at which aggregation does not occur. For example, in the case of a batch technique using a single container as in Patent Document 1, in our experiment, about 10 mg of conductive fine particles (stainless steel (SUS316) in about 300 cc of conductive liquid. ) Were present, the fine particles aggregated. Therefore, for example, in the case of stainless (SUS316) fine particles, the fine particle concentration in the conductive liquid CL needs to be maintained at least at a lower concentration.
また、導電性液体CLの供給流量は、小さいことが好ましい。粒径の異なる導電性微粒子が生成される場合には、本装置及び方法においては、上述のように粒径の大きい微粒子が主容器10の下部に沈降し、粒径の小さい微粒子が主容器10内部で上昇して副容器60に移動することになる。したがって、導電性液体CLの供給流量が大きいと、主容器10及び副容器60内の液体が撹拌され、その結果、粒径の異なる導電性微粒子が混ざり合うため、適切な分級ができなくなるおそれがある。 The supply flow rate of the conductive liquid CL is preferably small. When conductive fine particles having different particle diameters are generated, in the present apparatus and method, the fine particles having a large particle size are settled below the main container 10 as described above, and the fine particles having a small particle diameter are the main container 10. It rises inside and moves to the sub container 60. Therefore, if the supply flow rate of the conductive liquid CL is large, the liquid in the main container 10 and the sub-container 60 is agitated, and as a result, conductive fine particles having different particle diameters are mixed together, so that proper classification may not be performed. is there.
上述したように、流路70の流入口71の垂直方向の位置を変えることによって、主容器10における導電性液体CL中の導電性微粒子の濃度を変えることができる。例えば、流入口71の位置を低くすると、主容器10内の導電性液体CLの量が少なくなるため、他の条件が同一の場合には、導電性液体CL中の導電性微粒子の濃度は高くなる。逆に、流入口71の位置を高くすると、導電性液体CL中の導電性微粒子の濃度は低くなる。 As described above, the concentration of the conductive fine particles in the conductive liquid CL in the main container 10 can be changed by changing the vertical position of the inlet 71 of the flow path 70. For example, when the position of the inflow port 71 is lowered, the amount of the conductive liquid CL in the main container 10 is reduced. Therefore, when the other conditions are the same, the concentration of the conductive fine particles in the conductive liquid CL is high. Become. Conversely, when the position of the inflow port 71 is increased, the concentration of the conductive fine particles in the conductive liquid CL is decreased.
また、導電性液体CLの主容器10への供給流量及び主容器10からの流出流量を増加させることによっても、導電性液体CL中の導電性微粒子の濃度を調整することができる。流量を増加させることによって、主容器10から流出する導電性液体CLに含まれる導電性微粒子の濃度が低下する。また、流量を増加させることによって、生成された導電性微粒子のうち粒径の大きい粒子は、導電性液体中で沈降する前に流出する。したがって、回収される導電性微粒子に粒径の大きい粒子が混合し、粒径分布の幅が広がることになる。 The concentration of the conductive fine particles in the conductive liquid CL can also be adjusted by increasing the supply flow rate of the conductive liquid CL to the main container 10 and the outflow flow rate from the main container 10. By increasing the flow rate, the concentration of the conductive fine particles contained in the conductive liquid CL flowing out from the main container 10 decreases. In addition, by increasing the flow rate, large particles among the generated conductive fine particles flow out before settling in the conductive liquid. Therefore, particles having a large particle size are mixed with the collected conductive fine particles, and the width of the particle size distribution is widened.
主容器10から流出した導電性微粒子を含む導電性液体CLは、流路70を通って副容器60aに流入する。副容器60aには、流路70を介してさらに容器60bが接続されており、副容器60aから流出した導電性微粒子を含む導電性液体CLは、容器60bに流入する。図1においては、2つの副容器60a及びbのみが直列に接続されているが、副容器60bの後段にさらに1つ又は複数の副容器60を直列及び/又は並列に接続することもできる。このように、複数の容器を直列及び/又は並列に接続し、前段の容器から後段の容器に導電性微粒子を含む導電性液体を順次移動させることによって、各々の容器における導電性液体中の導電性微粒子の濃度を凝集しない濃度に維持することができる。その結果、主容器10内に配置される陰極30としてよりサイズの大きいものを用いた場合でも、長時間にわたって連続的に導電性微粒子を製造することができる。 The conductive liquid CL containing the conductive fine particles flowing out from the main container 10 flows into the sub container 60a through the flow path 70. A container 60b is further connected to the sub container 60a via a flow path 70, and the conductive liquid CL containing conductive fine particles flowing out from the sub container 60a flows into the container 60b. In FIG. 1, only two sub-containers 60a and 60b are connected in series, but one or more sub-containers 60 can be connected in series and / or in parallel to the subsequent stage of the sub-container 60b. In this way, a plurality of containers are connected in series and / or in parallel, and the conductive liquid containing the conductive fine particles is sequentially moved from the preceding container to the subsequent container, whereby the conductivity in the conductive liquid in each container is determined. The concentration of the fine particles can be maintained at a concentration that does not aggregate. As a result, even when a larger size cathode is used as the cathode 30 disposed in the main container 10, conductive fine particles can be continuously produced over a long period of time.
主容器10においては、時間の経過に伴って、生成された導電性微粒子のうち粒径の大きなものは導電性液体中において下方に沈降する。沈降しにくい粒径の小さな導電性微粒子は、主容器10から流出する導電性液体CLと共に副容器60aに移動する。副容器60aにおいても同様に、時間の経過に伴って、粒径の小さな導電性微粒子は上方に残り、粒径の大きな導電性微粒子は下方に沈降する。上方の粒径の小さな導電性微粒子は、副容器60aから流出する導電性液体CLとともに副容器60bに移動する。このように、本装置1によれば、各々の容器毎にそれぞれ異なる粒径分布の導電性微粒子を収集することができる。最終的に、副容器60bには、導電性微粒子のうちの粒径の小さい、均一な導電性微粒子が存在することになる。 In the main container 10, with the passage of time, of the generated conductive fine particles, those having a large particle size settle downward in the conductive liquid. The conductive fine particles having a small particle diameter that do not easily settle move together with the conductive liquid CL flowing out from the main container 10 to the sub container 60a. Similarly, in the sub container 60a, with the passage of time, the conductive fine particles having a small particle size remain on the upper side, and the conductive fine particles having a large particle size settle on the lower side. The conductive fine particles having a small particle size on the upper side move to the sub container 60b together with the conductive liquid CL flowing out from the sub container 60a. Thus, according to the present apparatus 1, conductive fine particles having different particle size distributions can be collected for each container. Eventually, in the sub-container 60b, uniform conductive particles having a small particle size among the conductive particles are present.
導電性微粒子を連続的に生成し、陰極30が消耗した場合には、電圧の印加を停止し、導電性液体CLの温度が大幅に低下しないうちに消耗した陰極30を新たな陰極30に交換し、再び電圧を印加すれば、導電性微粒子の製造を続けることができる。 When the conductive fine particles are continuously generated and the cathode 30 is consumed, the voltage application is stopped, and the consumed cathode 30 is replaced with a new cathode 30 before the temperature of the conductive liquid CL is significantly reduced. If the voltage is applied again, the production of the conductive fine particles can be continued.
生成された導電性微粒子のうち主容器10、副容器60に残る導電性微粒子をこれらの容器の液体から回収する方法は特に限定されない。例えば、容器の底面に垂直な軸を中心として液体を回流させ、導電性微粒子を容器の底部に沈殿させることにより、沈殿した導電性微粒子を回収することができる。あるいは、各々の容器内の液体を遠心分離器で処理することによって、液体から導電性微粒子を回収することもできる。さらに、導電性微粒子を濾過により回収することもでき、溶媒抽出法を用いて導電性微粒子を有機相中に濃縮することによって回収することもできる。 A method of collecting the conductive fine particles remaining in the main container 10 and the sub-container 60 among the generated conductive fine particles from the liquid in these containers is not particularly limited. For example, the precipitated conductive fine particles can be collected by circulating the liquid around an axis perpendicular to the bottom surface of the container and precipitating the conductive fine particles on the bottom of the container. Alternatively, the conductive fine particles can be recovered from the liquid by treating the liquid in each container with a centrifuge. Furthermore, the conductive fine particles can be recovered by filtration, and can also be recovered by concentrating the conductive fine particles in the organic phase using a solvent extraction method.
生成される導電性微粒子の形状、サイズ(直径)、粒径分布、組成、結晶性などの物性は、グロー放電の条件によって制御することができる。グロー放電の条件として、印加する電圧や電流の大きさ、これらの変動、放電時間、導電性液体の種類、導電性液体の濃度、導電性液体の温度、電極を構成する元素組成、電極の形状、電極の初期表面粗さ、電極の温度、電極材料中の不純物又は添加元素の種類や濃度が挙げられる。例えば、印加する電圧を上げると、導電性微粒子の粒径を小さくすることができる。 The physical properties such as the shape, size (diameter), particle size distribution, composition, crystallinity and the like of the generated conductive fine particles can be controlled by the conditions of glow discharge. Conditions for glow discharge include the magnitude of applied voltage and current, their fluctuations, discharge time, type of conductive liquid, concentration of conductive liquid, temperature of conductive liquid, composition of elements constituting the electrode, and electrode shape The initial surface roughness of the electrode, the temperature of the electrode, the type or concentration of impurities or additive elements in the electrode material. For example, when the applied voltage is increased, the particle diameter of the conductive fine particles can be reduced.
導電性微粒子の形状を制御するには、電流集中の成長率を高めればよい。電流集中の成長率を高めるには、陰極から熱が逃げることを防止したり、印加する電圧を上げたりすればよい。陰極から熱が逃げることを防止するには、陰極の形状や物性などを適宜選択したり、陰極と陰極リードとの接続方法を適宜選択したりすればよい。印加する電圧を上げることで、電子の温度(エネルギー)を高めることができ、電流集中の成長率を高めることができる。 In order to control the shape of the conductive fine particles, the current concentration growth rate may be increased. In order to increase the current concentration growth rate, it is only necessary to prevent heat from escaping from the cathode or to increase the applied voltage. In order to prevent heat from escaping from the cathode, the shape and physical properties of the cathode may be selected as appropriate, and the connection method between the cathode and the cathode lead may be selected as appropriate. By increasing the applied voltage, the temperature (energy) of electrons can be increased, and the growth rate of current concentration can be increased.
(実施例1;銀微粒子/カバーあり)
主容器と1つの副容器と(すなわち、図1に示される主容器10及び副容器60a)からなる、導電性微粒子を連続的に製造する装置を用いた。陰極として銀(Ag)を用いた。図4に示されるように、陰極の上部には、陰極を電源に接続するための端子と、主容器上部に設けられた架台に陰極を設置するためのホルダーとを取り付けた。また、陰極の下部には、陰極の先端部を覆うカバーを取り付けた。したがって、このホルダー及びカバーによって覆われていない部分Lのみが、主容器内の液体と接触することになる。陰極は、形状が円柱形であり、直径が4mm、主容器内の液体と接触する部分Lの長さが48mmであった。一方、陽極として、図1に示されるような陽極40と類似する形状の1組の陽極ホルダーに白金線を巻き付けたものを用いた。1つの陽極に巻き付けた白金線は、長さが1000mm、直径が0.5mmであった。
(Example 1; silver fine particles / with cover)
An apparatus for continuously producing conductive fine particles comprising a main container and one sub-container (that is, main container 10 and sub-container 60a shown in FIG. 1) was used. Silver (Ag) was used as the cathode. As shown in FIG. 4, a terminal for connecting the cathode to a power source and a holder for installing the cathode on a gantry provided on the upper part of the main container were attached to the upper part of the cathode. Moreover, the cover which covers the front-end | tip part of a cathode was attached to the lower part of a cathode. Therefore, only the portion L not covered by the holder and the cover comes into contact with the liquid in the main container. The cathode had a cylindrical shape, a diameter of 4 mm, and the length of the portion L that contacted the liquid in the main container was 48 mm. On the other hand, an anode in which a platinum wire was wound around a set of anode holders having a shape similar to the anode 40 as shown in FIG. 1 was used. The platinum wire wound around one anode had a length of 1000 mm and a diameter of 0.5 mm.
主容器及び副容器はガラス製のものを用いた。主容器内には炭酸カリウム(K2CO3)水溶液(0.5M)を収容した。主容器には、主容器の水溶液をオーバーフローさせて副容器に送るためのガラス製オーバーフロー・パイプ(図1における流路70に相当する)を設置した。オーバーフロー・パイプの直径は20mmであった。水溶液の液面の高さ(すなわち、オーバーフロー・パイプの上端と主容器の底面との距離)は70mmとし、主容器内に収容された水溶液の体積は40リットルであった。また、主容器には、主容器に水溶液を供給するための送液パイプ(図1における送液路20に相当する)を設置した。送液パイプから主容器に供給される水溶液の流量は、1リットル/hであった。炭酸カリウム水溶液が収容された主容器内に、上述の陰極及び陽極を配置した。陰極と陽極との間の距離は50mmとした。なお、主容器には、水溶液の温度を計測するための熱電対も設置した。 The main container and the sub container were made of glass. A potassium carbonate (K2CO3) aqueous solution (0.5M) was accommodated in the main container. The main container was provided with a glass overflow pipe (corresponding to the flow path 70 in FIG. 1) for overflowing the aqueous solution in the main container and sending it to the sub container. The diameter of the overflow pipe was 20 mm. The height of the liquid level of the aqueous solution (that is, the distance between the upper end of the overflow pipe and the bottom surface of the main container) was 70 mm, and the volume of the aqueous solution accommodated in the main container was 40 liters. Further, a liquid feeding pipe (corresponding to the liquid feeding path 20 in FIG. 1) for supplying an aqueous solution to the main container was installed in the main container. The flow rate of the aqueous solution supplied from the liquid feeding pipe to the main container was 1 liter / h. The above-described cathode and anode were placed in a main container containing an aqueous potassium carbonate solution. The distance between the cathode and the anode was 50 mm. In addition, the thermocouple for measuring the temperature of aqueous solution was also installed in the main container.
陰極−陽極間に95Vの電圧を印加して銀微粒子の連続製造を行った。通電開始から約30分後には、水溶液の温度は約88℃になり、その後、その温度が維持された。銀微粒子の製造は、少なくとも約8時間連続して行うことが可能であった。主容器においては、製造された銀微粒子がオーバーフロー・パイプを通して副容器に送られることによって、銀微粒子濃度は、銀微粒子が凝集しない濃度に保たれ、その結果、凝集することなく連続的に製造することが可能であった。また、陰極の破断も生じなかった。 A voltage of 95 V was applied between the cathode and the anode to continuously produce silver fine particles. About 30 minutes after the start of energization, the temperature of the aqueous solution reached about 88 ° C., and then the temperature was maintained. The production of silver fine particles could be carried out continuously for at least about 8 hours. In the main container, the produced silver fine particles are sent to the sub-container through the overflow pipe, so that the silver fine particle concentration is maintained at a concentration at which the silver fine particles do not aggregate, and as a result, it is continuously produced without agglomeration. It was possible. Further, the cathode did not break.
図5(a)及び(b)は、製造された銀微粒子を走査型電子顕微鏡(SEM;日本電子株式会社製 JSM−7001F サーマル電界放出形走査電子顕微鏡;加速電圧15kVで測定)によって観察した写真であり、いずれも副容器内の水溶液中の(すなわち、主容器の水溶液中において上方に浮上した)銀微粒子である。図5(a)は通電開始から約1時間後に得られた銀微粒子であり、図5(b)は通電開始から約6時間後に得られた銀微粒子である。図5(a)及び(b)の銀微粒子の粒径は、図中のスケールからいずれも約70〜80nmであった。図5から、粒径が小さくかつ概ね均一の銀微粒子が長時間連続的に製造されたことがわかる。なお、図6(a)及び(b)は、それぞれ主容器内における導電性液体中の別の場所から採取された銀微粒子の写真であり、これらの写真から、主容器内のいずれの場所においても、概ね均一の粒径の銀微粒子が得られることが理解される。 5A and 5B are photographs in which the produced silver fine particles are observed with a scanning electron microscope (SEM; JSM-7001F thermal field emission scanning electron microscope manufactured by JEOL Ltd .; measured at an acceleration voltage of 15 kV). These are silver fine particles in the aqueous solution in the sub-container (that is, floated upward in the aqueous solution in the main container). FIG. 5A shows silver fine particles obtained about 1 hour after the start of energization, and FIG. 5B shows silver fine particles obtained about 6 hours after the start of energization. The particle diameters of the silver fine particles in FIGS. 5A and 5B were both about 70 to 80 nm from the scale in the figure. From FIG. 5, it can be seen that silver particles having a small particle size and substantially uniform were produced continuously for a long time. FIGS. 6A and 6B are photographs of silver fine particles collected from different locations in the conductive liquid in the main container. From these photographs, any location in the main container is shown. It is understood that silver fine particles having a substantially uniform particle diameter can be obtained.
(実施例2;銀微粒子/カバーなし)
図7(a)及び(b)並びに図8(a)及び(b)は、実施例1と同じ構成及び条件の装置において、先端部を覆うカバーが取り付けられていない銀陰極を用いて製造された銀微粒子をSEMによって観察した写真である。図7(a)は、通電開始から1時間後に得られた副容器内の水溶液中の(すなわち、主容器の水溶液中において上方に浮上した)銀微粒子であり、図7(b)はそのときの水溶液の下方に沈降した銀微粒子である。図8(a)は、通電開始から4時間後に得られた副容器内の水溶液中の(すなわち、主容器の水溶液中において上方に浮上した)銀微粒子であり、図8(b)はそのときの水溶液の下方に沈降した銀微粒子である。本実施例においては、陰極−陽極間の電圧は140Vであった。実施例1と同様に、実施例2の場合も、長時間連続的に銀微粒子を製造することが可能であった。ただし、図7及び図8から、図5に示される実施例1の場合とは異なり、製造された銀微粒子は、粒径が不均一であることがわかる。例えば、図7(b)の時点において、主容器内の水溶液の下方に沈降した銀微粒子のうち最大の微粒子の粒径は約5μmであった。なお、図7(b)の写真には、粒径5μmの微粒子は写っていないが、SEMによる測定によって、図7(b)の試料と同じ試料に含まれていた微粒子のうち最大の微粒子の粒径が約5μmであることは確認されている。
(Example 2; silver fine particles / no cover)
7 (a) and 7 (b) and FIGS. 8 (a) and 8 (b) are manufactured using a silver cathode in which the cover for covering the tip portion is not attached in the apparatus having the same configuration and conditions as in the first embodiment. It is the photograph which observed the silver fine particle by SEM. FIG. 7A shows silver fine particles in the aqueous solution in the sub-container obtained after 1 hour from the start of energization (that is, floating upward in the aqueous solution of the main container), and FIG. Silver fine particles settled below the aqueous solution. FIG. 8A shows silver fine particles in the aqueous solution in the sub-container obtained after 4 hours from the start of energization (that is, floating upward in the aqueous solution of the main container), and FIG. Silver fine particles settled below the aqueous solution. In the present example, the voltage between the cathode and the anode was 140V. Similar to Example 1, also in Example 2, it was possible to produce silver fine particles continuously for a long time. However, it can be seen from FIGS. 7 and 8 that, unlike the case of Example 1 shown in FIG. 5, the produced silver fine particles have non-uniform particle sizes. For example, at the time of FIG. 7B, the particle size of the largest fine particle among silver fine particles settled below the aqueous solution in the main container was about 5 μm. The photograph in FIG. 7B does not show a fine particle having a particle diameter of 5 μm, but the largest fine particle among the fine particles contained in the same sample as the sample in FIG. It has been confirmed that the particle size is about 5 μm.
(実施例3;銅微粒子/カバーなし)
実施例1と同じ構成及び条件の装置において、先端部を覆うカバーが取り付けられていない銅陰極を用いて、銅微粒子を製造した。銅陰極の形状は円柱形であり、直径は4mm、主容器内の液体中における長さは70mmであった。主容器内に収容した導電性液体は、L(+)-アスコルビン酸(0.1M)と、リン酸水素二カリウム(0.05M)及びリン酸二水素カリウム(0.05M)からなるリン酸緩衝液(0.1M)とを、1:6の比率で混合したものを用いた。陰極−陽極間には、190Vの電圧を印加した。
(Example 3; copper fine particles / no cover)
In the apparatus having the same configuration and conditions as in Example 1, copper fine particles were produced using a copper cathode to which a cover covering the tip portion was not attached. The shape of the copper cathode was a cylinder, the diameter was 4 mm, and the length in the liquid in the main container was 70 mm. The conductive liquid contained in the main container is phosphoric acid composed of L (+)-ascorbic acid (0.1M), dipotassium hydrogen phosphate (0.05M) and potassium dihydrogen phosphate (0.05M). A buffer solution (0.1 M) mixed at a ratio of 1: 6 was used. A voltage of 190 V was applied between the cathode and the anode.
通電開始から約30分後には、水溶液の温度は約90℃になり、その後その温度が維持された。銅微粒子の製造は、少なくとも約8時間連続して行うことが可能であった。主容器においては、製造された銅微粒子がオーバーフロー・パイプを通して副容器に送られることによって、銅微粒子濃度は、銅微粒子が凝集しない濃度に保たれ、その結果、凝集することなく連続的に製造することが可能であった。また、陰極の破断も生じなかった。 About 30 minutes after the start of energization, the temperature of the aqueous solution reached about 90 ° C., and the temperature was maintained thereafter. The production of copper fine particles could be carried out continuously for at least about 8 hours. In the main container, the produced copper fine particles are sent to the sub-container through the overflow pipe, so that the copper fine particle concentration is maintained at a concentration at which the copper fine particles are not aggregated. As a result, the copper fine particles are continuously produced without agglomeration. It was possible. Further, the cathode did not break.
図9(a)〜(c)並びに図10(a)及び(b)は、採取された銅微粒子を走査型電子顕微鏡(SEM)によって観察した写真である。図9(a)及び(b)は、通電開始から1時間後に得られた副容器内の水溶液中の(すなわち、主容器の水溶液中において上方に浮上した)銅微粒子であり、図9(c)はそのときの水溶液の下方に沈降した銅微粒子である。図9(a)のSEMの倍率は5000倍、図9(b)及び(c)のSEMの倍率は20000倍である。図9から、製造された銅微粒子は、実施例1の結果と比較すると粒径の均一性は劣るものの、ナノスケールの銅微粒子であることがわかる。図10(a)は、通電開始から8時間後に得られた副容器内の水溶液中の(すなわち、主容器の水溶液中において上方に浮上した)銅微粒子であり、図10(b)はそのときの水溶液の下方に沈降した銅微粒子である。図10(a)及び(b)から、主容器に残る銅微粒子(図10(b))と、副容器に移動する銅微粒子(図10(a))とは、粒径に従って分級されており、図10(b)の微粒子の径がより大きいことが分かる。 FIGS. 9A to 9C and FIGS. 10A and 10B are photographs of the collected copper fine particles observed with a scanning electron microscope (SEM). 9 (a) and 9 (b) are copper fine particles in the aqueous solution in the sub-container obtained after 1 hour from the start of energization (that is, floating upward in the aqueous solution of the main container). ) Are copper fine particles settled below the aqueous solution at that time. The magnification of the SEM in FIG. 9A is 5000 times, and the magnification of the SEM in FIGS. 9B and 9C is 20000 times. From FIG. 9, it can be seen that the produced copper fine particles are nanoscale copper fine particles although the uniformity of the particle diameter is inferior to the result of Example 1. FIG. 10A shows the copper fine particles in the aqueous solution in the sub-container obtained 8 hours after the start of energization (that is, the copper fine particles floating upward in the aqueous solution of the main container), and FIG. The copper fine particles settled below the aqueous solution. 10 (a) and 10 (b), the copper fine particles remaining in the main container (FIG. 10 (b)) and the copper fine particles moving to the sub container (FIG. 10 (a)) are classified according to the particle diameter. It can be seen that the diameter of the fine particles in FIG.
(実施例4;ステンレス微粒子/カバーなし)
実施例1と同じ構成の装置において、先端部を覆うカバーが取り付けられていないステンレス(SUS316鋼)陰極を用いて、ステンレス微粒子を製造した。ステンレス陰極の形状は円柱形であり、直径は4mm、主容器内の液体中における長さは70mmであった。主容器内に収容した導電性液体は、リン酸水素二カリウム(0.05M)及びリン酸二水素カリウム(0.05M)からなるリン酸緩衝液(0.1M)を用いた。陰極−陽極間には、140Vの電圧を印加した。
(Example 4: stainless fine particles / no cover)
In the apparatus having the same configuration as that of Example 1, stainless steel fine particles were manufactured using a stainless steel (SUS316 steel) cathode to which a cover covering the tip portion was not attached. The shape of the stainless cathode was a cylinder, the diameter was 4 mm, and the length in the liquid in the main container was 70 mm. As the conductive liquid contained in the main container, a phosphate buffer solution (0.1 M) composed of dipotassium hydrogen phosphate (0.05 M) and potassium dihydrogen phosphate (0.05 M) was used. A voltage of 140 V was applied between the cathode and the anode.
通電開始から約30分後には、水溶液の温度は約90℃になり、その後その温度が維持された。ステンレス微粒子の製造は、少なくとも約8時間連続して行うことが可能であった。主容器においては、製造されたステンレス微粒子がオーバーフロー・パイプを通して副容器に送られることによって、ステンレス微粒子濃度は、ステンレス微粒子が凝集しない濃度に保たれ、その結果、凝集することなく連続的に製造することが可能であった。また、陰極の破断も生じなかった。通電開始から4時間後に得られたステンレス微粒子の量は、約900mgであった。 About 30 minutes after the start of energization, the temperature of the aqueous solution reached about 90 ° C., and the temperature was maintained thereafter. The production of stainless fine particles could be carried out continuously for at least about 8 hours. In the main container, the produced stainless steel fine particles are sent to the sub-container through the overflow pipe, so that the stainless fine particle concentration is maintained at a concentration at which the stainless fine particles are not aggregated. It was possible. Further, the cathode did not break. The amount of stainless fine particles obtained 4 hours after the start of energization was about 900 mg.
1 ナノスケール導電性微粒子の連続製造装置
10 主容器
20 送液路
30 陰極
40 陽極
50 電源
60、60a、60b 副容器
70、70a、70b、70c 流路
71 流入口
72 流出口
75 連結部材
80 隔壁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Continuous production apparatus 10 of nanoscale electroconductive fine particles Main container 20 Liquid sending path 30 Cathode 40 Anode 50 Power supply 60, 60a, 60b Sub container 70, 70a, 70b, 70c Channel 71 Inlet 72 Outlet 75 Connecting member 80 Partition
Claims (15)
導電性の液体を収容した第1の容器と、
前記第1の容器に供給される導電性の液体が通る送液路と、
前記第1の容器内の導電性の液体中に配置された陽極及び導電性材料からなる陰極と、
前記陰極の近傍にグロー放電プラズマを生じさせる電圧を前記陰極と前記陽極との間に印加する電源と、
液体を収容した第2の容器と、
前記第1の容器と前記第2の容器とを連通する液体流路と、
を備え、
導電性液体が、前記送液路により前記第1の容器に供給され、前記液体流路を通って前記第1の容器から前記第2の容器に移動することにより、少なくとも前記第1の容器における導電性の液体中の導電性微粒子の濃度が前記第1の容器内において導電性微粒子の凝集が生じない濃度に維持されるようになったことを特徴とする装置。 An apparatus for continuously producing nanoscale conductive fine particles,
A first container containing a conductive liquid;
A liquid feed path through which the conductive liquid supplied to the first container passes;
An anode disposed in a conductive liquid in the first container and a cathode made of a conductive material;
A power source for applying a voltage that generates glow discharge plasma in the vicinity of the cathode between the cathode and the anode;
A second container containing a liquid;
A liquid flow path communicating the first container and the second container;
With
The conductive liquid is supplied to the first container through the liquid supply path and moves from the first container to the second container through the liquid flow path, so that at least in the first container. An apparatus characterized in that the concentration of the conductive fine particles in the conductive liquid is maintained at a concentration at which the conductive fine particles do not aggregate in the first container.
第1の容器内の導電性の液体中に配置された陽極及び導電性材料からなる陰極に、電圧を印加するステップと、
前記陰極の近傍にグロー放電プラズマを生じさせて導電性微粒子を生成するステップと、
前記第1の容器内に導電性の液体を供給するステップと、
前記第1の容器から第2の容器に導電性の液体を移動させるステップと、
を含み、前記第1の容器に供給される導電性の液体の流量を制御することによって、少なくとも前記第1の容器内の導電性の液体中における導電性微粒子の濃度を前記第1の容器内において導電性微粒子の凝集が生じない濃度に維持することを特徴とする方法。 A method for continuously producing nanoscale conductive fine particles,
Applying a voltage to an anode disposed in a conductive liquid in a first container and a cathode made of a conductive material;
Generating glow discharge plasma in the vicinity of the cathode to produce conductive fine particles;
Supplying a conductive liquid into the first container;
Moving a conductive liquid from the first container to a second container;
And controlling the flow rate of the conductive liquid supplied to the first container, so that at least the concentration of the conductive fine particles in the conductive liquid in the first container is in the first container. The method is characterized in that it is maintained at a concentration at which no aggregation of the conductive fine particles occurs.
The method according to claim 9, further comprising a partition wall disposed between the cathode and the anode.
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