JP2012180238A - 表面処理皮膜付き硬質粒子の製造方法及び表面処理皮膜付き硬質粒子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ヌープ硬度が1000以上の硬質粒子2を準備する工程と、その硬質粒子2をZr、Ti、Si、Cr、Ta、Hf、Sn、Mo、W、Zn、In及びVから選ばれる1種又は2種以上の金属のフッ化物錯体を含む水溶液中に保持して、前記硬質粒子2の表面に前記金属の水和酸化物含有膜3’を形成する工程と、前記金属の水和酸化物含有膜3’が形成された硬質粒子を乾燥させる工程と、を有する方法により、表面処理皮膜付き硬質粒子1を製造した。水和酸化物含有膜形成工程と乾燥工程との間には、リン化合物を含有する水溶液への接触工程を設けることが好ましい。
【選択図】図3
Description
本発明に係る表面処理皮膜付き硬質粒子の製造方法は、図1の工程図に示すように、硬質粒子の準備工程、その硬質粒子を金属のフッ化物錯体を含む水溶液中に保持する工程(水和酸化物含有膜の形成工程)、洗浄工程、乾燥工程を順次経て、表面処理皮膜付き硬質粒子が製造される。また、図2の工程図に示すように、乾燥工程の後に熱処理工程を設けてもよい。また、図3の工程図に示すように、水和酸化物含有膜の形成工程と乾燥工程との間に、リン化合物を含有する水溶液への接触工程(リン化合物吸着膜形成工程)を設けてもよい。なお、図3の製造工程において、乾燥工程の後には図2と同様の熱処理工程を設けてもよい。また、図4及び図5には、製造された表面処理皮膜付き硬質粒子1の例を示す。
準備される硬質粒子2は、ヌープ硬度が1000以上である。こうした硬質粒子であれば特に限定されず、その構成材料の具体例としては、炭化ケイ素、炭化タングステン、炭化クロム、炭化ホウ素、ダイヤモンド、CBN、酸化アルミニウム(アルミナ)等が挙げられる。硬質粒子のヌープ硬度は、JIS−Z2251に準拠してマイクロヌープ硬度計を用いて測定できる。一例としては、ダイヤモンドのヌープ硬さは約6000であり、CBNのヌープ硬さは約4700であり、アルミナのヌープ硬さは約2000である。これらのうち、ヌープ硬さが4000以上のダイヤモンドやCBNを好ましく採用することができる。また、硬質粒子の粒径及び形状は特に限定されず、従来公知のものを適用できるが、より好ましい粒径としては、平均粒径で0.1〜50μmの範囲である。硬質粒子の平均粒径は、JIS−R6002に記載の沈降試験方法によって測定して評価できる。
水和酸化物含有膜3’の形成工程は、硬質粒子2を金属のフッ化物錯体を含む水溶液中に保持して、硬質粒子2の表面に水和酸化物含有膜3’を形成する工程である。この膜形成方法は、液相中で行われることから、液相析出法と呼ばれる。なお、液相析出法とは、一般的に、金属イオンにフッ化物イオンや硫酸イオン等のアニオンを配位させた錯体を含む水溶液中に基材を浸漬し、さらにアニオン捕捉剤を添加することで、アニオン捕捉剤が金属錯体からアニオンを引き抜くことにより金属イオンを不安定化させ、基材上に金属水和酸化物含有膜を析出させる手法である。こうした液相析出法は、上記した特許文献6〜11で提案されている。
乾燥工程は、水和酸化物含有膜3’の形成工程後に通常適用される工程である。なお、水和酸化物含有膜3’を形成した後に、洗浄工程を経てそのまま水性溶媒中に入れて水性ディスパージョンとする場合には、この乾燥工程は不要である。
熱処理工程は、図2に示すように必要に応じて設けられる工程であって、金属の水和酸化物含有膜3’が形成された硬質粒子2を熱処理する工程である。通常は、乾燥工程後に、大気雰囲気、非酸化雰囲気又は還元雰囲気の条件下で熱処理する。この熱処理工程により、熱処理前の金属の水和酸化物含有膜3’は、熱処理によって金属化合物膜3へと変化する。
リン化合物吸着膜4’の形成工程は、図3に示すように必要に応じて付加される工程であって、水和酸化物含有膜形成工程と乾燥工程との間で行われる。この工程では、水和酸化物含有膜3’を表面に形成した硬質粒子2をリン化合物を含有する水溶液に接触させることにより、リン化合物吸着膜4’を形成する。水和酸化物含有膜3’の表面にリン化合物を吸着させることにより、表面処理皮膜付き硬質粒子1の表面電荷が強まり、分散性を向上させることができる。「吸着膜」としたのは、水和酸化物含有膜3’上にリン化合物が吸着して膜(リン化合物吸着膜4’)となるからである。
洗浄工程は、(ア)硬質粒子2の準備工程後で水和酸化物含有膜3’の形成工程前、(イ)水和酸化物含有膜3’の形成工程後で乾燥工程前、(ウ)必要に応じてリン化合物吸着膜4’の形成工程が付加された場合には、水和酸化物含有膜3’の形成工程後でリン化合物吸着膜4’の形成工程前、(エ)リン化合物吸着膜4’の形成工程後で乾燥工程前、の段階で、任意に挿入できる。
本発明に係る表面処理皮膜付き硬質粒子1は、上記した表面処理皮膜付き硬質粒子の製造方法で製造されたものであって、図4に示すように、ヌープ硬度が1000以上の硬質粒子2と、その硬質粒子2の表面に設けられたZr、Ti、Si、Cr、Ta、Hf、Sn、Mo、W、Zn、In及びVから選ばれる1種又は2種以上の金属化合物膜3とを有する。また、図5に示すように、硬質粒子2と、その硬質粒子2の表面に設けられた上記した金属化合物膜3と、リン化合物膜4とを有する。
本発明に係る水性ディスパージョンの製造方法は、表面処理皮膜付き硬質粒子1を含有し、懸濁状態とした水性ディスパージョン11(図6を参照)を製造する方法である。具体的には、上記した本発明に係る表面処理皮膜付き硬質粒子1の製造方法において、水和酸化物含有膜3’の形成工程後に、乾燥も熱処理も行わずに、金属の水和酸化物含有膜3’が形成された硬質粒子2を水性溶媒に懸濁させる工程により製造する方法である。なお、水和酸化物含有膜3’の形成工程と、懸濁工程との間に、リン化合物を含有する水溶液への接触工程を設けてもよい。
懸濁工程は、金属の水和酸化物含有膜3’が形成された硬質粒子2を水性溶媒12に懸濁させる工程である。ここで用いる水性溶媒12は、50質量%以上100質量%以下の水を含有する溶媒のことであり、必要に応じて有機溶媒が含まれていてもよい。また、その他の添加剤が含まれていてもよい。
本発明に係る水性ディスパージョン11は、上記した水性ディスパージョンの製造方法で製造されたものであって、図6に示すように、ヌープ硬度が1000以上の硬質粒子2と、その硬質粒子2の表面に設けられたZr、Ti、Si、Cr、Ta、Hf、Sn、Mo、W、Zn、In及びVから選ばれる1種又は2種以上の金属化合物膜3と、必要に応じて設けられたリン化合物吸着膜4’とを有する表面処理皮膜付き硬質粒子1を、乾燥も熱処理もせずに、水性溶媒中に懸濁してなるものである。
40℃に加温し、アンモニア水によってpHを6.4に調整した0.06mol/Lフッ化亜鉛水溶液(フッ化物水溶液)50mLに、攪拌条件下でダイヤモンド粒子(硬質粒子、トーメイダイヤ株式会社製、平均粒径:16.0μm)を1g添加した。さらにその水溶液に、アンモニア水によってpHを6.4に調整した0.6mol/Lホウ酸水溶液(アニオン補足剤)を40℃に加温して50mL添加した。引き続き、液温を40℃に保持しながら5時間攪拌した。その後、デカンテーションにより濃縮した後、再度イオン交換水を加える作業を10回繰り返して洗浄した。洗浄後の粒子を、100℃で大気雰囲気中で乾燥するまで加熱し、その後さらに300℃で大気雰囲気中で1時間加熱した。こうして、実施例1に係る表面処理皮膜付き硬質粒子(ダイヤモンド粒子)Aを作製した。
40℃に加温した0.41mol/Lホウ酸水溶液(アニオン補足剤)48mL中に、攪拌条件下で炭化ケイ素粒子(硬質粒子、信濃電気精錬株式会社製、平均粒径:20μm)を1g添加した。さらにその水溶液に、40℃に加温した0.19mol/Lフッ化クロム(III)水溶液(フッ化物水溶液)52mLを添加した。引き続き、液温を40℃に保持しながら3時間攪拌した。その後、デカンテーションにより濃縮した後、再度イオン交換水を加える作業を10回繰り返して洗浄した。洗浄後の粒子を、100℃で大気雰囲気中で乾燥するまで加熱した。こうして、実施例2に係る表面処理皮膜付き硬質粒子(炭化ケイ素粒子)Bを作製した。
40℃に加温し、アンモニア水によってpHを2.0に調整した0.06mol/Lジルコンフッ酸水溶液(フッ化物水溶液)100mLに、攪拌条件下で炭化ホウ素粒子(硬質粒子、株式会社ニューメタルスエンドケミカルス製、平均粒径:15〜16μm)を2g添加した。さらにその水溶液に、アルミニウム板(A1050P)をアニオン補足剤として投入し、液温を40℃に保持しながら4時間攪拌した。その後、アルミニウム板を取り出し、デカンテーションにより濃縮した後、再度イオン交換水を加える作業を10回繰り返して洗浄した。洗浄後の粒子を、100℃で大気雰囲気中で乾燥するまで加熱した。こうして、実施例3に係る表面処理皮膜付き硬質粒子(炭化ホウ素粒子)Cを作製した。
40℃に加温し、アンモニア水によってpHを6.5に調整した0.04mol/L硝酸インジウムと0.12mol/Lフッ化水素酸との混合水溶液(フッ化物水溶液)70mLに、攪拌条件下で炭化ホウ素粒子(硬質粒子、株式会社ニューメタルスエンドケミカルス製、平均粒径:15〜16μm)2g添加した。さらにその水溶液に、アンモニア水でpHを6.4に調整した0.4mol/Lホウ酸水溶液(アニオン補足剤)を40℃に加温して30mL添加した。引き続き、液温を40℃に保持しながら35時間攪拌した。その後、デカンテーションにより濃縮した後、再度イオン交換水を加える作業を10回繰り返して洗浄した。洗浄後の粒子を、100℃で大気雰囲気中で乾燥するまで加熱した。こうして、実施例4に係る表面処理皮膜付き硬質粒子(炭化ホウ素粒子)Dを作製した。
40℃に加温し、0.25mol/Lホウ酸水溶液(アニオン補足剤)80mL中に、攪拌条件下でダイヤモンド粒子(硬質粒子、トーメイダイヤ株式会社製、平均粒径:16.0μm)を3g添加した。さらにその水溶液に、40℃に加温した0.55mol/Lチタンフッ化アンモニウム水溶液(フッ化物水溶液)20mLを添加した。引き続き、液温を40℃に保持しながら3時間攪拌した。その後、デカンテーションにより濃縮した後、再度イオン交換水を加える作業を10回繰り返して洗浄した。洗浄後の粒子を、100℃で大気雰囲気中で乾燥するまで加熱した。こうして、実施例5に係る表面処理皮膜付き硬質粒子(ダイヤモンド粒子)Eを作製した。
実施例3で作製した表面処理皮膜付き硬質粒子(炭化ホウ素粒子)Cを、酸素分圧5Torrの真空下で700℃で2時間加熱した。こうして、実施例6に係る表面処理皮膜付き硬質粒子(炭化ホウ素粒子)Fを作製した。
実施例5で作製した表面処理皮膜付き硬質粒子(ダイヤモンド粒子)Eを、酸素分圧1Torrの窒素雰囲気下で500℃で3時間加熱した。こうして、実施例7に係る表面処理皮膜付き硬質粒子(ダイヤモンド粒子)Gを作製した。
実施例3で作製した表面処理皮膜付き硬質粒子(炭化ホウ素粒子)Cを、1.0質量%トリポリリン酸水溶液(25℃)に添加した後、1時間攪拌した。その後、デカンテーションにより濃縮した後、再度イオン交換水を加える作業を10回繰り返して洗浄した。その後、100℃で大気雰囲気中で乾燥するまで加熱した。こうして、実施例10に係る表面処理皮膜付き硬質粒子(炭化ホウ素粒子)Hを作製した。
実施例2で作製した表面処理皮膜付き硬質粒子(炭化ケイ素粒子)Aを、0.1質量%トリポリリン酸水溶液(25℃)に添加した後、10分間攪拌した。その後、デカンテーションにより濃縮した後、再度イオン交換水を加える作業を10回繰り返して洗浄した。その後、100℃で大気雰囲気中で乾燥するまで加熱した。こうして、実施例9に係る表面処理皮膜付き硬質粒子(炭化ケイ素粒子)Iを作製した。
40℃に加温し、アンモニア水によってpHを2.0に調整した0.06mol/Lジルコンフッ酸水溶液(フッ化物水溶液)100mLに、攪拌条件下でCBN粒子(硬質粒子、株式会社ニューメタルスエンドケミカルス製、平均粒径:15〜16μm)を2g添加した。さらにその水溶液に、アルミニウム板(A1050P)をアニオン補足剤として投入し、液温を40℃に保持しながら4時間攪拌した。その後、アルミニウム板を取り出し、デカンテーションにより濃縮した後、再度イオン交換水を加える作業を10回繰り返して洗浄した。洗浄後の粒子を、再度デカンテーションにより濃縮した後、イオン交換水を添加して、固形分濃度50.0質量%の実施例10に係る表面処理皮膜付き硬質粒子(CBN粒子)を含む水性ディスパージョンJを作製した。
実施例2で作製した表面処理皮膜付き硬質粒子(炭化ケイ素粒子)Aを、1.0質量%トリポリリン酸水溶液(25℃)中に添加した後、1時間攪拌した。その後、デカンテーションにより濃縮した後、再度イオン交換水を加える作業を10回繰り返して洗浄した。その後、再度デカンテーションにより濃縮した後、イオン交換水を添加して、固形分濃度20.0質量%の実施例11に係る表面処理皮膜付き硬質粒子(炭化ケイ素粒子)を含む水性ディスパージョンKを作製した。
0.2mol/L炭酸水素ナトリウム水溶液20mL中に、攪拌条件下で炭化ケイ素粒子(硬質粒子、信濃電気精錬株式会社製、平均粒径:20μm)を1g添加した。さらにその水溶液に、30℃に加温した0.2mol/L水酸化カルシウム水溶液20mLを添加した。引き続き、液温を40℃に保持しながら24時間攪拌した。その後、デカンテーションにより濃縮した後、再度イオン交換水を加える作業を10回繰り返して洗浄した。こうして、比較例1に係る表面処理皮膜付き硬質粒子(炭化ケイ素粒子)Lを作製した。
ダイヤモンド粒子(硬質粒子、トーメイダイヤ株式会社製、平均粒径:16.0μm)に金属ニッケルを真空蒸着して、比較例2に係る表面処理皮膜付き硬質粒子(ダイヤモンド粒子)Mを作製した。
CBN粒子(硬質粒子、株式会社ニューメタルスエンドケミカルス製、平均粒径:15〜16μm)に金属チタンをスパッタリングして、比較例3に係る表面処理皮膜付き硬質粒子(CBN粒子)Nを作製した。
ダイヤモンド粒子(硬質粒子、トーメイダイヤ株式会社製、平均粒径:16.0μm)にSiO2を高周波励起イオンプレーティングして、比較例3に係る表面処理皮膜付き硬質粒子(ダイヤモンド粒子)Oを作製した。
ダイヤモンド粒子(硬質粒子、株式会社ニューメタルスエンドケミカルス製、平均粒径:30μm)に表面処理皮膜を形成しないで、比較例5に係る硬質粒子とした。
実施例1〜11及び比較例1〜5で得られた表面処理皮膜付き硬質粒子について、以下のようにして各種の評価を行った。
実施例1〜11及び比較例1〜4で得られた表面処理皮膜付き硬質粒子をカーボンテープに貼り付け、それをサンプルホルダに取り付けて測定試料とした。以下に示す条件でXPS分析を行い、表面処理皮膜の構成元素の定性分析を行った。その結果を表1に示す。
・使用装置:島津製作所株式会社製、ESCA850
・励起X線:Mg−Kα
・測定面積:約50mm2
・測定領域:0〜1100eV
・1secスパッタリングした後に分析(SiO2換算でのスパッタリング速度:80nm/min)
実施例1〜11及び比較例1〜4で得られた表面処理皮膜付き硬質粒子1gを、5質量%フッ化水素酸水溶液100mL(25℃)に添加し、1時間攪拌した。その後、遠心分離により表面処理皮膜を除去し、硬質粒子を沈降させた。ろ液をICP分析して、表面処理皮膜を構成する金属元素成分の濃度分析と吸着リン化合物由来のPの濃度分析とを行った。その分析結果を換算して、表面処理皮膜を構成する金属元素としての付着量と吸着リン化合物を構成するリン元素としての付着量を算出した。その結果を表1に示す。なお、表1には示さないが、水和酸化物含有膜中には水和物を構成する水素原子も含まれる。
実施例1〜11及び比較例1〜5で得られた表面処理皮膜付き硬質粒子70質量%と、フェノール樹脂塗料(昭和高分子株式会社製、BRP−5417)30質量%とを均一に混合した。そこにクレゾールを加えて、硬質粒子の分散溶液中の溶剤量を50質量%とした。次に、この分散溶解液を10×50mmの黄銅板に塗布した後、その塗布膜を炉内温度300℃の焼成炉で熱硬化させた。次いで、室温まで放冷したのち、セロハン粘着テープを貼り付けて垂直に引き剥がし、硬質粒子の脱落の有無を実体顕微鏡(1000倍)で表面観察した。密着性の評価は、硬質粒子の脱落が認められるものを1点、脱落が認められないものを2点とした。その結果を表1に示す。
硫酸ニッケル0.53M、塩化ニッケル0.09M、及びクエン酸ナトリウム1.24Mを含有し、水酸化ナトリウムでpHを8に調整したニッケルめっき浴中に、実施例1〜11及び比較例1〜5で得られた表面処理皮膜付き硬質粒子を5g/L添加した。10分間スターラー攪拌した後、攪拌を止め、1分静置した後に、基材としての純銅板(C1020P、厚さ0.1mm、縦40mm、横30mm)とニッケル陽極とを、極間距離50mmとして対向させて設置した。その後、液温50℃、電流密度20A/dm2で電解を行い、めっき膜厚約10μmのニッケルめっき銅板を得た。その後、得られたニッケルめっき銅板を実体顕微鏡(1000倍)で表面観察した。硬質粒子が僅かしか析出していないものを1点、硬質粒子が析出するが不均一なものを2点、硬質粒子が均一に析出しているものを3点とした。その結果を表1に示す。
実施例5で得られた表面処理皮膜付き硬質粒子(ダイヤモンド粒子)E及び比較例5の表面処理被膜を形成していない硬質粒子(ダイヤモンド粒子)について、以下の条件でEPMA分析を実施した。
・使用装置:日本電子株式会社製、JXA−8230
・加速電圧:15.0kV
・照射電流:5×10−8A
・測定元素:Ti,O,C
・測定倍率:3000倍
2 硬質粒子
3 金属化合物膜
3’ 金属水和酸化物含有膜
4 リン化合物膜
4’ リン化合物吸着膜
11 水性ディスパージョン
12 水性溶媒
Claims (12)
- ヌープ硬度が1000以上の硬質粒子を準備する工程と、
前記硬質粒子をZr、Ti、Si、Cr、Ta、Hf、Sn、Mo、W、Zn、In及びVから選ばれる1種又は2種以上の金属のフッ化物錯体を含む水溶液中に保持して、前記硬質粒子の表面に前記金属の水和酸化物含有膜を形成する工程と、
前記金属の水和酸化物含有膜が形成された硬質粒子を乾燥させる工程と、を有することを特徴とする表面処理皮膜付き硬質粒子の製造方法。 - 前記水和酸化物含有膜形成工程と前記乾燥工程との間に、リン化合物を含有する水溶液への接触工程を設ける、請求項1に記載の表面処理皮膜付き硬質粒子の製造方法。
- 前記乾燥工程後に、大気雰囲気、非酸化雰囲気又は還元雰囲気の条件下で熱処理する工程を設ける、請求項1又は2に記載の表面処理皮膜付き硬質粒子。
- 前記熱処理工程が、酸素分圧50Torr以下の非酸化雰囲気下又は還元雰囲気下で、400℃以上の温度で熱処理する工程である、請求項3に記載の表面処理皮膜付き硬質粒子の製造方法。
- ヌープ硬度が1000以上の硬質粒子を準備する工程と、
前記硬質粒子をZr、Ti、Si、Cr、Ta、Hf、Sn、Mo、W、Zn、In及びVから選ばれる1種又は2種以上の金属のフッ化物錯体を含む水溶液中に保持して、前記硬質粒子の表面に前記金属の水和酸化物含有膜を形成する工程と、
前記金属の水和酸化物含有膜が形成された硬質粒子を水性溶媒に懸濁する工程と、を有することを特徴とする表面処理皮膜付き硬質粒子を含有する水性ディスパージョンの製造方法。 - 前記水和酸化物含有膜形成工程と前記懸濁工程との間に、リン化合物を含有する水溶液への接触工程を設ける、請求項5に記載の表面処理皮膜付き硬質粒子を含有する水性ディスパージョンの製造方法。
- ヌープ硬度が1000以上の硬質粒子と、該硬質粒子の表面に設けられたZr、Ti、Si、Cr、Ta、Hf、Sn、Mo、W、Zn、In及びVから選ばれる1種又は2種以上の金属化合物膜と、を有することを特徴とする表面処理皮膜付き硬質粒子。
- 前記金属化合物膜は、前記金属の酸化物、水酸化物、窒化物及び炭化物の中から選ばれる少なくとも1種の金属化合物を含む、請求項7に記載の表面処理皮膜付き硬質粒子。
- 前記金属化合物膜の表面にリン化合物膜が形成されている、請求項7又は8に記載の表面処理皮膜付き硬質粒子。
- ヌープ硬度が1000以上の硬質粒子の表面に、Zr、Ti、Si、Cr、Ta、Hf、Sn、Mo、W、Zn、In及びVから選ばれる1種又は2種以上の金属の水和酸化物含有膜を有する表面処理皮膜付き硬質粒子と、該表面処理皮膜付き硬質粒子が懸濁されている水性溶媒と、を有することを特徴とする表面処理皮膜付き硬質粒子を含有する水性ディスパージョン。
- 前記金属化合物膜が、前記金属の酸化物、水酸化物、窒化物及び炭化物の中から選ばれる少なくとも1種の金属化合物を含む、請求項8に記載の表面処理皮膜付き硬質粒子を含有する水性ディスパージョン。
- 前記金属化合物膜の表面にリン化合物吸着膜が形成されている、請求項10又は11に記載の表面処理皮膜付き硬質粒子を含有する水性ディスパージョン。
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