JP2015211019A - マイクロ波吸収発熱体用ＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉およびその粉末を用いたマイクロ波吸収発熱体 - Google Patents

Abstract

【課題】３０〜２５０℃という広い温度域で昇温停止温度を任意に選択できるだけでなく、昇温停止温度まで短時間で到達可能なマイクロ波吸収発熱体用ＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉を提案する。【解決手段】鉄酸化物をＦｅ2Ｏ3換算で４６〜５１ｍｏｌ％、銅酸化物をＣｕＯ換算で２〜１５ｍｏｌ％および亜鉛酸化物をＺｎＯ換算で３〜３３ｍｏｌ％含み、残部は酸化マグネシウムおよび不可避的不純物からなる基本成分と、この基本成分１００質量部に対して、副成分として、ビスマス酸化物をＢｉ2Ｏ3換算で１〜８質量部含有するＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉とし、さらに、このＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉の嵩密度を１ｇ／ｃｍ3以上とする。【選択図】なし

Description

本発明は、電子レンジなどのマイクロ波を吸収して発熱し、所定の温度で昇温を停止するマイクロ波吸収発熱体用フェライト粉およびその粉末を用いたマイクロ波吸収発熱体に関するものであり、特に、電子レンジ用調理器具、保温材、懐炉、温湿布、温熱療法などに好適に用いることのできる常温から２５０℃程度の比較的低温域で昇温を停止することのできるマイクロ波吸収発熱体とそれに用いて好適なＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉に関するものである。

電子レンジは、通常２．４５ＧＨｚのマイクロ波を食品に照射し、食品中の水分子がマイクロ波を吸収して振動する現象を利用して食品を加熱する調理機器である。ここで、マイクロ波を吸収できるのは水分子に限定されるものではなく、誘電損失や磁気損失の高い材料であれば、食品と同様にマイクロ波を吸収して温度が上昇することが知られている。

誘電損失を利用したマイクロ波吸収発熱体は、マイクロ波を吸収して高温まで温度上昇し続けるため、安全に使用するためには、発熱粉の含有量を調整して放熱とのバランスを考慮する必要があった。そこで、発明者らは、誘電損失が小さく、磁気損失の寄与のみで発熱するＭｇ系フェライトに注目して、マイクロ波を吸収して優れた発熱性能を示し、なおかつ、所定温度で昇温を停止するマイクロ波吸収発熱体用ＭｇＣｕＺｎフェライトを提案した（特許文献１、２参照）。

特許文献１および２に記載の技術は、優れた昇温特性を有すると共に、所望の温度でその昇温を止めることができるという優れた技術である。上記のＭｇＣｕＺｎフェライトを焼結体で評価すると、２０秒程度の短時間で昇温停止温度付近まで急速に温度上昇する。

特許第４６６３００５号公報 特開２０１４−２４６９２号公報

しかしながら、フェライト粉を樹脂に練り込みシート状で使用した場合は、昇温停止温度に到達するまでにマイクロ波出力５００Ｗで６０秒程度の長時間を要するため（フェライト粉７５ｍａｓｓ％を含有する樹脂シートで評価）、より高速で昇温できるフェライト粉が望まれていた。

本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、３０〜２５０℃という広い温度域で昇温停止温度を任意に選択できるだけでなく、昇温停止温度まで短時間で到達可能なマイクロ波吸収発熱体用ＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉を、その粉末を用いたマイクロ波吸収発熱体と共に提案することを目的とする。

発明者らは、上記した発熱体用ＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉の昇温速度を改善するために、ＭｇＣｕＺｎフェライトの粉体特性と発熱挙動の関係について鋭意検討を加えた。その結果、ＭｇＯ，ＺｎＯ，ＣｕＯ，Ｆｅ₂Ｏ₃の組成比率を所定の範囲に調整した上で、焼成温度を高温化してフェライト粉の嵩密度を増大させることにより、昇温速度が速く、昇温停止温度も若干高温化する傾向が得られることを見出した。

そこで、嵩密度増大に注目して副成分についてさらに鋭意検討を重ねた結果、所定量の酸化ビスマスＢｉ₂Ｏ₃をフェライト粉に添加することで、９５０℃程度の低温焼成でも１ｇ／ｃｍ³を超える嵩密度を得ることができ、昇温特性を改善できることを知見したのである。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。

本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．鉄酸化物がＦｅ₂Ｏ₃換算で４６〜５１ｍｏｌ％、
銅酸化物がＣｕＯ換算で２〜１５ｍｏｌ％および
亜鉛酸化物がＺｎＯ換算で３〜３３ｍｏｌ％を含み
残部は酸化マグネシウムおよび不可避的不純物からなる基本成分と、
前記基本成分１００質量部に対して、副成分として、ビスマス酸化物をＢｉ₂Ｏ₃換算で１〜８質量部含有するＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉であって、
前記ＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉の嵩密度が１ｇ／ｃｍ³以上であることを特徴とするマイクロ波吸収発熱体用ＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉。

２．前記１に記載のＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉を、少なくとも一部に含有することを特徴とするマイクロ波吸収発熱体。

本発明によれば、電子レンジの２．４５ＧＨｚのマイクロ波を効果的に吸収して加熱、昇温し、さらには３０〜２５０℃という広い温度範囲における任意の温度で、その昇温を停止することができるマイクロ波吸収発熱体を得ることができる。さらに、このマイクロ波吸収発熱体は、マイクロ波出力５００Ｗで、６０秒以下という短時間で急速に昇温停止温度に到達することができる。

以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明における昇温停止温度Ｔｓ（℃）とは、フェライト粉と耐熱樹脂を混練してシート成形し、長さ：４０mm×幅：４０mm×厚さ：約１mmに切断加工して得たフェライト粉含有樹脂シートを、市販の電子レンジを用いて、５００Ｗのマイクロ波を照射した後の試料表面温度が、６０〜９０秒間、ほとんど温度変化がなく一定と見なされた時の温度とする。なお、上記試料表面温度は、放射温度計で測定する。また、本発明における嵩密度とは、フェライト粉を体積既知の容器に静かに溢れるまで充填し、容器の上端面から盛り上がった部分を摺り切り板で除去し、容器内のフェライト粉の質量を測定し、容器の体積で割って求めたものである。

次に、本発明のＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉の基本組成について説明する。
鉄酸化物：Ｆｅ₂Ｏ₃換算で４６〜５１ｍｏｌ％
鉄は、フェライト相の安定性および比抵抗に影響を与え、マイクロ波印加による昇温速度に大きく作用する。鉄酸化物量がＦｅ₂Ｏ₃換算で４６ｍｏｌ％に満たないと、フェライト以外の相が生成してフェライト単相を得ることが難しくなり、発熱体の昇温速度が低下する。一方、鉄酸化物量がＦｅ₂Ｏ₃換算で５１ｍｏｌ％を超えると、発熱体の比抵抗が低下して金属のようにマイクロ波を反射して発熱性能が低下したり、マイクロ波を照射した時にスパークが発生したりするおそれがある。従って、鉄酸化物量はＦｅ₂Ｏ₃換算で４６〜５１ｍｏｌ％の範囲に限定する。好ましくは４８〜４９．８ｍｏｌ％の範囲である。

銅酸化物：ＣｕＯ換算で２〜１５ｍｏｌ％
銅は、マイクロ波印加による昇温特性において、高温での昇温停止挙動に影響する。銅酸化物量がＣｕＯ換算で２ｍｏｌ％に満たないか、または１５ｍｏｌ％を超えたときは、いずれの場合も、発熱体の昇温が停止せずに、マイクロ波照射と共に、発熱体の温度が上昇し続けてしまう。従って、銅酸化物量はＣｕＯ換算で２〜１５ｍｏｌ％の範囲に限定する。好ましくは３〜１２ｍｏｌ％、さらに好ましくは４〜９ｍｏｌ％の範囲である。

亜鉛酸化物：ＺｎＯ換算で３〜３３ｍｏｌ％
亜鉛は、マイクロ波印加による昇温特性において、Ｔｓに影響する元素である。亜鉛酸化物量をＺｎＯ換算で３３ｍｏｌ％以下に調整することで、３０〜２５０℃の低い温度範囲にわたってＴｓを任意に設定することができる。ここで、発明者らの実験によると、ＴｓとＺｎＯ配合比率（［ＺｎＯ］（ｍｏｌ％））の関係は、以下の（１）式で示される。
Ｔｓ（℃）≒−１０．５×［ＺｎＯ］（ｍｏｌ％）＋３７４ ・・・（１）
（１）式から明らかなように、亜鉛酸化物量が多いほどＴｓが低下し、ＺｎＯ換算で３３ｍｏｌ％を超えるとＴｓが３０℃未満になるため、実用的でなくなる。一方、亜鉛酸化物が少ないほどＴｓは上昇するが、３ｍｏｌ％未満になると飽和磁束密度が低下して（１）式で算出されるＴｓまで昇温することができなくなる。
従って、亜鉛酸化物量はＺｎＯ換算で３〜３３ｍｏｌ％の範囲に限定する。好ましくは５〜３２ｍｏｌ％、より好ましくは１５〜２８ｍｏｌ％の範囲である。

残部：マグネシウム酸化物および不可避的不純物
残部の主成分であるマグネシウム酸化物の量は、ＭｇＯ換算で１〜３０ｍｏｌ％となる。このＭｇＯが少ないとＣｕＯ等の配合比が増大し、原料コストが高価になるため好ましくない。また、ＭｇＯが３０ｍｏｌ％を超えると、異相が残留し易くなり、昇温特性が劣化するため、好ましくない。より好ましいＭｇＯの範囲は６〜３０ｍｏｌ％であって、さらに好ましくは１８〜３０ｍｏｌ％である。
なお、フェライト粉中には、原料成分や製造過程で、ＳｉＯ₂やＭｎ，Ｃａ，ＡｌおよびＰなどが不可避的不純物として混入する場合があるが、これらは、合計量が０．５ｍｏｌ％以下であれば特に問題はない。

以上、本発明のＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉の基本成分について説明したが、本発明では、基本成分が上記の範囲を満足するだけでは不十分であり、副成分として酸化ビスマスを添加することにより、亜鉛の蒸発が少ない比較的低温焼成で、より高い嵩密度を得ることができる。

前記基本成分１００質量部に対して、副成分として、ビスマス酸化物をＢｉ₂Ｏ₃換算で１〜８質量部
前記基本成分に酸化ビスマスを添加すると、焼成中に液相を生成してフェライト粒子の緻密化が促進され、１１００℃以下の低温焼成でも１ｇ／ｃｍ³を超える高い嵩密度のＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉を得ることができる。このため、昇温停止温度が若干高温化し、昇温速度が増大する。１質量部未満では嵩密度増大効果が十分でなく、８質量部を超えると効果が飽和する。
従って、酸化ビスマス添加量はＢｉ₂Ｏ₃換算で１〜８質量部の範囲に限定する。好ましくは２〜６質量部の範囲である。

さらに、本発明では、フェライト粉の嵩密度を所定の範囲におさめることが肝要である。
フェライト粉の嵩密度：１ｇ／ｃｍ³以上
フェライト粉の嵩密度は、昇温速度に影響する。嵩密度が１ｇ／ｃｍ³未満では昇温停止温度に到達するまでに６０秒超を要するが、１ｇ／ｃｍ³以上になると６０秒以下で昇温できる。
従って、本発明に従うフェライト粉の嵩密度は１ｇ／ｃｍ³以上に限定する。好ましい嵩密度は２ｇ／ｃｍ³以上である。
一方、上記嵩密度の上限は、特に限定されないが、３ｇ／ｃｍ³程度が好ましい。

なお、上記嵩密度の測定は、フェライト粉を体積既知の容器に、静かに溢れるまで充填し、容器の上端面から盛り上がった部分を摺り切り板で除去し、容器内のフェライト粉の質量を測定し、容器の体積で割って求めたものである。

次に、上記のフェライト粉を用いたマイクロ波吸収発熱体を製造する場合について説明する。本発明では、上記したＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉を、発熱体の少なくとも一部に含有させるか、または、少なくとも表面に有することで、本発明に従うマイクロ波吸収発熱体を得ることができる。

まず、上記の好適成分組成に調整したＦｅ₂Ｏ₃，ＣｕＯ，ＺｎＯ，ＭｇＯおよびＢｉ₂Ｏ₃を出発原料として、混合し、粉砕または成形体とし、８００〜１１００℃で熱処理（焼成）してフェライト化し、その後必要に応じて粉砕、分級などを施して所定の粒子サイズに調整する。

その際、上記した焼成温度は、フェライト生成反応と結晶粒成長に大きな影響を及ぼす。焼成温度が８００℃に満たないと、フェライト生成反応が十分に進行せずに、未反応のＦｅ₂Ｏ₃やＭｇＯなどが残留し、マイクロ波吸収発熱性能が低下するおそれがあると同時に、結晶成長が進まず、高い嵩密度を得ることができないため、好ましくない。一方、焼成温度が１１００℃を超えると、酸化亜鉛が蒸発し、主成分組成が変化するために、所望の昇温停止挙動が得られなくなり、好ましくない。従って、焼成温度は８００〜１１００℃の範囲とすることが好ましい。より好ましくは、８５０〜１０５０℃の範囲である。なお、焼成時間については、特別の限定はないが、０．５〜１０時間程度とするのが好ましい。
なお、本発明のＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉は、混合焙焼法や共沈法など特殊なフェライト原料製造方法を用いて作製することもできる。

本発明では、上記の方法で得られたＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉を、樹脂やゴムに添加して成形物を作製したり、粉体を袋に充填したりすることで、フェライト粉をマイクロ波吸収発熱体の一部に含有させて、発熱体として使用することができる。また、フェライト粉（すなわち１００mass％）を所定の形状に成形し、焼成して塊状で使用しても良い。

その他のＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉を製造する工程およびマイクロ波吸収発熱体を製造する工程は、特に限定はなく、いわゆる常法に従えば良い。

以下、本発明について確認した実施例について説明する。
〔実施例１〕
成分組成が、表１に示す組成比率となるように、Ｆｅ₂Ｏ₃，ＭｇＯ，ＺｎＯ，ＣｕＯを秤量し、さらに副成分として表１に示す量のＢｉ₂Ｏ₃を添加して、ボールミルで湿式混合して乾燥した後、９５０℃で２時間焼成し、ついで解砕、分級して、ＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉とした。

さらに、得られたＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉をシリコン樹脂に混練して、フェライト粉含有量：７５ｍａｓｓ％の樹脂シートを作製した。長さ：４０mm×幅：４０mm×厚さ：約１mmに切断加工したシートサンプルを市販の電子レンジの中に置き、５００Ｗのマイクロ波を１０秒刻みで９０秒間まで照射した時のシート表面の温度を放射温度計で測定した。６０，７０，８０，９０秒の表面温度の差が１０℃以内の場合を昇温停止とみなし、それらの平均値を昇温停止温度Ｔｓとした。
表１に得られた結果を示す。

同表から明らかなように、本発明に従う組成比率範囲および嵩密度範囲の発明例１〜３のＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉は、いずれも昇温が停止するだけでなく、マイクロ波照射２０秒後で既にＴｓに近い温度まで上昇していた。一方、比較例１は２０秒ではＴｓに到達せず６０秒かかった。また、比較例２は発熱するものの昇温停止せず、比較例３はほとんど発熱しなかった。

〔実施例２〕
表１の発明例１と同じ成分組成比率で、Ｆｅ₂Ｏ₃，ＭｇＯ，ＺｎＯ，ＣｕＯを秤量し、表２に示す量のＢｉ₂Ｏ₃を添加して、ボールミルで湿式混合して乾燥した後、表２に示す温度で２時間焼成し、ついで解砕、分級して、ＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉を得た。

さらに、得られたＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉をシリコン樹脂に混練して、フェライト粉含有量７５ｍａｓｓ％の樹脂シートを作製した。長さ：４０mm×幅：４０mm×厚さ：約１mmに切断加工したシートサンプルを市販の電子レンジの中に置き、５００Ｗのマイクロ波を１０秒刻みで９０秒間まで照射した時のシート表面の温度を放射温度計で測定した。６０，７０，８０，９０秒の表面温度の差が１０℃以内の場合を昇温停止とみなし、それらの平均値を昇温停止温度Ｔｓとした。
表２に得られた試験結果を示す。

同表から明らかなように、本発明に従うＢｉ₂Ｏ₃添加範囲および嵩密度範囲のＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉は、いずれも昇温が停止することが確認され、マイクロ波照射２０秒後で既にＴｓに近い温度まで上昇していた。これに対して、比較例４および比較例６は発熱するものの昇温停止せず、比較例５は昇温停止するものの２０秒ではＴｓに到達せずに、６０秒かかった。

以上、それぞれの実施例で示したように、本発明に従うＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉は、マイクロ波照射によって急速に昇温し、３０〜２５０℃の温度域の所定の温度で昇温が停止するという、本発明の効果が確認された。なお、上記した実施例では、発熱体の少なくとも一部（表層含む）にＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉を含有する保温材等の発明例を示してはいないが、本発明に従う限り、いずれも上記したシートと同様に、良好な発熱性能と昇温停止性能を有していることを確認している。

Claims (2)

1. 鉄酸化物がＦｅ₂Ｏ₃換算で４６〜５１ｍｏｌ％、
   銅酸化物がＣｕＯ換算で２〜１５ｍｏｌ％および
   亜鉛酸化物がＺｎＯ換算で３〜３３ｍｏｌ％を含み
   残部は酸化マグネシウムおよび不可避的不純物からなる基本成分と、
   前記基本成分１００質量部に対して、副成分として、ビスマス酸化物をＢｉ₂Ｏ₃換算で１〜８質量部含有するＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉であって、
   前記ＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉の嵩密度が１ｇ／ｃｍ³以上であることを特徴とするマイクロ波吸収発熱体用ＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉。
2. 請求項１に記載のＭｇＣｕＺｎ系フェライト粉を、少なくとも一部に含有することを特徴とするマイクロ波吸収発熱体。