JP2018130670A - Dispersant, dispersant for field flow fractionation, fractionation method of fine particle in steel material and analysis method of fine particle in steel material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、分散剤、フィールドフローフラクショネーション用の分散剤、鉄鋼材料中の微粒子の分別方法および鉄鋼材料中の微粒子の分析方法に関する。 The present invention relates to a dispersant, a dispersant for field flow fractionation, a method for fractionating fine particles in a steel material, and a method for analyzing fine particles in a steel material.
近年、金属材料の高品質化への要求が高まっている。鉄鋼の脱酸過程等で生成する比較的大きな介在物は、鋼材の品質を著しく劣化させる原因である。例えば、アルミナ系酸化物は、自動車用薄板鋼板での表面疵、飲料缶の製缶時の割れ、線材製品の伸線時の断線原因等、多くの弊害を引き起こす。そこで、このような介在物の量及びサイズを低減する多くの努力がなされている。 In recent years, there has been an increasing demand for higher quality metal materials. Relatively large inclusions generated during the deoxidation process of steel and the like are the causes of significant deterioration in the quality of steel materials. For example, alumina-based oxides cause many adverse effects such as surface defects in thin steel plates for automobiles, cracks when making cans of beverage cans, and causes of disconnection when drawing wire products. Thus, many efforts have been made to reduce the amount and size of such inclusions.
その一方で、人為的に微細析出物の量及びサイズを増減させて、鋼材の品質を更に向上させる多くの努力もなされている。例えば、熱間圧延、冷間圧延、連続焼鈍、歪取り焼鈍、溶接等の多くの熱処理過程において、鋼中に有意な微細析出物を多く析出させたり、鋼材の結晶粒径を微細化させて強度及び溶接部靭性を向上させたりしている。また、微細な析出物を少なくし、結晶粒径を粗大化させて、鉄損を向上させたりもしている。 On the other hand, many efforts have been made to artificially increase or decrease the amount and size of fine precipitates to further improve the quality of steel materials. For example, in many heat treatment processes such as hot rolling, cold rolling, continuous annealing, strain relief annealing, and welding, many significant fine precipitates are precipitated in the steel, or the crystal grain size of the steel material is made finer. Strength and weld zone toughness are improved. In addition, the amount of fine precipitates is reduced, the crystal grain size is increased, and the iron loss is improved.
従って、これらの高品質の鋼を再現性よく産業的に大量生産するためには、従来の成分の分析値だけでは、正確な把握が不足しており、鋼材に含まれる微粒子の量及び大きさを正確かつ再現性よく評価できる微粒子粒度分布測定方法の開発が重要である。 Therefore, in order to industrially mass-produce these high-quality steels with high reproducibility, accurate analysis is insufficient only with the analysis values of conventional components, and the amount and size of fine particles contained in the steel material. It is important to develop a particle size distribution measurement method that can accurately and accurately evaluate the particle size.
鋼中微粒子の従来の検査方法としては、ASTM法、JIS法、MICHELIN社が開発したMICHELIN法等の顕微鏡試験法が知られている。例えば、非特許文献1に定められている顕微鏡試験法は、金属試料を研磨した後、顕微鏡の倍率を原則400倍として少なくとも視野数60以上を観察し、介在物等の微粒子が占める面積率より鋼の清浄度を判定するものである。これらの従来の方法では、いずれも光学顕微鏡による目視検査を行うため、検査速度が遅い。また、介在物等と、塵埃、研磨疵、錆等の誤認要因とを分別するための一定尺度が明確でないために誤差が大きく、高い精度で測定を行いにくいという問題もある。 As conventional inspection methods for fine particles in steel, there are known microscopic test methods such as the ASTM method, the JIS method, and the MICHELIN method developed by MICHELIN. For example, in the microscope test method defined in Non-Patent Document 1, after polishing a metal sample, the magnification of the microscope is set to 400 times, and at least the number of fields of view is 60 or more. It determines the cleanliness of steel. In any of these conventional methods, the inspection speed is slow because visual inspection is performed using an optical microscope. There is also a problem in that it is difficult to perform measurement with high accuracy because a certain scale for distinguishing inclusions from misidentification factors such as dust, abrasive flaws, and rust is not clear.
特許文献1では、このような顕微鏡観察における個数密度が低いことを補うことを目的とした方法が記載されている。この従来の方法では、先ず、鋼を電解して、抽出した残渣を支持膜上に滴下乾燥させて、極めて多数の残渣粒子を有する試料を作成している。次いで、この試料を光学顕微鏡分析、走査型電子顕微鏡(SEM)分析、透過型電子顕微鏡(TEM)分析等に供することとしている。また、特許文献1には、このような方法の効果として、多数の粒子を含む代表性の高い粒度分布データが得られると記載されている。 Patent Document 1 describes a method aiming to compensate for such a low number density in microscopic observation. In this conventional method, first, steel is electrolyzed, and the extracted residue is dropped and dried on a support film to prepare a sample having an extremely large number of residue particles. Next, this sample is subjected to optical microscope analysis, scanning electron microscope (SEM) analysis, transmission electron microscope (TEM) analysis, and the like. Patent Document 1 describes that, as an effect of such a method, highly representative particle size distribution data including a large number of particles can be obtained.
しかしながら、この方法では、顕微鏡分析時に各写真から全サイズの粒度分布を測定するために、数多くの写真撮影及び画像処理が必要とされ、また、人間による個数カウントも必要とされる。このため、検査速度を向上させることができず、また、個人差が出易く高い再現性を得にくい。 However, in this method, in order to measure the particle size distribution of all sizes from each photograph at the time of microscopic analysis, a large number of photographs and image processing are required, and a number count by a human is also required. For this reason, the inspection speed cannot be improved, and individual differences are likely to occur and it is difficult to obtain high reproducibility.
そこで最近では、特許文献2に記載されているように、フィールドフローフラクショネーション装置を用いて、金属材料中の微粒子を所定のサイズ毎に分離し、サイズ毎に分かれた各微粒子の個数密度を計測し、更にICP質量分析法によって各微粒子の組成分析を行う方法が開示されている。
Therefore, recently, as described in
特許文献2では、フィールドフローフラクショネーション用(以下、FFFという。)の分散剤としてドデシル硫酸ナトリウム(以下、SDSという。)を用いており、SDSを含む展開溶液を、FFFによってサイズ毎に分離した微粒子とともにICP質量分析装置に導入している。SDSは、ICP質量分析において32S16O+、34S16O1H+といった多原子分子イオンを生成する。32S16O+は質量スペクトルにおいてm/z=48のイオンピークを示し、34S16O1H+はm/z=51のイオンピークを示す。つまり、特許文献2の分析方法では、m/z=48、51のイオンピークがバックグラウンドとして常に検出されることになる。
In
ところで、TiやVを含有する鉄鋼材料中の微粒子には、TiやVの炭化物・窒化物等が存在することがある。Tiは質量分析において主にm/z=48のイオンピークを示し、Vは主にm/z=51のイオンピークを示すが、これらTi、Vのm/z=48、51のイオンピークは、バックグラウンドとしてのSDS起因の多原子分子イオンのイオンピークに重なり、質量スペクトル干渉を引き起こす。このように、特許文献2の方法では、ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)を分散剤として添加した展開溶液を用いるため、硫黄の多原子分子イオンによる質量スペクトル干渉が起こり、微量のTiやVの検出が困難になっていた。
また、電解抽出法などの手法によって鉄鋼材料から分別した微粒子を、そのままICP質量分析などの各種の分析装置に導入して分析を行う場合があり、この場合にも微粒子を分散させ、かつ質量スペクトル干渉を起こさない分散液を必要としていた。
By the way, the carbide | carbonized_material, nitride, etc. of Ti and V may exist in the microparticles | fine-particles in the steel material containing Ti and V. Ti mainly shows an ion peak at m / z = 48 in mass spectrometry, and V mainly shows an ion peak at m / z = 51, but the ion peaks at m / z = 48, 51 of Ti and V are Overlapping the ion peaks of polyatomic molecular ions due to SDS as background, causing mass spectral interference. Thus, in the method of
In addition, fine particles separated from steel materials by techniques such as electrolytic extraction may be directly introduced into various analyzers such as ICP mass spectrometry for analysis. In this case as well, the fine particles are dispersed and the mass spectrum is dispersed. A dispersion that did not cause interference was required.
本発明は、鉄鋼材料中のTiやVを含む微粒子を分散させることが可能な、分散剤、フィールドフローフラクショネーション用の分散剤、鉄鋼材料中の微粒子の分別方法および鉄鋼材料中の微粒子の分析方法の提供を課題とする。 The present invention relates to a dispersant capable of dispersing fine particles containing Ti and V in a steel material, a dispersant for field flow fractionation, a method for fractionating fine particles in a steel material, and the fine particles in a steel material. The issue is to provide an analysis method.
フィールドフローフラクショネーションは、展開溶液中における微粒子の拡散現象を利用した微粒子のサイズ毎の分別方法であり、そこで用いられる展開溶液には、微粒子同士の凝集を抑制するための分散剤が添加されている。硫黄を含む従来の分散剤(SDS)は、上述のようにTiやVを含む微粒子を同定する際に質量スペクトル干渉を起こすため、硫黄を含まない分散剤を探索した。その結果、胆汁酸の一種であるコール酸類が、鉄鋼材料中のTiやVを含む微粒子を分散させ、かつ、これら微粒子をフィールドフローフラクショネーションにおいて粒子サイズ毎に分別可能であり、更に分子中に硫黄を含まないため質量分析法においてTiやVとの間で質量スペクトル干渉を起こさないことを見出した。更に、コール酸類は電解抽出法においても微粒子の凝集を防止できることを見出した。
コール酸類を含む分散剤は、電解抽出法などの手法によって分別した微粒子をICP質量分析などの各種の分析装置に導入する場合にも適用可能である。
このような知見に基づく本発明の要旨は、以下の通りである。
Field flow fractionation is a method for separating fine particles by size using the diffusion phenomenon of fine particles in a developing solution. A dispersing agent is added to the developing solution used to suppress aggregation of fine particles. ing. Since the conventional dispersant (SDS) containing sulfur causes mass spectrum interference when identifying fine particles containing Ti and V as described above, a dispersant containing no sulfur was searched. As a result, cholic acids, which are a type of bile acid, can disperse fine particles containing Ti and V in steel materials, and these fine particles can be separated by particle size in field flow fractionation. It has been found that mass spectrum interference does not occur between Ti and V in mass spectrometry because sulfur does not contain sulfur. Furthermore, it has been found that cholic acids can prevent the aggregation of fine particles even in the electrolytic extraction method.
The dispersant containing cholic acids can also be applied to the case where fine particles separated by a technique such as electrolytic extraction are introduced into various analyzers such as ICP mass spectrometry.
The gist of the present invention based on such knowledge is as follows.
(1)コール酸塩、コール酸エステル、デオキシコール酸塩、ケノデオキコール酸塩、ウルソデオキシコール酸塩、ヒオデオキシコール酸塩、ヒオデオキシコール酸エステル、リトコール酸塩、デヒドロコール酸塩、オキソケノデオキコール酸塩、グリココール酸塩、グリコデオキシコール酸塩、グリコケノデオキコール酸塩、グリコウルソデオキシコール酸塩またはグリコリトコール酸塩のうちの何れか一種または二種以上を含む、分散剤。
(2)コール酸塩、コール酸エステル、デオキシコール酸塩、ケノデオキコール酸塩、ウルソデオキシコール酸塩、ヒオデオキシコール酸塩、ヒオデオキシコール酸エステル、リトコール酸塩、デヒドロコール酸塩、オキソケノデオキコール酸塩、グリココール酸塩、グリコデオキシコール酸塩、グリコケノデオキコール酸塩、グリコウルソデオキシコール酸塩またはグリコリトコール酸塩のうちの何れか一種または二種以上を含む、フィールドフローフラクショネーション用の分散剤。
(3)鉄鋼材料から抽出分離された微粒子を、フィールドフローフラクショネーション法によって粒子サイズ毎に分別する方法であり、フィールドフローフラクショネーション法の展開溶液として、上記(2)に記載の分散剤を水に添加させてなる展開溶液を用いる、フィールドフローフラクショネーションを用いた鉄鋼材料中の微粒子の分別方法。
(4)上記(2)に記載の分散剤を含む電解液中にて前記鉄鋼材料に対して電解抽出を行った後、上記(2)に記載の分散剤を含む抽出液に前記鉄鋼材料を浸漬させて前記抽出液中に前記微粒子を分散させる第1ステップと、
フィールドフローフラクショネーション法の展開溶液として上記(2)に記載の分散剤が水に添加されてなる展開溶液を用い、前記第1ステップにて得られた前記微粒子を含む前記抽出液をサンプル液としてフィールドフローフラクショネーション法を行い、前記微粒子を粒子サイズ毎に分別する第2ステップと、
前記微粒子の成分をICP質量分析法により分析する第3ステップと、を行う鉄鋼材料中の微粒子の分析方法。
(5)前記第2ステップと前記第3ステップの間において、粒子サイズ毎に分別された前記微粒子にレーザ光を照射し、その反射強度の角度依存性から前記微粒子の粒子サイズの絶対値を計測すると共に、反射強度の強さから個数密度を計測する計測ステップを行う、(4)に記載の鉄鋼材料中の微粒子の分析方法。
(6)上記(1)に記載の分散剤を含む電解液中にて前記鉄鋼材料に対して電解抽出を行った後、上記(1)に記載の分散剤を含む抽出液に前記鉄鋼材料を浸漬させて前記抽出液中に前記微粒子を分散させるステップと、
前記微粒子の成分をICP質量分析法により分析するステップと、を行う鉄鋼材料中の微粒子の分析方法。
(1) Cholate, cholate, deoxycholate, kenodeoxycholate, ursodeoxycholate, hyodeoxycholate, hyodeoxycholate, lithocholic acid, dehydrocholate, oxokenodeoxy Dispersant containing any one or more of cholate, glycocholate, glycodeoxycholate, glycochenodeoxylate, glycoursodeoxycholate or glycolitocholate.
(2) Cholate, cholate, deoxycholate, kenodeoxycholate, ursodeoxycholate, hyodeoxycholate, hyodeoxycholate, lithocholic acid, dehydrocholate, oxokenodeoxy Field flow fraction containing one or more of cholate, glycocholate, glycodeoxycholate, glycochenodeoxylate, glycoursodeoxycholate or glycolitocholate Nation dispersant.
(3) A fine particle extracted and separated from a steel material is a method for fractionating each particle size by a field flow fractionation method, and as a developing solution for the field flow fractionation method, the dispersing agent according to (2) above A method for fractionating fine particles in steel materials using field flow fractionation using a developing solution obtained by adding water to water.
(4) After performing electrolytic extraction on the steel material in an electrolytic solution containing the dispersant described in (2) above, the steel material is added to the extract containing the dispersant described in (2) above. A first step of immersing and dispersing the fine particles in the extract;
A developing solution in which the dispersant described in (2) above is added to water as a developing solution for the field flow fractionation method, and the extract containing the fine particles obtained in the first step is used as a sample solution. A second step of performing a field flow fractionation method and separating the fine particles by particle size;
A third step of analyzing a component of the fine particles by ICP mass spectrometry; and a method of analyzing the fine particles in the steel material.
(5) Between the second step and the third step, the fine particles separated for each particle size are irradiated with laser light, and the absolute value of the particle size of the fine particles is measured from the angle dependency of the reflection intensity. In addition, the method for analyzing fine particles in the steel material according to (4), wherein a measurement step of measuring the number density from the strength of the reflection intensity is performed.
(6) After performing electrolytic extraction on the steel material in an electrolytic solution containing the dispersant described in (1) above, the steel material is added to the extract containing the dispersant described in (1) above. Immersing and dispersing the fine particles in the extract;
Analyzing the components of the fine particles by ICP mass spectrometry, and analyzing the fine particles in the steel material.
本発明によれば、鉄鋼材料中のTiやVを含む微粒子を分散することが可能な、分散剤、フィールドフローフラクショネーション用の分散剤、鉄鋼材料中の微粒子の分別方法および鉄鋼材料中の微粒子の分析方法を提供できる。また、本発明によれば、微粒子を分散させた後のフィールドフローフラクショネーションにおいて微粒子をサイズ毎に分別することが可能であり、更に、ICP質量分析において質量スペクトル干渉の発生を防止することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the dispersing agent which can disperse | distribute the microparticles | fine-particles containing Ti and V in steel materials, the dispersing agent for field flow fractionation, the separation method of the microparticles | fine-particles in steel materials, and in steel materials A method for analyzing fine particles can be provided. In addition, according to the present invention, it is possible to classify the fine particles by size in the field flow fractionation after the fine particles are dispersed, and to prevent the occurrence of mass spectral interference in ICP mass spectrometry. it can.
以下、本発明の実施形態である分散剤、フィールドフローフラクショネーション用の分散剤、鉄鋼材料中の微粒子の分別方法および鉄鋼材料中の微粒子の分析方法について説明する。 Hereinafter, the dispersant, the dispersant for field flow fractionation, the method for fractionating fine particles in the steel material, and the method for analyzing the fine particles in the steel material, which are embodiments of the present invention, will be described.
図1及び図2には、鉄鋼材料中の微粒子の分別方法および鉄鋼材料中の微粒子の分析方法をフローチャートで示している。鉄鋼材料中の微粒子の分別方法は、図1及び図2に示すように、鉄鋼材料から電解抽出された微粒子が含まれる抽出液をサンプル液とするフィールドフローフラクショネーション法により、微粒子を粒子サイズ毎に分別するステップ(図1及び図2に示す第2ステップ)を備えている。また、鉄鋼材料中の微粒子の分析方法は、鉄鋼材料に対して電解抽出を行った後、抽出液に鉄鋼材料を浸漬させて抽出液中に前記微粒子を分散させる第1ステップと、上述の第2ステップと、第2ステップにおいて分別された微粒子の成分をICP質量分析法により分析する第3ステップと、を備える。また、本実施形態の鉄鋼材料中の微粒子の分析方法は、図2に示すように、第2ステップと第3ステップの間で、微粒子の粒子サイズの絶対値と、微粒子の個数密度とを計測する計測ステップを行ってもよい。 1 and 2 are flowcharts showing a method for separating fine particles in a steel material and a method for analyzing fine particles in a steel material. As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the method for fractionating fine particles in steel materials is based on the field flow fractionation method using an extract containing fine particles electrolytically extracted from steel materials as a sample solution. A step (second step shown in FIG. 1 and FIG. 2) for sorting each time is provided. The method for analyzing fine particles in a steel material includes a first step in which after the electrolytic extraction is performed on the steel material, the steel material is immersed in the extract and the fine particles are dispersed in the extract. And a third step of analyzing the components of the fine particles separated in the second step by ICP mass spectrometry. Further, in the method for analyzing fine particles in the steel material of this embodiment, as shown in FIG. 2, the absolute value of the particle size of the fine particles and the number density of the fine particles are measured between the second step and the third step. A measurement step may be performed.
本実施形態の鉄鋼材料中の微粒子の分析方法では、まず第1ステップにおいて、鉄鋼材料に対して電解抽出法を行うことにより鉄鋼材料中に含まれる微粒子を抽出分離する。本実施形態では、電解液及び抽出液にコール酸類を分散剤として添加することで微粒子の凝集を防止し、次の第2ステップのフィールドフローフラクショネーション法において微粒子の粒子サイズの分別を容易にする。鉄鋼材料中の微粒子の分別方法である第2ステップでは、コール酸類を展開溶液に添加することにより、フィールドフローフラクショネーション法においてチャネル内に設置された透過性膜への微粒子の付着を防止し、かつ、チャネル内での微粒子の分散を容易にすることで拡散係数の大きい粒子から順に微粒子を系外に流出させる。そして、流出した微粒子を第3ステップにおいて順次ICP質量分析装置に導入して微粒子の定性分析を行うとともに、第2ステップ開始時点からICP質量分析での当該微粒子の検出時点までの保持時間を計測して粒子サイズを推定する。コール酸類は硫黄を含まないため、従来のようにTiやVとの間での質量スペクトル干渉は起こらない。また、第2ステップと第3ステップの間において微粒子の粒子サイズと個数密度を別途計測してもよい。 In the method for analyzing fine particles in a steel material according to this embodiment, first, in a first step, the fine particles contained in the steel material are extracted and separated by performing electrolytic extraction on the steel material. In this embodiment, the addition of cholic acids as a dispersant to the electrolytic solution and the extract prevents the fine particles from agglomerating and facilitates the separation of the particle size of the fine particles in the next second step field flow fractionation method. To do. In the second step, which is a method for fractionating fine particles in steel materials, the addition of cholic acids to the developing solution prevents the adhesion of fine particles to the permeable membrane installed in the channel in the field flow fractionation method. In addition, by facilitating the dispersion of the fine particles in the channel, the fine particles are caused to flow out of the system in order from the particles having a large diffusion coefficient. Then, the discharged fine particles are sequentially introduced into the ICP mass spectrometer in the third step to perform the qualitative analysis of the fine particles, and the holding time from the start of the second step to the detection time of the fine particles in the ICP mass analysis is measured. To estimate the particle size. Since cholic acids do not contain sulfur, mass spectrum interference between Ti and V does not occur as in the prior art. Further, the particle size and number density of the fine particles may be separately measured between the second step and the third step.
本実施形態におけるコール酸類とは、コール酸エステル、デオキシコール酸塩、ケノデオキコール酸塩、ウルソデオキシコール酸塩、ヒオデオキシコール酸塩、ヒオデオキシコール酸エステル、リトコール酸塩、デヒドロコール酸塩、オキソケノデオキコール酸塩、グリココール酸塩、グリコデオキシコール酸塩、グリコケノデオキコール酸塩、グリコウルソデオキシコール酸塩またはグリコリトコール酸塩のうちの何れか一種または二種以上をいう。 The cholic acids in this embodiment are cholic acid ester, deoxycholate, chenodeoxycholate, ursodeoxycholate, hyodeoxycholate, hyodeoxycholic acid ester, lithocholic acid salt, dehydrocholate, It refers to any one or two or more of chenodeoxylate, glycocholate, glycodeoxycholate, glycochenodeoxycholate, glycoursodeoxycholate or glycolitocholate.
胆汁酸の一種であるコール酸類は、分子内にフェノール性の水酸基を3つ、カルボキシル基を1つ有しており、水溶液中で強い界面活性作用を示し、従来、膜タンパク質の変性等に利用されている。コール酸類は、鉄鋼中の微粒子を凝集させることなく抽出、分散させることが可能である。更に、コール酸類は、モデル鋼材から電解抽出により得られたTiおよびVを含むナノ炭化物をフィールドフローフラクショネーション法(FFF法)によってサイズ毎に分別し、ICP質量分析において従来検出できなかったTiおよびVのイオンピークを検出可能である。以上の知見を見出し、本発明に至った。一般にFFF法における展開溶液には、イオン性界面活性剤であるSDSやCTAB、非イオン性界面活性剤であるTriton X−100、Tween 20、電解質の塩であるNaCl、NaN3、NH4NO3などが用いられる。微粒子の種類やサイズにより適用可能な溶媒の種類は異なることが知られているが、測定試料の存在状態を損なわないものであれば、適用する事は可能である。その一方で、硫黄を含まないクエン酸や酢酸アンモニウムのような塩を用いた場合には、微粒子の分散性を損なわないにもかかわらず、分離検出が出来ないという課題があった。本発明では、分散剤としてコール酸類を用いることで、鋼材の熱処理による微粒子(ナノ析出物)の粗大化(2.1nm→3.8nm)を明確に把握することに成功した。この解析結果から、コール酸類は、FFF法における展開溶液の分散剤として好適に使用できることがわかった。
また、電解抽出法における電解液や、電解後に鋼材中の微粒子を鋼材から離脱させて分散させる抽出液に分散剤を添加してもよいこともわかった。
Cholic acids, a kind of bile acid, have three phenolic hydroxyl groups and one carboxyl group in the molecule, and show a strong surface activity in aqueous solution. Has been. Cholic acids can be extracted and dispersed without agglomerating fine particles in steel. Furthermore, cholic acids are obtained by fractionating nano-carbides containing Ti and V obtained by electrolytic extraction from model steel materials by size by the field flow fractionation method (FFF method), and TiC that could not be detected in the past by ICP mass spectrometry. And V ion peaks can be detected. The inventors have found the above findings and have reached the present invention. Generally, SDS and CTAB, which are ionic surfactants, Triton X-100,
It has also been found that a dispersing agent may be added to the electrolytic solution in the electrolytic extraction method and the extract that separates and disperses the fine particles in the steel after the electrolysis.
以下、各ステップの詳細について説明する。 Details of each step will be described below.
(第1ステップ)
鉄鋼材料中に含まれる微粒子を抽出分離する方法には、酸分解方法、ハロゲン分解方法、電解抽出分離方法が知られているが、本実施形態では鉄鋼材料中の介在物や析出物をできるだけ溶解させずに抽出する必要があることから、電解抽出分離法を用いる。特に、電解抽出分離法のうち、より好ましくは非水溶媒系定電位電解法(SPEED法(SPEED:Selective Potentiostatic Etching by Electrolytic Dissolution Method))を適用するとよい。SPEED法は、溶媒中に微粒子が分散された際に、組成やサイズの変化が起こり難く、不安定な微粒子でも安定的に抽出できるため好適である。ただし、本発明における抽出分離法はSPEED法に限定されるものではない。
(First step)
As methods for extracting and separating fine particles contained in steel materials, acid decomposition methods, halogen decomposition methods, and electrolytic extraction separation methods are known. In this embodiment, inclusions and precipitates in steel materials are dissolved as much as possible. Electrolytic extraction separation method is used because it is necessary to perform extraction without the use of an organic solvent. In particular, among the electrolytic extraction separation methods, it is more preferable to apply a nonaqueous solvent-based constant potential electrolysis method (SPEED: Selective Potentiostatic Etching by Electrolytic Dissolution Method). The SPEED method is suitable because the composition and size hardly change when the fine particles are dispersed in a solvent, and even unstable fine particles can be stably extracted. However, the extraction separation method in the present invention is not limited to the SPEED method.
図3には、第1ステップで用いる電解抽出装置を示す。図3に示す電解抽出装置は、電解槽10と、電解槽10に配置された陰極6と、電解槽10に配置された陽極4と、陰極6と陽極4とが接続された電源8と、から構成されている。また、図3に示す電解抽出装置には、陽極4の電位を測定する参照極7が備えられている。参照極7は電源8に接続されている。
FIG. 3 shows the electrolytic extraction apparatus used in the first step. The electrolytic extraction apparatus shown in FIG. 3 includes an
電解槽10には、後述する電解液9が収容されている。電解槽10は、電解された鉄の酸化を抑制するために、密閉できる構造または不活性ガス雰囲気とする構造を有するとよい。
また、陽極4は、電解対象物である鉄鋼材料4aと、鉄鋼材料4aを保持する保持手段4bとから構成されている。保持手段4bとしては、鉄鋼材料4aを保持しかつ通電を確保可能な金属製クリップ等を例示できる。鉄鋼材料4aは、電極面となる面をあらかじめ研磨して自然酸化膜を除去しておくとよい。鉄鋼材料4aは特に限定する必要はないが、微粒子としてTiまたはVを含む介在物や析出物を含む鉄鋼材料4aが好適である。
更に、陰極6としては白金電極を例示できる。
また、電源8としては、電圧及び電流を精密に制御できるものがよく、例えば、電気化学用のポテンショスタット等の定電圧電源を用いてもよく、ガルバノスタット等の定電流電源を用いてもよい。
An
Moreover, the
Furthermore, as the
The
次に、図3に示す電解抽出装置を用いて鉄鋼材料中の微粒子を抽出分離する方法を説明する。まず、電解槽10に電解溶液9を満たし、その中に鉄鋼材料4aを浸漬させ、参照極7を鉄鋼試料4aの近くに配置する。陰極6と陽極4を電源8に接続する。鉄鋼材料4aのマトリックスとなる鉄の電解電位に比べて、析出物等の鋼中微粒子の電解電位は高い電解電位を持つ。そこで、電源8を用いて鉄鋼材料4aのマトリックスを溶解し、かつ析出物等の微粒子を溶解しない電解電位の間に電圧を設定することで、マトリックスのみを選択的に溶解する。鉄鋼材料4a中の微粒子5は、鉄鋼材料4aの表層部に露出され、一部は電解液9中に分散する。
Next, a method for extracting and separating fine particles in the steel material using the electrolytic extraction apparatus shown in FIG. 3 will be described. First, the
次に、鉄鋼材料4aを静かに取り出し、清浄な抽出液に浸漬させる。そして、これらに超音波照射等を行うことにより、鉄鋼材料4aの表層部分に付着していた微粒子5を鉄鋼材料4aから離脱させる。この結果、鉄鋼材料4aから抽出された微粒子5を含む抽出液が得られる。
Next, the
超音波の照射時間は、出力と液量によっても変わるが、10分を超えて放置すると熱を帯びてしまい、分散剤を含む抽出液の内容が変化する可能性が高い。一方、1分未満では、分散が不十分になることがある。 The irradiation time of the ultrasonic wave varies depending on the output and the amount of liquid, but if left for more than 10 minutes, it is heated and the content of the extract containing the dispersant is likely to change. On the other hand, if it is less than 1 minute, dispersion may be insufficient.
このようにして微粒子5が分散した抽出液が得られるが、この抽出液に含まれる微粒子5のサイズは幅広く粗大な微粒子が含まれる可能性があり、次の第2ステップにおいてフィールドフローフラクショネーション装置(以下、FFF装置という場合がある)の内部で粗大な微粒子が詰まりを生じさせるおそれがある。このため、事前に粗大な微粒子5を取り除くことが好ましい。例えば、数μmメッシュのフィルターで事前ろ過してもよい。また、遠心分離装置で数分以上かけて、1μm以上の粗大な粒子を下方に沈降させ、得られた液の、上方の上澄み液を採取して、第2ステップのFFF装置に導入してもよい。
In this way, an extract in which the
次に、第1ステップにおいて使用する電解液及び抽出液について説明する。
電解液の基本組成は、例えば、10質量%アセチルアセトン(以降“AA”と称す)−1質量%テトラメチルアンモニウムクロライド(以降“TMAC”と称す)−メタノール溶液、又は10質量%無水マレイン酸−2質量%TMAC−メタノール溶液を例示できる。また、サリチル酸メチル等の金属イオンとキレート錯体を形成するキレート試薬と、テトラメチルアンモニウムクロライド(TMAC)等の電流を流すための電解質を、非水溶媒であるメタノール溶媒に溶解させた電解液を用いてもよい。上記の基本組成では溶媒としてメタノールを例示したが、水でもよく、エタノール等の他のアルコール類でもよい。水は最も入手容易な溶媒だが、水に対して溶解性がある微粒子を分析対象とする場合は、メタノール等のアルコール類を溶媒に用いるとよい。
Next, the electrolytic solution and the extract used in the first step will be described.
The basic composition of the electrolytic solution is, for example, 10% by mass acetylacetone (hereinafter referred to as “AA”)-1% by mass tetramethylammonium chloride (hereinafter referred to as “TMAC”)-methanol solution, or 10% by mass maleic anhydride-2. A mass% TMAC-methanol solution can be illustrated. In addition, an electrolyte solution in which a chelating reagent that forms a chelate complex with a metal ion such as methyl salicylate and an electrolyte for passing a current such as tetramethylammonium chloride (TMAC) is dissolved in a methanol solvent that is a non-aqueous solvent is used. May be. In the above basic composition, methanol is exemplified as the solvent, but it may be water or other alcohols such as ethanol. Although water is the most readily available solvent, alcohols such as methanol may be used as a solvent when analyzing fine particles that are soluble in water.
本実施形態に係る電解液には、上記基本組成に加えてコール酸類からなる分散剤を更に添加する。分散剤を添加した電解液9を用いることにより、介在物等の微粒子5を凝集させずに電解抽出させることができる。コール酸類からなる分散剤が添加されていると、金属マトリックスから分離して電解液9に放出された直後の微粒子5の周囲を、分散剤が安定的に保護して包み込むことで、微粒子同士が凝集しにくくなると推測される。そして、電解抽出した微粒子5を抽出液に分散させる際にも、速やかに単一粒子に分散しやすいという効果も得られる。なお、本実施形態に係るコール酸類からなる分散剤は、電解液のほか、電解抽出に用いる抽出液や、第2ステップのフィールドフローフラクショネーション法に用いる展開溶液にも添加される。分散剤の詳細な説明は後述する。
In addition to the above basic composition, a dispersant composed of cholic acids is further added to the electrolytic solution according to the present embodiment. By using the
分散剤による微粒子の分散効果により、微粒子5が例えば薬剤及び/又は水分等に非常に不安定なものであっても、安定かつ効率的に抽出することが可能となる。添加する分散剤の濃度は、0.005質量%〜0.1質量%であることが好ましく、0.01質量%〜0.05質量%であることがより好ましい。濃度が0.005質量%未満であると薄すぎて微粒子の分散作用が弱くなる。また、濃度が濃すぎると、泡が生成しやすくなるため作業上好ましくない。
Due to the dispersion effect of the fine particles by the dispersant, even if the
また、電解抽出後の鉄鋼材料から微粒子を抽出する抽出液には、コール酸類からなる分散剤を溶媒に溶解させたものを用いる。溶媒としては、メタノール、エタノール等のアルコール類または水を用いることができるが、微粒子の存在環境の変化による微粒子の変質を防止するためには、電解抽出法で用いた電解液の溶媒と同じものを用いることが好ましく、例えば上述した基本組成を有する電解液を用いた場合の抽出液は、メタノールを溶媒とするとよい。 Moreover, what extracted the dispersing agent which consists of cholic acids in the solvent is used for the extract which extracts microparticles | fine-particles from the steel material after electrolytic extraction. As the solvent, alcohols such as methanol and ethanol, or water can be used, but in order to prevent deterioration of the fine particles due to changes in the environment where the fine particles are present, the same solvent as the electrolytic solution used in the electrolytic extraction method is used. It is preferable to use, for example, in the case of using the electrolytic solution having the basic composition described above, methanol may be used as the extraction liquid.
抽出液中の分散剤の濃度は、電解液の場合と同様に、0.005質量%〜0.1質量%であることが好ましく、0.01質量%〜0.05質量%であることがより好ましい。濃度が0.005質量%未満であると薄すぎて微粒子を分散させる作用が弱くなる。また、濃度が濃すぎると、泡が生成しやすくなるため作業上好ましくない。 The concentration of the dispersant in the extract is preferably 0.005% by mass to 0.1% by mass, and 0.01% by mass to 0.05% by mass, as in the case of the electrolytic solution. More preferred. When the concentration is less than 0.005% by mass, the action of dispersing the fine particles becomes weak because the film is too thin. Moreover, since it will become easy to produce | generate a bubble when a density | concentration is too deep, it is unpreferable on an operation | work.
コール酸類からなる分散剤を抽出液に添加することにより、抽出液中での介在物等の微粒子5の凝集を防止し、微粒子5をそれぞれ単独で分散させることができる。コール酸類からなる分散剤が添加されていると、微粒子5の周囲を分散剤が安定的に保護して包み込み、微粒子同士が凝集しにくくなると推測される。
By adding a dispersant composed of cholic acids to the extract, aggregation of the
(第2ステップ)
次に第2ステップでは、微粒子が含まれる抽出液をサンプル液とし、フィールドフローフラクショネーション法により、微粒子を粒子サイズ毎に分別する。図4には、第2ステップに用いるフィールドフローフラクショネーション装置(FFF装置)の断面模式図を示す。図4に示すFFF装置は、展開溶液が流通する分離セル16と、分離セル16内に配置された透過性膜21と、クロスフロー14を分離セル16に導入する図示略のクロスフロー導入部と、サンプル液15を分離セル16に導入する図示略のサンプル導入部と、分離セル16内での展開溶液やクロスフロー14の流れを制御する図示略の制御手段と、が備えられている。
(Second step)
Next, in the second step, the extraction liquid containing the fine particles is used as a sample liquid, and the fine particles are separated for each particle size by the field flow fractionation method. In FIG. 4, the cross-sectional schematic diagram of the field flow fractionation apparatus (FFF apparatus) used for a 2nd step is shown. The FFF apparatus shown in FIG. 4 includes a
分離セル16は、上部筐体16aと下部筐体16bとが所定の間隔を空けて配置されて構成されている。上部筐体16a及び下部筐体16bの間の空間は、展開溶液が流通するチャネル部16cとなっている。
分離セル16を構成する下部筐体16bは、メッシュ状の部材から構成されている。また、下部筐体16bのチャネル部16c側の面には透過性膜21が積層されている。透過性膜21は、抽出液や展開溶液などの液体は透過させるが、サンプル液に含まれる微粒子は透過させないものとなっている。
更に、分離セル16の図中右側には、図示略のICP質量分析装置が接続されている。
The
The
Further, an ICP mass spectrometer (not shown) is connected to the right side of the
図示略の制御手段は、分離セル16のチャネル部16cにおける展開溶液やクロスフロー14の流れを制御するものであり、配管、制御弁及び制御弁の動作を制御する制御部などからなる。制御手段は、図4に示す分離セル16の図中左右両側から展開溶液を導入したり、図中左側から右側に向けて展開溶液を流通できるようになっている。また、制御手段は、図4に示すようにチャネル部16cの上側からクロスフロー14を導入できるようになっている。クロスフロー14とは展開溶液による図4の上から下に向かう流れである。
Control means (not shown) controls the flow of the developing solution and the
次に、FFF装置の動作を説明する。FFF装置の展開溶液としては、コール酸類からなる分散剤が溶解した水溶液を用いる。まず、クロスフロー14と呼ばれる展開溶液の流れを分離セル16の上方から下方に向かって生じさせる。更に、分離セル16の左側と右側からも展開溶液を流す。これにより、左右両側から相対するように流れる展開液の流れが、クロスフロー14の流れに導かれて、透過性膜21に向かう流れを形成させる。
Next, the operation of the FFF device will be described. As a developing solution for the FFF apparatus, an aqueous solution in which a dispersant composed of cholic acids is dissolved is used. First, a flow of a developing solution called a
この流れが安定した後、微粒子を含むサンプル液15を添加する。すると、展開溶液の流れに乗って、微粒子は透過性膜21の近傍に局所的に濃縮される。展開溶液の流れを所定の時間に渡って保持すると、微粒子が次第にブラウン運動を伴い拡散する。下方の透過性膜21には大きなサイズの大粒子20がクロスフロー14の流れによって押し付けられるが、その一方で、比較的サイズが小さな中粒子19及び小粒子18は、クロスフロー14の流れに打ち勝つだけのブラウン運動を起こし、分離セル16の下側に位置する透過性膜21に押し付けられることなく、分離セル16中に浮遊した状態になる。小粒子18ほど上方に浮遊しやすくなる。この操作をフォーカシングと呼ぶ。この状態にすることで、分離セル16の中で微粒子がサイズ毎に並び替えられることとなる。フォーカシングの保持時間は、小粒子18の位置がチャネル部16cの厚さ方向中心位置を超えない程度の時間に設定するとよい。
After this flow is stabilized, the
その後、クロスフロー14を維持したまま、分離セル16の左右から押し付けていた展開溶液の流れを変えて、展開溶液からなるチャネルフロー17を形成させる。具体的には、図4に示すように、左側から右側に向けて、分離セル16内の微粒子を右側に押し流す流れを形成する。チャネルフロー17は層流であり、図4に示すような流速分布を有している。すなわち、チャネル部16cの厚さ方向中心での流速が最も早く、中心から離れるに従って流速が遅くなる。すなわち、小粒子18の存在領域では流速が早く、大粒子20の存在領域では流速が小さくなる。
Thereafter, while maintaining the
このとき、透過性膜21近傍に微粒子を留める役割のクロスフロー14の圧力を徐々に低下させると、分離膜21近傍に留められていた微粒子が、チャネルフロー17の層流の流れに乗って、徐々に小さな粒子から大きな粒子の順で右側に排出される。
At this time, if the pressure of the
なお、ここでは、分離するためにクロスフロー液による押さえつけ力とブラウン運動とを組み合わせることにより、サイズ分離する例を示したが、FFFの分離原理としては、この他にも、重力、電場、磁場、温度勾配等をかけることにより、より精密に粒子を分離することができる。 In addition, although the example which carried out size separation by combining the pressing force by a crossflow liquid and Brownian motion for separation was shown here, as a separation principle of FFF, besides this, gravity, electric field, magnetic field By applying a temperature gradient or the like, the particles can be separated more precisely.
サイズ毎に分離された微粒子は、チャネルフロー17によって、FFF装置の外部に設置されているICP質量分析装置に導かれる。ICP質量分析装置には、粒径の小さい順に微粒子が到達する。到達した微粒子は、プラズマの熱エネルギーにより原子レベルまで分解、その後イオン化されて、質量分析計に導入される。質量分析計によって、各微粒子に特有な質量スペクトルが得られる。また、各イオンの検出量を縦軸とし、検出時間を横軸とする各イオンの時間変化量のチャートも得られる。
The microparticles separated for each size are guided by
また、FFF装置とICP質量分析装置の間に、レーザ光照射検出部を配置してもよい。レーザ光照射検出部において複数角度に設置された光検出器より、レーザ光散乱された光強度を得る。小さな粒子の場合は、角度依存性が非常に少なく全方位散乱現象を示す。一方、粗大な粒子になるにつれて、前方散乱現象が強くなるため、この角度依存性の傾きを取ることにより電解抽出粒子5のサイズを一義的に決定できる。
Further, a laser light irradiation detection unit may be disposed between the FFF device and the ICP mass spectrometer. The light intensity scattered by the laser beam is obtained from photodetectors installed at a plurality of angles in the laser beam irradiation detection unit. In the case of a small particle, the angle dependency is very small and an omnidirectional scattering phenomenon is exhibited. On the other hand, since the forward scattering phenomenon becomes stronger as the particles become coarser, the size of the
FFF法に用いられる展開溶液は、分散剤が溶解された水溶液からなる。溶媒は水であることが好ましい。水以外の溶媒を用いると、ICP質量分析装置においてプラズマを安定に維持できなくなる。分散剤は、先に説明した電解液や抽出液の場合と同様に、コール酸類からなることが好ましい。展開溶液中の分散剤の濃度は、電解液や抽出液の場合と同様に、0.005質量%〜0.1質量%であることが好ましい。濃度が0.005質量%未満であると薄すぎて微粒子を分散させる作用が弱くなり、分離セル16内において微粒子が凝集してブラウン運動が生じず、微粒子を粒子サイズ毎に分別できなくなる。また、濃度が濃すぎると、泡が生成しやすくなり、またICP質量分析において感度や精度を低下させる。
The developing solution used in the FFF method is an aqueous solution in which a dispersant is dissolved. The solvent is preferably water. If a solvent other than water is used, the plasma cannot be stably maintained in the ICP mass spectrometer. The dispersant is preferably made of cholic acids as in the case of the electrolytic solution and the extract described above. The concentration of the dispersant in the developing solution is preferably 0.005% by mass to 0.1% by mass, as in the case of the electrolytic solution or the extract. If the concentration is less than 0.005% by mass, the action of dispersing the fine particles becomes too weak, and the fine particles are aggregated in the
次に、本実施形態に係る分散剤について説明する。本実施形態の分散剤は、第1ステップにおいて使用する電解液及び抽出液と、第2ステップにおいて使用する展開溶液とにそれぞれ添加され、微粒子の凝集を防止して分散性を高め、粒子サイズ毎の分別を容易にする。分散剤は、コール酸塩、コール酸エステル、デオキシコール酸塩、ケノデオキコール酸塩、ウルソデオキシコール酸塩、ヒオデオキシコール酸塩、ヒオデオキシコール酸エステル、リトコール酸塩、デヒドロコール酸塩、オキソケノデオキコール酸塩、グリココール酸塩、グリコデオキシコール酸塩、グリコケノデオキコール酸塩、グリコウルソデオキシコール酸塩またはグリコリトコール酸塩のうちの何れか一種または二種以上を含む。塩の種類としては、ナトリウム塩、カリウム塩など、アルカリ金属塩であることが好ましく、特にナトリウム塩がよい。また、エステル類は、メチル体またはエチル体がよい。
以下に、本実施形態に適用可能なコール酸類の具体的な化学構造式を示す。
Next, the dispersant according to this embodiment will be described. The dispersant of the present embodiment is added to the electrolytic solution and the extract used in the first step and the developing solution used in the second step, respectively, to prevent the aggregation of fine particles and improve the dispersibility. Facilitates sorting. Dispersants include cholate, cholate, deoxycholate, chenodeoxycholate, ursodeoxycholate, hyodeoxycholate, hyodeoxycholate, lithocholic acid, dehydrocholate, oxocheno It includes any one or more of deoxycholate, glycocholate, glycodeoxycholate, glycochenodeoxylate, glycoursodeoxycholate or glycolitocholate. As a kind of salt, it is preferable that they are alkali metal salts, such as sodium salt and potassium salt, and especially sodium salt is good. The esters are preferably methyl or ethyl.
The specific chemical structural formulas of cholic acids applicable to this embodiment are shown below.
上記のコール酸類は、分子中に硫黄原子が含まれない。このため、これらコール酸類をICP質量分析装置に導入したとしても、32S16O+(m/z=48)、34S16O1H+(m/z=51)といった多原子分子イオンは生成されない。これにより、Ti(m/z=48)やV(m/z=51)との間で質量スペクトル干渉を引き起こすことがなく、TiやVを確実に検出することが可能になる。 The above cholic acids do not contain a sulfur atom in the molecule. For this reason, even if these cholic acids are introduced into the ICP mass spectrometer, polyatomic molecular ions such as 32 S 16 O + (m / z = 48) and 34 S 16 O 1 H + (m / z = 51) are Not generated. Thereby, it is possible to reliably detect Ti and V without causing mass spectrum interference with Ti (m / z = 48) and V (m / z = 51).
また、上記のコール酸類は、分子中にカルボキシル基を有しており、展開溶液中では負の電荷を有するものになっている。コール酸類を含む展開溶液がFFF装置の分離セルに導入されると、透過性膜21の表面に集まり、透過性膜21の表面は負の電荷を帯びる。一方、FFF法のサンプル液である抽出液には、鉄鋼材料中から分離抽出された微粒子が分散剤とともに含まれており、液中の微粒子は分散剤であるコール酸類に取り囲まれていると推測され、このため微粒子は負の電荷を帯びている。
In addition, the above-mentioned cholic acids have a carboxyl group in the molecule and have a negative charge in the developing solution. When the developing solution containing cholic acids is introduced into the separation cell of the FFF apparatus, it collects on the surface of the
このため、FFF装置にサンプル液が導入されたとしても、負電荷を帯びた微粒子は、負電荷を帯びた透過性膜21には吸着されず、チャネル部16c内におけるブラウン運動が阻害されない。これにより、粒子サイズ毎の分別が円滑に行われる。
For this reason, even if the sample liquid is introduced into the FFF device, the negatively charged fine particles are not adsorbed by the negatively charged
以上説明したように、本実施形態のフィールドフローフラクショネーション用の分散剤は、フィールドフローフラクショネーション法における展開溶液に添加することで、微粒子を凝集させずに分散させることが可能になり、鉄鋼材料から抽出分離した微粒子をサイズ毎に分別させることができる。また、本実施形態の分散剤は、分子中に硫黄を含まないため、ICP質量分析を行う際にTiやVとの間で質量スペクトル干渉を生じさせることがなく、微粒子の定性分析を支障なく行うことができる。 As described above, the dispersant for field flow fractionation of the present embodiment can be dispersed without agglomerating fine particles by adding to the developing solution in the field flow fractionation method, Fine particles extracted and separated from the steel material can be separated by size. In addition, since the dispersant of the present embodiment does not contain sulfur in the molecule, it does not cause mass spectrum interference with Ti or V when performing ICP mass spectrometry, and does not interfere with qualitative analysis of fine particles. It can be carried out.
また、本実施形態の鉄鋼材料中の微粒子の分別方法によれば、コール酸類を展開溶液に添加することにより、フィールドフローフラクショネーション法においてチャネル内に設置された分離膜への微粒子の付着を防止し、かつ、チャネル内での微粒子の分散を容易にし、拡散係数の大きい粒子から順に微粒子を系外に流出させることができる。 Further, according to the method for fractionating fine particles in the steel material of the present embodiment, by adding cholic acids to the developing solution, the fine particles adhere to the separation membrane installed in the channel in the field flow fractionation method. In addition, it is possible to facilitate the dispersion of the fine particles in the channel and to allow the fine particles to flow out of the system in order from the particles having the largest diffusion coefficient.
更に、本実施形態の鉄鋼材料中の微粒子の分析方法によれば、電解液及び抽出液にコール酸類を分散剤として添加することで微粒子の凝集を防止し、次の第2ステップのフィールドフローフラクショネーション法において微粒子の粒子サイズの分別を容易に行うことができる。また、コール酸類は分子中に硫黄を含まないため、ICP質量分析を行う際にTiやVとの間で質量スペクトル干渉を生じさせることがなく、微粒子の定性分析を支障なく行うことができる。 Furthermore, according to the method for analyzing fine particles in the steel material of the present embodiment, the addition of cholic acids as a dispersant to the electrolytic solution and the extract prevents the fine particles from agglomerating, and the field flow fracture of the next second step is performed. In the Shonation method, the particle size of the fine particles can be easily separated. In addition, since cholic acids do not contain sulfur in the molecule, no mass spectral interference occurs between Ti and V when ICP mass spectrometry is performed, and qualitative analysis of fine particles can be performed without hindrance.
なお、本実施形態では、第1ステップ、第2ステップ、第3ステップを順次行う場合について説明したが、第2ステップを省略することもできる。すなわち、第1ステップにより鉄鋼材料中から微粒子を抽出した後、抽出した微粒子をICP質量分析によって分析してもよい。第1ステップでは、本実施形態の分散剤を電解液及び抽出液に添加すればよい。電解液及び抽出液にコール酸類を分散剤として添加することで微粒子の凝集を防止し、次の第3ステップにおいてICP質量分析を行う際にTiやVとの間で質量スペクトル干渉を生じさせることがなく、微粒子の定性分析を支障なく行うことができる。 In the present embodiment, the case where the first step, the second step, and the third step are sequentially performed has been described. However, the second step may be omitted. That is, after extracting the fine particles from the steel material in the first step, the extracted fine particles may be analyzed by ICP mass spectrometry. In the first step, the dispersant of this embodiment may be added to the electrolytic solution and the extract. Addition of cholic acids as a dispersant to the electrolyte and extract prevents aggregation of fine particles, and causes mass spectral interference with Ti and V when performing ICP mass spectrometry in the next third step Therefore, qualitative analysis of fine particles can be performed without any trouble.
以下、本発明の実施例について説明する。
(実験例1)
平均粒径2nmの金のナノ粒子と平均粒径5nmの金のナノ粒子とを含むサンプル水溶液を用意した。各サンプル水溶液には分散剤として、SDS、クエン酸、NaCl、NH4NO3、コール酸ナトリウム、デオキシコール酸ナトリウムをそれぞれ添加した。各分散剤の濃度は500質量ppmとした。
また、FFF法の展開溶液として、SDS、クエン酸、NaCl、CH3COONH4、コール酸ナトリウム、デオキシコール酸ナトリウムをそれぞれ含む水溶液を用意した。各分散剤の濃度は500質量ppmとした。
Examples of the present invention will be described below.
(Experimental example 1)
A sample aqueous solution containing gold nanoparticles having an average particle diameter of 2 nm and gold nanoparticles having an average particle diameter of 5 nm was prepared. SDS, citric acid, NaCl, NH 4 NO 3 , sodium cholate and sodium deoxycholate were added to each sample aqueous solution as a dispersant. The concentration of each dispersant was 500 ppm by mass.
In addition, aqueous solutions containing SDS, citric acid, NaCl, CH 3 COONH 4 , sodium cholate, and sodium deoxycholate were prepared as developing solutions for the FFF method. The concentration of each dispersant was 500 ppm by mass.
次に、図4に示すFFF装置を用いて、サンプル水溶液中に含まれる金のナノ粒子の分別を行った。検出装置は、ICP質量分析装置に替えて、紫外光分光光度計を用いた。
FFF装置の操作条件は、展開溶液及びクロスフローを1分間流し、次いでサンプル水溶液を0.2mL/分の速度で50μL導入し、1分間のフォーカシングを行った後、チャネルフローとして展開溶液を1.0mL/分の流速で流した、フォーカシング後、クロスフローの流速を徐々に低下させた。
FFF装置から流出したチャネルフローとして展開溶液を紫外光分光光度計に導入して、吸光度の時間変化を調べた。結果を図5に示す。
Next, using the FFF apparatus shown in FIG. 4, the gold nanoparticles contained in the sample aqueous solution were separated. Instead of the ICP mass spectrometer, an ultraviolet spectrophotometer was used as the detection device.
The operating condition of the FFF apparatus was that the developing solution and the cross flow were allowed to flow for 1 minute, then 50 μL of the sample aqueous solution was introduced at a rate of 0.2 mL / min, and focusing was performed for 1 minute. After focusing at a flow rate of 0 mL / min, the cross-flow flow rate was gradually reduced.
The developing solution was introduced into an ultraviolet spectrophotometer as a channel flow that flowed out of the FFF apparatus, and the change in absorbance with time was examined. The results are shown in FIG.
図5に示すように、分散剤としてSDS、コール酸ナトリウム及びデオキシコール酸ナトリウムを用いた場合は、チャネルフローの導入開始から約6.9分後に1つ目のピークが現れ、約10.9分後に2つ目のピークが現れた。1つ目のピークは平均粒径2nmの金のナノ粒子にピークであり、2つ目のピークは平均粒径5nmの金のナノ粒子のピークであった。 As shown in FIG. 5, when SDS, sodium cholate and sodium deoxycholate were used as the dispersant, the first peak appeared about 6.9 minutes after the start of introduction of the channel flow, and about 10.9 A second peak appeared after minutes. The first peak was a peak of gold nanoparticles having an average particle diameter of 2 nm, and the second peak was a peak of gold nanoparticles having an average particle diameter of 5 nm.
一方、分散剤として、クエン酸、NaCl、CH3COONH4を用いた場合は、ピークが全く現れなかった。ピークが現れなかった原因は、金のナノ粒子がFFF装置の透過性膜に付着してしまい、チャネルフローによっても流出されなかったためと推測される。
また、サンプル水溶液に分散剤を添加せず、展開溶液も分散剤を含まない超純水を用いた場合は、図5に示すように、小さなピークは現れたものの、平均粒径2nm、5nmにそれぞれ対応するピークは認められなかった。
On the other hand, when citric acid, NaCl, or CH 3 COONH 4 was used as a dispersant, no peak appeared. The reason why the peak did not appear is presumed that the gold nanoparticles adhered to the permeable membrane of the FFF device and were not discharged even by the channel flow.
In addition, when the sample solution was not added with a dispersant and the developing solution was ultrapure water containing no dispersant, a small peak appeared as shown in FIG. 5, but the average particle size was 2 nm and 5 nm. There was no corresponding peak.
(実験例2)
質量%でC:0.093%、Si:0.06%、Mn:0.48%、P:0.001%、S:0.001%、V:0.26%、Ti:0.2%、sol−Al:0.027%、N:0.0012%を含み、残部が鉄及び不純物からなるモデル鋼材を用意した。モデル鋼材中には、微粒子として、Ti炭化物とV炭化物が含まれていた。Ti炭化物及びV炭化物の平均粒径は、透過型電子顕微鏡観察(TEM観察)による画像解析結果では2.9nmであり、アトムプローブトモグラフィー(APT)による観察結果では1.75nmであった。
(Experimental example 2)
By mass%: C: 0.093%, Si: 0.06%, Mn: 0.48%, P: 0.001%, S: 0.001%, V: 0.26%, Ti: 0.2 %, Sol-Al: 0.027%, N: 0.0012%, and a model steel material having the balance of iron and impurities was prepared. The model steel material contained Ti carbide and V carbide as fine particles. The average particle diameters of Ti carbide and V carbide were 2.9 nm in the image analysis result by transmission electron microscope observation (TEM observation) and 1.75 nm in the observation result by atom probe tomography (APT).
これらTi炭化物及びV炭化物のサイズ分布について、FFF法を適用して分析を実施した。 The size distribution of these Ti carbides and V carbides was analyzed by applying the FFF method.
FFF法に用いるサンプル溶液の調製は、図3に示す電解抽出装置を用いて定電流電解抽出法により微粒子を抽出分離した。予備電解を15分行なった後に本電解を500mAで2時間行ない、鋼材1g相当を電解した。電解液には、10%AA−1%TMAC−MeOH溶液を基本組成とし、電解抽出操作時に抽出された微粒子が凝集するのを防ぐ目的で、コール酸ナトリウムをFFF分析用の展開溶媒(溶離液)と同一濃度である500ppm添加したものを用いた。鋼板試料表面に抽出された残渣は、ろ過せずに500ppmコール酸ナトリウム−MeOH溶液(抽出溶液)中に鋼板試料ごと浸漬し、超音波洗浄により微粒子を溶液中に回収した。このようにしてサンプル溶液を調整した。 Preparation of the sample solution used for FFF method extracted and isolate | separated microparticles | fine-particles by the constant current electrolytic extraction method using the electrolytic extraction apparatus shown in FIG. After performing preliminary electrolysis for 15 minutes, main electrolysis was performed at 500 mA for 2 hours to electrolyze a steel material equivalent to 1 g. The electrolytic solution has a basic composition of 10% AA-1% TMAC-MeOH solution, and sodium cholate is used as a developing solvent for FFF analysis (eluent) for the purpose of preventing aggregation of fine particles extracted during electrolytic extraction operation. ) And 500 ppm added at the same concentration. The residue extracted on the surface of the steel plate sample was immersed in a 500 ppm sodium cholate-MeOH solution (extraction solution) together with the steel plate sample without filtration, and the fine particles were collected in the solution by ultrasonic cleaning. In this way, a sample solution was prepared.
FFF装置の操作条件は、実験例1の場合と同様にした。FFF法の展開溶液は、コール酸ナトリウムを500ppm含む水溶液とした。FFF装置によって分別した微粒子は、ICP質量分析装置で分析した。ICP質量分析はHot plasma(RF 1400W)での条件で実施した。また、感度を向上させるために脱溶媒試料導入法を用い、加熱140℃、冷却2℃の条件で試料を導入した。 The operating conditions of the FFF apparatus were the same as in Experimental Example 1. The developing solution of the FFF method was an aqueous solution containing 500 ppm of sodium cholate. The fine particles separated by the FFF apparatus were analyzed by an ICP mass spectrometer. ICP mass spectrometry was performed under the conditions of Hot plasma (RF 1400W). Further, in order to improve sensitivity, a solvent removal sample introduction method was used, and the sample was introduced under conditions of heating 140 ° C. and cooling 2 ° C.
また、比較例として、コール酸ナトリウムに代えてSDSを用いたこと以外は上記と同様にして、モデル鋼材中の微粒子の分析を行った。 Further, as a comparative example, fine particles in the model steel were analyzed in the same manner as described above except that SDS was used instead of sodium cholate.
熱処理なしのモデル鋼材を試料とした結果を図6及び図7に示す。図6に示すように、従来のSDSを分散剤として用いた場合は、FFFの展開溶液中に硫黄が500ppm含まれていたため、測定試料中のTiは質量スペクトル干渉を回避するために天然同位体のm/z=47で測定を実施したが、47TiはFFF展開溶液中の32S16O+によるアバンダンス干渉を受け、同様に測定試料中の51VはFFF展開溶媒中の34S16O1H+による質量スペクトル干渉を受け、微量の析出物のピークをICP質量分析で検出できなかった。48Tiは質量スペクトル干渉の影響が甚大のため未測定とした。 The results of using a model steel material without heat treatment as a sample are shown in FIGS. As shown in FIG. 6, when conventional SDS was used as a dispersant, 500 ppm of sulfur was contained in the FFF development solution, so Ti in the measurement sample was a natural isotope to avoid mass spectral interference. In the measurement sample, 47 Ti was subjected to abundance interference due to 32 S 16 O + in the FFF developing solution, and similarly 51 V in the measurement sample was 34 S 16 in the FFF developing solvent. Due to mass spectrum interference due to O 1 H + , a trace peak was not detected by ICP mass spectrometry. 48 Ti was not measured because of the influence of mass spectrum interference.
一方、分散剤としてコール酸ナトリウムを用いた場合には、図7に示すように、Ti、Vのいずれのピークも検出できる事が明らかとなり、そのサイズは平均約2.1nmであった。この値はTEM、APTで観察された粒子サイズともほぼ一致していた(TEM:2.9nm、APT:1.75nm)。 On the other hand, when sodium cholate was used as the dispersing agent, it became clear that both peaks of Ti and V could be detected as shown in FIG. 7, and the average size was about 2.1 nm. This value almost coincided with the particle size observed by TEM and APT (TEM: 2.9 nm, APT: 1.75 nm).
以上のことから、硫黄を含まない新規分散剤であるコール酸ナトリウムによるSDS代替の効果が実証された。 From the above, the effect of SDS substitution by sodium cholate, which is a novel dispersant containing no sulfur, was demonstrated.
次に、上記モデル鋼材に780℃の追加熱処理を施した測定試料を上述と同様の方法で、分析した結果を、熱処理なしの結果と重ねて、図8に示す。図8より、熱処理によって炭化物のサイズ分布が全体的に粗大化していることが明らかとなった。このように硫黄フリーの分散剤を用いたFFF法は、鋼材中のTiおよびVの析出物のサイズ分布を定量的に評価する事が可能であると考えられる。 Next, FIG. 8 shows the result of analyzing a measurement sample obtained by subjecting the model steel material to an additional heat treatment at 780 ° C. in the same manner as described above and the result without heat treatment. From FIG. 8, it was clarified that the size distribution of carbides was coarsened as a whole by the heat treatment. Thus, it is considered that the FFF method using a sulfur-free dispersant can quantitatively evaluate the size distribution of Ti and V precipitates in steel.
4…陽極、4a…鉄鋼材料、5…微粒子、6…陰極、9…電解液、14…クロスフロー(展開溶液)、15…サンプル液、16…分離セル、17…チャネルフロー(展開溶液)。 4 ... anode, 4a ... steel material, 5 ... fine particles, 6 ... cathode, 9 ... electrolyte, 14 ... cross flow (developing solution), 15 ... sample solution, 16 ... separation cell, 17 ... channel flow (developing solution).
Claims (6)
フィールドフローフラクショネーション法の展開溶液として請求項2に記載の分散剤が水に添加されてなる展開溶液を用い、前記第1ステップにて得られた前記微粒子を含む前記抽出液をサンプル液としてフィールドフローフラクショネーション法を行い、前記微粒子を粒子サイズ毎に分別する第2ステップと、
前記微粒子の成分をICP質量分析法により分析する第3ステップと、を行う鉄鋼材料中の微粒子の分析方法。 After performing electrolytic extraction on the steel material in an electrolytic solution containing the dispersant according to claim 2, the extraction is performed by immersing the steel material in an extract containing the dispersant according to claim 2. A first step of dispersing the fine particles in a liquid;
A developing solution in which the dispersant according to claim 2 is added to water as a developing solution for a field flow fractionation method, and the extract containing the fine particles obtained in the first step is used as a sample solution. A second step of performing a field flow fractionation method to separate the fine particles by particle size;
A third step of analyzing a component of the fine particles by ICP mass spectrometry; and a method of analyzing the fine particles in the steel material.
前記微粒子の成分をICP質量分析法により分析するステップと、を行う鉄鋼材料中の微粒子の分析方法。 After performing electrolytic extraction on the steel material in an electrolytic solution containing the dispersant according to claim 1, the extraction is performed by immersing the steel material in an extract containing the dispersant according to claim 1. Dispersing the fine particles in a liquid;
Analyzing the components of the fine particles by ICP mass spectrometry, and analyzing the fine particles in the steel material.
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