JP2020023410A - 粉末材料 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた流動性を有する粉末材料の提供。【解決手段】粉末材料は、第１の二次粒子と第２の二次粒子とで構成されている。第１の二次粒子は、第１の一次粒子の表面上に、第１の一次粒子よりも小径な第２の一次粒子が配されてなる粒子である。第２の二次粒子は、第２の一次粒子のみが凝集してなる粒子である。そして、第２の二次粒子のうち、粉末材料の体積基準の積算粒子径分布において小粒径側からの積算頻度が５０％となる粒子径Ｄ５０の１／３以上の二次粒子径を有する粒子の粒子数が、第１の二次粒子と第２の二次粒子の合計の粒子数の２．５個数％以下である。具体例として、異なる平均粒径Ｄ５０を持つ２種の炭化ケイ素粉末を混合する、粉末材料の製造。【選択図】図１

Description

本発明は粉末材料に関する。

例えば特許文献１、２に開示の粉末材料は、第１の一次粒子であるコア粒子の表面に第２の一次粒子である微粒子が備えられて構成された二次粒子からなる。これらの粉末材料は良好な流動性を有しているが、溶射材として使用される粉末材料や、粉末積層造形法により造形物を製造する際に使用される粉末材料には、さらなる流動性の向上が求められる場合があった。

国際公開第２０１４／１４２０１９号 国際公開第２０１５／１９４６７８号

本発明は、優れた流動性を有する粉末材料を提供することを課題とする。

本発明の一態様に係る粉末材料は、第１の二次粒子と第２の二次粒子とで構成された粉末材料であって、第１の二次粒子は、第１の一次粒子の表面上に、第１の一次粒子よりも小径な第２の一次粒子が配されてなる粒子であり、第２の二次粒子は、第２の一次粒子のみが凝集してなる粒子であり、第２の二次粒子のうち、粉末材料の体積基準の積算粒子径分布において小粒径側からの積算頻度が５０％となる粒子径Ｄ５０の１／３以上の二次粒子径を有する粒子の粒子数が、第１の二次粒子と第２の二次粒子の合計の粒子数の２．５個数％以下であることを要旨とする。

本発明に係る粉末材料は、優れた流動性を有する。

実施例２の粉末材料の電子顕微鏡像である。 比較例１の粉末材料の電子顕微鏡像である。

本発明の一実施形態について詳細に説明する。なお、以下の実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。また、以下の実施形態には種々の変更又は改良を加えることが可能であり、その様な変更又は改良を加えた形態も本発明に含まれ得る。

本実施形態の粉末材料は、第１の二次粒子と第２の二次粒子とで構成される。すなわち、本実施形態の粉末材料は、２種の二次粒子の混合物である。第１の二次粒子は、第１の一次粒子の表面上に、第１の一次粒子よりも小径な第２の一次粒子が配されてなる粒子である。すなわち、第１の二次粒子は、２種の一次粒子が凝集してなる粒子である。また、第２の二次粒子は、第２の一次粒子のみが凝集してなる粒子である。

そして、第２の二次粒子のうち、所定値以上の二次粒子径（円相当径）を有する大径な第２の二次粒子の粒子数が、第１の二次粒子と第２の二次粒子の合計の粒子数の２．５個数％以下とされている。この所定値は、粉末材料の体積基準の積算粒子径分布において小粒径側からの積算頻度が５０％となる粒子径Ｄ５０の１／３以上である。この粒子径Ｄ５０は、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定装置（例えば、株式会社堀場製作所製の“ＬＡ−９５０”）を用いて測定することができる。

このような構成の本実施形態の粉末材料は、優れた流動性を有する。本発明者らは、第１の一次粒子の表面上に第２の一次粒子が配されてなる粒子を含む粉体を製造する際に、第１の一次粒子と第２の一次粒子との混合時に形成される、大きい二次粒子径を有する第２の二次粒子が、粉末材料の流動性を低下させることを見出した。そして、粉末材料を構成する全二次粒子の粒子数に対して、所定値以上の二次粒子径を有する第２の二次粒子の粒子数の割合を低くすれば、粉末材料の流動性を優れたものとすることができることを見出した。

粉末材料の流動性を優れたものとするためには、第２の二次粒子のうち、粉末材料のＤ５０の１／３以上の二次粒子径を有する粒子の粒子数が、第１の二次粒子と第２の二次粒子の合計の粒子数の２．５個数％以下である必要があり、１．５個数％以下であることがより好ましい。

本実施形態の粉末材料の用途は特に限定されるものではないが、優れた流動性を有することから、優れた流動性が要求される種々の用途に好適に使用することができる。例えば、溶射材や、粉末積層造形法により造形物を製造する際に使用される粉末材料として使用することができる。あるいは、樹脂組成物に配合されるフィラーとして使用することもできる。

以下に、本実施形態の粉末材料について、さらに詳細に説明する。第１の一次粒子の平均一次粒子径は特に限定されるものではなく、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。第１の一次粒子の平均一次粒子径は、例えば電気抵抗法によって測定することができる。なお、第１の一次粒子の形状は、円形状であってもよく、角ばった多角形状であってもよい。第１の一次粒子が多角形状の場合、第１の一次粒子が円形状である場合と比較して、本発明の効果がより顕著に奏されるものと考えられる。

第２の一次粒子の平均一次粒子径は、第１の二次粒子を構成する第１の一次粒子と第２の一次粒子において第１の一次粒子の一次粒子径よりも第２の一次粒子の一次粒子径の方が小径となるならば特に限定されるものではなく、例えば、第２の一次粒子の平均一次粒子径は第１の一次粒子の平均一次粒子径の１／３００以上１／５０以下とすることができる。第２の一次粒子の平均一次粒子径が上記範囲内であれば、第１の一次粒子の表面上に、第１の一次粒子よりも小径な第２の一次粒子が配されてなる粒子を含む粉末材料において、より流動性が向上するという効果が奏される。第２の一次粒子の平均一次粒子径は、第１の一次粒子の平均一次粒子径の１／２００以上１／１００以下とすることがさらに好ましい。なお、第２の一次粒子の平均一次粒子径は、例えばレーザー回折・散乱法によって測定することができる。

第１の二次粒子は、大径な第１の一次粒子の表面上に小径な第２の一次粒子が配されてなる凝集粒子であるが、１個の第１の一次粒子の表面上に配される第２の一次粒子の粒子数は特に限定されるものではなく、例えば１００個以上２０００個以下とすることができる。１個の第１の一次粒子の表面上に配される第２の一次粒子の粒子数が上記範囲内であれば、流動性の向上という効果がより奏される。１個の第１の一次粒子の表面上に配される第２の一次粒子の粒子数は、１０００個以上２０００個以下とすることがより好ましく、１０００個以上１５００個以下とすることがさらに好ましい。なお、１個の第１の一次粒子の表面上に配される第２の一次粒子の粒子数は、例えば日本電子株式会社製の走査型電子顕微鏡ＪＳＭ−５９００を用いた観察によって測定することができる。

第１の一次粒子、第２の一次粒子の材質は特に限定されるものではなく、金属、セラミック、炭素、樹脂や、これらの混合物を使用することができる。第１の一次粒子と第２の一次粒子の材質は同一でもよいし、異なっていてもよいが、材料の純度の観点からは同一の材質が好ましい。第２の一次粒子の材質は、第１の一次粒子の表面に静電的に付着可能なものが好ましい。

金属としては、例えば、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛(Ｚｎ)、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）が挙げられる。セラミックとしては、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）が挙げられる。炭素としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛、フラーレンＣ６０が挙げられる。樹脂としては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、フェノール樹脂（ＰＦ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）が挙げられる。

本実施形態の粉末材料は、本発明の目的が達成される範囲であれば、所望により、第１の二次粒子、第２の二次粒子に加えて、第三の粒子を含有していてもよい。例えば、本実施形態の粉末材料が溶射材として使用される場合であれば、溶射材の各種性能を向上させるための添加剤を含有していてもよい。

〔実施例〕
以下に実施例及び比較例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。２種の炭化ケイ素粉末を種々の混合比で混合し、混合された粉末を篩にかけることによって、粉末材料を製造した。詳述すると、容器回転型混合器を用いて２種の炭化ケイ素粉末を混合した後に、混合された粉末をＪＩＳ Ｚ８８０１−１に準拠する目開き１０６μｍの篩にかけることによって、各粉末材料を製造した。

本発明の構成要件である第１の一次粒子に相当する第１の炭化ケイ素粉末は、粒度＃４００の炭化ケイ素粉末（型番：ＧＣ４００）であり、そのＤ５０は３２．０μｍである。第１の炭化ケイ素粉末のＤ５０の測定方法は電気抵抗法であり、ベックマン・コールター株式会社製の精密粒度分布測定装置マルチサイザー３を用いて測定した。第１の炭化ケイ素粉末は、角ばった多角形状の粒子からなる。

本発明の構成要件である第２の一次粒子に相当する第２の炭化ケイ素粉末は、粒度＃４００００の炭化ケイ素粉末（型番：ＧＣ４００００）であり、そのＤ５０は０．２７μｍである。第２の炭化ケイ素粉末のＤ５０の測定方法はレーザー回折・散乱式であり、マイクロトラック・ベル株式会社製のレーザー回折・散乱式粒子径分布測定装置マイクロトラックＭＴ３３００を用いて測定した。

２種の炭化ケイ素粉末の混合比は、表１に示す通りである。表１においては、粉末材料中の第２の炭化ケイ素粉末の配合割合（質量％）を示してある。参考例は、第１の炭化ケイ素粉末のみからなる粉末材料である。
第１の炭化ケイ素粉末（第１の一次粒子）と第２の炭化ケイ素粉末（第２の一次粒子）を混合すると、両一次粒子が凝集して、第１の一次粒子の表面上に第２の一次粒子が配されてなる第１の二次粒子と、第２の一次粒子のみが凝集してなる第２の二次粒子とが生成し、粉末材料が得られる。

得られた各粉末材料について、Ｄ５０を測定した。粉末材料のＤ５０の測定方法は電気抵抗法であり、ベックマン・コールター株式会社製の精密粒度分布測定装置マルチサイザー３を用いて測定した。粉末材料に水を加え超音波処理を施したものを測定サンプルとした。結果を表１に示す。

次に、各粉末材料について、第２の二次粒子の粒子数を測定した。詳述すると、日本電子株式会社製の走査型電子顕微鏡ＪＳＭ−５９００を用いて粉末材料を倍率４００倍で観察し（観察粒子数は二次粒子６００〜７００個）、粉末材料のＤ５０の１／１０以上１／３未満の二次粒子径（円相当径）を有する第２の二次粒子の粒子数、粉末材料のＤ５０の１／３以上Ｄ５０未満の二次粒子径を有する第２の二次粒子の粒子数、及び粉末材料のＤ５０以上の二次粒子径を有する第２の二次粒子の粒子数をそれぞれ測定した。そして、第１の二次粒子と第２の二次粒子の合計の粒子数に対する上記測定した各粒子数の割合（個数％）を算出した。結果を表１に示す。参考のために、図１及び図２に、実施例２及び比較例１の粉末材料のＳＥＭ像をそれぞれ例示した。

さらに、各粉末材料の流動性を評価するために、Hausner比を測定した。結果を表１に示す。Hausner比は、粉末材料のルーズ密度とタップ密度を測定し、ルーズ密度に対するタップ密度の比（タップ密度／ルーズ密度）を算出することにより求めることができる。以下にタップ密度とルーズ密度の測定方法を説明する。

タップ密度は、タップ嵩比重測定器（蔵持科学器械製作所製の粉体減少度測定機）を用いて測定した。粉末材料は１００ｇ使用し、タッピングの回数は１００回とした。使用した粉末材料の質量をタップ後の粉末材料の体積で除すれば、タップ密度を算出することができる。なお、タッピングとは、粉末材料の入ったシリンダーを持ち上げて、それ自身の質量によって所定の距離を落下させることを意味する。
ルーズ密度は、嵩比重測定器を用いて、ＪＩＳ Ｋ５１０１に準拠する方法により測定した。

表１に示す結果から分かるように、粉末材料の流動性の低下に対しては、粉末材料のＤ５０の１／３以上の二次粒子径を有する第２の二次粒子の粒子数が大きく影響を及ぼすと考えられる。また、表１に示す結果から、粉末材料の流動性を優れたものとするためには、粉末材料のＤ５０の１／３以上の二次粒子径を有する第２の二次粒子の粒子数を、第１の二次粒子と第２の二次粒子の合計の粒子数の２．５個数％以下とする必要があることが分かる。実施例１〜３の粉末材料は、第２の炭化ケイ素粉末が混合されていない第１の炭化ケイ素粉末（参考例）よりも、流動性が優れていた。

Claims (3)

1. 第１の二次粒子と第２の二次粒子とで構成された粉末材料であって、
   前記第１の二次粒子は、第１の一次粒子の表面上に、前記第１の一次粒子よりも小径な第２の一次粒子が配されてなる粒子であり、
   前記第２の二次粒子は、前記第２の一次粒子のみが凝集してなる粒子であり、
   前記第２の二次粒子のうち、前記粉末材料の体積基準の積算粒子径分布において小粒径側からの積算頻度が５０％となる粒子径Ｄ５０の１／３以上の二次粒子径を有する粒子の粒子数が、前記第１の二次粒子と前記第２の二次粒子の合計の粒子数の２．５個数％以下である粉末材料。
2. 前記第１の一次粒子及び前記第２の一次粒子の少なくとも一方がセラミックで形成された請求項１に記載の粉末材料。
3. 前記セラミックが炭化ケイ素である請求項２に記載の粉末材料。