JP2836239B2 - 酸化亜鉛ウイスカの連続製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、核部とその核部から異る４方向にのびた針
状結晶部とからなる酸化亜鉛ウィスカの連続製造装置に
関する。

従来の技術 酸化亜鉛ウィスカは各種材料の補強材，電子部品材料
等として、その用途は広い範囲におよんでいる。

この酸化亜鉛ウィスカの製造方法としては、次のもの
が従来より知られている。

（１） 例えば特開昭50−6597号公報に開示されている
ように、亜鉛および亜鉛よりも沸点の高い金属（例えば
銅，アルミニウム，錫，鉛等）よりなる亜鉛合金または
その混合物を、タンマン管等の容器内に入れるとともに
その容器を加熱炉内に納めてその容器ごと酸素含有雰囲
気下で900〜1400℃に加熱して亜鉛蒸気を発生させ、こ
の蒸気を雰囲気中の酸素と接触させて、アルミナ焼結
体，ムライト焼結体等の下地物質上に酸化亜鉛ウィスカ
を生成させることにより針状酸化亜鉛を得る。

（２） 特公昭60−5529号公報に開示されているよう
に、外筒内に配置した内筒内に金属亜鉛を収容し、その
内筒体を窒素ガス，アルゴンガス等の不活性キャリアガ
ス雰囲気としつつ前記金属亜鉛を加熱して亜鉛蒸気を発
生させ、生じた金属亜鉛蒸気を前記キャリアガスにより
前記外筒内の酸素含有雰囲気中へ噴出させて亜鉛を酸化
燃焼させたのち直ちに、生成した酸化亜鉛を例えば冷却
用空気の吹き込みによって480℃／秒以上の冷却速度で
急冷することにより針状酸化亜鉛を得る。

（３） 米国特許第2,331,559号明細書および図面にお
いては、亜鉛蒸気を規定された燃焼ゾーン中で予熱され
た空気で燃焼する。予熱空気は亜鉛蒸気に接触する前に
1200℃近傍に予熱されており、生成した針状酸化亜鉛を
迅速かつ継続して前述のゾーンから排出して燃焼中の亜
鉛蒸気と生成したものの後戻りをさけることを開示して
いる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、前記（１）に挙げた方法では、ウィス
カ生成の下地物質が必要であり、下地物質を必要とする
ことからウィスカの連続生産に適さないとともに、原料
としてわざわざ亜鉛よりも沸点の高い金属を準備しなけ
ればならないという欠点がある。

前記（２）の方法では、金属亜鉛を加熱して亜鉛蒸気
を得て、燃焼させた後、480℃/sec以上の冷却速度で急
冷することが必要であるという技術的問題点がある。

前記（３）の方法では、亜鉛蒸気と予熱空気は、同一
ノズルより吹出され、急激な酸化反応を行なう。これは
大気中で燃焼させて亜鉛華を得る方法と類似しており、
歩留のよい針状酸化亜鉛ウィスカを得ることはできな
い。また吹出ノズルは横向きに設置されているため、吹
出し速度が遅ければ反応室内に滞留する。さらに生成し
た針状酸化亜鉛ウィスカを迅速に排出するため外部から
吸引すれば炉内の反応そのものに影響を与える。

例示した３つの従来の技術は、上記したようにそれぞ
れ課題を有しており、さらに、例示した方法において得
られる針状亜鉛結晶は針状部が数μｍと寸法的に小さ
く、形状的にも不均一のものであった。

本発明は上記課題を解決するもので、一般的な金属亜
鉛または粉末亜鉛から、核部とその核部から異る４方向
にのびた針状部からなる結晶（以下テトラ状と称する）
で寸法的に従来のものよりはるかに大きく、形状的に均
一な酸化亜鉛ウィスカを、効率よく大量に安定して連続
製造できる装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 上記目的を達成するために本発明においては、上部に
ダクトが接続された筒形状のガス流動層炉と、その炉内
の温度を950℃以上で1400℃以下に維持するためのヒー
ターと、上記ガス流動層炉内に設置され材料亜鉛を溶融
し蒸発させるためのるつぼとそのるつぼを加熱するバー
ナーとそのバーナーから燃焼性ガスと酸化性ガスを燃焼
させる燃焼筒とからなる亜鉛蒸発部と、酸素または酸素
含有ガスを放出する多数の吹出口を側面に有する酸化性
ガス供給筒とからなり、亜鉛蒸気をガス流動層炉内壁か
らの輻射熱に加え前記燃焼性ガスの余剰分と亜鉛蒸気の
混合ガスを燃焼させることにより加熱し、亜鉛蒸気を酸
化させるとともにガス流動層炉内に上記気流を発生さ
せ、亜鉛蒸気と不活性化した燃焼生成ガスと生成過程に
ある酸化亜鉛ウィスカを前記上昇気流によって上昇さ
せ、上記酸化性ガス供給筒より供給された酸化性ガスに
よって形成された酸化雰囲気内を亜鉛蒸気と生成過程に
あった酸化亜鉛ウィスカが通過しながら酸化亜鉛ウィス
カとして成長し、ガス流動層炉上部のダクトを経て所定
の場所に酸化亜鉛ウィスカを導き捕集するように酸化亜
鉛ウィスカの連続製造装置を構成したものである。

作用 上記した手段によれば、内部温度が950℃以上で1400
℃以下に保たれたガス流動層炉において、るつぼから発
生した亜鉛蒸気が燃焼筒内で燃焼しきれなかった余剰の
燃焼ガスと混合し燃焼筒側から供給された酸化性ガスに
よって燃焼し、亜鉛蒸気の酸化を起こさせるのと同時に
ガス流動層炉内に上昇気流を生じさせ、亜鉛蒸気と不活
性化した燃焼生成ガスと生成過程にある酸化亜鉛ウィス
カが上記上昇気流によって上昇する。ガス流動層炉内を
上昇する亜鉛蒸気と生成過程にある酸化亜鉛ウィスカ
は、ガス流動層炉内の高温化で酸化性ガス供給筒から供
給される酸化性ガスにさらされて酸化され亜鉛蒸気は酸
化亜鉛ウィスカとなり、また先に生成過程にあった酸化
亜鉛ウィスカとともに成長し、寸法的に大きく、形状的
に均一なテトラ状の酸化亜鉛ウィスカが連続的に製造で
きる。

テトラ状の酸化亜鉛ウィスカは核部を中心に４方向に
伸びた針状結晶であり、見掛上の密度が低くガス流動層
炉内に沈降することなく、ガス流動層炉内の気流によっ
て運ばれ所定の位置に捕集することができる。

実施例 以下、その実施例を図面を参照して説明する。

第１図に本発明の酸化亜鉛ウィスカの連続製造装置の
一実施例を示す。

図において、１は筒状のガス流動層炉、２は亜鉛蒸発
部、３は亜鉛蒸発部用の昇降機構部、４はバーナー、５
は燃焼筒、６はるつぼ、７はるつぼ６に貯留された材料
亜鉛、るつぼ６の高さを調整するためのスペーサー、９
は外周面に多数の吹出口を有する酸化性ガス供給筒、10
はガス流動層炉１の上端部、11は開口部、12はダクト、
13はヒーター、14は生成したテトラ状の酸化亜鉛ウィス
カ、15は亜鉛蒸気再加熱部、16は酸化反応部、17は自由
境界領域である。

上記構成の実施例においては、亜鉛の溶融および蒸発
の熱源として、ガス流動層炉１の内壁面からの輻射熱の
他に燃焼ガスを採用しているため、亜鉛蒸発部２は燃焼
ガスのバーナー４、燃焼筒５を有しており、燃焼筒５の
上部にスペーサー８を介してるつぼ６が設置されてい
る。るつぼ６の中には金属亜鉛または粉末亜鉛さらには
金属亜鉛と粉末亜鉛の混合物が貯留されており、るつぼ
６は上記熱源により1000℃以上の温度に保たれているの
で、中に貯留された材料亜鉛は溶融状態にあり５〜８時
間の時間をかけて連続的に蒸発する。この単位時間当り
の蒸発量は溶融亜鉛の表面積と加熱温度および流動ガス
速度によって決まる。ここで流動ガスと称している燃焼
ガスおよび燃焼によって生じた不活性の燃焼生成ガスの
流れであり、キャリアガスとも呼ばれる。

るつぼ６の上方には酸化性ガス供給筒９が位置してお
り、ガス流動層炉１内に酸化性ガスを供給している。る
つぼ６と酸化性ガス供給筒９の間の空間は、亜鉛蒸気が
燃焼筒側から供給される燃焼ガスと混合され同じく燃焼
筒側から供給される酸化性ガスによって燃焼し、亜鉛蒸
気が再加熱される空間で、本実施例ではるつぼ６と酸化
性ガス供給筒９の端部との距離を約500mmとした。

この結果、ガス流動層炉１の内部には下から上に向っ
て亜鉛蒸気再加熱部15,反応部16および自由境界領域17
の３つの階層を生じている。ただし、階層の境界は明確
なものではない。

まず、亜鉛蒸気再加熱部15では、上述の通り亜鉛蒸気
と燃焼筒側から供給される燃焼ガスが混合し、同じく燃
焼筒側から供給される酸化性ガスによって燃焼し亜鉛蒸
気が再加熱されるが、亜鉛蒸気の一部は酸素と結合し微
小な生成段階の酸化亜鉛ウィスカとなり、燃焼ガスは燃
焼しつくして不活性のガスとなり生成した酸化亜鉛ウィ
スカを上方に運ぶキャリアガスとなる。

反応部16では、酸化性ガス供給筒９から酸化性ガスが
供給され酸化性雰囲気を形成している。この酸化性雰囲
気中にキャリアガスによって運ばれた亜鉛蒸気が酸化さ
れて酸化亜鉛ウィスカが生成成長し、亜鉛蒸気再加熱部
で生成した微小な酸化亜鉛ウィスカは成長する。反応部
16に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給筒９には多数
の酸化性ガスの吹出口が設けられている。

本実施例では、酸化性ガス供給筒９の上部および下部
を密に中間を粗になるように吹出口を設けてある。噴出
速度が早い場合には、酸化亜鉛ウィスカは大小のばらつ
きが大きく、酸化亜鉛ウィスカが生成せず、亜鉛華が生
成し易い。噴出速度が遅過ぎる場合は噴出口に酸化亜鉛
がつまって、ガスの噴出を阻害する。

自由境界領域17では、反応部16で生成した酸化亜鉛ウ
ィスカがキャリアガスによって運ばれてきて、この領域
を通過中にさらに結晶が成長し、亜鉛蒸気の酸化反応を
終結する。

このようにしてガス流動層炉１の上端部10に達した酸
化亜鉛ウィスカは開口部11からダクト12を経て図示され
ていない捕集器に捕集される。

このようにして得られた酸化亜鉛ウィスカはいずれも
テトラ状の針状結晶である。また、サイズ的には核部の
径が0.7〜14μｍ、針状部の長さが３〜300μｍのものが
得られる。比較のため、キャリアガスとして燃焼性ガス
に代えて酸素を含むガス、例えば空気を用い、他は上記
実施例と実値上同条件で酸化亜鉛ウィスカの製造を試み
たが、粒子状の酸化亜鉛すなわち亜鉛華が生成し、テト
ラ状の酸化亜鉛ウィスカは得られなかった。

本実施例においては亜鉛蒸発部２はガス流動層炉１と
は分離可能であり、昇降機構部３により亜鉛蒸発部２を
下方に離脱させることができる。金属または粉末単独ま
たは金属と粉末の材料亜鉛をるつぼ６に充填する場合に
は亜鉛蒸発部２を下方に引出して行なう。ガス流動層炉
１の炉内温度を950℃以上に上昇させた後亜鉛をるつぼ
に充填した亜鉛蒸発部２をガス流動層炉１に押し込む
が、その前に材料亜鉛を予熱溶融しておくほうが、装置
運転上効率的である。材料亜鉛としては酸化被膜を有す
るものも使用できる。

なお、本発明の酸化亜鉛ウィスカの連続製造装置にお
いて十分に大きく、かつ形状が均一な酸化亜鉛ウィスカ
を得るための、または効率的に運転を行なうための要点
として、 （１） 酸化性ガス供給筒９と亜鉛蒸発部（るつぼ６）
の相対的高さ関係。

（２） 酸化性ガス供給筒のガス吹出口の密度と密度の
分布。

があり重要である。

さらに、ガス流動層炉の炉内圧力を大気より高目に設
定することによりキャリアガスの上昇ガス流を助長する
ことが可能であり、その圧力差は炉高によって異り、炉
高が1mの場合1mmAg±30％の圧力差であって、炉高が1m
増えるごとに1mmAg±30％の圧力差を増した場合に最も
好しい結果が得られる。

また、ダクトが長くダクトの先に吸引器を取付け、生
成した酸化亜鉛ウィスカを吸引によって捕集しようとす
る場合に、ガス流動層炉内のキャリアガスの上昇速度を
必要以上に加速すると反応が終了しないまま亜鉛蒸気が
炉外に出ていくので、キャリアガスの上昇速度を変えな
い程度の風量の吸引器を選ぶことが必要である。

発明の効果 以上の説明からも明らかなように本発明によれば、亜
鉛蒸気はキャリアガスによって上昇しながら酸化性ガス
に接触するので、酸化亜鉛ウィスカの生成効率が高く、
寸法的に従来のものに比し数倍〜数十倍で、かつ形状的
に均一な酸化亜鉛ウィスカを連続的に製造する装置を実
現できる。

また、本発明の装置においては、金属亜鉛または粉末
亜鉛を単独でも、またはそれらを混合したものでも材料
として使用することが可能であり、さらに酸化被膜を有
する材料も使用できることから極めて対応性がよく経済
的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の酸化亜鉛ウィスカの連続製造装置の一
実施例を示す縦断面図である。 １……ガス流動層炉、２……亜鉛蒸発部、３……昇降機
構部、４……バーナー、５……燃焼筒、６……るつぼ、
７……材料亜鉛、９……酸化性ガス供給筒、11……開口
部、12……ダクト、13……ヒーター、14……酸化亜鉛ウ
ィスカ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷川 勝明 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−227996（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−144995（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上部にダクトが接続された筒形状のガス流
   動層炉と、その炉内の温度を950℃以上で1400℃以下に
   維持するためのヒーターと、上記ガス流動層炉内に設置
   され材料亜鉛を溶融し蒸発させるためのるつぼとそのる
   つぼを加熱するバーナーとそのバーナーから供給された
   燃焼性ガスと酸化性ガスを燃焼させる燃焼筒とからなる
   亜鉛蒸発部と、酸素または酸素含有ガスを放出する多数
   の吹出口を側面に有する酸化性ガス供給筒とからなり、
   亜鉛蒸気をガス流動層炉内壁からの輻射熱に加え前記燃
   焼性ガスの余剰分と亜鉛蒸気の混合ガスを燃焼させるこ
   とにより加熱し、亜鉛蒸気を酸化させるとともにガス流
   動層炉内に上記気流を発生させ、亜鉛蒸気と不活性化し
   た燃焼生成ガスと生成過程にある酸化亜鉛ウィスカを前
   記上昇気流によって上昇させ、上記酸化性ガス供給筒よ
   り供給された酸化性ガスによって形成された酸化雰囲気
   内を亜鉛蒸気と生成過程にあった酸化亜鉛ウィスカが通
   過しながら酸化亜鉛ウィスカとして成長し、ガス流動層
   炉上部のダクトを経て所定の場所に酸化亜鉛ウィスカを
   導き捕集する酸化亜鉛ウィスカの連続製造装置。
2. 【請求項２】燃焼性ガスと混合されてガスバーナーから
   供給される酸化性ガスと酸化性ガス供給筒から供給され
   る酸化性ガスの総量を十分に保ち、酸化性ガス供給筒の
   側面に設けられた酸化性ガス吹出口の密度の分布を変え
   ることにより、ガス流動層炉内での酸化反応を起す位置
   および反応時間を変えることを特徴とする請求項１記載
   の酸化亜鉛ウィスカの連続製造装置。
3. 【請求項３】金属亜鉛と粉末亜鉛のどちらか単独またそ
   の両方を原料として使用する請求項１記載の酸化亜鉛ウ
   ィスカの連続製造装置。
4. 【請求項４】ガス流動層炉の炉内圧力を大気圧より高く
   設定し、炉高1mにつき1mmAg±30％の内外圧力差を保
   ち、不活性ガス供給圧力がその内部圧力より高く、ガス
   流動層炉内の不活性ガスによる上昇ガス流を助長するこ
   とを特徴とする請求項１記載の酸化亜鉛ウィスカの連続
   製造装置。
5. 【請求項５】ガス流動層炉に供給されるガスの時間当り
   総量に等しい風量の吸引器と、酸化亜鉛ウィスカの捕集
   器を備え、排ガスとともに酸化亜鉛ウィスカを吸引する
   ことを特徴とする請求項１記載の酸化亜鉛ウィスカの連
   続製造装置。