JP3254278B2 - Method for producing mixed / composite ultrafine particles and apparatus for producing the same - Google Patents
Method for producing mixed / composite ultrafine particles and apparatus for producing the sameInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、金属、金属間化合物、
セラミックス等の均一な混合超微粒子、あるいはこれら
のうちの複数種の物質が、相互反応、合体、合金化等に
より、一粒子中に混在する複合超微粒子の製造方法及び
その装置に関する。The present invention relates to a metal, an intermetallic compound,
The present invention relates to a method and an apparatus for producing uniform ultrafine particles of ceramics or the like, or composite ultrafine particles in which plural kinds of substances are mixed in one particle by mutual reaction, coalescence, alloying or the like.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、超微粒子の製造方法として、粉砕
法やアトマイズ法等の物理的方法、ゾル・ゲル化法等の
化学的方法、及び熱プラズマ法や活性水素溶融金属反応
法等の物理化学的方法等が知られている。これらの製造
方法のうち、物理的方法は、超微粒子の粒径を小さくす
ることが困難であり、化学的方法は、超微粒子表面の活
性度を得ることが困難であるという問題点がある。これ
らに対して、物理化学的方法は、非常に高純度で、表面
が清浄であり粒径の小さな超微粒子を製造することが可
能である。そのため、物理化学的方法で得られる微細な
超微粒子は、低温焼結性や、高い触媒活性等の有用な特
性を有している。物理化学的方法による超微粒子の製造
は、原料となる物質を熱源に投入して蒸発させ、必要に
応じて反応性ガス等と反応させた後、急速冷却して超微
粒子を得ている。2. Description of the Related Art Conventionally, methods for producing ultrafine particles include physical methods such as a pulverizing method and an atomizing method, chemical methods such as a sol-gelling method, and physical methods such as a thermal plasma method and an active hydrogen molten metal reaction method. Chemical methods and the like are known. Among these manufacturing methods, the physical method has a problem that it is difficult to reduce the particle diameter of the ultrafine particles, and the chemical method has a problem that it is difficult to obtain the activity of the surface of the ultrafine particles. On the other hand, the physicochemical method can produce ultrafine particles having a very high purity, a clean surface and a small particle size. Therefore, fine ultrafine particles obtained by a physicochemical method have useful properties such as low-temperature sinterability and high catalytic activity. In the production of ultrafine particles by a physicochemical method, a substance as a raw material is put into a heat source, evaporated, reacted with a reactive gas or the like as needed, and then rapidly cooled to obtain ultrafine particles.
【0003】そして、複数の物質が混合あるいは複合し
た混合/複合超微粒子を製造する場合は、一般に上記の
方法で得られた複数種の超微粒子を、乳鉢あるいは液体
中で分散混合させる等して複数種の超微粒子の混合/複
合化等の処理を行っている。しかしながら、この方法で
複数の材料が一粒子中に複合化した完全な複合超微粒子
を得ることは不可能である。また、単に複数種の超微粒
子が混ざりあった混合超微粒子を得るにしても、超微粒
子製造装置で製造して回収された超微粒子は凝集体を形
成するため、これを個々に再分散して均一に混合するこ
とは極めて困難であり、超微粒子単位での均一な混合は
殆ど不可能に近い。このため近時、製造時に複数種の原
料を同時に超微粒子化することによる均一な混合/複合
超微粒子の製造が試みられ、例えば、前記の物理化学的
方法において、複数種の原料の混合粉末を密閉容器内の
溶解台に載置して熱プラズマにより窒素又は窒素と水素
ガスの混合ガス中で、蒸発、急冷、再凝集させて複合超
微粒子を作る方法が提案されている(特公平3−276
01号)。[0003] When producing mixed / composite ultrafine particles in which a plurality of substances are mixed or compounded, generally, a plurality of types of ultrafine particles obtained by the above method are dispersed and mixed in a mortar or liquid. Processing such as mixing / compositing a plurality of types of ultrafine particles is performed. However, it is impossible to obtain complete composite ultrafine particles in which a plurality of materials are composited in one particle by this method. In addition, even if a mixed ultrafine particle obtained by simply mixing a plurality of types of ultrafine particles is obtained, since the ultrafine particles produced and collected by the ultrafine particle manufacturing apparatus form an aggregate, they are individually redispersed. It is extremely difficult to mix uniformly, and uniform mixing in units of ultrafine particles is almost impossible. For this reason, recently, it has been attempted to produce uniform mixed / composite ultrafine particles by simultaneously micronizing a plurality of types of raw materials at the time of production. For example, in the above-mentioned physicochemical method, a mixed powder of a plurality of types of raw materials is mixed. A method has been proposed in which a composite ultrafine particle is placed on a melting table in a closed vessel and is evaporated, quenched, and re-agglomerated in nitrogen or a mixed gas of nitrogen and hydrogen gas by thermal plasma (Japanese Patent Publication No. Hei 3-). 276
No. 01).
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかながら、上記従来
の複合超微粒子の製造方法は、単一熱源であるため、複
合する各原料のそれぞれの特性に合わせて複合時の状態
を設定することができない問題がある。また、単一の熱
源ではプラズマフレームは、高温部、中間部、尾炎部か
らなる一様の形態を有し、フレームを撹乱して前記と異
なる温度域を有するプラズマフレームを形成することは
できない。そのため、各原料の物性値、なかでも融点、
沸点等が著しく異なる場合、単一熱源で得られる複合超
微粒子の組成等は、各原料の物性値及び熱源の特性値に
より一意的なものとならざるを得ず、その組成等を任意
に制御することはできない。従って、複数種の原料から
均一な混合超微粒子を製造したり、複合超微粒子を製造
したりすることはできず、また混合/複合を任意に選択
制御することは不可能であった。However, since the above-mentioned conventional method for producing composite ultrafine particles uses a single heat source, it is possible to set the composite state in accordance with the characteristics of each material to be composited. There is a problem that cannot be done. In addition, with a single heat source, the plasma frame has a uniform shape including a high-temperature portion, an intermediate portion, and a tail flame portion, and cannot disturb the frame to form a plasma frame having a temperature range different from the above. . Therefore, the physical properties of each raw material, especially the melting point,
If the boiling point is significantly different, the composition of the composite ultrafine particles obtained with a single heat source must be unique according to the physical property values of each raw material and the characteristic values of the heat source, and the composition can be controlled arbitrarily. I can't. Therefore, it was impossible to produce uniform mixed ultrafine particles or composite ultrafine particles from a plurality of kinds of raw materials, and it was impossible to arbitrarily select and control the mixing / compositing.
【0005】本発明は、物理化学的方法により複数の物
質の混合/複合超微粒子を製造する場合における従来技
術の上記問題点を解決しようとするものであり、金属、
金属間化合物、セラミックス等、又はこれらのうちの複
数種の物質の原料に対して、該原料物質を蒸発させるプ
ラズマフレームの形態を所望の状態に制御して効率的に
混合/複合超微粒子を製造することができ、且つ、混合
又は複合時の状態を制御することができ、任意組成の均
一な混合/複合超微粒子を任意に選択して製造すること
が可能な複合超微粒子の製造方法及びその装置を提供す
ることを目的とする。An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art when producing mixed / composite ultrafine particles of a plurality of substances by a physicochemical method.
Efficiently produce mixed / composite ultrafine particles by controlling the shape of the plasma flame for evaporating the raw materials of intermetallic compounds, ceramics, etc., or a plurality of these materials. A method for producing composite ultrafine particles, which is capable of controlling the state of mixing or compounding, and capable of arbitrarily selecting and producing uniform mixed / composite ultrafine particles of any composition, and a method thereof It is intended to provide a device.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記問題点
を解決し任意組成の均一な混合/複合超微粒子を得るた
めに、鋭意研究した結果、プラズマフレームの温度分布
における急激な温度勾配を利用して、複数のプラズマフ
レームの重畳状態を制御することによって、単一プラズ
マトーチでは得ることのできない撹乱フレームを得るこ
とができ、原料物質に応じてその状態を制御することに
よって効率的に超微粒子を製造することができ、且つ個
々のプラズマフレームの高温部に原料物質を供給するこ
とによって各原料物質の蒸気、クラスター、超微粒子生
成の3態を任意に選択して任意の状態での複数の材料の
複合又は混合が可能となり、任意組成の均一な混合/複
合超微粒子が得られることが判明し、本発明に到達した
ものである。Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted intensive studies to solve the above problems and obtain uniform mixed / composite ultrafine particles of an arbitrary composition. As a result, a sharp temperature gradient in the temperature distribution of the plasma flame has been found. By controlling the superimposed state of a plurality of plasma frames by using the above, it is possible to obtain a disturbed frame that cannot be obtained by a single plasma torch, and to efficiently control the state according to the raw material to efficiently obtain the disturbed frame. Ultrafine particles can be produced, and the raw material is supplied to the high-temperature portion of each plasma frame to arbitrarily select three modes of vapor, cluster, and ultrafine particle generation of each raw material, and in any state. It has been found that a plurality of materials can be combined or mixed, and uniform mixed / composite ultrafine particles having an arbitrary composition can be obtained, and the present invention has been achieved.
【0007】即ち、本発明の混合/複合超微粒子の製造
方法は、混合/複合超微粒子を熱プラズマにより製造す
る混合/複合超微粒子の製造方法であって、複数のプラ
ズマトーチにより複数のプラズマフレームを発生させ、
該複数のプラズマフレームを重畳状態又は非接触状態に
制御することにより、複数の材料物質が混合又は複合化
した超微粒子を製造することを特徴とするものである。
さらに、各プラズマフレーム内にそれぞれの原料物質を
投入し、前記複数のプラズマフレームを重畳状態又は非
接触状態に制御して、複数種の原料物質の接触時の状態
を選択することにより、複数の材料物質を混合又は複合
化させることを特徴とするものである。That is, the method for producing mixed / composite ultrafine particles of the present invention is a method for producing mixed / composite ultrafine particles by producing the mixed / composite ultrafine particles by thermal plasma. Causes
By controlling the plurality of plasma frames in a superimposed state or a non-contact state, ultrafine particles in which a plurality of material substances are mixed or combined are manufactured.
Further, by charging each raw material into each plasma frame, controlling the plurality of plasma frames in a superimposed state or a non-contact state, and selecting a state at the time of contact of a plurality of types of raw material, a plurality of It is characterized by mixing or compounding material substances.
【0008】そして、その方法を実施する製造装置は、
気密性のある反応容器内に発生させた熱プラズマフレー
ム中に原料物質を供給して、該原料物質を蒸発させ且つ
凝縮させることにより複合超微粒子を製造する複合超微
粒子装置であって、複数個のプラズマトーチを備え、該
プラズマトーチはその発生するプラズマフレームを互い
に重畳位置と非接触位置に移動制御できるように反応容
器に対して揺動可能に設けられていることを特徴とする
構成を有している。そして、各プラズマトーチは、各プ
ラズマトーチの発生するプラズマフレームの熱量、ガス
組成が任意に制御可能であることによって、原料毎に加
熱条件を設定でき望ましい。さらに、各プラズマトーチ
が発生させるプラズマフレームに対して原料物質を投入
する原料供給装置が各プラズマフレーム毎に設けること
によって、連続生産が可能である。[0008] The manufacturing apparatus for implementing the method is as follows.
A composite ultrafine particle device for producing composite ultrafine particles by supplying a raw material into a thermal plasma flame generated in an airtight reaction vessel, and evaporating and condensing the raw material, comprising: The plasma torch is provided so as to be swingable with respect to the reaction vessel so that the generated plasma frame can be controlled to move to a superimposed position and a non-contact position with respect to each other. are doing. Each plasma torch is desirably capable of setting heating conditions for each raw material by being able to arbitrarily control the amount of heat and the gas composition of the plasma frame generated by each plasma torch. Furthermore, continuous production is possible by providing a raw material supply device for supplying a raw material to a plasma frame generated by each plasma torch for each plasma frame.
【0009】[0009]
【作用】熱プラズマ法におけるプラズマフレームは、図
4に模式図で示すように、そのの温度分布は、10,0
00Kに達する高温部aと、3,000K程度の尾炎部
cと、その中間に5,000〜6,000K前後の中間部
bが存在する。従って、複数トーチから発生するプラズ
マフレームをその重畳状態を制御することによって、高
出力化すると共に単一フレームでは得ることのできない
異なる温度域の撹乱フレームを生成することができ、原
料物質に応じた最適状態のプラズマフレームを生成させ
て効率的に超微粒子を製造することができる。The temperature distribution of the plasma flame in the thermal plasma method is as shown in FIG.
There is a high temperature part a reaching 00K, a tail flame part c of about 3,000K, and an intermediate part b between 5,000 and 6,000K in between. Therefore, by controlling the superimposed state of the plasma frames generated from a plurality of torches, it is possible to increase the output and generate a disturbed frame in a different temperature range that cannot be obtained by a single frame, and it is possible to generate a disturbed frame corresponding to the raw material. Ultrafine particles can be efficiently produced by generating a plasma frame in an optimum state.
【0010】一方、前記プラズマフレームの高温部に投
入された原料は、高温部では蒸発して蒸気状態であり、
中間部bでクラスター状態を経て尾炎部cとその外周部
で雰囲気ガスと反応して核生成から超微粒子となるもの
と考えられる。従って、複数のプラズマフレームを種々
の状態で重畳させることにより、複数の物質が蒸気、ク
ラスター、あるいは超微粒子の種々の状態での組合せで
の混合/複合化が可能となる。図3は2つのプラズマト
ーチから発生するプラズマフレームの重畳状態と材料の
混合状態を表わしている。即ち、図3の(1)はそ2つ
のプラズマフレームの尾炎部のみを重畳させているか
ら、各プラズマフレームに供給された材料は超微粒子に
なった状態で混合するから均一な混合超微粒子となる。
(2)の状態では中間部同志で重畳している両材料はク
ラスター状態で接触して複合超微粒子を生成する。以
下、同様に2種の物質が、(3)蒸気状態で接触する場
合、(4)超微粒子とクラスター状態で接触する場合、
(5)クラスターと蒸気の状態で接触する場合、(6)
蒸気と超微粒子の状態で接触する場合、さらには(4)
〜(6)の状態とそれぞれ逆の状態の場合等、それぞれ
の材料の特質に応じて又は得られる混合/複合超微粒子
の目的に応じて任意に選択でき、それにより任意の組成
の混合/複合超微粒子が得られる。例えば、複数のフレ
ームの高温部同志を重畳させれば、複数の物質の混合蒸
気が得られ、その状態で尾炎部に到って超微量子が生成
されるので、複数の物質が完全に複合した新規な物質の
超微粒子が得られる。また、逆に複数のプラズマフレー
ムが上記(1)の状態あるいは完全に非接触状態にある
と、各物質は超微粒子が生成された状態で回収領域に浮
遊して混合することになり、複数の物質の超微粒子混合
物が得られる。On the other hand, the raw material charged into the high temperature section of the plasma frame evaporates and is in a vapor state in the high temperature section,
It is considered that the tail portion c and the outer peripheral portion thereof react with the atmospheric gas through the cluster state in the intermediate portion b to become ultrafine particles from nucleation. Therefore, by superimposing a plurality of plasma frames in various states, a plurality of substances can be mixed / combined in a combination of vapor, cluster, or ultrafine particles in various states. FIG. 3 shows a superposed state of plasma frames generated from two plasma torches and a mixed state of materials. That is, in FIG. 3A, since only the tail flame portions of the two plasma frames are overlapped, the material supplied to each of the plasma frames is mixed in a state of being ultra-fine particles. Becomes
In the state of (2), the two materials overlapping in the middle part contact each other in a cluster state to generate composite ultrafine particles. Hereinafter, similarly, when two kinds of substances come into contact with each other in a (3) vapor state, (4) in a cluster state with ultrafine particles,
(5) In the case of contact with the cluster in a vapor state, (6)
In the case of contact with steam in the state of ultrafine particles, furthermore, (4)
In the case of the state opposite to the state of (6), it can be arbitrarily selected according to the characteristics of each material or according to the purpose of the obtained mixed / composite ultrafine particles, whereby the mixture / composite of an arbitrary composition is obtained. Ultra fine particles are obtained. For example, if the high temperature sections of multiple frames are superimposed on each other, a mixed vapor of multiple substances is obtained, and in that state, ultratrace particles are generated at the tail flame, so that multiple substances are completely Ultrafine particles of a novel compound are obtained. On the other hand, when the plurality of plasma frames are in the above-mentioned state (1) or completely in a non-contact state, each substance floats and mixes in the collection area in a state where the ultrafine particles are generated. An ultrafine particle mixture of the substance is obtained.
【0011】さらに、トーチの個数及び原料物質の種類
を増やすことでより複雑な複合超微粒子を得ることがで
き、また従来得られなかった新素材の合成も可能とな
る。そして、複数のプラズマトーチを、各々個別のプラ
ズマ電源に接続すると共にプラズマガス供給系も個別に
設定制御可能にすることによって、各プラズマトーチに
より発生させるプラズマフレームのガス組成、ガス流
量、及び熱量を個別に制御することができる。さらに、
同時に原料供給系も個別に制御可能に取付けることによ
って、キャリアガス組成、キャリアガス流量、原料供給
速度、供給原料の種類を各プラズマフレーム毎に個別に
設定制御可能である。Further, by increasing the number of torches and the types of raw materials, more complex composite ultrafine particles can be obtained, and it is also possible to synthesize a new material which has not been obtained conventionally. Then, by connecting a plurality of plasma torches to individual plasma power sources and enabling the plasma gas supply system to be individually set and controllable, the gas composition, gas flow rate, and heat amount of the plasma frame generated by each plasma torch are controlled. Can be controlled individually. further,
At the same time, by individually controlling the source supply system, the carrier gas composition, the carrier gas flow rate, the source supply speed, and the type of the source can be individually set and controlled for each plasma frame.
【0012】本発明では各プラズマトーチは、反応容器
の上部にボールジョイント等によって、回頭運動可能に
支持されており、トーチを回頭運動させることにより、
プラズマフレームの投射領域を任意に制御することがで
きる。この回頭運動は、大きな自由度を有し、各プラズ
マフレームが(a)交錯しないで平行状態となる位置、
(b)完全に交錯する位置、(c)接触せずに交錯する
位置等種々の位置を選択できる。これにより、反応容器
中の位置のみならず、プラズマフレーム内での被重畳位
置を上記(1)〜(7)の状態の任意に選定することが
可能となり、重畳領域でのプラズマフレーム中の各原料
物質を、蒸気状態、クラスター状態、超微粒子状態の何
れの状態にも制御可能である。In the present invention, each of the plasma torches is supported by a ball joint or the like so as to be capable of turning motion on the upper part of the reaction vessel.
The projection area of the plasma frame can be arbitrarily controlled. This turning motion has a large degree of freedom, and (a) the position where each plasma frame is in a parallel state without intersecting;
Various positions can be selected, such as (b) a position where they intersect completely and (c) a position where they intersect without contact. This makes it possible to arbitrarily select not only the position in the reaction vessel but also the position to be superimposed in the plasma frame in the above-described states (1) to (7). The raw material can be controlled to any of a vapor state, a cluster state, and an ultrafine state.
【0013】[0013]
【実施例】この発明を実施するための複合超微粒子製造
装置の実施例を図3により説明する。図3に示す複合超
微粒子製造装置は、反応容器1、該反応容器の上部に気
密に取付けられた2個のプラズマトーチ2、2’、該プ
ラズマトーチに接続さたプラズマ電源装置3、3’、プ
ラズマ形成ガス源4、プラズマフレーム内に粉末原料を
供給する原料フィーダ5、5’、該原料フィーダにキャ
リアガスを供給するキャリアガス源6、反応容器と導通
された超微粒子捕集機7、該超微粒子捕集機と反応容器
間にガスを循環させるガス循環器8を含むガス循環経路
及び捕集機内のガスを外部に排出する排気装置9とから
構成されている。前記超微粒子捕集機には、前記反応容
器と連結される流入口11が形成されていると共に、上
部にガス循環経路及び排気装置につながるガス出口12
が形成された捕集筒10が設けられ、前記ガス出口部に
フィルタ13を設け、該フィルタを通ってガスが捕集筒
から出ることによって、フィルタが超微粒子を捕捉する
ようになっている。FIG. 3 shows an embodiment of an apparatus for producing composite ultrafine particles for carrying out the present invention. The apparatus for manufacturing composite ultrafine particles shown in FIG. 3 includes a reaction vessel 1, two plasma torches 2, 2 'hermetically mounted on the upper part of the reaction vessel, and plasma power supplies 3, 3' connected to the plasma torch. A plasma forming gas source 4, raw material feeders 5 and 5 ′ for supplying a powder raw material into a plasma frame, a carrier gas source 6 for supplying a carrier gas to the raw material feeder, an ultrafine particle collector 7 connected to a reaction vessel, It comprises a gas circulation path including a gas circulator 8 for circulating gas between the ultrafine particle collector and the reaction vessel, and an exhaust device 9 for discharging gas in the collector to the outside. The ultrafine particle collector has an inlet 11 connected to the reaction vessel and a gas outlet 12 connected to a gas circulation path and an exhaust device at an upper part.
Is provided, and a filter 13 is provided at the gas outlet, and when the gas passes through the filter from the collection cylinder, the filter captures the ultrafine particles.
【0014】前記各プラズマトーチ2、2’は、少なく
共揺動可能に反応容器に取付けられており、本実施例で
は球形のボールジョイント15、15’を介して取付け
られ、気密性を保ちながら回頭運動できるようになって
いる。前記ボールジョイント15、15’を保持してい
るボールジョイント保持部16、16’は、前記各プラ
ズマトーチ2、2’の中立位置における中心軸qが、反
応容器の鉛直中心線pに対してθなる角度をなすよう
に、反応容器に対して傾斜して取付けられている(図2
参照)。それにより、各ボールジョイント15、15’
が、その中立位置における中心軸qから、最大θなる角
度範囲で可動とすることで、反応容器中心軸に平行にプ
ラズマフレーム投射角度を設定することができる。本実
施例の装置ではθ=20°としてあるが、θの設定角度
は、ボールジョイント保持部を交換することで任意に変
更することができる。Each of the plasma torches 2, 2 'is attached to the reaction vessel so as to be able to swing together with a small amount. In this embodiment, the plasma torches are attached via spherical ball joints 15, 15' so as to maintain airtightness. You can turn around. The ball joint holding portions 16 and 16 ′ holding the ball joints 15 and 15 ′ have a center axis q at the neutral position of each of the plasma torches 2 and 2 ′ which is θ with respect to a vertical center line p of the reaction vessel. At a certain angle, it is attached to the reaction vessel at an angle (FIG. 2).
reference). Thereby, each ball joint 15, 15 '
However, by making it movable within an angle range of maximum θ from the central axis q at the neutral position, the plasma frame projection angle can be set in parallel with the reaction vessel central axis. In the apparatus of this embodiment, θ is set to 20 °, but the set angle of θ can be arbitrarily changed by replacing the ball joint holding portion.
【0015】以上のように構成された装置によって、複
合超微粒子の製造は次のようにして行われる。最初に排
気装置9を用いて反応容器内部を減圧後、所定の雰囲気
に調整した後、図のように配置した各プラズマトーチ
2、2’の各々でプラズマフレームF、F’を発生さ
せ、その状態で各プラズマトーチ2、2’を回頭させて
図3に例示するように必要なプラズマフレーム重畳領域
を形成する。次に、ガス循環器8及び排気装置9によ
り、反応容器内部を所定の圧力(0.03〜0.1MP
aの微減圧状態が好ましい)に調整し、一方の原料フィ
ーダ5から複数の原料粉末をプラズマフレームF内に供
給するか、又は両方の原料フィーダ5、5’から異なる
原料粉末20、21’を両方のプラズマフレームF、
F’の高温部に投入する。プラズマフレーム内への原料
の投入は、振動フィーダからなる原料フィーダで原料を
振動送りすると共にキャリアガスで搬送することにより
行われるので、安定して連続的に効率良くできる。粉末
原料は、プラズマフレームの高温部に投入されることに
よって瞬時に溶融蒸発して気相化し、プラズマフレーム
の中間部及び尾炎部を経る間に反応容器内の雰囲気ガス
と反応してクラスター状態を経て凝縮して超微粉末とな
るが、両方のプラズマトーチに原料が供給される場合
は、その過程で2つのプラズマフレームの重畳角度によ
り、2種の原料が選択された状態で接触して複合化され
て複合超微粒子となり、雰囲気ガスともども煙霧状とな
って捕集筒内に移動され、フィルターに捕捉されて捕集
筒の下部に集積させて回収できるようになっている。な
お、上記実施例の装置は、プラズマトーチが2個設けら
れている場合の装置であるが、必要に応じてプラズマト
ーチを3個以上に増やすことも可能である。また、生成
された超微粒子の捕集は、必ずしもフィルターに限るも
のでなく、静電捕集法あるいは液体を用いた捕集法も可
能である。The production of composite ultrafine particles is carried out as follows using the apparatus configured as described above. First, after the inside of the reaction vessel is depressurized by using the exhaust device 9, the atmosphere is adjusted to a predetermined atmosphere, and then the plasma frames F, F 'are generated by each of the plasma torches 2, 2' arranged as shown in the figure. In this state, each of the plasma torches 2, 2 'is turned to form a necessary plasma frame overlap region as illustrated in FIG. Next, the inside of the reaction vessel is set to a predetermined pressure (0.03 to 0.1MP) by the gas circulator 8 and the exhaust device 9.
a is preferable), and a plurality of raw material powders are supplied from one raw material feeder 5 into the plasma frame F, or different raw material powders 20 and 21 ′ are supplied from both raw material feeders 5 and 5 ′. Both plasma frames F,
Put into the high temperature part of F '. Feeding of the raw material into the plasma frame is performed by vibrating the raw material with a vibrating feeder and transporting the raw material with a carrier gas. The powdered raw material is instantaneously melted and vaporized by being injected into the high temperature part of the plasma frame and gasified, and reacts with the atmospheric gas in the reaction vessel while passing through the middle part and tail flame part of the plasma frame to form a cluster. When the raw material is supplied to both plasma torches, the two raw materials come into contact with each other in a selected state due to the overlapping angle of the two plasma frames in the process. It is compounded to form composite ultrafine particles, and the atmosphere gas is converted into a fume-like form, moved into the collection tube, captured by a filter, and collected and collected at a lower portion of the collection tube. Although the apparatus of the above embodiment is an apparatus provided with two plasma torches, the number of plasma torches can be increased to three or more as necessary. Further, the collection of the generated ultrafine particles is not necessarily limited to a filter, and an electrostatic collection method or a collection method using a liquid is also possible.
【0016】次に、上記装置によって2個のプラズマト
ーチによるCu/AlN複合超微粒子を製造した実施例を
示す。 実施条件 片方のプラズマトーチ(第1トーチ)のみに、AlxCu
y(x=50〜90,y=100-x)となるようにCuとAlを秤量・混
合した粉末原料を供給し、他方のプラズマトーチ(第2
トーチ)には原料を供給しない。 反応容器内圧 : 0.07MPa 反応容器雰囲気: Arガス雰囲気 トーチ個数 : 2 トーチ対向角度: 約80度(2つのプラズマフレ
ームが高温部で重畳) 第1トーチ作動条件 電流: 200A 電圧: 60V ガス:Ar=0.133l/s N2=0.116l/s 原料供給速度:0.18g/s 第2トーチ作動条件 電流: 250A 電圧: 40V ガス:Ar=0.166l/s N2=0.050l/s 原料供給せず。 得られた複合超微粒子について、TEM観察を行った。
その結果、図5及び図6のTEM写真に示すように、x
=70以上の組成では、長さ50〜100nmの六角形デ
ィスク状のAl表面に直径約10nmのCuと考えられる半
球状のものが10〜20個伴ったCu-Al複合超微粒子
が確認された。このように、本実施例によれば、2種の
原材料が一粒子中に完全に複合した状態の複合超微粒子
を得ることができ、従来法では不可能あるいは困難であ
った均一混合/複合超微粒子が容易に製造可能であるこ
とが確認された。Next, an example in which Cu / AlN composite ultrafine particles are produced by two plasma torches by the above apparatus will be described. Implementation conditions Only one of the plasma torches (first torch), AlxCu
y (x = 50-90, y = 100-x), and feed a powdered raw material in which Cu and Al are weighed and mixed, and supply the other plasma torch (second
No raw material is supplied to the torch. Reaction vessel internal pressure: 0.07 MPa Reaction vessel atmosphere: Ar gas atmosphere Number of torches: 2 Torch facing angle: Approximately 80 degrees (two plasma frames overlap at high temperature part) First torch operating condition Current: 200 A Voltage: 60 V Gas: Ar = 0.133 l / s N 2 = 0.116 l / s Raw material supply rate: 0.18 g / s Second torch operating condition Current: 250 A Voltage: 40 V Gas: Ar = 0.166 l / s N 2 = 0.050 l / s No raw material supplied. TEM observation was performed on the obtained composite ultrafine particles.
As a result, as shown in the TEM photographs of FIGS. 5 and 6, x
With a composition of = 70 or more, Cu-Al composite ultrafine particles having a hexagonal disk-like Al surface having a length of 50 to 100 nm and 10 to 20 hemispherical particles considered to be Cu having a diameter of about 10 nm were confirmed on the surface. . As described above, according to the present embodiment, it is possible to obtain composite ultrafine particles in a state where two kinds of raw materials are completely composited in one particle, and it has been impossible or difficult to achieve uniform mixing / composite superfine particles by the conventional method. It was confirmed that the fine particles could be easily produced.
【0017】なお、本発明の混合/複合超微粒子製造装
置は、必ずしも上記実施例に限るものでなく、その技術
的思想の範囲内で種々の設計変更が可能である。例え
ば、上記実施例ではプラズマトーチのボールジョイント
部に原料粉末を供給しているが、場合によっては反応容
器の天板中央からフレーム重畳部に投入するようにする
ことも可能てある。また、反応容器内に上下動できるハ
ースを取付けると、バルク材も使用可能である。また、
前記実施例ではプラズマトーチは、直流プラズマトーチ
の場合であるが、高周波プラズマトーチの使用も可能で
ある。The apparatus for producing mixed / composite ultrafine particles of the present invention is not necessarily limited to the above embodiment, and various design changes can be made within the scope of the technical idea. For example, in the above embodiment, the raw material powder is supplied to the ball joint portion of the plasma torch. However, in some cases, the raw material powder may be supplied from the center of the top plate of the reaction vessel to the frame overlapping portion. If a hearth that can move up and down is installed in the reaction vessel, a bulk material can be used. Also,
In the above embodiment, the plasma torch is a DC plasma torch, but a high frequency plasma torch can also be used.
【0018】[0018]
【発明の効果】本発明は、次のような格別の効果を奏す
るものである。複数のプラズマトーチを有することによ
って、高出力を得ることができると共に、各プラズマト
ーチから発生するプラズマフレームをその重畳状態を制
御することによって、単一フレームでは得ることのでき
ない温度域を有する撹乱フレームを生成することができ
るので、原料物質に応じた最適状態のプラズマフレーム
を生成させて効率的に超微粒子を製造することができ
る。複数のプラズマフレームを種々の状態で重畳させる
ことができるので、複数の物質を蒸気、クラスター、あ
るいは超微粒子の任意の状態で接触させることができ、
それらの組合せを選択することにより複数の物質の混合
/複合化の制御が可能である。それにより、金属、金属
間化合物、セラミックス等、又はこれらのうちの複数種
の物質を原料とする任意組成の均一な混合/複合超微粒
子を製造することができ、従来得られなかった新素材の
合成も可能である。複数のプラズマトーチは、個別の電
源に接続され、また原料供給系、プラズマガス供給系
も、個別に制御可能になっているので、各プラズマフレ
ームのガス組成、ガス流量、熱量を個別に制御すること
ができる。また、プラズマフレームへの原料供給系を個
別に取付けることで、キャリアガス組成、キャリアガス
流量、原料供給速度、供給原料の種類を個別に設定制御
が可能であり、物質の特質に応じて最適な超微粒子生成
状態を設定することができ、融点や沸点が著しく異なる
複数の原料同士でも完全な複合化が可能である。The present invention has the following special effects. By having a plurality of plasma torches, a high output can be obtained, and by controlling the superposed state of the plasma frames generated from each plasma torch, a disturbed frame having a temperature range that cannot be obtained by a single frame. Can be generated, so that an ultrafine particle can be efficiently produced by generating a plasma flame in an optimum state according to the raw material. Since a plurality of plasma frames can be superimposed in various states, a plurality of substances can be brought into contact with any state of vapor, cluster, or ultrafine particles,
By selecting those combinations, it is possible to control the mixing / compositing of a plurality of substances. This makes it possible to produce uniform mixed / composite ultrafine particles of any composition using metals, intermetallic compounds, ceramics, etc., or a plurality of these materials as raw materials. Synthesis is also possible. The plurality of plasma torches are connected to individual power sources, and the raw material supply system and the plasma gas supply system can be individually controlled, so that the gas composition, gas flow rate, and heat amount of each plasma frame are individually controlled. be able to. In addition, by separately mounting the raw material supply system to the plasma frame, the carrier gas composition, the carrier gas flow rate, the raw material supply speed, and the type of the raw material can be individually set and controlled. The state of ultrafine particle generation can be set, and complete compounding is possible even with a plurality of raw materials having remarkably different melting points and boiling points.
【図1】本発明の実施例に係る複合超微粒子製造装置の
構成概略図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a composite ultrafine particle manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
【図2】図1の装置におけるプラズマトーチの設置態様
説明図である。FIG. 2 is an explanatory view of an installation mode of a plasma torch in the apparatus of FIG.
【図3】図1の装置におけるプラズマフレームの重畳状
態の例示である。FIG. 3 is an example of a superimposed state of a plasma frame in the apparatus of FIG. 1;
【図4】プラズマフレームの模式図である。FIG. 4 is a schematic view of a plasma frame.
【図5】本発明の実施例装置で製造した複合超微粒子の
粒子構造を示すTEM(透過電子顕微鏡)写真である。FIG. 5 is a TEM (transmission electron microscope) photograph showing the particle structure of the composite ultrafine particles manufactured by the apparatus according to the example of the present invention.
【図6】図5で示す複合超微粒子の要部を拡大した粒子
構造を示すTEM(透過電子顕微鏡)写真である。6 is a TEM (transmission electron microscope) photograph showing a particle structure in which a main part of the composite ultrafine particle shown in FIG. 5 is enlarged.
フロントページの続き (72)発明者 岡根 功 愛知県豊橋市北山町字東浦2ー1 合同 宿舎高師住宅5ー201 (72)発明者 梅本 実 愛知県豊橋市平川本町2ー9ー14 (72)発明者 上北 弘樹 愛知県豊橋市天伯町雲雀ヶ丘1ー1 豊 橋技術科学大学生産システム工学系内 (56)参考文献 特開 平3−226509(JP,A) 特開 昭63−221842(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B22F 9/04 - 9/14 Continuing on the front page (72) Inventor Isao Okane 2-1 Higashiura, Kitayama-cho, Toyohashi-shi, Aichi Prefecture Joint Dormitory Takashi Housing 5-201 (72) Inventor Minoru Umemoto 2-9-1-14 Hirakawa Honmachi, Toyohashi-shi, Aichi (72) Inventor Hiroki Kamikita 1-1, Hibarigaoka, Tenhaku-cho, Toyohashi-shi, Aichi Pref. Toyohashi University of Technology (56) References JP-A-3-226509 (JP, A) JP-A-63-221842 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) B22F 9/04-9/14
Claims (5)
製造する混合/複合超微粒子の製造方法であって、複数
のプラズマトーチにより複数のプラズマフレームを発生
させ、該複数のプラズマフレームを重畳状態又は非接触
状態に制御することにより、複数の材料物質が混合又は
複合化した超微粒子を製造することを特徴とする混合/
複合超微粒子の製造方法。1. A method for producing mixed / composite ultrafine particles by producing mixed / composite ultrafine particles by thermal plasma, wherein a plurality of plasma frames are generated by a plurality of plasma torches, and the plurality of plasma frames are superposed or overlapped. By controlling to a non-contact state, a plurality of material substances are mixed or compounded to produce ultrafine particles.
A method for producing composite ultrafine particles.
製造する混合/複合超微粒子の製造方法であって、複数
のプラズマトーチにより複数のプラズマフレームを発生
させ、各プラズマフレーム内にそれぞれ原料物質を投入
し、前記複数のプラズマフレームを重畳状態又は非接触
状態に制御して、複数種の原料物質の接触時の状態を選
択することにより、複数の材料物質を混合又は複合化さ
せることを特徴とする混合/複合超微粒子の製造方法。2. A method for producing mixed / composite ultrafine particles by producing mixed / composite ultrafine particles by thermal plasma, wherein a plurality of plasma frames are generated by a plurality of plasma torches, and a raw material is placed in each plasma frame. Throwing, controlling the plurality of plasma frames in a superimposed state or a non-contact state, and selecting a state at the time of contact of a plurality of types of raw materials, thereby mixing or complexing a plurality of material substances. To produce mixed / composite ultrafine particles.
プラズマフレーム中に原料物質を供給して、該原料物質
を蒸発させ且つ凝縮させることにより混合/複合超微粒
子を製造する混合/複合超微粒子製造装置であって、複
数個のプラズマトーチを備え、該プラズマトーチはその
発生するプラズマフレームを互いに重畳位置と非接触位
置に移動制御できるように反応容器に対して少なくとも
揺動可能に取付けられていることを特徴とする混合/複
合超微粒子の製造装置。3. A mixed / composite in which a raw material is supplied into a thermal plasma flame generated in an airtight reaction vessel, and the raw material is evaporated and condensed to produce mixed / composite ultrafine particles. An apparatus for producing ultrafine particles, comprising a plurality of plasma torches, the plasma torches being at least swingably mounted on a reaction vessel so that generated plasma frames can be controlled to move to a superimposed position and a non-contact position. An apparatus for producing mixed / composite ultrafine particles, characterized in that:
フレームに対して原料物質を投入する原料供給装置が各
プラズマフレーム毎に設けられている請求項3の混合/
複合超微粒子製造装置。4. The mixing / mixing apparatus according to claim 3, wherein a raw material supply device for supplying a raw material to a plasma frame generated by each plasma torch is provided for each plasma frame.
Composite ultrafine particle manufacturing equipment.
の発生するプラズマフレームの熱量、ガス組成が任意に
制御可能であることを特徴とする請求項3又は4の混合
/複合超微粒子製造装置。5. The apparatus for producing mixed / composite ultrafine particles according to claim 3, wherein each plasma torch can arbitrarily control a calorific value and a gas composition of a plasma frame generated by each plasma torch.
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