JP3957581B2

JP3957581B2 - 球状シリカ粉末の製造方法

Info

Publication number: JP3957581B2
Application number: JP2002210457A
Authority: JP
Inventors: 修國友; 登志昭石丸; 晋水谷
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2022-07-19
Also published as: JP2004051409A

Description

【０００１】
【発明に属する技術分野】
本発明は、平均粒子径０．０１〜３μｍの球状シリカ粉末の製造方法に関する。詳しくは、樹脂やゴムの充填剤として、単独もしくは他の粉末と混合して使用した場合に、成形体の強度を上げたり、粘度を下げたりする作用を有する平均粒子径０．０１〜３μｍの球状シリカ粉末を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、無機質原料粉末を含むスラリーを高温火炎に噴霧して球状化する方法においては、原料粉末の媒体として水や可燃性液体が用いられている。しかし、媒体の種類によって火炎中に噴霧する際の液滴の大きさが異なるため、得られた球状無機質粉末の粒径は大きく変化する。水を用いた場合では、その媒体の表面張力が大きいので液滴も大きくなり、球状無機質粉末の粒径を大きくすることは容易であっても小さくすることは困難である。
【０００３】
一方、特開平１１−１４７７１１号公報には、可燃性液体を用い球状アルミナの超微粉を製造する方法が記載されている。ここで用いられる媒体は、噴霧燃焼工程において分散液中の原料を溶融する程度の燃焼温度を発生させることができる限り限定しないと述べているだけであり、液滴径を小さくさせる作用については考慮されていない。したがって、実施例に記載している灯油等を用いた場合には液滴径が大きくなってしまうこと、また蒸発が遅いことから、得られた球状の無機粉末は水媒体時よりは小粒径であっても、満足するまでには至らなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題を解決したものであり、平均粒子径０．０１〜３μｍの球状シリカ粉末の製造方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、無機質原料粉末を含むスラリーを高温火炎に噴霧して球状化する方法において、上記スラリーが、平均一次粒子径５μｍ以下の無機質原料粉末と水分１質量％以下のメタノールからなる液比重１．３５ｋｇ／Ｌ以下のものであり、これを液滴の平均径５．０〜１４．３μｍ、５０μｍ以上の液滴が５質量％以下として噴霧するものであり、上記無機質原料粉末が金属シリコン粉末であることを特徴とする、平均粒子径０．０１〜３μｍの球状シリカ粉末の製造方法である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明について説明する。
【０００７】
本発明において、平均粒径０．０１〜３μｍという超微粉の球状シリカ粉末を得るために、メタノール媒体中に金属シリコン粉末を分散させ、高温火炎に噴霧する手法を用いた。これによって、従来の乾燥粉を空気輸送する手法よりも原料粉末の分散性がよく、定量的に高温火炎へ供給できるため、超微粉の球状シリカ粉末を製造することができる。
【０００８】
金属シリコン粉末が火炎中で球状化するメカニズムは二種類に分けられる。一つは、媒体の蒸発が早く液滴内の粒子は個々に分かれ球状化するものと、もう一つは液滴内に含まれた金属シリコン粉末同士が一粒子化してしまうものがある（液滴内合着）。そのため、平均粒径０．０１〜３μｍの超微粉球状粒子を得るには、この液滴内合着を減らすこと、液滴を小さくすることが必要である。
【０００９】
本発明において、水分１質量％以下のメタノールを媒体に用いた理由は、メタノールは表面張力が小さいので噴霧時の液滴径を微小にできるからである。たとえば、表面張力が大きい水を用いると、捕集された球状シリカ粉末は目的粒度よりも大きい結果となる。第二の理由は、沸点が低いため、上記液滴内合着の割合を抑え、超微粉の球状粒子を得ること可能となることである。純度が高いメタノールを容易に入手できることも重要な選択理由となっている。メタノールと表面張力の値が近い灯油では、蒸発が遅いため液滴内合着の割合が増え球状シリカ粉末が大きくなるだけでなく、硫黄成分の混入が懸念される。
【００１０】
また、本発明で用いるメタノールは水分が１質量％以下でなければならない。水分が１質量％よりも多いメタノールは、表面張力は大幅に上がらないものの、火炎中での蒸発が不均一に起こり、平均粒子径０．０１〜３μｍの球状シリカ粉末の製造が困難となる。
【００１１】
本発明では、球状シリカ粉末の超微粉を得るために、金属シリコン粉末の平均一次粒子径が５μｍ以下でなければならない。さらに好ましくは１μｍ以下である。５μｍよりも大きいと液滴径が大きくなってしまい、平均粒径が０．０１〜３μｍの球状シリカ粉末は得られない。
【００１２】
金属シリコン粉末の平均一次粒子径が５μｍ以下であっても、その分散性を向上させるために、ノニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、高分子系界面活性剤等の各種界面活性剤を用いることができる。界面活性剤による金属シリコン粉末の表面処理法としては、乾式法による流体ノズルを用いた噴霧方式、せん断力のある攪拌、ボールミル、ミキサー等および湿式法による同様な方式、超音波ホモジナイザー等を採用することができる。しかしながら、スラリーを火炎中に噴霧溶融することから、事前にその液比重を調整した湿式法が最も効率的である。
【００１３】
スラリーの液比重は１．３５ｋｇ／Ｌ以下に調整する必要があり、好ましくは０．８０〜１．３５ｋｇ／Ｌである。１．３５ｋｇ／Ｌよりも大きくすると、金属シリコン粉末の濃度が高くなるため、液滴内合着によって生成された球状シリカ粉末の粒子が大きくなってしまうことに加え、供給ラインでの閉塞等を引き起こしスラリーの定量供給が困難となる恐れがある。
【００１４】
なお、スラリー中の金属シリコン粉末の濃度としては、１０〜５０質量％であることが好ましい。５０質量％よりも大きいスラリーは液比重が１．３５ｋｇ／Ｌをこえ、供給ライン内で粉体が閉塞しやすくなり、１０質量％未満の場合は生産性が低下する。
【００１５】
本発明の方法においては、以上のようにして調整されたスラリーを液滴状に噴霧し、この液滴を燃焼させる。
【００１６】
本発明において、この液滴は平均径５．０〜１４．３μｍであることが必要である。１４．３μｍよりも大きくなると、液滴内合着にて得られた球状シリカ粉末が大きくなり、５．０μｍよりも小さいと非生産性的であるだけでなく、液滴径よりも大きい金属シリコン粉末が高温火炎に噴霧されたときに火炎の高温域から離脱し球状化されない粉末が多くなる。
【００１７】
また、液滴は５０μｍ以上の割合が５質量％以下でなければならない。５質量％よりも大きいと液滴の蒸発も遅くなり、液滴内合着の割合が増え球状シリカ粉末の粒径が大きくなる。なお、液滴の平均径と５０μｍ以上の割合は、東日コンピューター社製「ＬＤＳＡ−１４００Ａ」の装置を用いて測定することができる。
【００１８】
液滴の平均径と５０μｍ以上の割合は、噴霧方法、スラリー噴霧量、分散気体量とその流速等から選ばれた一又は二以上の要素によって調整することができる。具体的には、より微小液滴を作り出せる二流体ノズル等を用い、分散気体の量に対しスラリー噴霧量を少なくすること、更にはその分散気体の流速を早めることによって行うことができる。
【００１９】
噴霧方法としては、液注式又は液膜式の二流体ノズル等のスプレー噴霧器、超音波噴霧器、回転円板噴霧器等を使用することができるが、液滴の微小化、ハンドリング性、量産性の点から二流体ノズルが好適である。
【００２０】
ノズル吐出口から、スラリーを噴霧させる分散気体としては、炭酸ガス、窒素ガス等の不燃性のガスもしくは空気や酸素等の助燃ガス、もしくはプロパンガスといった可燃性ガスを単独または併用してよい。
【００２１】
分散気体の流速は、例えば二流体ノズルを用いた場合は吐出時に１００ｍ／秒以上とすることが好ましい。１００ｍ／秒未満では、ノズルとしての噴霧作用が生じない。また、分散気体の量は、スラリー噴霧量の１００倍以上が好ましい。１００倍未満では、目標の液滴径にするのが困難となり、これまた噴霧作用が生じない。
【００２２】
液滴内の粒子を完全に溶融、球状化させるには、スラリーの噴霧域に可燃ガスと助燃ガスを用いて高温火炎を形成させる。これは、通常の金属シリコン粉末の球状化方法と同様であり、本発明においても特別に限定する必要はないが、可燃ガス量が、粒子の溶融、球状化よりも過剰になると、火炎中には粒子同士が合着する恐れがあるので注意を要する。可燃ガスとして、水素、天然ガス、アセチレンガス、プロパンガス、ブタン等を用い、助燃ガスとして、空気、酸素等を用いられる。
【００２３】
本発明の製造装置の一例は、球状化炉と、その炉に接続された補集装置とを基本構成としているものである。球状化炉で製造された球状シリカ粉末は、ブロワー等にて空気輸送され補集装置で回収される。球状化炉本体と輸送配管等は水冷ジャケット方式で水冷されていることが好ましい。補集装置としては、サイクロン、重力沈降、ルーバー、バグフィルター等が用いられる。捕集温度は、メタノールや可燃ガスの量による発熱量とブロワーの吸引量によって決定され、その調整は冷却水量や、ライン内に設けられた外気の取り入れ量等で行われる。
【００２４】
本発明の球状シリカ粉末とは、球形度が０．８０以上のことをいう。この球形度は、走査型電子顕微鏡（日本電子社製「ＪＸＡ−８６００Ｍ型」）と画像解析装置（日本アビオニクス社製）を用いて測定することができる。すなわち、粉末のＳＥＭ写真から粒子の投影面積（Ａ）と周囲長（ＰＭ）を測定する。周囲長（ＰＭ）に対応する真円の面積を（Ｂ）とすると、その粒子の球形度はＡ／Ｂとして表される。そこで、試料粒子の周囲長（ＰＭ）と同一の周囲長を持つ真円を想定すると、ＰＭ＝２πｒ、Ｂ＝πｒ^２であるから、Ｂ＝π×（ＰＭ／２π）^２となり、この粒子の球形度は、球形度＝Ａ／Ｂ＝Ａ×４π／（ＰＭ）^２として算出することができる。そこで、本発明においては、任意１００個の粒子について測定し、その平均値でもって粉末の球形度とする。
【００２５】
液滴内合着の一部では、完全に球状化しない粉末が存在するので、球形度を０．８０以上にするためにはなるべく液滴内合着を減らし、また噴霧時に形成した火炎から原料粉末を離脱させないことの配慮が必要である。
【００２６】
本発明の製造方法によれば、目的粒径の球状シリカ粉末を得ることができるが、更にサイクロン、エルボージェット等の分級機にて、粒度幅を狭くすることも可能である。
【００２７】
【実施例】
以下、実施例、比較例、参考例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００２８】
実施例１参考例 1 〜５比較例１〜５
球状化炉の頂部に、可燃ガス（プロパンガス）供給管、助燃ガス（酸素ガス）供給管、無機質原料粉末供給管を接続したバーナー（３本）を設置した装置を用い、球状無機質粉末を製造した。各バーナーの中心から表１に示される各種原料スラリーを、分散気体として空気を用い、二流体ノズルにて噴出させ球状化を行った。球状化炉から排出された粉末は、その下部よりブロワーで吸引されて捕集装置に導かれ、バグフィルターで球状無機質粉末を捕集した。
【００２９】
実施例１及び参考例１〜４では、スラリー番号Ａ〜Ｅのスラリーと分散気体として空気を用い、空気量をスラリー量に対し１０００倍にして噴射した。また、参考例５ではスラリー番号Ａを用い、空気量をスラリー量に対し１００００倍にして噴射した。比較例１〜４ではスラリー番号Ｆ〜Ｉを用い、空気量をスラリー量に対し１０００倍とし、比較例５ではスラリー番号Ａを用い、空気量をスラリー量に対し１０倍として噴射した。
【００３０】
これらの条件にて得られた液滴の大きさと、バグフィルターからの補集品の特性を表２に示した。実施例１では目的粒度の球状シリカ粉末が、また参考例１〜５では目的粒度の球状無機質粉末が製造できているが、比較例１〜５では目的粒度よりも大きい無機質粉末となった。
【００３１】
【表１】
【００３２】
【表２】
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、各種樹脂等の充填材、その他用途において好適に使用される平均粒子径０．０１〜３μｍの球状シリカ粉末を容易に製造することができる。

Claims

無機質原料粉末を含むスラリーを高温火炎に噴霧して球状化する方法において、上記スラリーが、平均一次粒子径５μｍ以下の無機質原料粉末と水分１質量％以下のメタノールからなる液比重１．３５ｋｇ／Ｌ以下のものであり、これを液滴の平均径５．０〜１４．３μｍ、５０μｍ以上の液滴が５質量％以下として噴霧するものであり、上記無機質原料粉末が金属シリコン粉末であることを特徴とする、平均粒子径０．０１〜３μｍの球状シリカ粉末の製造方法。