JP4014239B2

JP4014239B2 - 微粉体の作製法

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Publication number: JP4014239B2
Application number: JP26382296A
Authority: JP
Inventors: 行弘松田; 雄一石川; 和正手塚
Original assignee: Dowa IP Creation Co Ltd
Current assignee: Dowa IP Creation Co Ltd
Priority date: 1996-09-13
Filing date: 1996-09-13
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2016-09-13
Also published as: JPH1085583A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はペイント用の顔料や射出成形に適する金属微粉体や無機物または有機物微粉体の製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ペイント用顔料や射出成形に使用する材料は粒径が１０〜２０μｍ程度の微粉体である。目的とする粉体物質が金属である場合、該物質の溶湯を１０〜２０μｍに微粉化することは通常のガスアトマイザ−で可能ではあるが、製品の僅か一部分にすぎず、非能率で実用的ではない。数百気圧に加圧した水ジェットアトマイザーでは平均粒径が１０μｍ以下の微粉も可能であるが、酸化されて品質が劣化する。
【０００３】
一方、無機物、有機物のなかには凝集した状態でもせいぜい１μｍ程度のものが多く、該物質をペイント用顔料または射出成形に適する微粉体にするには１０〜２０μｍまで造粒する必要がある。このための在来工法として転動造粒法とスプレ−ドライヤ−法ががあり、中でも微粉造粒に適するとされるスプレ−ドライヤ−法でも数十μｍまでが限度で、しかも歩留りが悪い。スプレ−ドライヤ−法は更に代表的な二つの処理法に区分され、その一つは液またはスラリ−を回転円盤に滴下して遠心力で飛散させる方法、他はノズルから流下する液またはスラリ−にガスを吹き付けて飛散させる方法である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
遠心力を利用する微粉化では、回転デスク径、回転数、溶湯またはスラリ−分散媒の表面張力と粘性および回転体表面への濡れ性等の因子が関係する。特に回転デスク径と回転数は第一義的な要因であり、大きい遠心力程微細化に有利なことは勿論であるが、さりとて40,000〜50,000 rpmという高速回転で、しかも径が１０cm以上もあるような回転デスクの採用は遠心力に対抗する材質強度やモ−タ−への負荷の大きさに制限されて実用的ではないとされている。一方ガスの吹付けも噴射後、ガスは急速に３次元的に拡散するから柱状に流下する溶湯またはスラリ−に対して厚さ方向の剪断力が足りず、特に粘性や表面張力が大きい溶融金属については本発明が意図する粒度への微粉化が不十分な状況にある。現時点では上記何れの方法も数十μｍが限度とされている。
【０００５】
本発明はペイント用顔料や射出成形に適する金属微粉体および無機物または有機物微粉体の製造に関して在来技術の問題点を解決し、本発明が意図する粒度の微粒子を作製する方法とそのための装置を提供する。ここで、本発明が言う微粉化は使用目的に適した粒度への微粉体化を意味し、しがって或る種の無機物、有機物に対しては造粒となり、溶融金属等に対しては微粉砕になる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によればその目的は下記のようにして達成される。すなわち、
【０００７】
（１）目的とする粉体物質の融体を膜厚１０００μｍ以下の液膜流とし、この液膜流に対して該液膜流が剪断されるに十分な量のガス膜流をガス速度１００ m/sec以上のもとで両膜流同志が交差するように衝突させること、
【０００８】
（２）その際、目的とする粉体物質の融体が金属溶湯からなり、その液膜流が粒径２００μｍ以下の液滴の集合からなる液滴膜流であり、この液滴膜流と好ましくは９０°ないし９０°に近い角度で交差するようにガスを膜状に噴射させること、
【０００９】
（３）また、目的とする粉体物質が１μｍ、もしくは１μｍ以下の超微粉体の場合は該物質を適切な分散媒に懸濁させてスラリ−とし、該スラリ−を膜厚１０００μｍ以下の液膜流もしくは液滴の集合からなる液滴膜流とし、この液膜流もしくは液滴膜流に対し該液膜流もしくは液滴膜流が剪断されるに十分な量のガス膜流をガス流速１００ m/sec以上、好ましくは１０００m/sec 以上の速度で両膜流同志を９０°ないし９０^oに近い角度で交差するように衝突させること、
【００１０】
（４）そのための装置として、目的とする粉体物質の融体もしくはスラリ−を貯留する容器と、この容器に取り付けられノズルと、このノズルから吐出する該融体もしくはスラリ−の吐出流をその中心部で受けるように配置された回転デスクと、この回転デスクを取り巻くように配置されたガス噴射用の環状ノズルとからなる微粉体の製造装置を使用すること。
【００１１】
【発明の実施の形態】
衝突によるガス運動量変化の時間に対する微分が液膜または液滴に及ぼすガスの力であり、その液膜または液滴面への垂直分力をガスによる液膜の剪断力とすれば同一のガス流速ではガスが膜流へ90°の角度で噴射される時、最大の剪断力が得られる。しかし、ノズルから離れたガスはノズルの構造により、またガス自体においても３次元的に急速に拡散するのでガスが液膜または液滴と接触している間も時間的、局所的に変化し、微粉化に有効な実際の剪断力はこのような局所的に作用するガス運動量の変化の差、即ち衝突力の差に依存すると考えられる。しかしその力はガスノズルからの距離の３乗に半比例して減衰すると推定されるので、融体もしくはスラリ−分散媒の物性に応じた膜厚とノズル位置が選択されねばならない。
【００１２】
またこの場合、ガスの流量と流速が過大になると衝突で微細化した液滴が撥ね飛ばされ、飛散した液滴がガスの噴射ノズルや融体またはスラリ−の注湯口もしくは吐出口に沈積してトラブルの原因になる。この状況はガス噴射の条件および膜流に対する噴射の角度を90°から適宜偏倚させることで調節し、更に別途ノズルを用意してガスを吹き付け、強制的に進路を変更させることもある。ガスは不活性ガスを使用し、通常は溶融金属の微粉化でも 7〜8 kgf/cm² 程度の圧力の噴射で足りるが、対象となる融体、スラリ−の物性で調節される。この場合、ガス圧が高い程、微粉化する。
【００１３】
融体またはスラリ−を周端から膜状もしくは液滴膜状に放出させ、しかもその厚さまで制御するには回転デスクのサイズ, 回転数, 材質等関係する多くの要因の中で、特に融体もしくはスラリ−がデスク周端近くを或る角度を持って上昇し、重力の影響を受けながら周端をデスクの接線方向に離れる時の角度が１５°を中心にして±５°の範囲において水平方向より上向きにあるように調節することが大切である。しかし、場合によっては、デスクの接線方向を水平より下側にすることで、ガスとの交差角度を９０^oに近くすることも可能であり、液膜や液滴流とガスノズルとの距離を近づけることにより、より微粉化を進行させることができる。
【００１４】
回転デスクの断面構造は凹凸何れでも良く、形状を限定するものではないが、前記の条件を満たすものとして図１及び図２のそれぞれ３で示すような周端に傾斜が付いた「つば」を持つ薄皿状の回転デスクが推奨される。膜流の厚さの制御は生産すべき粉体の材質と粒径に関連し、いかなる材質のいかなる粒径を求めるかで決まる。水または有機溶媒系の分散媒を使用するスラリ−では厚さ１０００μｍ以上の液膜でも可能であるが、粘性や表面張力が１桁以上も違う溶融金属塩や溶融金属等の場合には２００μｍもしくはそれ以下の程度まで回転デスクで予備粉砕された液滴膜流であることが望ましい。膜厚の制御は融体またはスラリ−の供給量制御と回転デスクの回転数制御とによって行われるが、この制御が同時に回転デスク周辺を離れる原料の融体またはスラリ−の速度を決め、またそれによって液膜と液滴膜の違いを生ずる。
【００１５】
図１は本発明を実施するのに好適な装置を示すものである。
図１において、容器８内の融体もしくはスラリ−９はストッパ−１０を経て注湯口または吐出口７から回転デスク面３の中心部に供給される。高周波誘導加熱コイル４によって回転デスク１を非接触的に加熱してデスク上での溶融金属の凝固を防ぐ手段も採用される。また注湯ノズル６も同様、５の高周波誘導加熱コイルで加熱できるので凝固による詰まりを防ぎながら注湯口を回転デスク直上まで延ばすことができ、滴下によって起こる飛散を抑制できる。
【００１６】
回転デスク１は適当な回転手段（図示せず）によって回転軸の回りに回転され、「つば」をもった薄皿状の回転面３の中心部に供給された対象となる粉体の融体またはスラリ−はデスク回転の遠心力でデスク周端から放出される。デスクは必要に応じて高周波誘導加熱４で加熱することもできる。デスク周辺を取り巻いて高圧ガス用の気室があり、ガス供給源（図示せず）から該気室に送られたガスは、回転デスク周辺に接近して置かれたノズル２から噴射され、該噴射流がデスクからの液もしくは液滴の膜流と好ましくは９０°ないしそれに近い角度で交差するようにする。ノズルは環状ノズルで、ガスは回転デスクを取り巻くリング状の膜状態で噴射されるから、回転デスクの全円周にわたって前記両膜流の交差による該膜流間の衝突が実施される。
【００１７】
本発明実施に必要な上記各条件は図１の装置によリ、下記のような試験結果から決定されたものである。
【００１８】
（試験例１）
Ｓｎ−３７％Ｐｂ組成の合金をアルミナ容器８内に高周波誘導加熱で溶解、３００℃で注湯ノズル６から、図１に３で示す表面形状のチタンからなる５０ｍｍφ回転デスク中心部へ流下した。環状ノズルからガス噴射することなく、デスクから空間に放出された粒子について各粒径の比率を注湯量とデスク回転数をパラメ−タとして試験した。デスク周端から放出される金属粒子はデスク回転数 30,000 rpm において、注湯量１〜２kg/minのとき（条件Ａと言う）、１００μｍ以下が８６％を占めた。上記以上の注湯量および 30,000 rpm 以下のデスク回転数（条件Ｂと言う）においては−１００μｍの比率は減少し、注湯量３kg/min、デスク回転数 20,000 rpm では−１００μｍの比率は３７％であった。
【００１９】
次に液滴膜流から２ｍｍ下方の位置にノズル先端を置いて、窒素を噴射し、噴射速度を変えて試験した。２００μｍ以下が大部分を占める液滴膜流の放出条件、即ち注湯量２kg/min、デスク回転数 30,000 rpm （前記の条件Ａ）において、膜流の水平に対する上向き角度を略１７°、ガス量を２Ｎm³/minのもとで、ガス流速を４００〜２０００m/sec の範囲で試験した。結果を表１に示した。８００〜２０００m/sec のガス速度で好結果が得られた。とくにガス流速が１０００m/sec を越えると微粉の飛散が始まり、２０００m/sec では更に微粉化が進む結果、−４５μｍ粒子の収量は７８％になった。以上の結果からガス流速は８００〜２０００m/sec の範囲とし、好ましくは１０００m/sec 以上であることが判明した。１０００m/sec における−４５μｍ粒子の歩留りは６２％、その部分の平均粒径は１２μｍであった。
【００２０】
一方、１００μｍを越える液滴が多い条件、即ち、注湯量３kg/min、デスク回転数 20,000 rpm （前記の条件Ｂ）ではガス流速１０００m/sec でも−４５μｍ粒子の歩留りが悪かった。そこで、回転デスク周端から放出されるときの液滴を１００μｍ以下、ガス速度は主に１０００m/sec を保持しながら、ガス流量の影響を検討した。その結果を表２に示した。表２にはガス噴射なしの比較例も挙げたが、−４５μｍ粒子は殆んど生成しない。表２に見られるように、条件Ｂでもガス流量が多いほど、微粉化が歩留りよく製造できる。
【００２１】
図４は、これらの一連の試験において、形成した液滴径と製造された粉体の粒径との関係を、ガス速度１０００m/sec の場合について整理したものである。
【００２２】
【表２】

【００２３】
次に、ノズル先端の設置位置を検討した。膜流から１、５、１０、２０または５０ｍｍ下方に離れた位置にノズル先端を設置し、上方の液滴膜流に向けて窒素を噴射した。その結果を、前記２ｍｍ位置の結果も含めて、表３に示した。液滴径１００μｍ以下、ガス流速１０００m/sec 、その他は総て上記条件のもとで試験したところ、１〜１０ｍｍの範囲は−４５μｍ粒子の歩留りが略６０％であるが、１ｍｍでは膜流の多少の変動も厳格に管理する必要がり、１０ｍｍの場合はその平均粒径がやや増加する傾向にある。５０ｍｍ位置まで可能であるが、２０、５０ｍｍ位置の採用はそれを必要とする場合に限られる。
【００２４】
なお、この試験で窒素ボンベの圧力調節弁の指示は７〜８kgf/cm²であり、ガス流速２０００m/sec 、ガス流量３Ｎm³/min、また１０００m/sec 、ガス流量４Ｎ/minの場合でも圧力調節弁の指示は１０kgf/cm²に過ぎなかった。
【００２５】
【表３】

【００２６】
（試験例２）
凝集してしている状態で約１μｍの酸化銅を水で７０wt％のスラリ−とし、分散剤および造粒剤としてアクリル系樹脂を１wt％加えてパ−ルミルで均一に混合した。このスラリ−を断面形状が図１の３と同じ５０ｍｍφ、ＳＵＳ製の回転デスクの中心部へ流下した。スラリ−の供給量を１〜５kg/minの範囲で、デスク回転数を変え、デスク周端から放出される液膜の状況を環状噴射ノズルを取り外して側面から高速度撮影した。結果を表４に示す。
【００２７】
【表４】

【００２８】
表４に見られるように、デスク回転数4000〜7000rpm の範囲、およびスラリ−の供給量２〜３kg/minの条件下でスラリ−は液膜状となり、膜厚は１０００μｍ以下であった。前記範囲以下の回転数、または前記以上のスラリ−供給量では膜厚は１０００μｍを越えた。また、前記範囲以上のデスク回転数およぴ前記以下のスラリ−供給量ではデスク周端からのスラリ−放出は液膜流から液滴膜流に変化した。
【００２９】
次に、ガス噴射ノズルの先端をスラリ−液膜流または液滴膜流から１０ｍｍおよび５ｍｍ下方に慣れた位置に置き、デスク周端から１５°、水平より上向きに放出された膜流に窒素を流速５０〜２０００m/sec の範囲で噴射した。膜厚１０００μｍの液膜流、液滴膜流の条件において、２００℃に保持されたホッパ−内に放出された４５μｍ以下の粒子の歩留りとその平均粒径を表５に示した。
【００３０】
【表５】

【００３１】
表５に見られるように、ノズル位置１０ｍｍおよび５ｍｍの二箇所ともガス流速１００m/sec 以上で−４５μｍ粒子が回収され、ガス流速の増加につれて歩留りも増加した。ガス流速１０００m/sec では−４５μｍ粒子の歩留りは６０％以上となった。液膜厚が１０００μｍを越えると微粉化が進まず、−４５μｍの収量は４０％程度に低下した。以上の状況はノズル位置１０ｍｍ、５ｍｍともに同じであるが、ガス流速１０００m/sec を越えると、５ｍｍのノズル位置の方が粒子の微細化効果が良好であった。この結果から、スラリ−の場合は、厚さ１０００μｍ以下の液膜流、もしくは液滴の集合からなる液滴膜流とし、ガス流速１００以上m/sec の範囲、好ましくは１０００m/sec 以上が望ましい。
【００３２】
以上は、本発明は回転デスクの周端から放出された膜流と交差するように回転デスク１を取り巻く環状ノズル２から不活性ガスを膜状に噴射させるものであるが、同じ条件は容器の側壁に設けたスリットから噴出する膜流とそれに交差するガス流によって実現することも出来る。またスリットの代わりにスリットのように配列した多数の微細な孔により、その孔径を調節することによって求めることも出来る。更に円錐形の吐出口から円錐状の膜流を噴射させ、吐出口の周囲に配設した環状ガスノズルによっても実現できる。いずれの場合もガスノズルの先端位置が大切で、先端から液膜流までの距離は好ましくは５０mm 以下とし、これより大きいと微粉の粒径分布は粗大化の傾向をとる。なお，使用するガスとしては窒素ガスや空気の他にも各種のものが適用可能である。
【００３３】
【実施例】
（実施例１）
図１の装置によってＳｎ−３７％Ｐｂ組成の合金をアルミナ容器８内で高周波誘導加熱して溶融させ、融点１８３℃より約１５０℃高い３３０℃に保持した。注湯ノズル６は内径３ｍｍ、外径８ｍｍ、長さ１０ｃｍのＳＵＳ製パイプを断熱材で被覆し、その上に高周波誘導加熱用コイル５を巻いたものである。環状ガスノズル２は回転デスク１を取り巻いて設置し、１０００m/sec の流速でノズル先端から２ｍｍ上方の位置にある液滴膜流に略垂直に窒素を噴射した。ガス流量は２Ｎm³/minとした。デスクは５０ｍｍφで、ジルコニアのプラズマ溶射膜を付けたＴｉ製で、図１の３と同型の周辺に「つば」のある薄皿型構造のものを高周波誘導加熱コイル４で約３００℃に予熱した。デスクから１０mmの距離に注湯口７を置いて溶融金属が流下する際のデスクからの飛散を防止した。注湯用ノズル６を高周波誘導加熱で３００℃とし、金属溶湯をアルミナ容器の底部にある２ｍｍφの孔からストッパ−１０を経て２kg/minで注湯した。デスク１は30,000rpm に設定してデスク周辺から水平方向より略１５°上向きに約１００μｍ以下の液滴の集合からなる厚さ約１０００μｍの膜状で放出し、これをガス噴射で更に微粉化した。
【００３４】
上記条件で作製した合金粉は−４５μｍの粒子の歩留りが６２％で、その平均粒径は１２μｍであった。
【００３５】
（実施例２）
表６の各金属を高周波誘導加熱でアルミナ容器内に溶融し、それぞれ各金属の融点より１００℃高く保持した。注湯ノズル６は内径３ｍｍ、外径８ｍｍ、長さ１０cmのカ−ボンパイプを断熱材で被覆し、高周波誘導加熱用コイルを巻いて対応するそれぞれの金属の融点より１００℃高い温度に加熱した。注湯速度を１kg/minに、ガス噴射ノズル先端の位置を液滴膜流から５ｍｍ離れた下方に設定した以外は実施例１と同じ条件である。表６にその実施結果を示した。
【００３６】
【表６】

【００３７】
（実施例３）
凝集して平均粒径が約１μｍである酸化銅を水に加えて７０wt% のスラリ−とし、分散剤および造粒剤としてアクリル系樹脂を１wt% 加えてパ−ルミル（図示せず）で均一に混合した。このスラリ−をテフロンコ−トしたＳＵＳ製容器の底から１ｍｍφの孔を通して３ kg/min で、プロパンを燃焼して２００℃の雰囲気に保つ回転デスク上に滴下した。デスク断面は実施例１と同型の５０ｍｍφのＳＵＳ製、回転数は 6,000 rpm, 水平方向に対し約１２°上向きに放出された膜流に、デスクを取り巻く環状ノズルから空気をスラリ−膜流に対し１０ｍｍ離れた下方の位置から略９０°の角度で噴射した。ガス流量は３ Nm³/min、ガス流速が１０００m/sec の条件で−４５μｍ粒子の歩留りは６４％、その部分の平均粒径は１４μｍであった。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は膜状に広がる液膜または液滴膜を作る第１段階とこの膜流に対し高速で不活性ガスを衝突させる第２段階の二つの過程から成り、それによって従来工法では得られない粒度範囲の微粉体を高収率で作製することができる。第１段階の膜流の作成に消費するエネルギ−は少なく、例えば遠心力も少なくて済むので回転デスクの大きさ、材質に対する制限は大幅に軽減出来るとともにモ−タ−の負担も軽くなる。しかも第１段階によって第２段階は非常に効率化され、ガスの噴射圧が１０kgf/cm²以下という低い圧力でも微粉体の粒度を下げるとともに製品の歩留りを上げることがきる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実施するのに好適な装置の略断面図である。
【図２】図１の装置における回転デスクおよび環状ノズル部分を示す略断面図である。
【図３】図２の略平面図である。
【図４】本発明法に従って形成した液膜の液滴径と、得られた粉体の平均粒径の関係（ガス速度１０００ｍ／ｓｅｃでガス噴射した場合）を示す図である。
【符号の説明】
１回転デスク
２環状ガス噴射ノズル
３頭の開いたＶ型回転デスク面
４回転デスク加熱用高周波誘導コイル
５注湯ノズル加熱用高周波誘導コイル
６融体またはスラリ−導入用ノズル
７融体またはスラリ−吐出口
８融体またはスラリ−容器
９融体またはスラリ−
１０ストッパ−
【表１】

Claims

金属溶湯を薄皿状の回転デスク中心部へ流下して１５°±５°の範囲において水平方向より上向きな膜厚１０００μｍ以下の液膜流とし、この液膜流に対して該液膜流を剪断するに十分な量のガス膜流を該液膜流下方の位置からガス速度１００ｍ／ｓｅｃ以上のもとで両膜流同志が略垂直に交差するように衝突させることからなる前記金属の微粉体の作製法。
前記液膜流が粒径２００μｍ以下の液滴の集合からなる液滴膜流である請求項１に記載の前記金属の微粉体の作製法。
前記ガスが不活性ガスである請求項１または２に記載の前記金属の微粉体の作製法。
金属溶湯を貯留する容器と、この容器に取り付けられたノズルと、このノズルから吐出する該金属溶湯の吐出流をその中心部で受け１５°±５°の範囲において水平方向より上向きな液膜流を形成するように配置された薄皿状の回転デスクと、この回転デスクを取り巻くように配置され該液膜流に下方から略垂直に交差するガスを噴射するガス噴射用環状ノズルとからなる前記金属の微粉体の製造装置。