JP6209033B2 - シリカ被覆金属粒子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
前記解砕工程にて得られたシリカ粒子と前記シリカ粒子の一次粒子よりも体積平均粒径が大きい金属粒子とを混合して前記金属粒子の表面に前記シリカ粒子を付着させる混合工程とを有し、
前記原料シリカ粒子は、
水を含む液状媒体中でシランカップリング剤およびオルガノシラザンによって表面処理する表面処理工程と、
前記液状媒体を除去する工程と、
をもつ前処理工程にて処理されており、
該シランカップリング剤は、3つのアルコキシ基と、フェニル基、ビニル基、エポキシ基、メタクリル基、アミノ基、ウレイド基、メルカプト基、イソシアネート基、又はアクリル基と、を持ち、
該シランカップリング剤と該オルガノシラザンとのモル比は、該シランカップリング剤:該オルガノシラザン=1:2〜1:10である。
(2)前記表面処理工程は、
前記シランカップリング剤で処理する第1の処理工程と、
前記オルガノシラザンで処理する第2の処理工程と、を持ち、
該第2の処理工程は、該第1の処理工程後に行う。
(3)上記課題を解決する本発明のシリカ被覆金属粒子は、一次粒子の体積平均粒径が200nm以下、嵩密度が450g/L以下であるシリカ粒子と、
前記シリカ粒子の一次粒子よりも体積平均粒径が大きく前記シリカ粒子が表面に付着する金属粒子とを有し、
前記シリカ粒子は、式(1):−OSiX1X2X3で表される官能基と、式(2):−OSiY1Y2Y3で表される官能基とを表面にもつ。(上記式(1)、(2)中;X1はフェニル基、ビニル基、エポキシ基、メタクリル基、アミノ基、ウレイド基、メルカプト基、イソシアネート基、又はアクリル基であり;X2、X3は−OSiR3及び−OSiY4Y5Y6よりそれぞれ独立して選択され;Y1はRであり;Y2、Y3はR及び−OSiY4Y5Y6よりそれぞれ独立して選択される。Y4はRであり;Y5及びY6は、R及び−OSiR3からそれぞれ独立して選択され;Rは炭素数1〜3のアルキル基から独立して選択される。なお、X2、X3、Y2、Y3、Y5、及びY6の何れかは、隣接する官能基のX2、X3、Y2、Y3、Y5、及びY6の何れかと−O−にて結合しても良い。)
(4)特に上述のシリカ被覆金属粒子及びその製造方法における金属粒子としては鉄、鉄合金、ニッケル、又はニッケル合金から形成され、表面がシリコーンにて被覆されていても良い。これらの金属は粉末冶金の需要が大きく流動性向上の効果が高い。
本実施形態のシリカ被覆金属粒子は金属粒子とその金属粒子の表面に付着したシリカ粒子とを有する。金属粒子の表面にシリカ粒子を付着させる方法としては特に限定されず、単純に混合したり、混合した後に振動を与えたりすることで実施できる。金属粒子表面へのシリカ粒子の付着は乾燥状態にて行うことができる。金属粒子とシリカ粒子との混合割合は特に限定しない。僅かな量であってもシリカ粒子が金属粒子の表面に存在すればシリカ粒子による流動特性改善効果が発現できるものと考えられる。また後述するように鉄心などは成形品の渦損などを防止するために粉末間の絶縁を保つ必要があるが、この目的には表面を一層以上一様に覆うだけの量を加えても良い。例えばシリカ粒子の含有量は金属粒子の質量を基準として、上限が10%、5%、1%程度を好ましい範囲として採用でき、下限が0.001%、0.005%、0.0001%程度を好ましい範囲として採用できる。金属粒子の粒径との関連では、金属粒子の粒径が10μm以上、更には30μm以上の範囲では上限を1%程度にすることが望ましく、0.5%程度にすることが更に望ましい。下限としては0.0001%にすることが望ましく、0.001%以上にすることが更に望ましい。金属粒子の粒径が上述の範囲以下では上限を10%程度にすることが望ましく、5%程度にすることが更に望ましい。下限としては0.01%にすることが望ましく、0.05%以上にすることが更に望ましい。金属粒子はシリカ粒子の一次粒子よりも体積平均粒径が大きくシリカ粒子が表面に付着する。シリカ粒子は前記金属粒子の表面において(300nm)2当たり5個以上存在することが望ましい。本実施形態のシリカ粒子であるか否かはその粒子が金属粒子の表面にて一次粒子として存在するかどうかで判断する。ここで一次粒子で存在するとはSEM写真において、粒子同士が接触している状態から互いに離散している状態の間である粒子を意味する。
本実施形態のシリカ被覆金属粒子の製造方法は、原料シリカ粒子に対して解砕工程を行い製造したシリカ粒子を金属粒子の表面に付着させる方法である。前述の本実施形態のシリカ被覆金属粒子の製造に好適に利用できる方法である。原料シリカ粒子は一次粒子同士が結合している割合が多いが、その結合を解砕工程にて分離することが出来る。
(シリカ粒子の製造)
・原料シリカ粒子の製造
シリカ粒子を水系媒質としての水に分散させた水系スラリーとしてのコロイドシリカスノーテックスOS(シリカ分20%:日産化学製:一次粒子の粒径が10nm)100質量部に対して前処理工程(表面処理工程及び乾燥工程)を行った。
(1)準備工程
水系スラリー100質量部にイソプロパノール40質量部を加え、室温(約25℃)で混合することで、シリカ粒子が液状媒体に分散されてなる分散液を得た。
(2)第1工程
この分散液にフェニルトリメトキシシラン(信越化学工業株式会社製、KBM103)1.82質量部を加え40℃で72時間混合した。この工程により、シリカ粒子の表面に存在する水酸基をシランカップリング剤で表面処理した。なお、このときフェニルトリメトキシシランは必要な量の水酸基(一部)が表面処理されず残存するように計算して加えた。
(3)第2工程
次いで、この混合物にヘキサメチルジシラザン3.71質量部を加え、40℃で72時間放置した。この工程によって、シリカ粒子が表面処理され、シリカ粒子材料が得られた。表面処理の進行に伴い、疎水性になったシリカ粒子が水及びイソプロパノールの中に安定に存在できなくなり、凝集・沈殿した。なお、フェニルトリメトキシシランとメキサメチルジシラザンとのモル比は2:5であった。
表面処理工程で得られた混合物に35%塩酸水溶液を4.8質量部加え、シリカ粒子材料を沈殿させた。沈殿物をろ紙(アドバンテック社製 5A)で濾過した。濾過残渣(固形分)を純水で洗浄した後に100℃で真空乾燥して、シリカ粒子材料の固形物(原料シリカ粒子)を得た。
得られた原料シリカ粒子に対して解砕工程を行い、本試験例のシリカ粒子を得た。解砕工程はジェットミル((株)セイシン企業製、型番STJ−200)を用い、解砕圧0.3MPa、供給量10kg/hの条件で実施した。得られたシリカ粒子は嵩密度が251.7g/L、D10が0.8μm、D50が1.8μm、D90が4.0μm、一次粒子の体積平均粒径が10nmであった。
試験例1における解砕工程に代えてスプレードライ法にて噴霧乾燥を行ったものを本試験例の試験試料とした。具体的には固形化工程にて得られた原料シリカ粒子100質量部をIPA200質量部に分散させ、それを180℃、5L/hの流量で噴霧して乾燥した。得られたシリカ粒子は嵩密度が341.3g/Lであった。
試験例1における解砕工程を実施せずに固形化工程で得られたものを本試験例の試験試料とした。得られたシリカ粒子は嵩密度が769g/L、D10が8.8μm、D50が124.5μm、D90が451.9μmであり、一次粒子の体積平均粒径が10nmであった。
市販のシリカ粒子(日本アエロジル(株)製、AEROSIL R972、いわゆるアエロジルシリカ)を本試験例の試験試料とした。本試験例のシリカ粒子は嵩密度が41.0g/Lであった。
〔試験例5〜7〕
試験例1における解砕工程において解砕圧及び供給量を調節することにより嵩密度を調節した。嵩密度は試験例5の試験試料が271.3g/L、試験例6の試験試料が364.6g/L、試験例7の試験試・BR>ソが249.8g/Lであった。解砕圧を大きくすることにより嵩密度が大きくなる傾向があった。以下の表には詳しい結果は示さないが、以下の評価試験と同様の試験を行うことにより試験例1の試験試料と同様の効果を発揮することが明らかになった。
得られた各試験例1及び4のシリカ粒子を0.5質量部、鉄粉(純鉄、150μm篩通過品、株式会社高純度化学研究所製、FEE03PB)を99.5質量部との混合物を震とう機(ヤマト科学株式会社製:SA300)を用い、250rpmで30分間震とうを行った。また鉄粉単独のものも用意した。試験例1のシリカ粒子を添加したシリカ被覆金属粒子についてSEM写真(図3及び4)を撮影した。シリカ粒子を添加していない金属粒子単独のものについてSEM写真(図1及び2)を撮影した。図より明らかなように、鉄粉の表面にシリカ粒子が一様かつ一次粒子の状態にて付着している様子が観察された。
得られた各試験例のシリカ粒子を0.2質量部、ニッケル粉(純ニッケル、粒径10μm、株式会社高純度化学研究所製、SF−Ni)を99.5質量部との混合物を震とう機(ヤマト科学株式会社製:SA300)を用い、250rpmで30分間震とうを行った。またニッケル粉単独のものも用意した。これらの粉体について、嵩密度、流動性、内部接触角、圧力伝達率、圧縮後密度を評価した。嵩密度は上述の方法にて評価した。流動性は10gの試料がガラス製の漏斗の脚部から流出する時間で評価した。測定中は1秒に1回の頻度で漏斗をタッピングした。漏斗は、脚部が口径4.5mm、長さ10mmであり、開き角60°である。
鉄粉(純鉄、150μm篩通過品、株式会社高純度化学研究所製、FEE03PB)を99質量部と、100質量部のメチルエチルケトンに溶解させた0.5質量部のシリコーン樹脂プライマー(信越シリコーン製、KE−109)とを混合し、ロータリーエバポレータを用いてメチルエチルケトンを留去した。その後、100℃で2時間加熱しシリコーン樹脂を硬化させてシリコーン被覆鉄粉とした。
金属粒子としての粉末冶金用アトマイズ粉(へガネス、ABC100.30、鉄)1000質量部に、 特開2010−225673に記載のH3PO4/MgO/H3BO3からなる化成処理液50質量部を混合し、200℃で1時間乾燥し金属粒子の表面をガラス層で被覆(化成処理)した。このもの1000質量部にMEK50質量部、0.5質量部のシリコーン樹脂(KE-109)を加え100℃で1時間乾燥し、シリコーンコーティングを行った。
体積平均粒径0.5μmの粒子(シリカ)100質量部に対して試験試料1を0.33質量部混合した混合物を震とう機(ヤマト科学株式会社製:SA300)を用い、250rpmで1分間震とうを行った(混合物A)。
Claims (6)
- 一次粒子の体積平均粒径が50nm以下の原料シリカ粒子に対し、嵩密度が280g/L以下になるように解砕する解砕工程と、
前記解砕工程にて得られたシリカ粒子と前記シリカ粒子の一次粒子よりも体積平均粒径が大きい金属粒子とを混合して前記金属粒子の表面に前記シリカ粒子を付着させる混合工程とを有し、
前記原料シリカ粒子は、
水を含む液状媒体中でシランカップリング剤およびオルガノシラザンによって表面処理する表面処理工程と、
前記液状媒体を除去する工程と、
をもつ前処理工程にて処理されており、
該シランカップリング剤は、3つのアルコキシ基と、フェニル基、ビニル基、エポキシ基、メタクリル基、アミノ基、ウレイド基、メルカプト基、イソシアネート基、又はアクリル基と、を持ち、
該シランカップリング剤と該オルガノシラザンとのモル比は、該シランカップリング剤:該オルガノシラザン=1:2〜1:10である、
ことを特徴とする粉末冶金用のシリカ被覆金属粒子の製造方法。 - 前記表面処理工程は、
前記シランカップリング剤で処理する第1の処理工程と、
前記オルガノシラザンで処理する第2の処理工程と、を持ち、
該第2の処理工程は、該第1の処理工程後に行う請求項1に記載のシリカ被覆金属粒子の製造方法。 - 前記金属粒子は200μm以下0.5μm以上の体積平均粒径をもち、まためっき、化学処理、もしくは樹脂による被覆、あるいはこれらを組み合わせて被覆されていても良い請求項1又は2に記載のシリカ被覆金属粒子の製造方法。
- 一次粒子の体積平均粒径が50nm以下、嵩密度が280g/L以下であるシリカ粒子と、
前記シリカ粒子の一次粒子よりも体積平均粒径が大きく前記シリカ粒子が表面に付着する金属粒子とを有し、
前記シリカ粒子は、式(1):−OSiX1X2X3で表される官能基と、式(2):−OSiY1Y2Y3で表される官能基とを表面にもつことを特徴とする粉末冶金用のシリカ被覆金属粒子。(上記式(1)、(2)中;X1はフェニル基、ビニル基、エポキシ基、メタクリル基、アミノ基、ウレイド基、メルカプト基、イソシアネート基、又はアクリル基であり;X2、X3は−OSiR3及び−OSiY4Y5Y6よりそれぞれ独立して選択され;Y1はRであり;Y2、Y3はR及び−OSiY4Y5Y6よりそれぞれ独立して選択される。Y4はRであり;Y5及びY6は、R及び−OSiR3からそれぞれ独立して選択され;Rは炭素数1〜3のアルキル基から独立して選択される。なお、X2、X3、Y2、Y3、Y5、及びY6の何れかは、隣接する官能基のX2、X3、Y2、Y3、Y5、及びY6の何れかと−O−にて結合しても良い。) - 前記金属粒子は200μm以下0.5μm以上の体積平均粒径をもち、まためっき、化学処理、樹脂による被覆、あるいはこれらを組み合わせて被覆されていても良い請求項4に記載のシリカ被覆金属粒子。
- 前記金属粒子は主成分が鉄あるいはニッケルである請求項4又は5に記載のシリカ被覆金属粒子。
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