JP6286573B2 - 二酸化ケイ素粒子の製造方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、非晶質二酸化ケイ素の球状サブミクロン粒子の製造方法を包含する。さらには、本発明は、それによって製造された非晶質二酸化ケイ素の球状サブミクロン粒子をも包含する。

背景技術
従来技術によれば、サブミクロンの非晶質二酸化ケイ素粒子は、ケイ素−及びフェロシリコン炉のような炉からの廃ガスから製造される。エルケムＡＳ（Ｅｌｋｅｍ ＡＳ）は何年もの間、種々の炉からの廃ガスに関する技術及び微細な非晶質二酸化ケイ素粒子（マイクロシリカ）の製造を開発してきた。
マイクロシリカ粒子は一般に、およそ０．１５ミクロンの粒径及び２０乃至３０ｍ^２／ｇの表面積（ＢＥＴ）を有している。比較的大きな比表面積は、コンクリートのような幾つかの用途となる場合、マイクロシリカ粒子の低いフロー特性に起因する欠点となる。

しかしながら、上記方法から得られた非晶質二酸化ケイ素粒子は、炉の操作が種々であることにより、そして、ケイ素又はフェロシリコンの製造に用いられる原料が種々であることにより、組成及び色彩が種々のものとなるという欠点を有する。このため、ＳｉＯ_２含有量は、９９質量％乃至７０質量％まで種々であり、そして色彩は黒色から白色まで種々となる。

微細な非晶質二酸化ケイ素が、コンクリート、耐火材、セラミック材、プラスチックの充填材及びゴムのような多数の用途において用いられている。

さらに、無機シランを燃焼させることにより、サブミクロンの二酸化ケイ素粒子を製造することが知られている。しかしながらこの方法は非常にコストがかかる。

従って本発明の目的は、高純度且つ一定の純度及び一定の色彩を有する、非晶質二酸化ケイ素の球状サブミクロン粒子の、安定した且つ加速された方法を提供することである。

本発明の記載
本発明の目的は、現存の技術の欠点を克服し、そして、サブミクロンの非晶質二酸化ケイ素の安定した且つ加速された製造方法を提供することである。

本発明の目的は、酸素を反応し得る亜酸化ケイ素蒸気を製造し、それによって、球状の非晶質の性状のサブミクロンの二酸化ケイ素粒子を形成させることである。

可燃性の亜酸化ケイ素ガスの発生源は、十分な温度における反応物のプールが適切な加熱装置を用いて維持される、反応容器である。

その原理は、二酸化ケイ素源を還元剤と反応させて、それにより、可燃性媒体としての役割を果たす亜酸化ケイ素を製造することである。二酸化ケイ素の部分還元によるガス状の亜酸化物の製造は、通常、熱消費反応である。そのような蓄熱体の存在がそれ故、本方法を促進させ、そして安定化させる。

本発明は、非晶質二酸化ケイ素の球状サブミクロン粒子の製造方法を包含する。本発明において、二酸化ケイ素源及び還元剤が、酸化ジルコニウムをベースとした溶融プールを有する反応容器に添加される。当該酸化ジルコニウムをベースとした溶融プールは、本方法を安定化させる蓄熱体としての役割を果たす。酸化ジルコニウムは、高い融点の非反応性の金属酸化物である。

酸化ジルコニウムをベースとした溶融物は、好ましくは酸化ジルコニウムであるが、１０質量％未満の、そしてより好ましくは５質量％未満の他の成分を含有していてもよい。ジルコニウムをベースとした溶融物が他の成分を含有する場合、純粋な酸化ジルコニウムのおよそ２７１５℃の融点と比較して、およそ２６５０℃に低下し得る。

溶融酸化ジルコニウムは、非常に低い蒸気圧を有しており、そのため、生成した二酸化ケイ素粒子に混入する亜酸化ジルコニウムは生成しない。二酸化ケイ素は、還元剤と反応して、亜酸化ケイ素蒸気を生成し、そして前記亜酸化ケイ素蒸気は、前記球状二酸化ケイ素粒子へと酸化される。

本発明は、非晶質二酸化ケイ素の球状サブミクロン粒子の製造方法であって、二酸化ケイ素及び還元剤が、酸化ジルコニウムをベースとした溶融プールを有する反応容器中に注入され、ここで前記酸化ジルコニウムをベースとした溶融プールは蓄熱体としての役割を果たし、そして二酸化ケイ素を還元剤と反応させて亜酸化ケイ素蒸気ＳｉＯを生成させ、前記亜酸化ケイ素蒸気は前記非晶質二酸化ケイ素の球状サブミクロン粒子へと酸化される、製造方法を包含する。

容器中の酸化ジルコニウムをベースとした材料の温度は、少なくとも、前記酸化ジルコニウムをベースとした材料の融点以上に保持され且つ維持される。酸化ジルコニウムをベースとした材料の温度は、下記範囲：２６５０乃至２８００℃、２７００乃至２７１０℃、２７１０乃至２７２０℃、２７２０乃至２８００℃、２８００乃至２９００℃、２９００乃至３０００℃の１つより選択される。

一態様において、還元剤は、種々の化合物より選択されるが、コークス、石炭、カーボンブラック及びその他のような炭素材料が、球状の二酸化ケイ素粒子の製造のために好ましい還元剤である。さらには、本発明に従い生成した亜酸化ケイ素蒸気は、酸化ケイ素ＳｉＯである。さらには、酸化ケイ素蒸気は、球状の非晶質二酸化ケイ素粒子へと酸化される。

本発明の一態様において、所望により、プールから放出される金属亜酸化物の分圧を高めるために、酸化ジルコニウムをベースとした溶融プール内にガスが注入される。該ガスは、窒素及び空気から成る群より選択される。

本発明の方法によって、反応物として清浄な二酸化ケイ素及び清浄な炭素系還元剤を選択することにより、非常に清浄な二酸化ケイ素粒子が得られる。さらには、該製造された二酸化ケイ素粒子の色彩は、白色である。

製造された二酸化ケイ素粒子は、球状の形態を有する。得られた球状二酸化ケイ素粒子は、下記範囲：１０^−９乃至１０^−６ｍ、１０^−９乃至１０^−８ｍ、１０^−８乃至１０^−７ｍ、１０^−７乃至１０^−６ｍの１つより選択される寸法を有する。

製造された二酸化ケイ素粒子は、亜酸化ケイ素蒸気を生成する高い温度に起因して従来技術に従い製造されたマイクロシリカよりも小さい表面積を有する。本発明の方法に従い製造された二酸化ケイ素粒子は、好ましくは５乃至１５ｍ^２／ｇの、より好ましくは１０乃至１２ｍ^２／ｇ比表面積を有する。

製造された二酸化ケイ素粒子の小さな比表面積は、耐火性のキャスタブル及びポルトランドセメントをベースとしたモルタル及びコンクリートに使用される場合に、フロー性を改良することが示された。製造された二酸化ケイ素粒子の改良されたフロー特性は、より低廉な分散剤が、キャスタブル、モルタル及びコンクリートに添加されることを要するという点で、有利である。

本発明は、非晶質二酸化ケイ素の球状サブミクロン粒子であって、上記方法に従い製造された粒子を包含する。

発明の詳細な説明
本発明の方法はまた、非晶質二酸化ケイ素ＳｉＯ_２のマイクロシリカ又は球状サブミクロン粒子の製造をも包含し得、それにより、二酸化ケイ素と還元剤炭素との混合物が、容器中の酸化ジルコニウムをベースとした溶融プールに添加される。

亜酸化ケイ素蒸気である酸化ケイ素ＳｉＯを製造する主要な反応は、下記のとおりである。
ＳｉＯ_２＋Ｃ＝ＳｉＯ（ｇ）＋ＣＯ（ｇ）

このように、本発明の方法は、カーボサーミック（ｃａｒｂｏｔｈｅｒｍｉｃ）プロセスである。

溶融酸化ジルコニウムのプールをベースとした溶融プールは、２６５０℃よりも高い温度で、そして好ましくは純粋な酸化ジルコニウムの融点よりも高い温度で保持される。溶融酸化ジルコニウムをベースとした材料はまた、２７１０乃至２７２０℃の間の温度で保持され得る。生成した亜酸化ケイ素の蒸気圧、つまりＳｉＯ蒸気圧は、およそ１８００℃において１気圧に到達する。この態様において、２６５０℃よりも高い温度は、ＳｉＯ蒸気を生成させるのに必要とされるおよそ１８００℃の温度よりも非常に高いものである。このため、溶融プールは蓄熱体としての役割を果たす。しかしながら、上記の高温においては、そのまま本質的にサブミクロンにある一方で、生じた二酸化ケイ素粒子の表面積はより小さな表面積へと改質される。生成された亜酸化ケイ素蒸気であるＳｉＯガスは、浴槽上部においてただちにＳｉＯ_２粒子へと酸化され、そしてバッグろ過フィルタその他のフィルタのようなフィルタ中に回収される。

本発明の、酸化ジルコニウムをベースとした材料の溶融プールは、上記のとおり蓄熱体としての役割を果たし、これにより、非晶質二酸化ケイ素の球状サブミクロン粒子の製造プロセスを安定化しそして加速させる。本発明において、酸化ジルコニウムは殆ど不活性の蓄熱体としての役割を果たし、このため、製造された二酸化ケイ素の球状サブミクロン粒子は高い純度で得られる。本発明において、を生成する非晶質二酸化ケイ素の球状サブミクロン粒子を生成させる球状サブミクロンの得られた純度は、少なくとも９９質量％である。

本発明の好ましい態様を記載する場合、本概念を有する他の態様が使用され得ることが、当業者に明らかであろう。これら及び上記の本発明の他の態様は、例示のみを意図しており、そして本発明の実際の範囲は、下記請求項から決定されるものである。

Claims (7)

1. 非晶質二酸化ケイ素の球状サブミクロン粒子の製造方法であって、二酸化ケイ素及び還元剤を、酸化ジルコニウムをベースとした材料の溶融プールを含む反応容器中に注入し、ここで前記酸化ジルコニウムをベースとしたプールは蓄熱体としての役割を果たし、そして二酸化ケイ素を還元剤と反応させて亜酸化ケイ素蒸気ＳｉＯを生成させ、前記亜酸化ケイ素蒸気を前記非晶質二酸化ケイ素の球状サブミクロン粒子へと酸化させる、製造方法。
2. 容器中の酸化ジルコニウムをベースとした材料の温度が、少なくとも前記材料の融点である、請求項１に記載の方法。
3. 前記酸化ジルコニウムをベースとした溶融プールの温度は、下記範囲：２６５０乃至３０００℃である、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記得られた球状二酸化ケイ素粒子が、下記範囲：１０^−９乃至１０^−６ｍの寸法を有する、請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の方法。
5. 還元剤が炭素である、請求項１に記載の方法。
6. ガスを酸化ジルコニウムに注入する、請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の方法。
7. 前記ガスが、不活性ガス及び窒素から成る群より選択される、請求項６に記載の方法。