JP6416340B1 - 酸化金属薄片製造装置および酸化金属薄片製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄い酸化金属片の連続生産を可能とする技術を提供すること。
【解決手段】 原料を加熱し金属Ｍの一酸化物であるＭＯガスを生成させる蒸発生成部１２と、ＭＯガスを蒸着させ、収縮によるひび割れたＭＯ膜を形成させる、０℃以下に冷却した表面を有するクーリングローラ１３と、クーリングローラ１３を当該円筒中心を軸として回転させる駆動モータ１３３と、クーリングローラ１３に所定間隙を以て離間し、前記ひび割れたＭＯ膜を剥離させるスクレーパ１４と、蒸発生成部１２とクーリングローラ１３とスクレーパ１４とを収容した収容槽１１内を脱気すると共に、収容槽１１内をＭＯと反応しないガスでパージするガスパージ部と、収容槽１１内にて、剥離したＭＯ膜片を所定濃度の酸素雰囲気下に曝す酸化部と、を具備したことを特徴とする酸化金属薄片製造装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、塗料等に混和する加飾粉末や、物性を利用する粉末素材としての酸化金属薄片の製造装置および方法に関する。

従来、塗料等に混和する加飾用の粉末や物性を利用する粉末素材は、たとえば、金属Ｍを含む原料を加熱して反応等させ、これを基体表面にＭＯとして析出させ、回収して得ることがある。

その一態様として連続生産（回収）を実現するために、基体をドラム状にして軸回転させ、スクレーパないしブレードでＭＯをはつり落とす方法も知られている。

しかしながら、従来の技術では以下の問題点があった。
金属酸化膜（ＭＯ膜）の過度の酸化を防ぐ等の理由からドラムの温度は約３００℃〜５００℃に制御され、また、金属Ｍの種類によってはＭＯの硬度が高い場合もあり、スクレーパが鈍ったり摩耗したりする、という問題点があった。
また、ＭＯが高硬度である場合には、はつりとりの際にスクレーパ先端の弾性による基体への接触、損傷を避けるため、スクレーパと基体との間隔をミリオーダーとせざるを得ず、ＭＯ膜の厚みが厚くなるという問題点もあった（ＭＯ膜が厚くなるので、スクレーパの摩耗が一層進行するという自己矛盾も存在する）。加えて、このオーダーでは用途によっては大き過ぎ、更に、後工程にて微細化に時間がかかるという問題点もあった。
すなわち、従来では、連続生産が困難であり、回収される金属酸化膜（ＭＯ）片も厚みが厚すぎるという問題点があった。

特開２０１６−５１９０４６号公報 特開２００１−２２０１２３号公報

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、薄い金属酸化膜片の連続生産を可能とする技術を提供することを目的とする。

請求項１に記載の酸化金属薄片製造装置は、原料を加熱し金属Ｍの一酸化物であるＭＯガスを生成させる蒸発生成部と、ＭＯガスを蒸着させ、収縮によるひび割れたＭＯ膜を形成させる、０℃以下に冷却した表面を有する冷却円筒体と、冷却円筒体を当該円筒中心を軸として回転させる駆動部と、冷却円筒体に所定間隙を以て離間し、前記ひび割れたＭＯ膜を剥離させるスクレーパと、蒸発生成部と冷却円筒体とスクレーパとを収容した収容槽内を脱気すると共に、収容槽内をＭＯと反応しないガスでパージするガスパージ部と、収容槽内にて、剥離したＭＯ膜片を所定濃度の酸素雰囲気下に曝す酸化部と、を具備したことを特徴とする。

すなわち、請求項１に係る発明は、冷却収縮によるひび割れの生じた酸化金属薄片（ＭＯ薄片）を、スクレーパによって容易に剥落させ、表面酸化により安定化させる。なお、薄片端部はめくれ上がっている場合が多く、この点からも剥離を容易とする。副次的にスクレーパが摩耗せず、連続生産に資することとなる。

原料を加熱し金属Ｍの一酸化物であるＭＯガスを生成させるとは、単にＭＯを加熱して気化した状態とする他、たとえば、Ｍ_２Ｏ_３＋Ｍ→３ＭＯまたはＭＯ_２＋Ｍ→２ＭＯの反応を引き起こすような態様も含む。また、Ｍは、化学式ＭＯが形成される金属元素（半金属含む）であれば特に限定されず、たとえば、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｔｉ等を挙げることができる。
なお、冷却円筒体とは冷却された表面層を有することを意味し、中実体すなわち円柱体であることを妨げない。
スクレーパはブレードということもできる。
パージガスとしては不活性ガスを挙げることができる。
酸化部は、酸化被膜形成部ということもできる。所定濃度の酸素雰囲気とは、ＭＯ薄片を大気に曝した場合に発熱や発火が生じない程度に表面ないし表層が酸化される濃度をいい、大気へ開放する前に減圧下で低酸素濃度雰囲気下にＭＯ膜片を曝す態様を挙げることができる。濃度は収容槽中での曝露時間に応じて適宜設定するものとする。なお、酸化部は、蒸着を終えてからたまったＭＯ膜片に酸素ガスを供給する態様の他、ＭＯ膜片を生産中に、剥落を受ける回収箱近傍にのみ酸素ガスを供給する態様であってもよい。

請求項２に記載の酸化金属薄片製造装置は、請求項１に記載の酸化金属薄片製造装置において、冷却円筒体の表面温度を、−１５℃〜−２５℃の間の所定温度としたことを特徴とする。

すなわち、請求項２に係る発明は、冷却収縮およびひび割れを好適におこなうことができる。

請求項３に記載の酸化金属薄片製造装置は、請求項１または２に記載の酸化金属薄片製造装置において、スクレーパ先端は、高速度鋼または超硬合金により形成されていることを特徴とする。

すなわち、請求項３に係る発明は、スクレーパの耐摩耗性を向上させ連続生産性を高める。

請求項４に記載の酸化金属薄片製造方法は、軸回転し表面が０℃以下に冷却された冷却円筒体と、冷却円筒体から所定間隙を以て離間したスクレーパと、冷却円筒体とスクレーパとを収容した収容槽と、を用いた酸化金属薄片製造方法であって、加熱されたＭＯの蒸気を、冷却円筒体表面に蒸着させると共に冷却収縮によりひび割れたＭＯ膜として形成し、前記ひび割れたＭＯ膜をスクレーパにより剥離してＭＯ膜片とし、収容槽内を脱気すると共に所定の酸素濃度に維持し表面に酸化被膜が形成されたＭＯ薄片を得ることを特徴とする。

すなわち、請求項４に係る発明は、冷却収縮によるひび割れの生じたＭＯ薄片を、スクレーパによって容易に剥落させ、表面酸化により安定化させる。なお、薄片端部はめくれ上がっている場合が多く、この点からも剥離を容易とする。副次的にスクレーパが摩耗せず、連続生産に資することとなる。

なお、脱気すると共に所定の酸素濃度に維持し、とは、大気へ開放する前に、減圧下で低酸素濃度雰囲気下にＭＯ膜片を曝すことをいう。
なお、冷却円筒体に形成されるＭＯ膜の膜厚が０．１μｍ〜２μｍとなる、ＭＯガスの蒸発量であるまたは冷却円筒体の回転速度であることが好ましい。
また、冷却円筒体の表面温度は、−１５℃〜−２５℃の間の所定温度とするのが好ましい。
また、スクレーパ先端は、高速度鋼または超硬合金により形成されていることが好ましい。

なお、軸回転し表面が１８０℃〜２２０℃である蒸着円筒体と、蒸着円筒体から所定間隙を以て離間したスクレーパと、蒸着円筒体とスクレーパとを収容した収容槽と、を用いた酸化金属薄片製造方法であって、加熱されたＭＯの蒸気を、蒸着円筒体表面に蒸着させると共に蒸着潜熱を利用した膨脹によりひび割れたＭＯ膜として形成し、前記ひび割れたＭＯ膜をスクレーパにより剥離してＭＯ膜片とし、収容槽内を脱気すると共に所定の酸素濃度に維持し表面に酸化被膜が形成されたＭＯ薄片を得るようにしてもよい。

本発明によれば、薄いＭＯ片の連続生産を可能とする技術を提供することができる（特に請求項１〜４，６）。

実施の形態１の薄片製造装置を模式的に表した構成概要図である。 スクレーパ先端近傍の部分拡大図である。 得られた酸化金属薄片の写真である。 実施の形態２の薄片製造装置を模式的に表した構成概略図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
＜実施の形態１＞
実施の形態１では、クーリングローラ表面が−２０℃まで冷却された酸化金属薄片製造装置について説明する（以降では、酸化金属薄片製造装置を単に薄片製造装置と称することとする）。また、本実施の形態では、ＭＯ_２とＭとを加熱反応させ、ＭＯガスを発生させる金属元素Ｍを用いるものとする。
図１は、本実施の形態の薄片製造装置の構成概要図である。図２は、スクレーパ先端近傍の部分拡大図である。なお、説明の便宜上、各構成は縮尺を適宜変えて描画している。

薄片製造装置１は、収容槽１１内に、蒸発生成部１２と、クーリングローラ１３と、スクレーパ１４と、収容した構成を有する。

収容槽１１は、気密な筐体１１１からなり、真空ポンプ１１２と、気体導入部１１３（１１３ａ、１１３ｂ）と、真空計１１４と、仕切板１１５と、を有する。
気体導入部１１３ａは、金属Ｍの酸化物であるＭＯの反応生成時に（蒸着時に）パージガスとしてアルゴンを導入しつ、真空ポンプ１１２により収容槽１１を減圧し、ガスパージをおこなう。製造条件にも依存するが、真空計１１４により気圧を計測し、収容槽１１内が、約０．１Ｐａ〜０．０１Ｐａとなるように調整する。
なお、効率的なガスパージをおこない、また、蒸発生成部１２からの熱拡散や蒸気成分の拡散を防止するため、収容槽１１内には、仕切板１１５を設けており、この上下の各室に真空ポンプ１１２を接続している。

また、ＭＯ膜片を回収し終えた後には（蒸着終了後には）、気体導入部１１３ｂが低濃度の酸素ガスをＭＯ膜片に供給する。収容槽１１内を減圧下ながらも一定の酸素雰囲気とすることにより、スクレーパ１４から剥離させた、相対的に比表面積の大きいＭＯ膜片の表層を酸化し、安定化することができる。これにより、製造されたＭＯ薄片を最終的に収容槽１１内から取り出す際に、発熱、発火等が生じず、取扱性が高まる。

蒸発生成部１２は、原料であるＭＯ_２とＭとを蒸発させ、ＭＯガスを生成させる。より詳しくは、直径約３ｍｍのＭＯ_２玉と、Ｍ玉とを、等モル量混合し、舟形のルツボ１２１に収容する。これに電子線発生器１２２よる電子線を照射して、局所的に約１５００℃程度まで昇温溶融し、ＭＯ_２＋Ｍ→２ＭＯの反応をおこさせＭＯガスを生成する。

また、蒸発生成部１２は、ガイド１２３を有し、ＭＯガスはクーリングローラ１３の所定の中心角部分に蒸着される。

クーリングローラ１３は、直径５００ｍｍ、長さ５００ｍｍの円柱であって、外殻をステンレス鋼の円筒体１３１とし、表面は硬質クロムメッキにより被膜している。円筒体１３１の内側には冷媒の流路が形成され（図示せず）、本実施の形態では、表面温度が−２０℃に保たれるように制御されている。これは、温度センサにより表面温度を検知し冷媒の流速を調整することによりおこなわれる（温度センサと流速調整機構はいずれも図示せず）。
なお、収容槽１１内には、仕切板１１５が備わっているため、収容槽１１の上層側は２０℃程度に維持され、クーリングローラ１３表面の温度上昇が抑制される。

蒸発生成部１２からのＭＯ蒸気がクーリングローラ１３表面に当たることによりＭＯが蒸着する。このとき、蒸気と表面との温度差によりひび割れが生じ、端部が浮き上がったＭＯ膜片となる。膜片の大きさは、製造条件にもよるが、膜厚が０．１μｍ〜２μｍ、長径が１ｍｍ〜２ｍｍ程度である。

また、クーリングローラ１３は、軸１３２を中心に一定の角速度で自身を回転させる駆動モータ１３３を有する。なお、駆動モータ１３３は収容槽１１外に備わり、角速度を調整可能な機構が備わる（図示せず）。表面速度は、製造するＭＯ薄片の膜厚により適宜設定すれば良いが、たとえば、０．０３ｍ／ｍｉｎ〜５ｍ／ｍｉｎの所定速度とすることができる。

なお、ＭＯの膜厚は、電子線発生器１２２の出力（原料の加熱蒸発量）と、駆動モータ１３３（クーリングローラ１３表面の回転速度）により調整できる。膜厚は、適宜、表面色彩をモニタリングすることにより測定する。

スクレーパ１４は、基端厚みが１０ｍｍ、先端側の厚みが０．１ｍｍであり、幅（刃渡り：高さ）５０ｍｍ、長さ５００ｍｍのブレードであって、図２に示したように、クーリングローラ１３の接線方向から３０℃傾けて配置している。先端とクーリングローラ１３の表面との間隙は０．１μｍ〜２０μｍと可変であるが、ここでは、０．２μｍ離間させている。なお、スクレーパ１４には高速度工具鋼鋼材を用いて耐摩耗性を高めている。

クーリングローラ１３に形成された多数のＭＯ膜片は、スクレーパ１４により順次はつり落とされ、直下に設置した回収箱１４１にて回収される。このとき、ＭＯ膜片は、端部がクーリングローラ１３から浮き上がって蒸着していることが多く、この端部がスクレーパ１４先端へのとっかかりとなり、容易な剥落を実現する。回収量（生産量）は、各種設定に依存するが、３ｇ〜２０ｇ／ｈである。

なお、回収箱１４１により回収されたＭＯ膜片は、上述したように所定濃度の酸素雰囲気下に曝され表面がわずかに酸化されたＭＯ薄片となる。

薄片製造装置１は、以上の構成により、好適に酸化金属ＭＯ薄片を製造する。
すなわち、軸回転し表面が０℃以下に冷却されたクーリングローラ１３と、クーリングローラ１３に所定間隙を以て離間したスクレーパ１４と、これらを収容した収容槽１１と、により、加熱されたＭＯの蒸気を、クーリングローラ１３表面に蒸着させると共に冷却収縮によりひび割れたＭＯ膜として形成し、このひび割れたＭＯ膜をスクレーパ１４により剥離してＭＯ膜片とし、収容槽１１内を脱気すると共に所定の酸素濃度に維持し、表面に酸化被膜が形成されたＭＯ薄片を得ることができる。

薄片製造装置１は、スクレーパ１４の摩耗なく、たとえば、２４時間の連続生産も可能である。

実際に得られた酸化金属の薄片の写真を図３に示した。

薄片製造装置１は、以上の構成に限定されない。
ＭＯ_２とＭの加熱態様は特に限定されず、誘導加熱、抵抗加熱によってもよい。金属元素Ｍとしては、Ｍ_２Ｏ_３＋Ｍ→３ＭＯの反応を引き起こすようなものでもよく、ＭＯガスの例としては、ＦｅＯ，ＮｉＯ，ＣｒＯ，ＣｏＯ，ＭｎＯ等を挙げることができる。
クーリングローラ１３の表面温度は、−１５℃〜−２５℃の間で適宜設定し、薄片の大きさその他を調整することができる。
スクレーパ１４の角度も５°〜８５°とすることができ、先端素材も、高速度鋼の他、超硬合金であってもよい。
また、回収箱１４１下部にヒータ１４２を備え、ＭＯ薄片を２００℃〜５００℃で真空加熱するようにしても良い。これは、要求特性に応じて適宜加熱する。なお、この加熱は、低濃度酸素への曝露前におこなうが、使用の態様により、低濃度酸素への曝露後におこなうようにしてもよい。

＜実施の形態２＞
実施の形態２では、ローラ表面が２００℃近辺に維持された薄片製造装置について説明する。なお、実施の形態１と同様の構成部には、同一の符号を付し、その説明を適宜省略するものとする。

図４は、実施の形態２のＭＯ薄片製造装置の構成製概要図である。
薄片製造装置２は、収容槽１１内に、蒸発生成部１２と、蒸着ローラ１５と、スクレーパ１４と、収容した構成を有する。

蒸発生成部１２は、るつぼ１２１の下流に第２蒸発源１２４を備える。第２蒸発源１２４は、中に投入された金属（たとえばアルカリ金属Ｘ）を蒸発させ、ＭＯ蒸着膜表面に付加させる。これは、要求組成や要求物性により、二素材すなわちＭＯとＸの混合薄片であることが好ましいことがあるためである。加熱方法は特に限定されず、たとえば、抵抗加熱とすることができる。加熱温度により、Ｘの吹き付け量を調整することができる。

蒸着ローラ１５は、構成はクーリングローラ１３に近似するが、円筒体１３１の内側には電熱線が巡らされ（図示せず）、本実施の形態では、表面温度が２００℃に保たれるように制御されている。これは、温度センサにより表面温度を検知し電流ないし電圧を調整することによりおこなわれる（温度センサと調整機構はいずれも図示せず）。

蒸発生成部１２からのＭＯ蒸気が蒸着ローラ１５表面に当たることによりＭＯが蒸着する。このとき、蒸着潜熱由来の膨脹により、実施の形態１と同様にひび割れが生じ、端部が浮き上がったＭＯ膜片となる。膜片の大きさは、製造条件にもよるが、膜厚が５μｍ〜２０μｍ、長径が１ｍｍ〜２ｍｍ程度である。
なお、この程度の温度であると、使用の態様にもよるが、実施の形態１でいう後加熱（ヒータ１４２）が不要となる。

スクレーパ１４は、本実施の形態では蒸着ローラ１５の接線方向から５０℃傾けて配置している。先端とクーリングローラ１３の表面との間隙は０．１μｍ〜２０μｍと可変であるが、ここでは、１０μｍ離間させている。

蒸着ローラ１５に形成された多数のＭＯ膜片は、スクレーパ１４により順次はつり落とされ、直下に設置した回収箱１４３にて回収される。回収箱１４３は、開口部が底面に比べて狭く、ある程度の容積を有する縦長の容器である。

薄片製造装置２では、薄片製造装置１と同様に収容槽１１でアルゴンガスによるガスパージを気体導入部１１３ａと真空ポンプ１１２とでおこなうが、これとは別に、Ｘ／ＭＯ混合膜片を生産中に、回収箱１４３にて剥落してきた混合膜片の表層を酸化する。すなわち、気体導入部１１３ｂから所定濃度の酸素を供給して真空ポンプ１４４にてこれを排気し、酸素が回収箱１４３から漏れないような流れが形成されるようにしている（そうなるべく回収箱１４３の開口部を狭めている）。

薄片製造装置２は、以上の構成により、好適にＸとＭＯの混合薄片を製造する。
すなわち、軸回転し表面が２００℃である蒸着ローラ１５と、蒸着ローラ１５から所定間隙を以て離間したスクレーパ１４と、これらを収容した収容槽１１と、により、加熱されたＭＯの蒸気を、蒸着ローラ１５表面に蒸着させると共に蒸着潜熱由来の膨脹によりひび割れたＭＯ膜として形成し、同様にＸも付着させ、このひび割れたＸとＭＯとの混合膜をスクレーパにより剥離して混合膜片とし、ガスパージすると共に回収箱１４３内のみを所定の酸素濃度に維持し、表面に酸化被膜が形成された混合薄片を得ることができる。

薄片製造装置２も、スクレーパ１４の摩耗なく、たとえば、２４時間の連続生産も可能である。

薄片製造装置２は、以上の構成に限定されない。
蒸着ローラ１５の表面温度は、１８０℃〜２２０℃の間で適宜設定し、薄片の大きさその他を調整することができる。
混合させる金属Ｘは、マグネシウムやリチウム等を挙げることができる。

本発明によれば、薄い酸化金属片の連続生産が可能となる。

１ 薄片製造装置
２ 薄片製造装置
１１ 収容槽
１２ 蒸発生成部
１３ クーリングローラ
１４ スクレーパ
１５ 蒸着ローラ
１１１ 筐体
１１２ 真空ポンプ
１１３ 気体導入部
１１３ａ 気体導入部（アルゴン）
１１３ｂ 気体導入部（酸素）
１１４ 真空計
１１５ 仕切板
１２１ ルツボ
１２２ 電子線発生器
１２３ ガイド
１２４ 第２蒸発源
１３１ 円筒体
１３２ 軸
１３３ 駆動モータ
１４１ 回収箱
１４２ ヒータ
１４３ 回収箱
１４４ 真空ポンプ

Claims (4)

1. 原料を加熱し金属Ｍの一酸化物であるＭＯガスを生成させる蒸発生成部と、
   ＭＯガスを蒸着させ、収縮によるひび割れたＭＯ膜を形成させる、０℃以下に冷却した表面を有する冷却円筒体と、
   冷却円筒体を当該円筒中心を軸として回転させる駆動部と、
   冷却円筒体に所定間隙を以て離間し、前記ひび割れたＭＯ膜を剥離させるスクレーパと、
   蒸発生成部と冷却円筒体とスクレーパとを収容した収容槽内を脱気すると共に、収容槽内をＭＯと反応しないガスでパージするガスパージ部と、
   収容槽内にて、剥離したＭＯ膜片を所定濃度の酸素雰囲気下に曝す酸化部と、
   を具備したことを特徴とする酸化金属薄片製造装置。
2. 冷却円筒体の表面温度を、−１５℃〜−２５℃の間の所定温度としたことを特徴とする請求項１記載の酸化金属薄片製造装置。
3. スクレーパ先端は、高速度鋼または超硬合金により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の酸化金属薄片製造装置。
4. 軸回転し表面が０℃以下に冷却された冷却円筒体と、冷却円筒体から所定間隙を以て離間したスクレーパと、冷却円筒体とスクレーパとを収容した収容槽と、を用いた酸化金属薄片製造方法であって、
   加熱されたＭＯの蒸気を、冷却円筒体表面に蒸着させると共に冷却収縮によりひび割れたＭＯ膜として形成し、
   前記ひび割れたＭＯ膜をスクレーパにより剥離してＭＯ膜片とし、
   収容槽内を脱気すると共に所定の酸素濃度に維持し表面に酸化被膜が形成されたＭＯ薄片を得ることを特徴とする酸化金属薄片製造方法。