JP6560850B2 - ガラス粉末の製造方法およびガラス粉末の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス粉末の製造方法およびガラス粉末の製造装置に関する。

従来、陶磁器の表面に塗るガラス質の粉末として、微細なガラス粉末が利用されている。また、近年では、ホーロー建材やエレクトロニクス産業、自動車産業、各種の封止・封着の用途などにも、微細なガラス粉末が使用されている。例えば、エレクトロニクス産業では、テレビのプラズマディスプレイや、携帯電話用の基板、車載用の電子制御ユニット（ＥＣＵ）の基板、ＷＬＡＮやワンセグモジュール等の基板、太陽電池セルの導電ペーストなどに幅広く使用されている。

このような微細なガラス粉末の製造方法として、ガラスの原料になるシリカ、アルミナ、炭酸カルシウムや硼砂などを調合して混合し、この混合原料を溶融炉等で溶融し（溶融温度は約７００〜１６５０℃程度）、溶融した原料を大量の水の中に落としたり、ローラーで引き延ばしたりすることにより急冷して非晶質にした後、これをボールミルやジェットミル等を用いて粉砕する方法（例えば、特許文献１または２参照）が、一般的である。

なお、ガラス粉末ではなく、金属粉末を得る方法として、水アトマイズ法やガスアトマイズ法などが従来から利用されている。本発明者等は、アトマイズ法の原理を利用して、溶融金属または金属線材に対してフレームジェットを噴射することにより、球状で微細な金属粉末を得る方法を開発している（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、これらのアトマイズ法をガラス粉末の製造に適用した例は、まだ報告されていない。

特開２００２−４７０２１号公報 特開平８−２７７１２４号公報 国際公開ＷＯ２０１２／１５７７３３

特許文献１および２に記載の従来のガラス粉末の製造方法は、必要とする粒度に応じて、粉砕に数時間から数日間かかり、製造時間が長いという課題があった。例えば、数ミクロンのガラス粉末を得るためには、粉砕時間が数日必要となる。また、粉砕するまでにも多くの工程が必要であり、長い粉砕時間と合わせて、製造コストが上昇してしまうという課題もあった。また、ガラス粉末が粉砕により得られるため、球状にはならず、流動性が悪いという課題もあった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、短時間で安価に、球状で流動性に優れたガラス粉末を製造することができるガラス粉末の製造方法およびガラス粉末の製造装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係るガラス粉末の製造方法は、ガラス組成の溶融原料を含む液体原料を供給する供給手段の下方で、前記供給手段により供給される前記液体原料の垂下流に対して互いに回転対称の位置に配置されている複数のジェットバーナーから、前記垂下流に向かって、垂下流の外周に沿って隙間なく、フレームジェットを噴射することにより前記液体原料を粉砕し、前記液体原料を粉砕して得られた溶融ガラス粉末を冷却することによりガラス粉末を得ることを特徴とする。

本発明に係るガラス粉末の製造装置は、ガラス組成の溶融原料を含む液体原料を垂下流として供給する供給手段と、前記供給手段の下方で、前記供給手段により供給される前記液体原料の垂下流に対して互いに回転対称の位置に配置されており、前記液体原料を粉砕するよう、前記供給手段により供給される前記液体原料の垂下流に向かって、垂下流の外周に沿って隙間なく、フレームジェットを噴射する複数のジェットバーナーとを有し、前記ジェットバーナーで前記液体原料を粉砕して得られた溶融ガラス粉末を冷却するよう構成されていることを特徴とする。

本発明に係るガラス粉末の製造装置は、本発明に係るガラス粉末の製造方法を好適に実施することができる。本発明に係るガラス粉末の製造方法およびガラス粉末の製造装置では、高温で高速のフレームジェットを液体原料に噴射することにより、噴射された液体原料がすぐには凝固せず、比較的長い時間および長い距離にわたって加速され、粉砕される。これにより、液体原料を細かく粉砕することができる。こうして粉砕して得られた溶融ガラス粉末を、結晶化しないよう、雰囲気中を落下または飛散させて静的に急速に冷却したり、冷却媒体などを用いて急速に冷却したりすることにより、微細な固体のガラス粉末を得ることができる。

本発明に係るガラス粉末の製造方法およびガラス粉末の製造装置では、フレームジェットが高温であるため、液体原料を冷却することなく粉砕することができ、必要以上に液体原料の温度を高くしておく必要がない。本発明に係るガラス粉末の製造方法およびガラス粉末の製造装置は、固体のガラスをボールミル等により粉砕する従来の製造方法等と比べて、フレームジェットの噴射と冷却という簡単な工程で、短時間で安価にガラス粉末を製造することができる。また、フレームジェットにより液体原料を粉砕するため、流動性に優れた球状のガラス粉末を得ることができる。

本発明に係るガラス粉末の製造方法およびガラス粉末の製造装置で、液体原料に含まれるガラスの原料は、例えば、珪砂、ソーダ灰、炭酸カルシウムなど、ガラスの原料として使用可能なものであれば、いかなるものであってもよい。また、液体原料は、ガラス組成の溶融原料と、水やミネラルスピリット等の液体とを混合した溶解物であってもよく、ガラス組成の溶融原料のみで構成された溶融物であってもよい。液体原料が溶解物である場合には、液体原料に高温のフレームジェットを噴射することにより、水やミネラルスピリット等の液体が蒸発もしくは燃焼するため、ガラス組成の溶融ガラス粉末を得ることができる。また、本発明に係るガラス粉末の製造方法およびガラス粉末の製造装置は、衝撃波により液体原料をより細かく粉砕するよう、音速よりも速い速度でフレームジェットを液体原料に噴射してもよい。

本発明に係るガラス粉末の製造方法は、前記液体原料の垂下流に向かって鋭角に衝突するように、前記フレームジェットを噴射することが好ましい。本発明に係るガラス粉末の製造装置で、前記供給手段は、前記液体原料を垂下流として供給するよう構成され、前記ジェットバーナーは、前記液体原料の垂下流に向かって鋭角に衝突するように、前記フレームジェットを噴射するよう設けられていることが好ましい。この場合、フレームジェットにより液体原料を容易かつ連続的に粉砕することができ、効率良くガラス粉末を製造することができる。さらに効率的に粉砕するために、垂下流に対して斜交するようフレームジェットを噴射することが好ましい。また、この場合、金属粉末を製造するアトマイズ装置と同様に、フリーフォール型やコンファインド型の装置を利用することができる。

また、この場合、垂下流を囲むよう配置された円環状の噴射口から、円環状のフレームジェットを液体原料に向かって噴射してもよく、また、垂下流に対して互いに回転対称の位置から、複数のフレームジェットを液体原料に向かって噴射してもよい。これらにより、液体原料に対して均一にフレームジェットを噴射することができ、均一な球状のガラス粉末を得ることができる。また、フレームジェットを液体原料の位置で衝突させることができ、ガラス粉末をより細かく形成することができる。

本発明に係るガラス粉末の製造方法は、前記フレームジェットの噴射により得られる前記溶融ガラス粉末、または、前記溶融ガラス粉末を含む前記フレームジェットに向かって冷却媒体を噴射してもよい。本発明に係るガラス粉末の製造装置は、前記フレームジェットの噴射により得られる前記溶融ガラス粉末、または、前記溶融ガラス粉末を含む前記フレームジェットに向かって冷却媒体を噴射するよう設けられた冷却手段を有していてもよい。この場合、溶融ガラス粉末を、直接または間接的に、急速に冷却することができる。溶融ガラス粉末を冷却した後に冷却媒体が液体として残らないよう、噴射する冷却媒体の温度や量を調節することが好ましい。これにより、乾燥した状態のガラス粉末を得ることができ、脱水や乾燥の工程を省くことができ、そのコストを削減することができる。

また、この場合、冷却媒体は、液体または液体ミストから成ることが好ましい。特に、気化熱で効率的に冷却するよう、冷却媒体は、自身の沸点近傍の温度を有する液体または液体ミストから成ることが好ましい。冷却媒体が液体ミストから成る場合、溶融ガラス粉末やフレームジェットとの接触面積を大きくすることができ、冷却速度を速めることができる。冷却媒体の液体または液体ミストは、例えば水、液体窒素、液化炭酸ガスなどから成ることが好ましい。冷却媒体が液体窒素や液化炭酸ガスから成る場合には、溶融ガラス粉末を常温まで冷却しても、乾燥した状態のガラス粉末を得ることができる。

本発明によれば、短時間で安価に、球状で流動性に優れたガラス粉末を製造することができるガラス粉末の製造方法およびガラス粉末の製造装置を提供することができる。

本発明の実施の形態の（ａ）フリーフォール型、（ｂ）コンファインド型のガラス粉末の製造装置を示す側面図である。 本発明の実施の形態のガラス粉末の製造装置の、冷却媒体を噴射する冷却手段を有する変型例を示す側面図である。 図２に示すガラス粉末の製造装置により得られたガラス粉末の（ａ）走査型電子顕微鏡写真、（ｂ） （ａ）の７／３倍の倍率の走査型電子顕微鏡写真、（ｃ） （ａ）の５倍の倍率の走査型電子顕微鏡写真、（ｄ） （ａ）の６５／３倍の倍率の走査型電子顕微鏡写真である。 図３に示すガラス粉末の粒度分布を示すグラフである。 図２に示すガラス粉末の製造装置により得られたガラス粉末の（ａ）走査型電子顕微鏡写真、（ｂ） （ａ）の１５／７倍の倍率の走査型電子顕微鏡写真、（ｃ） （ａ）の６５／７倍の倍率の走査型電子顕微鏡写真である。 図５に示すガラス粉末の粒度分布を示すグラフである。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図６は、本発明の実施の形態のガラス粉末の製造方法およびガラス粉末の製造装置を示している。
図１に示すように、ガラス粉末の製造装置１０は、供給手段１１と複数のジェットバーナー１２とを有している。なお、図１（ａ）にはフリーフォール型の装置を、図１（ｂ）にはコンファインド型の装置を示している。

図１に示すように、供給手段１１は、ガラス組成の溶融原料を含む液体原料１を収納する容器から成っている。供給手段１１は、底面の中央に、内部に連通する注湯ノズル１１ａを有している。供給手段１１は、内部に収納した液体原料１を、注湯ノズル１１ａから下方に流出可能に構成されている。

各ジェットバーナー１２は、供給手段１１の下方で、注湯ノズル１１ａからの液体原料１の垂下流１ａに対して互いに回転対称の位置に配置されている。各ジェットバーナー１２は、液体原料１の垂下流１ａの周囲からフレームジェット１２ａを斜め下方に向かって噴射可能に配置されている。各ジェットバーナー１２は、フレームジェット１２ａが液体原料１の垂下流１ａの外周に沿って隙間なく、ほぼ均等なジェット圧で液体原料１に鋭角に衝突するよう、同じ圧力および速度でフレームジェット１２ａを噴射するよう構成されている。これにより、各ジェットバーナー１２は、垂下流１ａの１点にフレームジェット１２ａを集中して噴射し、液体原料１を粉砕して溶融ガラス粉末を形成可能になっている。

なお、液体原料１に含まれるガラス組成の溶融原料は、溶融した状態でガラス組成を有するものであれば、いかなるものを含んでいてもよく、例えば、珪砂、ソーダ灰、炭酸カルシウムなどを含んでいる。液体原料１は、ガラス組成の溶融原料と、水やミネラルスピリット等の液体とを混合した溶解物であってもよく、ガラス組成の溶融原料のみで構成された溶融物であってもよい。また、具体的な一例では、各ジェットバーナー１２は、小型で、音速よりも速い速度でフレームジェット１２ａを噴射可能なハード工業有限会社製のジェットバーナーから成っている。また、ジェットバーナー１２は４台から成っている。

本発明の実施の形態のガラス粉末の製造方法は、ガラス粉末の製造装置１０により好適に実施することができる。本発明の実施の形態のガラス粉末の製造方法およびガラス粉末の製造装置１０では、高温で高速のフレームジェット１２ａを液体原料１に噴射することにより、噴射された液体原料１がすぐには凝固せず、比較的長い時間および長い距離にわたって加速され、粉砕される。これにより、液体原料１を細かく粉砕することができる。こうして粉砕して得られた溶融ガラス粉末を、結晶化しないよう、雰囲気中を落下または飛散させて静的に急速に冷却することにより、微細な固体のガラス粉末を得ることができる。

本発明の実施の形態のガラス粉末の製造方法およびガラス粉末の製造装置１０では、フレームジェット１２ａが高温であるため、液体原料１を冷却することなく粉砕することができ、必要以上に液体原料１の温度を高くしておく必要がない。本発明の実施の形態のガラス粉末の製造方法およびガラス粉末の製造装置１０は、固体のガラスをボールミル等により粉砕する従来の製造方法等と比べて、フレームジェット１２ａの噴射と冷却という簡単な工程で、短時間で安価にガラス粉末を製造することができる。また、フレームジェット１２ａにより液体原料１を粉砕するため、流動性に優れた球状のガラス粉末を得ることができる。

本発明の実施の形態のガラス粉末の製造方法およびガラス粉末の製造装置１０は、液体原料１の垂下流１ａに向かって各フレームジェット１２ａを噴射するため、液体原料１を容易かつ連続的に粉砕することができ、効率良くガラス粉末を製造することができる。また、液体原料１に対して均一に各フレームジェット１２ａを噴射するとともに、各フレームジェット１２ａを液体原料１の位置で衝突させることができ、均一で球状の、より微細なガラス粉末を得ることができる。液体原料１が、ガラス組成の溶融原料と、水やミネラルスピリット等の液体との溶解物である場合には、液体原料１に高温のフレームジェット１２ａを噴射することにより、水やミネラルスピリット等の液体が蒸発もしくは燃焼するため、ガラス組成の溶融ガラス粉末を得ることができ、微細なガラス粉末を得ることができる。

なお、ガラス粉末の製造装置１０は、溶融ガラス粉末を冷却するために、冷却媒体を噴射するよう構成された冷却手段を有していてもよい。この場合、例えば、図２に示すように、冷却手段１３は、冷却媒体２１を噴射可能な複数の冷却ノズル１３ａを有している。冷却媒体２１は、水、液体窒素、液化炭酸ガスなどから成っている。各冷却ノズル１３ａは、各ジェットバーナー１２の下方で、各フレームジェット１２ａが１点に集中して下方に流れる１本のフレームジェット１２ｂに対して、互いに回転対称の位置に配置されている。各冷却ノズル１３ａは、溶融ガラス粉末を含む１本のフレームジェット１２ｂの外側から、そのフレームジェット１２ｂに向かって冷却媒体２１を斜め下方に噴射するよう構成されている。各冷却ノズル１３ａは、そのフレームジェット１２ｂの流れ方向に沿った所定の範囲で、そのフレームジェット１２ｂの外周面に冷却媒体２１が隙間なく当たるよう、冷却媒体２１を噴射可能に構成されている。

冷却手段１３は、液体の冷却媒体２１を、ストレート水流やシャワー状、ミスト状などの状態で噴射可能になっている。また、冷却手段１３は、冷却媒体２１による冷却直後のガラス粉末が、冷却媒体２１の沸点より高い温度を維持するよう、冷却媒体２１の温度および量を調整して噴射可能になっている。

図２に示すガラス粉末の製造装置１０は、冷却手段１３により、溶融ガラス粉末を結晶化しないよう急速に冷却することができる。また、噴射する冷却媒体２１の温度や量を調節することにより、溶融ガラス粉末を冷却した後に冷却媒体２１が液体として残らず、乾燥した状態のガラス粉末を得ることができる。このため、脱水や乾燥の工程を省くことができ、そのコストを削減することができる。また、冷却媒体２１をミスト状にすることにより、溶融ガラス粉末やフレームジェット１２ｂとの接触面積を大きくすることができ、冷却速度を速めることができる。また、冷却媒体２１として液体窒素や液化炭酸ガスを使用することにより、溶融ガラス粉末を常温まで冷却しても、乾燥した状態のガラス粉末を得ることができる。

また、ガラス粉末の製造装置１０は、衝撃波により液体原料１をさらに細かく粉砕するよう、音速よりも速い速度で各フレームジェット１２ａを液体原料１に噴射してもよい。また、ガラス粉末の製造装置１０は、複数のジェットバーナー１２ではなく、液体原料１の垂下流１ａを囲むよう配置された円環状の噴射口を有する１つのジェットバーナーを用いて、円環状のフレームジェットを液体原料１に向かって噴射するよう構成されていてもよい。この場合にも、液体原料１に対して均一にフレームジェットを噴射するとともに、フレームジェットを液体原料１の位置で衝突させることにより、均一で球状の、より微細なガラス粉末を得ることができる。

図２に示すガラス粉末の製造装置１０を用いて、低軟化点を有するガラス組成の溶融原料から成る液体原料１を用いて、ガラス粉末の製造を行った。噴射するフレームジェット１２ａの温度を１５００〜１６００℃、液体原料１の温度を９７０℃、液体原料１の垂下速度を２．７ｋｇ／ｍｉｎとした。また、冷却媒体２１として水を使用し、冷却手段１３により液体ミストにして噴射した。また、冷却媒体２１の噴射量を１．０リットル／ｍｉｎとした。

得られたガラス粉末の走査型電子顕微鏡写真および粒度分布を、それぞれ図３および図４に示す。図３に示すように、球状のガラス粉末が得られていることが確認された。また、図４に示すように、ガラス粉末は、粒径が１μｍ以下のものから５０μｍ程度のものまで得られており、粒径が数μｍ〜１０μｍ未満のものが最も多いことが確認された。

図２に示すガラス粉末の製造装置１０を用いて、低軟化点を有するガラス組成の溶融原料から成る液体原料１を用いて、ガラス粉末の製造を行った。噴射するフレームジェット１２ａの温度を１５００〜１６００℃、液体原料１の温度を８７０℃、液体原料１の垂下速度を３．４ｋｇ／ｍｉｎとした。また、冷却媒体２１として水を使用し、冷却手段１３により液体ミストにして噴射した。また、冷却媒体２１の噴射量を１．０リットル／ｍｉｎとした。

得られたガラス粉末の走査型電子顕微鏡写真および粒度分布を、それぞれ図５および図６に示す。図５に示すように、球状のガラス粉末が得られていることが確認された。また、図６に示すように、ガラス粉末は、粒径が１μｍ程度のものから１００μｍ程度のものまで得られており、粒径が数μｍ〜２０μｍ未満のものが最も多いことが確認された。

１ 液体原料
１ａ 垂下流
１０ ガラス粉末の製造装置
１１ 供給手段
１１ａ 注湯ノズル
１２ ジェットバーナー
１２ａ フレームジェット
１３ 冷却手段
１３ａ 冷却ノズル
２１ 冷却媒体

Claims (6)

1. ガラス組成の溶融原料を含む液体原料を供給する供給手段の下方で、前記供給手段により供給される前記液体原料の垂下流に対して互いに回転対称の位置に配置されている複数のジェットバーナーから、前記垂下流に向かって、垂下流の外周に沿って隙間なく、フレームジェットを噴射することにより前記液体原料を粉砕し、前記液体原料を粉砕して得られた溶融ガラス粉末を冷却することによりガラス粉末を得ることを特徴とするガラス粉末の製造方法。
2. 前記液体原料の垂下流に向かって鋭角に衝突するように、前記フレームジェットを噴射することを特徴とする請求項１記載のガラス粉末の製造方法。
3. 前記フレームジェットの噴射により得られる前記溶融ガラス粉末、または、前記溶融ガラス粉末を含む前記フレームジェットに向かって冷却媒体を噴射することを特徴とする請求項１または２記載のガラス粉末の製造方法。
4. ガラス組成の溶融原料を含む液体原料を垂下流として供給する供給手段と、
   前記供給手段の下方で、前記供給手段により供給される前記液体原料の垂下流に対して互いに回転対称の位置に配置されており、前記液体原料を粉砕するよう、前記供給手段により供給される前記液体原料の垂下流に向かって、垂下流の外周に沿って隙間なく、フレームジェットを噴射する複数のジェットバーナーとを有し、
   前記ジェットバーナーで前記液体原料を粉砕して得られた溶融ガラス粉末を冷却するよう構成されていることを特徴とするガラス粉末の製造装置。
5. 前記ジェットバーナーは、前記液体原料の垂下流に向かって鋭角に衝突するように、前記フレームジェットを噴射するよう設けられていることを特徴とする請求項４記載のガラス粉末の製造装置。
6. 前記フレームジェットの噴射により得られる前記溶融ガラス粉末、または、前記溶融ガラス粉末を含む前記フレームジェットに向かって冷却媒体を噴射するよう設けられた冷却手段を有することを特徴とする請求項４または５記載のガラス粉末の製造装置。