JPH05193910A - 金属酸化物粉末の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属粉末燃焼法により高純度の金属酸化物粉
末を得る。 【構成】 塊状又は粉粒状の金属原料を、高純度の水で
洗浄するか、又は加熱処理することにより、その抽出水
のフッ素イオン、塩素イオンのイオン濃度分析値を所定
値以下にする。このようにフッ素、塩素などの不純物を
除去した金属粉末を金属粉末燃焼法に用いることによ
り、高純度の金属酸化物粉末を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属粉末燃焼法により
金属粉末から金属酸化物粉末を合成する金属酸化物粉末
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、特開昭６０−２５５６０２号公報
などにみられるように、金属粉末を燃焼させて金属酸化
物粉末を合成する金属粉末燃焼法が開発されている。こ
の製造方法を説明すると、アルミニウム、珪素、マグネ
シウムなどの金属粉末をキャリアガスとともに酸化性雰
囲気下の反応容器内に供給し、該反応容器内で着火させ
て火炎を形成する。この火炎中では、金属粉末、その酸
化物等が固体・液体・気体として存在しており、気体の
一部はプラズマ化していると考えられている。この様な
超高温下では酸化反応が瞬時に完結し、火炎冷却後は直
ちに酸化物粉末が合成される。その後燃料排ガス中に含
有される酸化物粉末はバグフィルタなどの回収装置等で
分離、回収される。

【０００３】この製造方法によれば、アルミナ、シリ
カ、マグネシアなどの単独金属酸化物粉末はもとより、
ムライト、スピネルなどの複合金属酸化物粉末も容易に
製造することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記金属粉
末燃焼法は合成された酸化物粉末が真球状となる特徴を
有しており、半導体封止材、セラミックス原料、化粧品
材料などへの応用が考えられている。例えば、シリカガ
ラス・アルミナ等については、応用のひとつとして半導
体封止材が考えられている。ここで、半導体封止材等の
半導体産業用原料には、極めて高い純度が求められるこ
とが通例である。

【０００５】しかし、上記従来の金属粉末燃焼法により
合成された金属酸化物粉末の純度は必ずしもその要求に
応え得るものではなかった。このように、金属粉末燃焼
法においては、合成される金属酸化物粉末の純度を向上
させることが極めて重要である。金属酸化物粉末の純度
を向上させるためには、塊状又は粉粒状の金属原料の純
度を向上させることが大きなポイントであると考えられ
ている。なお、金属酸化物粉末中の不純物としては、陽
イオン性、陰イオン性、非イオン性の無機物又は有機物
等に大別できる。上記塊状又は粉粒状の金属原料は、一
般にフッ酸、塩酸、混酸等で酸処理が施される。この酸
処理は、主に陽イオン性、非イオン性の無機物を除去す
るために行われる。そして、金属原料が酸処理されると
陰イオン性の物質で汚染されるため、酸処理後の金属原
料は水洗浄が行われている。

【０００６】本発明者等は、金属粉末燃焼法により合成
された金属酸化物粉末の純度と上記酸処理された塊状又
は粉粒状の金属原料の純度との関係を検討しているうち
に、酸処理後の金属原料には、フッ素、塩素等のハロゲ
ンイオンが数ｐｐｍ〜数十ｐｐｍ含まれていることを見
出した。このように、ハロゲン元素を含有する金属原料
から金属粉末燃焼法により金属酸化物粉末を合成する
と、合成された金属酸化物粉末にもハロゲン元素が含有
されその純度を低下させる。

【０００７】本発明は上記知見に基づいてなされたもの
であり、塊状又は粉粒状の金属原料に含まれるハロゲン
元素を極力除去して、金属粉末燃焼法により合成される
金属酸化物粉末の純度を向上させることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する第１
発明は、金属粉末をキャリアガスとともに酸化性雰囲気
下の反応容器内に供給し、該反応容器内で該金属粉末を
燃焼させることにより、金属酸化物粉末を合成する金属
酸化物粉末の製造方法において、前記金属粉末には、塊
状又は粉粒状の金属原料をその抽出水のイオン濃度分析
値がフッ素イオン：２ｐｐｍ以下、塩素イオン：１ｐｐ
ｍ以下となるように高純度の水で洗浄したものを用いる
ことを特徴とする。

【０００９】この第１発明では、塊状又は粉粒状の金属
原料を高純度の水で洗浄し、その抽出水のイオン濃度分
析値がフッ素イオン：２ｐｐｍ以下、塩素イオン：１ｐ
ｐｍ以下である金属粉末を用いる。塊状又は粉粒状の金
属原料は、高純度の水による洗浄後、所定の粒度に調整
される。あるいは、塊状又は粉粒状の金属原料は、所定
の粒度に調整されてから高純度の水で洗浄される。

【００１０】高純度の水としては、超純水、イオン交換
水等を用いることができ、抽出水電気伝導度が２μｓ／
ｃｍ以下、より好ましくは１μｓ／ｃｍ以下である高純
度の水を用いることが好ましい。なお、市販されている
粉粒状の金属珪素２０ｋｇをイオン交換水６０リットル
中に常温で放置したときの、放置時間と洗浄水の抽出水
電気伝導度との関係を図２に示すように、高純度の水に
よる洗浄時間を長くするほど、金属原料に付着・吸着し
ているイオン性物質を溶出除去することができる。ま
た、洗浄回数も多くするほど、金属原料に付着・吸着し
ているイオン性物質を溶出除去することができる。

【００１１】また金属粉末の抽出水のイオン濃度分析値
は、イオン性物質の除去程度をオンライン検出するため
に、上記洗浄水の抽出水電気伝導度を測定することが好
ましい。前記課題を解決する第２発明は、金属粉末をキ
ャリアガスとともに酸化性雰囲気下の反応容器内に供給
し、該反応容器内で該金属粉末を燃焼させることによ
り、金属酸化物粉末を合成する金属酸化物粉末の製造方
法において、前記金属粉末には塊状又は粉粒状の金属原
料を加熱処理したものを用いることを特徴とする。

【００１２】この第２発明では、塊状又は粉粒状の金属
原料を加熱処理したものを用いる。塊状又は粉粒状の金
属原料は、加熱処理後、所定の粒度に調整される。ある
いは、塊状又は粉粒状の金属原料は、所定の粒度に調整
されてから加熱処理される。加熱処理は、ロータリーキ
ルン、電気炉等を用いて行うことができ、連続操作、回
分操作のどちらで行ってもよい。加熱処理は、処理温度
を高くするほど、また処理時間を長くするほど、金属酸
化物粉末に付着・吸着した揮発性不純物を除去できるの
で好ましい。なお、処理温度を７００℃以上にすること
は、電力コストが増大し、金属粉末同士の凝集等が起こ
るので、好ましくない。雰囲気は、金属粉末の粒度や種
類に応じて、不活性ガス雰囲気又は空気中で行うことが
できる。金属粉末の粒度が小さいほど、また金属粉末の
最小着火エネルギーが小さいほど、雰囲気中の酸素濃度
を下げる必要がある。なお、全ての金属粉末に対して、
望ましくは爆発下限界以下の酸素濃度にするのが良い。

【００１３】市販されている粉粒状の金属珪素４００ｇ
を、窒素を１０リットル／ｈｒの流量で掛け流す雰囲気
下の石英管状炉に入れて、２００〜６００℃の各温度で
加熱処理したときの、熱処理時間と金属珪素１０％スラ
リーの抽出水電気伝導度との関係を図３に示すように、
２００〜６００℃の範囲内では処理温度が高いほど、金
属原料に付着・吸着している揮発性不純物を除去するこ
とができる。

【００１４】本第１発明及び第２発明では、それぞれ上
記のように特定された金属粉末を用いて、従来と同様の
金属粉末燃焼法により金属酸化物粉末が合成される。す
なわち、上記金属粉末をキャリアガスとともに酸化性雰
囲気下の反応容器内に供給し、該反応容器内で着火させ
て火炎を形成して該金属粉末を燃焼させることにより、
金属酸化物粉末が合成される。

【００１５】金属粉末の種類としては、珪素、アルミニ
ウム、マグネシウム、チタン、珪素、ジルコニウム、そ
の他ムライト組成に調合した珪素とアルミニウムとの混
合物、スピネル組成に調合したマグネシウムとアルミニ
ウムとの混合物、コージェライト組成に調合したアルミ
ニウムとマグネシウムとシリコンとの混合物などを用い
ることができる。また、これらの組成に調合した合金粉
末であってもよい。この金属粉末の粒度分布は、爆燃を
形成できる範囲であればよい。しかし、４００μｍより
大きな粒径の金属粉末は、完全に酸化されずに分離、回
収されることがあるため、金属粉末の粒径は４００μｍ
以下であることが好ましく、金属粉末の平均粒径が数μ
ｍから数１０μｍであることがより好ましい。

【００１６】金属粉末を分散させて反応容器内に導入す
るキヤリアガスとしては、空気、窒素、酸素、ヘリウ
ム、アルゴン等を使用することができる。また、可燃性
のキャリアガスを用いることもできる。キャリアガスと
ともに反応容器内に導入された金属粉末は、バーナなど
の化学炎、抵抗加熱、アーク放電、プラズマフレーム、
レーザ、高周波誘導加熱、電子ビーム等の熱源を利用し
て着火され、爆発燃焼によって初期火炎を形成する。金
属粉末は火炎中で初期酸化燃焼によって液状の不完全燃
焼金属酸化物粉末を形成する。

【００１７】例えば、着火の熱源としてバーナを利用し
た場合、金属粉末は支燃性ガス及び可燃性ガスにより形
成されたバーナ火炎などにより着火され、爆発燃焼によ
って初期火炎を形成する。初期火炎を形成するための支
燃性ガスは、酸素・空気及びその混合ガスが使用可能で
ある。また種火としての可燃性ガスは、メタン、エタ
ン、プロパンなどの化学式Ｃ_n Ｈ2 _n+2 で示される炭化
水素ガス、又は水素ガスを用いることができる。なお、
可燃性ガスによる種火用の燃焼火炎は、初期粉塵爆発を
形成するのに必要最低限の着火エネルギーを有すればよ
い。また可燃性ガスは、金属粉末の燃焼中、常に供給し
続けてもよいし、燃焼火炎安定以後に供給を停止しても
よい。ただし、可燃性ガス量は金属酸化物粉末の粒径に
若干影響するので、その量は所望の粒径に応じて適宜選
択する必要がある。

【００１８】この金属粉末及び燃焼用ガスは通常室温で
反応容器内に供給されるが、反応容器は燃焼火炎温度が
１０００℃以上になるためにアルミナなどの耐熱材料で
内張りされていることが望ましい。また反応容器内は、
排気側に排風機等を設けて吸引し、圧力が大気圧基準で
ー２００〜ー１０ｍｍＡｑ程度の負圧となることが好ま
しい。

【００１９】反応容器内で合成された金属酸化物粉末
は、反応容器の排気側に設けられた回収装置により分
離、回収される。回収装置は、集塵機を用いることがで
きる。集塵機としては、電気式集塵機、バグフィルタ、
捕集ドラム式微粉末捕集装置などを用いることができ
る。

【００２０】

【作用】本第１発明の金属酸化物粉末の製造方法は、金
属粉末として、塊状又は粉粒状の金属原料をその抽出水
のイオン濃度分析値がフッ素イオン：２ｐｐｍ以下、塩
素イオン：１ｐｐｍ以下となるように高純度の水で洗浄
したものを用いるので、合成された金属酸化物粉末にフ
ッ素、塩素などのハロゲンが含まれることが極力防止さ
れ、高純度の金属酸化物粉末を合成することができる。

【００２１】また本第２発明の金属酸化物粉末の製造方
法は、金属粉末として、塊状又は粉粒状の金属原料を加
熱処理したものを用いる。この加熱処理された金属粉末
は、その表面に付着・吸着したフッ素、塩素などのハロ
ゲン元素不純物が加熱処理により揮発除去されている。
このため、合成された金属酸化物粉末にフッ素、塩素な
どのハロゲンが含まれることが極力防止され、高純度の
金属酸化物粉末を合成することができる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。 （実施例１）約２ｍｍに調整された市販の粉粒状金属珪
素８０ｋｇ及びイオン交換水（抽出水電気伝導度１．５
μｓ／ｃｍ）約１５０リットルを樹脂製のドラム缶に投
入・攪拌し、約１時間放置した。イオン交換水をそのつ
ど交換しながら、これを３回繰り返した。洗浄水中のフ
ッ素イオン・塩素イオンの濃度と抽出水電気伝導度を測
定したところ、以下の結果を得た。

【００２３】

【表１】 図１に概略的に示す製造装置は、内壁がアルミナれんが
で内張りされた反応容器１と、反応容器１の上流側に連
結された金属粉末供給装置２と、反応容器１と金属粉末
供給装置２との間に配設されたバーナ３と、反応容器１
の下流側に連結された捕集装置４とから構成されてい
る。

【００２４】金属粉末供給装置２は、一端がバルブ２１
を介してキャリアガスボンベ（図示せず）に接続され他
端がバーナ３に接続されて、金属粉末を分散したキャリ
アガスをバーナ３に導入する導入管２２と、この導入管
２１に下端が連結され、金属粉末を収納したホッパ２３
とを備えている。バーナ３には、バルブ３１を介してＬ
ＰＧガスボンベ（図示せず）に接続された可燃性ガス供
給管３２と、バルブ３３を介して酸素ボンベ（図示せ
ず）に接続された支燃性ガス供給管３４とが接続されて
いる。なお、この可燃性ガス供給管３２、支燃性ガス供
給管３４から供給される可燃性ガス、支燃性ガスは反応
容器１内に供給される。

【００２５】捕集装置４は、反応容器１の側壁に開口す
る捕集管４１と、この捕集管４１の下流側に配設された
バグフィルタ４２と、バグフィルタ４２の下流側に接続
管４３を介して配設された排気ガス処理装置４４と、排
気ガス処理装置の下流側に同じく接続管４３を介して配
設された排風機４５とを備えている。このように構成さ
れた製造装置を用いて、上記３回洗浄後、乾燥した粉粒
状金属珪素を平均粒径１５μｍに粒度調整した金属珪素
粉末からシリカガラス粉末を合成した。

【００２６】バルブ３１を開いて可燃性ガス供給管３２
からＬＰＧガスを１Ｎｍ³ ／ｈｒの流量で供給し、バル
ブ３３を開いて支燃性ガス供給管３２から酸素を２７Ｎ
ｍ³／ｈｒの流量で供給し、図示しない着火手段により
着火して種火としてのＬＰＧ火炎を形成しておく。そし
て、バルブ２１を開いてキャリアガスとしての乾燥空気
を４Ｎｍ³ ／ｈｒの流量で供給するとともに、ホッパ２
２から金属珪素粉末を９ｋｇ／ｈｒの流量で供給した。
これにより、キャリアガスとともに金属珪素粉末はバー
ナ３に導入され、ＬＰＧ火炎と接触して、燃焼火炎を形
成し、金属酸化物粉末としてのシリカガラス粉末を合成
した。そして、排風機４５の吸引力によりシリカガラス
粉末を含む燃焼排気ガスを吸引し、バグフィルタ４２で
シリカガラス粉末を分離、捕集した。なお、反応容器１
内の圧力は、排風機４５の吸引力により大気圧基準で−
１００ｍｍＡｑに設定されている。 （比較例１）上記未洗浄の粉粒状金属珪素を平均粒径１
５μｍに粒度調整した金属珪素粉末から、上記製造装置
を用いて、上記実施例１と同様にシリカガラス粉末を合
成した。 （評価１）実施例１及び比較例１で回収したシリカガラ
ス粉末の１０％スラリー溶液（抽出水電気伝導度が１．
１μｓ／ｃｍのイオン交換水）の抽出水電気伝導度、及
びフッ素イオン、塩素イオンの濃度を測定したところ以
下の結果を得た。

【００２７】

【表２】 この様に金属原料をイオン交換水で簡易水洗することに
よって、金属酸化物粉末の抽出水純度を大幅に改善でき
た。 （実施例２）約２ｍｍに調整された市販の粉粒状金属珪
素を、所定の温度に保持されたφ１５０ｍｍの石英管を
有するロータリーキルンへ３５ｋｇ／ｈｒの流量で供給
し、向流により窒素を１００リットル／ｈｒの流量で掛
け流しながら加熱処理した。ロータリーキルンの保持温
度を３００℃、５００℃、６００℃とした場合の、１０
％スラリー溶液の抽出水のフッ素イオン、塩素イオンの
濃度と、１０％スラリー溶液（抽出水電気伝導度が１．
１μｓ／ｃｍのイオン交換水）の抽出水電気伝導度を測
定したところ、以下の結果を得た。

【００２８】

【表３】 上記６００℃で加熱処理した粉粒状金属珪素を平均粒径
１５μｍに粒度調整した金属珪素粉末から、上記製造装
置を用いて上記実施例１と同様にシリカガラス粉末を合
成した。 （比較例２）上記未処理の粉粒状金属珪素を平均粒径１
５μｍに粒度調整した金属珪素粉末から、上記製造装置
を用いて、上記実施例１と同様にシリカガラス粉末を合
成した。 （評価２）実施例２及び比較例２で回収したシリカガラ
ス粉末の１０％スラリー溶液（抽出水電気伝導度が１．
１μｓ／ｃｍのイオン交換水）の抽出水電気伝導度、及
びフッ素イオン、塩素イオンの濃度を測定したところ以
下の結果を得た。

【００２９】

【表４】 この様に金属原料を加熱処理することによって、金属酸
化物粉末の抽出水純度を大幅に改善できた。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述したように本第１発明及び第２
発明の金属酸化物粉末の製造方法によれば、金属原料を
水洗浄又は加熱処理するという簡単な手法により、フッ
素、塩素等のハロゲン元素を含有しない、極めて高純度
の金属酸化粒粉末を得ることができる。

【００３１】したがって、本発明方法により得られた金
属酸化物粉末は、特に高純度が求められる半導体封止材
等の半導体産業用原料にも有効に利用することが可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で用いた製造装置の模式図である。

【図２】市販の粉粒状金属珪素２０ｋｇをイオン交換水
６０リットル中に常温で放置したときの、放置時間と洗
浄水の抽出水電気伝導度との関係を示す線図である。

【図３】市販の粉粒状金属珪素４００ｇを、窒素を１０
リットル／１ｈｒの流量で掛け流す雰囲気下の石英管状
炉に入れて、２００〜６００℃の各温度で加熱処理した
ときの、熱処理時間と金属珪素１０％スラリーの抽出水
電気伝導度との関係を示す線図である。

【符号の説明】

１は反応容器、２は金属粉末供給装置、３はバーナ、４
は捕集装置、２３はホッパ、３２は可燃性ガス供給管、
３４は支燃性ガス供給管、４２はバグフィルタである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安部 賛 東京都新宿区西新宿１丁目22番地２号 株 式会社アドマテックス内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属粉末をキャリアガスとともに酸化性
   雰囲気下の反応容器内に供給し、該反応容器内で該金属
   粉末を燃焼させることにより、金属酸化物粉末を合成す
   る金属酸化物粉末の製造方法において、 前記金属粉末には、塊状又は粉粒状の金属原料をその抽
   出水のイオン濃度分析値がフッ素イオン：２ｐｐｍ以
   下、塩素イオン：１ｐｐｍ以下となるように高純度の水
   で洗浄したものを用いることを特徴とする金属酸化物粉
   末の製造方法。
2. 【請求項２】 金属粉末をキャリアガスとともに酸化性
   雰囲気下の反応容器内に供給し、該反応容器内で該金属
   粉末を燃焼させることにより、金属酸化物粉末を合成す
   る金属酸化物粉末の製造方法において、 前記金属粉末には塊状又は粉粒状の金属原料を加熱処理
   したものを用いることを特徴とする金属酸化物粉末の製
   造方法。