JPH06287012A - 球状シリカ粒子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 粒径０．０３mm〜２．０mmの球状シリカ粒子
を、容易に効率良く、しかも低コストで経済的に製造す
る。 【構成】 珪酸質原料は、プラズマトーチ２により形成
される熱プラズマフレーム中を通過する間に溶融しなが
ら落下して行き、プラズマフレームの温度域範囲を離脱
後は保温塔３内を冷却されながら落下することによっ
て、形状は球状となる。球状シリカ粒子の粒径は、分級
された珪酸質原料の粒度対応し、プラズマフレームの通
過時間を調整することで調節が可能であり、従来得るこ
とが困難であった粒径が１０μｍ以上、とりわけ粒径
０．０３mm〜２．０mmの大きい球状シリカ粒子を容易に
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、珪酸質原料から球状シ
リカ粒子を製造する方法、特に粒径０．０３mm〜２．０
mmの範囲の球状シリカ粒子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】撹拌混合ミルの粉砕メディア、或いは石
英ガラス製ボールレンズ、焼結フィルターの原料として
球状シリカ粒子が用いられているが、これらの用途に用
いられる球状シリカ粒子はその粒径が０．０３mm〜２．
０mmの範囲のものが好ましい。しかしながら、従来得ら
れる球状シリカ粒子は以下に詳述するように一般に粒径
が０．０３mm以下であり、０．０３mm以上、特に前記用
途に好適である粒径０.０３mm〜２．０mmの球状シリカ
粒子を得ることは著しく困難である。

【０００３】従来、球状シリカ粒子は、次のような火炎
溶融法、燃焼法、ゾルーゲル法、石英ガラスの切り出し
研磨法等によって製造されている。火炎溶融法は、原料
に結晶質あるいは非晶質シリカを用い、酸素と水素また
はＬＰＧ火炎中で溶融させ、生成した球状シリカ粒子を
炉底または排ガスから回収する方法である。この方法で
製造できる球状シリカ粒子の粒径は、通常０．０３mm以
下であり、火炎最高温度が約３０００℃と低いため、
０．０３mm以上の球状シリカ粒子を製造することは困難
である。燃焼法は、原料に四塩化珪素または珪素粉を用
い、酸素と水素またはＬＰＧ火炎中で燃焼させる方法で
ある。この方法で製造できる球状シリカ粒子の粒径は、
原料が燃焼してヒュームとなるため０．０１μｍから
１．０μｍであると言われており、１．０μｍ以上の球
状シリカ粒子を製造することは困難である。ゾルーゲル
法は、原料の珪酸アルコキシドをアルコールと純水の混
合液中に少量づつ導入し、加水分解する方法である。こ
の時、溶液をアルカリ性に保ったり、界面活性剤で分散
させておくことにより、重縮合したシリカをゲル化また
は二次会合することなく球状シリカ粒子にすることがで
きる。この方法で製造できる球状シリカ粒子の粒径は、
重縮合が大きくなると形成が不可能になり壊れるため通
常０．０３mm以下であり、粒径０．０３mm以上の球状シ
リカ粒子を製造することは困難とされている。

【０００４】一方、石英ガラスの切り出し研磨法は、水
晶を加熱、急冷して砕き、この粉を火炎溶融または電気
溶融してガラス化した後、さらに切断、研磨して球形に
加工する方法であり、原理的には任意の粒径の球状シリ
カ粒子を、製造することが可能である。しかし、この方
法は、水晶原料をガラス化した後、ガラスから一つ一つ
切断し、切断したものを研磨することにより球状シリカ
粒子を作るため、生産性が著しく悪く、そのために生産
コストが極めて高いと言う問題点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
球状シリカ粒子製造技術では、粒径０．０３mmから２．
０mmの球状シリカ粒子を製造するのは著しく困難であ
り、また、製造出来ても生産性が著しく悪くコストが極
めて高かくなるという問題点を有している。そこで本発
明は、従来の球状シリカ製造技術の上記問題点を克服し
て、従来得ることが困難であった粒径０．０３mm〜２．
０mmの球状シリカ粒子を、容易に効率良く、しかも低コ
ストで経済的に製造することができる球状シリカ粒子の
新規な製造方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決する手段】本発明者は、球状シリカ粒子の
製造方法について鋭意研究を重ねた結果、珪酸質原料を
従来と全く異なる方法である高周波熱プラズマで溶融す
ることにより、粒径０．０３mm〜２．０mmの範囲の球状
シリカ粒子を製造しうることを知見し、本発明に到達し
たものである。即ち、本発明は、珪酸質原料を高周波熱
プラズマ中を通過させて溶融させることにより、粒径
０．０３mm〜２．０mmの範囲の球状シリカ粒子を生成さ
せることを特徴とする球状シリカ粒子の製造方法によっ
て前記課題を解決したものである。本発明で用いる珪酸
質原料は、結晶質、非晶質の何れでも良い。結晶質珪酸
質原料としては、天然水晶粉、合成水晶粉、珪石粉、珪
砂粉などを用いることができる。また、非晶質珪酸質原
料としては、アルカリ金属珪酸塩水溶液、四塩化珪素な
いしは珪酸アルコキシドを原料として得られた非晶質シ
リカを用いることができる。さらに結晶質の水晶粉、珪
石粉、珪砂粉等を溶融してガラス化し、これを粉砕した
ものを用いることもできる。

【０００７】前記珪酸質原料の粒度調整は、必要に応じ
て粉砕・分級処理を施して行われる。珪酸質原料を粉砕
する際には、通常の粉砕装置例えば、ポットミル、チュ
ーブミル、ユニカルボールミルまたはコンパートメント
ミル等の転動ボールミルや振動ボールミル、または塔式
粉砕機、撹拌槽型ミルなどの撹拌混合ミルまたはロール
ミル等を用いることができ、好ましくは、転動ボールミ
ル、振動ボールミル、振動ボールミルが用いられる。珪
酸質原料を粉砕・分級操作で汚染させないために、珪酸
質原料と接触する粉砕装置要部または必要に応じて用い
るボール、ロッド等の粉砕媒体の材質は、石英ガラス、
溶融石英、水晶、瑪瑙または珪石等の珪酸質材料中か
ら、それぞれ適宜選択すればよい。本発明による球状シ
リカ粒子の製造方法は、本質的に不純物の混入のない方
法であり、高純度の珪酸質原料を用いれば、得られる球
状シリカ粒子も高純度となる。

【０００８】一方、本発明で用いられる高周波熱プラズ
マとしては、プラズマ形成ガスを高周波誘導加熱するこ
とによって得られる高温度の電離ガス、即ち高周波誘導
熱プラズマが採用できる。高周波誘導熱プラズマは、誘
導加熱コイルを１個用いることにより形成される単一プ
ラズマフレームからなる場合、又は誘導加熱コイルを２
個別個に巻回させ、高周波電源２台を使用して二段階に
高周波誘導熱プラズマを発生させることによって形成さ
れる二段プラズマフレームからなる場合の何れでも可能
である。

【０００９】

【作用】高周波熱プラズマは、ほぼ１０,０００Ｋ〜３,
０００Ｋの高温の熱プレズマフレームを生成している。
珪酸質原料は、分級されて所定範囲の粒度に揃えられた
ものを使用し、前記プラズマフレーム中にパウダインジ
ェクタから供給することによって、一定の角度（背圧に
より調整可能）で広がりながら前記熱プラズマフレーム
中を落下する。珪酸質原料は、熱プラズマフレーム中を
通過する間に稜部が溶融しながら落下して行き、プラズ
マフレームの温度域範囲を離脱後は冷却されながら落下
することによって、形状は球状となる。球状シリカ粒子
の粒径は、分級された珪酸質原料の粒度に対応し、プラ
ズマフレームの通過時間（即ち、背圧、プラズマフレー
ムの長さ）を調整することで調節が可能であり、従来得
ることが困難であった粒径が１０μｍ以上、とりわけ粒
径０．０３mm〜２．０mmの大きい球状シリカ粒子を容易
に得ることができる。さらに二段プラズマの場合は、最
低通過時間が得られなかった原料粉を二段目の太いプラ
ズマによって再加熱され溶融時間が得られ、従来不可能
であった粒径の大きな球状シリカ粒子となる。

【００１０】

【実施例】以下、実施例および応用例によって本発明を
具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例及び
応用例に限定されるものではない。まず、本発明に係る
球状シリカ粒子の製造方法を実施するための球状シリカ
粒子製造装置の具体例及び該装置による球状シリカの製
造方法を図を基に説明する。この球状シリカ製造装置
は、図１に示すように、原料供給用フィーダ１、プラズ
マトーチ２、保温塔３、冷却用チャンバ４及び球状シリ
カ粒子回収器５で構成されている。原料供給用フィーダ
１は、原料が貯留された振動ボールを振動させて原料を
送出させると共に、搬送ガスにより供給用配管６を介し
てパウダインジェクタ７に原料を供給し、該パウダイン
ジェクタからプラズマトーチによって発生している高周
波熱プラズマフレーム１０中へ供給される。その際、搬
送ガスのガス圧を調節することによって珪酸質原料の供
給速度及びパウダインジェクタ７から熱プラズマフレー
ム中への拡がり角度を調整することができる。

【００１１】プラズマトーチ２は、図２に詳細に示され
ているように、保温塔３に一方端面が開口する管体８
の、他端面側から管内に所定のガスＧ１を注入し、保温
塔３に近接した管体８の外周に巻回した誘導コイル９に
図示していない高周波電源から電力を供給して高周波エ
ネルギーを発生させ、当該高周波エネルギーによって、
管内のプラズマ生成ガスを高温度の電離ガス、即ち熱プ
ラズマとする。この時、管体の内管壁に沿ってシースガ
スＧ２を供給し、プラズマトーチをプラズマの高温から
保護・冷却している。保温塔３は、発生させた熱プラズ
マの温度勾配と原料の落下距離を確保する機能を果たす
ために設けられたものであり、該保温塔３を落下して、
溶融した球状シリカ粒子は冷却用チャンバ４内で常温近
傍まで冷却され、回収器５に回収される。

【００１２】図３はプラズマトーチを変更した製造装置
の他の実施例であり、本実施例では管体２０を上部に対
して下部を径大に形成し、径小部の外周に第１誘導コイ
ル２１をその下方の径大部に第２誘導コイル２２を別個
に巻回し、それぞれを別々の高周波電源に接続し別個に
制御できるようにしてある。それにより、図に概念的に
示すように細いプラズマフレームと太いプラズマフレー
ムが連続した二段プラズマを得ることができる。なお、
通常は保温塔は使用しなくても良い。従って、この装置
によれば、パウダインジェクタ７から供給される珪酸質
原料の破砕粉は、第１誘導コイルよる細いプラズマフレ
ーム２５を通過し、さらに第２誘導コイル２２による太
いプラズマフレーム２６に突入し、再加熱される。それ
により、図にイメージ的に示すように、第１次プラズマ
フレームだけでは球状形成に必要な最低通過時間が得ら
れなかった原料粉でも、太いプラズマフレームで再加熱
されて次第に稜部が溶融して、球状に形成させることが
できる。

【００１３】実施例１ １）珪酸質原料の調整 ＪＩＳ ３号水ガラスを加熱濃縮して、２０℃における
粘度を３００cpsとした。この水ガラス約８リットルを
ポンプで加圧し、ろ過器（目開き０．０７mm）を経てノ
ズル（孔径０．５mm、孔数５０個）を通して、５０℃に
保持された８wt％硫酸水溶液３００リットルを入れた凝
固浴中へ毎秒１ｍの速度で押し出した。繊維状で得られ
たシリカ粒子を、１０倍量の新たに調整した８wt％硫酸
水溶液中に浸漬して温度約９５℃で約１時間撹拌して、
不純物の抽出を行い、ついでシリカ粒子の１０倍量の純
水を用いて２回洗浄した。上記の抽出・洗浄操作を５回
繰り返した後、遠心分離器で脱水して得られた湿シリカ
粒子を熱風乾燥機により温度１５０℃で８時間乾燥し、
非晶質乾燥シリカ粒子を３．７kgを得た。この非晶質乾
燥シリカ粒子を１２５０℃で２時間、大気圧雰囲気で焼
成し、非晶質焼成シリカ粒子を３．３kgを得た。この非
晶質焼成シリカ粒子を石英製ボールミルを用いて粉砕
し、分級して粒径範囲が０．０３mm〜１．０mmの非晶質
焼成分級シリカ粒子を得、これを珪酸質原料とした。

【００１４】２）高周波熱プラズマ処理 前記非晶質焼成分級シリカ粒子を図１に示す製造装置で
次の条件の高周波誘導熱プラズマにより溶融処理をし
た。 プラズマガス条件； コアガス ： Ａｒ １５リットル／分 Ｏ₂ ５リッ
トル／分 シースガス： Ａｒ ３０リットル／分， Ｏ₂ １０リッ
トル／分 発振条件 ； 陽極電圧 ：１０．４ｋｖ 陽極電流 ： ３．０Ａ 周波数 ： ４．０ＭＨｚ 原料供給量 ；１．０ｋｇ／ｈｒ その結果、粒径０.０３mm〜１．０mmの球状シリカ粒子
が得られた。

【００１５】実施例２ １）珪酸質原料の調整 石英ガラス（東芝セラミックス製）をジョークラッシャ
ーで粗粉砕し、石英ガラスの粗粉砕粉を得た。この粗粉
砕粉を塩酸洗浄し、コンタミを除いた石英ガラス粗粉砕
粉を石英ボールミルを用いて粉砕し、分級して粒径範囲
が０．０３mm〜１．０mmの非晶質分級シリカ粒子を得、
これを珪酸質原料とした。 ２）高周波熱プラズマ処理 前記非晶質分級シリカ粒子を、図１に示す製造装置で次
の条件の高周波誘導熱プラズマにより溶融処理をした。 プラズマガス条件； コアガス ：Ａｒ １５リットル／分，Ｏ₂ ５リッ
トル／分 シースガス ：Ａｒ ３０リットル／分，Ｏ₂ １０リッ
トル／分 発振条件 ； 陽極電圧 １０．３ｋｖ 陽極電流 ３．１Ａ 周波数 ４．０ＭＨｚ 原料供給量 ； １．０ｋｇ／ｈｒ その結果、粒径０．０３mm〜１．０mmの球状シリカ粒子
が得られた。

【００１６】実施例３ １）珪酸質原料の調整 天然水晶（ユニミン社製）を石英製ボールミルを用いて
粉砕し、分級して粒径範囲が０．０３mm〜１．０mmの結
晶質分級シリカ粒子を得、これを珪酸質原料とした。 ２）高周波熱プラズマ処理 前記結晶質分級シリカ粒子を、図１に示す製造装置で次
の条件の高周波誘導熱プラズマにより溶融処理をした。 プラズマガス条件； コアガス ： Ａｒ １５リットル／分， Ｏ₂ ５リ
ットル／分 シースガス： Ａｒ ３０リットル／分， Ｏ₂ １０リ
ットル／分 発振条件 ； 陽極電圧 １０．３ｋｖ 陽極電流 ３．１Ａ 周波数 ４．０ＭＨｚ 原料供給量 ； １．０ｋｇ／ｈｒ その結果、粒径０．０３mm〜１．０mmの球状シリカ粒子
が得られた。

【００１７】実施例４ １）珪酸質原料の調整 実施例５において、結晶質分級シリカ粒子の粒径範囲を
１．０mm〜２．０mmとした以外は実施例５と同様に処理
した。 ２）高周波熱プラズマ処理（二段プラズマ） 前記結晶質分級シリカ粒子を、図３に示す製造装置で次
の条件の高周波誘導熱二段プラズマにより溶融処理をし
た。 プラズマガス条件； コアガス ：Ａｒ ２０リットル／分， Ｏ₂ ７リッ
トル／分 シースガス：Ａｒ ４０リットル／分， Ｏ₂ １４リッ
トル／分 発振条件 ； （第１段） 陽極電圧： １０．３ｋｖ 陽極電流： ３．１Ａ 周波数 ： ４．０ＭＨｚ （第２段） 陽極電圧： １０．０ｋｖ 陽極電流： １．３Ａ 周波数 ： １３．５６ＭＨｚ 原料供給量 ； ２．０ｋｇ／ｈｒ その結果、粒径１．０mm〜２．０mmの球状シリカ粒子が
得られた。

【００１８】応用例 実施例１で得た球状シリカ粒子６５７．２ｇを粉砕メデ
ィアとして撹拌混合ミルに仕込んだ。平均粒径１２．８
μｍのシリカ１４３０ｇと純水３３４０ｇのシリカスラ
リー（スラリー濃度３０％）を撹拌混合ミルにポンプで
導入し１８分間循環した。この時の撹拌混合ミルの撹拌
ディスクは、直径６４mm、厚さ３mm、４枚で、ディスク
の周速度は１０ｍ／Ｓであった。シリカスラリーを回収
しシリカの平均粒径を測定したところ、０．９μｍであ
り、サブミクロン粉砕が効率よく行えていた。また、粉
砕メディアとして使用した球状シリカ粒子の重量を測定
したところ、６４５．９ｇであり、摩耗量は１１．３ｇ
であった。粉砕されたシリカに対する粉砕メディアの摩
耗量は１１．３／１４３０＝０．７９％で、良好な値を
示した。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、従来方法では粒径が
０．０３mm（３０μｍ）以上の球状シリカ粒子の製造は
物理的に困難であったものを、高周波熱プラズマの高温
を利用し、シリカ粒子に与える熱エネルギーを調整する
ことで、粒径の大きな球状シリカ粒子となり、撹拌混合
ミル用の粉砕メディア、石英ガラス製ボールレンズ、結
晶フィルター用原料として経済的に製造でき、好適であ
る。また、二段プラズムを使用することにより、最低通
過時間が得られなかった原料粉を二段目の太いプラズマ
によって再加熱され溶融時間が得られ、従来困難であっ
た粒径の大きな球状シリカ粒子を容易に得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の球状シリカ粒子の製造方法を実施する
球状シリカ粒子製造装置の概要図である。

【図２】そのプラズマトーチ部の拡大図である。

【図３】他の球状シリカ粒子製造装置のプラズマトーチ
の他の実施例である二段プラズマトーチによる球状化の
模式図である。

【符号の説明】

１ 原料供給用フィーダ ２ プラズマ
トーチ ３ 保温塔 ４ 冷却用チ
ャンバー ５ 回収フラスコ ７ パウダイ
ンジェクタ ８、２０ 管体 ９ 高周波誘
導コイル ２１ 第１誘導コイル ２２ 第２誘
導コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井上 好明 東京都品川区東五反田２丁目16番21号 高 周波熱錬株式会社内 (72)発明者 川嵜 一博 東京都品川区東五反田２丁目16番21号 高 周波熱錬株式会社内 (72)発明者 横田 誠二 東京都品川区東五反田２丁目16番21号 高 周波熱錬株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 珪酸質原料を高周波熱プラズマ中を通過
   させて溶融させることにより、粒径０．０３mmから２．
   ０mmの範囲の球状シリカ粒子を生成させることを特徴と
   する球状シリカ粒子の製造方法。
2. 【請求項２】 珪酸質原料が結晶質珪酸原料である請求
   項１記載の球状シリカ粒子の製造方法。
3. 【請求項３】 珪酸質原料が非晶質珪酸原料である請求
   項１記載の球状シリカ粒子の製造方法。
4. 【請求項４】 珪酸質原料を溶融する高周波熱プラズマ
   が高周波誘導熱プラズマである請求項１、２又は３記載
   の球状シリカ粒子の製造方法。
5. 【請求項５】 高周波誘導熱プラズマが二段プラズマで
   ある請求項４の球状シリカ粒子の製造方法。