JPH11199249A - 球状化粒子製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】無機物質粉粒体を良好な形状の球状化粒子にす
る製造方法、特に３０μm以上の高融点の無機物質の球
状化粒子の製造方法を提供する。 【解決手段】無機物質を球状化炉７に設置したバーナー
６のフレームで溶融あるいは軟化して表面張力により球
状化粒子にする方法において、燃焼フレームを形成する
燃料ガスと支燃ガスとを流量調整してバーナー６に導き
噴出して燃焼させ、原料無機物質の粉粒体を支燃ガスに
より別経路で搬送し、バーナー中心部より燃焼フレーム
中に噴出させて球状化するとき、燃料ガス噴出量ＱＧ
（Ｎｍ³／ｈ）、支燃ガス噴出速度ＶＨ（ｍ／ｓ）、無
機物質粉粒体の噴出量Ｓ（ｋｇ／ｈ）、無機物質搬送支
燃ガスの噴出速度ＶＳ（ｍ／ｓ）および噴出量ＱＳ（Ｎ
ｍ³／ｈ）を下記式（１）、（２）、（３）及び（４）
を満足するように調整する球状化粒子製造方法。 （１）１０＜ＶＨ＜７０ （２）１０＜ＶＳ＜１００
（３）Ｓ＜６×ＱＧ（４）０．５＜Ｓ／ＱＳ＜７．０

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、無機物質の球状化
粒子を製造する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】無機物質の粉体粒子は樹脂のフィラー等
に使用されるが、用途によっては球状形状にすることが
好ましく、例えば充填率を向上させる、あるいは樹脂流
動性を改良するなどの目的のため球状化することが産業
界より強く要望されていた。そのため、従来から、ガラ
ス、セラミックス等の無機物質を球状化する方法の一つ
として、無機物質の粉粒体を可燃性ガスの燃焼フレーム
中に分散通過させることにより球状化することが実施さ
れている。これは無機物質の粉粒体を浮遊状態で溶融あ
るいは軟化させることにより、物質自身の表面張力で球
状化させ、球状化した状態でこれを冷却固化して採取す
る方法である。この場合、ガラス等の１３００℃以下の
温度で軟化する材料では液化石油ガス（ＬＰＧ）／空気
系の燃焼フレームで球状化が容易であるが、アルミナや
シリカ等のこれよりも高い軟化点あるいは融点を持つ物
質では１３００℃以上のフレームが必要なため、ＬＰＧ
／酸素系の燃焼フレームが利用されている。

【０００３】代表的なＬＰＧ／酸素系の球状化装置の例
を図１に、燃焼フレーム形成用のバーナー例の先端部断
面を図２に示す。図１において原料の無機物質粉粒体は
ホッパー１より定量供給装置２により一定量ずつ排出さ
れ、原料搬送用ガス供給管３より供給される原料搬送用
ガスで搬送されバーナー６に供給される。原料搬送用ガ
スはＬＰＧ、酸素あるいは酸素富化空気いずれかが使用
されるが通常は安全性の面から酸素あるいは酸素富化空
気が使用される。燃料ガス（ＬＰＧ）および支燃ガス
（酸素あるいは酸素富化空気）はそれぞれの供給源から
供給管４，５に導入されバーナー６に供給される。バー
ナー６は球状化炉７内に設置され、球状化炉７内に燃焼
フレームを形成する。形成されたフレーム内に原料無機
物質粉粒体が原料搬送用ガスによって噴出され、球状化
される。球状化された微粒子は球状化炉７下部で冷却さ
れ、サイクロン８およびバグフィルター９で捕集され
る。

【０００４】バーナー６は図２のように原料および原料
搬送用ガス噴出孔１０、燃料ガス噴出孔１１、支燃ガス
噴出孔１２から構成され、必要に応じて冷却媒体循環の
ための構造１３が組み込まれている。各噴出孔はスリッ
ト状あるいは微小円形小孔形状で形成されている。従っ
て一般的には図２のように中心部に原料および原料搬送
用ガス噴出孔１０、その外周に燃料ガス噴出孔１１、最
外層に支燃ガス噴出孔１２を形成する。原料および原料
搬送用ガス噴出孔１０は微小孔径として、原料無機物質
粉粒体の噴出速度を上げることで粒子の分散性を良くす
る方式も採られることがある。噴出速度が低い場合は粒
子間の凝集により、球状化過程で粒子同士が融着し、形
状不良となり大粒径化するのでこれを防止するためであ
る。

【０００５】以上のような構成の球状化設備を使用して
ガラスよりも高融点の無機物質例えばシリカを球状化し
た場合、直径３０μｍ以下の粒径のものであれば比較的
良好に球状化できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし上記のようなＬ
ＰＧ／酸素系の高温燃焼フレームを利用した球状化設備
を使用してもシリカ等の高融点無機物質の場合、従来の
技術では粒子径が３０μｍ以上になると良好な球状形状
のものを得るのは困難であった。これは粒子径が大きく
なると粒子１個の熱容量が大きくなり短時間では粒子内
部まで昇温できず、結果的に軟化球状化できないためで
ある。また、樹脂のフィラーとして球状化した無機物質
を使用する場合、フィラーの充填率を上げるためには、
球状化粒子の粒度分布が広いものが必要であり、例えば
半導体の封止用樹脂等では粒度分布が数μmから１２０
μmのものが求められている。従来の技術では、このよ
うな広い粒径分布をもつ無機物質の球状化において全粒
径粒子を全て良好な形状で球状化することが困難であっ
た。これは大粒径粒子を良好な形状で球状化する条件で
は小粒径粒子が相互融着して形状不良となり、小粒径粒
子を良好な形状で球状化する条件では大粒径粒子が熱量
不足で球状化しないからである。

【０００７】本発明は数μmから百数十μmまでの広い粒
度分布をもつ無機物質粉粒体を全粒径にわたって良好な
形状に球状化する製造方法、特にこれまでの技術では困
難であった３０μm以上の高融点の無機物質を良好なの
球状形状とする球状化粒子の製造方法を提供することを
目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らはこのような
課題を解決するため鋭意検討の結果、燃料ガス噴出量、
支燃ガス噴出速度、原料無機物質噴出量、無機物質搬送
用支燃ガス噴出速度および噴出量を調整することで燃焼
フレームの長さがコントロールでき、適当なフレーム長
とすることで大粒径の粒子も良好に球状化できることと
原料無機物質のフレーム内での分散状態を改良して小粒
径の粒子についても粒子相互の融着が少なく良好な形状
に球状化できることを見出し、本発明に到達した。

【０００９】すなわち、本発明は無機物質をガス燃焼フ
レーム中で溶融あるいは軟化して表面張力により球状化
粒子にする方法において、燃焼フレームを形成する燃料
ガスと支燃ガスとを流量調整してバーナーに導き噴出し
て燃焼させ、原料無機物質の粉粒体を支燃ガスにより別
経路で搬送し、バーナー中心部より燃焼フレーム中に噴
出させて球状化するとき、燃料ガス噴出量、支燃ガス噴
出速度、無機物質粉粒体の噴出量、無機物質搬送支燃ガ
スの噴出速度および噴出量を下記式を満足するように調
整することを特徴とする球状化粒子製造方法である。 １０＜ＶＨ＜７０ （１） １０＜ＶＳ＜１００ （２） Ｓ＜６×ＱＧ （３） ０．５＜Ｓ／ＱＳ＜７．０ （４） ＶＨ：支燃ガス噴出速度（ｍ／ｓ） ＶＳ：無機物質搬送支燃ガス噴出速度（ｍ／ｓ） Ｓ ：無機物質噴出量 （ｋｇ／ｈ） ＱＧ：燃料ガス噴出量 （Ｎｍ³／ｈ） ＱＳ：無機物質搬送支燃ガス噴出量 （Ｎｍ³／ｈ） （Ｎｍ³は標準状態における容積）

【００１０】以下本発明を詳細に説明する。本発明でい
う無機物質とはガラス、セラミックス等で総称される金
属酸化物の混合融解物、あるいは単体、混合物を指す。
具体的にはソーダライムガラス、ほう珪酸ガラス、シリ
カ、アルミナ、ジルコニア、ジルコン、マグネシア等や
これらの混合焼結体が挙げられる。これらのなかでも融
点あるいは軟化点が１３００度以上のものが効果的に適
用される。これら無機物質を球状化するには一旦粉砕し
て粉粒体とし、球状化後の直径が数μｍから数百μｍと
なるものを使用する。この無機物質粉粒体を燃料ガスの
燃焼フレーム中に噴出して溶融あるいは軟化して球状化
する。

【００１１】球状化の装置としては図１に示した構成の
もの等の公知のものが使用できる。燃料ガスとしては、
プロパン、ブタン等の液化石油ガス（ＬＰＧ）が使用さ
れ、支燃ガスとしては酸素が使用されるが、原料無機物
質の融点、軟化点によっては酸素富化した空気も使用で
きる。原料無機物質を搬送してフレーム中に噴出させる
ためのガスとしては支燃ガスを用いる。

【００１２】高融点の無機物質粒子の粒径の大きい物を
溶融軟化して球状化するに必要な熱量を付与するには、
燃焼ガスフレームの温度が高くしかも粒子が高温フレー
ム内に一定時間以上滞留することが必要である。しか
し、原料無機物質粉粒体は原料搬送用支燃ガスで搬送さ
れバーナー先端部より噴出されるので粒子径の大きいも
のは噴出エネルギーの慣性が大きく高温フレームを短時
間で突き抜けてしまうという問題がある。このため粒子
径の大きいものはフレーム内滞留時間が短くなるので粒
子内部まで昇温できず結果的に良好な形状に球状化でき
ない。

【００１３】これを解決するためには燃焼フレームをで
きるだけ長くすることと粒子の噴出速度をコントロール
することが必要である。フレームの長さは燃料ガスの燃
焼速度が速いほど短くなり、燃焼速度は燃料ガスと支燃
ガスとの混合相互拡散度合いで決定されるので、できる
だけこの混合相互拡散を遅くすればフレームの長さを長
くすることができる。燃料ガスと支燃ガスとの混合相互
拡散を遅くする方法として本発明者が各種要因を検討し
た結果、支燃ガスの噴出速度ＶＨの影響度が最も大きい
ことが明らかになった。すなわちＶＨが大きいと燃料ガ
スとの混合拡散が速くなり燃焼フレームは短くなり、小
さすぎると安定フレームの形成が困難となる。ＶＨが式
（１）で表す範囲にあるとき良好な長いフレームが形成
され、球状化品の形状が最も良好であった。ＶＨが７０
ｍ／ｓ以上になるとフレームは短小でブルーフレームと
なりフレーム内に噴出された原料無機粒子のうち粒径の
大きいものは短時間でフレーム内を通過してしまうため
に完全球状とならない。逆に１０ｍ／ｓ以下になると燃
焼が不安定となり、不完全燃焼状態となってフレーム温
度が低下するので球状化が不良となる。また燃料ガスの
不完全燃焼によるカーボンが無機物粒子表面やバーナー
端面に付着して製品純度を阻害することとなる。

【００１４】一方無機物質搬送支燃ガスの噴出速度ＶＳ
によって燃焼フレーム中に噴出される原料粉体のフレー
ム内通過速度がきまるので、噴出速度が大きすぎると原
料無機物質の粉粒体が燃焼フレームを短時間で通過して
しまうこととなり球状化に必要な熱量が得られない。特
に大粒径粒子が影響を大きく受けるので大粒径粒子が適
切なフレーム内滞留時間をキープできるようにＶＳを設
定する必要がある。

【００１５】また原料無機物質粉粒体の小粒径粒子の直
径は数μｍレベルであるので、比表面積が大きく粒子間
凝集力が強いため粒子が凝集状態となりやすい。凝集状
態でフレーム内で加熱されると粒子間融着し真球状とは
ならない。この凝集状態から単一粒子状に分散させるに
はＶＳを大きくすることが効果的である。本発明者らが
各種の条件下で検討の結果、ＶＳは式（２）で表される
範囲内に設定されたとき大粒径粒子も良好に球状化され
小粒子の融着も少なくなることが判明した。すなわちＶ
Ｓが１００ｍ／ｓより大きいと、原料無機物質粒子のフ
レーム内通過速度が大でフレーム内滞留時間が不足して
形状が不良となる。逆にＶＳが１０ｍ／ｓより小さいと
きは原料無機物質粒子の分散が不十分でフレーム内での
小粒径粒子相互間の融着が発生しこれも形状不良とな
る。ＶＳを式（２）の範囲内に設定することによりすべ
ての粒径の粒子が良好な球状となった。

【００１６】さらに、無機物質噴出量Ｓは燃焼させる燃
料ガス噴出量ＱＧによって制限される。ＱＧにより発生
熱量が決定されるので一定ＱＧ量に対して過剰の原料が
噴出された場合当然のことながら熱量不足となり球状化
できない。本発明者らが、種々の粒度分布をもつシリカ
等の無機物質でテストした結果式（３）の条件を満足す
ることで良好な球形形状のものが得られた。例えば燃焼
ガス量が１０Ｎｍ³／ｈのとき原料無機物質粉粒体の供
給量は６０ｋｇ／ｈ以下にする必要がある。供給量が６
０ｋｇ／ｈを越えると処理すべき原料粒子と燃焼フレー
ム間の熱移動が不良となることやフレーム内での粒子密
度が大きくなることで、大粒径粒子の昇温不足による形
状不良と小粒径粒子の接触頻度増大による粒子間融着が
増え、結果として形状不良となる。

【００１７】無機物質搬送支燃ガス量ＱＳは処理する原
料無機物質粉粒体の供給量によって最適量を決定する必
要がある。原料無機物質粒子は定量供給装置により一定
量が切り出され、原料搬送用支燃ガスによりバーナーま
で搬送され、フレーム内に噴出されるが、このとき原料
無機物質の供給量Ｓに対して搬送用支燃ガス量ＱＳが少
ないと原料粒子の分散性が不良となり結果粒子間融着の
原因となり製品の形状が不良となる。逆にＱＳが多すぎ
ると燃焼フレームの温度低下をもたらしたり、原料無機
物質粉粒体の噴出速度を上げる結果となって形状不良と
なる。ＳとＱＳとを種々組み合わせて変化させ、原料粒
子の分散状態と製品の形状を評価した結果、Ｓ／ＱＳの
値が式（４）で示される範囲すなわち０．５から７．０
の間にあるとき分散状態が良好で最も良好な球状形状の
ものが得られた。Ｓ／ＱＳが７．０より大きいと分散状
態が不良で小粒径粒子が融着して球状化の程度が不良
で、逆に０．５より小さいと大粒径粒子は燃焼フレーム
を短時間で通過することで球状化形状が不良であった。

【００１８】以上のように、燃料ガス噴出量、支燃ガス
噴出速度、無機物質粉粒体の噴出量、無機物質搬送支燃
ガスの噴出速度および噴出量を式（１）〜（４）を満足
するように調整することによってはじめて良好な球状化
物が得られる。

【００１９】

【発明の実施の態様及び実施例】次に、本発明の実施の
態様を実施例および比較例によって具体的に説明する。
図１に示した構造の球状化設備を使用して、球状化粒子
を実施した。燃焼フレーム形成用バーナーとしては図２
に示すものを作成して使用した。原料無機物質として平
均粒径２０μｍで粒径分布５〜１２０μｍの結晶シリカ
粉砕品（融点１７１０°Ｃ）を使用した。燃料ガスとし
て市販プロパンを使用し、支燃ガスおよび無機物質搬送
支燃ガスとしては酸素ガスを使用した。

【００２０】球状化におけるバーナー燃焼条件を表１の
ように設定して処理を実施した。支燃ガス噴出速度ＶＨ
および無機物質搬送支燃ガスの噴出速度ＶＳはそれぞれ
の噴出量と噴出孔の断面積により決定されるので、噴出
量とバーナーの噴出孔の大きさを調整することで設定し
た。球状化品をサイクロンおよびバグフィルターより採
取して評価した。各条件での使用原料に対する球状化品
の収率はいずれも９５％であった。得られた球状化品の
形状の評価は以下の２方法により実施した。

【００２１】（ａ）顕微鏡観察法 製品の形状を光学顕微鏡で１００倍の倍率で観察して以
下の基準により評価した。 完全球状化されているもの ◎ わずかに楕円状のものを含むもの ○ 球形にはなっていないが鋭角状の角がないものを含むもの △ ２個以上の粒子が融着しているものを含むもの ◇ 鋭角状の角が残るものを含むもの ×

【００２２】（ｂ）かさ比重測定法 粒子の球状化率を評価する方法としてサイクロンによる
捕集品よりサンプリングしてかさ比重を測定して比較評
価した。微細粒子のかさ比重は粒度分布が一定の場合、
形状が球形に近づくほど大きくなる。本発明による製品
は樹脂フィラーとして用いる場合が多く、フィラーの充
填率を向上させることを目的として球状化するので、か
さ比重を大きくすることが充填率を向上させることに直
接つながることでこの方法による評価は実際使用上重要
な項目となる。測定はＪＩＳ Ｒ６１２６「人造研削材
のかさ比重試験方法」に準拠して実施した。すなわち容
積既知のシリンダー状容器に試料製品を一定方式で充填
して重量を測定して、この重量を容器容積で除した値を
かさ比重とした。この方法によれば、球状化前の原料の
かさ比重は０．８であった。本発明者らの検討によれば
かさ比重が１．４０以上になれば良好な球状化状態と判
断できる。

【００２３】（ａ）及び（ｂ）の方法で測定した製品の
評価結果を表１に示した。

【００２４】

【表１】表１ 球状化条件と製品評価結果

【００２５】表１に示したように本発明の方法（試験Ｎ
ｏ．１，２）ではバーナーフレームは長く、製品形状は
良好であった。また、かさ比重は１．５３，１．５２で
良好であった。

【００２６】これに対して、比較例の試験Ｎｏ．３では
ＶＨが本発明の方法の範囲以上に大きく、製品形状は不
良であった。フレームの形状を観察した結果、非常にシ
ャープなブルーフレームであり、フレームの長さが短い
ことが確認された。かさ比重は１．３３で試験Ｎｏ．
１，２に比較してはるかに小さく不十分であった。

【００２７】試験Ｎｏ．４はＶＨが式（１）の範囲外で
小さくフレームは不安定であり、試験開始後時間経過と
ともにバーナー端面に原料粒子が付着成長し、さらに付
着した粒子表面にカーボンが付着した。さらに継続して
試験した結果付着した粒子とカーボンの混合物が脱落し
て製品に混入し、不純物の多い不良品となった。かさ比
重も１．３８と小さかった。

【００２８】試験Ｎｏ．５はＶＳが式（２）の範囲外で
あり、特に大粒径の粒子の形状が不良であった。さらに
試験Ｎｏ．６ではＳが６×ＱＧ値より大きく式（３）を
満足しない。この結果この条件での球状化品は全般に形
状不良すなわち大粒径は熱量不足で不規則多角形がその
まま残り小粒径では相互融着したものが多かった。かさ
比重は両条件ともに小さかった。

【００２９】試験Ｎｏ．７はＳ／ＱＳ値が式（４）の範
囲外で原料無機物質粉粒体量に比較して無機物質搬送支
燃ガス量が少なく原料粒子の分散不良による粒子相互間
融着が多発した。かさ比重も粒子間相互融着の影響もあ
って小さかった。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、燃焼条件を調整するこ
とで高融点の無機物質の良好な形状の球状化物を容易に
得ることができる。特に従来困難であった、直径３０μ
m以上の高融点の粒子についても良好な形状で球状化で
き、粒径分布の広い原料を使用した場合でも小粒径粒子
から大粒径粒子まで良好な形状に球状化できる。このこ
とにより樹脂フィラー等各種用途に広範囲で有利に利用
できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】球状化粒子製造装置の一例を示す概略工程図で
ある。

【図２】球状化粒子製造用バーナーの一例を示す概略断
面図である。

【符号の説明】

３ 原料搬送用支燃ガス供給管 ４ 支燃ガス供給管 ５ 燃料ガス供給管 ６ バーナー ７ 球状化炉 １０原料および原料搬送用支燃ガス噴出孔 １１燃料ガス噴出孔 １２支燃ガス噴出孔

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 無機物質をガス燃焼フレーム中で溶融あ
   るいは軟化して表面張力により球状化粒子にする方法に
   おいて、燃焼フレームを形成する燃料ガスと支燃ガスと
   を流量調整してバーナーに導き噴出して燃焼させ、原料
   無機物質の粉粒体を支燃ガスにより別経路で搬送し、バ
   ーナー中心部より燃焼フレーム中に噴出させて球状化す
   るとき、燃料ガス噴出量、支燃ガス噴出速度、無機物質
   粉粒体の噴出量、無機物質搬送支燃ガスの噴出速度およ
   び噴出量を下記式を満足するように調整することを特徴
   とする球状化粒子製造方法。 １０＜ＶＨ＜７０ （１） １０＜ＶＳ＜１００ （２） Ｓ＜６×ＱＧ （３） ０．５＜Ｓ／ＱＳ＜７．０ （４） ＶＨ：支燃ガス噴出速度（ｍ／ｓ） ＶＳ：無機物質搬送支燃ガス噴出速度（ｍ／ｓ） Ｓ ：無機物質噴出量 （ｋｇ／ｈ） ＱＧ：燃料ガス噴出量 （Ｎｍ³／ｈ） ＱＳ：無機物質搬送支燃ガス噴出量 （Ｎｍ³／ｈ） （Ｎｍ³は標準状態における容積）