JP2000509656A - 爆発的破砕プロセス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 多孔質セラミック粒子を破砕させるのに十分な圧力のガスを気孔の内部に発生させることにより、セラミック粒子を破砕することができる。圧力を発生させる好ましい仕方は、気孔中に液体を吸収させるまでは液体であって外界温度と圧力ではガスである液体の中に粒子を浸し、次いで、液体がガスになってセラミック粒子の爆発的破砕をもたらすように条件を急激に変化させることである。

Description

【発明の詳細な説明】 爆発的破砕プロセス 発明の背景 本発明は、砥粒として使用するのに首尾よく適する形状を有するセラミック粒 子、及び特には、このような粒子の製造プロセスに関する。 砥粒は、一般に、粉砕プロセス又はロール圧潰プロセスによって、セラミック の大きな塊を粉砕することによって製造される。このようなプロセスは、非常に エネルギーを消費し、粒子を発生させる衝撃に由来して、かなりな程度の微細欠 陥を有する粒子を生成させる。これらの微細欠陥は、粒子の弱さの原因であり、 研磨材としての作用を低下させると考えられている。 ゾルゲルプロセスが、アルミナ研磨材の製造のために開発されたとき、ゲルは 、通常ベーマイトの前駆体形態からなり、このゲルは、押出その他によって取り 扱い易い片に付形され、次いで乾燥させて水を逃散させる。乾燥したゲルは、非 常に微細化しやすく、次に一般に最終的な砥粒にとってほぼ所望の粒子サイズの 範囲まで粉砕され、そしてこれらの粒子は加熱され、最終的な砥粒にする。 最近、米国特許出願No．８／４１７１６９（１９９５年４月５日出願）におい て、未だ少なくとも５重量％の水分を保有する乾燥ゲルを炉の高温ゾーンに直接 供給し、水を爆発的に膨張させることが提案されている。この結果、一般に、高 いアスペクト比と良好な研磨性を有する粒子が得られる。 ここで、広範囲なセラミック材料が、爆発的に粉砕されることができ、衝撃力 を加えることなく同じような高いアスペクト比の粒子 が得られることが新たに見出された。即ち、本発明は広範囲なセラミックを粒子 の形態で製造するのに適する、利用可能性の高い無衝撃プロセスである。 発明の概要 本発明のプロセスは、圧力を解放すると、ガスの膨張がセラミック材料の破砕 を生じさせる圧力のガスにセラミックの気孔が占められる条件に、多孔質セラミ ック材料を供することを含む。 本願に関し、用語「破砕(fragmentation)」とは、その破砕が生じると、元の 粒子の１５％未満が粒子サイズを変化させずに、その残りはより小さい破片に壊 れることを言うものとする。 破砕を生じさせるのに必要な圧力は、セラミックと、多孔質形態の結合の程度 によって異なる。ガスが充満した多孔質セラミックが置かれた圧力を単に急激に 解放することにより、ガスを膨張させることができる。発生する爆発的膨張が粒 子の破砕を生じさせる。もう１つの有用な技術は、気孔を液体で満たして急激に 蒸発させ、セラミックの破砕を生じさせる内圧を発生させることである。これは 、セラミックを急速に加熱することによって行うことができる。ここで、本発明 の好ましいプロセスは、通常の温度と圧力ではガスになる液体の中に、多孔質セ ラミック材料を、そのセラミック材料の気孔がその液体によって少なくとも部分 的に占められるのに十分な時間にわたって浸し、次いでその液体からセラミック 材料の粒子を取り出し、そしてその液体がガスになる温度及び／又は圧力の条件 に急激に曝すことである。これにより、必要な内圧が本質的に瞬時に発生し、粒 子の破砕を生じさせる。本願における用語「急激」とは、セラミック材料を破砕 が生じる温度及び／又は圧力に曝したときのセラミック材料の内部の実質的に全 ての圧力上昇を言うものと 理解されたい。 本発明によるこの好適なプロセスに使用するのに適当な液体には、圧縮液体冷 媒の例えば液体アンモニアや液化クロロフルオロ炭化水素、液化ガスの例えば液 体窒素、液体酸素、超臨界二酸化炭素などが挙げられる。 また、理論上、ニトログリセリンや空気／ガソリン混合物のようなそれ自身で 爆発性の液体、又は三ヨウ化窒素のような乾燥すると爆発性になる液体で気孔を 浸透することもできる。ここで、言うまでもないが、このような技術の使用は、 その使用を非現実的にする特定の安全性問題を惹起する。 爆発的膨張を生じさせるために使用する技術は、上記のように、熱を加えるこ とでよいが、多くの場合、通常の温度と圧力ではガスである液体の膨張によって ガスが気孔内部のその場所で発生する場合、急激な膨張を生じさせるのに十分な 通常の圧力と温度の不活性液体の中に粒子を投入することが好ましい。これは、 均一な温度条件を確保し、急激な熱交換のための最大限の接触面積を提供し、さ らに爆発的膨張の影響を緩和するといった効果を有する。上記の液体が「不活性 」とは、セラミックスに対して及び破砕を生じさせるガスに対しての意味である 。このことは、セラミック又はガスの化学反応又は溶解に関わらないことを意味 する。ここで、セラミックに所望の成分を含浸させるビヒクルとしてその液体を 使用できないことを意味するものではない。 本発明のプロセスによって破砕することができるセラミック材料には、アルミ ナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化チタン、炭化チタンなどが挙げられる。アル ミナは、アルミナ前駆体のベーマイトやアルミナ三水和物なども含む。このよう な生産品は結合水を含むが、これは、所望の破砕の程度に達するまで数回にわた って繰り返す ことができる本発明のプロセスに影響を及ぼさない。 本発明のプロセスに使用されるセラミック材料の気孔は、好ましくは、膨張す る液体又はガスの出入を許容するように、主として開口気孔である。このような 気孔の割合は、少なくとも５体積％、好ましくは１０〜３０体積％の例えば１０ 〜２０体積％である。理論的な上限はないが、現実的には、そのセラミックは８ ０体積％以下、より適切には７０体積％以下の最大気孔率を有するべきである。 好ましい気孔率の範囲は１０〜８０体積％、より好ましくは２０〜５０体積％で ある。 アルミナ中間体又は未焼成αアルミナ（ゾルゲルプロセスによって得られる） が使用される場合、気孔はその製造プロセスの際に発生することができ、その気 孔は相変化に由来する。また、微細に分割したセラミック粒子をペーストにし、 次いで造粒・乾燥してペレットが弱凝集セラミック粒子を形成することに由来さ せることもできる。 研磨材を意図している場合、破砕の後、得られたセラミック粒子を加熱し、十 分に焼成することが一般に必要である。この焼成の温度と時間は、求められるセ ラミックによって異なる。 好ましい態様の説明 次に、本発明を以下の例によって説明するが、これらは本発明の例示のためで あって、本発明の基本的な範囲を何ら制限するものではない。 例１ この例において使用したセラミックは、乾燥して遊離水を除去し、＋１２メッ シュの粒子に粉砕したゾルゲルアルミナである。したがって、主としてベーマイ トのようなαアルミナ前駆体を含んでな る。 この粒子を、大気圧下の液体窒素の中に浸し、約２分間にわたって温度的に平 衡にさせ、その後、過剰の液体窒素をデカントし、直ちに、この粒子を、室温の 液体オクタンの容器の中に移した。これにより、液体窒素の爆発的膨張が生じ、 アルミナの破砕が生じた。オクタンをデカントし、アルミナ粒子を乾燥し、分級 した。サイズ分布は次の通りであった。 サイズ範囲 左記の範囲の割合（％） ＋１２メッシュ １１ −１２＋１６メッシュ ２０ −１６＋１８メッシュ １３ −１８＋２０メッシュ １４ −２０＋２５メッシュ １６ −２５＋３５メッシュ １３ −３５＋４５メッシュ ５ −４５メッシュ ７ 同じゾルゲルアルミナの出発材料を同じ条件下でオクタンの中に直接投入した が、液体窒素中に予め浸漬しないと有意な破砕は全く生じなかった。 例２ 例１で得られた破砕生産品を、全く同じプロセスに供し、さらなる粉砕が得ら れるか否かを評価した。得られたサイズ分布は次の通りであった。 サイズ範囲 左記の範囲の割合（％） ＋１２メッシュ ０ −１２＋１６メッシュ ５ −１６＋１８メッシュ ４ −１８＋２０メッシュ １１ −２０＋２５メッシュ １６ −２５＋３５メッシュ ２８ −３５＋４５メッシュ １７ −４５メッシュ １６ この結果は、本プロセスが所望の破砕程度を保証するまで繰り返すことができ ることを示している。 例３ この例で使用したセラミックは、約２．５ｃｍの円形横断面と約２．５ｃｍの 長さを有するペレット状の窒化ケイ素であった。これは、コロイド状窒化ケイ素 をスリップキャスティングして作成した。このペレットを液体窒素の中に浸して 約２分間にわたって平衡にさせ、次いで液体窒素をデカントし、ペレットを約５ ０℃の水の容器の中に投入した。これにより、数秒間以内にペレットの破砕が生 じた。直ちに水をデカントし、破砕した窒化ケイ素粒子を乾燥し、サイズ分布を 測定した。約７３％が０．２〜０．６ｃｍのサイズを有し、約１７％が０．２〜 ０．０８ｃｍのサイズを有し、約１０％が０．０８ｃｍ未満のサイズを有するこ とが分った。 液体窒素に浸さずにこの実験を繰り返したが、有意な破砕は生じなかった。 例４ この例において使用したセラミックは、αアルミナ粉末（スミトモＡＫＰ−３ ０）であった。１．０ｇのＤａｒｖａｎ−８２１−Ａ分散剤を含む５００ｍｌの 水の中のこの粉末５０ｇのディスパージョンを、１．２ｃｍのジルコニア媒体を 入れたプラスチック容器の中で約１時間にわたって回転させることにより、均一 に分散させた。このサスペンジョンを約８０℃で乾燥し、＋１０メッシュの大き さの乾燥片を約２分間にわたって液体窒素の中に沈め、その後、過剰の液体窒素 をデカントし、アルミナ片を直ちに室温の液体ヘキサンの容器の中に投入した。 アルミナは、爆発的に破砕し、その生成物のサイズ分布は下記の通りであった。 サイズ範囲 左記の範囲の割合（％） ＋１０メッシュ ４２ −１０＋１２メッシュ ２２ −１２＋１６メッシュ ２４ −１６メッシュ １０ 液体窒素に浸さずに上記の実験を繰り返したが、有意な破砕は見られなかった 。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年１月４日（１９９９．１．４） 【補正内容】 明細書 爆発的破砕プロセス 発明の背景 本発明は、砥粒として使用するのに首尾よく適する形状を有するセラミック粒 子、及び特には、このような粒子の製造プロセスに関する。 砥粒は、一般に、粉砕プロセス又はロール圧潰プロセスによって、セラミック の大きな塊を粉砕することによって製造される。このようなプロセスは、非常に エネルギーを消費し、粒子を発生させる衝撃に由来して、かなりな程度の微細欠 陥を有する粒子を生成させる。これらの微細欠陥は、粒子の弱さの原因であり、 研磨材としての作用を低下させると考えられている。 ゾルゲルプロセスが、アルミナ研磨材の製造のために開発されたとき、ゲルは 、通常ベーマイトの前駆体形態からなり、このゲルは、押出その他によって取り 扱い易い片に付形され、次いで乾燥させて水を逃散させる。乾燥したゲルは、非 常に微細化しやすく、次に一般に最終的な砥粒にとってほぼ所望の粒子サイズの 範囲まで粉砕され、そしてこれらの粒子は加熱され、最終的な砥粒にする。 最近、米国特許出願No．８／４１７１６９（１９９５年４月５日出願）におい て、未だ少なくとも５重量％の水分を保有する乾燥ゲルを炉の高温ゾーンに直接 供給し、水を爆発的に膨張させることが提案されている。この結果、一般に、高 いアスペクト比と良好な研磨性を有する粒子が得られる。 爆発的粉砕は、米国特許第３７１５９８３号の中でゼオライトについて教示さ れており、そこでは、ゼトライトをニトログリセリン のような爆発性流体の中に浸して「ボンベ(bomb)」の中に入れ、ニトログリセリ ンを爆発させる。その爆発がゼオライトを粉砕する。 ここで、広範囲なセラミック材料が、安全かつ現実的な仕方で爆発的に粉砕さ れることができ、衝撃力を加えることなく同じような高いアスペクト比の粒子が 得られることが新たに見出された。即ち、本発明は広範囲なセラミックを粒子の 形態で製造するのに適する、利用可能性の高い無衝撃プロセスである。 発明の概要 本発明のプロセスは、外界圧力を含む条件に多孔質セラミック材料を供し、外 界の温度と圧力ではガスである液体によってセラミックの気孔を塞ぎ、気相への 液体の急激な膨張がセラミック材料の破砕を生じさせることを含む。 本願に関し、用語「破砕(fragmentation)」とは、その破砕が生じると、元の 粒子の１５％未満が粒子サイズを変化させずに、その残りはより小さい破片に壊 れることを言うものとする。 本発明の好ましいプロセスは、通常の温度と圧力ではガスになる液体の中に、 多孔質セラミック材料を、そのセラミック材料の気孔がその液体によって少なく とも部分的に占められるのに十分な時間にわたって浸し、次いでその液体からセ ラミック材料の粒子を取り出し、そしてその液体がガスになる温度及び／又は圧 力の条件に急激に曝すことである。これにより、必要な内圧が本質的に瞬時に発 生し、粒子の破砕を生じさせる。本願における用語「急激」とは、セラミック材 料を破砕が生じる温度及び／又は圧力に曝したときのセラミック材料の内部の実 質的に全ての圧力上昇を言うものと理解されたい。 本発明によるこの好適なプロセスに使用するのに適当な液体には 、圧縮液体冷媒の例えば液体アンモニアや液化クロロフルオロ炭化水素、液化ガ スの例えば液体窒素、液体酸素、超臨界二酸化炭素などが挙げられる。 爆発的膨張を生じさせるために使用する技術は、上記のように、熱を加えるこ とでよいが、多くの場合、通常の温度と圧力ではガスである液体の膨張によって ガスが気孔内部のその場所で発生する場合、急激な膨張を生じさせるのに十分な 通常の圧力と温度の不活性液体の中に粒子を投入することが好ましい。これは、 均一な温度条件を確保し、急激な熱交換のための最大限の接触面積を提供し、さ らに爆発的膨張の影響を緩和するといった効果を有する。上記の液体が「不活性 」とは、セラミックスに対して及び破砕を生じさせるガスに対しての意味である 。このことは、セラミック又はガスの化学反応又は溶解に関わらないことを意味 する。ここで、セラミックに所望の成分を含浸させるビヒクルとしてその液体を 使用できないことを意味するものではない。 請求の範囲 １．a)１０〜８０体積％の気孔率を有する多孔質セラミック材料を、外界温度 の液体に浸し、そのセラミックの気孔を少なくとも部分的にその液体で塞ぎ、 b)化学的変化を伴わずにその液体を急激に膨張させ、その膨張によってセラミ ック材料を破砕する、 ことを含む、破砕セラミックの製造方法。 ２．液体を急激に膨張させて気体状態にすることを含む請求項１に記載の方法 。 ３．その液体が、大気圧と２０℃の温度でガスである請求項１に記載の方法。 ４．その浸された多孔質セラミックを不活性な浸漬媒体の中に投入し、その多 孔質セラミックの気孔を満たす液体を相変化の温度に供することにより、多孔質 セラミックの気孔を満たす液体を急激に膨張させる請求項１に記載の方法。 ５．２０〜５０体積％の気孔率を有する多孔質セラミックを選択することを含 む請求項１に記載の方法。 ６．アルミナ、アルミナ前駆体、炭化ケイ素、窒化ケイ素、及びこれらの混合 物からなる群よりセラミックを選択することを含む請求項１に記載の方法。 【手続補正書】 【提出日】平成１１年８月５日（１９９９．８．５） 【補正内容】 請求の範囲 １．a)１０〜８０体積％の気孔率を有する多孔質セラミック材料を、外界温度 の液体に浸し、そのセラミックの気孔を少なくとも部分的にその液体で塞ぎ、 b)化学的変化を伴わずにその液体を急激に膨張させ、その膨張によってセラミ ック材料を破砕する、 ことを含む、破砕セラミックの製造方法。 ２．液体を急激に膨張させて気体状態にすることを含む請求項１に記載の方法 。 ３．その液体が、大気圧と２０℃の温度でガスである請求項１に記載の方法。 ４．２０〜５０体積％の気孔率を有する多孔質セラミックを選択することを含 む請求項１に記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カバノー，マイケル ディー. アメリカ合衆国，マサチューセッツ 01536，ノース グラフトン，セカンド ストリート 12

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ガスを膨張させたとき、その膨張が多孔質セラミック材料の破砕を生じさ せる圧力のガスによってセラミックの気孔が満たされる条件に、その多孔質セラ ミック材料を供することを含む、破砕セラミックの製造方法。 ２．多孔質セラミック材料を液体中に浸し、次いでそれをある温度と圧力に供 して液体を急激に蒸発させ、そのセラミック材料の破砕を生じさせる請求項１に 記載の方法。 ３．セラミック材料の気孔が、大気圧と２０℃の温度でガスとなる液体中に浸 されることで満たされる請求項２に記載の方法。 ４．多孔質セラミックを不活性液体の中に投入することによって、蒸発する温 度と圧力に多孔質セラミックを供する請求項２に記載の方法。 ５．セラミックが１０〜８０体積％の気孔率を有する請求項１に記載の方法。 ６．セラミックが２０〜５０体積％の気孔率を有する請求項５に記載の方法。 ７．セラミックが、アルミナ、アルミナ前駆体、炭化ケイ素、窒化ケイ素、及 びこれらの混合物から選択される請求項１に記載の方法。