JPH01306510A - 超微粒子粉末の製造方法の改良 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高温プラズマを用いて固体物質を超微粒子化
する場合に、生成した超微粒子を急速に冷却して大径の
粒子への成長を抑制し、もって粒度の均一な超微粒子を
製造する方法に関する。

更に具体的には、高温プラズマを用いて固体物質を超微
粒子化する場合に、成長した超微粒子を液化ガスを用い
る急速冷却に付して大径の粒子への成長を抑制し、もっ
て粒度の均一な超微粒子を製造する方法に関する。

〔従来のＷ術〕

従来塊状物質を機械的粉砕手段によって微粒化する場合
に得られる微粉末の粉砕限界粒子径は１〜０．１μｍ付
近とされ、それよりも細かい粒子の生成は困難と考えら
れて来た。しかしながら、機械的粉砕手段以外の種々の
微粉末の製造法の開発が進むに及んで、従来の粉体材料
よりも更に細かい超微粒子と呼ばれる領域の粒子、すな
わち平均粒径で０．３μｍ以下の粒子が新しい機能材料
として注目を集めるようになった。

これらの新たに開発された方法には、熱分解法、電気分
解法、ガス還元法、沈澱法などの化学的方法の他に、プ
ラズマを用いて固体物質を蒸発気化させ、冷却によって
凝縮させて超微粒子を製造する物理的な方法があり、殊
に後者の方法は得られる微粒子の粒径が小さく、また粒
径が比較的そろっており、不純物の混入も少ないことで
その有用性が期待される方法である。

このプラズマを利用する方法には、ガス流中でアーク放
電を行って高温プラズマを発生させ被微粉化固体材料を
蒸発させ、引続く反応（反応を伴う場合のみ）および冷
却によって超微粉末粒子を得る方法や、ガス流を高周波
電極に通じて高周波によって高温プラズマを発生させ、
このプラズマ中に被微粉化固体材料を導入してこれを蒸
発させ、引続く反応（反応を伴う場合のみ）および冷却
によって超微粉末粒子を得る方法などがある。

これらの方法のいずれも、高温プラズマの超高温度を利
用して固体材料を蒸発させ、引続く冷却によって固体蒸
気を固化させ超微粒子を得るという原理に基づくもので
ある。

そしてこの冷却には冷却水を用い反応器および引続く微
粉末の捕集器を冷却することが行われている。

さらに、粒径のコントロールにクエンチング効果を利用
する着想も既知である（吉田豊信「気相反応による超微
粒子の製造」昭６１．日本工業新聞社　プラズマ化学セ
ミナー講義録、明石Ｐｌａｓｕｍａ　Ｃｈｅｗ、　　１
　（１９８１）　１１３）が、ここに示されている思想
は反応体の量を抑制してクエンチング効果を達成しよう
とするいわゆるリアクテイブクエンチングの考え方であ
って、微粉末粒子の製法一般には適用し得ないものであ
るのみならず、冷却剤を用いて強制冷却しようとするも
のではない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

高温プラズマを用いて超微粒子を製造する方法は、従来
の機械的粉砕法ではなし得なかった粒子径のきわめて小
さい微粒子を製造しうるものであり、従来の化学的方法
によるものとは異なった高純度でしかも粒子表面のなめ
らかな主として球形形状の粒子を得るものではあるが、
その粒径には大きなばらつきがあり、この粒径の大きさ
を均一にする技術手段の開発が望まれていた。

〔問題点を解決するための手段〕

上記した高温プラズマを用いて超微粒子を製造するに際
しての超微粒子の粒子の大きさのばらつきは、高温プラ
ズマによって発生した固体物質の蒸気の凝縮の時間にば
らつきがあること、従って成る粒子については蒸気から
粒子が成長することなく急速に凝縮するが、成る粒子に
ついては凝縮までに比較的長時間を要し、そのために粒
子の成長が起るところに上記の超微粒子の大きさのばら
つきの原因があるのではないかとの考えの許に、本発明
者らは従来法の水による冷却にかえ種々の冷却方法を試
み、上記の考え方が正しいことを実証するとともに、粒
子の大きさのばらつきのきわめて少ない超微粒子の製造
方法を完成させたのである。

すなわち、本発明者らは、高温プラズマを用いて固体物
質を蒸発させ、これを冷却して超微粒子化する場合に、
冷却を液化ガスを用いて行う場合には、冷却をきわめて
すみやかに行うことができ、そのために析出する超微粒
子の個々の粒子については粒子の成長がないままに冷却
され、固化と析出が起り、得られる超微粒子の大きさに
はばらつきのないこと、および得られる超微粒子の平均
粒径が水による冷却によるものに比較して小さいことを
見出して本発明を完成したのである。

すなわち、本発明は、高温プラズマを用いて固体物質を
超微粒子化するに際して、生成した超微粒子を液化ガス
による直接熱交換または間接熱交換によって急速に冷却
して大径の粒子への生成を抑制し、もって粒度の均一な
、かつ粒子径の小さい超微粉粒子を製造する方法にかか
るものである。

本発明における高温プラズマを用いて固体物質を超微粒
子化する方法自体は公知のものを採用することがで、き
る。すなわち、高温プラズマの発生方法としては、アー
ク放電によるプラズマジェットの発生、アーク放電によ
るアーク溶解とそれに伴うプラズマの発生などのアーク
放電電極を用いるアーク放電によるプラズマ発生法、高
周波電極中にガスを流してこのガスを高温プラズマ化す
る方法などがあり、この高温プラズマを用いる固体物質
の超微粉化には具体的には、アークプラズマにより活性
化した水素を溶融金属などと反応させこれを蒸発させる
方法や、高周波の印加によって高温プラズマ化された気
体流中に固体粉を導入してこれを気化蒸発させる方法が
あり、そしてこれらの方法によって発生したプラズマを
用いて固体物質を蒸発させ、固化して超微粉末を製造す
るに際して上記した本方法が使用可能となる。

本方法では、プラズマ焔を安定に保持させながら、プラ
ズマ焔の周囲に直接に液化ガスを導入して生成した固体
物質の蒸気を急冷するか、またはプラズマ焔を取り巻く
反応室および引き続く微粒子捕集器を液化ガスによって
間接的に冷却することにより、生成した固体物質の蒸気
を急冷して行なわれるのである。

このような液化ガスによる急冷は、これまでに全く知ら
れておらず、また誰もが試みようとすらしなかったもの
である。すなわち、高温プラズマを用いる固体物質の超
微粒子化には、安定なプラズマ焔の存在が必須であり、
プラズマ焔の温度を低下させその安定性を阻害する可能
性のある液化ガスによる冷却の発想はとうていなし得ら
れなかったところである。

本発明者らはかかる技術常識に反してプラズマ焔の安定
性を阻害しない範囲において上記した態様で液化ガスを
冷却剤として固体物質の蒸気を冷却する場合には、きわ
めて粒子径が均一でしかも微粒の超微粒子が得られるこ
とを見出だしたのである。

本方法で用いる液化ガスとしては、液体ヘリウム、液体
アルゴンなどの希ガスの液化物、液体窒素、液体酸素、
液体空気などの液化空気成分、液化炭酸ガス、液体水素
などが挙げられる。

これらの液化ガスを本願方法における間接冷却媒体とし
て用いる場合には、使用ずみの気化されたガスは高温プ
ラズマを発生させるためのガス流として使用することが
できる。すなわち、液体窒素、液体アルゴンなどを使用
する場合には、発生したガスをプラズマトーチに戻して
これに高周波電圧を印加することによりプラズマ焔を発
生せしめることができ、また液体水素を用いる場合には
、発生した水素ガスを水素−アークプラズマを生成させ
るために使用することも可能である。

この方法によって粒子径が８５ｎｍ〜６５０ｎｍの範囲
のいわゆる超微粒子粉末がきわめて粒子径のばらつきの
ないものとして製造できる。

この方法で製造することのできる超微粒子粉末にはＡ（
ｌｘ　Ｚｎ％５ｉＳＦｅｓ　Ｎｉ％Ｃｕｓ　ｋｇｓ　Ｃ
ｏ、Ａｕ。

ＰＬ％Ｗ％Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎ
　ｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｃｕ−Ｚｎ合金、Ａ
Ｑ金合金ような金属粉末、およびＡ１２，０．、ＳｉＯ
２、Ｙ２Ｏ１、ＺｒＯ２、Ｆｉｇ２、Ｓｉ３ＮイＡｆｆ
Ｎ％ＳｉＣ，ＴｉＣ，ＷＣ，Ｗ２Ｃ，Ｗ２Ｓｉ３、Ｗ２
Ｎのようなセラミックス粉末が含まれる。

次に本発明を具体例によって更に詳細に説明する。

実施例　ｌ 金属アルミニウム粉末（平均粒径９．６μｍ）をアルゴ
ン気流を高周波加熱して得た高温プラズマ焔中に供給し
てアルミニウムの超微粒子を製造しｌこ。

使用した装置は第１図に示されたとおりの構成を有する
ものである。

すなわち、本装置は、第１図でＡで示されるプラズマト
ーチ、Ｂで示される石英二重管、Ｃで示される冷却二重
管、Ｄで示されるチャンバー、Ｅで示される原料粉末供
給装置、およびＦで示される製品回収部より成る。

プラズマトーチＡは内径４４ｍｍ、長さ１５０ｍｍの石
英管ｌを主体とし、外側に高周波発振用のコイル２が取
りつけられ、その外側には更に冷却用の外套管３が設け
られている。プラズマトーチの上部には噴出方向が接線
方向、軸方向および半径方向のガスの噴出口４．５．６
が設けられ、この噴出口にガスの供給源７．８．９から
アルゴンガスがあるいは酸素、窒素等のガスが供給され
る。この噴出ガスは印加された高周波電源によってプラ
ズマ化されプラズマトーチ内でプラズマ焔を形成する。

プラズマトーチの下部には原料粉末供給口ｌＯが設けら
れ、原料粉末供給装置Ｅから供給される原料粉末はキャ
リヤーガス１１に搬送されてプラズマ焔中に導入される
。

石英二重管Ｂは内径１２０ｍ＋Ｒ，長さ２００）の石英
管１２と、その外側の冷却用の外套管１３から成る。

外套管１３は例えばアクリル樹脂製の管であってもよい
。

冷却二重管Ｃは内径１２０ｍｍ、長さ１００ｍｍの内管
１４とその外側の冷却用の外套管１５とからなる。

内管１４および外套管１５は極低温に曝されるのでステ
ンレス鋼（例えばＳＯＳ　３１６）のような材料で構成
される。

チャンバーＤは内径４４０ｍｍ、長さ１８００＋ａｍの
管１６とその外側の冷却用の外套管１７とから成る。

このチャンバーＤの内管、外套管はともに金属製の管、
例えばステンレス鋼管であってもよい。

製品回収部ＦはチャンバーＤの下部に着脱可能なように
取付けられ、フィルター１８を内部に装着しうるように
なっている。そしてフィルターの内側は減圧ラインＪ９
に連通している。

上記のような構成の装置のガス噴出口４．５．６にアル
ゴンガスが２０１２／ｍｉｎの流量で流され、コイル２
に４　ＭＨｚの高周波電流が印加されアルゴンの高温プ
ラズマ焔が発生する。原料の金属アルミニウム粉末（平
均粒径９．６μｍ）は原料粉末供給口１０からキャリヤ
ーガスと共に６０９／ｍｉｎの供給量で高温プラズマ中
に供給され、気化したアルミニウムは引続く冷却二重管
ＣおよびチャンバーＤで冷却され、凝縮して生成した超
微粒子のアルミニウム粉末はフィルター１８上に集めら
れる。

今この超微粒子の製造条件において、プラズマトーチＡ
１石英二重管Ｂ１冷却二重管ＣおよびチャンバーＤの冷
却を２０°Ｃの水を冷却媒体として用いてアルミニウム
超微粒子を製造したところ、光子相関法粒度測定装置Ｂ
１−９０（日機装（株）製）による粒度測定結果で粒子
径が１７０から２０１７ｎｍの範囲のアルミニウム粒子
が得られた。

これに対して、プラズマトーチＡ１石英二重管Ｂおよび
チャンバーＤの冷却は上記と同じ２０°Ｃの水を冷却媒
体として用いて行なうが、冷却二重管Ｃの冷却を液体窒
素を用いて冷却してアルミニウム超微粒子を製造したと
ころ、粒子径か８５〜６５０ｎｍの範囲のアルミニウム
超微粒子が得られた。すなわち、冷却媒体に液化窒素を
用いることによって従来法である水冷法によるものに比
較して粒子径が小さくかつ粒子径の分布中が１／４程度
まで狭くなったアルミニウム超微粒子の得られることが
明らかとなった。

実施例　２ 実施例１に記載した装置を用いて同様の操作条件によっ
て酸化イツトリウムの超微粉末を製造した。この場合に
用いた高温プラズマは、アルゴンと酸素の混合気体流を
高周波加熱によってプラズマ化したものであった。また
供給される金属イットリウ・ム粉末はアルゴンガスで搬
送して酸素ガス雰囲気下の高温プラズマに導入しｔこ　
。

このようにして、プラズマ焔中に供給される金属イツト
リウムは酸素と反応して酸化イツトリウムに変化し、酸
化イツトリウムの蒸気となるが、引続く冷却部において
この蒸気は凝縮して酸化イツトリウムの超微粒子となる
。

上記した操作をプラズマトーチＡ１石英二重管Ｂ１冷却
二重管ＣおよびチャンバーＤの冷却を２０°Ｃの水を冷
却媒体として用いて行ない、酸化イツトリウム超微粒子
を製造したところ、得られた超微粒子の粒度は１７２〜
２２Ｏ４４ｎと粒径分布の範囲の巾の広いものであった
。

これに対してプラズマトーチＡ１石英二重管Ｂおよびチ
ャンバーＤの冷却は上記と同じ２０°Ｃの水を冷却媒体
として用いて行なうが、冷却二重管の冷却は液体窒素を
用いて冷却して酸化イツトリウム超微粒子を製造したと
ころ、得られた超微粒子の粒度は１５３〜９０５ｎｍと
粒径が小さくかつ粒径分布の巾の狭いものであった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法で使用する高温プラズマを用い
る超微粒子粉末の製造装置の一例を示す。 Ａ・・・プラズマトーチ、Ｂ・・・石英二重管、Ｃ・・
・冷却二重管、Ｄ・・・チャンバー、Ｅ・・・原料粉末
供給装置、Ｆ・・・製品回収部、ｌ・・・石英管、２・
・・高周波発振用のコイル、３・・・冷却用外套管、４
．５．６・・・ガス噴出口、７．８．９・・・ガス供給
源、１０・・・原料粉末供給口、ｌｌ・・・キャリヤー
ガス供給源、１２・・・石英管、１３・・・外套管、１
４・・・冷却管内管、１５・・・外套管、１６・・・チ
ャンバー内管、１７・・・外套管、１８・・・フィルタ
ー、１９・・・減圧ライン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）高温プラズマを用いて固体物質を蒸発させ、これを
   冷却して超微粒子化するに際して、冷却を液化ガスを用
   いて行うことを特徴とする超微粒子粉末の製造方法。 ２）冷却が液化ガスによる直接冷却または間接冷却によ
   って行われるものである請求項１に記載の方法。 ３）液化ガスが液体ヘリウム、液体水素、液体アルゴン
   、液体窒素、液体酸素、液体空気、液体炭酸ガスまたは
   これらの２つもしくはそれ以上を組合わせたものである
   請求項１に記載の方法。