JP2007238402A

JP2007238402A - 粉体製造装置および粉体製造方法

Info

Publication number: JP2007238402A
Application number: JP2006065144A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ogiwara; 隆荻原
Original assignee: Chugai Ro Co Ltd
Current assignee: Chugai Ro Co Ltd
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2007-09-20

Abstract

【課題】粒子形状の均一な粉体を製造できる粉体製造装置および粉体製造方法を提供する。
【解決手段】ミスト発生手段６によって原料液のミストを生成し、ミストを気流によって搬送し、乾燥装置２によって気流を加熱することでミストを乾燥して原料粉体を生成し、プラズマ加熱装置３のプラズマ発生手段８が形成する超高温のプラズマ空間で原料粉体を熱分解して融合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、粉体製造装置および粉体製造方法、特に、ナノ粉体の製造に適する粉体製造装置および粉体製造方法に関する。

例えば２次電池や半導体などの材料となる粉体の製造に適用される従来の粉体製造装置として、特許文献１に、プラズマ放電を行う電極を有する粉体生成塔内に、原料水溶液を噴霧し、プラズマ放電によって形成する超高温のプラズマ空間で、原料水溶液を乾燥、熱分解して融合させるものが開示されている。

図６に、例として、従来の粉体製造装置で製造したＬａＧａＯ_３系酸化物粉体の電子顕微鏡写真を示す。従来の粉体製造装置で製造した粉体粒子は、形状がいびつで、不均一である。これは、原料水溶液の液滴が超高温のプラズマ空間で瞬間的に加熱され、粒子内の水分が一瞬のうちに気化膨張することで、粒子が水蒸気爆発して破壊されるためである。
特開２００４−２６３２５７号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、粒子形状の均一な粉体を製造できる粉体製造装置および粉体製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による粉体製造装置は、原料液のミストを生成するミスト発生手段と、前記ミストを乾燥させて原料粉体を生成する乾燥装置と、超高温のプラズマ空間を形成するプラズマ発生手段を備え、前記プラズマ空間において前記原料粉体を熱分解して融合させるプラズマ加熱装置とを有するものとする。

この構成によれば、原料液のミストを乾燥装置で乾燥して粉体にしてから、乾燥した粉体をプラズマ空間で熱変成させる。これによって、原料の水蒸気爆発を防止して、原料液のミスト形状を破壊せずに所定の粉体に変性させることができ、粒子形状の均一な粉体を製造することができる。

前記乾燥装置の乾燥温度は、１００℃以上２００℃以下であるのがよい。

この構成によれば、原料液のミスト形状を破壊せずに水分を蒸発させて、形状の均一な乾燥した原料粉体を生成できる。これによって、プラズマ空間において水蒸気爆発が防止される。

また、本発明による粉体の製造方法は、原料液のミストを生成し、前記ミストを気流によって搬送し、前記気流を加熱することで前記ミストを乾燥して原料粉体を生成し、前記原料粉体を超高温のプラズマ空間で熱分解して融合させる方法とする。

この方法によれば、原料液のミストを搬送する気流を加熱してミストを乾燥するので、略球形の乾燥した原料粉体が得られ、乾燥した原料粉体を高温のプラズマ空間で熱変性させるので水蒸気爆発することなく、略球形の均一な粉体を生成できる。

また、本発明による粉体の製造方法において、前記原料液をモル比に換算してＬａ：Ｓｒ：Ｇａ：Ｍｇが８：２：８：２の水溶液にすれば、前記プラズマ空間でＬａＧａＯ_３系酸化物の粉体を生成することができる。

また、本発明による粉体の製造方法において、前記原料液をモル比に換算してＬｉ：Ｎｉ：Ｃｏ：Ｍｎが３：１：１：１の水溶液にすれば、前記プラズマ空間でＬｉ（Ｃｏ_１／３Ｎｉ_１／３Ｍｎ_１／３）Ｏ_２の粉体を生成することができる。

また、本発明による粉体の製造方法において、モル比に換算してＢａ：Ｔｉが１：１の酢酸またはクエン酸の水溶液にすれば、前記プラズマ空間でＢａＴｉＯ_３の粉体を生成することができる。

以上のように、本発明によれば、原料液のミストを乾燥してからプラズマ空間で熱変成させるので、ミストの粒子を破壊せずに乾燥、熱変性して球形の粉体を生成できる。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態の粉体製造装置１を示す。粉体製造装置１は、乾燥塔（乾燥装置）２、プラズマ加熱炉（プラズマ加熱装置）３およびバグフィルタ４を直列に接続し、排気ファン５で空気を引き抜くことで、乾燥塔２からプラズマ加熱炉３を経てバグフィルタ４を通過する気流を発生させるものである。

乾燥塔２は、直立筒状をしており、頂部にミスト発生手段であるスプレーノズル６が配置され、胴部を外側から加熱する電熱ヒータ７を有している。スプレーノズル６は、乾燥塔２内に原料液を噴霧して原料液のミスト（液滴）を生成することができる。また、電熱ヒータ７は、乾燥塔２内の気流を設定した温度に加熱するようにコントロールされる。

プラズマ加熱炉３は、直立筒状に形成され、乾燥塔２の直下に設置されており、胴部に複数のプラズマ電極８が配置されている。プラズマ電極８は、それぞれの間でプラズマ放電をすることによって、プラズマ加熱炉３内に２０００℃を超える超高温のプラズマ空間を形成する。

バグフィルタ４は、濾布９によってプラズマ加熱炉３の下部から流出する気流から粉体を分離する。

続いて、粉体製造装置１における粉体製造について説明する。
スプレーノズル６で生成された原料液のミストは、排気ファン５による気流に乗って乾燥塔２内を下方に搬送される。電気ヒータ７は、原料液のミストを搬送する気流の温度を１００℃から２００℃に加熱する。これによって、原料液のミストは、各液滴の形状を維持したまま水分が蒸発し、略球形の乾燥した微粒子からなる原料粉体になる。気流の温度が１００℃より低いと乾燥が不十分になるおそれがあり、２００℃を超えると水分が爆発的に気化して液滴を分裂させるおそれがある。

乾燥塔２内で乾燥された原料粉体は、気流に乗ってプラズマ加熱炉３内に搬送され、プラズマ電極８が形成する超高温のプラズマ空間に到達する。原料微粒子は、プラズマ空間において瞬間的に加熱され、熱分解して融合することで、目的の粉体に変性される。この工程においては、乾燥した原料粉体をさらに加熱するので、原料粉体に瞬間的に大きな熱を与えても水蒸気爆発によって粒子が破壊される心配がない。このため、原料粉体を破壊することなく変性して、略球形の微粒子からなる粉体を得ることができる。また、スプレーノズル６が生成したミストの液滴を分裂させることなくそのまま熱変性するので、得られる粉体の粒度のバラツキが小さくなる。

さらに、図２に、本発明の第２実施形態の粉体製造装置１’を示す。本実施形態において、前記第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。
粉体製造装置１’は、スプレーノズル６に換えて、ミスト発生手段として、ミストボックス１０と挿気ファン１１とが設けられている。

ミストボックス１０は、底部に超音波振動子１２を備える水槽であり、所定量の原料液を貯留するようになっている。超音波振動子１２によって振動させられた原料液からは、挿気ファン１１が送り込んだ気流中に微細な液滴が飛び出してミストを生成し、原料液のミストは、そのまま気流に乗って乾燥塔２内に搬送される。

本実施形態では、超音波振動によって液径数μｍの微細なミストを生成でき、形状が均一で微細な粉体を製造することができる。なお、第１実施形態においても、スプレーノズル６を超音波振動子を有する超音波スプレーノズルにすれば、数十μｍ以下の微細なミストを発生させることができる。

続いて、本発明の実施例を説明する。
実施例１として、第２実施形態の粉体製造装置１’により、燃料電池の固体電解質材料に用いられるＬａＧａＯ_３系酸化物（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．２Ｏ_３）を製造した。

原料として、硝酸ランタン、硝酸ストロンチウム、硝酸ガリウムおよび硝酸マグネシウムの各硝酸塩を用い、モル比に換算してＬａ：Ｓｒ：Ｇａ：Ｍｇが８：２：８：２になるように各硝酸塩を秤量し、各硝酸塩のモル比が等しくなるように秤量して０．１ｍｏｌ／ｄｍ^３の濃度になるように蒸留水に溶解したものを原料液とした。

ミストボックス１０において液滴径２〜３μｍのミストを発生させ、乾燥塔２において２００℃で乾燥し、プラズマ加熱炉３において７０００℃で熱分解して融合した。こうして得られたＬＳＣＭの粉体は、ＬａＳｒＧａ_３Ｏ_７およびＬａＳｒＧａＯ_４を含んでいたが、さらにこの粉体を１３００℃で１０時間２次焼成することで、純度の高いＬａＧａＯ_３系酸化物を得ることができた。

図３に、本実施例で得られた粉体粒子の電子顕微鏡写真を示す。本実施例では、平均粒子径が９３０ｎｍで幾何標準偏差が１．３６の粉体を得ることができた。図６に示す従来の製造方法によって得られた粉体と比較すると、本実施例の粉体は、粒子形状が均一な球形で、粒度の均一性も高いことが分かる。

さらに、実施例２として、第２実施形態の粉体製造装置１’により、リチウムイオン２次電池の正極材料に用いられるＬｉ（Ｃｏ_１／３Ｎｉ_１／３Ｍｎ_１／３）Ｏ_２を製造した。

原料として、硝酸リチウム、硝酸ニッケル、硝酸コバルトおよび硝酸マンガンの各硝酸塩を用い、モル比に換算してＬｉ：Ｎｉ：Ｃｏ：Ｍｎが３：１：１：１になるように各硝酸塩を秤量し、０．５ｍｏｌ／ｄｍ^３の濃度になるように蒸留水に溶解したものを原料液とした。

ミストボックス１０において液滴径２〜３μｍのミストを発生させ、乾燥塔２において２００℃で乾燥し、プラズマ加熱炉３において７０００℃で熱分解して融合した。

図４に、こうして得られた粉体粒子の電子顕微鏡写真を示す。本実施例では、平均粒子径が２０ｎｍで幾何標準偏差が１．２の微細で粒度のバラツキの少ない、形状の均一な粉体を得ることができた。

さらに、実施例３として、第２実施形態の粉体製造装置１’により、セラミック積層コンデンサなどの誘電体材料やＰＴＣＲサーミスタに用いられるＢａＴｉＯ_３を製造した。

原料として、酢酸バリウムおよびチタンテトライソプロピルモノマーを用い、モル比に換算してＢａ：Ｔｉが１：１になるように酢酸の水溶液に０．１ｍｏｌ／ｄｍ^３の濃度になるように溶解したものを原料液とした。

図５に、こうして得られた粉体粒子の電子顕微鏡写真を示す。本実施例では、平均粒子径が５０ｎｍで幾何標準偏差が１．２の微細で粒度のバラツキの少ない、形状の均一な粉体を得ることができた。

本実施例の酢酸バリウムに代えて塩化バリウムまたは硝酸バリウムを用いてもよく、酢酸に代えてクエン酸の水溶液を用いても、形状の均一なＢａＴｉＯ_３の微細な粉体が得られる。

本発明は、各実施例の粉体のみならず、多様な粉体、特にナノサイズの粉体を製造するのに適用できる。

本発明の第１実施形態の粉体製造装置の概略図。本発明の第２実施形態の粉体製造装置の概略図。図２の粉体製造装置で製造した粉体の実施例の拡大写真。図２の粉体製造装置で製造した粉体の異なる実施例の拡大写真。図２の粉体製造装置で製造した粉体のさらに異なる実施例の拡大写真。従来の方法で製造した粉体の拡大写真。

符号の説明

１，１’ 粉体製造装置
２乾燥塔（乾燥装置）
３プラズマ加熱炉（プラズマ加熱装置）
６スプレーノズル（ミスト発生手段）
７電熱ヒータ
８プラズマ電極（プラズマ発生手段）
１０ミストボックス（ミスト発生手段）
１２超音波振動子

Claims

原料液のミストを生成するミスト発生手段と、
前記ミストを乾燥させて原料粉体を生成する乾燥装置と、
超高温のプラズマ空間を形成するプラズマ発生手段を備え、前記プラズマ空間において前記原料粉体を熱分解して融合させるプラズマ加熱装置とを有することを特徴とする粉体製造装置。
前記乾燥装置の乾燥温度は、１００℃以上２００℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の粉体製造装置。
原料液のミストを生成し、
前記ミストを気流によって搬送し、
前記気流を加熱することで前記ミストを乾燥して原料粉体を生成し、
前記原料粉体を超高温のプラズマ空間で熱分解して融合させることを特徴とする粉体製造方法。
前記ミストを乾燥する際の前記気流の温度は、１００℃以上２００℃以下であることを特徴とする請求項３に記載の粉体製造方法。
前記原料液は、モル比に換算してＬａ：Ｓｒ：Ｇａ：Ｍｇが８：２：８：２の水溶液であり、前記プラズマ空間でＬａＧａＯ_３系酸化物の粉体を生成することを特徴とする請求項３または４に記載の粉体製造方法。
前記原料液は、モル比に換算してＬｉ：Ｎｉ：Ｃｏ：Ｍｎが３：１：１：１の水溶液であり、前記プラズマ空間でＬｉ（Ｃｏ_１／３Ｎｉ_１／３Ｍｎ_１／３）Ｏ_２の粉体を生成することを特徴とする請求項３または４に記載の粉体製造方法。
前記原料液は、モル比に換算してＢａ：Ｔｉが１：１の酢酸またはクエン酸の水溶液であり、前記プラズマ空間でＢａＴｉＯ_３の粉体を生成することを特徴とする請求項３または４に記載の粉体製造方法。