JP7145773B2 - 被覆粒子 - Google Patents
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Description
無機酸化物を形成しうる無機物を少なくとも表面に含む無機粒子と、前記無機粒子を被覆する被覆層とを含み、
前記無機粒子の単位表面積あたりの前記無機酸化物の量が0.150mg/m2を超えない、被覆粒子。
本発明の一形態は、無機酸化物を形成しうる無機物を少なくとも表面に含む無機粒子と、前記無機粒子を被覆する被覆層とを含み、前記無機粒子の単位表面積あたりの前記無機酸化物の量が0.150mg/m2を超えない、被覆粒子に関する。
本発明の一形態に係る被覆粒子は、無機酸化物を形成しうる無機物を少なくとも表面に含む無機粒子(本明細書において、単に「無機粒子」とも称する)を含む。
分散媒中での無機粗粉の粉砕工程では、まず、無機粒子の目的とする平均一次粒子径よりも大きな平均一次粒子径を有する無機粒子(本明細書において、無機粗粉とも称する)を準備する。次いで、当該無機粗粉と分散媒とを、粉砕装置に投入し、目的とする平均一次粒子径を有する無機粒子の回収が可能な粉砕条件で粉砕を行う。
本発明の一形態に係る被覆粒子は、無機粒子を被覆する被覆層を含む。本願明細書では、被覆層には、無機粒子が酸化されることによって形成されうる酸化層は含まれないものとする。被覆層は、その構成材料の種類に応じて、被覆粒子に対して種々の機能を付与することができる。
本発明の一形態に係る被覆粒子の製造方法は、特に制限されないが、以下の無機粒子の準備工程、及び被覆層の形成工程を含むことが好ましい。
前述のように、本発明の一形態に係る被覆粒子において、無機粒子の単位表面積あたりの無機酸化物の量は、0.150mg/m2を超えない。これより、本発明の一形態に係る被覆粒子の製造方法としては、例えば、単位表面積あたりの無機酸化物の量が0.150mg/m2を超えない無機粒子を準備した後、当該無機粒子を後述する被覆層の形成工程にて被覆する方法等が挙げられる。
無機粒子の被覆方法は、特に制限されず、公知の方法を使用することができる。
被覆方法1は、SiC粒子、アルカリおよび水を含み、pHが9以上12以下である原料分散液(1)と、アルミン酸ナトリウムおよび水を含む原料溶液(2)と、をそれぞれ準備する工程(A)を有する。
被覆方法1は、工程(A)で準備された原料分散液(1)に、原料溶液(2)と、酸とを添加して、pHを9以上12以下の範囲に維持し、前記SiC粒子の表面に水酸化アルミニウムを含む被覆層を有する被覆粒子を形成する工程(B)を有する。本工程(B)では、水酸化アルミニウム被覆SiC粒子が製造される。
上記の被覆方法1では、工程(A)および工程(B)以外のその他の工程をさらに有していてもよく、工程(A)および工程(B)において、他の操作に係る段階をさらに有していてもよい。
本発明の一形態に係る被覆粒子の製造方法は、上記で説明した無機粒子の準備工程および被覆層形成工程以外にも、他の工程をさらに有していてもよい。
本発明の好ましい一形態に係る被覆粒子の製造方法としては、
SiC粒子に対して酸化層除去処理をして、単位表面積あたりのSiO2の量が0.150mg/m2を超えない、SiC粒子とする酸化層除去工程と、
酸化層除去処理後のSiC粒子、アルミン酸ナトリウムおよび水を含む分散液のpHを9以上12以下の範囲として、SiC粒子の表面に水酸化アルミニウムを含む被覆層を有する被覆粒子を形成する被覆層形成工程と、
を有する方法が挙げられる。当該方法によれば、より高い分散性を有し、より低い焼成温度等のより容易な条件で良好な特性を発揮する焼成体が得られる被覆粒子を製造することができる。ここで、酸化層除去工程および被覆層形成工程の好ましい態様は、それぞれ前述したとおりである。
本発明の他の一形態は、上記の被覆粒子と、分散媒とを含む、分散液に関する。当該分散液は、例えば、良好な特性を有する未焼成成形体、焼結体の原料分散液として好ましく用いられうる。また、高い研磨特性を有する研磨用組成物として好ましく用いられうる。ただし、当該分散液の用途はこれらに限定されるものではない。
本発明の一形態に係る分散液は、分散媒を含む。分散媒は、水を含むことが好ましく、水のみであることがより好ましい。水は、不純物をできる限り含有しない水が好ましい。例えば、遷移金属イオンの合計含有量が100ppb以下である水が好ましい。ここで、水の純度は、例えば、イオン交換樹脂を用いる不純物イオンの除去、フィルタによる異物の除去、蒸留等の操作によって高めることができる。具体的には、水としては、例えば、脱イオン水(イオン交換水)、純水、超純水、蒸留水などを用いることが好ましい。また、分散媒は、水以外の溶剤を含んでいてもよく、水以外の溶剤は有機溶剤であることが好ましい。有機溶媒としては、例えば、アセトン、アセトニトリル、エタノール、メタノール、イソプロパノール、グリセリン、エチレングリコール、プロピレングリコール等の水と混和する有機溶が挙げられる。分散媒は、水と有機溶媒との混合溶媒であってもよい。これら有機溶媒は、単独でもまたは2種以上組み合わせても用いられうる。
本発明の一形態に係る分散液は、本発明の効果を損なわない限り、他の成分を含んでいてもよい。他の成分は、特に制限されないが、樹脂、他の粒子またはpH調整剤であることが特に好ましい。樹脂としては、特に制限されず、公知の樹脂を使用することができる。他の粒子としては、特に制限されず、公知の有機粒子または無機粒子を使用することができる。また、pH調整剤としては、特に制限されず、所望のpHを達成することができる公知のpH調整剤が適宜用いられうる。pH調整剤としては、例えば、上記の被覆粒子の製造方法における被覆層形成工程の説明において、被覆段階のpHの制御に用いられるpH調整剤として挙げたものが用いられうる。
被覆粒子の製造方法において、被覆処理の結果、被覆粒子および分散媒を含む分散液が得られる場合、当該方法をそのまま本発明の一形態に係る分散液の製造方法としてもよい。また、当該方法により被覆処理の結果得られる分散液の分散媒を、他の分散媒へと置換することによって目的の分散液を製造してもよい。例えば、製造される分散液から公知の手順、方法を用いて分散媒や不純物等を除去して被覆粒子を取り出した後、所望の分散媒に、被覆粒子を分散させてもよい。分散媒に、被覆粒子を分散させる手順、方法としては、特に制限されず、公知の手順、方法が用いられうる。なお、これらの方法により製造される分散液に、必要に応じて他の成分を添加して目的の分散液を製造してもよい。
本発明のその他の一形態は、上記の被覆粒子を含む組成物からなる成形体に関する。上記の被覆粒子は、良好な特性を有する成形体を形成することができる。また、当該成形体は、良好な特性を有する焼結体の原料として好ましく用いられうる。なお、本明細書において、「成形体」とは、一定の形体を有しうるものであればよく、例えば、上記被覆粒子を樹脂内に分散させてなる分散体も成形体に含まれるものとする。
本発明のさらなる他の一形態は、上記の被覆粒子、または上記の成形体の焼結体に関する。上記の被覆粒子は、焼成時に被覆層および無機粒子の構成が変化し、当該被覆粒子同士が接触する際にも、無機粒子を本来構成する無機物同士接触が妨げられることが少ない。これより、無機粒子の粒成長が促進され、結晶粒子径をより大きく、結晶粒界をより少なくすることができ、より低い焼成温度等のより容易な条件で良好な特性を発揮する焼成体を形成することができる。
(SiC粒子の準備)
[SiC粒子A]
平均一次粒子径0.7μmのSiC粗粉と純水とを、SiC粗粉と水との総質量に対して、SiC粗紛の投入量が18質量%となるようボールミル中に投入し、目的とする平均一次粒子径を有するSiC粒子の回収が可能な粉砕条件で粉砕を行った。次いで、乾燥工程を挟まずに、粉砕後のSiC粒子の水分散液を、ボールミル中から分級塔と呼ばれる円錐型の分級を行う設備へと投入し、粒子の沈降時間の差を利用して、目的の粒度部分のSiC粒子(平均一次粒子径0.30μm)の水分散液部分のみを回収した。そして、回収後のSiC粒子の水分散液をビーカー中で静置し、SiC粒子が完全に沈降した後、上澄み部分の水を、水分散液中のSiC粒子の濃度が20質量%となるように回収することで、SiC粒子の20質量%水分散液1(アルカリ処理前)を準備した。
上記SiC粒子Aの準備と同様にして、SiC粒子の20質量%水分散液2(アルカリ処理後)を得た後、大気中にて、215℃で34時間加熱することで乾燥処理を行い、分散媒である水を除去して、SiC粒子Bを得た。
上記SiC粒子Aの準備と同様にして、SiC粒子の20質量%水分散液1(アルカリ処理前)を得た後、大気中にて、215℃で34時間加熱することで乾燥処理を行い、分散媒である水を除去して、SiC粒子Cを得た。
上記得られたSiC粒子Aの20質量%水分散液2、ならびにSiC粒子BおよびSiC粒子Cについて、前処理として105℃の恒温槽で12時間乾燥して、各SiC粒子を得た。その後、SiC粒子を乳鉢で擂り潰し、あらかじめ重量を測定したセル(Wa’(g))にSiC粒子を約0.2g入れて重量を測定した(Wb’(g))後、5分以上、比表面積測定計(株式会社島津製作所製、FlowSorb II)の加温部で180℃に保温した。その後、測定部に装着し、脱気時の吸着面積(A[m2])を計測した。当該A値を用いて、下記式により、比表面積SA[m2/g]を求めた。各SiC粒子のBET比表面積は32.3m2/gであった。
Aは、脱気時の吸着面積(m2)を表し;
Wa’は、セルの重量(g)を表し;
Wb’は、試料(SiC粒子)およびセルの合計重量(g)を表す。
[被覆粒子1]
上記得られたSiC粒子Aの20質量%水分散液2に対して、1M NaOH水溶液をpH10.0となるように添加した。また、アルミン酸ナトリウムの30質量%水分散液を調製した。次いで、前記得られたpH10.0のSiC粒子Aの水分散液に対して、SiC粒子A 100質量部に対するアルミン酸ナトリウムが25質量部となる量の前記得られたアルミン酸ナトリウムの30質量%水分散液と、9.9質量%塩酸水溶液とを、pHが9.0以上12.0以下の範囲が保持されるよう、撹拌しながら45分間かけて添加した。続いて、得られた分散液をさらに45分撹拌した後、pH10.5となるよう9.9質量%塩酸水溶液を添加し、その後、pH3.0となるよう9.9質量%塩酸をさらに添加することで、被覆粒子1を含む分散液を調製した。
上記得られたSiC粒子Bを分散媒である水に添加して、SiC粒子Bの20質量%水分散液を調整した後、当該分散液に対して、1M NaOH水溶液をpH10.0となるよう添加した。また、アルミン酸ナトリウムの30質量%水分散液を準備した。次いで、前記得られたpH10.0のSiC粒子Bの水分散液に対して、SiC粒子B 100質量部に対するアルミン酸ナトリウムが25質量部となる量の前記得られたアルミン酸ナトリウムの30質量%水分散液と、9.9質量%塩酸水溶液とを、pHが9.0以上12.0以下の範囲が保持されるよう、撹拌しながら45分間かけて添加した。続いて、得られた分散液をさらに45分撹拌した後、pH10.5となるよう9.9質量%塩酸水溶液を添加し、その後、pH3.0となるよう9.9質量%塩酸をさらに添加することで、被覆粒子2を含む分散液を調製した。
(被覆粒子の組成および構造分析)
上記得られた被覆粒子1を含む分散液および被覆粒子2を含む分散液をそれぞれ約2mL採取し、フィルタ(ニュークリポア 5μm)(WHATMAN製)上に滴下した。続いて、吸引濾過を行い、その後、純水10mLを用いてフィルタ上で各被覆粒子を洗浄し、乾燥させることで、各被覆粒子の乾燥粉末(乾燥された被覆粒子粉体)を得た。そして、これらの乾燥粉末をSiウエーハ上に採取して、株式会社日立ハイテクノロジーズ製、走査型電子顕微鏡(SEM) SU8000を用いて、SEM(Scanning Electron Microscope)-EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)観察を行った。
上記SiC粒子の準備で得られた、SiC粒子Aの20質量%水分散液2、ならびに上記被覆粒子の製造で得られた、被覆粒子1を含む分散液および被覆粒子2を含む分散液を純水で希釈し、pH調整剤として0.01M以上0.1M以下のNaOHおよびHClを用いて、pH4.5である各ゼータ電位測定液(各粒子粉体の水分散液)を調製した。
◎:ゼータ電位の絶対値が30mV以上である;
○:ゼータ電位の絶対値が20mV以上30mV未満である;
△:ゼータ電位の絶対値が20mV未満である。
上記SiC粒子の準備で得られた、SiC粒子Aの20質量%水分散液2、ならびに上記被覆粒子の製造で得られた、被覆粒子1を含む分散液および被覆粒子2を含む分散液を純水で希釈し、各粒子の12質量%水分散液である各粘度測定液を調製した。
◎:粘度が35mPa・s未満である;
○:粘度が35mPa・s以上40mPa・s未満である;
△:粘度が40mPa・s以上である。
[焼結体の製造]
上記SiC粒子の準備で得られた、SiC粒子Aの20質量%水分散液2、ならびに上記被覆粒子の製造で得られた、被覆粒子1を含む分散液および被覆粒子2を含む分散液を準備した。
得られたSiC焼結体を切断・ラップ研磨した後、煮沸した村上試薬(KOH:K3Fe(CN)6:H2O=1:1:2(質量比))中に所定時間浸漬させてエッチングした。続いて、株式会社日立ハイテクノロジーズ製の走査型電子顕微鏡(SEM) SU8000を用いて撮影を行い、SiC焼結体の破断面(切断面)を観察した。また、撮影した画像について、株式会社マウンテック製の画像解析式粒度分布ソフトウェア MacViewを用いて、粒子100個の体積平均粒子径を算出し、SiC焼結体の平均結晶粒子径(μm)の値とした。
Claims (10)
- SiC粒子に対して酸化層除去処理をして、単位表面積あたりのSiO 2 の量が0.150mg/m 2 を超えない、SiC粒子とする酸化層除去工程と、
前記酸化層除去処理後のSiC粒子、アルミン酸ナトリウムおよび水を含む分散液のpHを9以上12以下の範囲として、前記酸化層除去処理後のSiC粒子の表面に水酸化アルミニウムを含む被覆層を有する被覆粒子を形成する被覆層形成工程と、
を有し、
前記被覆層形成工程における被覆方法は、下記の被覆方法1または下記の被覆方法2であり、
前記酸化層除去処理後のSiC粒子と、前記酸化層除去処理後のSiC粒子を被覆する被覆層とを含み、
前記被覆層は、水酸化アルミニウムを含み、かつ、
前記酸化層除去処理後のSiC粒子の単位表面積あたりのSiO 2 の量が0.150mg/m2を超えない、被覆粒子の製造方法:
被覆方法1:前記酸化層除去処理後のSiC粒子、アルカリおよび水を含み、pHが9以上12以下である原料分散液(1)と、アルミン酸ナトリウムおよび水を含む原料溶液(2)と、をそれぞれ準備する工程(A)と、前記原料分散液(1)に、前記原料溶液(2)と、酸とを添加して、pHを9以上12以下の範囲に維持し、前記酸化層除去処理後のSiC粒子の表面に水酸化アルミニウムを含む被覆層を有する被覆粒子を形成する工程(B)と、を有する方法;
被覆方法2:前記酸化層除去処理後のSiC粒子、アルミン酸ナトリウムおよび水を含む原料分散液(3)を準備する工程(C)と、前記工程(C)で準備された原料分散液に酸を添加して、pHを10以上12以下の範囲とすることにより、前記酸化層除去処理後のSiC粒子の表面に水酸化アルミニウムを含む被覆層を有する被覆粒子を形成する工程(D)と、を有する方法。 - 前記被覆方法1において、前記アルカリは、アンモニア、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウム、炭酸水素カリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸ナトリウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、水酸化テトラブチルアンモニウム、メチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、エチレンジアミン、モノエタノールアミン、N-(β-アミノエチル)エタノールアミン、ヘキサメチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、無水ピペラジン、ピペラジン六水和物、1-(2-アミノエチル)ピペラジン、N-メチルピペラジン、グアニジン、イミダゾール、トリアゾールからなる群より選択される少なくとも1種である、請求項1に記載の被覆粒子の製造方法。
- 前記酸化層除去処理において前記SiC粒子の酸化層除去が開始されてから、前記被覆層形成工程において前記被覆粒子が形成されるまで、前記SiC粒子、前記酸化層除去後のSiC粒子および前記被覆粒子が分散媒中に分散された状態を維持する、請求項1または2に記載の被覆粒子の製造方法。
- 前記酸化層除去処理は、フッ化水素酸を含む溶液による処理、アルカリ性の溶液による処理、Na 2 SO 4 の加熱水溶液による処理、またはNa 2 SO 3 水溶液による処理である、請求項1~3のいずれか1項に記載の被覆粒子の製造方法。
- 前記アルカリ性の溶液による処理は、前記SiC粒子の水系分散液に水酸化ナトリウムを添加して、pH12.5以上で浸漬時間72時間以上、常温にて経過させる処理である、請求項4に記載の被覆粒子の製造方法。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の被覆粒子の製造方法における被覆処理の結果、前記被覆粒子と、分散媒とを含む、分散液を得ることを含む、分散液の製造方法。
- 前記分散媒を、他の分散媒へと置換することを含む、請求項6に記載の分散液の製造方法。
- 他の成分をさらに添加することを含む、請求項6または7に記載の分散液の製造方法。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の被覆粒子の製造方法によって前記被覆粒子を製造することと、下記(i)、(ii)または(iii)とを含む、前記被覆粒子を含む組成物からなる、成形体の製造方法:
(i)前記被覆粒子と、樹脂と、分散媒とを含む分散液の塗布すること、
(ii)前記被覆粒子と、熱可塑性樹脂とを混合し、焼成温度以下で熔融して得られる樹脂組成物の溶融物を冷却すること、
(iii)前記被覆粒子と、熱硬化性樹脂とを混合した後、加熱して熱硬化性樹脂の重合・硬化反応を進行させること。 - 請求項1~5のいずれか1項に記載の被覆粒子の製造方法によって前記被覆粒子を製造すること、または請求項9に記載の成形体の製造方法によって、前記成形体を製造することと、
前記被覆粒子または前記成形体を焼成することを含む、焼結体の製造方法。
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