JP2007126755A - 炭素被覆金属粒子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐薬品性又は耐酸化性に優れた特殊な金属粒子（炭素被膜金属粒子）及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の特殊な金属粒子は、純粋な金属粒子の表面が炭素の被膜で覆われてなる炭素被覆金属粒子である。また、本発明の製造方法は、金属酸化物の粒子と熱可塑性樹脂の粒子との混合物を不活性ガス雰囲気中で加熱処理し、前記熱可塑性樹脂を液相炭素化することにより、金属酸化物の還元と熱可塑性樹脂の炭素化を同時に進行させて、炭素被覆金属粒子を得るものである。
【選択図】なし

Description

本発明は、過酷な化学的環境下でも金属材料本来の特性を安定して保持することができる、特に耐薬品性及び耐酸化性に優れた特殊な金属粒子及びその製造方法に関するものである。

金属材料は、一般に大気・水・化学薬品・高温気体・土壌などと直接触れ合う環境下では、その表面から徐々に電気化学的な腐食が始まり、特に化学薬品や酸化による腐食はその程度と進行が著しい。このような腐食が進行すると、当然の結果として金属材料本来の特性も損なわれていく。そこで、このような化学薬品による腐食や酸化が問題となるような環境下に配置される各種の機器や装置に対しては、耐薬品性や耐酸化性を付与するための手段が講じられる。

そのような手段としては、通常、耐薬品性又は耐酸化性に優れた金属やセラミック等の薄膜を基材たる金属材料（機械構造材）の表面に形成することが有効とされており、これまでにも種々の形成方法が提案され、実施されている。例えば、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、各種ＣＶＤ法、プラズマ法などが挙げられる。

しかし、各種の機器や装置はその形状、大きさ等がまちまちであり、特に複雑な形状の装置や大きな表面積を有する装置に対し、その表面に金属やセラミック等の薄膜を均一に形成することは非常に困難である。しかも、上記の形成方法を実施するためには、大規模な形成装置を必要とし、さらに形成速度に限界があるため、生産性が非常に悪く、結局、耐薬品性又は耐酸化性付与のためのコストが非常に高くなるという問題もある。

そこで、こうした事情から機械構造用部材とする前の金属粒子の段階で、その表面に薄膜を形成して金属粒子そのものが耐薬品性や耐酸化性を帯びたものとすることができれば上記諸問題の解決に役立つはずとの見地から、金属粒子の表面に異質な材料（耐環境特性に優れた材料）の薄膜を形成し、このような耐環境特性材料を被覆した金属粒子を機械構造材（二次加工品）の原料として利用するという着想（技術的思想）自体は、存在していた。

しかし、その着想を具体化した手段（実用的手段）は、これまで全く存在せず、従って表面に耐環境性材料の薄膜を形成した実用可能な金属粒子も未だ出現していない。これは、金属粒子の場合、その表面が活性状態にあるため取り扱いが非常に難しく、その表面に薄膜を均一に形成することが極めて困難であったことによるものと考えられる。本発明者らは、ここに初めてその具体化した手段（実用的手段）を開示するものであるが、従来の着想（外部から物理的な作用で金属粒子の表面に薄膜を形成する思想）とは全く異なる発想に基づいて完成したものである。

即ち、本発明の目的とするところは、耐薬品性や耐酸化性に優れた特殊な金属粒子を提供すること、及びその特殊な金属粒子を簡単に効率良く得ることができる製造方法を提供する点にある。

上記目的を達成し得た本発明の一つは、金属粒子の表面が炭素の被膜で覆われてなる炭素被覆金属粒子である。また他の発明は、この炭素被覆金属粒子の製造方法の発明であり、金属酸化物の粒子と熱可塑性樹脂の粒子との混合物を不活性ガス雰囲気中で加熱処理し、前記熱可塑性樹脂を液相炭素化することを基本的特徴とする。

本発明者らは、かねてより炭素材や炭素複合材等の物性改良技術の研究を進めており、特に炭素−金属複合材の開発研究の一環として本発明者らも、上述した従来の着想を具体化する手段を見い出すべく種々実験を行ってきたが、満足のいく炭素被覆金属粒子は得られなかった。その主因が、活性状態の金属粒子を扱ったことにあると判断されたことから、化学的に安定な金属酸化物としての粒子を扱うこととし、この金属酸化物を還元して金属粒子に形態変化させると同時に、この形態変化した金属粒子の表面を炭素の被膜で覆うことができるような技術の開発を目指しさらに実験研究を行った。

その結果、金属酸化物の粒子を熱可塑性樹脂でコートし加熱処理すると、金属酸化物の還元と熱可塑性樹脂の炭素化が同時に進行して、表面が炭素被膜で覆われた金属粒子が簡単に得られることを見い出し、本発明を完成したものである。

本発明の一つは、純粋な金属粒子の表面を炭素被膜で均一に覆った特殊な金属粒子であるので、その金属本来の特性（例えば、常磁性、電気伝導性など）を安定して保持しつつ、耐薬品性能及び耐酸化性能を備えた金属粒子とすることができる。従って、この炭素被覆金属粒子を使用すると、化学薬品による腐食や酸化が問題となる環境下に配置される各種の形状、大きさの機器、装置等の表面保護構造（部材）を自在かつ簡単に装備することも可能となる。

また、本発明の製造方法は、従来の着想（外部から物理的な作用で金属粒子の表面に薄膜を形成する思想）とは全く異なる発想、つまり金属酸化物の還元と熱可塑性樹脂の炭素化という化学的な作用を同時に進行させることにより、純粋な金属粒子の表面を炭素被膜で均一に覆う方法であるため、従来のように大規模な薄膜形成装置を必要とせず、既設の焼成装置を利用し操作条件を制御することで容易に製造することができ、本発明の特殊金属粒子を非常に簡単に効率良く、従って安価に得ることができる。

また、上記の熱可塑性樹脂としてポリビニルクロライドを使用すると、金属粒子を覆う炭素被膜として膜厚がより均一で表面がより一層滑らかなものが得られるので、その分耐薬品性能や耐酸化性能の向上を期待することができる。さらに、熱処理時に流す不活性ガスとして汎用性のあるアルゴンガスを使用すれば、製造コストの低減化に貢献することができる。

本発明において金属酸化物としては、Ｆｅ_３ Ｏ_４ 、Ｆｅ_２ Ｏ_３ 、ＣｏＯ、Ｃｏ_３ Ｏ_４ 、ＮｉＯ、Ｃｕ_２ Ｏ、ＣｕＯなどが代表的に挙げられる。また金属酸化物の粒子の大きさとしては、特に制限はないが、汎用性を考慮すると、１０〜１００μｍの平均粒径のものが望ましい。

一方、熱可塑性樹脂についても、特に制限はないが、金属酸化物粒子をコートしたときのコート膜にムラが生じにくいという利点を考慮すると、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）が望ましい。また、熱可塑性樹脂の粒子の大きさであるが、目的とする炭素被覆金属粒子の炭素被覆層の厚みとしては、この炭素被覆層が緻密ゆえに５μｍ程度もあれば耐薬品性等の性能を十分発揮しうるので、この５μｍ程度の厚みの被覆層をほぼ均一にかつ確実に形成するために必要十分な粒子の大きさであればよい。例えば、金属酸化物の粒子が１０〜１００μｍ程度のものである場合は、１００〜２００μｍ程度のものが望ましい。

金属酸化物粒子に対する熱可塑性樹脂粒子の混合割合は、２０〜８０重量％程度が望ましい。２０重量％未満であると、樹脂が金属酸化物粒子全体に十分には行き渡らず、均質な被覆層が得られないからであり、一方、８０重量％を超えると、金属酸化物粒子に対して膜厚が大きくなりすぎて、被膜自体に内部応力が発生しやすくなるからである。

上記の条件を満足するように得られた、金属酸化物粒子と熱可塑性樹脂との混合物を不活性ガス雰囲気内に配置した後、昇温速度５０〜５００℃／ｈｒで加熱し、８００〜１５００℃に達した後、一定時間保持する。いわゆる焼成操作を施すわけであるが、この焼成操作が終了するまでの間に金属酸化物は還元されて金属粒子となり、同時に熱可塑性樹脂は液相炭素化が進み、最終的に還元された金属粒子の表面が３〜２０μｍ程度の炭素の被膜で覆われた状態となる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
（実施例）
プラスチック製容器にＦｅ_３ Ｏ_４ の粒子（平均粒径は約５０μｍ）を５０ｇ入れ、さらにＰＶＣの粉末（平均粒径は１００〜２００μｍ）を４３重量％を入れた後容器を閉じて、１０分間、機械的に揺動して両者を均一に混合した。次に、混合粉体を電気炉内に設置し、炉内にアルゴンガスを流しつつ、５００℃／ｈｒの割合で炉内を昇温し、１０００℃に達した後、１時間保持して熱処理を行った。

被熱処理粉体の周囲は、約１０μｍの厚みの炭素で均一に覆われているにもかかわらず、粉体はすべて磁性体であり、又いくつか粉体をサンプルとしてそのＸ線回折により粉体内の金属粒子の成分分析を行った。その結果を示したものが、図１（Ｘ線回折図）の中段部のピーク図（図中「実施例」で明示）である。これによれば、粉体の内部の金属粒子はすべてα−Ｆｅであることから、金属酸化物（Ｆｅ_３ Ｏ_４ ）が十分還元され、純粋な金属粒子（α−Ｆｅ）、つまり活性のある金属粒子になっていることが分かる。

（比較例）
原料としてＦｅ_３ Ｏ_４ の粒子（平均粒径は約５０μｍ）だけを使用すること以外、上記の実施例と同様の熱処理操作を施し、被熱処理粉体について、実施例と同様にＸ線回折により被熱処理粉体の成分分析を行った。その結果を示したものが、図１（Ｘ線回折図）の下段部のピーク図（図中「比較例」で明示）である。
この図から明らかなように、Ｆｅ_３ Ｏ_４ 粒子を単独で熱処理しただけでは、Ｆｅ_３ Ｏ_４ が一部還元されてα−Ｆｅ_２ Ｏ_３ が形成されるにすぎないことが分かる。なお、図１の上段部のピーク図は、Ｆｅ_３ Ｏ_４ 粒子（常温）のＸ線回折ピーク図である。

実施例及び比較例で使用した金属酸化物（Ｆｅ_３ Ｏ_４ ）についてのＸ線回折図であり、未処理の金属酸化物、本発明方法に従って得られた炭素被覆金属粒子、金属酸化物だけを熱処理して得られた金属酸化物のそれぞれについてのＸ線回折ピークを、上段、中段、下段に示した図である。

Claims (4)

1. 純粋な金属粒子の表面が厚さ３〜２０μｍの炭素の被膜で覆われてなることを特徴とする炭素被覆金属粒子。
2. 金属酸化物の粒子と熱可塑性樹脂の粒子との混合物を不活性ガス雰囲気中で加熱処理し、前記熱可塑性樹脂を液相炭素化することを特徴とする純粋な金属粒子の表面が厚さ３〜２０μｍの炭素の被膜で覆われてなる炭素被覆金属粒子の製造方法。
3. 前記熱可塑性樹脂がポリビニルクロライドである請求項２に記載の炭素被覆金属粒子の製造方法。
4. 前記不活性ガスがアルゴンガスである請求項２又は３に記載の炭素被覆金属粒子の製造方法。

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