JP2019518709A - 中空マイクロガラスビーズを製造するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、中空マイクロガラスビーズ（３．４）を溶融ガラス（３）から製造するための方法および装置に関し、中空マイクロガラスビーズ（３．４）は、ガラスフィラメント形成を回避しながら、連続操作プロセスで０．０１ｍｍから０．１ｍｍの直径範囲で製造される。溶融装置（１）から出てくる溶融ガラスストランド（３．１）は、高温ガス（１４）によって噴霧化され、ガラス粒子（３．２）が形成される。続いて、球形化／膨張ダクト（６）を通過する間、ガラス粒子（３．２）は丸められ、中実マイクロガラスビーズ（３．３）が形成され、膨張させられ、中空マイクロガラスビーズ（３．４）が形成される。中空マイクロガラスビーズ（３．４）は、軽量建築材料用の充填剤として、またはコーティング、塗料、および石膏／下塗りの成分として、有利に使用されることが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、０．０１ｍｍから０．１ｍｍの直径範囲の中空マイクロガラスビーズを溶融ガラスから製造するための方法および装置に関し、このビーズは、とりわけ軽量建築材料用の充填剤として、またはコーティング、塗料、および石膏／下塗り剤の成分として使用することが可能である。

０．０１５ｍｍまでの直径範囲の中実マイクロガラスビーズの製造は、特許文献１または特許文献２から知られており、それらによれば切断ホイールによって溶融ガラス粒子が分散される。

中空ガラスビーズを製造するための同等の方法は、特許文献３に記載されている。この技術を用いて０．０１ｍｍから０．１２ｍｍの直径を有する中空マイクロガラスビーズを製造できるようにするために、非常に早い切断ホイール速度が必要であり、切断ホイールの取り付け（不均一な運転）および冷却（風の形成）において技術的限界に遭遇する。その結果、必要とされる直径範囲の中空マイクロガラスビーズは、この方法では製造され得ない。

特許文献４は、０．０４０ｍｍから０．０８０ｍｍの直径範囲の中実マイクロガラスビーズを、溶融した高屈折率ガラスから製造するための方法を記載している。約４ｍｍから６ｍｍ径のガラスストランドの形態の溶融ガラスは、白金溶融容器から得られ、１００ｍｓ^−１から３００ｍｓ^−１の速度および３００ｋＰａから７００ｋＰａの圧力を有する圧縮空気の冷ジェットを使用して噴霧化され、ガラス粒子が形成される。ソーダ石灰ガラスの噴霧化の間、必要とされるガラス粒子の代わりにガラスフィラメントが製造されることは不都合である。

特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１、および特許文献１２は、製造予定の中実マイクロガラスビーズのサイズまで、カレット（ガラス屑）がどのように粉砕され、篩にかけられ、選別されるかを記載している。材料は、温度場に送られ、その温度場において、表面張力のため、個々のガラス粒子が加熱領域を通過する間に球形になる。しかしながら、時間のかかる破片の粉砕の間、粉砕媒体およびミルは、かなりの摩耗に曝される。また、この方法では、ガラスビーズのサイズを制御することができない。

特許文献１３は、細かく粉砕されたソーダ石灰ガラスおよび／またはホウケイ酸ガラスから、（たとえば高炉内で）熱伝達プロセスによって中空ガラスビーズを製造するための方法を開示している。ガラス粒子の粘度を低下させた結果として、この方法による温度上昇は、表面張力によるガラスビーズの製造をもたらす。さらに、高温は、添加された推進剤のガス放出を生じる。その結果、小さな中実ビーズが成長して、より大きな中空ビーズを形成する。不利な点は、ガラスの高額な破砕、および中空ビーズサイズの不完全な制御であり、そのためその後の分級が必要である。

特許文献１４によれば、ストランドとしてノズルから流出する溶融ガラスは、断続的に作用する熱風ジェットによって、その後の自由落下の間に球形となるガラス粒子に分散される。断続的な熱風ジェットは、穿孔された回転ディスクによって作り出される。この方法では、比較的大きなビーズのみが製造可能である。

ガラスビーズ製造のためのさらなる方法は、特許文献１５、特許文献１６、特許文献１７、特許文献１８、特許文献１９、特許文献２０、および特許文献２１に記載されている。その中で言及されている方法では、たとえばガラスフィラメント形成、低生産性、複雑な噴霧化システム、マイクロガラスビーズの直径の大きなばらつきなどの根本的な問題および不都合は、防止されない。マイクロガラスビーズはその後、極端に費用がかかる追加の技術的方法ステップによって、繊維を除去されなければならない。液体媒体が使用されるときは、追加でマイクロガラスビーズの乾燥が必要である。

ＤＥ１０２００８０２５７６７Ａ１ ＤＥ１９７２１５７１Ａ１ ＷＯ２０１５／１１０６２１Ａ１ ＤＤ２６１５９２Ａ１ ＵＳ２３３４５７８Ａ ＵＳ２６００９３６Ａ ＵＳ２７３０８４１Ａ ＵＳ２９４７１１５Ａ ＵＳ３１９０７３７Ａ ＵＳ３３６１５４９Ａ ＤＥ１０１９８０６Ａ ＤＥ１２８５１０７Ａ ＤＥ１０２００７００２９０４Ａ１ ＡＴ１７５６７２Ｂ ＵＳ２９６５９２１Ａ ＵＳ３１５０９４７Ａ ＵＳ３２９４５１１Ａ ＵＳ３０７４２５７Ａ ＵＳ３１３３８０５Ａ ＡＴ２４５１８１Ｂ ＦＲ１４１７４１４Ａ

本発明の目的は、ガラスフィラメントの形成を回避しながら、０．０１ｍｍから０．１ｍｍの直径範囲の中空マイクロガラスビーズを連続操作プロセスで溶融ガラスから直接製造することを可能にする、中空マイクロガラスビーズを製造するための方法および装置を提供することである。この方法に従って製造された中空ビーズの直径の分散範囲は、現在知られている方法と比較して小さい。

本発明によれば、中空マイクロガラスビーズの製造では、高温ガスによる溶融ガラスストランドの噴霧化によってガラス粒子が製造され、噴霧化に続く加熱された球形化／膨張ダクトの通過の間、中実マイクロガラスビーズは丸められ、続いて膨張させられ、中空マイクロガラスビーズが形成される。

溶融装置、たとえば白金タンクまたは従来の溶融タンク内で、ガラスは所定の組成で溶融され、１１００℃から１５００℃の範囲で気体である少なくとも１種の物質が、溶解形態でガラス溶融物に含有される。

溶融装置の底部領域には、排出開口が配置されており、その排出開口を通ってガラス溶融物が１つ以上のガラスストランドの形態で出て行く。

円錐状貫通開口として形成された複数のノズルを有するノズルプレートは好ましくは、排出開口上に、または排出開口内に配置され、互いに離隔した複数のガラスストランドが、溶融装置からのガラス溶融物の出口で製造される。ノズルプレートは、好ましくは直接電気加熱される。

高圧高温ガスノズル、たとえば天然ガス／酸素高圧バーナから流出する高温ガスによって、１つ以上の溶融ガラスストランドは、溶融装置から出た後、噴霧化されて、ガラス粒子が形成され、製造されたガラス粒子は多少不規則な構成を有する。高温ガス流は好ましくは、１つ以上のガラスストランドに対して直角に配向される。

その後、流通する高温ガスのため、ガラス粒子は、流れ方向に配向されたすぐ隣の球形化／膨張ダクト内に直接吹き込まれる。球形化／膨張ダクトを通過する間、中実マイクロガラスビーズを製造するためのガラス粒子の球形化（球状成形）が起こり、すなわち加熱中に、ガラス粒子は球形になるか、または表面張力の結果としてビーズに変形される。

さらなる通過の過程で、球形化／膨張ダクト内の適切な温度制御により、溶解したガス状物質の脱ガスの結果として、中実マイクロガラスビーズから中空マイクロガラスビーズへの膨張（拡張）が起こる。

球形化／膨張ダクトは、高温ガスによって通常は１１００℃から１５００℃の温度範囲で、場合によりさらなる加熱システムによって稼働される。

中空マイクロガラスビーズは、球形化／膨張ダクトから出た後、冷却空気によって冷却され、固体形態で回収される。

本発明の利点の１つは、高圧高温ガスノズルから１つ以上のガラスストランドに向けて流出する高温ガスの高いガス速度および高いガス温度のため、ガラスフィラメントの形成が回避されることである。

一定の条件、すなわちガス温度、ガス速度、およびプロセス温度を順守することで、０．０２ｍｍから０．０５ｍｍの直径範囲の中空マイクロガラスビーズのサイズの小さい分散範囲が保証される。中空マイクロガラスビーズの高額なその後の分級は、狭い直径帯域幅を有する割合で省略される。

この方法は、連続的なプロセス操作で、高品質の中空マイクロガラスビーズをコスト効率よく、単位時間あたり大量に製造することを可能にする。たとえば冷えたガラスの機械的粉砕や、球形化が起こるまでの高価な加熱などの、高価な方法ステップは不要である。

溶融装置の出口において、ガラスストランドは有利には０．５ｍｍから１．５ｍｍの直径を有する。

ガラスストランドとして出てくるガラス溶融物の粘度は、好ましくは０．５ｄＰａ・ｓから１．５ｄＰａ・ｓである。ガラス溶融物の所定の化学組成では、この粘度範囲の設定は、溶融温度の制御によって行うことができる。

さらに、溶融装置の出口において、１つ以上のガラスストランドは、３００ｍｓ^−１から１５００ｍｓ^−１、好ましくは５００ｍｓ^−１から１０００ｍｓ^−１の範囲のガス速度を有する高温ガス流に曝される。高温ガスの温度は、１５００℃から２０００℃の間の値に特に適切に設定される。

ソーダ石灰ガラスまたはホウケイ酸ガラスは、本発明による方法に好ましく使用される。特に適切なソーダ石灰ガラスまたはホウケイ酸ガラスのガラス組成は、表１に詳細が記載されている。

表１：中空マイクロガラスビーズを製造するためのガラスの好ましい組成

ガラス溶融物中に溶解され、１１００℃から１５００℃の範囲で気体である物質としては、三酸化硫黄、酸素、窒素、二酸化硫黄、二酸化炭素、酸化ヒ素、酸化アンチモン、またはこれらの混合物が挙げられる。

三酸化硫黄（ＳＯ_３）の場合、好ましい質量割合は０．６％から０．８％の範囲内であり、三酸化硫黄の割合は、たとえばガラス溶融物中の硫酸ナトリウムの添加によって実施され得る。さらに、適切な溶解ガス状物質は、０．１％から０．５％の範囲の質量割合を有する、酸化ヒ素（ＡＳ_２Ｏ_３）または酸化アンチモン（Ｓｂ_２Ｏ_３）である。

特に有利には、溶解物質の各質量割合は、以下のように選択される。
三酸化硫黄（ＳＯ_３） ０．８％
酸化アンチモン（Ｓｂ_２Ｏ_３） ０．５％
酸化ヒ素（Ａｓ_２Ｏ_３） ０．５％

本発明の一実施形態では、搬送ガスは、（搬送バーナの）搬送ガスノズルによって球形化／膨張ダクト内に軸方向に吹き込まれる。搬送ガスの流れ方向はダクト方向に対応し、ガラス粒子が球形化／膨張ダクトに侵入する領域の下で搬送ガスの噴射が行われる。搬送ガスは、球形化／膨張ダクトを通過する間、ガラス粒子、中実マイクロガラスビーズ、および中空マイクロガラスビーズを浮遊させたままにし、これらが球形化／膨張ダクトを通って搬送されることを支援するのに、役立つ。さらに、搬送ガスは、球形化／膨張ダクトを加熱するために使用され得る。

この方法を実行するための装置は、底部領域に排出開口が配置された溶融装置を備え、ガラス溶融物が細いガラスストランドでノズルから専ら出られるよう、底部領域上またはその底部領域内部にはノズルプレートが取り付けられている。高圧高温ガスノズルは、排出開口の直下に、且つ、排出開口のそばに（排出開口と並んで）、配置されており、本方法が実行されているときに、高圧高温ガスノズルから流出する高温ガスがノズルから出るガラスストランド（３．１）に衝突するように、配向されている。

球形化／膨張ダクトは、稼働中に排出開口の後の高圧高温ガスノズルから流出する高温ガスの流れ方向に配置されている。

さらに、冷却空気の搬送のため、装置は球形化／膨張ダクトに隣接する冷却空気漏斗を有し、冷却空気漏斗および球形化／膨張ダクトも、高温ガスの流れ方向に配向されている。漏斗開口は、球形化／膨張ダクトに対面している。冷却空気漏斗の漏斗ネック（漏斗首部）は、冷却された中空マイクロガラスビーズを回収するための排出ダクトを形成する。

流れ方向に配置された排出ダクトの末端領域の終端を、サイクロン集塵機またはロータリフィーダによって形成することができ、サイクロン集塵機またはロータリフィーダによって中空マイクロガラスビーズは排出ダクトから連続的に搬送される。

本発明の一実施形態では、ノズルプレートは複数のノズルを有し、複数のノズル各々は円形断面を有し、１ｍｍから３ｍｍの範囲の直径を有する。これにより、０．５ｍｍから１．５ｍｍの直径範囲のガラスストランドを製造することが可能になり、これは本方法にとって特に有利である。

さらに、ノズルプレートの、互いに離隔した複数のノズルは一列（一直線）に配置されてもよい。本装置における直線状のノズル構造体の配置は、高温ガスの流れ方向に対して横方向になるよう行われる。

この実施形態では、ノズルプレートは、直線状に配置されたノズルに沿って互いに鏡像で延在する、２つの対称的に湾曲した補強ビードを有することができる。ノズルプレートの熱誘導による変形または歪みは、補強ビーズによって制限され、ノズルからのガラスストランドの幾何学的（形状的）に正確な排出が保証される。補強ビーズは、たとえば、ノズルプレートのシートメタル部品に形成することができる。

このノズルプレートは、好ましくは白金材料製である。

本発明は、実施形態に基づいて、概略図を参照して、以下により詳細に説明される。

中空マイクロガラスビーズを製造するための方法を実行するための装置を示す図である。 ５つのノズルを有するノズルプレートの上面図および断面図である。

図１による第１の例示的実施形態によれば、ソーダ石灰ガラスは、１４５０℃で、溶融装置１、すなわち電気加熱白金溶融容器内で、三酸化硫黄の質量割合が０．８％で、溶融される。溶融装置１の底部の排出開口１．２によって、溶融ガラス３は、溶融装置１内から、それぞれ１．５ｍｍの直径を有する２０個の直線的に配置されたノズル２．１を有する白金製の電気加熱ノズルプレート２を通って侵入する。ガラス溶融物３の粘度は０．５ｄＰａ・ｓである。０．７ｍｍの直径を有する排出された溶融ガラスストランド３．１は、ノズル２．１から出た直後に、酸素／天然ガス高圧バーナの高圧高温ガスノズル４からの高温ガス１４によって噴霧化され、ガラス粒子３．２が形成される。この場合、高温ガスは、６００ｍ／ｓのガス速度で、ガラスストランド３．１に対して直角に流れる。次に、ガラス粒子３．２は、耐火性材料製で且つ搬送ガスバーナの搬送ガスノズル５からの搬送ガス１５によって長手方向に加熱された、すぐ隣の球形化／膨張ダクト６に侵入する。

球形化／膨張ダクト６内の温度は１５００℃である。球形化／膨張ダクト６内のガラス粒子３．２から最初に形成された中実マイクロガラスビーズ３．２はその後膨張し、中空マイクロガラスビーズ３．４が形成され、最終的にはステンレス鋼製の排出ダクト９に侵入する。冷却空気７は、排出ガスを冷却するために冷却空気漏斗８を介してこのダクト内に吹き込まれ、次いで篩１０を通って排出空気１１として排出ダクト９の末端から再び出る。篩１０は、中空マイクロガラスビーズ３．４の流出を防止する。中空マイクロガラスビーズ３．４は、ロータリフィーダ１２を通って排出ダクト９から搬送される。中空マイクロガラスビーズ３．４は、０．０２ｍｍから０．０５ｍｍの直径を有する。

第２の例示的実施形態では、１６００℃の溶融温度で、従来の溶融装置内で、０．５％の酸化アンチモンの質量割合を有するホウケイ酸ガラスが溶融される。溶融ガラス３は、１．５ｍｍの直径を有する２２個の直線的に配置されたノズル２．１を有する電気加熱ノズルプレート２から耐火性粒子を遠ざけておくための篩挿入体を有する電気加熱排出開口１．２を通じて１４５０℃でフィーダに侵入する。溶融ガラスの噴霧化、球形化／膨張ダクト６を通じての搬送、および排出は、第１の例示的実施形態と同じである。中空マイクロガラスビーズ３．４の直径は、０．０２ｍｍから０．０４ｍｍの範囲内である。

図２によるノズルプレート２のノズル２．１は、対称的に湾曲した補強ビード２．２の場合、ノズル列の上および下に配置される。補強ビード２．２は、ノズルプレート２のシートメタル部品に形成される。

１ 溶融装置／るつぼ
１．１ 断熱体
１．２ 排出開口
２ ノズルプレート
２．１ ノズル
２．２ 補強ビード
３ ガラス溶融物
３．１ ガラスストランド、溶融物
３．２ ガラス粒子
３．３ 中実マイクロガラスビーズ
３．４ 中空マイクロガラスビーズ
４ 高圧高温ガスノズル
５ 搬送ガスノズル
６ 球形化／膨張ダクト
７ 冷却空気
８ 冷却空気漏斗
９ 排出ダクト
１０ 篩
１１ 排出空気
１２ ロータリフィーダ
１３ 中空マイクロガラスビーズの排出
１４ 高温ガス
１５ 搬送ガス

Claims (12)

1. 中空マイクロガラスビーズを製造するための方法であって、１１００℃から１５００℃の範囲で気体である少なくとも１種の物質を溶解形態で含有するガラス溶融物（３）が溶融装置（１）で製造され、１つ以上の溶融ガラスストランド（３．１）の形態の前記ガラス溶融物（３）が排出開口（１．２）を通って前記溶融装置（１）から出る、方法において、
   （ａ）前記ガラスストランド（３．１）は０．５ｍｍから０．８ｍｍの直径で製造され、
   （ｂ）前記ガラス溶融物（３）の温度の制御によって、ガラスストランド（３．１）として出るときの前記ガラス溶融物の粘度は０．５ｄＰａ・ｓから１．５ｄＰａ・ｓに設定され、
   （ｃ）高圧高温ガスノズル（４）から流出する高温ガス（１４）によって、１つ以上の前記溶融ガラスストランド（３．１）は前記溶融装置（１）からの出た後に噴霧され、ガラス粒子（３．２）が形成され、
   （ｄ）前記ガラス粒子（３．２）は、流れる高温ガス（１４）によって、流れ方向に配向されたすぐ隣の加熱された球形化／膨張ダクト（６）内に直接吹き込まれ、前記球形化／膨張ダクト（６）の通過中、前記ガラス粒子（３．２）は、加熱中に表面張力の結果として中実マイクロガラスビーズ（３．３）に転換され、その後、溶解したガス状物質の脱ガスの結果として前記中実マイクロガラスビーズ（３．３）は膨張し、中空マイクロガラスビーズ（３．４）が形成され、
   （ｅ）前記中空マイクロガラスビーズ（３．４）は、前記球形化／膨張ダクト（６）からの出た後、冷却空気（７）によって冷却され、固体形態で回収される、
   ことを特徴とする方法。
2. 互いに離隔された複数のガラスストランド（３．１）が製造され、円錐貫通開口として形成された複数のノズル（２．１）であって、いずれの場合も円形断面を有し、且つ１ｍｍから３ｍｍの範囲の直径を有する複数のノズル（２．１）を備えたノズルプレート（２）が、前記排出開口（１．２）上または前記排出開口（１．２）内で使用されることを特徴とする、請求項１に記載の中空マイクロガラスビーズを製造するための方法。
3. １つ以上の前記ガラスストランド（３．１）に衝突する際の前記高温ガス（１４）のガス速度は３００ｍｓ^−１から１５００ｍｓ^−１であることを特徴とする、請求項１または２に記載の中空マイクロガラスビーズを製造するための方法。
4. 前記高温ガス（１４）の温度は１５００℃から２０００℃であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の中空マイクロガラスビーズを製造するための方法。
5. 使用される前記ガラス溶融物（３）は、三酸化硫黄、酸素、窒素、二酸化硫黄、二酸化炭素、酸化ヒ素、酸化アンチモン、またはこれらの混合物を溶解形態で含有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の中空マイクロガラスビーズを製造するための方法。
6. 使用される前記ガラス溶融物（３）は、０．６％から０．８％の範囲の質量割合で三酸化硫黄を含有することを特徴とする、請求項５に記載の中空マイクロガラスビーズを製造するための方法。
7. 使用される前記ガラス溶融物（３）は、０．１％から０．５％の範囲の質量割合で酸化ヒ素または酸化アンチモンを含有することを特徴とする、請求項５に記載の中空マイクロガラスビーズを製造するための方法。
8. 搬送ガス（１５）が、前記ガラス粒子（３．２）、前記中実マイクロガラスビーズ（３．３）、および前記中空マイクロガラスビーズ（３．４）を浮遊させたままにし、且つ前記球形化／膨張ダクト（６）を通るそれらの搬送を支援するために、搬送ガスノズル（５）によって前記球形化／膨張ダクト（６）内に軸方向に吹き込まれることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の中空マイクロガラスビーズを製造するための方法。
9. 請求項２に記載の方法を実行するための装置であって、
   前記排出開口（１．２）は前記溶融装置（１）の底部領域に配置され、前記ノズルプレート（２）は、前記ガラス溶融物（３）が円錐状に形成されたノズル（２．１）から専ら出られるよう、前記排出開口（２．１）上または前記排出開口（２．１）内に取り付けられており、
   前記ノズルプレート（２）は、複数のノズル（２．１）を有し、各ノズル（２．１）は円形断面を有し、且つ１ｍｍから１．６ｍｍの範囲の直径を有し、前記ノズルプレート（２）は電気加熱可能であり、
   前記高圧高温ガスノズル（４）は、前記排出開口（１．２）の直下に且つ前記排出開口（１．２）のそばに配置され、前記高圧ガスノズル（４）は、前記方法が実行されているときに、前記高圧高温ガスノズル（４）から流出する前記高温ガス（１４）が前記ノズル（２．１）から出る前記ガラスストランド（３．１）に衝突するように配向されており、
   前記球形化／膨張ダクト（６）は、前記排出開口（１．２）の後の前記高圧高温ガスノズル（４）から流出する前記高温ガス（１４）の前記流れ方向に配置されており、
   冷却空気（７）の搬送のための冷却空気漏斗（８）が、前記球形化／膨張ダクト（６）の後に前記高温ガス（１４）の前記流れ方向に配置されており、前記漏斗開口は前記球形化／膨張ダクト（６）に対面しており、
   前記冷却空気漏斗（８）の漏斗ネックは、冷却された前記中空マイクロガラスビーズ（３．４）を回収するための排出ダクト（９）を形成する、
   ことを特徴とする、装置。
10. 前記流れ方向に配置された前記排出ダクト（９）の前記末端領域は、ロータリフィーダ（１２）またはサイクロン集塵機で終端することを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 前記ノズルプレート（２）の前記ノズル（２．１）は一列に配置されていることを特徴とする、請求項９または１０に記載の装置。
12. 前記ノズルプレート（２）は、前記ノズル（２．１）に沿って互いに鏡像で延在する２つの対称的に湾曲した補強ビード（２．２）を有することを特徴とする、請求項１１に記載の装置。

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