JP2614811B2 - マグネタイト粉の製造方法 - Google Patents

マグネタイト粉の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ヘマタイト粉に有機物
等を加えて不活性ガス中で加熱処理することにより実質
的に単相のマグネタイト粉を製造する方法に関し、更に
詳しく述べると、加熱処理における冷却過程で酸素濃度
を制御することにより、所望の電気抵抗率を有するマグ
ネタイト粉の製造方法に関するものである。製造したマ
グネタイト粉は、特に限定されるものではないが、例え
ば磁性流体、電気抵抗素子、電子写真用のトナーやキャ
リアなどに広く利用できる材料である。
【0002】
【従来の技術】従来、マグネタイト粉を製造するには、
一般に以下の3つの方法が知られている。 湿式法:Fe2++2Fe3+の水溶液をアルカリ性に
し、共沈させる方法。 乾式法:ヘマタイトを水素・一酸化炭素又は水蒸気中
で加熱・還元する方法。 粉砕法:天然に産する磁鉄鉱を粉砕する方法。
【0003】これらによって得られたマグネタイト粉
は、ネットワーク抵抗素子、あるいは電子写真用のトナ
ーやキャリア等に広く使用されている。これらの用途に
おいて電気抵抗率の調整を必要とする場合は、マグネタ
イト粉と樹脂等との混合やマグネタイト粉への樹脂コー
ティングという手法を採用していた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
従来のマグネタイト粉の製造方法は、それぞれ次のよう
な欠点があり、必ずしも満足しうるものではない。 湿式法:共沈により容易に比較的純度の高い微粒子が
得られるものの、製造コストが高く量産には適さない。 乾式法:高圧力水蒸気または水素・一酸化炭素等の比
較的強力な還元性雰囲気下で反応させるため、量産には
危険を伴い、且つ設備が大掛かりとなる。 粉砕法:天然鉱物を出発原料に用いるため、長期間に
わたって安定して高品質の粉体を生産することが難し
い。
【0005】またマグネタイト粉と樹脂との混合、ある
いはマグネタイト粉への樹脂コーティングでは、樹脂の
選定や付着方法に工夫が必要であり、きめ細かな電気抵
抗率の制御は不可能であった。
【0006】本発明の目的は、上記のような従来法に比
較して簡便な設備、単純な工程によって、所望の電気抵
抗率を有する高品質の単相マグネタイト粉を大量に且つ
安価に安全に製造できる方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、ヘマタイト粉
に、炭素原子同士の単結合又は二重結合を有する液状
(液体又は溶液)又は粉末状物質を、0.1〜4.0重
量%加え、ほぼ均一に混合した後、不活性ガス中で12
00〜1450℃で加熱処理し、冷却中に300℃以下
において酸素濃度を0.1〜21%に制御するマグネタ
イト粉の製造方法である。ここで、不活性ガス中での加
熱処理前に、造粒処理によりヘマタイト粉を球状顆粒に
しておけば、球状のマグネタイト粉を得ることができ
る。
【0008】本発明は加熱処理でヘマタイト粉を単相の
マグネタイト粉に熱転移できることが前提となる。その
ためには、まず、添加する物質とその添加量、加熱温度
が上記のような条件を満たさねばならない。ここでヘマ
タイト粉に添加する物質は、酸素を与えて燃焼させるこ
とができるような炭素原子同士の単結合又は二重結合を
有する物質であればよい。一般には例えば、粉末成形な
どに用いる有機結合剤や分散剤などの有機物を用いる。
球形に造粒する場合には、そのような有機結合剤を使用
するから、その場合には有機結合剤が造粒工程での結合
剤としての作用と加熱処理工程での還元作用を兼用する
ことができる。その他、アセチレンブラックやグラファ
イトなども使用可能である。これらの物質を添加するの
は、それらが無いと加熱温度を変えても単相マグネタイ
トが得られない(X線的に見るとα−Fe2 3 又はF
eOの相が存在する)ためである。また、その添加範囲
を0.1〜4.0重量%とするのは、0.1重量%未満
では添加による還元効果に乏しく、逆に4.0重量%を
超えると、それ以上添加する意味が無いし、造粒工程が
入る場合にはかえって造粒がうまくできず、更に多くな
ると生成するマグネタイト粉中に有機物の不完全燃焼に
より生成した炭素などの異物が残存し好ましくないため
である。更に、加熱温度(トップ温度)を1200〜1
450℃とするのは、1200℃未満ではα−Fe2
3 が残り、1450℃を超えるとFeOの相が現れるか
らである。
【0009】冷却時における酸素濃度の下限値を0.1
%としたのは、量産時に0.1%未満の制御は非常に困
難だからである。また酸素を供給する切換え温度を30
0℃以下としたのは、酸素濃度0.1%以上で切換え温
度が300℃を超えると、ヘマタイト相が残るからであ
る。
【0010】
【作用】金属酸化物と有機物とを混合した状態で不活性
ガス雰囲気中で加熱すると、金属酸化物は還元される。
例えば有機物としてプロピレン(CH3 CH=CH2
を用いた場合、プロピレンが金属酸化物表面では、酸化
物中のO-2にH+ を奪われてπアリル中間体となる。こ
のような反応は、有機物の種類によらずほぼ同様であ
る。上記のπアリル中間体に酸素が付加されればアクロ
レイン、さもなければ2つのπアリル中間体が二量化し
てベンゼンとなる。この場合、πアリル中間体となるに
は炭素−炭素間の二重結合が必要であるが、金属酸化物
上でH+ を奪われることにより炭素−炭素間の単結合が
二重結合に変化するため、最初の状態では炭素−炭素間
の単結合のみでもよい。例えばポリビニルアルコールは
炭素−炭素間の二重結合を持たないが、還元能力は充分
にある。
【0011】ヘマタイト(α−Fe2 3 )を有機物と
混合した状態で不活性ガス中で加熱処理すると、不完全
燃焼状態となり、有機物の熱分解時にヘマタイトから酸
素を奪うことにより該ヘマタイトが還元され、X線的に
みて単相の(純度ほぼ100%の)マグネタイト(Fe
3 4 )に熱転移する。この反応は、極めて効率が良
く、例えば一般のフェライト製造設備を用いて匣鉢に厚
さ数cmにヘマタイト粉を充填して供給しても、それ全体
が良好なマグネタイト粉になる。つまり本発明は有機物
などの不完全燃焼を積極的に利用し、発生したガスを用
いてヘマタイト粉を還元処理しているのである。
【0012】因に、有機物等を混入することなく、ヘマ
タイト粉のみを用いて不活性ガス中で加熱処理した場
合、少量のヘマタイト粉を匣鉢の表面に薄く撒いて且つ
長時間にわたって処理すると、一部がマグネタイト粉に
変化することが認められたが、生産効率は極めて低く、
とうてい工業化しうるものではなかった。
【0013】加熱処理における冷却過程で酸素を雰囲気
に切り換えると、マグネタイト粉の表面が酸化される。
但し、この酸化は、上記のような本発明の条件を満たし
ていれば極く僅かで、粉末X線回折による定性分析では
マグネタイト相以外は検出できないほどであり、実質的
にはマグネタイト単相と言える。このように粒子表面の
改質は極く僅かであるにもかかわらず、マグネタイト粉
の電気抵抗率は、上記の処理によって2桁程度以上上昇
し、所望の電気的特性の調整が可能となる。
【0014】
【実施例】原料であるヘマタイト粉にポリビニルアルコ
ール2重量%、分散剤としてポリカルボン酸塩1重量%
を加え、水と混合してヘマタイト濃度50重量%のスラ
リーとした。そのスラリーをアトライターで1時間攪拌
後、スプレードライヤーで造粒、顆粒化した。得られた
顆粒を窒素雰囲気中で1200〜1400℃(トップ温
度)で2時間加熱処理した。そして、そのまま窒素雰囲
気中で冷却したものと、冷却中に所定の切換温度で窒素
雰囲気から酸素を含む雰囲気に切り換えたものとを作製
した。加熱処理時の温度制御プログラムを図1に示す。
ガス中の酸素濃度はジルコニア式酸素濃度計で測定し
た。処理後の各試料の電気抵抗率は、特開平1−112
17号公報に記載されている方法に準じて行った。粉体
の電気抵抗率測定は環境湿度の影響を多大に受けるた
め、測定はすべての試料を同時に2時間以内で行った。
また粉体の物質相の同定は粉末X線回折定性分析により
行った。実験結果を表1に示す。
【0015】
【表1】
【0016】上記の実験結果から、次のことが判明し
た。 冷却中に雰囲気切換えを行わずに最後まで窒素雰囲気
中で冷却した試料(比較例)では、単相マグネタイトが
得られるが、粉体の電気抵抗率は加熱温度によらず全て
1.5〜2.0×104 Ω・cm程度である。 冷却中の雰囲気切換え温度を350℃とすると、電気
抵抗率は著しく高くなるものの、酸素濃度0.1%でも
ヘマタイト相が残り、単相マグネタイト粉は得られな
い。 雰囲気切換え温度が一定でも酸素濃度が高くなるほど
電気抵抗率は高くなり、同じ酸素濃度の場合には雰囲気
切換え温度が高いほど電気抵抗率は高くなる。切換え温
度が300℃以下の場合は、空気中での冷却でも、ヘマ
タイト相は生じない。 冷却過程における雰囲気切換えとその時の酸素濃度を
制御することで、電気抵抗率を1.5×104 〜6.4
×106 Ω・cmの範囲で自由に調整することができる。
【0017】上記の実施例では添加する物質として全て
ボリビニルアルコールを用いているが、種々の実験の結
果、ポリアクリルアミド、ポリイソブチレン、ポリカル
ボン酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩(以上は水
溶液で添加する)、ポリビニルブチラール、ステアリン
酸(以上はアルコール溶液又は分散液で添加する)、ア
セチレンブラック、グラファイト(以上は粉体で添加し
アルコールを加えて混合する)などでも同様に単相マグ
ネタイト粉が得られることが確認されており、本発明で
使用可能である。
【0018】
【発明の効果】本発明は上記のように、ヘマタイト粉に
有機物などを適量添加して不活性ガス中で加熱処理する
方法なので、容易に且つ安価に、高品質の単相マグネタ
イト粉を製造できる。また通常のフェライト生産設備を
利用でき、匣鉢に一度に多量のヘマタイト粉を入れて処
理できるため、極めて生産効率が良好となる。その上、
冷却中に所定温度で所定の酸素濃度の雰囲気に切り換え
る方法なので、酸素濃度と切換温度を制御することによ
り、実質的に単相マグネタイト粉であって、しかもその
電気抵抗率を所望の値に容易に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における加熱処理時の温度制御プログラ
ムを示す説明図。
【符号の説明】
T トップ温度 x 切換温度
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 下川 明 東京都港区新橋5丁目36番11号 富士電 気化学株式会社内 (56)参考文献 特開 昭55−104924(JP,A) 特公 昭59−7646(JP,B2) 特公 昭53−24637(JP,B2) 米国特許2900236(US,A)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ヘマタイト粉に、炭素原子同士の単結合
    又は二重結合を有する液状又は粉末状物質を0.1〜
    4.0重量%加え、ほぼ均一に混合した後、不活性ガス
    中で1200〜1450℃で加熱処理し、冷却中に30
    0℃以下において酸素濃度を0.1〜21%に制御する
    ことを特徴とするマグネタイト粉の製造方法。
  2. 【請求項2】 炭素原子同士の単結合又は二重結合を有
    する液状又は粉末状物質が有機結合剤である請求項1記
    載の方法。
  3. 【請求項3】 不活性ガス中での加熱処理前に、有機結
    合剤を加え、造粒処理によりヘマタイト粉を球状顆粒と
    し、生成するマグネタイト粉を球状とする請求項2記載
    の方法。
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