JP3723022B2

JP3723022B2 - 非晶質シリカ微粒子の製造方法

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Publication number: JP3723022B2
Application number: JP28680899A
Authority: JP
Inventors: 酒井　　武信; 賛安部; 幸宏加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp; Admatechs Co Ltd
Current assignee: Toyota Motor Corp; Admatechs Co Ltd
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2019-10-07
Also published as: JP2001106521A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真球度の高い非晶質シリカ微粒子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般的な金属酸化物超微粒子の製造方法として、特公平１−５５２０１号公報に、酸素を含む雰囲気内においてバーナにより化学炎を形成し、この化学炎の中に目的の金属酸化物を構成する金属粉末を粉塵雲を形成しうる量投入して燃焼させて、粒子径が５〜１００ｎｍ程度である金属酸化物超微粒子を合成する製造方法の開示がある。
【０００３】
また、特許第２６００１８１号公報に、金属酸化物を構成する金属粉末と、その金属酸化物粉末とをキャリアガスとともに反応容器内に供給した後に金属粉末を燃焼させて、その原料の金属酸化物粉末を核として金属酸化物粉末を粒成長させて合成する金属酸化物の製造方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特公平１−５５２０１号公報に記載された製造方法では、原料の金属シリコンが高価なので、コスト面で実施が困難であって、製造される非晶質シリカ微粒子の粒子径も広範囲にコントロールできなかった。
【０００５】
そして、特許第２６００１８１号公報には、具体的にアルミナ粒子の製造方法が記載されるのみであり、記載された製造方法では、原料のアルミナ粉末より大粒子径のアルミナ粉末を得ることはできるが、原料より粒子径の小さいアルミナ粉末の製造については記載がなかった。そして、製造されたアルミナの真球度については、著しく高いものではなかった。したがって、本公報に記載された製造方法では、性質に特徴を有する非晶質シリカ微粒子が製造できることは明らかではなかった。
【０００６】
真球度の高い非晶質シリカ微粒子は、半導体のパッケージを覆う封止剤の充填剤としての用途等のような種々の有用な用途がある。その場合に非晶質シリカ微粒子は、真球度が高いことが好ましい性質である。真球度の高い非晶質シリカ微粒子を容易に製造する方法は従来には存在しなかった。また、非晶質シリカ微粒子は、用途により種々の粒子径のものが要求され、簡便な製造方法で種々の粒子径のものが得られることが望ましい。
【０００７】
すなわち、本発明では、製造コストが低く、真球度の高い非晶質シリカ微粒子の製造方法を提供することを解決すべき課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する目的で本発明者らは、鋭意研究を行った結果、以下の非晶質シリカ微粒子の製造方法を発明した。
【０００９】
すなわち、本発明の非晶質シリカ微粒子の製造方法は、シリコン粉末とシリカ粉末とをキャリアガスとともに反応室内に供給する原料供給工程と、供給された前記シリコン粉末を前記反応室内で燃焼させて熱を発生して、生成するシリカおよび前記シリカ粉末を加熱して溶解乃至気化させる燃焼加熱工程と、前記溶解乃至気化させたシリカを冷却し非晶質シリカ微粒子を形成する冷却工程とからなり、
前記シリカ粉末は、該シリカ粉末の該シリカ粉末と前記シリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比が５０重量％以下であって、
該シリカ粉末の該シリカ粉末と該シリコン粉末とを合わせた重量に対する該重量比と、平均体積径とが、前記燃焼加熱工程において、前記生成するシリカおよび該シリカ粉末が溶融乃至気化する値の組み合わせであることを特徴とする。
【００１０】
つまり、シリカを加熱溶融させることによってその表面張力により真球となって、そのまま冷却されることによって真球度の高い非晶質シリカ微粒子が形成される。そして、シリカは、一度、気化させることによって、冷却・凝集される際に真球度の高い非晶質シリカ微粒子となる。
【００１１】
また、シリカを溶融乃至気化させるために原料の金属シリコンが酸化される際に発生する熱を用いるのでシリカを長時間加熱することができ、製造される非晶質シリカ微粒子の粒子径を大きくすることも可能である。そして、シリコンの量を調整することによって発熱量を増大させてシリカを気化し、微粒子とすることもできる。
【００１２】
したがって、最初に投入するシリカの粒子径、シリコンとシリカとの比をコントロールすることによって、最終的に製造される非晶質シリカ微粒子の粒子径を変化させることができる。
【００１３】
したがって、本発明の非晶質シリカ微粒子の製造方法によれば、高価なシリコンを不必要に大量使用することなく、必要な粒子径分布を有し真球度の高い非晶質シリカ微粒子を製造することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の非晶質シリカ微粒子の製造方法の実施形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示される実施形態によって限定されるものではない。
【００１５】
本実施形態の非晶質シリカ微粒子の製造方法は、原料供給工程と、燃焼加熱工程と、冷却工程とを有する。
【００１６】
本実施形態の非晶質シリカ微粒子の製造方法は、たとえば、原料供給部と反応室と非晶質シリカ微粒子捕集部とを有する製造装置を用いて行われる。原料供給部は原料を貯蔵し、原料を反応室内に供給する手段であり、反応室は内部で原料を燃焼させる手段であって、非晶質シリカ微粒子捕集部は製造した非晶質シリカ微粒子を捕集する手段である。
【００１７】
原料供給工程は、シリコン粉末とシリカ粉末とをキャリアガスとともに反応室内に供給する工程である。
【００１８】
シリコン粉末とシリカ粉末とはあらかじめ混合しておいて同一の場所に貯蔵しても良いし、別々に貯蔵して反応室に供給される前もしくは供給された後に混合されるものであっても良い。同一の場所に貯蔵する場合は、キャリアガスは一種類でよいが、別々に貯蔵される場合は、２種類のキャリアガスを用いるものであってもよい。
【００１９】
シリコン粉末は、製造される非晶質シリカ微粒子に求められる純度に応じた純度のシリコン粉末を用いる。具体的には、非晶質シリカ微粒子に必要な純度に応じて、シリコン元素および酸素元素以外の元素の許容含量が規定される。高純度の非晶質シリカ微粒子を製造する場合には、必要な純度を確保できるようにシリコン粉末の純度を規定する。
【００２０】
そして、シリコン粉末の粒子径は、特に限定するものではないがシリカ粒子と混合しやすい程度の粒子径であることが好ましい。また、燃焼しやすくする目的で粒子径はある程度細かい方がよい。ただし、あまりに粒子径を小さくすると流動性が悪くなり、反応室内に供給し難くなるという不都合がある。具体的には、５〜３０μｍ程度であることがより好ましい。シリコン粉末の粒子の形は、特に球状である必要はなく限定するものではない。
【００２１】
シリカ粉末は、結晶質、非晶質等の結晶形態は問わない。また、本発明の非晶質シリカ微粒子の製造方法により製造した非晶質シリカ微粒子を再び原料として用いることも可能である。そして、シリカ粉末についても、製造される非晶質シリカ微粒子に求められる純度に応じた純度のシリカ粉末を用いる。具体的には、シリコン粉末と同様に、製造される非晶質シリカ微粒子に求められる純度に応じて、シリカ粉末に含有するシリコン元素および酸素元素以外の元素の許容量を決定する。
【００２２】
シリカ粉末の粒子の形は、シリコン粉末と同じく特に球状である必要はなく、限定されるものではない。そして、シリカ粉末の粒子径は、シリカ粉末の粒子径のみで単独に決定されるものではなく、混合されるシリコン粉末とシリカ粉末との混合比にも影響される。
【００２３】
すなわち、シリカ粉末の粒子径は、そのシリカ粉末のシリカ粉末とシリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比に応じて、後述の燃焼加熱工程でシリカ粉末と生成するシリカとが、溶融乃至気化する粒子径であることが必要である。また逆にシリカ粉末の粒子径が決定されると、そのシリカ粉末のシリカ粉末とシリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比は、後述の燃焼加熱工程でシリカ粉末と生成するシリカとが、溶融乃至気化する重量比であることが必要である。シリカが溶融乃至気化しないと最終的に真球度の高い非晶質シリカ微粒子を製造できないからである。
【００２４】
そして、シリカ粉末のシリカ粉末とシリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比と、平均体積径との値の組み合わせが、最終的に形成される非晶質シリカ微粒子の平均体積径が２０μｍ以下となるように、値の組み合わせを決定することが好ましい。平均体積径が２０μｍ以下の非晶質シリカ微粒子は、より有用性が高いからである。
【００２５】
また、シリカ粉末のシリカ粉末とシリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比と、平均体積径とが、後述の燃焼加熱工程で生成するシリカおよびシリカ粉末が気化する値の組み合わせであることが好ましい。高価なシリコンを大量に使用しなくてもシリカを気化させることによって供給するシリカ粉末と比較して粒子径の小さい非晶質シリカ微粒子を製造できるからである。さらには、同じ理由により、シリカ粉末のシリカ粉末とシリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比と、平均体積径とが、最終的に形成された非晶質シリカ微粒子の平均体積径が２μｍ以下となる値の組み合わせであることがより好ましい。
【００２６】
そして、シリカ粉末の平均体積径は、２０μｍ以下が好ましく、さらには１０μｍ以下であることがより好ましい。この場合に、シリカ粉末のシリカ粉末とシリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比は、５０％未満が好ましく、さらには３０％未満がより好ましい。
【００２７】
そしてさらに好ましいシリカ粉末の粒子径と、シリカ粉末のシリカ粉末とシリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比との組み合わせは、製造する非晶質シリカ微粒子の平均体積径が２μｍ以下である場合は、シリカ粉末の平均体積径が１０μｍと、シリカ粉末のシリカ粉末とシリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比が３０％未満との組み合わせと、シリカ粉末の平均体積径が５μｍと、シリカ粉末のシリカ粉末とシリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比が５０％未満との組み合わせである。このなかでもシリカ粉末の平均体積径が５μｍと、シリカ粉末のシリカ粉末とシリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比が５０％未満との組み合わせがより好ましい。高価なシリコン粉末の使用量がより少ないのでコスト低下を図ることができるからである。
【００２８】
そして、製造する非晶質シリカ微粒子の平均体積径が２μｍ以上である場合は、シリカ粉末の平均体積径が１０μｍと、シリカ粉末のシリカ粉末とシリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比が３０％以上７０％以下との組み合わせと、シリカ粉末の平均体積径が５μｍと、シリカ粉末のシリカ粉末とシリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比が５０％以上８０％以下との組み合わせである。このなかでもシリカ粉末の平均体積径が５μｍと、シリカ粉末のシリカ粉末とシリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比が５０％以上８０％以下との組み合わせがより好ましい。先述の理由と同様に、高価なシリコン粉末の使用量がより少ないのでコスト低下を図ることができるからである。
【００２９】
また、その他に好ましいシリカ粉末の粒子径と、シリカ粉末のシリカ粉末とシリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比との組み合わせは、シリカ粉末の平均体積粒子径が製造する非晶質シリカ微粒子の平均体積径の２分の１であって、シリカ粉末のシリカ粉末とシリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比は、後述の燃焼加熱工程で生成するシリカおよびシリカ粉末が気化しない値である組み合わせである。なお、シリカが気化する場合には、形成される非晶質シリカ微粒子の粒子径は、原料のシリカ粉末の粒子径に関わらず、ほぼ同じような粒子径となる。これにより、製造する非晶質シリカ微粒子の粒子径が制御可能となる。
【００３０】
シリコン粉末を酸化させるのに充分な量の酸素を反応室内に供給する必要がある。そうでないと酸化されないシリコンが残留するからである。反応室内に酸素を供給する方法としては、独立して直接反応室内に酸素を供給する方法とキャリアガスに混合させる方法と前記の両方法を併用する方法があるが、キャリアガスに混合させる方法が簡便であり好ましい。
【００３１】
キャリアガスは、シリコン粉末およびシリカ粉末を流動化させて反応室内に供給する目的で使用するガスである。前述のように、キャリアガスは、全体として少なくとも原料として供給するシリコン粉末をすべて酸化できる量の酸素が含まれていることが好ましい。
【００３２】
そして、キャリアガスには、酸素に加えてシリコン粉末とシリカ粉末とに対する反応性の低い気体であればキャリアガスに混合して用いることもできる。たとえば、キャリアガスに窒素等を混合することが可能である。したがって、キャリアガスは、酸素ガスのみで使用することもでき、また、空気等の安価なガスをそのまま、もしくは、さらに酸素を加えて用いることも可能である。
【００３３】
キャリアガス全体の量は、供給されるシリコン粉末、シリカ粉末もしくはシリコン粉末とシリカ粉末との混合物をそれぞれ流動化して反応室内に供給できるだけの量を供給することが最低限必要であるが、あまりにキャリアガスを供給する量が大量であると、シリコン粉末が燃焼して発生する熱が遮断されてシリカ粉末に供給され難くなると同時に、反応室内でシリコン粉末の燃焼が持続できないので適度な量にする必要がある。
【００３４】
燃焼加熱工程は、反応室内において、何らかの着火源によってシリコン粉末に着火させて、シリコン粉末を燃焼して、その発生する熱によって、シリコン粉末の燃焼により生成するシリカとシリカ粉末とを加熱して、生成するシリカとシリカ粉末とを溶融乃至気化させる工程である。
【００３５】
着火源は、シリコン粉末に着火することができる手段であれば特に限定しないが、着火源として燃焼加熱工程に用いることができるものとしては、たとえば、放電によるもの、反応室内にＬＰＧ等を用いた化学炎を形成するもの、プラズマ放電、アークによるもの等が挙げられる。
【００３６】
燃焼加熱工程を進行させる反応室内の内壁は、シリカやその他の溶融乃至気化シリカと接触しても形成される非晶質シリカ微粒子に影響のない物質やその他の不活性な物質でコーティング等して製造される非晶質シリカ微粒子に不純物が混入しないようにすることが好ましい。
【００３７】
冷却工程は、溶融乃至気化したシリカを冷却して非晶質シリカ微粒子を形成させる工程である。冷却工程も燃焼加熱工程と同じ反応室内で行うことができる。溶融乃至気化したシリカは、シリコンに着火させた場所から離れるにしたがって周囲に熱を放出して冷却され溶融している場合には冷却固化し、気化している場合には冷却するにつれて凝集して固化する。
【００３８】
したがって、シリカが溶融している場合には、形成される非晶質シリカ微粒子の粒子径は、原料のシリカ粉末より大きくなることが多い。そして、シリカが気化する場合には、前述のように、一度、シリカが気化しているので形成される非晶質シリカ微粒子の粒子径は原料のシリカ粉末の粒子径に関わらず、ほぼ一定の大きさとなる。
【００３９】
このように形成された非晶質シリカ微粒子は、必要に応じて分級器等で分級等を行った後に、捕集器等によって捕集される。
【００４０】
【実施例】
〈非晶質シリカ微粒子の製造方法〉
図１に本発明の製造方法に係る製造装置を示す。この製造装置は、内壁を耐熱レンガ１０ａで囲まれた反応室を、そして、側壁に排出通路１１ａを有する反応容器１０と、反応容器１０の上壁には、火炎８を形成するバーナ９とから主として構成されている。
【００４１】
バーナ９には、シリコン粉末およびシリカ物粉末とを供給する粉末供給装置１と、酸素供給管４０および種火用のＬＰＧを供給するＬＰＧ供給管５が配設された導管４が連接している。
【００４２】
排出通路１１ａには、粉末捕集装置１１が設けられ、粉末捕集装置１１にはブロア１２により排気ガスが吸入される。
【００４３】
上記のように構成された反応装置により以下のような反応を行ない酸化物を得た。
【００４４】
まず酸素供給管４０およびＬＰＧ供給管５のバルブ５０を開き、バーナ９に着火して反応容器１０内を充分に乾燥させ、脱酸素を行なった。キャリアガスの流量８ｍ³／時間、ＬＰＧ０．４ｍ³／時間の流速で反応室内に供給した。ついで粉末供給装置１よりシリコン粉末とシリカ粉末とを供給して燃焼させた。粉末供給装置１には、以下に示す実施例１及び２のそれぞれの粒子径とそれぞれの結晶性シリカ粉末およびシリコン粉末の混合比とで混合し、その混合物を粉末供給装置に入れた。
【００４５】
ブロア１２を作動させてシリカ粉末を含む燃焼排ガスを吸引し、捕集装着１１によりシリカ粉末を捕集した。
【００４６】
また上記の製造装置では粒子径分布が広い場合には、図２に示すように２段構造の捕集装置とし、１段目で所望の粒子径以上の酸化物のみを捕集するフィルタを設け通過した小粒子径のものは２段目で捕集し、必要に応じて１段目または２段目で捕集した大粒子径もしくは小粒子径の非晶質シリカ微粒子を別途設けたホッパーにて搬送し反応容器内へ再供給すると粒径の揃った非晶質シリカ微粒子が得られた。
【００４７】
したがって工数増加や装置を変更することなく連続して粒子径のそろった非晶質シリカ微粒子を得ることができる。なお、図２に示した製造装置は、小粒子径の非晶質シリカ微粒子を再利用する形態となっているので、大粒子径の非晶質シリカ微粒子を再利用する必要がある場合は、非晶質シリカ微粒子を粉末供給装置に輸送する管を１段目のフィルタの前に設ける必要がある。
【００４８】
（シリコン粉末およびシリカ粉末の粒子径と混合比）
（実施例１）
体積平均径２０μｍのシリコン粉末と体積平均径５μｍの結晶性シリカとを結晶性シリカがシリコン粉末と結晶性シリカ粉末とを合わせた全体量に対して５、１０、３０、４０、５０重量％となるようにそれぞれ混合した。
【００４９】
（実施例２）
体積平均径２０μｍのシリコンと体積平均径１０μｍの結晶性シリカとを結晶性シリカがシリコン粉末と結晶性シリカ粉末とを合わせた全体量に対して５、１０、３０、４０重量％となるようにそれぞれ混合した。
【００５０】
（結果）
実施例１
結晶性シリカを混合する量が４０重量％以下である場合には、生成した非晶質シリカ微粒子の粒子径分布は、０．１〜２μｍ程度、体積平均径は１μｍ程度となった。結晶性シリカを混合する量が５０重量％である場合には、生成した非晶質シリカ微粒子の体積平均径は、８μｍ程度であった。そして、生成した非晶質シリカ微粒子は、いずれも真球度（本明細書では、電子顕微鏡による非晶質シリカ微粒子の縦横の比を真球度という。）が０．９８〜１．０２の値であった。
【００５１】
実施例２
結晶性シリカを混合する量が全体の１０重量％以下である場合には、生成した非晶質シリカ微粒子の粒子径分布は、０．１〜２μｍ程度となり、体積平均径は１μｍ程度となった。結晶性シリカを混合する量が３０、４０重量％である場合には、生成した非晶質シリカ微粒子の粒子径分布は、１０〜２０μｍ程度となり、体積平均径は、１２μｍであった。そして、生成した非晶質シリカ微粒子は、いずれも真球度が０．９８〜１．０２の値であった。
【００５２】
【発明の効果】
すなわち、本発明は、製造コストが低く、真球度の高い非晶質シリカ微粒子の製造方法を提供できるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係る製造装置の模式断面図である。
【図２】実施例の変形例であり小（大）粒子径の非晶質シリカ微粒子を再利用する製造装置の模式断面図である。
【符号の説明】
１、１’…粉末供給装置４…導管５…ＬＰＧ供給管４０…酸素供給管８…火炎９…バーナ１０…反応容器１１、１１’…粉末捕集容器１２…ブロア

Claims

シリコン粉末とシリカ粉末とをキャリアガスとともに反応室内に供給する原料供給工程と、
供給された前記シリコン粉末を前記反応室内で燃焼させて熱を発生して、生成するシリカおよび前記シリカ粉末を加熱して溶解乃至気化させる燃焼加熱工程と、
前記溶解乃至気化させたシリカを冷却し非晶質シリカ微粒子を形成する冷却工程とからなり、
前記シリカ粉末は、該シリカ粉末の該シリカ粉末と前記シリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比が５０重量％以下であって、
該シリカ粉末の該シリカ粉末と該シリコン粉末とを合わせた重量に対する該重量比と、平均体積径とが、前記燃焼加熱工程において、前記生成するシリカおよび該シリカ粉末が溶融乃至気化する値の組み合わせであることを特徴とする非晶質シリカ微粒子の製造方法。
前記シリカ粉末は、該シリカ粉末の該シリカ粉末と前記シリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比と、平均体積径とが、形成された前記非晶質シリカ微粒子の平均体積径が２０μｍ以下となる値の組み合わせである請求項１に記載の非晶質シリカ微粒子の製造方法。
前記シリカ粉末は、該シリカ粉末の該シリカ粉末と前記シリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比と、平均体積径が、形成された前記非晶質シリカ微粒子の平均体積径が２μｍ以下となる値の組み合わせである請求項１又は２に記載の非晶質シリカ微粒子の製造方法。
前記シリカ粉末の平均体積径は、１０μｍ以下であって、かつ該シリカ粉末は、該シリカ粉末と前記シリコン粉末とを合わせた重量に対して５０重量％未満である請求項３に記載のシリカ微粒子の製造方法。
前記シリカ粉末は、平均体積径が製造する非晶質シリカ微粒子の平均体積径の２分の１であって、かつ該シリカ粉末の該シリカ粉末と前記シリコン粉末とを合わせた重量に対する重量比が、前記燃焼加熱工程において、前記生成するシリカおよび該シリカ粉末が気化しない値である請求項２に記載のシリカ微粒子製造方法。
前記キャリアガスは空気より酸素濃度が高い請求項１〜５のいずれかに記載のシリカ微粒子製造方法。
前記キャリアガスは酸素である請求項１〜６のいずれかに記載のシリカ微粒子製造方法。