JP5076514B2 - 平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の製造方法および平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子 - Google Patents
平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の製造方法および平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子 Download PDFInfo
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Description
軟磁性金属粒子を用いた塗膜としては、磁気シールド膜が挙げられる。この磁気シールド膜は、電気機器の電子回路や電子部品を外部磁界から保護したり、電気機器から生じる磁界が外部へ漏洩するのを防止するために用いられている。また、この磁気シールド膜は、クレジットカードなどの磁気カードにおいても、データの偽造や変造を防止する目的で用いられている。さらに、この磁気シールド膜は、ICタグ(RFIDシステム)においても、軟磁性金属の高透磁率による磁界収束効果を応用し、電磁シールド膜として用いられている。
一方、軟磁性金属/樹脂複合体は、電子回路の消費電力の低下が可能であることから、高周波電子回路基板に用いられている。
また、軟磁性金属粒子としては、厚みが1μm以下の平板状であることが求められており、具体的には、扁平状、鱗片状、フレーク状など、様々な形状のものが提案されている(例えば、特許文献1〜3参照)。
また、平板状の軟磁性金属粒子は、厚みが1μm以下であるから、表皮効果により交流電流を透過させることができるので、渦電流による損失を低減することができる。
これらの平板状の軟磁性金属粒子は、アトマイズ法により作製した不定形状粒子を機械的に粉砕あるいは塑性変形することにより作製される。
しかしながら、従来の合金粒子の製造方法であるアトマイズ法では、一旦、合金成分の金属を溶融しなければならないため、合金成分の金属の融点や沸点などの物質固有の物性値によっては、合金を製造できないことがあった。例えば、ヤング率がニッケルや鉄の半分程度である亜鉛は、沸点がニッケルや鉄の融点以下であるため、通常の方法では、ニッケル、鉄および亜鉛からなる合金を製造することはできなかった。
さらに、このニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子に機械的応力を加えて塑性変形させることにより、平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子を生成するので、厚みが1μm以下かつアスペクト比が2以上の平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子を、工業的規模にて低製造コストで、効率的に製造することができる。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
ニッケル塩、鉄塩および亜鉛イオンを溶解する純水の量を、金属イオン(ニッケルイオン(Ni2+)、鉄イオン(Fe2+、Fe3+)および亜鉛イオン(Zn2+))0.1molに対して、0.1L以上かつ2L以下とするのが好ましい理由は、純水の量が0.1L未満では、ニッケル―鉄―亜鉛合金の結晶核の量が多くなり過ぎて、ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子同士が近付き過ぎる状態で成長するため、凝集が起こり易くなるからであり、一方、純水の量が2Lを超えると、還元剤によりこのニッケル塩―鉄塩―亜鉛塩水溶液に含まれるニッケルイオン、鉄イオンおよび亜鉛イオンを還元した際、ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の結晶核の生成する量が少なく、粗大粒子化し易くなるからである。
亜鉛塩の添加量が2重量%以上かつ10重量%以下の範囲であることが好ましい理由は、亜鉛塩の添加量が2重量%未満では、ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子が十分な塑性変形能を得られないためであり、一方、亜鉛塩の添加量が10重量%を超えると、亜鉛原子自体の磁気モーメントが小さいので飽和磁化が小さくなるからである。
本発明のニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の製造方法では、比較的強い還元力を得られることから、還元剤として、水酸化アルカリとヒドラジンを併用してなるものが好ましい。
水酸化アルカリの添加量を、ニッケル塩―鉄塩―亜鉛塩水溶液中のニッケルイオン、鉄イオンおよび亜鉛イオンのモル量に対して5倍量以上かつ10倍量以下とした理由は、水酸化アルカリの添加量が5倍量未満では、ヒドラジンが十分に還元性を発揮するpH12以上の強アルカリ性に達しないからであり、一方、水酸化アルカリの添加量が10倍量を超えても、pHがあまり変わらないからである。
ヒドラジンの添加量を、ニッケル塩―鉄塩―亜鉛塩水溶液中のニッケルイオン、鉄イオンおよび亜鉛イオンのモル量に対して2倍量以上かつ50倍量以下とした理由は、ヒドラジンの添加量が2倍量未満では、ニッケルイオン、鉄イオンおよび亜鉛イオンの還元反応が十分に進行しないからであり、一方、ヒドラジンの添加量が50倍量を超えても、未反応のヒドラジンが残るだけで生成するニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子に変化がないからである。
還元剤を添加した後のニッケル塩―鉄塩―亜鉛塩水溶液を加熱する温度が50℃未満では、ニッケルイオン、鉄イオンおよび亜鉛イオンの還元反応の進行が緩慢となるため、ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の生成効率が悪くなる。一方、還元剤を添加した後のニッケル塩―鉄塩―亜鉛塩水溶液を加熱する温度が80℃を超えると、生成したニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子が酸化するおそれがある。
また、ニッケルイオン、鉄イオンおよび亜鉛イオンの還元反応が均一に進行するようにするために、還元剤を添加した後のニッケル塩―鉄塩―亜鉛塩水溶液を、攪拌しながら加熱することが好ましい。
ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子から不純物イオンを除去する方法としては、例えば、ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子を純水中に分散させた後、ろ過する工程を繰り返す方法が挙げられる。
そして、本発明のニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の製造方法によって得られた、本発明のニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子は、飽和磁化が50emu/g以上かつ保磁力が100Oe以下であり、高い飽和磁化と低い保磁力をもつ軟磁性を示すと共に、特定の結晶方向に対して塑性変形し易く、小さな機械的応力で塑性変形可能な高い塑性変形能を有している。
このように、本発明のニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子は、小さな機械的応力で塑性変形可能なことから、塗料やペーストを作製する際の混合や混練によっても平板化することができるので、工程を簡略化することができる。
本発明の平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の製造方法は、本発明のニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子に機械的応力を加えて塑性変形させることにより、平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子を生成する方法である。
なお、本発明のニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子は、亜鉛が添加されているため、塑性変形能が極めて高く、したがって、過剰に高いエネルギーを加えることなく、平板状に変形することができる。
また、ボールの材質は、ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子を汚染するおそれがなく、このナノ粒子に機械的応力を効果的に加えることができるものであり、比重の大きなものであればよく、特に、耐食性などの点からジルコニアが好ましい。
ボールミルに充填するニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の量が、ボールの重量に対して、1/100未満では、ボールに対するニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の量が少な過ぎて、このナノ粒子は過剰に機械的応力が加えられて粉砕され、所定の平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子を生成できない。一方、ボールミルに充填するニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の量が、ボールの重量に対して、1/10を超えると、ボールに対するニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の量が多過ぎて、このナノ粒子に機械的応力が効果的に加えられないため、平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の生成効率が悪くなる。
また、アルコールの添加量は、ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の重量の2倍以上かつ5倍以下とすることが好ましい。
アルコールの添加量が、ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の重量の2倍未満では、ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の微細粒子化の抑制、ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の凝集の防止、ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の表面の酸化被膜の除去などの効果が十分に得られない。一方、アルコールの添加量が、ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の重量の5倍を超えても、処理時間が長くなるだけで、得られる平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子に変化がない。
本発明の平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の厚みが1μm以下であることが好ましい理由は、厚みが1μmを超えると、渦電流による損失を低減できないからである。
本発明の平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子のアスペクト比が2以上であることが好ましい理由は、アスペクト比が2を超えると、十分に配向方向の透磁率を高めることができないからである。
したがって、本発明の平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子によれば、特定方向の磁場に対して強く磁性を示す高透磁率材料が容易に得られる。
さらに、本発明の平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子を、非極性の溶媒中に分散させることにより、塗料やペーストが得られる。このような塗料やペーストは、電気機器やICタグ(RFIDシステム)などに塗布して磁気シールド膜を形成することにより、これら電気機器やICタグ(RFIDシステム)などに磁気シールド性を付与することができる。
さらに、本発明の平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子は、平板状であるから、隠蔽性にも優れているので、各種装飾品、あるいは表面処理などにも適用可能である。
塩化ニッケル六水和物(NiCl2・6H2O、特級試薬、関東化学社製)35.5gと、塩化第一鉄四水和物(FeCl2・4H2O、特級試薬、関東化学社製)7.9gと、硝酸亜鉛六水和物(Zn(NO3)2・6H2O)3.2gとを、純水300mLとメタノール200mLの混合溶液に溶解し、塩化ニッケル、塩化第一鉄および硝酸亜鉛の水溶液を調製した。
次いで、この水溶液に、濃度が6mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液200mLを攪拌しながら添加した。
次いで、この水溶液を攪拌しながら60℃に加熱し、さらに、ヒドラジン一水和物(N2H4・H2O、特級試薬、関東化学社製)300gを添加して、これらの水溶液を攪拌しながら60℃にて3時間、加熱して、黒色の粒子を得た。
次いで、この黒色の粒子を純水とエタノールで洗浄した後、真空中で乾燥して微粒子を得た。
さらに、振動試料型磁力計(VSM)により、このニッケル、鉄および亜鉛の合金粒子の飽和磁化および保磁力を測定したところ、飽和磁化は81emu/g、保磁力は33Oeであった。
次いで、このニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子1gと、直径が0.4mmのジルコニア製のボール12gと、エタノール10gとを、容積が75mLの樹脂製容器内に充填し、この樹脂製容器をボールミルにて30分回転させて、このニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子に機械的応力を加えた。
そして、走査型電子顕微鏡(SEM)により、処理後のニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の電子顕微鏡(図1参照)を得た。
塩化ニッケル六水和物(NiCl2・6H2O、特級試薬、関東化学社製)35.5gと、塩化第一鉄四水和物(FeCl2・4H2O、特級試薬、関東化学社製)7.9gとを、純水300mLとメタノール200mLの混合溶液に溶解し、塩化ニッケルと塩化第一鉄の水溶液を調製した。
次いで、この水溶液に、濃度が6mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液200mLを攪拌しながら添加した。
次いで、この水溶液を攪拌しながら60℃に加熱し、さらに、ヒドラジン一水和物(N2H4・H2O、特級試薬、関東化学社製)300gを添加して、これらの水溶液を攪拌しながら60℃にて3時間、加熱して、黒色の粒子を得た。
次いで、この黒色の粒子を純水とエタノールで洗浄した後、真空中で乾燥して微粒子を得た。
さらに、振動試料型磁力計(VSM)により、このニッケルと鉄の合金粒子の飽和磁化および保磁力を測定したところ、飽和磁化は92emu/g、保磁力は59Oeであった。
次いで、このニッケル―鉄合金ナノ粒子1gと、直径が0.4mmのジルコニア製のボール12gと、エタノール10gとを、容積が75mLの樹脂製容器内に充填し、この樹脂製容器をボールミルにて30分回転させて、このニッケル―鉄合金ナノ粒子に機械的応力を加えた。
そして、走査型電子顕微鏡(SEM)により、処理後のニッケル―鉄合金ナノ粒子の電子顕微鏡(図2参照)を得た。
Claims (4)
- ニッケル塩と鉄塩と亜鉛塩を含む水溶液に水酸化アルカリおよびヒドラジンを含有してなる還元剤を添加した後、この水溶液を50℃以上かつ80℃以下に加熱することにより、前記水溶液に含まれるニッケルイオン、鉄イオンおよび亜鉛イオンを同時に還元してニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子を生成し、このニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子に機械的応力を加えて塑性変形させることにより、平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子を生成することを特徴とする平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の製造方法。
- 前記水酸化アルカリの添加量は、前記水溶液中のニッケルイオン、鉄イオンおよび亜鉛イオンの合計モル量に対して5倍量以上かつ10倍量以下、前記ヒドラジンの添加量は、前記水溶液中のニッケルイオン、鉄イオンおよび亜鉛イオンの合計モル量に対して2倍量以上かつ50倍量以下であることを特徴とする請求項1に記載の平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の製造方法。
- 前記ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の飽和磁化が50emu/g以上かつ保磁力が100Oe以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の製造方法。
- 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子の製造方法によって得られた平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子であって、
厚みが1μm以下かつアスペクト比が2以上であることを特徴とする平板状ニッケル―鉄―亜鉛合金ナノ粒子。
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