JP2715861B2 - メカノケミカルによる非金属アモルファスの製造方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非金属アモルファスの製
造に係る。

【０００２】

【従来の技術】近年、多くの物質についてアモルファス
が注目され研究開発も進み、製品として市場に提供され
るまでに達している。アモルファス（非晶質）とは物質
を構成する結晶のような長い周期的原子配列が阻止され
た固体の状態を指し、古くから酸化性ガラスが広く知ら
れているが、最近はアモルファス化することによってそ
の物質が本来具えている物性とは別異の性質が見出さ
れ、多くの業界で注目されるようになった。

【０００３】アモルファスの特徴は巨視的に見て構造が
幾何学的に均一で、組成も均質なことである。結晶では
必ず結晶粒界や転位などの不均一な領域が存在するし、
析出や粒界偏析で局部的に不均質な組織が存在すること
が避けられないが、アモルファスは結晶自体がないので
あるから、個々の結晶構造の態様に起因する不均一性が
払拭され、物理的、化学的にきわめて均等な性質を保持
するという利点がある。近年は純金属としてＦｅ、Ｂ
ｉ、Ｎｉなど、合金としてＰｄ−Ｓｉ、Ｃｄ−Ｃｏな
ど、半導体としてＳｉ、Ｇｅなど、セラミックスとして
Ｓｉ−Ｃ、Ｌｉ−Ｎｂ−Ｏなどのアモルファスが商品と
して提供され、それぞれその特性を活かした用途に使用
されている。

【０００４】アモルファスの製造方法としては熱力学的
に安定な状態から非平衡プロセスによって実現すること
が原則である。たとえば合金などの金属やセラミックス
は溶融状態（液体）から急速冷却によって製造され、半
導体は気体状態からの凝縮、たとえばスパッタリング、
真空蒸着によって製造される。固体からの非平衡状態プ
ロセスとしては、結晶を粒子で照射してイオンを打ち込
み多数の欠陥を導入する方法や最近見出された薄膜（結
晶）の相互拡散の方法などが提示されてはいるが、経済
的に商品として成立した段階に達したとは見られていな
い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】既に述べたアモルファ
スは比較的付加価値の高い分野で使用されそれなりの効
用を揚げている。たとえば合金ではパワートランス、磁
気ヘッド、超伝導材として、半導体では太陽電池素地、
光電管フィルムとして、セラミックスではサーミスタ
ー、センサーとして使用されているから、一般に急速冷
却、真空蒸着、気相分解、スパッタリングなどの高度な
設備と少量生産であっても、そのことが直ちに商品化を
阻害する要素とはならない。しかし、アモルファスの特
性を生かしていままで以上の優れた物性を実現したい多
くの物質があり、この場合に経済的に見て生産性の低い
製造方法では実用化が難しい種類の製品が多くを占め
る。

【０００６】たとえば従来の陶磁器原料、耐火物原料な
どとして使用され、近年はゴム、プラスチック充填材、
農薬増量材の他、塗料、薬品、化粧品などにも使用され
るタルクやカオリンなどは、アモルファス化すれば溶解
速度が促進され、昇華速度が抑制され、磁気性能が向上
するなど、配合された多くの用途先においていままで以
上の優れた性質を商品にもたらすことが期待できる。し
かしカオリン、タルク、硫酸バリウムなどの汎用品は、
前記のような高度な設備で少量生産を許容することが経
済的バランスから判断して難しく、製品の性能向上はき
わめて望ましいが生産性を無視することができないとい
う課題が大きい。

【０００７】近年、固体の状態からアモルファスを製造
する方法として、前に述べた結晶の格子構造へイオンを
打ち込んで強制的に固溶体化する方法に代り、格子間の
結合エネルギーよりも強力な機械的エネルギーを加え、
構造を剪断分散させて非金属の無機物質をアモルファス
化する方法が、メカノケミカルの応用として報告されて
いる。この方法であれば設備費もさほどの負担にならず
きわめて有力な解決手段となり得る。しかし、現状では
アモルファスの品質と生産性の点で未だ満足される水準
に達していないことが課題となる。図９に示す折れ線は
回分式の振動ミル内へカオリンの粉末を供給して運転
し、２４０時間経過後に回収してＸ線解析を行なった結
果である。結晶が残存していると、結晶独自の特定の方
向性が現われる。すなわち規則的に並んだ原子にＸ線が
散乱して干渉される結果、ある条件を満たす独自の方向
だけが強められて、ある角度（図の横軸２θ＝入射波と
散乱波とで形成する角度）において幾つかのピークとな
って現われるのであり、これがブラッグ（Ｂｒａｇｇ）
反射と呼ばれアモルファス化の程度を確認する慣用的な
手段として適用されている。図のように２４０時間の作
動を受けても明らかなピークが消えないでそのまま残っ
ていることは、機械的なエネルギーによるアモルファス
化が殆どなされていないことを明示している。

【０００８】図１０は別のメカノケミカルによるアモル
ファス化を目指した従来技術であり、処理の対象となっ
た無機材はタルク、適用した機械的エネルギーの発生は
回分式の遊星ボールミルによる。（日本粉体工業技術協
会資料）この実験では原料トルクを回分式遊星ボールミ
ル内へタルク材を封じ込め、粉砕、剪断の機械的作用を
加えて運転し、９００、１８００、３６００秒‥‥‥と
時間を変えて排出し、Ｘ線解析を行なったものである。
この結果３６００秒以上の処理によってトルク個有のピ
ークが消え、ほぼ満足できるアモルファスが得られたこ
とを確認できたとしている。しかし、この報告によって
遊星ボールミルを使用すれば無機材料のアモルファス化
が可能であることを実験室的に突き止めたとはいえ、な
お、満足できる品質を得るのに１時間の作動が必要であ
り、回分式という非能率な少量処理と相俟って到底現実
の生産に適用できる段階に到達した内容とは言い難い。

【０００９】本発明は以上に述べた課題を解決するため
に、生産性が高く量産効果も大きいため、現実の生産活
動に適用できるメカノケミカルによる非金属アモルファ
スの製造方法およびその装置の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係るメカノケミ
カルによる非金属アモルファス製造方法は、乾式連続遊
星ボールミルの原料フィーダへ原料である無機物質を供
給し、公転しつつ同方向へ自転するミルポット内へ吸引
される空気とともに進入させ、ミルポット内にあらかじ
め装入された粉砕ボールとともに、

【数５】 数５で表わされるミルポット内部へ加わる遠心加速度比
Ｇを少なくとも３０以上に維持するとともに、

【数６】 数６で表わされる公転と自転に関する数値を０．４０〜
１．５０の範囲に限定して、圧縮、剪断、および／また
は衝撃粉砕作用を与えた後、ミルポットから気流に乗せ
て処理粉体を粉体回収装置へ誘導し分離回収することに
よって前記の課題を解決した。

【００１１】また、この場合において、粉体回収装置内
で分離回収した処理粉体を、分岐弁を介して原料フィー
ダへ帰還させ再び前回と同様の条件で乾式連続遊星ボー
ルミルのミルポット内へ供給して処理を加え、所望のア
モルファス化が進行するまで閉系路内を循環を繰り返す
ことであってもよい。

【００１２】また、このとき、粉体回収装置で分離回収
した処理粉体を分岐弁を介して原料フィーダではなく系
路内へ介装した貯留槽へ帰還させる方法であってもよ
い。

【００１３】このアモルファス製造方法に使用する装置
としては、粉砕ボールと原料とを装入し公転しつつ同方
向へ自転するミルポットを具えた乾式連続遊星ボールミ
ルにおいて、

【数７】 数７で表わされるミルポット内部へ加わる遠心加速度比
Ｇが３０乃至１５０の範囲まで自由に選択できる構造と
強度を具え、

【数８】 数８で表わされる自転と公転に関する数値が０．４〜
１．５０の範囲より選んだ何れかの構成よりなり、前方
に原料フィーダ、後方に粉体回収装置をそれぞれ連結
し、粉体回収装置での分離回収分を製品回収と、前方の
原料フィーダまたは貯留槽への帰還系路との何れでも任
意に選択できる分岐弁を介装した構成が要件である。

【００１４】

【作用】本発明でメカノケミカルの適用手段としては、
乾式連続遊星ボールミルを特定した。このミルの特徴
は、粉砕ボールを装入し自転しつつ公転するミルポット
内で気流に乗せて処理体を搬送し、その間に他の機種の
粉砕機には求められない強烈な粉砕、剪断、衝撃などの
機械的エネルギーを与える点にある。すなわち、たとえ
ば通常の転動式ボールミルは粉砕媒体と被砕物とが１本
の転動する円筒体内でカスケード運動を起こし、その重
力落下による圧潰と摩滅によって破砕作用が進行するの
に対し、乾式連続遊星ボールミルでは高速の公転、自転
による遠心力とコリオリス力とが相乗的に働いて原料に
与える機械的エネルギーは抜群である。この激しいエネ
ルギーの転嫁は必然的に原料の温度上昇をもたらし無機
物の品質に少なからぬ影響を与える筈であるが、無機物
質は気流に乗って移動して排出され、または気流に乗っ
て再度ミルポットへ帰還する機構を採っているから、冷
却作用を受けながら移動するため、品質の変化や相互の
凝集が阻止されて、機械的エネルギーは結晶構造の剪断
分散に効率よく消費される。

【００１５】実験の結果、乾式連続遊星ボールミルの具
えるべき条件として生産性の満足できるメカノケミカル
作用を発現するためには、ミルポット内へ加わる遠心加
速度比Ｇは少なくとも３０は必要であり、さらに無機材
の材質次第によって最高１５０までは必要となる蓋然性
が高く、これだけのＧを実現できる高能力の駆動力と、
この作動に耐え得る頑丈な部材およびその組合わせによ
る構造を具えることが装置としての要件である。

【００１６】乾式連続遊星ボールミルのいま一つの要件
は、自転と公転の関係であって、図４（Ａ）（Ｂ）
（Ｃ）に基いて説明する。これらの図は何れもミルポッ
ト内における粉砕ボールＢの運動状態とミルの公転、自
転の相対的比率の関係を示したものであり、公転角度を
ω₁、自転の相対角速度をω₂、両者の比率Ｒ＝ω₂／ω₁
とし、このＲの数値に本発明の実施例に使用された公転
直径やミルポットの内径の要素を加えて前に提示した数
式によって算出したｒと、ミルポット内でのボールの挙
動とを対比した説明図である。図（Ａ）はｒ＝０．７０
の状態であり、ボールは一体的、集団的にミルポットの
内壁に沿ってサージングし、内周面とボール、ボール同
士の間に装入された非金属粉体へ強力な剪断力、衝撃力
を与えてすべて有効なメカノケミカル作用となってエネ
ルギー転嫁が進行している。図（Ｂ）はｒ＝１．００、
また、図（Ｃ）はｒ＝１．５０の場合のボールの挙動を
現わしたもので、自転角速度が相対的に大きな割合にな
るほどボールの一部がミルポットの内周面から離れてミ
ルポット内の空間を飛翔しはじめ、ボール同士の衝突で
エネルギーの一部が無駄に消耗され、メカノケミカルの
目的からは後退した現象を見せ始める。この傾向はＲが
大きくなるとともに加速し、ある限度を超えると如何に
Ｇを高めても最早アモルファス化が困難となるので、乾
式連続遊星ボールミルの他の構成にもよるが、少なくて
もここで計算したｒは０．４から１．５０の範囲に留め
なければならない。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の実施例を示すフローチャート
である。図において乾式連続遊星ボールミル１の前方に
は原料フィーダ２が連結して無機質の原料Ａが定量づつ
供給される。乾式連続遊星ボールミルの後方には粉体回
収装置３が連結し、さらに後方のファン４が空気を吸引
して一方向へ進行する気流を形成し、乾式連続遊星ボー
ルミルで所定の機械作用を受けた原料はこの気流に乗っ
てミルポットから排出され、バグフィルタ内で空気と粉
体とに分離して空気は清浄化されて大気内へ放出され。
分離した製品は排出弁３１を開いて回収される。

【００１８】１回の機械的な作用を受けただけではな
お、所望のアモルファス化に達していないときには、原
料フィーダ２への原料Ａの供給を停止し、分岐弁３２を
帰還側へ切り替えて処理粉体を原料フィーダへ戻し、再
び乾式連続遊星ボールミル内へ装入して１回目と同様の
機械的な作用を受ける。このような条件は経験的にあら
かじめ知ることができるから、高度のアモルファス化が
得られる作動時間や循環回数などの無機材質別の作業基
準を確定しておくこともできる。

【００１９】図２は本発明の別の実施例のフローチャー
トであり、循環を繰り返す場合を想定して原料フィーダ
２の他に貯留槽５を介装し、粉体回収装置３で分離され
た処理粉体はこの貯留槽へ帰還し、ロードセル５１によ
って定量づつ計量して切り出しフィーダ５２を開いて乾
式連続遊星ボールミル１へ供給し再び機械的な作用を与
え、以下この手順を繰り返して所望のアモルファスを得
る。この場合には原料フィーダを処理粉体が通過しない
から、原料と混じり合うことがなく、品質上有利である
ことが多い。また、図３はさらに別の実施例を示すフロ
ーチャートであり第二の原料フィーダ２１を併用したも
のであり、ここで例示したフローに限らず、連続式のミ
ルではあるが、系路を適宜切り替えて処理品が循環し所
定の時間閉系路内で処理を繰り返し受ける構成として種
々の組合わせが可能であり、連続でありながら実質的に
は回分式の機能も満足できる系路を組めば、組合わせの
違いを問うところではない。

【００２０】図５は本発明の実施に望ましい乾式連続遊
星ボールミル１の一例を示した縦断正面図である。図に
おいて電動機１１によって駆動される主軸１２の回転を
受けて公転する複数のミルポット１３を主軸の周囲に均
等に配置し、該ミルポット１３自体も自己の回転軸を中
心に自転するものである。すなわちね主軸１２とともに
回転するミルポットの外周に遊星歯車１４を周設し、こ
の遊星歯車１４と噛み合う太陽歯車１５を別に回転また
は停止させてミルポットを公転しつつ自転させる。太陽
歯車は主軸に外嵌されている。ミルポットの内部には粉
砕ボールＢが装入されてミルポットの回転とともに独特
の運動を行なう。図示しない原料フィーダから供給され
た原料は供給口１６から主軸の軸芯に穿設した中心孔１
７および主軸と共回りする供給管１８を通ってミルポッ
ト内へ進入し後部の排出口１９から排出される。

【００２１】図６は本発明の実施例の一つを示す乾式連
続遊星ボールミルの作動条件を図示したものであり、ミ
ルポットの運動図式でもある。また、表１はこの図に対
する具体的な数値を与えたもので、実施例における運転
条件を示したものである。公転方向と自転方向とは同一
であり公転角速度はω₁、公転に対する自転の相対的角
速度はω₂、両者の比率はＲ、公転直径Ｋとミルポット
内径とを代入して算出した自公転の関係値をｒ、遠心加
速度比はＧで表わす。

【００２２】

【表１】

【００２３】図７はミルポット内へカオリンを装入して
前記の作動条件でメカノケミカル作用を施した結果を示
すＸ線解析図である。横軸は従来技術の説明と同様に入
射波と散乱波とで形成する角度である。一番上の折れ線
が原料である未処理のカオリンであり、連続遊星ボール
ミルへの原料供給を一時停止してミル内の処理時間を１
０、１５、２０分の三種類に変えた試料の線図である。
この図で明瞭なことはほぼ１５分の回分的な処理によっ
て最初に突出していた特徴的なピークがすべてなくなり
アモルファス化がほぼ完了した状態に達したことを証明
している。図８は循環回数（パス回数）とアモルファス
化の変遷を調べたデータであり、１パスは約１．５分で
ある。このデータからみてもこの実施例の作動条件であ
れば約１５分の循環処理によって商品化が許されるレベ
ルのアモルファスが得られることを証明している。

【００２４】

【発明の効果】本発明は以上に述べたようにメカノケミ
カルの作用によって生産性の高い非金属無機物質のアモ
ルファスを得ることができる。設備自体はさほど大きな
負担を強いるほどではないにも拘らず、従来技術におけ
る高度で非能率なアモルファス化と遜色のない優れた完
全非晶質が得られるから、比較的汎用される材質に適用
しても経済的に十分成り立つと考えられる。その結果、
より高い水準に達した機能材料の開発に大きな貢献を成
し遂げ、新素材の提供が様々な業界の新しい製品開発に
寄与することが期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例のフローチャートである。

【図２】別の実施例のフローチャートである。

【図３】さらに別の実施例のフローチャートである。

【図４】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）によってＲおよびｒの変動
とミルポット内の状態変化の関係を示す部分縦断正面図
である。

【図５】本発明実施例に適用する乾式連続遊星ボールミ
ルの縦断正面図である。

【図６】同例のミルポット部分の関係略図である。

【図７】実施例（回分的使用）の効果の一例を示すＸ線
解析図である。

【図８】別の実施例（循環的使用）の効果の一例を示す
Ｘ線解析図である。

【図９】従来技術のＸ線解析図である。

【図１０】別の従来技術のＸ線解析図である。

【符号の説明】

１ 乾式連続遊星ボールミル ２ 原料フィーダ ３ 粉体回収装置 ４ ファン ５ 貯留槽 11 電動機 12 主軸 13 ミルポット 14 遊星歯車 15 太陽歯車 16 供給口 17 中心孔 18 供給管 19 排出口 21 第二の原料フィーダ 31 排出弁 32 分岐弁 51 ロードセル 52 切り出しフィーダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−18939（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−94748（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−126257（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭45−23275（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 乾式連続遊星ボールミルの原料フィーダ
   へ原料である無機物質を供給し、公転しつつ同方向へ自
   転するミルポット内へ吸引される空気とともに進入さ
   せ、ミルポット内にあらかじめ装入された粉砕ボールと
   ともに、 【数１】 数１で表わされるミルポット内部へ加わる遠心加速度比
   Ｇを少なくとも３０以上に維持するとともに、 【数２】 数２で表わされる公転と自転に関する数値を０．４０〜
   １．５０の範囲に限定して、圧縮、剪断、および／また
   は衝撃粉砕作用を与えた後、ミルポットから気流に乗せ
   て処理粉体を粉体回収装置へ誘導し分離回収することを
   特徴とするメカノケミカルによる非金属アモルファス製
   造方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、粉体回収装置内で分
   離回収した処理粉体を、分岐弁を介して原料フィーダへ
   帰還させ再び前回と同様の条件で乾式連続遊星ボールミ
   ルのミルポット内へ供給して処理を加え、所望のアモル
   ファス化が進行するまで閉系路内で循環を繰り返すこと
   を特徴とするメカノケミカルによる非金属アモルファス
   の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項２において、粉体回収装置で分離
   回収した処理粉体を分岐弁を介して系路内へ介装した貯
   留槽へ帰還させることを特徴とするメカノケミカルによ
   る非金属アモルファスの製造方法。
4. 【請求項４】 粉砕ボールと原料とを装入し公転しつつ
   同方向へ自転するミルポットを具えた乾式連続遊星ボー
   ルミルにおいて、 【数３】 数３で表わされるミルポット内部へ加わる遠心加速度比
   Ｇが３０乃至１５０の範囲まで自由に選択できる構造と
   強度を具え、 【数４】 数４で表わされる自転と公転に関する数値が０．４〜
   １．５０の範囲から選んだ何れかの構成よりなり、前方
   に原料フィーダ、後方に粉体回収装置をそれぞれ連結
   し、粉体回収装置での分離回収分を製品回収と、前方の
   原料フィーダまたは貯留槽への帰還系路との何れでも任
   意に選択できる分岐弁を介装したことを特徴とするメカ
   ノケミカルによる非金属アモルファスの製造装置。