JP3208440B2 - Method and apparatus for producing zinc oxide whiskers and zinc oxide whiskers - Google Patents
Method and apparatus for producing zinc oxide whiskers and zinc oxide whiskersInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、従来よりも長い針状結
晶からなる酸化亜鉛ウイスカ、ならびにその製造方法お
よび製造装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a zinc oxide whisker made of needle-like crystals longer than before, and a method and an apparatus for producing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】酸化亜鉛(ZnO)は、種々の用途を有
する化学製品であり、顔料として塗料や絵の具に広く用
いられる他、ゴムの加硫促進剤、バリスタ、フェライト
等の電子部品用材料、合成樹脂等の添加剤、セラミック
ス製品等の添加剤、化粧品や医薬品の添加剤などに用い
られる。さらに、酸化亜鉛は、その結晶の特性を活かし
て、金属、セラミックスおよび樹脂等の補強材、フィル
タ材、触媒担体、温度センサ、電磁波シールド材などに
利用することもできる。2. Description of the Related Art Zinc oxide (ZnO) is a chemical product having various uses, and is widely used as a pigment in paints and paints, as well as vulcanization accelerators for rubber, materials for electronic components such as varistors and ferrites, and the like. It is used for additives such as synthetic resins, additives for ceramics products, and additives for cosmetics and pharmaceuticals. Further, zinc oxide can also be used as a reinforcing material such as metal, ceramics, and resin, a filter material, a catalyst carrier, a temperature sensor, an electromagnetic wave shielding material, and the like, by utilizing the characteristics of the crystal.
【0003】酸化亜鉛の結晶は、六方晶系ウルツ鉱型構
造を有する。結晶においてc軸方向の成長速度は、a軸
方向に比べて著しく大きいため、酸化亜鉛の結晶は針状
になりやすいことが知られている。そこで、酸化亜鉛の
ウイスカを製造する方法が種々検討されてきている。[0003] The crystals of zinc oxide have a hexagonal wurtzite structure. It is known that the growth rate of the crystal in the c-axis direction is significantly higher than that in the a-axis direction, so that the zinc oxide crystal tends to be acicular. Therefore, various methods for producing zinc oxide whiskers have been studied.
【0004】特開昭50−6597号公報は、亜鉛とこ
れより沸点の高い金属からなる合金または混合物を、酸
素を含有する雰囲気下において加熱し、下地物質上に酸
化亜鉛のウイスカを成長せしめる方法を開示する。同公
報は、Zn−Cu合金を加熱する方法において、直径3
0〜80μm、長さ10〜30mmのウイスカが得られ
ることを記載する。Japanese Patent Application Laid-Open No. 50-6597 discloses a method of growing an zinc oxide whisker on a base material by heating an alloy or a mixture of zinc and a metal having a higher boiling point in an atmosphere containing oxygen. Is disclosed. This publication discloses a method of heating a Zn—Cu alloy, which has a diameter of 3 mm.
It is described that whiskers having a length of 0 to 80 μm and a length of 10 to 30 mm are obtained.
【0005】一方、特公昭60−5529号公報は、気
相中において、酸化亜鉛の針状結晶を成長させる方法を
開示する。同公報に記載される製造方法は、酸素を含有
する雰囲気中に金属亜鉛蒸気を噴出して亜鉛を酸化燃焼
せしめた後、直ちに生成した酸化亜鉛を480℃/秒以
上の冷却速度で急冷することを特徴とする。この方法に
より形成される針状結晶の長さは、1μm〜数μm程度
である。On the other hand, Japanese Patent Publication No. 60-5529 discloses a method for growing needle-like crystals of zinc oxide in a gas phase. According to the production method described in the publication, after zinc metal is jetted into an oxygen-containing atmosphere to oxidize and burn zinc, the produced zinc oxide is immediately cooled at a cooling rate of 480 ° C./sec or more. It is characterized by. The length of the acicular crystal formed by this method is about 1 μm to several μm.
【0006】特開平2−192499号公報、特開平4
−132700号公報、特開平4−144995号公
報、特開平4−170399号公報、特開平5−975
97号公報および特開平6−92797号公報も、同様
に、亜鉛蒸気を供給した気相中において、亜鉛蒸気を酸
化させ、酸化亜鉛ウイスカを得る製造方法および製造装
置を開示する。これらの方法および装置において生成さ
れる酸化亜鉛ウイスカは、核部と、該核部から異なる4
軸方向に延びた針状結晶部とからなるテトラポット状の
構造を有する。得られる結晶において、核部の径は0.
7〜14μm、針状部の長さは数10〜数100μmで
ある。[0006] JP-A-2-192499, JP-A-Hei-4
-132700, JP-A-4-144995, JP-A-4-170399, JP-A-5-975
No. 97 and JP-A-6-92797 also disclose a production method and a production apparatus in which zinc vapor is oxidized in a gas phase supplied with zinc vapor to obtain zinc oxide whiskers. The zinc oxide whiskers produced in these methods and devices have a core and a different 4
It has a tetrapod-like structure consisting of an axially extending needle-like crystal part. In the obtained crystal, the diameter of the core is 0.
The length of the needle-shaped part is several tens to several hundreds of micrometers.
【0007】一方、特開平1−252599号公報およ
び特開平1−252600号公報に開示される製造方法
は、酸化皮膜を有する亜鉛粉末を、酸素を含む雰囲気下
で加熱処理してテトラポット形状の酸化亜鉛ウイスカを
生成させることを特徴とする。この方法により製造され
るウイスカは、核部と、該核部から異なる4軸方向に延
びる針状結晶部とからなり、そこにおいて、針状結晶部
の基部の径は0.7〜14μm、針状結晶部の長さは3
〜200μmである。On the other hand, the production methods disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 1-252599 and 1-252600 heat a zinc powder having an oxide film in an atmosphere containing oxygen to form a tetrapod-shaped zinc powder. It is characterized by generating zinc oxide whiskers. The whisker produced by this method is composed of a core portion and a needle-like crystal portion extending from the core portion in different four-axis directions, wherein the base of the needle-like crystal portion has a diameter of 0.7 to 14 μm and a needle. The length of the crystal part is 3
200200 μm.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】細長い針状の単結晶で
あるウイスカは、構造欠陥がほとんどない理想的に完全
に近い結晶で、機械的強度においても非常に優れてい
る。このため、複合材料の素材として、またその物性を
活かした用途において有用である。酸化亜鉛ウイスカを
これらの用途に適用する場合、従来よりサイズの大きな
もの、特により長いウイスカは、その応用範囲が広く、
強化材料、フィルタ材料、触媒担体材料、センサ材料、
電磁波シールド材料等の素材としてより有用である。A whisker, which is an elongated needle-like single crystal, is an ideally perfect crystal with almost no structural defects, and has very excellent mechanical strength. For this reason, it is useful as a material for a composite material and in applications utilizing its physical properties. When applying zinc oxide whiskers to these applications, those with a larger size than before, especially longer whiskers, have a wide application range,
Reinforcement materials, filter materials, catalyst carrier materials, sensor materials,
It is more useful as a material such as an electromagnetic wave shielding material.
【0009】本発明の1つの目的は、従来よりもサイズ
の大きな酸化亜鉛ウイスカ、特により長い酸化亜鉛ウイ
スカを提供することにある。It is an object of the present invention to provide zinc oxide whiskers that are larger in size than conventional ones, especially longer zinc oxide whiskers.
【0010】本発明のもう1つの目的は、より長い酸化
亜鉛ウイスカを、容易にかつ再現性よく生成することの
できる方法を提供することである。It is another object of the present invention to provide a method by which longer zinc oxide whiskers can be produced easily and reproducibly.
【0011】本発明のさらなる目的は、より長い酸化亜
鉛ウイスカを連続的に製造できる方法および装置を提供
することにある。[0011] It is a further object of the present invention to provide a method and apparatus for continuously producing longer zinc oxide whiskers.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明に従う酸化亜鉛ウ
イスカの製造方法は、成長させるべきウイスカを保持す
るための基材を備える環境下において、亜鉛源を、還元
剤とともに、酸化鉛の存在下で加熱することにより、前
記基材上に酸化亜鉛のウイスカを成長せしめることを特
徴とする。According to the present invention, there is provided a method for producing zinc oxide whiskers, comprising the steps of: providing a zinc source together with a reducing agent in the presence of lead oxide in an environment having a substrate for holding whiskers to be grown; By heating the substrate, zinc oxide whiskers are grown on the substrate.
【0013】本発明において、亜鉛源として、亜鉛自体
および酸化亜鉛、たとえば粉末の亜鉛および酸化亜鉛等
を用いることができる。また、亜鉛源として、亜鉛めっ
きスラッジ、清掃工場において発生する焼却灰(ボトム
アッシュおよびフライアッシュ)、古タイヤ焼却灰など
の亜鉛を含む廃棄物を用いることもできる。また、金属
亜鉛と酸化亜鉛の混合物、金属亜鉛と酸化亜鉛との固溶
体、金属亜鉛を酸化したもの等も用いることができる。
さらに、塩化亜鉛等の亜鉛化合物と金属亜鉛または酸化
亜鉛との混合物等も亜鉛源として用いてもよい。亜鉛源
は、種々の形態で用いることができるが、たとえば粉末
または顆粒の形態で使用することができる。In the present invention, zinc itself and zinc oxide, such as powdered zinc and zinc oxide, can be used as the zinc source. Further, as a zinc source, zinc-containing wastes such as galvanized sludge, incineration ash (bottom ash and fly ash) generated in a cleaning plant, and old tire incineration ash can be used. Further, a mixture of zinc metal and zinc oxide, a solid solution of zinc metal and zinc oxide, an oxidized zinc metal, and the like can also be used.
Further, a mixture of a zinc compound such as zinc chloride and metallic zinc or zinc oxide may be used as a zinc source. The zinc source can be used in various forms, for example in the form of a powder or granules.
【0014】本発明において、亜鉛源は、還元剤ととも
に加熱される。還元剤には、炭素、水素、一酸化炭素等
がある。特に炭素は安価であり、本発明において好まし
い還元剤である。炭素源には、炭素自体の他、廃木材、
間伐材、流木材、農産物残渣、食品残渣、植物残渣など
の廃棄物を炭化して得られる炭を好ましく用いることが
できる。これらの炭素源は、亜鉛源とより密に接触する
ことが望ましいため、細かく粉砕されたものがより好ま
しい。In the present invention, the zinc source is heated together with the reducing agent. Reducing agents include carbon, hydrogen, carbon monoxide and the like. In particular, carbon is inexpensive and is a preferred reducing agent in the present invention. Carbon sources include carbon itself, waste wood,
Charcoal obtained by carbonizing waste such as thinned wood, driftwood, agricultural residue, food residue, and plant residue can be preferably used. Since it is desirable that these carbon sources come into more close contact with the zinc source, finely ground carbon sources are more preferable.
【0015】本発明において、亜鉛源は、還元剤ととも
に、酸化鉛の存在下で加熱される。酸化鉛には、Pb3
O4 、Pb2 O3 、PbO2 、PbO等が含まれる。加
熱条件下では、PbO2 →Pb2 O3 →Pb3 O4 →P
bOの変換が起こると考えられ、本発明ではPbO2 ま
たはPbOが特に好ましく用いられる。また酸化鉛を含
む材料も適宜用いることができ、そのような材料とし
て、たとえば焼却灰(たとえばフライアッシュ)を用い
ることもできる。In the present invention, the zinc source is heated together with a reducing agent in the presence of lead oxide. Pb 3 in lead oxide
O 4 , Pb 2 O 3 , PbO 2 , PbO and the like are included. Under the heating condition, PbO 2 → Pb 2 O 3 → Pb 3 O 4 → P
It is believed that bO conversion occurs, and PbO 2 or PbO is particularly preferably used in the present invention. Also, a material containing lead oxide can be used as appropriate, and for example, incineration ash (for example, fly ash) can be used as such a material.
【0016】本発明において、酸化鉛は、亜鉛源と混合
されてもよいし、成長させるべきウイスカを支持する基
材側に存在させてもよい。酸化鉛を基材側に存在させる
場合、酸化鉛は、基材に含有させるか、または基材に付
着させることができる。基材表面に酸化鉛を付着させる
ため、蒸着または酸化鉛を含む溶液等の塗布などを行な
うことができる。In the present invention, the lead oxide may be mixed with a zinc source or may be present on the side of the substrate supporting the whisker to be grown. When lead oxide is present on the substrate side, the lead oxide can be contained in the substrate or attached to the substrate. In order to deposit lead oxide on the surface of the base material, vapor deposition or application of a solution containing lead oxide or the like can be performed.
【0017】ウイスカを保持するための基材は、加熱温
度において、化学変化を受けず形状保持する材料から構
成されることが望ましい。そのような材料として、耐熱
性ステンレス鋼、セラミックス等を挙げることができ
る。セラミックスには、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケ
イ素等が含まれる。基材は、種々の形状とすることがで
きるが、たとえば、網状、針状、パンチングメタル等が
好ましい。また、基材として平板を用いることもでき
る。It is desirable that the base material for holding the whiskers is made of a material that does not undergo a chemical change at the heating temperature and retains its shape. Examples of such materials include heat-resistant stainless steel and ceramics. Ceramics include alumina, silicon nitride, silicon carbide and the like. The substrate can be formed into various shapes, and for example, a net shape, a needle shape, a punching metal, or the like is preferable. Further, a flat plate can be used as the base material.
【0018】本発明において、亜鉛源は、還元剤ととも
に加熱される。また、亜鉛源、還元剤および酸化鉛を含
む混合物が加熱されてもよい。加熱温度は、たとえば、
750℃〜1200℃、好ましくは750℃〜1000
℃、より好ましくは800℃〜900℃である。また、
基材も同様に750℃〜1200℃、好ましくは750
℃〜1000℃、より好ましくは800℃〜900℃の
範囲の温度で保持することができる。加熱時間は、たと
えば30〜120分間である。このような短い時間にお
いて、十分な結晶成長がみられる。加熱により、ウイス
カ生成のための成分が気化し、基材上に蒸着し、ウイス
カの成長が起こる。In the present invention, the zinc source is heated together with the reducing agent. Also, a mixture containing a zinc source, a reducing agent and lead oxide may be heated. The heating temperature is, for example,
750 ° C to 1200 ° C, preferably 750 ° C to 1000 ° C
° C, more preferably 800 ° C to 900 ° C. Also,
The substrate is likewise 750 ° C to 1200 ° C, preferably 750 ° C.
It can be maintained at a temperature in the range of from 1000C to 1000C, more preferably from 800C to 900C. The heating time is, for example, 30 to 120 minutes. In such a short time, sufficient crystal growth is observed. By heating, components for whisker generation are vaporized and deposited on the substrate, and whisker growth occurs.
【0019】加熱のための雰囲気として空気を好ましく
用いることができる。また、一酸化炭素、水素等の還元
性雰囲気を好ましく用いることができ、窒素、アルゴン
等の不活性雰囲気も用いることができる。Air can be preferably used as an atmosphere for heating. Further, a reducing atmosphere such as carbon monoxide and hydrogen can be preferably used, and an inert atmosphere such as nitrogen and argon can be used.
【0020】本発明では、酸化鉛が酸化亜鉛の結晶成長
に寄与しているが、さらにより良好な結晶成長に寄与す
る成分として、水酸化カルシウム、酸化ケイ素およびそ
れらの混合物からなる群から選択される材料を挙げるこ
とができる。亜鉛源を、還元剤および酸化鉛の存在下
で、水酸化カルシウム、酸化ケイ素またはそれらの混合
物とともに加熱することで、針状結晶の成長を促進させ
ることができる。In the present invention, lead oxide contributes to the crystal growth of zinc oxide, and as a component that contributes to further better crystal growth, it is selected from the group consisting of calcium hydroxide, silicon oxide and mixtures thereof. Materials. Heating a zinc source with calcium hydroxide, silicon oxide or a mixture thereof in the presence of a reducing agent and lead oxide can promote needle crystal growth.
【0021】本発明において、各原料の使用量は、たと
えば亜鉛源100重量部に対して、酸化鉛10重量部以
上、好ましくは50〜200重量部、炭素等の還元剤5
0重量部以上、好ましくは30〜800重量部、とする
ことができる。また、亜鉛源100重量部に対し、たと
えば、水酸化カルシウム1重量部以上、好ましくは70
0〜1500重量部、酸化ケイ素1重量部以上、好まし
くは1〜500重量部を添加することができる。In the present invention, the amount of each raw material used is, for example, 10 parts by weight or more, preferably 50 to 200 parts by weight of lead oxide, 100 parts by weight of zinc source, and 5 parts by weight of a reducing agent such as carbon.
It can be 0 parts by weight or more, preferably 30 to 800 parts by weight. Further, for example, 1 part by weight or more of calcium hydroxide, preferably 70 parts by weight,
0 to 1500 parts by weight, 1 part by weight or more of silicon oxide, preferably 1 to 500 parts by weight can be added.
【0022】また、本発明に従う酸化亜鉛ウイスカの製
造方法は、次の各工程を備えることができる。まず、亜
鉛源、還元剤および酸化鉛を含む組成物を調製する。調
製された組成物を、成長させるべき結晶を保持するため
の基材を備える環境下において、所定の時間、加熱する
ことにより前記組成物の成分を蒸発せしめ、前記組成物
の成分を含む気相から基材上に酸化亜鉛のウイスカを成
長させる。ウイスカの付着した基材を別の場所に移動さ
せた後、基材からウイスカを分離および回収する。この
ようなプロセスにおける種々の条件には、上述したもの
を用いることができる。この製造方法は、バッチ方式お
よび連続方式のいずれにおいても実施することができ
る。連続方式の場合、組成物の調製工程、ウイスカの成
長工程ならびにウイスカの分離および回収工程が連続的
に行なわれる。The method for producing zinc oxide whiskers according to the present invention can include the following steps. First, a composition containing a zinc source, a reducing agent and lead oxide is prepared. The prepared composition is heated for a predetermined period of time in an environment having a substrate for holding a crystal to be grown, thereby evaporating the components of the composition, and a gas phase containing the components of the composition. To grow zinc oxide whiskers on the substrate. After moving the substrate with the whisker to another location, the whisker is separated and recovered from the substrate. As the various conditions in such a process, those described above can be used. This manufacturing method can be carried out in any of a batch system and a continuous system. In the case of the continuous method, the step of preparing the composition, the step of growing the whisker, and the step of separating and collecting the whisker are performed continuously.
【0023】本発明に従って酸化亜鉛ウイスカの製造装
置を提供することができる。本発明の装置は、亜鉛源、
還元剤、酸化鉛を含有する材料および必要な添加物をそ
れぞれ異なる場所に貯蔵し、適宜それらを混合し、得ら
れた混合物を供給するための原料供給手段と、原料供給
手段からの混合物を受取り、搬送しながら所定の時間加
熱するための搬送加熱手段と、搬送加熱手段に対向して
設けられ、搬送加熱手段上で加熱された混合物からの成
分を蒸着させて、酸化亜鉛のウイスカを成長させるため
の基材と、基材を移動させるための手段と、移動された
基材上に付着するウイスカを、基材から分離および回収
するための手段と、搬送加熱手段から排出される混合物
の残渣を回収するための手段とを備える。この装置は、
特に、連続方式の製造方法に適用することができる。According to the present invention, an apparatus for producing zinc oxide whiskers can be provided. The apparatus of the invention comprises a zinc source,
A material containing a reducing agent, lead oxide and necessary additives are stored in different places, respectively, and they are mixed appropriately, and a raw material supply means for supplying the obtained mixture and a mixture from the raw material supply means are received. A transport heating means for heating for a predetermined time while transporting, and a component provided from the mixture heated on the transport heating means, which is provided opposite to the transport heating means, to grow whiskers of zinc oxide. Substrate, means for moving the substrate, means for separating and recovering the whisker adhering on the moved substrate from the substrate, and residue of the mixture discharged from the transport heating means Means for collecting the This device is
In particular, it can be applied to a continuous manufacturing method.
【0024】本発明に従う装置を、図1により具体的に
示す。酸化亜鉛ウイスカの製造装置10は、原料供給部
20、原料の搬送・加熱部30、ウイスカ成長・捕集部
40、ウイスカ分離・回収部50および原料回収部60
の5つに分けることができる。原料供給部20は、亜鉛
源、還元剤、酸化鉛、および添加剤をそれぞれ収容し、
所定量排出することのできる容器11a、11b、11
c、11dと、それらの容器から排出された材料を混合
し、原料の搬送・加熱部30に送出する混合・供給機1
2とを備える。この部分において、所定量の原料が混合
され、連続的に供給される。原料の搬送・加熱部30
は、たとえば、コンベア21と、ヒータ(図示せず)と
を備える。原料供給部20から連続的に供給される混合
物14は、コンベア21に載せられ、所定の距離だけ搬
送されていく。その間に混合物14は、ヒータ(図示せ
ず)により所定の温度(たとえば750℃〜1000
℃)に加熱される。コンベア21の上方には、ウイスカ
成長・捕集部40が設けられる。ウイスカ成長・捕集部
40も、コンベア31で形成することができる。コンベ
ア31を構成するベルト32は、ウイスカを支持するた
めの基材として働くことができる。ベルトは、たとえば
ステンレス鋼、セラミックス等の耐熱性材料で構成され
ることが望ましい。コンベア21とコンベア31の移動
速度は、所望のウイスカサイズおよび収量が得られるよ
う調整される。原料混合物は、コンベア21上において
加熱され、その成分が蒸発される空間33から、酸化亜
鉛の結晶がベルト32上で成長していく。なお空間33
の雰囲気および温度を保持するため、コンベア21と3
1の間に、仕切り34aおよび34bが設けられる。な
おヒータを、空間33内に設けることができる。ベルト
32上に成長したウイスカ35は、矢印の方向に移動さ
れ、結晶成長のための空間33から離されていく。ウイ
スカ35は、コンベア31の所定の位置(たとえばコン
ベアの末端部)で、かき取手段41(たとえばかき取
板)により、ベルト32から分離される。そして、ウイ
スカ35は、回収容器42に収容される。上述した回収
部50は、このかき取手段41および回収容器42を備
える。一方、コンベア21上に残った原料残渣は、その
まま運搬されていき、所定の場所、たとえばコンベアの
末端において回収容器61に収容される。以上の装置に
より、酸化亜鉛ウイスカを連続的に生産することができ
る。The device according to the invention is more particularly shown in FIG. The zinc oxide whisker manufacturing apparatus 10 includes a raw material supply unit 20, a raw material transport / heating unit 30, a whisker growth / collection unit 40, a whisker separation / recovery unit 50, and a raw material recovery unit 60.
It can be divided into five. The raw material supply unit 20 contains a zinc source, a reducing agent, lead oxide, and an additive, respectively,
Containers 11a, 11b, 11 capable of discharging a predetermined amount
a mixing / supplying machine 1 for mixing c and 11d with the materials discharged from the containers and sending the mixed materials to the conveying / heating unit 30 for the raw materials
2 is provided. In this part, a predetermined amount of raw materials are mixed and continuously supplied. Material transfer / heating unit 30
Includes, for example, a conveyor 21 and a heater (not shown). The mixture 14 continuously supplied from the raw material supply unit 20 is placed on a conveyor 21 and transported by a predetermined distance. Meanwhile, the mixture 14 is heated to a predetermined temperature (for example, 750 ° C. to 1000 ° C.) by a heater (not shown).
° C). A whisker growing / collecting unit 40 is provided above the conveyor 21. The whisker growing / collecting section 40 can also be formed by the conveyor 31. The belt 32 constituting the conveyor 31 can function as a base material for supporting the whisker. The belt is desirably made of a heat-resistant material such as stainless steel and ceramics. The moving speed of the conveyor 21 and the conveyor 31 is adjusted to obtain a desired whisker size and yield. The raw material mixture is heated on the conveyor 21, and zinc oxide crystals grow on the belt 32 from the space 33 where the components are evaporated. The space 33
Conveyors 21 and 3 to maintain the atmosphere and temperature of
Between them, partitions 34a and 34b are provided. Note that a heater can be provided in the space 33. The whisker 35 grown on the belt 32 is moved in the direction of the arrow, and is separated from the space 33 for crystal growth. The whisker 35 is separated from the belt 32 by a scraping means 41 (for example, a scraping plate) at a predetermined position on the conveyor 31 (for example, at the end of the conveyor). Then, the whisker 35 is stored in the collection container 42. The collecting section 50 described above includes the scraping means 41 and the collecting container 42. On the other hand, the raw material residue remaining on the conveyor 21 is transported as it is, and is stored in a predetermined location, for example, a collection container 61 at the end of the conveyor. With the above apparatus, zinc oxide whiskers can be continuously produced.
【0025】本発明の製造方法によって製造される酸化
亜鉛ウイスカは、たとえば30mm以上、より好ましく
は35mm以上の長さを有することを特徴とする。より
具体的には、太さが15〜35μmで長さが30〜60
mmの針状結晶からなる酸化亜鉛ウイスカを本発明に従
って提供することができる。このようなサイズのウイス
カは、上述した製造方法によって初めて得られるもので
ある。得られる針状結晶は、六方晶系においてc軸成長
の結果もたらされるものである。The zinc oxide whisker produced by the production method of the present invention has a length of, for example, 30 mm or more, more preferably 35 mm or more. More specifically, the thickness is 15 to 35 μm and the length is 30 to 60 μm.
Zinc oxide whiskers consisting of mm needle crystals can be provided according to the present invention. Whisker of such a size is obtained for the first time by the above-described manufacturing method. The resulting needles are the result of c-axis growth in a hexagonal system.
【0026】[0026]
【作用】本発明の方法により長いウイスカが生成される
メカニズムは、今のところ明らかではない。以下に記載
する具体例が示すように、亜鉛または酸化亜鉛、還元剤
(たとえば炭素)および酸化鉛の存在が、長いウイスカ
の成長に寄与している。そして、還元剤の作用による酸
化亜鉛から亜鉛への変換、および酸化鉛を介する亜鉛へ
の酸素の供給が、長いウイスカの生成に重要な役割を果
たしていると考えられる。The mechanism by which long whiskers are produced by the method of the present invention is not clear at present. As the examples described below show, the presence of zinc or zinc oxide, a reducing agent (eg, carbon) and lead oxide contributes to the growth of long whiskers. It is considered that the conversion of zinc oxide to zinc by the action of the reducing agent and the supply of oxygen to zinc via lead oxide play an important role in the generation of long whiskers.
【0027】本発明者らは、確かではないが、亜鉛源の
加熱および還元により、生成した亜鉛が、基材に蒸着す
る際にうまいタイミングで酸化鉛を介して酸素を受取
り、酸化され、酸化亜鉛のウイスカが基材上で成長する
メカニズムを推測している。酸化鉛が十分にあれば、亜
鉛に酸素を供給し続けることができ、より長い酸化亜鉛
ウイスカが生成されると推測される。このプロセスにお
いて、酸化鉛もある程度昇華されていると推測される
が、確かではない。また、基材上で蒸着によりウイスカ
を成長させていくことも、より長いウイスカを得る上で
重要であると考えられる。さらに基材は、ウイスカの分
離および回収を容易にする。Although the present inventors are not certain, due to heating and reduction of the zinc source, the generated zinc receives oxygen via lead oxide at a good timing when being deposited on the substrate, and is oxidized. We speculate the mechanism by which zinc whiskers grow on the substrate. It is assumed that if the lead oxide is sufficient, zinc can be continuously supplied with oxygen, and longer zinc oxide whiskers are generated. In this process, it is speculated that lead oxide is also sublimated to some extent, but it is not certain. It is also considered that growing whiskers by vapor deposition on the substrate is important for obtaining longer whiskers. Further, the substrate facilitates whisker separation and recovery.
【0028】さらに本発明者らは、シリコン酸化物(S
iO2 )、水酸化カルシウム(Ca(OH)2 )または
それらの混合物が、ウイスカの成長を促進することを見
い出した。以下の実施例で示すように、SiO2 は、主
にウイスカが真直ぐ成長することを助ける作用を備えて
いるようであり、Ca(OH)2 は、ウイスカの成長を
より促進する作用を有するようである。Further, the present inventors have found that silicon oxide (S
It has been found that iO 2 ), calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) or mixtures thereof promote whisker growth. As shown in the following examples, SiO 2 seems to have an action mainly to help whisker grow straight, and Ca (OH) 2 seems to have an action to promote whisker growth more. It is.
【0029】以下の実施例に示すように、本発明によれ
ば、数mm〜数10mmの酸化亜鉛ウイスカを、短時間
で生成させることが可能である。また条件によっては数
10mm以上の長さを有する酸化亜鉛ウイスカを本発明
に従って生成できることが期待される。As shown in the following examples, according to the present invention, zinc oxide whiskers of several mm to several tens of mm can be generated in a short time. Depending on the conditions, it is expected that zinc oxide whiskers having a length of several tens of mm or more can be produced according to the present invention.
【0030】[0030]
【実施例】 実施例1 亜鉛源として酸化亜鉛を用いた。酸化亜鉛の粉末0.3
g、酸化鉛の粉末0.1g、Ca(OH)2 粉末2.5
g、SiO2 粉末1.0gおよび炭(粉末)1.5gを
混合し、混合物を50ml容量のルツボに収容した。ル
ツボ内の原料に、ウイスカ成長用の基材として、ステン
レス鋼製の針金または金網を立て、ルツボにフタをし
た。ルツボおよびルツボのフタはアルミナ製であった。
この状態を図2および図3に示す。図2(a)は、その
断面図、(b)は上から見た正面図、(c)はウイスカ
が成長したときの様子を模式的に示す断面図であり、ル
ツボ71内には、原料混合物72が収容され、そして針
金73が立てられている。ルツボ71には、その内部の
雰囲気を保持するためフタ74がされる。図3(a)
は、断面図、(b)は正面図、(c)はウイスカが成長
したときの様子を模式的に示す断面図であり、原料混合
物72上方には、金網部材75がウイスカ成長用の基材
として設けられている。EXAMPLES Example 1 Zinc oxide was used as a zinc source. Zinc oxide powder 0.3
g, lead oxide powder 0.1 g, Ca (OH) 2 powder 2.5
g, by mixing SiO 2 powder 1.0g and charcoal (powder) 1.5 g, and the mixture was housed in a crucible of 50ml capacity. A stainless steel wire or wire mesh was set up on the raw material in the crucible as a base material for whisker growth, and the crucible was covered with a lid. The crucible and the crucible lid were made of alumina.
This state is shown in FIGS. FIG. 2A is a cross-sectional view thereof, FIG. 2B is a front view seen from above, and FIG. 2C is a cross-sectional view schematically showing a state where whiskers have grown. A mixture 72 is contained and a wire 73 is upright. The crucible 71 is provided with a lid 74 for maintaining the atmosphere therein. FIG. 3 (a)
Is a cross-sectional view, (b) is a front view, and (c) is a cross-sectional view schematically showing a state when whiskers have grown. A wire mesh member 75 has a base material for whisker growth above the raw material mixture 72. It is provided as.
【0031】原料および基材を入れフタをしたルツボ
を、加熱炉内に入れ、800℃で60分間保持した後、
室温大気に戻し、冷却した。加熱の間、炭の作用によ
り、ルツボ内は還元性雰囲気になったと推定される。冷
却の後、針金または金網の基材を取出し、基材からウイ
スカを回収した。ウイスカを指またはガラス棒等で軽く
触れることにより、ウイスカを基材から離すことができ
た。得られたウイスカは、針状結晶であった。ウイスカ
は、テトラポット形状で成長したとも考えられるが、針
状部が非常に長いため、回収されたウイスカは、針状の
形状であった。回収された針状結晶でサイズの大きいも
のの太さは、約15〜35μmであり、長さは40〜6
0mmであった。The crucible in which the raw material and the base material are put and the lid is put is placed in a heating furnace and kept at 800 ° C. for 60 minutes.
It returned to room temperature atmosphere and cooled. During the heating, it is estimated that the inside of the crucible became a reducing atmosphere due to the action of the charcoal. After cooling, the wire or wire mesh substrate was removed, and whiskers were recovered from the substrate. By gently touching the whisker with a finger or a glass rod, the whisker could be separated from the substrate. The obtained whiskers were needle-like crystals. It is considered that the whiskers grew in a tetrapod shape, but the collected whiskers were needle-shaped because the needle-like portions were very long. The thickness of the collected needle-shaped crystals having a large size is about 15 to 35 μm, and the length is 40 to 6 μm.
It was 0 mm.
【0032】得られた針状結晶について、X線回折によ
りその結晶性を調べた。図4(a)は、得られたX線回
折チャートである。また図4(b)に、理想的な酸化亜
鉛単結晶のX線回折ピークを示す。図4(a)と図4
(b)の比較により、得られた針状結晶が、転位や格子
欠陥の少ないZnO単結晶(ウイスカ)であることが確
認された。また、得られたウイスカの部分構造を図5〜
図7に示す。図5はウイスカの側面、図6はウイスカの
端部、図7はウイスカの断面をそれぞれ示す電子顕微鏡
写真である。これらの写真により、得られたウイスカの
結晶性は良好であることがわかる。また、得られたウイ
スカの1つの全長を図8に示す。図8において物差の下
に見られる白色の細長い針状物が得られたウイスカであ
る。ここに示されるウイスカが約45mmの長さを有す
ることがわかる。The crystallinity of the obtained needle-like crystal was examined by X-ray diffraction. FIG. 4A is the obtained X-ray diffraction chart. FIG. 4B shows an X-ray diffraction peak of an ideal zinc oxide single crystal. FIG. 4A and FIG.
From the comparison of (b), it was confirmed that the obtained acicular crystal was a ZnO single crystal (whisker) having few dislocations and lattice defects. Fig. 5 shows the partial structure of the obtained whisker.
As shown in FIG. FIG. 5 is an electron microscope photograph showing a side surface of the whisker, FIG. 6 is an end portion of the whisker, and FIG. These photographs show that the obtained whiskers have good crystallinity. FIG. 8 shows the entire length of one of the obtained whiskers. FIG. 8 shows a whisker from which a long and thin white needle-like object seen below the difference in material is obtained. It can be seen that the whiskers shown here have a length of about 45 mm.
【0033】実施例2 酸化亜鉛、酸化鉛、Ca(OH)2 、SiO2 および炭
を表1に示す割合で配合した(No.1〜24)。ま
た、Zn、PbO2 、Ca(OH)2 およびSiO2 を
混合したもの(No.25)、Zn、炭、PbO2 、C
a(OH)2 およびSiO2 を混合したもの(No.2
6)、亜鉛めっきスラッジ、PbO2 、炭、Ca(O
H)2 およびSiO2 を混合したもの(No.27)、
ならびにフライアッシュ(飛灰)および炭を混合したも
の(No.28)も調製した。以上28種類の混合物に
ついて、ウイスカ成長実験を行なった。それぞれの混合
物を50mlのアルミナ製ルツボに入れ、アルミナ製の
フタをした。この実験では、ルツボおよびフタの壁が、
ウイスカ成長のための基材として働いた。フタをしたル
ツボを加熱炉に入れ、800℃、60分加熱した後、室
温大気に戻し冷却した。得られたウイスカの量、長さ、
色、形状、発生箇所を表1に併わせて示す。Example 2 Zinc oxide, lead oxide, Ca (OH) 2 , SiO 2 and charcoal were blended in the proportions shown in Table 1 (Nos. 1 to 24). A mixture of Zn, PbO 2 , Ca (OH) 2 and SiO 2 (No. 25), Zn, charcoal, PbO 2 , C
a (OH) 2 and a mixture of SiO 2 (No. 2)
6), galvanized sludge, PbO 2 , charcoal, Ca (O
H) 2 and a mixture of SiO 2 (No. 27);
A mixture of fly ash (fly ash) and charcoal (No. 28) was also prepared. Whisker growth experiments were performed on the above 28 types of mixtures. Each mixture was placed in a 50 ml alumina crucible and covered with an alumina lid. In this experiment, the crucible and lid walls
Served as a substrate for whisker growth. The crucible with the lid was placed in a heating furnace, heated at 800 ° C. for 60 minutes, and then returned to room temperature and cooled. The amount, length,
Table 1 shows the colors, shapes, and locations of occurrence.
【0034】[0034]
【表1】 これらの実験において、PbO2 を添加しなかった試料
(No.1)からは、ウイスカが発生しなかった。ま
た、ZnO、PbO2 他に対して炭を添加しなかった試
料(No.7)、炭を添加せず、亜鉛源としてZnのみ
を用いた試料(No.25)からもウイスカが得られな
かった。一方、SiO2 を添加しなかった試料(No.
19)、および添加量が少なかった試料(No.20、
21)では、綿状の生成物が得られた。そして、SiO
2 を添加することにより、針状結晶の生成が促進される
ことがわかった。また、Ca(OH)2 の添加によって
も、針状結晶の生成が促進されることがわかった。さら
に亜鉛めっきスラッジおよびフライアッシュも原料とし
て適用できることがわかった。フライアッシュ中には、
亜鉛源および酸化鉛が含有されていると考えられる。[Table 1] In these experiments, no whiskers were generated from the sample (No. 1) to which PbO 2 was not added. Further, ZnO, samples without addition of coal relative to PbO 2 other (No.7), without the addition of charcoal, no whiskers were obtained from sample (No.25) using only Zn as zinc source Was. On the other hand, a sample to which no SiO 2 was added (No.
19), and a sample with a small amount of addition (No. 20,
In 21), a flocculent product was obtained. And SiO
It was found that the addition of 2 promoted the formation of needle crystals. It was also found that the addition of Ca (OH) 2 promoted the formation of needle crystals. Furthermore, it was found that galvanized sludge and fly ash can also be applied as raw materials. During fly ash,
It is believed that it contains a zinc source and lead oxide.
【0035】以上の実験は原料をすべて混合したものに
ついて加熱しているが、酸化鉛をルツボまたはフタの壁
に付着させ、その他の原料をルツボ内に収容して加熱を
行なった場合でも、同様にウイスカを発生させることが
できた。In the above experiment, heating was performed on a mixture of all the raw materials. However, the same applies to the case where lead oxide was attached to the wall of a crucible or a lid and other raw materials were accommodated in the crucible and heated. Whiskers could be generated.
【0036】[0036]
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、容易に再現性よく、長さ数10mmにも及ぶ長い酸
化亜鉛ウイスカを得ることができる。また本発明によれ
ば、数10分というより短い時間で、酸化亜鉛ウイスカ
を生成させることができる。本発明に従う方法は、特別
の試薬を用いるものでもなく、より簡便であり、より安
価にウイスカを製造できるものである。また、本発明
は、大量のウイスカを生産するのに適している。本発明
により得られるウイスカは、結晶性もよく、より長いも
のである。したがって、本発明のウイスカを、金属、樹
脂、セラミックス等と複合させ、より強度の高い複合材
料が得られる。また、得られた複合材料は、炭化ケイ素
や窒化ケイ素によって補強した複合材料よりも安価なも
のとなることが期待される。本発明に従って得られるウ
イスカは、さらに、フィルタ材、触媒担体等としてもよ
り有用である。As described above, according to the present invention, a long zinc oxide whisker having a length of several tens mm can be easily obtained with good reproducibility. Further, according to the present invention, zinc oxide whiskers can be generated in a shorter time of several tens of minutes. The method according to the present invention does not use a special reagent, is simpler, and can produce whiskers at a lower cost. Further, the present invention is suitable for producing a large amount of whiskers. The whiskers obtained by the present invention have good crystallinity and are longer. Therefore, the whisker of the present invention is composited with a metal, a resin, a ceramic, or the like, and a composite material having higher strength can be obtained. Further, the obtained composite material is expected to be less expensive than a composite material reinforced with silicon carbide or silicon nitride. The whisker obtained according to the present invention is more useful as a filter material, a catalyst carrier and the like.
【図1】本発明に従う酸化亜鉛ウイスカ製造装置の一例
を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic view showing an example of a zinc oxide whisker manufacturing apparatus according to the present invention.
【図2】本発明に従う実施例1においてウイスカを生成
させる様子を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a state in which whiskers are generated in Embodiment 1 according to the present invention.
【図3】本発明に従う実施例1においてウイスカを生成
させる様子を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing how whiskers are generated in Embodiment 1 according to the present invention.
【図4】酸化亜鉛ウイスカのX線回折ピークを示す図で
ある。FIG. 4 is a diagram showing an X-ray diffraction peak of zinc oxide whisker.
【図5】本発明に従って得られる酸化亜鉛ウイスカの結
晶構造を示す電子顕微鏡写真である。FIG. 5 is an electron micrograph showing the crystal structure of zinc oxide whiskers obtained according to the present invention.
【図6】本発明に従って得られる酸化亜鉛ウイスカの結
晶構造を示す電子顕微鏡写真である。FIG. 6 is an electron micrograph showing the crystal structure of zinc oxide whiskers obtained according to the present invention.
【図7】本発明に従って得られる酸化亜鉛ウイスカの結
晶構造を示す電子顕微鏡写真である。FIG. 7 is an electron micrograph showing the crystal structure of zinc oxide whiskers obtained according to the present invention.
【図8】本発明に従って得られた酸化亜鉛ウイスカの結
晶構造を示す写真である。FIG. 8 is a photograph showing a crystal structure of a zinc oxide whisker obtained according to the present invention.
10 酸化亜鉛ウイスカの製造装置 11a、11b、11c、11d 容器 12 混合・供給器 14 原料混合物 20 原料供給部 21 コンベア 30 原料の搬送・加熱部 31 コンベア 32 ベルト 35 ウイスカ 40 ウイスカ成長・捕集部 41 かき取手段 50 ウイスカ分離・回収部 60 原料回収部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Manufacturing apparatus of zinc oxide whisker 11a, 11b, 11c, 11d Vessel 12 Mixing / supply unit 14 Raw material mixture 20 Raw material supply unit 21 Conveyor 30 Raw material transfer / heating unit 31 Conveyor 32 Belt 35 Whisker 40 Whisker growth / collection unit 41 Scraping means 50 whisker separation / recovery section 60 raw material recovery section
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小島 昭 群馬県桐生市本町4丁目339−4 (56)参考文献 特開 昭50−6597(JP,A) 特開 平3−150299(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 29/62 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Akira Kojima 4-339-4, Honcho, Kiryu-shi, Gunma (56) References JP-A-50-6597 (JP, A) JP-A-3-150299 (JP, A) (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) C30B 29/62 JICST file (JOIS)
Claims (10)
の基材を備える環境下において、亜鉛源を、還元剤とと
もに、酸化鉛の存在下で加熱することにより、前記基材
上に酸化亜鉛のウイスカを成長せしめることを特徴とす
る、酸化亜鉛ウイスカの製造方法。1. In an environment having a substrate for holding a whisker to be grown, a zinc source is heated together with a reducing agent in the presence of lead oxide, whereby a zinc oxide whisker is formed on the substrate. A method for producing zinc oxide whiskers, characterized by growing whiskers.
化鉛を含む混合物が、加熱されることを特徴とする、請
求項1記載の酸化亜鉛ウイスカの製造方法。2. The method for producing zinc oxide whiskers according to claim 1, wherein a mixture containing the zinc source, the reducing agent, and the lead oxide is heated.
たは前記基材に付着されていることを特徴とする、請求
項1記載の酸化亜鉛ウイスカの製造方法。3. The method for producing zinc oxide whiskers according to claim 1, wherein said lead oxide is contained in or adhered to said base material.
シウムおよびそれらの混合物からなる群から選択される
材料ならびに前記還元剤とともに、加熱されることを特
徴とする、請求項1〜3のいずれか1項記載の酸化亜鉛
ウイスカの製造方法。4. The method according to claim 1, wherein the zinc source is heated together with a material selected from the group consisting of silicon oxide, calcium hydroxide and a mixture thereof and the reducing agent. 3. The method for producing zinc oxide whiskers according to claim 1.
る、請求項1〜4のいずれか1項記載の酸化亜鉛ウイス
カの製造方法。5. The method for producing zinc oxide whiskers according to claim 1, wherein the reducing agent is carbon.
囲の温度で行なわれることを特徴とする、請求項1〜5
のいずれか1項記載の酸化亜鉛ウイスカの製造方法。6. The method according to claim 1, wherein said heating is performed at a temperature in a range of 750 ° C. to 1000 ° C.
The method for producing a zinc oxide whisker according to any one of the above.
物を調製する工程と、 調製された組成物を成長させるべき結晶を保持するため
の基材を備える環境下において、所定の時間加熱するこ
とにより前記組成物の成分を蒸発せしめ、前記組成物の
成分を含む気相から前記基材上に酸化亜鉛のウイスカを
成長させる工程と、 前記ウイスカの付着した前記基材を別の場所に移動させ
た後、前記基材からウイスカを分離および回収する工程
とを備えることを特徴とする、酸化亜鉛ウイスカの製造
方法。7. A process for preparing a composition comprising a zinc source, a reducing agent and lead oxide, and heating for a predetermined time in an environment having a substrate for holding a crystal on which the prepared composition is to be grown. Evaporating the components of the composition by doing, a step of growing zinc oxide whiskers on the substrate from a gas phase containing the components of the composition, and placing the substrate with the whiskers in another place Separating the whisker from the base material after the transfer, and recovering the whisker from the base material.
成長工程ならびに前記ウイスカの分離および回収工程
が、連続的に行なわれることを特徴とする、請求項7記
載の酸化亜鉛ウイスカの製造方法。8. The method for producing zinc oxide whiskers according to claim 7, wherein the step of preparing the composition, the step of growing the whiskers, and the step of separating and collecting the whiskers are performed continuously.
および必要な添加物をそれぞれ異なる場所に貯蔵し、適
宜それらを混合し、得られた混合物を供給するための原
料供給手段と、 前記原料供給手段からの前記混合物を、受取り、搬送し
ながら所定の時間加熱するための搬送加熱手段と、 前記搬送加熱手段に対向して設けられ、前記搬送加熱手
段上で加熱された前記混合物からの成分を蒸着させて、
酸化亜鉛のウイスカを成長させるための基材と、 前記基材を移動させるための手段と、 移動された基材上に付着する前記ウイスカを、前記基材
から分離および回収するための手段と、 前記搬送加熱手段から排出される前記混合物の残渣を回
収するための手段とを備えることを特徴とする、酸化亜
鉛ウイスカの製造装置。9. A raw material supply means for storing a zinc source, a reducing agent, a material containing lead oxide and necessary additives in different places, mixing them as appropriate, and supplying the resulting mixture; The mixture from the raw material supply unit, receiving and conveying heating means for heating for a predetermined time while conveying, provided opposed to the conveyance heating means, from the mixture heated on the conveyance heating means The components of
A substrate for growing whiskers of zinc oxide; a means for moving the substrate; and a means for separating and recovering the whisker adhering on the moved substrate from the substrate. Means for recovering the residue of the mixture discharged from the conveying and heating means.
ることを特徴とする、酸化亜鉛ウイスカ。10. A zinc oxide whisker comprising needle-like crystals having a length of 35 mm or more.
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