JP4105141B2 - Method for producing aluminum nitride powder - Google Patents
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Description
本発明は、疎水化処理された窒化アルミニウム粉末の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a hydrophobized aluminum nitride powder.
窒化アルミニウム粉末は加水分解性を有するので、その水性スラリーを用いて成形体とするには、窒化アルミニウム粉末をあらかじめ疎水化処理することが行われている。疎水化処理方法としては、一般に、例えばシランカップリング剤、シリケート処理剤、無機リン化合物等の疎水化処理剤と窒化アルミニウム粉末とを乾式混合するか、又は疎水化処理剤を含有する有機溶液と窒化アルミニウム粉末とを混合した後溶剤を乾燥除去することによって行われている。しかし、これらの方法では、工業的規模で処理することができないか、又は処理粉末を樹脂に高い充填率で配合することが困難であるので、窒化アルミニウム粉末、シリケート処理剤及びシランカップリング剤を含む混合物を調製し、得られた混合物を熱処理することが提案されてしている(特許文献1)。
しかし、特許文献1によれば、窒化アルミニウム粉末の耐水性は改善されるが、この処理方法は、その実施例に示されるように、エタノール等の有機媒体中で窒化アルミニウム粉末を攪拌混合し、その後に焼成を行うことを基本操作とするので、必ずしも工業的規模による処理法であるとは言えなかった。
However, according to
一方、窒化アルミニウム粉末は、金属アルミニウム粉末を窒化して窒化アルミニウムインゴットを製造しそれを粉砕する直接窒化法、アルミナ粉末とカーボンとの混合粉末を還元窒化するアルミナ還元窒化法、金属アルミニウム粉末を気化させ窒化する気相法などによって製造されている。これらのうち、気相法は、反応管に金属アルミニウム粉末を窒素ガス等の窒化性ガスに同伴させて噴射してアルミニウム蒸気にすると共に、必要に応じて反応管内壁にそって別途窒素ガスを供給して、窒化反応を起こさせて窒化アルミニウム粉末となし、それを反応管の下部に接続された捕集装置に、反応管からの排ガスを用いて導く間に冷却し、捕集装置で捕集する方法である(特許文献2)。この気相法によれば、窒化アルミニウム粉末は、捕集装置に導かれる間は必然的に高温の排ガスによって浮遊状態を形成している。
本発明の目的は、疎水化処理された窒化アルミニウム粉末を工業的規模で製造することである。本発明は、窒化アルミニウム粉末が高温の排ガスによって浮遊状態を形成していることを利用して所期の目的を達成しようとするものである。 The object of the present invention is to produce hydrophobized aluminum nitride powder on an industrial scale. The present invention intends to achieve the intended object by utilizing the fact that aluminum nitride powder forms a floating state with high-temperature exhaust gas.
すなわち、本発明は、金属アルミニウム粉末を窒化性ガスに同伴させて窒化炉に噴射して窒化させ、得られた窒化アルミニウム粉末を含む生成粉末を排ガスに同伴させながら窒化炉の下部に接続された捕集装置に導いて捕集する際に、上記窒化炉の下部から上記捕集装置の間において生成粉末を疎水化処理することを特徴とする窒化アルミニウム粉末の製造方法である。 That is, according to the present invention, metallic aluminum powder is entrained in a nitriding gas and injected into a nitriding furnace for nitriding, and the resulting powder containing the aluminum nitride powder is connected to the lower part of the nitriding furnace while entraining in the exhaust gas. In the method for producing an aluminum nitride powder, the produced powder is subjected to a hydrophobic treatment between the collecting device and the lower portion of the nitriding furnace when being guided to the collecting device.
本発明において、金属アルミニウム粉末の平均粒子径が10〜40μm、金属アルミニウム粉末の噴射量が窒化性ガス1Nm3あたり1〜3kg、窒化性ガスのガス流速が50〜100m/sでその噴射圧力が0.2〜0.6MPa、窒化炉の内温が1900〜2200℃であることが好ましい。また、疎水化処理は温度500〜50℃特に200〜100℃の箇所で行うことが好ましい。 In the present invention, the average particle diameter of the metal aluminum powder is 10 to 40 μm, the injection amount of the metal aluminum powder is 1 to 3 kg per 1 Nm 3 of the nitriding gas, the gas flow rate of the nitriding gas is 50 to 100 m / s, and the injection pressure is The inner temperature of the nitriding furnace is preferably 1900 to 2200 ° C. The hydrophobizing treatment is preferably performed at a temperature of 500 to 50 ° C, particularly 200 to 100 ° C.
本発明によれば、耐水性(耐加水分解性)に優れた窒化アルミニウム粉末を工業的規模で製造することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the aluminum nitride powder excellent in water resistance (hydrolysis resistance) can be manufactured on an industrial scale.
本発明に用いられる金属アルミニウム粉末は平均粒子径が10〜40μmであることが好ましい。中でも、爆発の危険性が小さいアトマイズ粉がより好ましい。平均粒子径が40μmよりも著しく粗大であるとアルミニウムの蒸発が抑えられ、また10μmよりも著しく細かいと粗大液滴となりやすくなり、いずれの場合も十分な濃度のアルミニウム蒸気を窒化炉内で得られなくなる恐れがある。 The metal aluminum powder used in the present invention preferably has an average particle size of 10 to 40 μm. Among them, atomized powder with a low risk of explosion is more preferable. If the average particle diameter is significantly coarser than 40 μm, the evaporation of aluminum is suppressed, and if it is finer than 10 μm, it becomes easy to form coarse droplets. In any case, sufficient concentration of aluminum vapor can be obtained in the nitriding furnace. There is a risk of disappearing.
金属アルミニウムは低融点材料であるので、窒化炉に噴射されるとすぐに液滴となるので蒸発が遅れ、十分な濃度のアルミニウム蒸気を得ることができなくなる。そこで、本発明ではこの現象を緩和するために、金属アルミニウム粉末の噴射量を窒化性ガス1Nm3あたり1〜3kg、窒化性ガスのガス流速を50〜100m/sで、その噴射圧力を0.2〜0.6MPaとすることが好ましい。ここで、窒化性ガスのガス流速は、単位時間あたりの窒化性ガス量(Nm3/h)を噴射部の断面積(例えば後述するフィード管の断面積)(m2)で除することによって求めることができる。 Since metallic aluminum is a low melting point material, it becomes droplets as soon as it is injected into the nitriding furnace, so that evaporation is delayed and a sufficient concentration of aluminum vapor cannot be obtained. Therefore, in the present invention, in order to alleviate this phenomenon, the injection amount of the metal aluminum powder is 1 to 3 kg per 1 Nm 3 of the nitriding gas, the gas flow rate of the nitriding gas is 50 to 100 m / s, and the injection pressure is 0. It is preferable to set it as 2-0.6 MPa. Here, the gas flow rate of the nitriding gas is obtained by dividing the amount of nitriding gas per unit time (Nm 3 / h) by the cross-sectional area of the injection section (for example, the cross-sectional area of a feed pipe described later) (m 2 ). Can be sought.
このような条件で金属アルミニウム粉末を噴射すると、リートベルト法により測定された不均一歪みが0.05%以下という極めて均質な窒化アルミニウム粉末を製造することができる利点もある。ここで、リートベルト法による不均一歪みは、X線回折装置、例えば日本電子社製商品名「JDX3500」を用いて回折パターン測定し、データを「粉末X線解析の実際」(第164〜167ページ、2002年2月朝倉書店発行参照)によって処理(精密化)することによって求めることができる。 When the metal aluminum powder is sprayed under such conditions, there is an advantage that a very homogeneous aluminum nitride powder having a non-uniform strain measured by the Rietveld method of 0.05% or less can be produced. Here, the non-uniform distortion due to the Rietveld method is measured using a diffraction pattern using an X-ray diffractometer, for example, “JDX3500” manufactured by JEOL Ltd. (Refer to page, published by Asakura Shoten in February 2002)).
リートベルト法による不均一歪みが0.05%以下である窒化アルミニウム粉末は、その均質性によって、樹脂等のフィラ−として使用したときには熱伝導性付与能力が高まり、また焼結用原料に用いたときには窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率が大きくなる。 Aluminum nitride powder with non-uniform strain of 0.05% or less by the Rietveld method has increased heat conductivity when used as a filler for resins and the like due to its homogeneity, and was used as a raw material for sintering. Sometimes the thermal conductivity of the aluminum nitride sintered body increases.
金属アルミニウム粉末を窒化炉に噴射するには、テーブルフィーダー、スクリューフィーダー等の供給機によって金属アルミニウム粉末を定量的に混合器に供給する一方、そこで窒化性ガスと混合しながらノズルまで搬送し、ノズルの出口付近で別の窒化性ガスと合流させ噴射することによって行うことができる。この別途添加される窒化性ガスの速度・圧力によって、窒化炉に噴射される窒化性ガスのガス流速と噴射圧力が調節される。 In order to inject the metal aluminum powder into the nitriding furnace, the metal aluminum powder is quantitatively supplied to the mixer by a feeder such as a table feeder or a screw feeder, and is then transported to the nozzle while being mixed with the nitriding gas. In the vicinity of the outlet of the gas, it can be performed by joining with another nitriding gas and spraying. The gas flow rate and injection pressure of the nitriding gas injected into the nitriding furnace are adjusted by the speed and pressure of the separately added nitriding gas.
ノズルとしては、例えばオリフィス、二流体ノズル、リングノズル等が用いられる。リングノズルの一例を図1に示した。図1に示されるものは、テーパー連接構造の供給管14と排出管15とからなり、お互いのテーパー面同士の距離(間隔)によってスリット18の幅が調節できるようになっており、通常、排出管15は固定で、供給管14の移動距離によってスリット幅が調整される。窒化性ガス室16には所定圧の窒化性ガスが充填されており、スリット幅によって流量が調整される。金属アルミニウム紛末は、窒化性ガスに伴って供給管14に導入され、スリットから噴出した別の窒化性ガスと合流して更に分散させ、排出管15から噴射される。17は圧力計である。
As the nozzle, for example, an orifice, a two-fluid nozzle, a ring nozzle, or the like is used. An example of a ring nozzle is shown in FIG. 1 includes a
なお、金属アルミニウム粉末は、400〜600℃のゾーンを通過させて噴射されることが好ましく、これによって金属アルミニウムの溶融を抑え、速やかに加熱・蒸発をさせることができる。 In addition, it is preferable that a metal aluminum powder is injected through the zone of 400-600 degreeC, and this can suppress melting of metal aluminum, and can heat and evaporate rapidly.
本発明に用いられる窒化性ガスとは、アルミニウム蒸気を窒化アルミニウム(AlN)にするための窒素を含んだガスであり、窒素ガス単独、窒素ガスと水素、CO、アンモニア等のガスとの混合ガスを例示することができる。 The nitriding gas used in the present invention is a gas containing nitrogen for converting aluminum vapor into aluminum nitride (AlN), and a nitrogen gas alone, a mixed gas of nitrogen gas and a gas such as hydrogen, CO, or ammonia. Can be illustrated.
本発明において、窒化炉は1900℃〜2200℃に保持されていることが好ましい。1900℃よりも低温であると、金属アルミニウム粉末を蒸発させることが難しく、また2200℃よりも高温では不均一歪みが0.05以下の窒化アルミニウム粉末を製造することができなくなる恐れがある。 In the present invention, the nitriding furnace is preferably maintained at 1900 ° C to 2200 ° C. When the temperature is lower than 1900 ° C., it is difficult to evaporate the metal aluminum powder, and when the temperature is higher than 2200 ° C., there is a possibility that an aluminum nitride powder having a nonuniform strain of 0.05 or less cannot be produced.
本発明で用いられる窒化アルミニウム粉末の製造装置の一例を図2に示す。窒化炉は、高周波誘導加熱方式であり、反応管6とその周囲に配設された発熱体8を有し、それを断熱体9で覆った石英外壁10から構成されている。反応管6の材質は等方性黒鉛、窒化ホウ素等が好ましい。4は金属アルミニウムの供給温度を調節するための抵抗加熱源、5はフィード管、7は高周波誘導加熱源、13は測温体である。窒化炉の頂部には、金属アルミニウム粉末の供給機1、混合器2及びノズル3からなる金属アルミニウム粉末の噴射手段が設置されており、また下部は捕集装置11に接続されている。生成した窒化アルミニウム粉末を含む生成粉末は、窒化炉の下部から排ガスに同伴されて捕集装置11に導かれるが、それはブロワー12によって行われる。捕集装置11としては、例えばバッグフィルター、電気集塵機等が用いられる。
An example of an apparatus for producing aluminum nitride powder used in the present invention is shown in FIG. The nitriding furnace is a high-frequency induction heating method, and includes a
窒化アルミニウム粉末を含む生成粉末の疎水化処理は、窒化炉の下部から捕集装置に至る間の任意の箇所で行われる。たとえば、窒化炉の下部から捕集装置に至る間の任意の箇所に疎水化処理剤の添加装置19を設置して疎水化処理剤を添加すれば、捕集装置から処理粉末が捕集されるまでの時間内、浮遊状態にある窒化アルミニウム粉末を含む生成粉末は疎水化処理剤と接触が保たれて疎水化処理が行われることになる。疎水化処理剤の添加装置としては、普通のスプレー噴霧装置で十分である。
The hydrophobization treatment of the product powder containing the aluminum nitride powder is performed at an arbitrary position from the lower part of the nitriding furnace to the collection device. For example, if the hydrophobizing
本発明に用いられる疎水化処理剤を例示すれば、シランカップリング剤、シリケート処理剤、無機リン酸化合物、有機リン酸化合物等である。これらは、例えばメタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、トルエン、メチルエチルケトン等の有機媒体に分散又は溶解させて用いることが好ましい。これらの中でもシランカップリング剤、シリケート処理剤が特に好ましく、それらを例示すれば、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−ウレイドアミノシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−クロロプロピルトリメトキシシラン、ビニルトリクロルシラン、ビニルトリス(β−メトキシエトキシ)シラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、テトラメトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、ジメトルジメトキシシラン、テトラエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、イソブチルトリメトキシシラン、などである。 Examples of the hydrophobizing agent used in the present invention include a silane coupling agent, a silicate treating agent, an inorganic phosphate compound, and an organic phosphate compound. These are preferably used after being dispersed or dissolved in an organic medium such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol, toluene, or methyl ethyl ketone. Among these, a silane coupling agent and a silicate treating agent are particularly preferable. For example, γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane, β- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, γ-glycidoxy Propyltrimethoxysilane, γ-glycidoxypropylmethyldimethoxysilane, N-β (aminoethyl) γ-aminopropylmethyldimethoxysilane, γ-aminopropyltriethoxysilane, N-phenyl-γ-aminopropyltrimethoxysilane, γ-ureidoaminosilane, γ-mercaptopropyltrimethoxysilane, γ-chloropropyltrimethoxysilane, vinyltrichlorosilane, vinyltris (β-methoxyethoxy) silane, vinyltriethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, teto Silane, methyl trimethoxy silane, di marries dimethoxysilane, tetraethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, diphenyldimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, diphenyldiethoxysilane, isobutyltrimethoxysilane, and the like.
疎水化処理剤の添加位置は、上記のように、窒化炉の下部から捕集装置に至る間の任意の箇所でよいが、好ましくは温度が300〜50℃となっている箇所、特に好ましくは150〜80℃となっている箇所である。疎水化処理剤の使用量は、窒化アルミニウム粉末を含む生成粉末100質量部あたり0.1〜2質量部であることが好ましい。 As described above, the addition position of the hydrophobizing agent may be an arbitrary place between the lower part of the nitriding furnace and the collection device, but preferably a place where the temperature is 300 to 50 ° C., particularly preferably It is the place which is 150-80 degreeC. The amount of the hydrophobizing agent used is preferably 0.1 to 2 parts by mass per 100 parts by mass of the produced powder containing aluminum nitride powder.
図2に示される装置を用いて疎水化処理された窒化アルミニウム粉末を製造した。窒化炉の容量は170kVA、出力は100kWである。炉の中央内部には反応管6(窒化ホウ素製:内径200mm、全長3000mm)が設置され、その周囲に発熱体8(黒鉛製)が配置され、高周波誘導加熱源7により加熱されて反応官が所定温度に保たれている。反応温度は、発熱体中央部に設置した測温体13(グラッシーカーボン管)を光温度計により測温して行われる。発熱体8は、断熱材9(多孔質カーボンビーズ)により保温され、石英外壁10(内径450mm、全長3000mm)で保持されている。得られた窒化アルミニウム粉末を含む生成粉末は、炉底部から、ブロワー12によって排ガスに同伴されて捕集装置11(バッグフィルター)に導かれて捕集されるが、その際、窒化炉の下部から捕集装置に至る間の、温度180℃付近に疎水化処理剤の添加装置19(スプレー噴霧装置)を設置し、そこからエタノールに分散させた疎水化処理剤を噴霧し、捕集装置11に到達する時間内、疎水化処理が施されて捕集される。
Hydrophobized aluminum nitride powder was produced using the apparatus shown in FIG. The capacity of the nitriding furnace is 170 kVA and the output is 100 kW. A reaction tube 6 (made of boron nitride: inner diameter 200 mm, total length 3000 mm) is installed in the center of the furnace, a heating element 8 (made of graphite) is arranged around it, and heated by a high-frequency
金属アルミニウム粉末の供給機(スクリューフィーダー)1より所定量の金属アルミニウム粉末を混合器2に搬送し、そこで窒化性ガス(窒素ガス)と混合しながらノズル3(図1に示されるリングノズル)に導入し、スリット18から噴出した別の窒化性ガス(窒素ガス)と合流させ、窒化炉に噴射した。その際、スリット18の幅を調節して窒化性ガスのガス量とその噴射圧力を調節し、ノズル下部に設置された抵抗加熱源4の出力を調整して金属アルミニウム粉末の通過ゾーンの温度を調節した。抵抗加熱源4の中央部にはフィード管5が設けられており、リングノズルで分散された金属アルミニウム粉末が所定の温度、所定の流速で通過させて反応管6内に噴射される。
A predetermined amount of metal aluminum powder is conveyed from a metal aluminum powder feeder (screw feeder) 1 to a
実施例1〜9
純度99.97質量%の金属アルミニウム粉末を、表1に示す条件で窒化して窒化アルミニウム粉末を含む生成粉末を製造しそれを疎水化処理した。各実施例で用いたフィード管の直径は、実施例1〜6及び9が8mm、実施例7が5mm、実施例が4.3mmである。また、金属アルミニウム粉末の通過ゾーンの温度は、実施例9が400℃、それ以外が25℃である。
Examples 1-9
A metal aluminum powder having a purity of 99.97% by mass was nitrided under the conditions shown in Table 1 to produce a product powder containing aluminum nitride powder, which was hydrophobized. The diameter of the feed tube used in each example is 8 mm in Examples 1 to 6 and 9, 5 mm in Example 7, and 4.3 mm in the Example. Moreover, the temperature of the passage zone of metal aluminum powder is 400 degreeC in Example 9, and 25 degreeC other than that.
疎水化剤の添加は、エタノール1000mlあたり表1に示される疎水化処理剤を350gを混合した溶液を調整し、それを、窒化アルミニウム粉末を含む生成粉末の通過量がわかっているので、その生成粉末100質量部あたり表1に示される質量部となるように連続噴霧することによって行った。 The addition of the hydrophobizing agent was carried out by preparing a solution in which 350 g of the hydrophobizing agent shown in Table 1 was mixed per 1000 ml of ethanol, and that the passing amount of the resulting powder containing the aluminum nitride powder was known. It carried out by spraying continuously so that it might become a mass part shown by Table 1 per 100 mass parts of powder.
窒化アルミニウム粉末を含む生成粉末中の窒化アルミニウム粉末の含有率をX線回折分析と元素分析により求めたところ、いずれの実施例においてもほぼ100質量%であった。また、捕集装置(バッグフィルター)からの回収率は金属アルミニウム換算で90質量%以上であり、残部は炉底から回収された。 When the content of the aluminum nitride powder in the resulting powder containing the aluminum nitride powder was determined by X-ray diffraction analysis and elemental analysis, it was almost 100% by mass in any of the examples. Further, the recovery rate from the collection device (bag filter) was 90% by mass or more in terms of metal aluminum, and the remainder was recovered from the furnace bottom.
疎水化処理された窒化アルミニウム粉末の耐水性を測定した。耐水性は、秤量した試料を温度60℃、湿度90%RHの恒温恒湿器で24時間保持してから質量を測定し、その質量増加分を試験前の試料質量に対する百分率を求めることによって行った。また、別途、疎水化処理をしなかったこと以外は実施例と同様な条件で製造した窒化アルミニウム粉末について、リートベルト法による不均一歪みを測定した。それらの結果を表1に示す。 The water resistance of the hydrophobized aluminum nitride powder was measured. The water resistance is measured by measuring the mass after holding the weighed sample in a constant temperature and humidity chamber with a temperature of 60 ° C. and a humidity of 90% RH, and calculating the percentage of the increase in mass relative to the sample mass before the test. It was. Separately, nonuniform strain was measured by the Rietveld method for the aluminum nitride powder produced under the same conditions as in the Examples except that the hydrophobic treatment was not performed. The results are shown in Table 1.
比較例1〜3
疎水化処理を行わなかったこと以外は、実施例1、5又は9と同様な条件で窒化アルミニウム粉末を含む粉末を製造し、耐水性を試験した。
Comparative Examples 1-3
A powder containing aluminum nitride powder was produced under the same conditions as in Example 1, 5 or 9 except that the hydrophobic treatment was not performed, and the water resistance was tested.
表1から、本発明の実施例によれば、耐水性に優れた窒化アルミニウム粉末を工業的規模で製造することができた。また、得られた窒化アルミニウム粉末はリートベルト法により測定された不均一歪みが0.055%以下であり、均質性が高いものであった。 From Table 1, according to the Example of this invention, the aluminum nitride powder excellent in water resistance was able to be manufactured on an industrial scale. Moreover, the obtained aluminum nitride powder had a non-uniform strain measured by the Rietveld method of 0.055% or less, and had high homogeneity.
本発明によって製造された窒化アルミニウム粉末は、樹脂等のフィラ−や、窒化アルミニウム焼結体の焼結用原料として使用することができる。 The aluminum nitride powder produced by the present invention can be used as a filler for a resin or the like, or a raw material for sintering an aluminum nitride sintered body.
1 金属アルミニウム粉末の供給機
2 混合器
3 ノズル
4 抵抗加熱源
5 フィード管
6 反応管
7 高周波誘導加熱源
8 発熱体
9 断熱体
10 石英外壁
11 捕集装置
12 ブロワー
13 測温体
14 ノズルの供給管
15 ノズルの排出管
16 窒化性ガス室
17 圧力計
18 スリット
19 疎水化処理剤の添加装置
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