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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023149977
(43)【公開日】2023-10-16
(54)【発明の名称】三硫化アンチモンの製造方法
(51)【国際特許分類】
   C01G 30/00 20060101AFI20231005BHJP
【FI】
C01G30/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022058823
(22)【出願日】2022-03-31
(71)【出願人】
【識別番号】391060144
【氏名又は名称】日本精鉱株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100090387
【弁理士】
【氏名又は名称】布施 行夫
(74)【代理人】
【識別番号】100090398
【弁理士】
【氏名又は名称】大渕 美千栄
(72)【発明者】
【氏名】北薗 智
(72)【発明者】
【氏名】吉谷 真哉
(72)【発明者】
【氏名】福本 惇思
【テーマコード(参考)】
4G048
【Fターム(参考)】
4G048AA07
4G048AB01
4G048AC08
4G048AD03
4G048AE05
(57)【要約】
【課題】純度が良好な三酸化アンチモンを安定に製造できる製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係る三硫化アンチモンの製造方法は、金属アンチモン粉、三酸化アンチモン粉及び硫黄粉を混合して混合物を得る混合工程と、前記混合物を加熱する加熱工程と、を備える。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属アンチモン粉、三酸化アンチモン粉及び硫黄粉を混合して混合物を得る混合工程と、
前記混合物を加熱する加熱工程と、
を備えた、三硫化アンチモンの製造方法。
【請求項2】
請求項1において、
前記混合物中の、前記三酸化アンチモン粉中のSb質量(M)及び前記金属アンチモン粉中のSb質量(M)の比(M:M)が、1:2~2:1の範囲内である、三硫化アンチモンの製造方法。
【請求項3】
請求項1又は請求項2において、
前記加熱工程における最高到達温度が、300℃以上800℃以下である、三硫化アンチモンの製造方法。
【請求項4】
請求項1ないし請求項3のいずれか一項において、
前記金属アンチモン粉の平均粒子径が、120μm以下である、三硫化アンチモンの製造方法。
【請求項5】
請求項1ないし請求項4のいずれか一項において、
前記三酸化アンチモンの平均粒子径が、8μm以下である、三硫化アンチモンの製造方法。
【請求項6】
請求項1ないし請求項5のいずれか一項において、
前記混合物の総質量が1kg以上である、三硫化アンチモンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、三硫化アンチモンの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
三硫化アンチモンは、例えば、火薬、固体潤滑剤等の分野で需要がある。このような三硫化アンチモンは、各分野に応じた良好な特性を示すことがあり、市場から安定、安価な供給が求められている。
【0003】
例えば、特許文献1には、反応容器内に三酸化アンチモン粉末及び硫黄を装入し、該容器内を250~700℃に加熱して三酸化アンチモンと硫黄を反応させることを特徴とする三硫化アンチモンの製造方法が開示されている。また、金属アンチモン粉末と硫黄とを混合し加熱し反応させる三硫化アンチモンの製造方法が広く知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】国際公開第2014/054112号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記特許文献1に開示された三硫化アンチモンの製造方法では、多くの熱量を必要とし、また三酸化アンチモン中の酸素と硫黄の反応による二酸化硫黄が多く発生する。また、金属アンチモン粉末と硫黄を混合し加熱し反応させる三硫化アンチモンの製造方法においては、反応の際の反応熱により、未反応の硫黄が急激に気化し、爆発やそれによる反応率の低下がもたらされる場合があった。
【0006】
したがって、本発明の幾つかの態様に係る目的の一つは、安全で製造に要するエネルギーと二酸化硫黄の発生を抑え、純度が良好な三硫化アンチモンを安定に製造できる製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するために為されたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。
【0008】
本発明に係る三硫化アンチモンの製造方法の一態様は、
金属アンチモン粉、三酸化アンチモン粉及び硫黄粉を混合して混合物を得る混合工程と、
前記混合物を加熱する加熱工程と、
を備える。
【0009】
このような製造方法によれば、原料に金属アンチモン粉を含む結果、純度が良好な三硫化アンチモンを安定に製造できる。
【0010】
上記態様において、
前記混合物中の、前記三酸化アンチモン粉中のSb質量(M)及び前記金属アンチモン粉中のSb質量(M)の比(M:M)が、1:2~2:1の範囲内であってもよい。
【0011】
上記態様において、
前記加熱工程における最高到達温度が、300℃以上800℃以下であってもよい。
【0012】
上記態様において、
前記金属アンチモン粉の平均粒子径が、120μm以下であってもよい。
【0013】
上記態様において、
前記三酸化アンチモンの平均粒子径が、8μm以下であってもよい。
【0014】
上記態様において、
前記混合物の総質量が1kg以上であってもよい。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の一例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。
【0016】
1.三硫化アンチモンの製造方法
本実施形態に係る三硫化アンチモンの製造方法は、金属アンチモン粉、三酸化アンチモン粉及び硫黄粉を混合して混合物を得る混合工程と、混合物を加熱する加熱工程と、を備える。
【0017】
1.1.混合工程
混合工程では、金属アンチモン粉、三酸化アンチモン粉及び硫黄粉を混合して混合物を得る。混合は、後述する適宜の容器に金属アンチモン粉、三酸化アンチモン粉及び硫黄粉を導入することで行われる。導入の順序は特に限定されない。
【0018】
1.1.1.金属アンチモン粉
金属アンチモンは、例えば特開平6-322455号公報に記載の方法によって製造できる。金属アンチモン粉は、金属アンチモンを公知の手法により粉砕することにより得ることができる。
【0019】
金属アンチモン粉の粒子の粒子径、粒子径分布についても公知の手法を用いて調節することができる。金属アンチモン粉の粒子の粒子径、粒子径分布は、特に限定されない。しかし、金属アンチモン粉の平均粒子径が、120μm以下であることが好ましい。また、金属アンチモン粉の平均粒子径は、より小さいことによって、反応性が向上する傾向があり、80μm以下であることがより好ましく、60μm以下であることがさらに好ましい。
【0020】
なお、本明細書では、粉体の平均粒子径は、レーザー回折・散乱法により測定されるものとし、体積頻度粒度分布測定により求められる積算50%(D50)の粒径と定義する。このような測定が可能な市販のレーザー回折粒度分布測定装置の一例として、Microtrac社製MT3300EXIIが挙げられる。
【0021】
1.1.2.三酸化アンチモン紛
三酸化アンチモンは、例えば特開平6-329417号公報に記載の方法によって製造できる。三酸化アンチモン粉は、三酸化アンチモンを公知の手法により粉砕することにより得ることができる。
【0022】
三酸化アンチモン粉の粒子の粒子径、粒子径分布についても公知の手法を用いて調節することができる。三酸化アンチモン粉の粒子の粒子径、粒子径分布は、特に限定されない。しかし三酸化アンチモン粉の平均粒子径が、8μm以下であることが好ましい。平均粒子径が8μmを越えると、反応性やエネルギーコストが悪くなる傾向がある。これにより製造した三硫化アンチモン中に未反応の三酸化アンチモンが残留する傾向が生じる。このような傾向を避ける観点では、三酸化アンチモン粉の平均粒子径は、より小さいことが好ましく、1.5μm以下であることがより好ましく、1μm以下であることがさらに好ましい。
【0023】
三酸化アンチモン粉は、揮発酸化製錬等で得られるため、粒子径が小さく比表面積が大きく、反応性がよい。さらに、鉛、ヒ素及び結晶性シリカなどの不純物が少ない高純度ものの入手も容易であり、高純度の三酸化アンチモン粉を原料として使用することで、不純物のより少ない三硫化アンチモンを製造することができる。
【0024】
1.1.3.硫黄紛
硫黄は粉体又は塊で例えば市場から入手できる。硫黄粉は、硫黄を必要に応じて公知の手法により粉砕することにより得ることができる。
【0025】
硫黄粉の粒子の粒子径、粒子径分布についても公知の手法を用いて調節することができる。硫黄粉の粒子の粒子径、粒子径分布は、特に限定されない。しかし、硫黄粉の平均粒子径が、500μm以下であることが好ましい。硫黄粉の平均粒子径は、より小さいことが好ましく、250μm以下であることがより好ましく、100μm以下であることがさらに好ましい。
【0026】
また、硫黄の粉体における硫黄の粒子の形状は、特に限定されず、例えば、球状、鱗片状、針状、不定形、又は、それらの形状が混在した形状であることができる。また、粉体に含まれる硫黄の粒子の粒子径や形状は、均一である必要はない。
【0027】
混合工程で用いる硫黄粉は、粉体又は塊であり、119℃以下、好ましくは112℃以下、より好ましくは106℃以下の温度で取り扱われることにより、粉体の性状を維持することができる。なお、混合工程では、硫黄粉の一部又は全部が溶融していてもよい。
【0028】
1.1.4.容器
混合工程で用いる容器は特に限定されず、例えば、原料導入口、製品排出口、ガス流入口、ガス流出口等を適宜に備えた容器を用いることができる。また、容器は密閉していてもいなくてもよい。さらに、容器は、加熱機構、撹拌機構、安全機構などを備えてもよい。
【0029】
容器のスケールも限定されないが、容器は製造される三硫化アンチモンの量に応じて適宜の容積のものを用いる。本実施形態の三硫化アンチモンの製造方法では、本混合工程で得られる混合物の総質量を1kg以上とすることがより好ましい。このようなスケールとすることで、生産性をさらに高めることができる。
【0030】
なお、容器は、バッチ式としてもよいし、連続式としてもよい。混合物は、容器の形式に合わせて容器内に導入できる。
【0031】
1.1.5.混合の比率
金属アンチモン粉、三酸化アンチモン粉及び硫黄粉の混合比率は、化学量論比付近となるようにすれば特に限定されない。
【0032】
しかし、混合物中の、三酸化アンチモン粉中のSb質量(M)及び前記金属アンチモン粉中のSb質量(M)の比(M:M)が、1:2~2:1の範囲内であることがより好ましい。
【0033】
また、硫黄粉は、三硫化アンチモンにおける化学量論的量よりも過剰に混合することがより好ましい。このようにすれば、製造される三硫化アンチモン中に未反応の金属アンチモンや三酸化アンチモンが残留するおそれがほとんどなくなる。
【0034】
また、混合工程で用いる硫黄の純度は、高いほど好ましいが、例えば、他の元素や、硫黄化合物等の不純物を、一定量以下であれば含んでもよい。そのような不純物は、例えば、硫黄の原体に含まれていたり、粉体又は塊の取り扱いにおいて混入するものが含まれる。係る不純物の量としては、好ましくは2質量%以下、より好ましくは1質量%以下、さらに好ましくは0.5質量%以下、ことさら好ましくは0.1質量%以下、特に好ましくは0.01質量%以下であり、実質的に含まれないことが好ましい。
【0035】
1.2.加熱工程
加熱工程では、上述の混合工程で得られた混合物を加熱する。加熱は、ヒーター等による接触加熱、赤外線ランプ等による輻射加熱などにより行うことができる。
【0036】
なお、容器内を加熱して三硫化アンチモンを生成させているときに、絶えず不活性ガスを容器内に流入させてパージを行ってもよい。このようにすることで、金属アンチモンが空気中の酸素と反応するのを抑制することができる。
【0037】
容器内で金属アンチモン粉、三酸化アンチモン粉と硫黄粉とが加熱されると、金属アンチモンは硫黄と化合し三硫化アンチモンとなり、また、三酸化アンチモンは、硫黄に酸素を奪われSOをガスとして発生し、更には硫黄によって還元されたアンチモンが硫黄と化合して三硫化アンチモンとなる。その反応式はそれぞれ次の通りである。
2Sb + 9S → 2Sb + 3SO ・・・(I)
2Sb + 3S → 2Sb ・・・(II)
【0038】
上記式(I)の様に三酸化アンチモンのみを用いた場合、多くの亜硫酸ガスが発生するが、上記式(II)のようにその一部を金属アンチモンに置き換えることにより亜硫酸ガスの発生を低減することができる。
【0039】
加熱工程における最高到達温度は、300℃以上800℃以下であってもよい。ここで、最高到達温度とは、混合物の温度であって、加熱工程において最も高くなった際の温度である。したがって最高到達温度は、加熱のためのヒーターの温度を指すものではない。
【0040】
加熱工程を経ると、三硫化アンチモンが生成する。生成した三硫化アンチモンは、その融点以上まで加熱して溶融させ、液体として該容器から排出してもよい。この場合、排出された液体硫化アンチモンを冷却凝固させてもよい。三硫化アンチモンの融点は550℃である。このようにすることで、効率よく三硫化アンチモンを製造できる。また、このようにすれば、連続式で三硫化アンチモンを製造することが容易となる。
【0041】
1.3.作用効果
本実施形態の三硫化アンチモンの製造方法によれば、純度が良好な三硫化アンチモンを安定に製造することができ、二酸化硫黄の発生も抑制できる。
【0042】
2.実施例及び比較例
以下、本発明を実施例及び比較例によってさらに具体的に説明するが、本発明はこれら
の例に限定されるものではない。
【0043】
2.1.実験内容
金属アンチモン粉末、三酸化アンチモン粉末及び硫黄粉末を準備した。金属アンチモン粉末は、日本精鉱株式会社製METAL-P。三酸化アンチモン粉末は、日本精鉱株式会社製PATOX-M、PATOX-CおよびPATOX-Lを入手した。硫黄粉末は、細井化学工業株式会社製微粉硫黄200メッシュを入手した。
【0044】
金属アンチモンの平均粒子径は、振動ボールミル粉砕時間にて調節した。
【0045】
表1及び表2に記載の配合に従い、各例の混合物をるつぼに入れ、表1、表2に記載の温度まで加熱した。昇温速度は6.7℃/min程度とした。ただし、実施例5では、昇温速度は3.0℃/min程度、実施例21および22では6.4℃/min程度とした。
【0046】
表1、表2に実施例及び比較例のスケール、配合、金属アンチモン粉、三酸化アンチモン粉の平均粒子径(D50)及び反応の際の温度、並びに、評価結果を示す。
【0047】
【表1】
【0048】
【表2】
【0049】
表1、表2中の項目について以下に説明する。
・スケール(kg):100%合成が完了した際にこの質量になるように原料を調合した。
・Sb分質量比(%)「金属アンチモン」:混合物に含まれる金属アンチモン及び三酸化アンチモンに含まれるSb全体の質量を100とした場合の金属アンチモンに含まれるSbの質量比率を示す。
・Sb分質量比(%)「三酸化アンチモン」:混合物に含まれる金属アンチモン及び三酸化アンチモンに含まれるSb全体の質量を100とした場合の三酸化アンチモンに含まれるSbの質量比率を示す。
・硫黄添加倍率「対金属アンチモンmol倍率」:上記式(II)に準じて、原料の金属アンチモンのモル数に1.5を乗じたモル数に対する原料として添加した硫黄のモル数の比率を示す。
・硫黄添加倍率「対三酸化アンチモンmol倍率」:上記式(I)に準じて、三酸化アンチモンのモル数に4.5を乗じたモル数に対する原料として添加した硫黄のモル数の比率を示す。
・過剰硫黄量(g):三硫化アンチモンを得る際の化学量論量(上記式(I)、(II)参照)となる硫黄の質量を超えて配合された硫黄の質量を示す。
・金属アンチモンの平均粒子径(D50)(μm):レーザー回折粒度分布測定装置「Microtrac社製MT3300EXII」を用いて測定した結果を示す。
・三酸化アンチモンの平均粒子径(μm):比表面積測定装置Macsorb1210にて求めた比表面積から計算される平均粒子径(BET換算粒子径)を示す。ただし実施例16については上記レーザー回折粒度分布測定装置を用いて測定している。
・反応時の温度(℃):るつぼ内部の物質の最高到達温度を示す。
【0050】
2.2.評価内容
(1)品質の評価
各例にて得られた生成物を、パナリティカル社製X’Pert PRO MPDを用い、XRDリートベルト解析により三硫化アンチモンの含有量を求めた。三硫化アンチモンの含有量が高いほど純度が高いことを示す。以下の評価基準(3段階)で評価して、結果を表1、表2に記載した。
評価基準:三硫化アンチモンの含有量が、
A:95%以上
B:90%以上95%未満
C:90%未満
【0051】
(2)安全性の評価
各例において、反応中のるつぼをモニターで観察した。以下の評価基準(3段階)で評価して、結果を表1、表2に記載した。
評価基準:
A:最大炎長15cm
B:最大炎長15cm以上で噴出が激しい
C:爆発
【0052】
(3)二酸化硫黄発生量の評価
各例において、理論的に発生する二酸化硫黄(SO)の発生量を計算により求めた。以下の基準(3段階)を用いて評価して結果を表1、表2に記載した。
評価基準:理論SO発生量(mol/kg生成Sb)が、
A:3.5未満
B:3.5以上7.0未満
C:7.0以上
【0053】
2.3.評価結果
表1、表2から分かるように、金属アンチモン粉、三酸化アンチモン粉及び硫黄粉を混合して混合物を得る混合工程と、混合物を加熱する加熱工程と、を経て得られたすべての実施例では、二酸化硫黄の発生が抑制され、生成した三硫化アンチモンの純度が良好でかつ安定に製造できることが判明した。これに対して、原料に金属アンチモン粉、三酸化アンチモン粉及び硫黄粉のいずれかを欠いた各比較例の生成物は、二酸化硫黄の発生、品質及び安全性の少なくとも1つが不十分であることが分かった。
【0054】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明
は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。