特開 2025-15042 無機化合物粉末の製造方法及び粉砕処理システム

(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】P2025015042

(43)【公開日】2025-01-30

(54)【発明の名称】無機化合物粉末の製造方法及び粉砕処理システム

(51)【国際特許分類】

   B02C 19/06 20060101AFI20250123BHJP

【ＦＩ】

B02C19/06 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023118107

(22)【出願日】2023-07-20

(71)【出願人】

【識別番号】504105737

【氏名又は名称】林化成株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100135758

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 高志

(74)【代理人】

【氏名又は名称】玉城 信一

(72)【発明者】

【氏名】池田 隆男

(72)【発明者】

【氏名】永田 員也

【テーマコード（参考）】

4D067

【Ｆターム（参考）】

4D067CA02

4D067GA20

4D067GB05

(57)【要約】      （修正有）

【課題】サスティナブル社会の実現及びカーボンニュートラル化の要請に十分対応可能であり、無機化合物粉末等のフィラーについてその機能をより効果的に発現させることができる無機化合物粉末の製造方法及び粉砕処理システムを提供する。
【解決手段】６００℃以上の高過熱水蒸気を２００～５００℃に下げて低過熱水蒸気とし、該低過熱水蒸気の流体エネルギーを用いて、無機化合物粉末の原料粉体を粉砕する無機化合物粉末の製造方法、及び、６００℃以上の高過熱水蒸気を発生する過熱水蒸気源１２から供給される前記高過熱水蒸気の温度を２００～５００℃に下げて低過熱水蒸気とする冷却手段１４と、無機化合物粉末の原料粉体１６を粉砕する粉砕領域を有し、該粉砕領域内で前記冷却手段から供給される低過熱水蒸気の流体エネルギーを用いて粉砕処理を行って前記原料粉体を無機化合物粉末とする粉砕手段１８と、を含む粉砕処理システム１０である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

６００℃以上の高過熱水蒸気を２００～５００℃に下げて低過熱水蒸気とし、該低過熱水蒸気の流体エネルギーを用いて、無機化合物粉末の原料粉体を粉砕する無機化合物粉末の製造方法。

【請求項2】

前記無機化合物粉末が、層状無機化合物粉末である請求項１に記載の無機化合物粉末の製造方法。

【請求項3】

前記粉砕後の無機化合物粉末に圧縮処理を施す請求項１又は２に記載の無機化合物粉末の製造方法。

【請求項4】

６００℃以上の高過熱水蒸気を発生する過熱水蒸気源から供給される前記高過熱水蒸気の温度を２００～５００℃に下げて低過熱水蒸気とする冷却手段と、
無機化合物粉末の原料粉体を粉砕する粉砕領域を有し、該粉砕領域内で前記冷却手段から供給される低過熱水蒸気の流体エネルギーを用いて粉砕処理を行って前記原料粉体を無機化合物粉末とする粉砕手段と、を含む粉砕処理システム。

【請求項5】

前記過熱水蒸気源が、廃熱ボイラーを含む請求項４に記載の粉砕処理システム。

【請求項6】

前記冷却手段が、前記高過熱水蒸気を冷やす冷却器及び／又は前記高過熱水蒸気の圧力を下げる圧力調整器である請求項４又は５に記載の粉砕処理システム。

【請求項7】

無機化合物粉末が、層状無機化合物粉末である請求項４又は５に記載の粉砕処理システム。

【請求項8】

さらに、前記粉砕処理後の前記無機化合物粉末に圧縮処理を施す圧縮手段を含む請求項４又は５に記載の粉砕処理システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無機化合物粉末の製造方法及び粉砕処理システムに関する。

【背景技術】

【0002】

樹脂成形体を作製する際には、機械的強度等の物性向上を目的として、樹脂原料に種々の充填材が配合される。このような充填材としては、例えばタルク等の層状無機化合物粉末が汎用されている。

【0003】

層状無機化合物粉末はその優れた汎用性から、樹脂成形体以外にも、製紙、化粧品、医薬品、肥料、塗料、セラミックス等の幅広い分野で適用されている。例えば、タルクを配合した樹脂組成物は、自動車部品、家電製品部品又は事務機器部品等の各種の分野に広く使用されている。

【0004】

層状無機化合物粉末をはじめとした充填材は、原料の鉱物材料をジェットミル等で粉砕処理する工程を経て製造される。ジェットミルは、種々の材料を粉砕するのに適しており、高効率化、低コスト化等の観点から、ジェットミルを用いた粉砕処理システムでは、様々の改良がなされている。

【0005】

例えば、特許文献１では、材料を粉砕するためのシステムとして、ジェットミルと、特定のサイクロン分離器と、第１収集器と、第２収集器と、特定のコンプレッサとを含むシステムが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０２２－５１７９５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

粉体の粉砕手段としては、特許文献１のようにジェットミルを用いることが一般的である。しかし、近年では、サスティナブル社会の実現及びカーボンニュートラルの実現に向けて、省エネルギー化が益々要請されている。特許文献１のような従来のジェットミルで使用される循環流体には、外部電源から供給される電力により加圧された空気が使用される。そのため、粉砕のための処理量が大きい場合は、加圧するための電力量が大きくなり、省エネルギー化やＣＯ_２削減といったカーボンニュートラル化の要請に十分対応することができない。
また、粉砕して得られる無機化合物粉末等のフィラーについて、その機能をより効果的に発現させるためには、従来の粉砕処理方法とは異なる方法を開発すべきであるが、そのような方法は未だ知られてはいない。

【0008】

以上から、本発明は、サスティナブル社会の実現及びカーボンニュートラル化の要請に十分対応可能であり、無機化合物粉末等のフィラーについてその機能をより効果的に発現させることができる無機化合物粉末の製造方法及び粉砕処理システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、本発明者らは、下記本発明により当該課題を解決できることを見出した。すなわち、本発明は下記のとおりである。

【0010】

［１］ ６００℃以上の高過熱水蒸気を２００～５００℃に下げて低過熱水蒸気とし、該低過熱水蒸気の流体エネルギーを用いて、無機化合物粉末の原料粉体を粉砕する無機化合物粉末の製造方法。
［２］ 前記無機化合物粉末が、層状無機化合物粉末である［１］に記載の無機化合物粉末の製造方法。
［３］ 前記粉砕後の無機化合物粉末に圧縮処理を施す［１］又は［２］に記載の無機化合物粉末の製造方法。
［４］ ６００℃以上の高過熱水蒸気を発生する過熱水蒸気源から供給される前記高過熱水蒸気の温度を２００～５００℃に下げて低過熱水蒸気とする冷却手段と、
無機化合物粉末の原料粉体を粉砕する粉砕領域を有し、該粉砕領域内で前記冷却手段から供給される低過熱水蒸気の流体エネルギーを用いて粉砕処理を行って前記原料粉体を無機化合物粉末とする粉砕手段と、を含む粉砕処理システム。
［５］ 前記過熱水蒸気源が、廃熱ボイラーを含む［４］に記載の粉砕処理システム。
［６］ 前記冷却手段が、前記高過熱水蒸気を冷やす冷却器及び／又は前記高過熱水蒸気の圧力を下げる圧力調整器である［４］又は［５］に記載の粉砕処理システム。
［７］ 無機化合物粉末が、層状無機化合物粉末である［４］～［６］のいずれか１つに記載の粉砕処理システム。
［８］ さらに、前記粉砕処理後の前記無機化合物粉末に圧縮処理を施す圧縮手段を含む［４］～［７］のいずれか１つに記載の粉砕処理システム。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、サスティナブル社会の実現及びカーボンニュートラル化の要請に十分対応可能であり、無機化合物粉末等のフィラーについてその機能をより効果的に発現させることができる無機化合物粉末の製造方法及び粉砕処理システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本実施形態に係る粉砕処理システムの一例を示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

［無機化合物粉末の製造方法］
本発明の一実施形態（本実施形態）に係る無機化合物粉末の製造方法は、６００℃以上の高過熱水蒸気を２００～５００℃に下げて低過熱水蒸気とし、その低過熱水蒸気の流体エネルギーを用いて、無機化合物粉末の原料粉体を粉砕する無機化合物粉末の製造方法である。

【0014】

無機化合物粉末としては、層状無機化合物粉末であることが好ましい。粉砕後の無機化合物粉末には圧縮処理を施すことが好ましい。

【0015】

本実施形態に係る無機化合物粉末の製造方法は、特に限定されるものではないが、下記の本実施形態に係る粉砕処理システムにより実施されることが好ましい。したがって、本実施形態の製造方法における好ましい態様は、本実施形態に係る粉砕処理システムに相当する条件等と共通する。

【0016】

［粉砕処理システム］
図１に示すように、本発明の一実施形態（本実施形態）に係る粉砕処理システム１０は、６００℃以上の高過熱水蒸気を発生する過熱水蒸気源１２から供給される高過熱水蒸気の温度を２００～５００℃に下げて低過熱水蒸気とする冷却手段１４と、原料粉体１６を粉砕する粉砕領域を有し、その粉砕領域内で冷却手段から供給される低過熱水蒸気の流体エネルギーを用いて粉砕処理を行って原料粉体１６を微粉末とする粉砕手段１８と、を含む。
なお、図中の実線矢印は過熱水蒸気の流れを示し、点線矢印は粉体の流れを示す。

【0017】

ここで、原料粉体１６としては、水酸化アルミニウム、アルミナ、炭酸カルシウム、窒化ホウ素、グラファイト、タルク、カオリン、マイカといった無機化合物粉末の原料となる粉体が挙げられる。なかでも、窒化ホウ素、グラファイト、タルク、カオリン、マイカといった層状無機化合物の粉体が好ましく、タルク、カオリン、マイカといった層状ケイ酸塩鉱物の粉体がより好ましい。
粉砕手段１８がスチームジェットミル等である場合、その粉砕により層状ケイ酸塩鉱物の機能を十分に発揮させる形状とすることを考慮すると、層状ケイ酸塩鉱物は、カオリン及びタルクのいずれかであることが好ましく、タルクであることがより好ましい。

【0018】

原料粉体１６のメジアン径Ｄ_Ｘは、１１～２０μｍであることが好ましく、また、嵩密度（固め）は、０．３～１．５ｃｍ^３／ｇであることが好ましい。これらの範囲にあることで、良好な粉砕効率が得られやすくなる。
メジアン径Ｄ_Ｘは、例えば、レーザー回折・散乱法粒子径分布測定装置を使用して粒度分布（体積基準）を測定することにより求めることができる。
また、嵩密度は、粉体特性評価装置（ホソカワミクロン（株）製パウダテスタＰＴ－Ｘ）を使用して測定した固め嵩密度にて求めることができる。測定条件は、目開き７１０μｍの篩に試料を供給し、振幅１．５ｍｍの振動により１００ｃｍ^３嵩密度測定用カップに被せたキャップの紛面位置が一定となるように試料を追加し、１８０回タッピングを行う。

【0019】

過熱水蒸気源１２としては、例えば、コンビナート、ごみ焼却施設、サーマルリサイクル設備、発電所（例えば、火力発電、ＬＮＧ発電、石炭発電、水素・アンモニア発電、原子力発電、地熱発電、バイオマス発電）等が挙げられる。これらは、その稼働時に６００℃以上の高温の蒸気（高過熱水蒸気）を発生する。これまで、このような高過熱水蒸気の一部は、有効利用されず系外へと放出されていた。本実施形態では、このような高過熱水蒸気を利用するものであり、サスティナブル社会の実現やカーボンニュートラル化の要請に大きく貢献することができる。

【0020】

また、過熱水蒸気源１２として、高過熱水蒸気を効率よく発生させる観点から、廃熱ボイラー（例えば、高圧ボイラー）により過熱水蒸気を生成し、この過熱水蒸気をさらに加熱する加熱装置（例えば、スーパーヒータ）を用いることが好ましい。
コンビナート、ごみ焼却施設、サーマルリサイクル設備、溶湯、溶鋼施設等から発生する高温の廃熱を廃熱ボイラーで回収し、この回収された熱で給水された水を高過熱水蒸気とすることができる。廃熱ボイラーにおいては、例えば、多数の水管内にボイラー給水が流通しており、水管内の水が高温の廃熱よって加熱されて蒸気を発生する。

【0021】

過熱水蒸気源１２から供給される高過熱水蒸気は、冷却手段により２００～５００℃の低過熱水蒸気とし、粉砕手段１８に供給される。冷却手段としては、高過熱水蒸気を冷やす冷却器及び／又は高過熱水蒸気の圧力を下げる圧力調整器であることが好ましい。

【0022】

冷却器としては、高過熱水蒸気の温度を２００～５００℃に下げることができれば、特に限定されず、公知の熱交換機やチラー等を使用することができる。また、圧力調整器は、高圧となっている高過熱水蒸気を低圧にすることでその温度を２００～５００℃（好ましくは、３００～４００℃）に下げることができれば特に限定されず、圧力調整弁等を使用することができる。

【0023】

粉砕手段１８による粉砕を考慮すると、低過熱水蒸気の圧力（粉砕圧力）は、ゲージ圧で０．８～１５．０ＭＰａ程度であることが好ましく、２～８ＭＰａ程度であることがより好ましく、２～４ＭＰａであることがさらに好ましい。このような圧力に調整するためには、冷却器とともに圧力調整器を用いてもよい。

【0024】

粉砕手段１８としては、原料粉体を粉砕する粉砕領域を有し、その粉砕領域内で冷却手段から供給される低過熱水蒸気の流体エネルギーを用いて粉砕処理を行うことが可能で、粉砕用の流体エネルギーとして低過熱水蒸気を利用できる装置、例えば、スチームジェットミルを用いることが好ましい。

【0025】

スチームジェットミルを用いた粉砕処理は、粉砕用の流体エネルギーとして既述の低過熱水蒸気を用いているため、高エネルギーを有効に利用し、効率よく微粉化が可能である。また、メカノケミカル反応（水酸基の脱離、非晶質化）が起こり、表面改質や疎水化といった機能付与がしやすくなるため、水酸化アルミニウム、アルミナ、炭酸カルシウム、窒化ホウ素、グラファイト、タルク、カオリン、マイカといった無機化合物粉末のフィラーについてその機能をより効果的に発現させることができる。

【0026】

特に、層状無機化合物粉末を得る場合は、流体エネルギーとして圧縮空気を用いた通常のジェットミルよりも、瞬間的に大きなせん断力が原料粉体１６に作用することで、面剥離が主として生じる。その結果、板面がある程度大きい状態を維持でき、厚みを薄くできると推測される。すなわち、樹脂と混合して樹脂組成物とした際に、層状無機化合物の本来有する板面に起因する物性向上効果が発現されやすくなると考えられる。

【0027】

また、低過熱水蒸気の流体エネルギーを用いて粉砕処理を行うことが可能なため、外部電源から供給される電力により加圧された空気を使用ジェットミルと比べて、省エネルギー化やＣＯ_２削減といったカーボンニュートラル化の要請に十分対応することができる。

【0028】

［実験例］
以下に、スチームジェットミル及びジェットミルのそれぞれを用いて層状ケイ酸塩鉱物であるタルク粉体を粉砕した際の実験例を示す。

【0029】

メジアン径（Ｄ５０）が１２．７μｍ、嵩密度が０．７２ｇ／ｃｍ^３の原料タルク（パキスタン産のタルクをローラーミルにより粗粉砕し、上記のＤ５０とした）を、スチームジェットミル（以下、「ｓ－ＪＥＴ」ということがある）及びジェットミルのそれぞれにより、表１に示す各メジアン径に粉砕した。

【0030】

（１）スチームジェットミルによる粉砕条件（実験例１～３）
・装置は、Ｎｅｔｚｓｃｈ Ｔｒｏｃｋｅｎｍａｈｌｔｅｃｈｎｉｋ製スチーム・ジェットミルｓ－ＪＥＴ１５０を用いた。
・過熱水蒸気の温度（粉砕エリアに入る前の温度）：３６０℃
・粉砕圧力（ゲージ圧）：３．８ＭＰａ
なお、粒度調整は、スチームジェットミルに付随した分級機の回転数調整により行った。

【0031】

（２）ジェットミルによる粉砕条件（比較実験例１～４）
・装置は、ホソカワミクロン株式会社製カウンタジェットミルＡＦＧ７１０／４を用いた。粒度調整は、ジェットミルに付随した分級機の回転数調整により行った。
なお、Ｄ５０＝２．２μｍの場合（比較実験例１）は、粉砕後に分級を行って調整した。

【0032】

ｓ－ＪＥＴでは、嵩高い粉砕タルク粉末が得られた。一方で、ジェットミルでは、ｓ－ＪＥＴと同じＤ５０でみたときに、嵩の小さい粉砕タルク粉末が得られた。これは、通常条件のジェットミルだと粉砕の滞留時間が長いため、せん断的な力だけでなく、等方的な力もタルクに作用するため、面剥離だけにとどまらず、さらなる粉砕が進行してしまったためと考えられる。

【0033】

（樹脂組成物）
上記のようにして作製したタルク粉末を用いて作製した樹脂組成物の評価を下記のようにして行った。

【0034】

評価：曲げ弾性率
ＪＩＳ Ｋ７１７１に準じて曲げ弾性率を測定した。結果を表１に示す。
射出成型用金型（ＪＩＳ Ｋ７１７１ タイプＢ１）を用いて樹脂組成物の射出成形を行い、それによって得られた成形品（１０ｍｍ（幅）×４ｍｍ（厚さ）×８０ｍｍ（長さ））をＪＩＳ Ｋ７１７１に準じて株式会社オートグラフＡＧ－Ｘｐｌｕｓで曲げ弾性率を評価した（温度：２３℃、曲げ速度：２ｍｍ／分）。
なお、成形品を構成する樹脂組成物の樹脂はポリプロピレン樹脂（サンアロマー株式会社ＰＸ－６００Ｎ）を用い、タルク粉末はポリプロピレン樹脂１００質量部に対して２０質量部とした。

【0035】

【表1】

【0036】

表１より、ジェットミルで得られたＤ_Ｘが４．８μｍの微粉末を用いた比較実験例２と、スチームジェットミルで得られたＤ_Ｘが７．５μｍの微粉末を用いた実験例３が同等の曲げ弾性率を示していた。つまり、スチームジェットミルを用いると、従来のジェットミルよりも大きな粒径であっても、その効果が良好であり、タルクの本来有する特性を十分に発揮させることができることがわかる。また、粉砕に要する消費エネルギーも少なくすむことがわかる。

【0037】

各々の手段により得られる微粉末が同粒径であっても、スチームジェットミルでは、嵩高くなっている。これは、スチームジェットミルでは、面剥離が主として生じるため、嵩密度に対してメジアン径が小さくなりづらく、タルク粉末の板面がある程度大きい状態を維持できるためと推察される。

【0038】

ここで、粉砕手段１８により得られる無機化合物粉末は、メジアン径Ｄ_Ｘが１～１０μｍであることが好ましく、１．５～９．５μｍであることがより好ましい。また、タルク粉末の嵩密度（固め）は、０．１０～０．３５ｇ／ｃｍ^３であることが好ましく、０．１２～０．３０ｇ／ｃｍ^３であることがより好ましく、０．１５～０．２８ｇ／ｃｍ^３であることがさらに好ましい。これらの範囲とすることで、例えば、フィラーとして本来有する特性を十分に発揮させることができる。

【0039】

なお、本実施形態では、粉砕処理後の微粉末に圧縮処理を施す圧縮手段２０を含むことが好ましい。圧縮手段２０により、嵩密度を高めることができる。手段２０としては、ローラーコンパクター等を使用することができる。
また、粉砕手段１８の下流側に集塵装置を設けてもよい。圧縮手段２０を設ける場合は、粉砕手段１８と圧縮手段２０との間に集塵装置を設けてもよい。この集塵機から排出される粉砕後の高温エアーを回収して何らかのエネルギー、例えば電気に変換することも可能である。

【0040】

また、本実施形態においては、粉砕手段から排出される高温ガスの少なくとも一部が、過熱水蒸気源１２、過熱水蒸気源１２と冷却手段１４との間、冷却手段１４と粉砕手段１８との間、及び、粉砕手段１８や集塵装置の少なくともいずれか１以上に供給される循環機構を有していてもよい。これにより更なる省エネルギー化やカーボンニュートラル化の要請に対応することができる。

【0041】

以上のようなシステムを経て得られた微粉末（無機化合物粉末）は、必要に応じて分級処理等を行って、種々の用途に適用することができる。例えば、当該微粉末と樹脂等を配合して樹脂組成物として利用することができる。樹脂としては、熱可塑性樹脂（便宜的に、熱可塑性エラストマーを含む）、熱硬化性樹脂、ゴム、セルロース系樹脂等が挙げられる。

【0042】

樹脂への微粉末の配合、混練は、公知の方法を適用することができる。例えば、ポリプロピレンへの配合、混練には、一般に使用されている単軸混練押出機や二軸混練押出機等が利用できる。このような樹脂組成物は、自動車内外装品、家電製品部品、事務機器部品等の種々の用途に使用することができる。

【符号の説明】

【0043】

１０ 粉砕処理システム
１２ 過熱水蒸気源
１４ 冷却手段
１６ 原料粉体
１８ 粉砕手段
２０ 圧縮手段

【図1】