JPS6044280B2 - 炭化けい素ウイスカ−の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 炭化けい素の単結晶を構成するウィスカーは、比強度
、比弾性率、耐熱性、化学的安定性などの特性面て卓越
した性能を有することから、金属あるいはプラスチック
スの複合強化材として有用視されている。

炭化けい素ウィスカ−の生成は、原料物質（けい素源、
炭材、第三成分）の選定、配合比率、反応時の雰囲気お
よび温度などによつて大きく支配され、これら条件因子
をいかに組合わせるかが高品位、高収率を得るための要
件となる。このため、従来から生成条件を相違させた多
様の製造技術が提案されている。 本発明は、固体状の
原料系においては多孔構造の原料物質を用いることが得
られる炭化けい素ウィスカ−の性状と収率の向上化に有
効に作用すること、また、ウィスカ−の生成機構は主に
けい素源原料の界面から成長することから、けい素源原
料に触媒成分を介在しておくことが結晶成長の促進化に
効果的であるという二面的観点に基づいて研究を重ねた
結果開発されたもので、この構成は、鉄、ニッケル、コ
バルトの水溶性化合物をけい素分に対し６．０〜２５、
腫量％含有するシリカゲルに、ＤＢＰ吸油量５Ｏｍι／
１００ ｇ以上の粒子凝集構造を有するフアーネスカ
ーボンブラツクを１１０〜４００重量部の割合で混合し
、非酸化性雰囲気下で１３００〜１７００’Ｃの温度に
加熱することを特徴とする。

けい素源原料として用いられるシリカゲルは約９９．
５％の５１００成分を含有するけい酸て、４５Ｏｒｒｌ
／ダ以上の表面積をもつ微細多孔構造の物質てある。

該シリカゲルは天然産のものも使用できるが、けい酸ナ
トリウムに塩酸または硫酸のような無桟酸を作用させて
分解し、凝固体を水洗、乾燥して得られる合成シリカゲ
ルの方が組成に均質性があり、また純度が高い関係で好
適である。 シリカゲルは粉末形態で使用されるが、こ
れには予め鉄、ニッケル、コバルトの水溶性化合物を触
媒成分として含有さぜておく必要がある。触媒成分は、
シリカゲル中のけい素分に対し、６．０〜２５、曜日％
の割合で均一に含有させる。この含有量が６．０重量％
未満のときは、結晶成長の促進化に有効作用せすに粒状
炭化けい素として残留する比率が増し、他方、２５．鍾
量％を越えるとウィスカーの長さが不揃いとなつたアス
ペクト比の均一性を損ねる結果を招く。シリカゲルに触
媒成分を均一含有させるためには、合成シリカゲルを１
５０メッシュ以下、望ましくは２００メッシュ以下の粒
度に微粉砕し、これに鉄、ニッケル、コバルトの塩化物
もしくは硝酸塩などの水溶性化合物を水に溶解した状態
て浸透したのち乾燥する方法をとることが最も効果的で
ある。炭材には、石油系あるいは石炭系の重質炭化水素
油を熱分解して得られるフアーネスカーボンブラツクの
うちストラクチアーの指標となるＤＢＰ吸油量が５０ｍ
１／１００ｙ以上のものが選択使用される。

フアーネスカーボンブラツクは、コークス粉、黒鉛粉の
ような通常の炭材物質とは異質の表面性状と粒子構造と
有しており、それ自体炭材としての適格性を備えている
が、とくに吸油量５０ｍ１／１００ｙ以上の粒子凝集構
造をもつものは炭化けい素ウィスカーの生成に好適な多
孔性を具備しており、これがけい素源原料となるシリカ
ゲルの微細多孔構造と相俟つてウィスカーの性状ならび
に収率の向上に大きく寄与する。

フアーネスカーボンブラツク（炭材）は、シリカゲル（
けい素源原料）に対し１１０〜４叩重量部の配合比率で
混合する必要がある。

この配合比率は、従来技術による炭材配合量に比べて過
剰範囲に位するが、該範囲を下廻ると微粒子状の炭化け
．い素結晶が多量に生成し、実質的にウィスカー収率の
減退を招く。また、上記範囲を越える炭材の配合はウィ
スカー収率の増大化には機能せず、寧ろ残留炭材の増加
に伴う後処理を煩雑にする。触媒成分を含有するシリカ
ゲルとフアーネスカ！ーボンブラツクは十分均一に混合
する。原料系には、生成空間形成材として塩化ナトリウ
ムを共存させておくと、加熱時の沸騰作用により原料物
質内にウィスカー成長に有効な空間を形成するとともに
けい素源原料の気化を促進するフラックスと・して機能
し、生成収率と結晶の伸長を一層助長する効果を与える
。塩化ナトリウムの共存は、シリカゲルに対し８０〜２
０唾量％の割合で原料物質に混合するか、原料物質の底
部に敷きつめる等の手段による。原料物質は、黒鉛のよ
うな耐熱性材料で構成された反応容器に充填したのち加
熱される。反応容器の加熱は、容器に蓋を付し周囲をコ
ークス粒などのカーボンバッキング材で被包して通電加
熱する方法を用い、非酸化性雰囲気下て１３００〜１７
００℃、望ましくは１５００〜１６５０℃の温度に少く
とも２時間保持することによりおこなわれる。加熱過程
で原料物質中のけい素成分と炭素成分フは気相反応によ
り微小繊維状の炭化けい素単結晶に転化するが、この際
、けい素源原料となるシリカゲルと炭材フアーネスカー
ボンブラツクの有する特有の微細多孔構造ならびにシリ
カゲル中に含有する触媒成分に基つく結晶成長促進作用
によりｊウィスカーの生長は極めて円滑迅速に進行する
一方、フアーネスカーボンブラツクの多量配合と特定量
のシリカゲル含有触媒成分による粒子状炭化けい素の生
成抑止効果および性状均一化とが複合して巧みに作用し
、格子欠陥のない高品位の炭化けい素ウィスカーが収率
よく生成する。

生成物中に残留する未反応の炭材成分は、焼却処理によ
り除去する。

焼却処理後の生成物は、極く少量の微粒子状炭化けい素
を含むほかは全て淡緑白色を呈する炭化けい素ウィスカ
ーで、原料シリカゲルに対する収率は理論収量に近似す
る。

また、ウィスカーの性状は、直径０．２〜０．５μｍ１
長さ２００〜３００μｍの良好なアスペクト比をもつ格
子欠陥のないβ型単結晶である。以下、本発明を実施例
に基づいて説明する。

実施例１けい酸ナトリウム（水ガラス）を塩酸て分解し
、凝固物を水洗、乾燥して得られたシリカゲル（ＳｌＯ
２９９．５％）を２００メッシュ以下の粒度に粉砕した
。

粉砕後のシリカゲル微粉末を各種濃度の塩化第一鉄（Ｆ
ｅＣｌ２・４Ｈ２０）、硝酸ニッケル〔Ｎｉ（ＮＯ３）
２・６Ｈ２０〕および塩化コバルト（ＣＯＣｌ２・６１
（２０）の水溶液に浸漬し、十分に浸透したのち加熱乾
燥して各含有量の異なる触媒成分含有シリカゲルを調製
した。上記の触媒成分含有シリカゲルをけい素源原料と
し、これに炭材としてＤＢＰ吸油量１３０ｍ１／１００
ｙよう素吸着量１０４ｍ９／ｙの特性を有するＩＩＳＡ
Ｆ−Ｈｓ級フアーネスカーボンブラツク〔東海カーボン
（株）製“′ＳＥＡＳＴ５Ｈ′１〕を１１０重量部の配
合割合で均一に混合した。ついで混合原料の各５０．０
Ｖを内径７−、高さ１５０ＴＩｒＩｎの高純度黒鉛製反
応容器に軽く充填し、反応容器の上部に黒鉛蓋を付して
アチソン型電気炉に移したのち、周囲をコークス粒バッ
キングで被包した。

炉を通電昇温し、炉内を非酸化性雰囲気に保持しながら
１６００℃の温度に４時間加熱して反応を完結した。加
熱処理後、反応容器から内容物を集収し、大気中で７０
０℃の温度に熱処理して残留する炭材成分を燃焼除去し
た。

得られた生成物は淡緑白色を有する藻草状のウィスカー
、Ｘ線回折をおこなつたところ、β−ＳｉＣの原子間距
離２．５１Ａ、１５４Ａの波長位置に明確なピークが現
出したが、ＳｉＯ２やＣに相当する回折線は全く認めら
れなかつた。このためβ型を主体とする炭化けい素単結
晶であることが確認されたが、シリカゲル中に存在する
触媒成分の含有量により生成収率、粒子状炭化けい素の
混在量、アスペクト比、性状均質性などに相違があつた
。これらの結果を、適用した触媒成分および含有量と対
比させて下表に示した。

なお、比較のために、純粋二酸化けい素粉（けい素源原
料）に１１０重量部の黒鉛粉（炭材）を混合したのち、
けい素源原料に対し７．呼量％の塩化第一鉄および塩化
コバルトを各混合した原料系について、上記と同一条件
て実施した結果を比較例として表中に併載した。上記の
結果は、シリカゲル中のけい素成分に対し６．０〜２５
坦重量％の触媒成分を含有させた本発明例（ＲＬｌｌｌ
ＮＯ．３〜６、１０〜１２、１７〜２０）が前記含有量
範囲を外れる例および比較例に比し生成収率、性状品質
とも優れており、とくに６．鍾量％未満の触媒含有量お
よび比較例に比べて粒状炭化けい素の混在が著るしく低
くなり、複合強化材としての適格性を示している。

なお、本発明例で得られた炭化けい素ウィスカーは、引
張り強さ２１００〜２３００ｋｇ／ｉ１弾性率５０００
０〜５２０００ｋ９／ＴｎｌＬの物性値を備え、結晶格
子欠陥は認められなかつた。

実施例２ 実施例１と同様にして調製した塩化コバルト７．睡量％
（対けい素成分）を含有するシリカゲル微粉末にＤＢＰ
吸油量１１９ｍｔ／１００ｙ１よう素吸着量９０Ｔｎ１
／ｙの特性をもつフアーネスカーボンブラツク〔東海カ
ーボン（株）製、゜゜ＳＥＡＳＴＫＨ゛〕を１５鍾量部
の割合で混合してけい素源一炭材配合原料とし、更にシ
リカゲルに対し１０鍾量％に相当する塩化ナトリウム粉
末を添加して十分均一に混合した。

該原料系を実施例１と同一の加熱条件により２時間処理
した。未反応炭材成分を焼却処理した生成物は、塩化ナ
トリウム未添加時に比べ嵩高いスポンジ状形態を呈して
おり、ウィスカー長が１０％程度伸長する結果が認めら
れた。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鉄、ニッケル、コバルトの水溶性化合物をけい素分
   に対し６．０〜２５．０重量％含有するシリカゲルに、
   ＤＢＰ吸油量５０ｍｌ／１００ｇ以上の粒子凝集構造を
   有するフアーネスカーボンブラツクを１１０〜４００重
   量部の割合で混合し、非酸化性雰囲気下で１３００〜１
   ７００℃の温度に加熱することを特徴とする炭化けい素
   ウィスカーの製造方法。 ２ けい酸ナトリウムに無機酸を作用し、水洗、乾燥後
   １５０メッシュ以下に粉砕した微粉末に、鉄、ニッケル
   、コバルトの塩化物もしくは硝酸塩を水溶液状態で浸透
   乾燥して得られたシリカゲルを用いる特許請求の範囲第
   １項記載の炭化けい素ウィスカーの製造方法。 ３ 生成空間形成材としてシリカゲルに対し８０〜２０
   ０重量％の塩化ナトリウムを共存させる特許請求の範囲
   第１項記載の炭化けい素ウィスカーの製造方法。