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JP3849261B2 - Method for producing aqueous dispersion - Google Patents

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JP3849261B2
JP3849261B2 JP33106597A JP33106597A JP3849261B2 JP 3849261 B2 JP3849261 B2 JP 3849261B2 JP 33106597 A JP33106597 A JP 33106597A JP 33106597 A JP33106597 A JP 33106597A JP 3849261 B2 JP3849261 B2 JP 3849261B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化粧品、塗料、半導体ウェハ等の研磨用スラリー等に用いることができ、保管中の増粘やゲル化或いは沈降分離等の問題が無く、安定性に優れた水性分散体、例えば無機粒子の水性コロイドの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、化粧品、塗料、半導体ウェーハ等の研磨用スラリーには、不純物が極めて少ない高純度な原料として、例えばヒュームド法(高温火炎加水分解法)のような気相法により合成した無機粒子(以下「ヒュームド法無機粒子」という)が用いられている。しかし、ヒュームド法無機粒子は2次凝集が激しいため、その水性分散体を製造する場合には水中にて凝集体を破壊・解砕する必要がある。この凝集体の破壊・解砕が不十分なために粗大粒子が多い場合は、保管中に水性分散体が経時的に増粘したり、ゲル化して全く流動性を失って使用できなくなるという問題や、保管中に凝集体が沈殿して分離するという問題が起こる。
従来、ヒュームド法無機粒子の凝集体を破壊・解砕して水性分散体を製造する方法として、ワーリングブレンダーやハイシェアミキサーのような高速撹拌型の分散装置を使用する方法(特開平3−50112)や、ジェットストリームミキサーのような粉体導入混合分散機、歯付きコロイドミル/ディゾルバー/スキム攪拌機を組み合わせた装置(日本アエロジル(株)カタログNo.19「アエロジルの取り扱い方法」P38)が知られている。しかし、何れの方法による場合も、凝集体を十分に破壊・解砕することができず、多数の粗大粒子が存在するという問題があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記従来の技術的課題を背景になされたもので、長時間保管しておいても増粘してゲル化したり、沈降物が発生したりすることのない分散安定性の良好な無機粒子の水性分散体の製造方法を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の製造方法は下記[1]〜[]の方法である。
[1] 攪拌ブレードを副回転軸により回転させつつ副回転軸を主回転軸により回転させてい遊星方式の混練機の混練槽内の水系媒体中に、気相法により合成した無機粒子を当該混練機が過負荷にならないように監視しつつ連続的又は間欠的に添加して、固形分濃度30重量%から70重量%の範囲の水性分散体とする第1の分散工程
前記第1の分散工程後の水性分散体を、攪拌ブレードを副回転軸により回転させつつ該副回転軸を主回転軸により回転させているとともに高速回転翼を副回転軸により回転させつつ該副回転軸を前記主回転軸により回転させている遊星方式の混練機の混練槽内で、前記第1の分散工程よりも長時間かけて更に分散させる第2の分散工程、
前記第2の分散工程後の水性分散体を水系媒体で希釈して固形分濃度を5重量%以上低下させる希釈工程、
前記希釈工程後の水性分散体を、濾過材の孔構造が入口側で粗く、出口側で細かく、且つ、入口側から出口側へ向かうにつれて連続的に又は段階的に細かくなるように設計されているデプス型フィルターを用いて濾過する濾過工程、
を順に実施することにより、無機粒子の平均粒径が0.05〜0.9μmの範囲にあり、且つ、生理食塩水中に0.01重量%で分散させてアパーチャチューブの口径サイズが50μmである細孔を通過する1〜30μmの粒子を当該アパーチャチューブの内と外に設けた電極間に流れる電流値の変化に基づいて検出して30秒間計数した計数値が2000以下である水性分散体を得ることを特徴とする製造方法。
[2] 前記[1]に於いて、
前記第2の分散工程の途中で酸又はアルカリを添加する、
ことを特徴とする製造方法。
[3] 前記[1]又は[2]に於いて、
前記希釈工程後の水性分散体を流動させて衝突させることにより更に分散させる高圧ホモジナイザーを用いた第3の分散工程を実施し、その後、前記濾過工程を実施する、
ことを特徴とする製造方法。
[4] 前記[1]に於いて、
前記第1の分散工程に先立って前記遊星方式の混練機の混練槽内の水系媒体に酸又はアルカリを添加し、
前記希釈工程後の水性分散体を流動させて衝突させることにより更に分散させる高圧ホモジナイザーを用いた第3の分散工程を実施し、その後、前記濾過工程を実施する、
ことを特徴とする製造方法。
[5] 前記[1]〜[4]の何れかに於いて、
前記第1の分散工程を少なくとも30分かけて実施し、前記第2の分散工程を少なくとも70分かけて実施する、
ことを特徴とする製造方法。
[6] 前記[1]〜[5]の何れかに於いて、
前記第1の分散工程を、固形分濃度が35重量%から60重量%の範囲の水性分散体を得るように実施する、
ことを特徴とする製造方法。
[7] 前記[1]〜[6]の何れかに於いて、
前記無機粒子は、ヒュームドシリカの粒子である、
ことを特徴とする製造方法。
[8] 前記[1]〜[7]の何れかに於いて、
前記工程を順に実施することにより、無機粒子の平均粒径が0.05〜0.9μmの範囲にあり、且つ、生理食塩水中に0.01重量%で分散させてアパーチャチューブの口径サイズが50μmである細孔を通過する1〜30μmの粒子を当該アパーチャチューブの内と外に設けた電極間に流れる電流値の変化に基づいて検出して30秒間計数した計数値 が1000以下である水性分散体を得ることを特徴とする製造方法。
平均粒子径は、大塚電子株式会社製の『LAZER PRACTICE ANALTZER PAR−▲3▼』を用いて測定した。
本発明の製造方法による分散後の無機粒子は2次粒子或いは2次粒子と1次粒子から成る。
分散後の無機粒子の平均粒子径が0.05μm未満であると水性分散体の粘度が大き過ぎて取り扱いが困難になる。0.9μmを超えると、安定性が悪くなって沈降が生ずる。この粒子径は、無機粒子原料の種類の選択、混練り時の固形分濃度などによりコントロールすることができる。
本発明の製造方法により製造した水性コロイド(水性分散体)は、例えば、化粧品、塗料、コーティング剤、半導体ウェーハの研磨用スラリー等に用いることができる。
【0005】
1.コールターマルチタイザーによる計数.
図1はコールターマルチタイザー▲2▼型(コールター株式会社製)の測定原理を示す。コールターマルチタイザー▲2▼型は、アパーチャチューブのアパーチャ(細孔部,開口)を所定時間内に通過するスラリー粒子数を、アパーチャチューブの内と外に設けた電極間に流れる電流値に基づいて計数する装置である。即ち、アパーチャチューブの細孔部をスラリー粒子が通過すると、該スラリー粒子の体積に応じて両電極のインピーダンスが変化し、これが、両電極間に流れる電流値の変化(パルス)として観測される。このパルスは、チャンネル(大きさ)別に累積され、これに基づいて粒径分布が求められるのである。アパーチャを通過するスラリー粒子の径はアパーチャサイズ(開口径)の2〜60%であり、例えば、アパーチャサイズを50μmとした場合、1〜30μmのスラリー粒子が通過することになる。
【0006】
2.気相法無機粒子.
ヒュームド法(高温火炎加水分解法)や、ナノフェーズテクノロジー社法(金属蒸発酸化法)等の気相法により合成した無機粒子は、高純度であるため、本発明に好適に用いられる。気相法無機粒子としては、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化アンチモン、酸化クロム、酸化ゲルマニウム、酸化バナジウム、酸化タングステン、酸化鉄、酸化セリウム等の金属酸化物が例示できる。この中で特に好ましいものは、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化セリウムである。
分散に供する気相法無機粒子は、一般には粉体であり、小さな粒子(一次粒子という)の凝集体(二次粒子という)として存在している。この一次粒子の平均粒子径は、通常、0.005〜1μmである。
【0007】
3.分散方法の例.
(a)概要.
性分散体は、例えば、攪拌ブレードを副回転軸により回転させつつ副回転軸を主回転軸により回転させる方式の混練機の混練槽内の水系媒体中に上述の無機粒子を添加して分散させることにより製造することができる。なお、攪拌ブレードを副回転軸により回転させつつ副回転軸を主回転軸により回転させる方式は、一般的に、遊星方式と呼ばれる。
【0008】
(b)遊星方式の混練機.
図2は遊星方式の混練機を模式的に示し、(a)は上面図、(b)は側面図である。図示のように、遊星方式の混練機の混練槽10内には、副回転軸aの周囲を矢印方向へ回転する攪拌ブレード11a と、副回転軸bの周囲を矢印方向へ回転する攪拌ブレード11b が設けられているとともに、これら2個の副回転軸a,bを矢印方向へ回転させる主回転軸cが設けられている。即ち、遊星方式の混練機とは、攪拌ブレードが副回転軸の周囲を回転(自転)し、且つ、副回転軸が主回転軸の周囲を回転(公転)するように構成された混練機である。
このように設けられた攪拌ブレード11a,11b は複雑な軌跡で運動するため、混練槽内の流体は均一に混練され、凝集体は十分に分断され、その結果、多量の粉体を比較的少量の液体中に効率良く分散することが可能となる。
なお、図2では、副回転軸がaとbの2本の場合が示されているが、副回転軸は1本でもよく、3本以上でもよい。また、副回転軸を複数本設ける場合は、各副回転軸を等間隔に設けてもよく、等間隔でなくともよい。
また、図2では、1本の副回転軸当り2枚の攪拌ブレードが1組として設けられているが、1枚の攪拌ブレードでもよく、3枚以上の攪拌ブレードを1組として設けてもよい。また、攪拌ブレードの副回転軸と同軸に又は攪拌ブレードの副回転軸とは別軸に高速回転翼を設けて、該高速回転翼により凝集体の分断・分散能力を更に向上させてもよい。
また、図2では、主回転軸c及び副回転軸a,bが、何れも上面視で反時計方向へ回転する場合が示されているが、主回転軸と副回転軸の回転方向を相互に反対方向に設定して、攪拌ブレードの運動の軌跡を変えてもよい。
また、図2では、攪拌ブレード11a,11b が、両端部間で湾曲するとともに捩じれている、所謂ひねり形状の場合が示されているが、攪拌ブレードの形状としては、混練槽内の流体を均一に混練でき、凝集体を十分に分断でき、その結果として、多量の粉体を比較的少量の液体中に効率良く分散させることができる形状であれば、他の形状を採用してもよい。
上記の要請を満たす遊星方式の混練機としては、例えば、下記の名称で提供されている混練機が挙げられる。
例えば、万能混合攪拌機(ダルトン(株)製)、ユニバーサルミキサー((株)パウレック製)、KPMパワーミックス((株)栗本鐡工所)、プラネタリーニーダーミキサー(アシザワ(株)製)、T.K.ハイビスディスパーミックス(特殊機化工業(株)製)、プラネタリーディスパー(浅田鉄工(株))等が好ましく用いられる。特に、自転・公転運動を行う攪拌ブレードと高速回転翼(ディスパー)を組み合わせた装置であるプラネタリーディスパーや、T.K.ハイビスディスパーミックスが、多量の粉体を比較的少量の液体中に短時間で均一化に分散させ得るため、好ましい。
【0009】
(c)分散時の濃度.
気相法無機粒子(粉体)を水系媒体中で分散する濃度としては、30〜70重量%、好ましくは35〜60重量%であり、さらに好ましくは40〜50重量%である。固形分濃度が30重量%以下では分散効率が悪いため、得られた水性分散体(水性コロイド)中に凝集物が多量に残り、保管中に沈降・分離する問題が生じたり、増粘してゲル化する場合もある。一方、濃度が70重量%以上と高すぎると、分散装置の負荷が大きすぎて攪拌動作が停止する問題が生じたり、その状態で無理に攪拌動作を続けると過剰に分散されてしまうため、再凝集により10μm以上の粗大粒子が多量に発生する場合もある。
【0010】
(d)添加方法.
ヒュームド法により合成された無機粒子は、連続的または間欠的に添加しながら水系媒体中に分散処理することが望ましい。はじめから必要量の粉体を添加すると、均一に分散させることが困難なばかりでなく、負荷が大きすぎて攪拌機が停止するという問題も生ずる。添加する方法としては、固形分濃度20重量%程度までは速やかに投入し、その後は、混練機の電流値(負荷)を監視しつつ過負荷にならないように粉体を連続的または間欠的に添加すると良い。粉体の投入装置としては、スクリューで搬送する方式等を挙げることができる。
【0011】
(e)アルカリ又は酸の添加.
上述の分散体に、酸又はアルカリを添加すると、最終的に得られた無機粒子の水性コロイド(水性分散体)の安定性が向上するため好ましい。酸を添加する場合は、最終的に希釈した後に得られる無機粒子の水性コロイド(水性分散体)のpHが7〜2の範囲が好ましい。また、アルカリを添加する場合は、最終的に希釈した後に得られる無機粒子の水性コロイド(水性分散体)のpHが7〜12の範囲が好ましい。pHが2より低かったり、pHが12より高かったりすると、無機粒子が溶解したり、粒子が凝集するという問題が生ずる。
酸又はアルカリの添加の時期は、あらかじめ水系分散媒中に添加する方法、無機粉体添加途中、無機粉体添加後、混練途中、混練後、の何れの工程でも良い。好ましくは、混練途中、又は混練後の希釈(希釈については後述する)前である。この混練途中、又は混練後の希釈前の時期に添加すると、添加による凝集物の発生を防止することができる。
酸としては、例えば、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸等の無機酸や、酢酸、フタル酸、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、ポリアクリル酸、マレイン酸、ソルビン酸等の有機酸、等を用いることができる。好ましくは、1価の酸である塩酸、硝酸、酢酸である。
アルカリとしては、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、アンモニア等の無機塩基、エチレンジアン、トリエチルアミン、ピペラジンなどのアミン類等を用いることができる。
【0012】
(f)希釈等.
前記の分散工程で得られた水性分散体(無機コロイド分散体)は、混練工程後に希釈することが望ましい。希釈する程度は、分散された無機粒子の種類や混練時の固形分濃度によって異なるが、水系媒体で希釈することにより、混練時の固形分濃度より5重量%程度以上、固形分濃度を低下させることが望ましい。混練工程時の固形分濃度のままでは高粘度であるため取り扱いが困難であるばかりでなく、保管中に更に増粘したり、ゲル化するという問題が生ずる。希釈する方法としては、混練機に直接水系媒体を投入する方法が、混練機より取り出し易くなるため好ましい。混練工程の後、更に均一性を高めるために、さらに別の混練機もしくは分散装置を用いて分散処理することで、本発明の水性分散体を得ることもできる。その場合には、例えば、コーレス型高速攪拌分散機、ホモミキサー、高圧ホモジナイザーまたはビーズミルを、好ましく用いることができる。
また、前述の分散工程で用いる混練機、分散装置、粉体投入装置としては、水性分散体(無機コロイド)中への金属汚染をできるだけ防ぐため、ポリウレタンやテフロンやエポキシ樹脂等のライニングや、ジルコニア等のセラミックスライニングを、内壁や撹拌羽根等の接液部・接粉部に施して、耐磨耗性を高めたものが好ましい。
【0013】
(g)分散工程で用いる装置の他の例.
前述の遊星方式の装置の他に、分散工程では、例えば、(イ)気相法無機粒子を吸引しながら水系媒体中に直接分散できる粉体導入混合分散機(商品名:ジェットストリームミキサー(三田村理研工業(株))等)、(ロ)流体を衝突させて分散させる高圧ホモジナイザー(商品名:マントンガウリンホモジナイザー(同栄商事(株)),ベルトリホモジナイザー(日本精機製作所(株)),マイクロフルイダイザー(みづほ工業(株)),ナノマイザー(月島機械(株)),ジーナスPY(白水化学工業(株))、システムオーガナイザー(日本ビーイーイー(株)),アルティマイザー(伊藤忠産機(株))等)等を用いることができる。また、ビーズミルのような分散機も使用できる。ビーズの材料としては、例えば、無アルカリガラス、アルミナ、ジルコン、ジルコニア、チタニア、チッ化ケイ素が好ましい。
分散処理は、一種類の分散機を使用しても良く、2種類以上の分散機を複数回使用しても良い。遊星方式の装置に加えて、遊星方式以外の装置を分散工程で用いる場合、無機粒子の水性分散体中への金属汚染をできるだけ防ぐため、ポリウレタンやテフロンやエポキシ樹脂等のライニングや、ジルコニア等のセラミックスライニングを、内壁や撹拌羽根等の接液部に施して耐磨耗性を高めたものが好ましいことは前述の遊星方式の装置の場合と同様である。
【0014】
4.濾過.
本発明の製造方法では、無機粒子の水性分散体中に存在する粗大粒子を十分に除去するためには、分散後、さらに、フィルターで濾過処理することが好ましい。フィルターとしては、デプス型のデプスカートリッジフィルター(アドバンテック東洋社、日本ポール社等)の他、フィルターバック式(ISP社)のフィルターを用いることができる。
デプス型のフィルターとは、濾過材の孔構造が入口側で粗く、出口側で細かく、且つ、入口側から出口側へ向かうにつれて連続的に又は段階的に細かくなるフィルターである。即ち、濾過材が十分に厚いために(例:0.2〜2cm)、該濾過材を通過する流体中から多量の異物を捕集できるフィルターである。
例えば、図3(b)に示すように、孔構造が、流体の侵入(入口)側で粗く、排出(出口)側で細かく、且つ、侵入側から排出側へ向かうにつれて連続的に又は段階的(段階は、1段階でもよく、2段階以上でもよい)に細かくなるように設計された厚さdの濾過材である。これにより、粗大粒子の中でも比較的大きな粒子は侵入側付近で捕集され、比較的小さな粒子は排出側付近で捕集され、全体として、粗大粒子はフィルターの厚み方向の各部分で捕集される。その結果、粗大粒子の捕集が確実に行われるとともに、フィルターが目詰まりし難くなってその寿命を長くできる効果がある。
また、望ましくは、図3(b)に示すように、繊維の太さが、流体の侵入(入口)側で太く、排出(出口)側で細く設計されることにより、空隙率が、流体の侵入側と排出側の間で略一様とされた濾過材が用いられる。ここで、空隙率とは、流体の通過方向に直交する平面内の単位断面積当りの空隙の割合である。このように空隙率が略一様であるため、濾過時の圧力損失が小さくなり、粗大粒子の捕集条件が厚さ方向で略一様となる。さらに、比較的低圧のポンプを用いることができる。
デプス型フィルターは、図3(a)に示すような中空円筒形状のカートリッジタイプのフィルター201 でもよく、また、図4(b)に示すような袋状タイプのフィルター202 でもよい。中空円筒形状のフィルター201 の場合は、濾過材の厚みを所望の厚さに設計できる利点がある。袋状タイプの場合は、流体が袋内から袋外へ通過するようにフィルター部200(図4(a)参照)内に設けられるため、交換時に、被濾過物をフィルター202 と一緒に除去できるという効果がある。
このようなデプス型フィルターを、例えば、図4(a)に示すフィルター部200 内にセットして用いることにより、気相法無機粒子を水系媒体中に添加して分散させた分散体中から、粒子径が5μmを越える粗大粒子を除去することができる。
図4(a)は、分散機101 内の水系媒体中に気相法無機粒子を添加して分散させ、この分散体をタンク102 内に貯留した後、該タンク102 から送り出してポンプPによりフィルター部200 に圧送し、該フィルター部200 内にセットしたフィルター201 (又は202 )により濾過した後、弁V1を経て再びタンク102 内に戻すという循環を繰り返すことで分散体内の粗大粒子を十分に除去した後、弁V1を閉じるとともに弁V2を開いて、粗大粒子除去後の水性分散体をタンク300 内に貯留するシステムを示す。なお、図4(a)では、循環式のシステムが示されているが、1回パス方式のシステムを用いてもよい。また、1回パス方式の場合、加圧ポンプPに代えて、タンクを空気圧等で加圧してフィルター処理してもよい。
なお、遠心分離法を組み合わせて用いてもよい。また、孔構造が大きいフィルターを前段に組み合わせてプレフィルターとして使用すると、更に目詰まりし難くなって、デプス型フィルターの寿命を長くできる効果がある。
【0015】
【発明の実施の形態】
後述の実施例1〜5の水性分散体、及び後述の比較例1〜3の水性分散体の各々について、粒径検出部分のアパーチャチューブのアパーチャサイズを50μmとしたコールターマルチタイザー▲2▼型(コールター株式会社製)を用いて、下記のように1〜30μmの粒子数を測定した。
まず、測定セルにアイソトン2(コールター株式会社製の生理食塩水)を100cc、20重量%濃度の水酸化カリウム水溶液を0.1cc添加し、カウント数Aを求めるブランク測定を行った。カウント数Aは、30秒間にアパーチャチューブのアパーチャ(口径サイズ50μmの開口)を通過する粒子数のカウント値である。
次に、10重量%に調整したスラリー(実施例1〜5、及び比較例1〜3の各製品(水性分散体)を調整したもの)をマイクロピペットで0.1c添加し、30秒間攪拌した後、カウント数Bを求める測定を行った。この測定は、30秒間にアパーチャチューブのアパーチャ(口径サイズ50μmの開口)を通過する粒子数のカウント値である。
次に、正味のカウント数N(コールターカウンタ値N)を、
(カウント数B−カウント数A=正味のカウント数N)
として求めた。
【0016】
上記のように測定したコールターカウンタ値Nとの関係に於いて、各水性分散体の保存安定性及びスクラッチを評価した。評価結果を表1に示す。
ここで、保存安定性は、25℃で保管した場合の沈澱物の有無で評価した。その結果、表1に示すように、コールターカウンタ値Nが1000以下(好ましい範囲内)の実施例1〜5の各製品では、2カ月以上経過しても沈澱物が認められず、良好な保存安定性を示した。これに対して、コールターカウンタ値Nが本発明の範囲外の2000以上の比較例1〜3の各製品では7日以内で沈澱物が観測され、保存安定性に欠けるという結果を得た。
また、スクラッチは、研磨機としてラップマスターSFT社製の定盤径380mmのLM−15を用い、該研磨機の定盤にロデール・ニッタ社製のパッドIC1000を張り付け、該パッドにシリコンウエハーを装着して、実施例1〜5及び比較例1〜3の各製品(水性分散体)を濃度10%に希釈して用いて各々30分間研磨し、研磨後にシリコンウエハーを洗浄乾燥して、微分干渉顕微鏡を用いた目視で表面観察を行い、表面欠陥(スクラッチ)の有無を調べた。なお、研磨条件は、加工圧力100g/cm2 、定盤回転数30rpm、研磨剤供給量100cc/分とした。その結果、表1に示すように、コールターカウンタ値Nが1000以下の実施例1〜5の各製品を研磨剤として用いた場合はスクラッチが無く研磨剤として適するという結果を得た。これに対して、コールターカウンタ値Nが2500以上の比較例1〜3の各製品を研磨剤として用いた場合はスクラッチが有り研磨材として適しないという結果を得た。
【0017】
1.実施例1.
日本アエロジル(株)社製のアエロジル#50(ヒュームドシリカ(二酸化珪素)6kgを、遊星式混練り機(商品名・TKハイビスディスパーミックス,HDM−3D−20型,特殊機化工業(株)社製)を用い、イオン交換水6kg中に、ひねりブレードを主回転軸10rpmと副回転軸30rpmで回転させ、混練りしながら30分かけて連続的に添加した。添加後、さらに1時間、固形分濃度50重量%濃度のの状態で、ひねりブレードの副回転軸を30rpmで回転させる混練り操作と、直径80mmのコーレス型高速回転翼の副回転軸を2000rpmで回転させるディスパー処理を、それぞれ主回転軸を10rpmで回転させながら同時に実施し、60分間継続した。
その後、20重量%濃度の水酸化カリウム水溶液を0.3108kg添加し、ひねりブレードの副回転軸を30rpmで回転させる混練り操作と、直径80mmのコーレス型高速回転翼の副回転軸を2000rpmで回転させるディスパー処理を、それぞれ主回転軸を10rpmで回転させながら同時に実施する操作を10分間行った。
得られたスラリーをイオン交換水で希釈して、30重量%濃度の酸化珪素の水性コロイド(水性分散体)を得た。これを更に、ポアサイズ5μmのデプスカートリッジフィルター処理することにより粗大粒子を除去した。
得られた二酸化珪素水性分散体の体積基準の平均粒子径は0.20μm、pHは10.6であった。また、計測値Nは670であった。なお、ここでは、平均粒子径を体積基準で測定しているが、重量基準でも略同様の結果を得る。
2.実施例2.
実施例2では、混練り時の固形分濃度を40重量%濃度とした以外は、実施例1と同様に水性コロイドを得た。得られた二酸化珪素水性分散体の体積基準の平均粒子径は0.25μm、pHは10.5であった。また、計測値Nは530であった。
3.実施例3.
実施例1に於いて、混練りによる分散時の固形分濃度を45重量%濃度とした点、及び混練りによる分散後の水性分散体を、単結晶ダイヤモンド製ユニットを備えた高圧ホモジナイザー(商品名・ジーナスPYモデルPRO2−15(白水化学工業株式会社製)を用いて更に分散処理し、更にポアサイズ5μmのデプスカートリッジフィルター処理を行った以外は、実施例1と同様に水性コロイドを得た。得られた二酸化珪素水性分散体の体積基準の平均粒子径は0.23μm、pHは10.6であった。また、計測値Nは330であった。
4.実施例4.
実施例3に於いて、20重量%濃度の水酸化カリウム水溶液を、アエロジル分散前のイオン交換水に投入した以外は、実施例3と同様に水性コロイドを得た。得られた二酸化珪素水性分散体の体積基準の平均粒子径は0.23μm、pHは10.6であった。また、計測値Nは1000であった。
5.実施例5.
実施例1に於いて、アエロジル#50(ヒュームドシリカ(二酸化珪素)9kgを、遊星式混練り機(商品名・TKハイビスディスパーミックス,HDM−3D−20型,特殊機化工業(株)社製)を用い、イオン交換水9kg中に、ひねりブレードを主回転軸10rpmと副回転軸30rpmで回転させ、混練りしながら60分かけて連続的に添加した点以外は、実施例1と同様に水性コロイドを得た。得られた二酸化珪素水性分散体の体積基準の平均粒子径は0.22μm、pHは10.6であった。また、計測値Nは330であった。
【0018】
6.比較例1.
比較例1は、混練り法やフィルター処理法を用いず、高圧法のみによって分散を行ったものである。ここでいう高圧法とは、単結晶ダイヤモンド製ユニットを備えた高圧ホモジナイザー(商品名・ジーナスPYモデルPRO2−15(白水化学工業株式会社製)を用いて500kg/cm2 で処理することをいう。
即ち、10リットルのポリ容器にイオン交換水8kgを計り取り、アエロジル#50(ヒュームド法シリカ(二酸化珪素))2kgを、アクリル樹脂製の棒で攪拌することによって予備分散を行った。次に、単結晶ダイヤモンド製ユニットを備えた高圧ホモジナイザー(商品名・ジーナスPYモデルPRO2−15(白水化学工業株式会社製)を用いて500kg/cm2 で1回処理した後、20重量%濃度の水酸化カリウム水溶液を0.1036kg添加し、更に高圧ホモジナイザーで1回処理して、二酸化珪素水性分散体を得た。
得られた二酸化珪素水性分散体の体積基準の平均粒子径は0.25μm、pHは10.6であった。また、計測値Nは4400であった。
7.比較例2.
実施例4に於いて、高圧法を実施しないこと、及びフィルター処理を実施しないこと以外は、実施例4と同様に処理することでヒュームド法シリカの水性分散体の調整を試みた。
得られた二酸化珪素水性分散体の体積基準の平均粒子径は0.21μm、pHは10.7であった。また、計測値Nは50000であった。
8.比較例3.
実施例5に於いて、フィルター処理を実施しないこと以外は、実施例5と同様に処理することで、ヒュームド法シリカの水性分散体の調整を試みた。
得られた二酸化珪素水性分散体の体積基準の平均粒子径は0.24μm、pHは10.5であった。また、計測値Nは2500であった。
【0019】
【表1】

Figure 0003849261
【0020】
【発明の効果】
本発明の製造方法により製造した無機粒子の水性分散体は、長時間保管しておいても増粘してゲル化したり、沈降物が発生したりすることが無く分散安定性が良好である。
【図面の簡単な説明】
【図1】コールターマルチタイザー▲2▼型の測定原理を示す説明図。
【図2】遊星方式の混練機を示し、(a)は上面図、(b)は側面図。
【図3】(a)は中空円筒形状のデプス型のフィルターカートリッジを模式的に示す斜視図、(b)はデプス型フィルターの厚み方向の孔構造と遷移径を説明する模式図。
【図4】(a)は図2のデプス型フィルターを用いて濾過するシステムの一例を示す構成図、(b)は袋錠のデプス型フィルターを模式的に示す斜視図。
【符号の説明】
10 遊星方式の混練機の混練槽
a 副回転軸
11a 攪拌ブレード11a
b 副回転軸
11b 攪拌ブレード
c 主回転軸[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention can be used for polishing slurries for cosmetics, paints, semiconductor wafers, etc., and has no problems such as thickening, gelation or sedimentation during storage, and is an aqueous dispersion excellent in stability, such as inorganic Aqueous colloid of particlesManufacturing methodAbout.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for polishing slurries such as cosmetics, paints, and semiconductor wafers, inorganic particles synthesized by a vapor phase method such as the fumed method (high-temperature flame hydrolysis method) as a high-purity raw material with very few impurities (hereinafter referred to as “ "Fumed inorganic particles"). However, since the fumed inorganic particles are severely secondary agglomerated, it is necessary to break and crush the agglomerates in water when producing the aqueous dispersion. When there are many coarse particles due to insufficient destruction and crushing of the aggregates, the problem is that the aqueous dispersion thickens over time during storage or gels and loses its fluidity so that it cannot be used. In addition, there is a problem that aggregates are precipitated and separated during storage.
Conventionally, as a method for producing an aqueous dispersion by breaking and crushing the aggregates of fumed inorganic particles, a method using a high-speed stirring type dispersion device such as a Waring blender or a high shear mixer (Japanese Patent Laid-Open No. 3-50112). ), And a device incorporating a powder introduction mixing and dispersing machine such as a jet stream mixer and a toothed colloid mill / dissolver / skim stirrer (Nippon Aerosil Co., Ltd. Catalog No.19 “Aerosil Handling Method” P38) is known. ing. However, in any of the methods, there is a problem that the aggregates cannot be sufficiently broken and crushed and a large number of coarse particles are present.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made against the background of the above-mentioned conventional technical problems, and has good dispersion stability without thickening and gelling or generating sediment even after storage for a long time. Aqueous dispersion of inorganic particlesManufacturing methodThe purpose is to provide.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
  The production method of the present invention includes the following [1] to [8].
[1] While rotating the stirring blade by the auxiliary rotating shaftTheRotate the sub rotation shaft by the main rotation shaftHaveRuPlanetInorganic particles synthesized by the vapor phase method in the aqueous medium in the kneading tank of the kneading machineContinuously or intermittently while monitoring the kneader to avoid overloadingAdd solid content concentrationBut30% to 70% by weightFirst dispersion step to obtain an aqueous dispersion in the range,
  The aqueous dispersion after the first dispersion step is rotated while the stirring blade is rotated by the sub-rotating shaft, the sub-rotating shaft is rotated by the main rotating shaft, and the high-speed rotating blade is rotated by the sub-rotating shaft. A second dispersion step of further dispersing in a kneading tank of a planetary kneader rotating a rotation shaft by the main rotation shaft over a longer time than the first dispersion step;
  A dilution step in which the aqueous dispersion after the second dispersion step is diluted with an aqueous medium to reduce the solid content concentration by 5% by weight or more;
  The aqueous dispersion after the dilution step is designed so that the pore structure of the filter medium is rough on the inlet side, finer on the outlet side, and finer continuously or stepwise from the inlet side to the outlet side. A filtration step of filtering using a depth type filter,
  By carrying out in order,The inorganic particles have an average particle diameter in the range of 0.05 to 0.9 μm, and are dispersed in physiological saline at 0.01% by weight and pass through pores having an aperture tube diameter of 50 μm. Manufacture characterized in that an aqueous dispersion having a count value of 2000 or less obtained by detecting 30 μm particles based on a change in current value flowing between electrodes provided inside and outside the aperture tube is obtained. Method.
[2]In the above [1],
  An acid or an alkali is added during the second dispersion step;
  The manufacturing method characterized by the above-mentioned.
[3]In the above [1] or [2],
  Performing a third dispersion step using a high-pressure homogenizer for further dispersing by causing the aqueous dispersion after the dilution step to flow and collide, and then performing the filtration step;
  The manufacturing method characterized by the above-mentioned.
[4]In the above [1],
  Prior to the first dispersion step, acid or alkali is added to the aqueous medium in the kneading tank of the planetary kneader,
  Performing a third dispersion step using a high-pressure homogenizer for further dispersing by causing the aqueous dispersion after the dilution step to flow and collide, and then performing the filtration step;
  The manufacturing method characterized by the above-mentioned.
[5]In any one of the above [1] to [4],
  Performing the first dispersion step over at least 30 minutes and performing the second dispersion step over at least 70 minutes;
  The manufacturing method characterized by the above-mentioned.
[6]In any one of the above [1] to [5]
  Carrying out the first dispersion step so as to obtain an aqueous dispersion having a solids concentration in the range of 35% to 60% by weight;
  The manufacturing method characterized by the above-mentioned.
[7] In any one of [1] to [6],
  The inorganic particles are fumed silica particles.
  The manufacturing method characterized by the above-mentioned.
[8] In any one of [1] to [7],
  By carrying out the steps in order, the average particle diameter of the inorganic particles is in the range of 0.05 to 0.9 μm, and the aperture tube has a diameter of 50 μm by being dispersed in physiological saline at 0.01% by weight. 1 to 30 μm particles passing through the pores are detected based on the change in the current value flowing between the electrodes provided inside and outside the aperture tube and counted for 30 seconds. A production method characterized in that an aqueous dispersion having a viscosity of 1000 or less is obtained.
  The average particle diameter was measured using “LAZER PRACTICE ANALTZER PAR-3” manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.
  The inorganic particles after dispersion by the production method of the present invention are composed of secondary particles or secondary particles and primary particles.
  When the average particle size of the inorganic particles after dispersion is less than 0.05 μm, the viscosity of the aqueous dispersion is too large and handling becomes difficult. If it exceeds 0.9 μm, the stability becomes poor and sedimentation occurs. The particle size can be controlled by selecting the kind of inorganic particle raw material, the solid content concentration during kneading, and the like.
  The aqueous colloid (aqueous dispersion) produced by the production method of the present invention can be used, for example, in cosmetics, paints, coating agents, semiconductor wafer polishing slurries and the like.
[0005]
1. Counting with Coulter Multitizer.
FIG. 1 shows the measurement principle of Coulter Multitizer (2) type (manufactured by Coulter Co., Ltd.). The Coulter Multitizer type (2) is based on the number of slurry particles that pass through the aperture (pores, openings) of the aperture tube within a predetermined time based on the value of the current flowing between the electrodes provided inside and outside the aperture tube. It is a device for counting. That is, when the slurry particles pass through the pores of the aperture tube, the impedances of both electrodes change according to the volume of the slurry particles, and this is observed as a change (pulse) in the current value flowing between the two electrodes. This pulse is accumulated for each channel (size), and the particle size distribution is obtained based on this. The diameter of the slurry particles passing through the aperture is 2 to 60% of the aperture size (opening diameter). For example, when the aperture size is 50 μm, 1 to 30 μm of slurry particles pass through.
[0006]
2. Gas phase inorganic particles.
Inorganic particles synthesized by a gas phase method such as the fumed method (high-temperature flame hydrolysis method) or the nanophase technology method (metal evaporation oxidation method) have high purity, and thus are suitably used in the present invention. Examples of vapor phase inorganic particles include metal oxides such as silicon oxide, aluminum oxide, titanium oxide, zirconium oxide, antimony oxide, chromium oxide, germanium oxide, vanadium oxide, tungsten oxide, iron oxide, and cerium oxide. Of these, silicon oxide, aluminum oxide, titanium oxide, and cerium oxide are particularly preferable.
The vapor phase inorganic particles used for dispersion are generally powders and exist as aggregates (referred to as secondary particles) of small particles (referred to as primary particles). The average particle diameter of the primary particles is usually 0.005 to 1 μm.
[0007]
3. Examples of distribution methods.
(A) Overview.
waterFor example, the above-mentioned inorganic particles are added to and dispersed in an aqueous medium in a kneading tank of a kneader of a type in which the auxiliary rotating shaft is rotated by the main rotating shaft while the stirring blade is rotated by the auxiliary rotating shaft. ByManufacturebe able to. A method of rotating the sub-rotation shaft by the main rotation shaft while rotating the stirring blade by the sub-rotation shaft is generally called a planetary method.
[0008]
(B) Planetary kneader.
FIG. 2 schematically shows a planetary kneader, where (a) is a top view and (b) is a side view. As shown in the figure, in the kneading tank 10 of the planetary kneader, the stirring blade 11a that rotates around the sub-rotating shaft a in the direction of the arrow, and the stirring blade 11b that rotates around the sub-rotating shaft b in the direction of the arrow. And a main rotation shaft c for rotating these two auxiliary rotation shafts a and b in the direction of the arrow. That is, the planetary kneader is a kneader configured such that the stirring blade rotates (rotates) around the sub-rotating shaft, and the sub-rotating shaft rotates (revolves) around the main rotating shaft. is there.
Since the stirring blades 11a and 11b provided in this manner move along a complicated trajectory, the fluid in the kneading tank is uniformly kneaded and the aggregates are sufficiently divided, and as a result, a large amount of powder is relatively small. It becomes possible to disperse efficiently in the liquid.
FIG. 2 shows the case where there are two sub-rotating shafts a and b, but there may be one sub-rotating shaft or three or more sub-rotating shafts. In addition, when a plurality of sub-rotation shafts are provided, the sub-rotation shafts may be provided at equal intervals or not at equal intervals.
In FIG. 2, two stirring blades are provided as one set per sub-rotating shaft. However, one stirring blade may be provided, or three or more stirring blades may be provided as one set. . Further, a high-speed rotary blade may be provided coaxially with the sub-rotating shaft of the stirring blade or on a different shaft from the sub-rotating shaft of the stirring blade, and the ability to separate and disperse the aggregates may be further improved by the high-speed rotating blade.
FIG. 2 shows the case where the main rotation shaft c and the sub rotation shafts a and b both rotate counterclockwise when viewed from above. However, the rotation directions of the main rotation shaft and the sub rotation shaft are mutually different. The direction of the movement of the stirring blade may be changed by setting the direction to the opposite direction.
FIG. 2 shows a so-called twisted shape in which the stirring blades 11a and 11b are curved and twisted between both end portions. The shape of the stirring blade is such that the fluid in the kneading tank is uniform. Other shapes may be adopted as long as the shape can be kneaded and the aggregate can be sufficiently divided, and as a result, a large amount of powder can be efficiently dispersed in a relatively small amount of liquid.
Examples of the planetary kneader satisfying the above requirements include a kneader provided under the following name.
For example, a universal mixing stirrer (Dalton Co., Ltd.), a universal mixer (Powrec Co., Ltd.), KPM Power Mix (Kurimoto Corporation), a planetary kneader mixer (Ashizawa Co., Ltd.), K. Hibis Disper mix (manufactured by Tokushu Kika Kogyo Co., Ltd.), planetary disper (Asada Tekko Co., Ltd.) and the like are preferably used. In particular, planetary dispersers, which are a combination of agitation blades that rotate and revolve, and high-speed rotating blades (dispers), K. Hibisdisper mix is preferable because a large amount of powder can be uniformly dispersed in a relatively small amount of liquid in a short time.
[0009]
(C) Concentration at dispersion.
The concentration at which the vapor phase inorganic particles (powder) are dispersed in the aqueous medium is 30 to 70% by weight, preferably 35 to 60% by weight, and more preferably 40 to 50% by weight. Since the dispersion efficiency is poor at a solid content concentration of 30% by weight or less, a large amount of agglomerates remain in the obtained aqueous dispersion (aqueous colloid), causing problems such as sedimentation and separation during storage, and thickening. It may gel. On the other hand, if the concentration is too high, such as 70% by weight or more, the load of the dispersing device is too large, causing a problem that the stirring operation stops, or if the stirring operation is forcibly continued in that state, excessive dispersion will occur. In some cases, a large amount of coarse particles of 10 μm or more are generated due to aggregation.
[0010]
(D) Adding method.
The inorganic particles synthesized by the fumed method are desirably dispersed in an aqueous medium while being continuously or intermittently added. When a necessary amount of powder is added from the beginning, not only is it difficult to disperse uniformly, but there is also a problem that the stirrer stops due to an excessive load. As a method of addition, the solid content concentration is rapidly charged up to about 20% by weight, and thereafter the powder is continuously or intermittently monitored so as not to overload while monitoring the current value (load) of the kneader. It is good to add. Examples of the powder input device include a method of conveying with a screw.
[0011]
(E) Addition of alkali or acid.
It is preferable to add an acid or an alkali to the above-mentioned dispersion because stability of the aqueous colloid (aqueous dispersion) of the finally obtained inorganic particles is improved. When the acid is added, the pH of the aqueous colloid (aqueous dispersion) of the inorganic particles obtained after the final dilution is preferably in the range of 7 to 2. Moreover, when adding an alkali, the pH of the aqueous colloid (aqueous dispersion) of the inorganic particle obtained after the final dilution is preferably in the range of 7-12. When the pH is lower than 2 or the pH is higher than 12, there arises a problem that the inorganic particles are dissolved or the particles are aggregated.
The timing of addition of the acid or alkali may be any of the method of adding in advance to the aqueous dispersion medium, the process of adding the inorganic powder, the process of adding the inorganic powder, the process of kneading, and the process of kneading. Preferably, in the middle of kneading or before dilution after kneading (dilution will be described later). When added during the kneading or at the time before dilution after kneading, the generation of aggregates due to the addition can be prevented.
Examples of the acid include inorganic acids such as hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, and phosphoric acid, and organic acids such as acetic acid, phthalic acid, acrylic acid, methacrylic acid, crotonic acid, polyacrylic acid, maleic acid, and sorbic acid. Can be used. Preferred are hydrochloric acid, nitric acid and acetic acid which are monovalent acids.
Examples of the alkali that can be used include inorganic bases such as potassium hydroxide, sodium hydroxide, lithium hydroxide, and ammonia, and amines such as ethylenedian, triethylamine, and piperazine.
[0012]
(F) Dilution, etc.
The aqueous dispersion (inorganic colloidal dispersion) obtained in the dispersion step is preferably diluted after the kneading step. The degree of dilution varies depending on the type of dispersed inorganic particles and the solid content concentration during kneading, but by diluting with an aqueous medium, the solid content concentration is reduced by about 5% by weight or more from the solid content concentration during kneading. It is desirable. If the solid content concentration in the kneading step is still high, the viscosity is high, so that it is difficult to handle, and there is a problem of further thickening or gelation during storage. As a method for diluting, a method in which an aqueous medium is directly fed into a kneader is preferable because it becomes easier to take out from the kneader. After the kneading step, the aqueous dispersion of the present invention can also be obtained by carrying out a dispersion treatment using another kneader or a dispersing device in order to further improve the uniformity. In that case, for example, a Coreless type high-speed stirring disperser, a homomixer, a high-pressure homogenizer, or a bead mill can be preferably used.
In addition, as a kneading machine, a dispersing device, and a powder charging device used in the above-described dispersion process, in order to prevent metal contamination in the aqueous dispersion (inorganic colloid) as much as possible, lining of polyurethane, Teflon, epoxy resin, etc., zirconia It is preferable to apply a ceramic lining such as an inner wall or a stirring blade to a wetted part or a wetted part to improve wear resistance.
[0013]
(G) Other examples of apparatuses used in the dispersion step.
In addition to the planetary system described above, in the dispersion process, for example, (a) a powder introduction mixing and dispersing machine (trade name: Jetstream Mixer (Mitamura), which can directly disperse vapor phase inorganic particles in an aqueous medium while sucking them. Riken Kogyo Co., Ltd.), (b) High-pressure homogenizer (product name: Manton Gaurin homogenizer (Doei Shoji Co., Ltd.), Belt Rehomogenizer (Nippon Seiki Seisakusho Co., Ltd.), Micro Fluidizer (Mizuho Kogyo Co., Ltd.), Nanomizer (Tsukishima Kikai Co., Ltd.), Genus PY (Shiramizu Chemical Co., Ltd.), System Organizer (Japan EE Co., Ltd.), Ultimateizer (ITOCHU INDUSTRY CO., LTD.) Etc.) can be used. A disperser such as a bead mill can also be used. As the material for the beads, for example, alkali-free glass, alumina, zircon, zirconia, titania, and silicon nitride are preferable.
In the dispersion processing, one type of disperser may be used, or two or more types of dispersers may be used a plurality of times. In addition to the planetary system, when using a non-planetary system in the dispersion process, in order to prevent metal contamination of the aqueous dispersion of inorganic particles as much as possible, lining of polyurethane, Teflon, epoxy resin, etc., zirconia, etc. As in the case of the above-mentioned planetary system, it is preferable to apply ceramic lining to the wetted parts such as the inner wall and the stirring blade to improve wear resistance.
[0014]
4). filtration.
Of the present inventionIn the manufacturing method,In order to sufficiently remove the coarse particles present in the aqueous dispersion of inorganic particles, it is preferable to further perform filtration with a filter after the dispersion. As the filter, in addition to a depth type depth cartridge filter (Advantech Toyo Co., Ltd., Nippon Pole Co., Ltd.), a filter back type (ISP Co.) filter can be used.
The depth type filter is a filter in which the pore structure of the filter medium is rough on the inlet side, finer on the outlet side, and becomes finer continuously or stepwise from the inlet side toward the outlet side. That is, since the filter medium is sufficiently thick (for example, 0.2 to 2 cm), the filter can collect a large amount of foreign matters from the fluid passing through the filter medium.
For example, as shown in FIG. 3B, the pore structure is rough on the intrusion (inlet) side of the fluid, finer on the discharge (outlet) side, and continuously or stepwise from the intrusion side to the discharge side. The filter medium has a thickness d designed to be finer (the number of steps may be one or two or more). As a result, relatively large particles of coarse particles are collected near the intrusion side, relatively small particles are collected near the discharge side, and as a whole, coarse particles are collected at each part in the thickness direction of the filter. The As a result, it is possible to reliably collect coarse particles and to prevent the filter from being clogged and to prolong its life.
Desirably, as shown in FIG. 3 (b), the fiber thickness is designed to be thicker on the fluid ingress (inlet) side and thinner on the outlet (outlet) side, so that the porosity is reduced. A filter medium that is substantially uniform between the intrusion side and the discharge side is used. Here, the porosity is the ratio of the void per unit cross-sectional area in a plane orthogonal to the fluid passage direction. Thus, since the porosity is substantially uniform, the pressure loss at the time of filtration becomes small, and the collection conditions of coarse particles become substantially uniform in the thickness direction. Furthermore, a relatively low pressure pump can be used.
The depth type filter may be a hollow cylindrical cartridge type filter 201 as shown in FIG. 3A or a bag type filter 202 as shown in FIG. 4B. In the case of the hollow cylindrical filter 201, there is an advantage that the thickness of the filter medium can be designed to a desired thickness. In the case of the bag type, since the fluid is provided in the filter unit 200 (see FIG. 4A) so that the fluid passes from the inside of the bag to the outside of the bag, the object to be filtered can be removed together with the filter 202 at the time of replacement. There is an effect.
For example, by using such a depth filter set in the filter unit 200 shown in FIG. 4 (a), from the dispersion in which the vapor phase inorganic particles are added and dispersed in the aqueous medium, Coarse particles having a particle diameter exceeding 5 μm can be removed.
FIG. 4A shows a case where vapor phase inorganic particles are added and dispersed in an aqueous medium in a disperser 101, the dispersion is stored in a tank 102, then sent out from the tank 102 and filtered by a pump P. After being filtered by the filter 201 (or 202) set in the filter unit 200 and returned to the tank 102 again through the valve V1, the coarse particles in the dispersion are sufficiently removed. Then, the system is shown in which the valve V1 is closed and the valve V2 is opened to store the aqueous dispersion after removal of coarse particles in the tank 300. In FIG. 4A, a circulation system is shown, but a one-pass system may be used. Further, in the case of the single pass method, instead of the pressurizing pump P, the tank may be pressurized with air pressure or the like and filtered.
A centrifugal separation method may be used in combination. Further, when a filter having a large pore structure is combined in the previous stage and used as a pre-filter, it becomes more difficult to clog, and there is an effect that the life of the depth filter can be extended.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
For each of the aqueous dispersions of Examples 1 to 5 to be described later and the aqueous dispersions of Comparative Examples 1 to 3 to be described later, Coulter Multitizer (2) type in which the aperture size of the aperture tube of the particle size detection portion was 50 μm ( Using Coulter Co., Ltd., the number of particles of 1 to 30 μm was measured as follows.
First, 100 cc of Isoton 2 (saline solution manufactured by Coulter Co., Ltd.) and 0.1 cc of a 20 wt% potassium hydroxide aqueous solution were added to the measurement cell, and blank measurement was performed to determine the count number A. The count number A is a count value of the number of particles passing through the aperture of the aperture tube (opening having a diameter of 50 μm) for 30 seconds.
Next, 0.1 c of slurry adjusted to 10 wt% (prepared products of each of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 (aqueous dispersion)) was added with a micropipette and stirred for 30 seconds. Then, the measurement which calculates | requires the count number B was performed. This measurement is a count value of the number of particles passing through the aperture of the aperture tube (opening having a diameter of 50 μm) in 30 seconds.
Next, the net count number N (Coulter counter value N) is
(Count B-Count A = Net Count N)
As sought.
[0016]
The storage stability and scratch of each aqueous dispersion were evaluated in relation to the Coulter counter value N measured as described above. The evaluation results are shown in Table 1.
Here, the storage stability was evaluated by the presence or absence of precipitates when stored at 25 ° C. As a result, as shown in Table 1, in each of the products of Examples 1 to 5 having a Coulter counter value N of 1000 or less (within a preferable range), no precipitate was observed even after 2 months or more, and good storage was achieved. Showed stability. On the other hand, in each of the products of Comparative Examples 1 to 3 having a Coulter counter value N of 2000 or more outside the range of the present invention, precipitates were observed within 7 days, and the storage stability was lacking.
Scratch uses LM-15 with a 380 mm surface plate diameter manufactured by Lapmaster SFT as a polishing machine, and a pad IC 1000 manufactured by Rodel Nitta is attached to the surface plate of the polishing machine, and a silicon wafer is attached to the pad. Then, each product (aqueous dispersion) of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 was diluted to a concentration of 10% and polished for 30 minutes, and after polishing, the silicon wafer was washed and dried to obtain differential interference. The surface was visually observed using a microscope, and the presence or absence of surface defects (scratches) was examined. The polishing conditions are a processing pressure of 100 g / cm.2The rotation speed of the platen was 30 rpm, and the abrasive supply rate was 100 cc / min. As a result, as shown in Table 1, when each of the products of Examples 1 to 5 having a Coulter counter value N of 1000 or less was used as an abrasive, there was no scratch and it was suitable as an abrasive. On the other hand, when each product of Comparative Examples 1 to 3 having a Coulter counter value N of 2500 or more was used as an abrasive, there was a result that there was a scratch and it was not suitable as an abrasive.
[0017]
1. Example 1.
Aerosil # 50 (fumed silica (silicon dioxide) 6 kg manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.) is mixed with a planetary kneader (trade name: TK Hibis Disper Mix, HDM-3D-20, Special Machine Industries Co., Ltd.) The twist blade was rotated at 10 rpm and the sub-rotation shaft 30 rpm in ion exchange water 6 kg, and continuously added over 30 minutes while kneading. A kneading operation in which the sub-rotating shaft of the twisting blade is rotated at 30 rpm in a state where the solid content concentration is 50% by weight, and a disper treatment in which the sub-rotating shaft of the coreless high-speed rotating blade having a diameter of 80 mm is rotated at 2000 rpm, respectively. It was carried out simultaneously while rotating the main rotating shaft at 10 rpm, and continued for 60 minutes.
Thereafter, 0.3108 kg of 20 wt% potassium hydroxide aqueous solution was added, the kneading operation for rotating the auxiliary rotating shaft of the twist blade at 30 rpm, and the auxiliary rotating shaft of the coreless high-speed rotary blade having a diameter of 80 mm were rotated at 2000 rpm. The operation of simultaneously performing the disper treatment to be performed while rotating the main rotating shaft at 10 rpm was performed for 10 minutes.
The obtained slurry was diluted with ion-exchanged water to obtain an aqueous colloid (aqueous dispersion) of silicon oxide having a concentration of 30% by weight. This was further subjected to a depth cartridge filter treatment with a pore size of 5 μm to remove coarse particles.
The obtained silicon dioxide aqueous dispersion had a volume-based average particle size of 0.20 μm and a pH of 10.6. The measured value N was 670. Here, the average particle diameter is measured on a volume basis, but substantially the same result is obtained on a weight basis.
2. Example 2
In Example 2, an aqueous colloid was obtained in the same manner as in Example 1 except that the solid content concentration during kneading was 40% by weight. The obtained silicon dioxide aqueous dispersion had a volume-based average particle size of 0.25 μm and a pH of 10.5. The measured value N was 530.
3. Example 3 FIG.
In Example 1, the solid content concentration at the time of dispersion by kneading was 45% by weight, and the aqueous dispersion after dispersion by kneading was treated with a high-pressure homogenizer (trade name) having a unit made of single crystal diamond. An aqueous colloid was obtained in the same manner as in Example 1 except that the dispersion treatment was further performed using Genus PY model PRO2-15 (manufactured by Hakusui Chemical Co., Ltd.) and the depth cartridge filter treatment with a pore size of 5 μm was further performed. The obtained silicon dioxide aqueous dispersion had a volume-based average particle size of 0.23 μm, a pH of 10.6, and a measured value N of 330.
4). Example 4
In Example 3, an aqueous colloid was obtained in the same manner as in Example 3 except that a 20% by weight aqueous potassium hydroxide solution was added to ion-exchanged water before the dispersion of Aerosil. The obtained silicon dioxide aqueous dispersion had a volume-based average particle size of 0.23 μm and a pH of 10.6. The measured value N was 1000.
5). Example 5 FIG.
In Example 1, Aerosil # 50 (fumed silica (silicon dioxide) 9 kg was mixed with a planetary kneader (trade name: TK Hibis Disper Mix, HDM-3D-20, Special Machine Industries Co., Ltd.) Except that the twisting blade was rotated at 10 rpm and the auxiliary rotating shaft 30 rpm in the ion exchange water 9 kg and continuously added over 60 minutes while kneading. A volume-based average particle diameter of the obtained silicon dioxide aqueous dispersion was 0.22 μm, pH was 10.6, and measured value N was 330.
[0018]
6). Comparative Example 1
In Comparative Example 1, dispersion was performed only by the high pressure method without using the kneading method or the filter processing method. The high-pressure method referred to here is 500 kg / cm using a high-pressure homogenizer (trade name: Genus PY model PRO2-15 (manufactured by Hakusui Chemical Co., Ltd.)) equipped with a unit made of single crystal diamond.2It means processing with.
That is, 8 kg of ion-exchanged water was measured in a 10-liter plastic container, and 2 kg of Aerosil # 50 (fumed silica (silicon dioxide)) was stirred with an acrylic resin rod for preliminary dispersion. Next, 500 kg / cm using a high-pressure homogenizer (trade name: Genus PY model PRO2-15 (manufactured by Hakusui Chemical Co., Ltd.)) equipped with a unit made of single crystal diamond.2Then, 0.1036 kg of a 20 wt% aqueous potassium hydroxide solution was added, and further treated once with a high-pressure homogenizer to obtain an aqueous silicon dioxide dispersion.
The obtained silicon dioxide aqueous dispersion had a volume-based average particle size of 0.25 μm and a pH of 10.6. The measured value N was 4400.
7). Comparative Example 2
In Example 4, an attempt was made to prepare an aqueous dispersion of fumed silica by carrying out the same treatment as in Example 4 except that the high-pressure method was not carried out and the filter treatment was not carried out.
The obtained silicon dioxide aqueous dispersion had a volume-based average particle size of 0.21 μm and a pH of 10.7. The measured value N was 50000.
8). Comparative Example 3
In Example 5, except for not performing the filter treatment, an aqueous dispersion of fumed silica was prepared by the same treatment as in Example 5.
The obtained silicon dioxide aqueous dispersion had a volume-based average particle size of 0.24 μm and a pH of 10.5. The measured value N was 2500.
[0019]
[Table 1]
Figure 0003849261
[0020]
【The invention's effect】
Of the present inventionManufactured by manufacturing methodThe aqueous dispersion of inorganic particles has good dispersion stability without thickening and gelling or generating precipitates even when stored for a long time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the measurement principle of a Coulter multitizer (2) type.
FIG. 2 shows a planetary kneading machine, in which (a) is a top view and (b) is a side view.
FIG. 3A is a perspective view schematically illustrating a hollow cylindrical depth type filter cartridge, and FIG. 3B is a schematic diagram illustrating a hole structure and a transition diameter in the thickness direction of the depth type filter.
4A is a configuration diagram showing an example of a system for filtering using the depth type filter of FIG. 2, and FIG. 4B is a perspective view schematically showing a depth filter of a bag tablet.
[Explanation of symbols]
10 Kneading tank of planetary kneading machine
a Sub-rotating shaft
11a Stirring blade 11a
b Secondary shaft
11b Stirring blade
c Main shaft

Claims (8)

攪拌ブレードを副回転軸により回転させつつ副回転軸を主回転軸により回転させてい遊星方式の混練機の混練槽内の水系媒体中に、気相法により合成した無機粒子を当該混練機が過負荷にならないように監視しつつ連続的又は間欠的に添加して、固形分濃度30重量%から70重量%の範囲の水性分散体とする第1の分散工程
前記第1の分散工程後の水性分散体を、攪拌ブレードを副回転軸により回転させつつ該副回転軸を主回転軸により回転させているとともに高速回転翼を副回転軸により回転させつつ該副回転軸を前記主回転軸により回転させている遊星方式の混練機の混練槽内で、前記第1の分散工程よりも長時間かけて更に分散させる第2の分散工程、
前記第2の分散工程後の水性分散体を水系媒体で希釈して固形分濃度を5重量%以上低下させる希釈工程、
前記希釈工程後の水性分散体を、濾過材の孔構造が入口側で粗く、出口側で細かく、且つ、入口側から出口側へ向かうにつれて連続的に又は段階的に細かくなるように設計されているデプス型フィルターを用いて濾過する濾過工程、
を順に実施することにより、無機粒子の平均粒径が0.05〜0.9μmの範囲にあり、且つ、生理食塩水中に0.01重量%で分散させてアパーチャチューブの口径サイズが50μmである細孔を通過する1〜30μmの粒子を当該アパーチャチューブの内と外に設けた電極間に流れる電流値の変化に基づいて検出して30秒間計数した計数値が2000以下である水性分散体を得ることを特徴とする製造方法。
Stirring blades in an aqueous medium in the kneading tank kneader Tei Ru planetary system is rotated by the main rotating shaft the auxiliary rotary shaft while rotating the auxiliary rotary shaft, the kneader inorganic particles synthesized by gas phase method A first dispersion step in which an aqueous dispersion having a solid content concentration in the range of 30% by weight to 70% by weight is added continuously or intermittently while monitoring to prevent overloading .
The aqueous dispersion after the first dispersion step is rotated while the stirring blade is rotated by the sub-rotating shaft, the sub-rotating shaft is rotated by the main rotating shaft, and the high-speed rotating blade is rotated by the sub-rotating shaft. A second dispersion step of further dispersing in a kneading tank of a planetary kneader rotating a rotation shaft by the main rotation shaft over a longer time than the first dispersion step;
A dilution step in which the aqueous dispersion after the second dispersion step is diluted with an aqueous medium to reduce the solid content concentration by 5% by weight or more;
The aqueous dispersion after the dilution step is designed so that the pore structure of the filter medium is rough on the inlet side, finer on the outlet side, and finer continuously or stepwise from the inlet side to the outlet side. A filtration step of filtering using a depth type filter,
Are carried out in order, the average particle size of the inorganic particles is in the range of 0.05 to 0.9 μm, and the aperture tube has a diameter of 50 μm dispersed in physiological saline at 0.01% by weight. An aqueous dispersion in which 1 to 30 μm particles passing through the pores are detected based on a change in current value flowing between electrodes provided inside and outside the aperture tube and counted for 30 seconds is 2000 or less. The manufacturing method characterized by obtaining.
請求項1に於いて、In claim 1,
前記第2の分散工程の途中で酸又はアルカリを添加する、An acid or an alkali is added during the second dispersion step;
ことを特徴とする製造方法。The manufacturing method characterized by the above-mentioned.
請求項1又は請求項2に於いて、In claim 1 or claim 2,
前記希釈工程後の水性分散体を流動させて衝突させることにより更に分散させる高圧ホモジナイザーを用いた第3の分散工程を実施し、その後、前記濾過工程を実施する、Performing a third dispersion step using a high-pressure homogenizer for further dispersing by causing the aqueous dispersion after the dilution step to flow and collide, and then performing the filtration step;
ことを特徴とする製造方法。The manufacturing method characterized by the above-mentioned.
請求項1に於いて、In claim 1,
前記第1の分散工程に先立って前記遊星方式の混練機の混練槽内の水系媒体に酸又はアルカリを添加し、Prior to the first dispersion step, acid or alkali is added to the aqueous medium in the kneading tank of the planetary kneader,
前記希釈工程後の水性分散体を流動させて衝突させることにより更に分散させる高圧ホモジナイザーを用いた第3の分散工程を実施し、その後、前記濾過工程を実施する、Performing a third dispersion step using a high-pressure homogenizer for further dispersing by causing the aqueous dispersion after the dilution step to flow and collide, and then performing the filtration step;
ことを特徴とする製造方法。The manufacturing method characterized by the above-mentioned.
請求項1〜請求項4の何れかに於いて、In any one of Claims 1-4,
前記第1の分散工程を少なくとも30分かけて実施し、前記第2の分散工程を少なくとも70分かけて実施する、Performing the first dispersion step over at least 30 minutes and performing the second dispersion step over at least 70 minutes;
ことを特徴とする製造方法。The manufacturing method characterized by the above-mentioned.
請求項1〜請求項5の何れかに於いて、In any one of Claims 1-5,
前記第1の分散工程を、固形分濃度が35重量%から60重量%の範囲の水性分散体を得るように実施する、Carrying out the first dispersion step so as to obtain an aqueous dispersion having a solids concentration in the range of 35% to 60% by weight;
ことを特徴とする製造方法。The manufacturing method characterized by the above-mentioned.
請求項1〜請求項6の何れかに於いて、
前記無機粒子は、ヒュームドシリカの粒子である、
ことを特徴とする製造方法。
In any one of Claims 1-6,
The inorganic particles are fumed silica particles.
The manufacturing method characterized by the above-mentioned.
請求項1〜請求項7の何れかに於いて、
前記工程を順に実施することにより、無機粒子の平均粒径が0.05〜0.9μmの範囲にあり、且つ、生理食塩水中に0.01重量%で分散させてアパーチャチューブの口径サイズが50μmである細孔を通過する1〜30μmの粒子を当該アパーチャチューブの内と外に設けた電極間に流れる電流値の変化に基づいて検出して30秒間計数した計数値が1000以下である水性分散体を得ることを特徴とする製造方法。
In any one of Claims 1-7,
By carrying out the steps in order, the average particle diameter of the inorganic particles is in the range of 0.05 to 0.9 μm, and the aperture tube has a diameter of 50 μm by being dispersed in physiological saline at 0.01% by weight. An aqueous dispersion in which 1 to 30 μm particles passing through the pores are detected based on a change in the current value flowing between the electrodes provided inside and outside the aperture tube, and the counted value counted for 30 seconds is 1000 or less A method for producing a body.
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