球状セラミックス粒子
【課題】複合体のフィラー等としての優れた特性、例えば鋳物砂として高温でも優れた耐蝕性、耐焼着性を有し、少ないフィラー添加量でも優れた光拡散性を有する球状セラミックス粒子及びその用途を提供する。
【解決手段】セラミックス組成中にＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分として含有してなり、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率が０．０５〜５、平均粒径が０．５〜５００μｍである球状セラミックス粒子。
【解決手段】セラミックス組成中にＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分として含有してなり、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率が０．０５〜５、平均粒径が０．５〜５００μｍである球状セラミックス粒子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス組成中にＭｇＯとＡｌ２Ｏ３とを主成分として含有する球状セラミックス粒子、及びその用途等に関し、特に、高温で使用される鋳造用鋳型の鋳物砂や、光学部材等の複合体のフィラー等として有用である。
【背景技術】
【０００２】
鋳造用鋳型に使用される鋳物砂の球形度を向上し、吸水率を低減させて、鋳型製造時の流動性及び充填性を改善する技術として、下記の特許文献１には、Ａｌ2Ｏ3及びＳｉＯ2を主成分として含有し、火炎溶融法で製造される球状鋳物砂が開示されている。
【０００３】
また、下記の特許文献２には、耐蝕性、耐焼着性に優れ、併せて強度及び表面平滑性に優れた球状鋳物砂として、ＭｇＯ及びＳｉＯ2を主成分として含有し、火炎溶融法で製造されるセラミックス粒子が開示されている。
【０００４】
一方、セラミックス粒子の他の用途としては、光拡散性部材のフィラー（例えば、特許文献３参照）や電気絶縁材料のフィラー等が挙げられる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２０２５７７号公報
【特許文献２】特開２００６−１５０４５１号公報
【特許文献３】特開２００１−１８８１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、近年用途が拡大しているチタン合金などの合金を鋳造する場合、より高温での耐蝕性と耐焼着性が要求されるため、従来の球状鋳物砂では要求特性を満足するのが困難であった。加えて、従来から使用されているシリカやアルミナと比較して、光拡散性、電気特性などが優れたものが要求されている。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、複合体のフィラー等としての優れた特性、例えば鋳物砂として高温でも優れた耐蝕性、耐焼着性を有し、少ないフィラー添加量でも優れた光拡散性を有する球状セラミックス粒子及びその用途を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、セラミックス組成中にＭｇＯとＡｌ２Ｏ３とを含む球状セラミックス粒子が、鋳物砂として高温でも優れた耐蝕性、耐焼着性を有し、少ないフィラー添加量でも優れた光拡散性を有することを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、本発明の球状セラミックス粒子は、セラミックス組成中にＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分として含有してなり、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率が０．０５〜５、平均粒径が０．５〜５００μｍであることを特徴とする。
【００１０】
なお、本発明における各種の物性値は、具体的には実施例に記載の方法で測定される値である。
【００１１】
また、本発明の球状セラミックス粒子の製造方法は、ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分とする、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率が０．０５〜５、平均粒径が０．５〜５００μｍの粉末粒子を、火炎中で溶融して球状化する工程を含むものである。
【００１２】
また、本発明は、上記の球状セラミックス粒子の用途、即ち、光学部材等の複合体、及び鋳物砂に関するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の球状セラミックス粒子は、球状セラミックス粒子が有する成形性や充填性等の特性に加えて、鋳物砂、複合体用のフィラー等としての優れた特性、例えば鋳物砂として高温でも優れた耐蝕性、耐焼着性を有し、また、少ないフィラー添加量でも優れた光拡散性を有する。このため、本発明の球状セラミックス粒子は、光学部材等の複合体、及び鋳物砂として、特に有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の球状セラミックス粒子の形状である「球状」とは、球形度０．８８以上、好ましくは０．９０以上のものをいう。球状であるか否かについては、セラミックス粒子を後述する走査型電子顕微鏡（たとえば、キーエンス社製、ＶＦ−８０００型）で観察し、判定することができる。
【００１５】
本発明の球状セラミックス粒子は、ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分とするが、ここで「主成分」とは、ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3が合計量でセラミックス粒子全体の全成分中に６０重量％以上含有されていることをいう。
【００１６】
本発明の球状セラミックス粒子の主成分であるＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3の含有量としては、耐火性の向上という観点から、それらの合計量として、球状セラミックス粒子の全成分中、好ましくは６５〜１００重量％、より好ましくは８０〜１００重量％であり、さらに好ましくは８５〜１００重量％、最も好ましくは９０〜１００重量％である。ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3の含有量は公知の分析方法、例えば、湿式重量法または蛍光Ｘ線法で測定することができる。
【００１７】
また、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率は０．０５〜５であるが、球状化のし易さの観点から、０．１〜４．５が好ましく、０．２〜２がより好ましい。
【００１８】
なお、本発明の球状セラミックス粒子に主成分以外の成分として含まれ得るものとしては、たとえば、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｋ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ等の金属酸化物が挙げられる。これらは該セラミックス粒子の原料に由来する。ＳｉＯ2が含まれる場合、球状セラミックス粒子の耐蝕性、耐焼着性の向上の観点から、その含有量としては１０重量％以下が好ましい。Ｆｅ2Ｏ3とＴｉＯ2 が含まれる場合、それらの含有量としてはそれぞれ１０重量％以下が好ましく、Ｆｅ2Ｏ3の含有量は１重量％以下がより好ましい。Ｋ2ＯとＮａ2Ｏが含まれる場合、それらの含有量としては合計量として３重量％以下が好ましく、より好ましくは２重量％以下である。
【００１９】
本発明の球状セラミックス粒子の平均粒径は０．５〜５００μｍ、好ましくは１〜４００μｍの範囲である。
【００２０】
本発明の球状セラミックス粒子は、好ましくは火炎溶融法により得られるものである（この場合を「第１の態様」という）。従って、球形度が高く、緻密であるという構造的特徴を有する。当該構造的特徴は、流動性、鋳型強度、鋳造された鋳物の表面平滑性の向上に大きく寄与する。
【００２１】
本発明の好ましい第１の態様の球状セラミックス粒子は、ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分として含有してなり、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率が０．０５〜５、平均粒径が０．０５〜５００μｍで、火炎溶融法で製造されたものである。流動性の向上の観点から、その球形度は、０．９５以上であるものが好ましく、０．９８以上であるものがより好ましく、０．９９以上であるものがさらに好ましい。
【００２２】
一方、本発明の好ましい第２の態様の球状セラミックス粒子は、火炎溶融法で得られたものに限られず、ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分として含有してなり、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率が０．０５〜５、平均粒径が０．０５〜５００μｍで、その球形度は０．９５以上である。流動性の向上の観点から、その球形度はより好ましくは０．９８以上であり、更に好ましくは０．９９以上である。
【００２３】
また、本発明の球状セラミックス粒子の吸水率（重量％）としては、２重量％以下が好ましく、０．９重量％以下がより好ましい。吸水率はＪＩＳ Ａ１１０９細骨材の吸水率測定方法に従って測定することができる。
【００２４】
また、球状セラミックス粒子の吸水率が低いことは一般に、粒子の構造上、開孔が少ないことを意味しており、そのような球状セラミックス粒子は強度が高く耐粉砕性、透明性に優れ、複合材料として好適である。
【００２５】
一方、本発明の球状セラミックス粒子が、流動性の低い公知のセラミックス粒子との混合物中に好ましくは５０体積％以上含有されておれば、該混合物からなるセラミックス粒子は、充分に本発明の所望の効果を発揮し得る。即ち、前記のような公知のセラミックス粒子に本発明の球状セラミックス粒子を徐々に添加していけば、添加量に応じて本発明の所望の効果を発揮するようになるが、前記混合物からなるセラミックス粒子中に、前記所定の球形度を有する本発明の球状セラミックス粒子が５０体積％以上含まれると、その効果は顕著になる。なお、当該混合物からなるセラミックス粒子中の、本発明の球状セラミックス粒子の含有量としては、より好ましくは６０体積％以上、さらに好ましくは８０体積％以上である。本発明の球状セラミックス粒子としては、その利用性に優れることから、球形度が０．９８以上であるものがさらに好適である。また、かかる球状セラミックス粒子を５０体積％以上含むセラミックス粒子は、本発明の球状セラミックス粒子と同等の効果を発揮し得ることから、かかるセラミックス粒子も本発明に包含される。
【００２６】
中でも、本発明の第１の態様の球状セラミックス粒子は前記の火炎溶融法により製造される。一方、本発明の第２の態様の球状セラミックス粒子は、たとえば、造粒して焼結する方法、電融アトマイズ法、ゾルゲル法、噴霧乾燥法、、混合法、沈殿法、水熱法、ＣＶＤ法といった公知の手法を用いて製造することが可能であるが、中でも、本発明の第１の態様の球状セラミックス粒子と同様に火炎溶融法により製造するのが好適である。そこで、以下においては、火炎溶融法による、本発明の球状セラミックス粒子の製造方法の一例を説明する。なお、当該製造方法も本発明に包含される。
【００２７】
本発明の球状セラミックス粒子の製造方法は、ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分とする、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率が０．０５〜５、平均粒径が０．５〜５００μｍの粉末粒子を出発原料とし、当該粉末粒子を火炎中で溶融して球状化する工程を含むものである。なお、原料である粉末粒子の平均粒径も、本発明の球状セラミックス粒子の平均粒径を求める場合と同様にして求めることができる。
【００２８】
本発明の球状セラミックス粒子の製造方法において「ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分とする」とは、本発明の球状セラミックス粒子全体の成分中にＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3が合計量で６０重量％以上、好ましくは６５〜１００重量％、さらに好ましくは８０〜１００重量％含有するように出発原料の配合組成が調整されていることをいう。
【００２９】
よって、「ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分とする」限り、当該粉末粒子としては、後述するようなＭｇＯ源としての原料とAｌ2Ｏ3源としての原料の混合物からなるものであっても、（ＭｇＯ＋Aｌ2Ｏ3）源としての原料単独からなるものであっても、また、ＭｇＯ源としての原料および／またはAｌ2Ｏ3源としての原料と（ＭｇＯ＋Aｌ2Ｏ3）源としての原料との混合物であってもよい。
【００３０】
出発原料としての前記粉末粒子においては、主成分であるＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3の合計量としての含有量は、得られる球状セラミックス粒子中のＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3の合計量が全成分中、好ましくは６５重量％以上になるようにする観点から、好ましくは７５重量％以上であり、より好ましくは８０重量％以上であり、さらに好ましくは８５〜１００重量％、最も好ましくは９０〜１００重量％である。
【００３１】
前記粉末粒子のＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率としては、得られる球状セラミックス粒子中のＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率が０．０５〜５になるようにする観点から、好ましくは０．０５〜５であり、より好ましくは０．１〜４、更に好ましくは０．２〜２である。
【００３２】
前記粉末粒子の平均粒径としては、球状セラミックス粒子の粒径と球形度が広い範囲で分布することを抑制する観点から０．５μｍ以上、好ましくは１μｍ以上であり、所望の球形度を有するセラミックス粒子を得る観点から５００μｍ以下であり、それらの両観点を満たすため１〜５００μｍ、好ましくは１〜３００μｍである。また、得られるセラミックス粒子の球形度の向上という観点からは、１〜２００μｍがさらに好ましい。
【００３３】
本発明の球状セラミックス粒子を得るためには、出発原料としての粉末粒子は、溶融時の成分蒸発を考慮し、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率および平均粒径が上記範囲内になるよう調整して使用するのが好ましい。
【００３４】
出発原料である粉末粒子を溶融する際、当該粒子に水分が含まれると、該水分が蒸発するため、得られるセラミックス粒子には当該水分の蒸発に伴って多数の開孔が形成されることになる。当該開孔の形成は、セラミックス粒子の吸水率の増加や、球形度の低下をもたらす。従って、出発原料の含水率（重量％）としては、得られる球状セラミックス粒子の吸水率および球形度を適切な範囲に調節する観点から、１０重量％以下が好ましく、３重量％以下がより好ましく、１重量％以下がさらに好ましい。含水率は粉末粒子１０ｇを８００℃で１時間加熱した時の減量により求める。
【００３５】
出発原料は、たとえば、耐火性を有する鉱産原料および合成原料から選ぶことができる。ＭｇＯ源としての原料として、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、マグネシア、スピネル、カンラン石、輝石ズン岩、蛇紋岩、オリビン系鉱物等を挙げることができる。また、Aｌ2Ｏ3源としての原料として、水酸化アルミニウム、アルミナ、スピネル、ボーサイト、バン土頁岩等を挙げることができる。これらの原料はそれぞれ単独で、もしくは２種以上を混合して使用することができる。選択された出発原料は、その含水率を低下させるため、あるいはその溶融を容易にするために仮焼もしくは電融して使用するのが好ましい。仮焼された原料粉末粒子としては、焼結スピネル、電融スピネル等が例示される。
【００３６】
出発原料としての粉末粒子を火炎中で溶融して球状化する工程では、上記のような出発原料を酸素等のキャリアガスに分散させ、火炎中に投入することによって溶融し、球状化を行う（火炎溶融法）。好適な態様においては、下記火炎中に投入する。
【００３７】
用いる火炎はプロパン、ブタン、メタン、天然液化ガス、ＬＰＧ、重油、灯油、軽油、微粉炭等の燃料を酸素と燃焼させることによって発生させる。燃料の対酸素比は完全燃焼の観点から容量比で１．０１〜１．３が好ましい。高温の火炎を発生させる観点から、酸素付加空気バーナー、酸素・ガスバーナーが好適である。さらに酸素・ガスバーナーが好適である。特にバーナーの構造は限定するものではないが、特開平７−４８１１８号公報、特開平１１−１３２４２１号公報、特開２０００−２０５５２３号公報または特開２０００−３４６３１８号公報で開示されているバーナーが例示される。
【００３８】
本発明の製造方法で用いる０．５〜５００μｍ、好ましくは１〜３００μｍの範囲にある大きな平均粒径をもつ上記耐火性の原料粉末粒子を球状化するには以下の手法が好適である。
【００３９】
火炎中への粉末粒子の投入は、キャリアガス中に分散して行なう。キャリアガスとしては、酸素が好適に用いられる。この場合、キャリアガスの酸素は燃料燃焼用として消費できる利点がある。ガス中の粉体濃度は、粉末粒子の充分な分散性を確保する観点から、０．１〜２０ｋｇ／Ｎｍ3が好ましく、０．２〜１０ｋｇ／Ｎｍ3がより好ましい。
【００４０】
火炎中での球状化を速やかに行なうと共に、単分散した球状セラミックス粒子を得る観点から、原料粉末粒子の形状と組成を選択することが好ましい。形状としては、火炎中での滞留時間確保や溶融、球状化を速やかに行なう観点から、原料粉末粒子の長軸径／短軸径比が９以下であるのが好ましく、より好ましくは４以下、さらに好ましくは２以下である。
【００４１】
また、粉末粒子は、ガス等を電離させて生じるプラズマジェット火炎中でも好適に溶融し、球状化できる。
【００４２】
なお、火炎の温度としては、火炎中での球状化を速やかに行なうと共に、粒子同士の融着を防止する観点から、２０００〜３０００℃が好ましく、２１００〜２６００℃がより好ましく、２２００〜２５００℃がより好ましい。
【００４３】
以上の方法により、本発明の所望の球状セラミックス粒子を得ることができる。当該セラミックス粒子は、流動性に非常に優れたものである。また、前記の通り、本発明の球状セラミックス粒子が所定の割合で含まれるように、該セラミックス粒子と公知のセラミックス粒子とを適宜混合することにより、本発明の球状セラミックス粒子と同等の効果を発揮し得るセラミックス粒子を得ることができる。後述する鋳型の製造においてこれらのセラミックス粒子を用いると、使用するバインダーの量を少なくできることから、それらのセラミックス粒子は、セラミックス粒子として効率的に再生（リサイクル）することができる。
【００４４】
本発明の球状セラミックス粒子は、単独で、又は公知の他の材料と混合して、球状セラミックス粒子を含んでなる光学部材等の複合体、鋳物砂、または該鋳物砂を成形してなる鋳造用鋳型などに使用することができる。本発明の球状セラミックス粒子は、特に、高温で使用される鋳造用鋳型の鋳物砂や、光学部材のフィラー等として有用である。以下、これらの用途について説明する。
【００４５】
［本発明の複合体］
本発明の複合体は、本発明の球状セラミックス粒子を母材中に含むものである。該複合体としては、光学部材、鋳造用鋳型の他、球状セラミックス粒子を含有する鋳物、電気絶縁材、セラミック補強構造材、熱伝導性部材、セラミックスマトリックス複合体、金属マトリックス複合体などが挙げられる。
【００４６】
複合体の母材としては、異なる組成のセラミックス粒子の他、金属、プラスチック、ゴム、その他の樹脂、これらの混合物、等が挙げられ、複合体の用途に応じた母材が適宜選択される。また、球状セラミックス粒子の含有量についても、複合体の用途に応じた含有量が適宜設定される。
【００４７】
［鋳物砂および鋳造用鋳型］
本発明の鋳物砂は、以上のような本発明の球状セラミックス粒子を含んでなる。つまり、本発明の球状セラミックス粒子は、必要に応じて公知のセラミックス粒子などと混合して、鋳鋼、鋳鉄、アルミニウム、銅およびこれらの合金等の鋳型を製造する際の鋳物砂として用いることができる。
【００４８】
本発明の球状セラミックス粒子は、鋳物砂として高温でも優れた耐蝕性、耐焼着性を有するため、近年用途が拡大しているチタン合金などの合金を高温（例えば１６６０〜１８６０℃）で鋳造する場合でも、その鋳造用鋳型の構成材料（鋳物砂）として好適に使用することができる。つまり、本発明の球状セラミックス粒子で得られる鋳造用鋳型は、チタンのような融点１５００℃以上の金属を主成分とする鋳物を製造するのに好適に使用される。
【００４９】
また、本発明の鋳造用鋳型は、本発明の球状セラミックス粒子を含む鋳物砂を成形してなる。つまり、本発明のセラミックス粒子は、単独で、もしくは珪砂等のその他の公知のセラミックス粒子や耐火性骨材と組み合わせて、粘土、水ガラス、シリカゾル等の無機質バインダー、またはフラン樹脂、フェノール樹脂、フランフェノール樹脂等の有機質バインダーと混合され、所望の鋳造用鋳型を用いて公知の方法に従って造型され得る。
【００５０】
高強度の鋳造用鋳型を得る観点から、バインダーの使用量としては、セラミックス粒子１００重量部に対して、バインダーを０．０５〜５重量部使用するのが好適である。このようにして得られる鋳型は、高強度であり、しかもその表面が平滑である。従って、この鋳造用鋳型で鋳造すると、表面荒れが小さく、後工程である研磨工程への負荷が小さい鋳物が得られる。
【００５１】
鋳物砂として用いる場合、中実で緻密であり高強度の鋳型を得る観点から、本発明のセラミックス粒子の平均粒径は、１０〜５００μｍが好ましく、２０〜３００μｍがより好ましい。
【００５２】
鋳造用鋳型の製造に使用する観点から、本発明のセラミックス粒子の粒子密度（ｇ／ｃｍ3）としては３〜４ｇ／ｃｍ3の範囲が好ましい。この範囲のものは中実で緻密であり高強度の鋳型が得られる。粒子密度は、ＪＩＳ Ｒ１６２０の粒子密度測定法に従って測定することができる。
【００５３】
また、前記鋳物をさらに適宜加工することにより、表面および内面欠陥の少ない構造物が得られる。また、このような鋳物に、本発明の球状セラミックス粒子を含有させることも可能である。当該構造物としては、たとえば、金型、エンジン部材、工作機械部材、建築部材等が挙げられる。
【００５４】
上記のような鋳型を用いた鋳物の製造方法は、例えば次の工程を含むものである。
工程１：本発明の球状セラミックス粒子を鋳物砂として含んでなる鋳型を製造する工程、
工程２：鋳物の原料金属を溶融して必要に応じて添加物を混合し、溶湯を得る工程、
工程３：工程１で得た鋳型に、工程２で得た溶湯を充填する工程、
工程４：工程３の後に、硬化した鋳物を前記鋳型から取り出す工程。
【００５５】
工程１は、好ましくは、
工程１ａ：耐火性骨材（本発明の場合、球状セラミックス粒子）をバインダーと混合して混合物を製造する工程、
工程１ｂ：前記混合物を木型もしくは金型などの型に充填する工程、
工程１ｃ：工程１ｂで得た成形型（上型、下型および中子など）を組み合わせて鋳型を製造する工程、
を含む自硬性鋳型造型法が挙げられる。
【００５６】
本発明の球状セラミックス粒子は、工程１ａで使用するバインダーが少量でも、鋳型を硬化させることができる。
【００５７】
［光学部材］
本発明における光学部材は、本発明の球状セラミックス粒子を基材中に含んでなり、該光学部材としては、光拡散性部材、反射防止部材などが挙げられる。光拡散部材の具体的な用途としては、例えば液晶ディスプレー、透過型または反射型スクリーン、照明カバー、照明看板、プロジェクター用のフレネルレンズ、発光ダイオードなどに好適に用いられる。
【００５８】
光学部材に使用する場合、球状セラミックス粒子の平均粒径は、好適な光拡散性及び光透過性を確保し、該セラミックス粒子を基材に添加して光拡散性部材を製造する際の機械的強度を確保する観点から、１００μｍ以下が好ましく、５０μｍ以下がより好ましく、３０μｍ以下が更に好ましく、２０μｍ以下が更に好ましい。また、粒子の凝集・合一を抑制し、セラミックス粒子の粒径分布をあまり大きくしない観点や球形度の観点から、０．０１μｍ以上が好ましく、０．１μｍ以上がより好ましく、１μｍ以上が更に好ましく、５μｍ以上が更に好ましい。前記観点を総合した観点から、０．０１〜１００μｍが好ましく、０．１〜５０μｍがより好ましく、１〜３０μｍが更に好ましく、５〜２０μｍが更に好ましい。平均粒径は、実施例に記載する方法で測定する。
【００５９】
また、セラミックス粒子の球形度は、好適な光拡散性及び光透過性を確保する観点から、０．９５以上が好ましく、０．９６以上がより好ましく、０．９８以上が更に好ましい。球形度がこの範囲であると、基材への分散性が良好で、高添加が可能となり、光拡散性部材の光学的特性を付与しやすくなる。球形度は、実施例に記載する方法で測定する。
【００６０】
光学部材中に余分な気泡の発生を抑制し、好適な光拡散性及び光透過性を達成する観点から、本発明に使用するセラミック粒子の表面には気孔が少ないことが好ましい。表面の気孔の程度として、セラミックス粒子の吸水率を指標とすることができる。即ち、セラミックス粒子の気孔は、吸水率は低い方が少ない傾向にあり、吸水率は０．８重量％以下が好ましく、０．５重量％以下がより好ましく、０．３重量％以下が更に好ましい。
【００６１】
光学部材に使用するセラミックス粒子の色は、光透過性を確保する観点から、白色であることが好ましい。白色度は、分光式色彩計により測定されるＬ＊値が、８５以上であることが好ましく、９０以上であることがより好ましく、９５以上であることが特に好ましい。かかる白色度は、セラミックス粒子中の副成分の量と組成を調整することで、得ることができる。
【００６２】
セラミックス粒子はＭｇＯとＡｌ２Ｏ３とで構成される成分を主成分として含有してなる複合化合物であり、その構造は、非晶構造（非晶質）もしくは結晶構造（結晶質）をとりうるが、耐熱性、耐薬品性または耐光性に優れ、安定した光拡散性を確保する観点から、結晶質のものが好ましい。かかる高結晶化は、セラミックス粒子製造時の焼成温度を１２００〜１８５０℃、焼成時間を１〜５時間に調整することで得ることができる。
【００６３】
光学部材に使用するセラミックス粒子として、ＭｇＯとＡｌ２Ｏ３、の重量比〔（またはＭｇＯ）／Ａｌ２Ｏ３〕が０．０５〜５のものを使用して、前記の高結晶化を行う処理を施すと、Ｘ線回折パターン測定により主たるピークがＪＣＰＤＳ（Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｏｎ Ｐｏｗｄｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ）のＮｏ．２１−１１５２のＭｇＡｌ Ｓｐｉｎｅｌに帰属され、光拡散性及び光透過性を向上する観点から好ましい。
【００６４】
光学部材に使用するセラミックス粒子は、基材中での分散性を向上させる観点から、シランカップリング剤、シリコーン、脂肪酸石鹸等で表面処理を行うことが好ましい。
【００６５】
光学部材に使用するセラミックス粒子を基材に添加する際及びその後の加工性を向上する観点から、適度の流動性を有することが好ましい。流動性は、パウダーテスターによって測定される安息角が指標となり、安息角が、好ましくは５０度以下、より好ましくは４０度以下であり、更に好ましくは３５度以下であり、セラミックス粒子の球形度を高く、吸水率を低減することで好ましい範囲に調整できる。安息角は、実施例に記載する方法で測定できる。
【００６６】
安息角を上記範囲にするため、セラミックス粒子の球形度は０．９５以上が好ましく、０．９６以上がより好ましく、０．９８以上が更に好ましい。安息角を上記範囲にするため、吸水率は０．８重量％以下が好ましく、０．５重量％以下がより好ましく、０．３重量％以下が更に好ましい。セラミックス粒子の平均粒径を大きくすることで、吸水率を低減でき、火炎溶融処理することで、吸水率を更に低減できる。
【００６７】
光拡散性部材としては、好ましくは全透過率が５０％以上かつ光散乱強度が７０％以上であり、より好ましくは全透過率が７０％以上かつ光散乱強度が８０％以上であり、光拡散性部材の全透過率及び散乱強度は、ヘイズメーターで測定される値を指す。特に、セラミックス粒子の含有量が、光拡散性部材の基材１００重量部に対して５０重量部以下でこのような光学特性を有することが好ましく、より好ましくは含有量が１０重量部以下の場合である。
【００６８】
光学部材に使用する基材は、透明なガラス、樹脂であれば特に制限はなく、たとえばガラスであれば、ソーダ石灰ガラス等のアルカリガラスや硼珪酸ガラスが好適に用いられる。また、樹脂であれば熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、紫外線等のエネルギー線硬化型樹脂等が使用でき、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル樹脂、トリアセチルセルロース、ブチルセルロース等のセルロース樹脂、ポリスチレン、ポリウレタン、塩化ビニル、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン等が挙げられる。これらのうち、透明性、耐光性、耐熱性の観点から、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、エポキシ樹脂等が好ましく、アクリル樹脂がより好ましく用いられる。
【００６９】
これらのうち、光拡散性部材が良好な光拡散性及び光透過性を確保する観点から、基材の屈折率は、好ましくは１．３〜１．６５、より好ましくは１．４５〜１．６３、更に好ましくは１．５５〜１．６２であることが望ましい。
【００７０】
また、光拡散性部材の良好な光拡散性及び光透過性を確保する観点から、使用するセラミックス粒子の屈折率は、１．６〜１．８が好ましく、１．６５〜１．７５がより好ましく、１．６７〜１．７３が更に好ましい。当該屈折率は、前記のセラミックスの組成と結晶構造を好適範囲に調整することで、前記の好適範囲に調整できる。
【００７１】
また、基材とセラミックス粒子は、光拡散性部材が良好な光拡散性及び光透過性を確保する観点から、基材の屈折率とセラミックス粒子の屈折率の差が、好ましくは０．０１〜０．３、より好ましくは０．０３〜０．２、更に好ましくは０．０５〜０．１５であるように組合せることが望ましい。
【００７２】
基材とセラミックス粒子の好適な組合せの例を表１に示した。
【００７３】
【表１】
【００７４】
光拡散性部材の良好な光拡散性と光透過性を確保する観点から、基材中のセラミックス粒子の含有量は、特に、良好な光拡散性を確保する観点から、基材１００重量部に対するセラミックス粒子の添加量は、好ましくは０．１重量部以上、より好ましくは０．５重量部、更に好ましくは１重量部以上であり、特に光透過性を確保する観点から、好ましくは１０００重量部以下、より好ましくは１００重量部以下、更に好ましくは３０重量部以下、更に好ましくは１０重量部以下である。前記観点を総合した観点から、０．１〜１０００重量部が好ましく、０．１〜１００重量部がより好ましく、０．１〜３０重量部が更に好ましく、０．５〜３０重量部が更に好ましく、１〜１０重量部が更に好ましい。
【００７５】
本発明の光学部材には、必要に応じて、離型剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、着色剤、蛍光体、発光体、強化剤などを、光拡散性と光透過性を損なわない範囲で添加することができる。その添加量は、光拡散性と光透過性の観点から、光拡散性部材中１０重量％以下が好ましく、５重量％以下がより好ましい。
【００７６】
光学部材は、いずれの形状でもよく、シート状、レンズ状、柱状、板状などの形状が挙げられるが、均一な光拡散性や高い光透過性を得ようとする場合には、シート状が好ましい。
【００７７】
光学部材がシート状である場合、その厚さは、光拡散性部材の良好な光拡散性及び透明性を確保する観点から、特に、良好な光拡散性を確保する観点から、好ましくは０．０５μｍ以上、より好ましくは１μｍ以上、更に好ましくは１０μｍ以上であり、特に、良好な光透過性を確保する観点から、好ましくは２０ｍｍ以下、より好ましくは２ｍｍ以下、更に好ましくは１ｍｍ以下であり、前記観点を総合した観点から、０．０５μｍ〜２０ｍｍが好ましく、１μｍ〜２ｍｍがより好ましく、１０μｍ〜１ｍｍが更に好ましい。
【００７８】
本発明の光学部材は、基材中にセラミックス粒子を分散させる工程により製造することができる。セラミックス粒子の分散は、例えば、次の（ａ）〜（ｄ）のいずれかの工程によって好適に行うことができる。
（ａ）混練機を用いて前記基材中に前記セラミックス粒子を練り込む工程、
（ｂ）前記基材を構成する樹脂の溶液、エマルジョン、ディスパージョンまたはサスペンジョンの中に前記セラミックス粒子を混合し、この混合物をシート状に成型する工程、
（ｃ）シート表面に前記セラミックス粒子及びバインダーを含む層を形成する工程、又は
（ｄ）前記基材を構成する樹脂を合成する際に、その樹脂のモノマー中に前記セラミックス粒子を添加して重合する工程。
【００７９】
これらのうち、上記（ａ）に示す工程のように、混練機を用いて基材中にセラミックス粒子を練り込み方法が好ましく、混練後にシート状に成型する方法がより好ましい。その際、混練機として、練ロール機、二軸混練機、ニーダー、インターナルミキサー、押出機など、公知の混練機を用いることができる。成型機は、ロール成型機、射出成型機、押し出し成型機、熱プレス成型機などを用いることができる。
【００８０】
上記（ｂ）に示す工程では、例えば、樹脂を溶液、ディスパージョン等の液状にするための各種液状媒体が使用され、塗工支持体上に塗工した後に液状媒体の乾燥などが行われる。塗工には、ブレードコーター、コンマコーター、バーコーター、カレンダーコーター、ディップコーターなどを用いることができる。
【００８１】
上記（ｃ）に示す工程では、例えば、下地基材となるシートの表面に、前記セラミックス粒子及びバインダーを含む塗工液を、上記（ｂ）と同様にして塗工した後、乾燥させることで、セラミックス粒子及びバインダーを含む層を形成することができる。
【００８２】
上記（ｄ）に示す工程では、例えば、セラミックス粒子を含むモノマー組成物を上記（ｂ）と同様にして塗工した後、モノマーの種類に応じた条件で重合させることができる。その際、必要に応じて、触媒、開始剤、架橋剤などを添加することができる。
【実施例】
【００８３】
以下、本発明を具体的に示す実施例等について説明する。なお、実施例等における評価項目は下記のようにして測定を行った。
【００８４】
（１）組成
蛍光Ｘ線法（ＪＩＳ Ｒ２２１６「耐火れんが及び耐火モルタルの蛍光Ｘ線分析法」）による元素分析を行って、Ａｌ、Ｍｇ、の各原子の組成を定量する。Ｘ線回折測定を行い、回折パターンから、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、あるいはこれらの複合化合物の存在を確認する。回折パターンが得られない場合は、ラマン分光、ＩＲ、ＮＭＲ等の測定によりＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、の存在を確認する。以上から、ＭｇＯとＡｌ２Ｏ３、との合計量、及び、ＭｇＯとＡｌ２Ｏ３の重量比〔ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３〕を算出する。
【００８５】
（２）平均粒径
平均粒径は、Ｄ５０（体積基準の５０％の中位粒径）を意味し、堀場製作所ＬＡ−９２０によるレーザー回折／散乱法で測定する。
含水率は粉末粒子１０ｇを８００℃で１時間加熱した時の減量により求める。
【００８６】
（３）球形度
球形度は、セラミックス粒子について、リアルサーフェースビュー顕微鏡ＶＦ−７８００（キーエンス社製）で測定して得られたＳＥＭ像（倍率は３０〜３０００倍）の粒子投影断面の面積及び該断面の周囲長を求め、次いで、〔粒子投影断面の面積と同じ面積の真円の円周長〕／〔粒子投影断面の周囲長〕を計算し、任意の５０個の粒子につき、それぞれ得られた値を平均して求める。
【００８７】
（４）吸水率
吸水率はＪＩＳ Ａ１１０９細骨材の吸水率測定方法に従って測定する。
【００８８】
（５）安息角
安息角の測定は、ＪＩＳ Ｒ９３０１−２−２による。安息角の測定に用いるパウダーテスターは、ホソカワミクロン社製のＴＹＰＥＰＴ−Ｅを使用する。
【００８９】
（６）屈折率
セラミックス粒子及び基材樹脂の屈折率は、ＪＩＳ Ｋ７１４２「プラスチックの屈折率測定方法」のうち、Ｂ法（顕微鏡を用いる液浸法（ベッケ線法））による。但し、ＪＩＳ Ｋ７１４２で使用される浸液に代えて、島津デバイス製造社製「接触液」を使用し、浸液の温度が１５〜２０℃の条件で測定する。顕微鏡は、偏光顕微鏡「オプチフォト」（ニコン製）を使用する。
【００９０】
（７）全透過率及び光散乱強度
サンプル粒子を１００重量部に対して、アミノプロピルトリエトキシシランを１重量部添加し、表面処理を施した。アクリルペレット（三菱レーヨン社製ＶＨ―００１）１００重量部に対して、該表面処理したサンプル粒子を０．７重量部の割合で混ぜ、ロール混練機（西村機械製作所製）により１８５℃で混合し、プレス機（東洋精機製）でプレスして厚さ１ｍｍの光拡散性部材を作製した。
【００９１】
これを用いて、ヘイズメーター〔村上色彩技術研究所製（形式：ＨＲ−１００）〕で平行光線透過率（Ｔｐ）と散乱光透過率（Ｔｄ）を測定し、Ｔｐ＋Ｔｄにより全透過率を算出し、〔Ｔｄ／（Ｔｐ＋Ｔｄ）〕×１００を算出して光散乱強度を求めた。全透過率が大きい程、光透過性が高く、光散乱強度が大きい程、光拡散性が高いと評価する。
【００９２】
（８）耐光性試験（促進耐光性試験法）
比較する２つの部材をサンシャインスーパーロングライフウェザーメーター（スガ試験機械株式会社製）にセットし、カーボンアーク光を照射した。照射前後のサンプルを分光式色彩計（ＳＥ−２０００）（日本電色工業株式会社製）を用いて黄色度（ｂ＊）を測定し、下記に示す式により照射前後でのサンプルの黄変度合いを比較した。
【００９３】
Δｂ＊＝光照射後のｂ＊−光照射前のｂ＊
（９）粒子の密度
粒子密度は、ＪＩＳ Ｒ１６２０の粒子密度測定法に従って測定した。
【００９４】
（１０）セラミックス粒子の流動性
ＪＩＳＫ６７２１の漏斗を用い、流動時間（秒）をもとめた。流動時間が短いほうが流動性に優れる。
【００９５】
（１１）鋳型の強度
セラミックス粒子を７４〜２５０μｍに分級後、成形バインダーとしてカオーステップＳ６６０（花王クエーカー製）をセラミックス粒子１００重量部に対して１．２重量部添加し、自硬性鋳型造型法に従って成形（直径５０μｍ×高さ５０μｍ）し鋳型を得た。次いで、２４時間、室温で養生後、圧縮試験機（島津製作所製）を用い、鋳型の圧縮強度（ＭＰａ）を測定した（２５℃、湿度５５％）。
【００９６】
（１２）鋳型の表面肌
以下の評価基準に従って鋳型から脱型後の鋳物表面を目視観察により評価し、当該評価結果を鋳型の表面肌の評価結果として用いた。すなわち、鋳物表面の状態が平滑であれば、鋳型の表面肌も平滑である。なお、鋳物は、鋳鉄ＦＣ−２５０を高周波炉により１４００℃で溶融し、５０μｍ×５０μｍ×４００μｍの直方体の形状のものを作製した。
〔評価基準〕
○: セラミックス粒子跡がなく、平滑な面を示す。
△: セラミックス粒子跡が少し認められ、やや平滑な面を示す。
×: セラミックス粒子跡が明確で、荒れた面を示す。
【００９７】
（１３）耐蝕性および耐焼着性
上記（１２）で使用した同様の鋳型にチタン合金（組成：Ｔｉ―６Ａｌ―４）の溶湯（温度１７１０℃）を流しこみ、鋳物を脱型後、該鋳型の断面で溶湯接触部の状態を観察し、以下の評価基準に従って該鋳型の耐蝕性、耐焼着性を評価した。なお、鋳型は実質的にセラミックス粒子そのものから形成されるものであるため、鋳型の耐蝕性、耐焼着性の評価結果はセラミックス粒子の耐蝕性、耐焼着性の評価結果をも示すといえる。
〔評価基準〕
◎: 表面変質、焼着ほとんど無し
○: 軽度の表面の変質、焼着が認められる
△: 中程度の表面の変質、焼着が認められる
×: 激しい表面の変質、焼着が認められる。
【００９８】
実施例１
ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３重量比が０．４となるよう、アルミナ（純度９９．９％）とマグネシア（純度９９．9％）を水中で湿式混合し、真空乾燥した後、１５００℃、３時間焼成したものを乾式粉砕し、表２に示す性状のセラミックス粒子（原料粉末粒子）を得た。
【００９９】
原料粉末粒子として、上記のセラミックス粒子を用い、当該粉末粒子を、酸素をキャリアガスとして用い、ＬＰＧ（プロパンガス）を対酸素比（容量比）１．１で燃焼させた火炎（２４００℃）中に投入し、表３に示す性状の球状セラミックス粒子を得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１００】
実施例２〜７
実施例１において、表２に示すように平均粒径が異なるセラミックス粒子（原料粉末粒子）を得た後、これを用いて火炎溶融を行ったこと以外は、実施例１と同じ条件で表３に示す性状の球状セラミックス粒子を得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１０１】
実施例８〜１０
実施例１において、湿式混合する原料のＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３重量比率を変えることで、表２に示す性状のセラミックス粒子（原料粉末粒子）を得た後、これを用いて火炎溶融を行ったこと以外は、実施例１と同じ条件で表３に示す性状の球状セラミックス粒子を得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１０２】
実施例１１〜１３
実施例１において、表２に示す性状のセラミックス粒子（原料粉末粒子、平均粒径５０μｍ）を得た後、これを用いて火炎溶融により異なる球形度の粒子を得たこと以外は、実施例１と同じ条件で表３に示す性状の球状セラミックス粒子を得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１０３】
実施例１４
イオン交換水１００重量部にＡｌＣｌ３・６Ｈ２Ｏを１２．３重量部と、ＭｇＣｌ２・６Ｈ２Ｏを５．０８重量部を溶解し、透明な液とした（溶液Ａ）。次に、５．８重量％アンモニア水３２５重量部に、溶液Ａを加えｐＨ９．５〜１０となるように調節しながら、３０分間撹拌した。得られた沈殿を濾過・洗浄したのち、１００℃で４８時間乾燥した。得られた乾燥物を１１００℃、１時間焼成・粉砕し、表３に示す性状の球状セラミックス粒子を得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１０４】
実施例１５
実施例１における水で湿式混合したスラリーを１８０℃の熱風下で噴霧乾燥し、１４００℃で３時間焼成し、球状セラミックスを得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１０５】
比較例１〜２
実施例１において、表２に示すように平均粒径が異なるセラミックス粒子（原料粉末粒子）を得た後、これを用いて火炎溶融を行ったこと以外は、実施例１と同じ条件で表３に示す性状の球状セラミックス粒子を得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１０６】
比較例３〜４
実施例１において、湿式混合する原料のＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３重量比率を変えることで、表２に示す性状のセラミックス粒子（原料粉末粒子）を得た後、これを用いて火炎溶融を行ったこと以外は、実施例１と同じ条件で表３に示す性状の球状セラミックス粒子を得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１０７】
比較例５
表３の性状を有する市販の球状シリカ粉末を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１０８】
比較例６
表３の性状を有する市販の不定形シリカ粉末を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１０９】
比較例７
表３の性状を有する市販の球状アルミナ粉末を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１１０】
比較例８
表２の性状を有する市販のフォルステライト粉末を出発原料とし、酸素をキャリアガスとして用い、ＬＰＧ（プロパンガス）を対酸素比（容量比）１．１で燃焼させた火炎（２２００〜２５００℃）中に投入し、表３に示す性状のセラミックス粒子を得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１１１】
比較例９
表２の性状を有する市販のムライト粉末を出発原料とし、酸素をキャリアガスとして用い、ＬＰＧ（プロパンガス）を対酸素比（容量比）１．１で燃焼させた火炎（２２００〜２５００℃）中に投入し、表３に示す性状のセラミックス粒子を得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１１２】
【表２】
【０１１３】
【表３】
【０１１４】
表３から明らかな通り、実施例の球状セラミックス粒子を用いた光拡散性部材は、全透過率が７０％を超えており、少ないフィラー添加量であるにも係わらず、光拡散強度が、従来の市販セラミックッス粒子を添加した光拡散性部材より高いことがわかる。特に、同じ組成で球形度の異なるセラミックッス粒子を添加した光拡散性部材（実施例１１〜１３）を比較することで、球形度が大きいほど光拡散強度がより高いことがわかる。
【０１１５】
また、表３の結果より、比較例のセラミックス粒子に比べ、実施例のセラミックス粒子は優れた流動性を有することが分かる。また、得られた鋳型についても、比較例のものと比べ、実施例のものは強度に優れ、また、表面肌が平滑であることが分かる。実施例のセラミックス粒子から製造された鋳型で鋳造された鋳物は後工程である研磨工程を充分軽減できる程に表面は平滑であった。
【０１１６】
また、実施例のセラミックス粒子で得られた鋳型では表面の変質や焼着が実質的になく、従って、かかる鋳型は、高温（１７００℃以上）でも耐蝕性及び耐焼着性に優れたものであることが分かる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス組成中にＭｇＯとＡｌ２Ｏ３とを主成分として含有する球状セラミックス粒子、及びその用途等に関し、特に、高温で使用される鋳造用鋳型の鋳物砂や、光学部材等の複合体のフィラー等として有用である。
【背景技術】
【０００２】
鋳造用鋳型に使用される鋳物砂の球形度を向上し、吸水率を低減させて、鋳型製造時の流動性及び充填性を改善する技術として、下記の特許文献１には、Ａｌ2Ｏ3及びＳｉＯ2を主成分として含有し、火炎溶融法で製造される球状鋳物砂が開示されている。
【０００３】
また、下記の特許文献２には、耐蝕性、耐焼着性に優れ、併せて強度及び表面平滑性に優れた球状鋳物砂として、ＭｇＯ及びＳｉＯ2を主成分として含有し、火炎溶融法で製造されるセラミックス粒子が開示されている。
【０００４】
一方、セラミックス粒子の他の用途としては、光拡散性部材のフィラー（例えば、特許文献３参照）や電気絶縁材料のフィラー等が挙げられる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２０２５７７号公報
【特許文献２】特開２００６−１５０４５１号公報
【特許文献３】特開２００１−１８８１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、近年用途が拡大しているチタン合金などの合金を鋳造する場合、より高温での耐蝕性と耐焼着性が要求されるため、従来の球状鋳物砂では要求特性を満足するのが困難であった。加えて、従来から使用されているシリカやアルミナと比較して、光拡散性、電気特性などが優れたものが要求されている。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、複合体のフィラー等としての優れた特性、例えば鋳物砂として高温でも優れた耐蝕性、耐焼着性を有し、少ないフィラー添加量でも優れた光拡散性を有する球状セラミックス粒子及びその用途を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、セラミックス組成中にＭｇＯとＡｌ２Ｏ３とを含む球状セラミックス粒子が、鋳物砂として高温でも優れた耐蝕性、耐焼着性を有し、少ないフィラー添加量でも優れた光拡散性を有することを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、本発明の球状セラミックス粒子は、セラミックス組成中にＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分として含有してなり、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率が０．０５〜５、平均粒径が０．５〜５００μｍであることを特徴とする。
【００１０】
なお、本発明における各種の物性値は、具体的には実施例に記載の方法で測定される値である。
【００１１】
また、本発明の球状セラミックス粒子の製造方法は、ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分とする、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率が０．０５〜５、平均粒径が０．５〜５００μｍの粉末粒子を、火炎中で溶融して球状化する工程を含むものである。
【００１２】
また、本発明は、上記の球状セラミックス粒子の用途、即ち、光学部材等の複合体、及び鋳物砂に関するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の球状セラミックス粒子は、球状セラミックス粒子が有する成形性や充填性等の特性に加えて、鋳物砂、複合体用のフィラー等としての優れた特性、例えば鋳物砂として高温でも優れた耐蝕性、耐焼着性を有し、また、少ないフィラー添加量でも優れた光拡散性を有する。このため、本発明の球状セラミックス粒子は、光学部材等の複合体、及び鋳物砂として、特に有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の球状セラミックス粒子の形状である「球状」とは、球形度０．８８以上、好ましくは０．９０以上のものをいう。球状であるか否かについては、セラミックス粒子を後述する走査型電子顕微鏡（たとえば、キーエンス社製、ＶＦ−８０００型）で観察し、判定することができる。
【００１５】
本発明の球状セラミックス粒子は、ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分とするが、ここで「主成分」とは、ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3が合計量でセラミックス粒子全体の全成分中に６０重量％以上含有されていることをいう。
【００１６】
本発明の球状セラミックス粒子の主成分であるＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3の含有量としては、耐火性の向上という観点から、それらの合計量として、球状セラミックス粒子の全成分中、好ましくは６５〜１００重量％、より好ましくは８０〜１００重量％であり、さらに好ましくは８５〜１００重量％、最も好ましくは９０〜１００重量％である。ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3の含有量は公知の分析方法、例えば、湿式重量法または蛍光Ｘ線法で測定することができる。
【００１７】
また、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率は０．０５〜５であるが、球状化のし易さの観点から、０．１〜４．５が好ましく、０．２〜２がより好ましい。
【００１８】
なお、本発明の球状セラミックス粒子に主成分以外の成分として含まれ得るものとしては、たとえば、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｋ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ等の金属酸化物が挙げられる。これらは該セラミックス粒子の原料に由来する。ＳｉＯ2が含まれる場合、球状セラミックス粒子の耐蝕性、耐焼着性の向上の観点から、その含有量としては１０重量％以下が好ましい。Ｆｅ2Ｏ3とＴｉＯ2 が含まれる場合、それらの含有量としてはそれぞれ１０重量％以下が好ましく、Ｆｅ2Ｏ3の含有量は１重量％以下がより好ましい。Ｋ2ＯとＮａ2Ｏが含まれる場合、それらの含有量としては合計量として３重量％以下が好ましく、より好ましくは２重量％以下である。
【００１９】
本発明の球状セラミックス粒子の平均粒径は０．５〜５００μｍ、好ましくは１〜４００μｍの範囲である。
【００２０】
本発明の球状セラミックス粒子は、好ましくは火炎溶融法により得られるものである（この場合を「第１の態様」という）。従って、球形度が高く、緻密であるという構造的特徴を有する。当該構造的特徴は、流動性、鋳型強度、鋳造された鋳物の表面平滑性の向上に大きく寄与する。
【００２１】
本発明の好ましい第１の態様の球状セラミックス粒子は、ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分として含有してなり、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率が０．０５〜５、平均粒径が０．０５〜５００μｍで、火炎溶融法で製造されたものである。流動性の向上の観点から、その球形度は、０．９５以上であるものが好ましく、０．９８以上であるものがより好ましく、０．９９以上であるものがさらに好ましい。
【００２２】
一方、本発明の好ましい第２の態様の球状セラミックス粒子は、火炎溶融法で得られたものに限られず、ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分として含有してなり、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率が０．０５〜５、平均粒径が０．０５〜５００μｍで、その球形度は０．９５以上である。流動性の向上の観点から、その球形度はより好ましくは０．９８以上であり、更に好ましくは０．９９以上である。
【００２３】
また、本発明の球状セラミックス粒子の吸水率（重量％）としては、２重量％以下が好ましく、０．９重量％以下がより好ましい。吸水率はＪＩＳ Ａ１１０９細骨材の吸水率測定方法に従って測定することができる。
【００２４】
また、球状セラミックス粒子の吸水率が低いことは一般に、粒子の構造上、開孔が少ないことを意味しており、そのような球状セラミックス粒子は強度が高く耐粉砕性、透明性に優れ、複合材料として好適である。
【００２５】
一方、本発明の球状セラミックス粒子が、流動性の低い公知のセラミックス粒子との混合物中に好ましくは５０体積％以上含有されておれば、該混合物からなるセラミックス粒子は、充分に本発明の所望の効果を発揮し得る。即ち、前記のような公知のセラミックス粒子に本発明の球状セラミックス粒子を徐々に添加していけば、添加量に応じて本発明の所望の効果を発揮するようになるが、前記混合物からなるセラミックス粒子中に、前記所定の球形度を有する本発明の球状セラミックス粒子が５０体積％以上含まれると、その効果は顕著になる。なお、当該混合物からなるセラミックス粒子中の、本発明の球状セラミックス粒子の含有量としては、より好ましくは６０体積％以上、さらに好ましくは８０体積％以上である。本発明の球状セラミックス粒子としては、その利用性に優れることから、球形度が０．９８以上であるものがさらに好適である。また、かかる球状セラミックス粒子を５０体積％以上含むセラミックス粒子は、本発明の球状セラミックス粒子と同等の効果を発揮し得ることから、かかるセラミックス粒子も本発明に包含される。
【００２６】
中でも、本発明の第１の態様の球状セラミックス粒子は前記の火炎溶融法により製造される。一方、本発明の第２の態様の球状セラミックス粒子は、たとえば、造粒して焼結する方法、電融アトマイズ法、ゾルゲル法、噴霧乾燥法、、混合法、沈殿法、水熱法、ＣＶＤ法といった公知の手法を用いて製造することが可能であるが、中でも、本発明の第１の態様の球状セラミックス粒子と同様に火炎溶融法により製造するのが好適である。そこで、以下においては、火炎溶融法による、本発明の球状セラミックス粒子の製造方法の一例を説明する。なお、当該製造方法も本発明に包含される。
【００２７】
本発明の球状セラミックス粒子の製造方法は、ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分とする、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率が０．０５〜５、平均粒径が０．５〜５００μｍの粉末粒子を出発原料とし、当該粉末粒子を火炎中で溶融して球状化する工程を含むものである。なお、原料である粉末粒子の平均粒径も、本発明の球状セラミックス粒子の平均粒径を求める場合と同様にして求めることができる。
【００２８】
本発明の球状セラミックス粒子の製造方法において「ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分とする」とは、本発明の球状セラミックス粒子全体の成分中にＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3が合計量で６０重量％以上、好ましくは６５〜１００重量％、さらに好ましくは８０〜１００重量％含有するように出発原料の配合組成が調整されていることをいう。
【００２９】
よって、「ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分とする」限り、当該粉末粒子としては、後述するようなＭｇＯ源としての原料とAｌ2Ｏ3源としての原料の混合物からなるものであっても、（ＭｇＯ＋Aｌ2Ｏ3）源としての原料単独からなるものであっても、また、ＭｇＯ源としての原料および／またはAｌ2Ｏ3源としての原料と（ＭｇＯ＋Aｌ2Ｏ3）源としての原料との混合物であってもよい。
【００３０】
出発原料としての前記粉末粒子においては、主成分であるＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3の合計量としての含有量は、得られる球状セラミックス粒子中のＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3の合計量が全成分中、好ましくは６５重量％以上になるようにする観点から、好ましくは７５重量％以上であり、より好ましくは８０重量％以上であり、さらに好ましくは８５〜１００重量％、最も好ましくは９０〜１００重量％である。
【００３１】
前記粉末粒子のＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率としては、得られる球状セラミックス粒子中のＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率が０．０５〜５になるようにする観点から、好ましくは０．０５〜５であり、より好ましくは０．１〜４、更に好ましくは０．２〜２である。
【００３２】
前記粉末粒子の平均粒径としては、球状セラミックス粒子の粒径と球形度が広い範囲で分布することを抑制する観点から０．５μｍ以上、好ましくは１μｍ以上であり、所望の球形度を有するセラミックス粒子を得る観点から５００μｍ以下であり、それらの両観点を満たすため１〜５００μｍ、好ましくは１〜３００μｍである。また、得られるセラミックス粒子の球形度の向上という観点からは、１〜２００μｍがさらに好ましい。
【００３３】
本発明の球状セラミックス粒子を得るためには、出発原料としての粉末粒子は、溶融時の成分蒸発を考慮し、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率および平均粒径が上記範囲内になるよう調整して使用するのが好ましい。
【００３４】
出発原料である粉末粒子を溶融する際、当該粒子に水分が含まれると、該水分が蒸発するため、得られるセラミックス粒子には当該水分の蒸発に伴って多数の開孔が形成されることになる。当該開孔の形成は、セラミックス粒子の吸水率の増加や、球形度の低下をもたらす。従って、出発原料の含水率（重量％）としては、得られる球状セラミックス粒子の吸水率および球形度を適切な範囲に調節する観点から、１０重量％以下が好ましく、３重量％以下がより好ましく、１重量％以下がさらに好ましい。含水率は粉末粒子１０ｇを８００℃で１時間加熱した時の減量により求める。
【００３５】
出発原料は、たとえば、耐火性を有する鉱産原料および合成原料から選ぶことができる。ＭｇＯ源としての原料として、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、マグネシア、スピネル、カンラン石、輝石ズン岩、蛇紋岩、オリビン系鉱物等を挙げることができる。また、Aｌ2Ｏ3源としての原料として、水酸化アルミニウム、アルミナ、スピネル、ボーサイト、バン土頁岩等を挙げることができる。これらの原料はそれぞれ単独で、もしくは２種以上を混合して使用することができる。選択された出発原料は、その含水率を低下させるため、あるいはその溶融を容易にするために仮焼もしくは電融して使用するのが好ましい。仮焼された原料粉末粒子としては、焼結スピネル、電融スピネル等が例示される。
【００３６】
出発原料としての粉末粒子を火炎中で溶融して球状化する工程では、上記のような出発原料を酸素等のキャリアガスに分散させ、火炎中に投入することによって溶融し、球状化を行う（火炎溶融法）。好適な態様においては、下記火炎中に投入する。
【００３７】
用いる火炎はプロパン、ブタン、メタン、天然液化ガス、ＬＰＧ、重油、灯油、軽油、微粉炭等の燃料を酸素と燃焼させることによって発生させる。燃料の対酸素比は完全燃焼の観点から容量比で１．０１〜１．３が好ましい。高温の火炎を発生させる観点から、酸素付加空気バーナー、酸素・ガスバーナーが好適である。さらに酸素・ガスバーナーが好適である。特にバーナーの構造は限定するものではないが、特開平７−４８１１８号公報、特開平１１−１３２４２１号公報、特開２０００−２０５５２３号公報または特開２０００−３４６３１８号公報で開示されているバーナーが例示される。
【００３８】
本発明の製造方法で用いる０．５〜５００μｍ、好ましくは１〜３００μｍの範囲にある大きな平均粒径をもつ上記耐火性の原料粉末粒子を球状化するには以下の手法が好適である。
【００３９】
火炎中への粉末粒子の投入は、キャリアガス中に分散して行なう。キャリアガスとしては、酸素が好適に用いられる。この場合、キャリアガスの酸素は燃料燃焼用として消費できる利点がある。ガス中の粉体濃度は、粉末粒子の充分な分散性を確保する観点から、０．１〜２０ｋｇ／Ｎｍ3が好ましく、０．２〜１０ｋｇ／Ｎｍ3がより好ましい。
【００４０】
火炎中での球状化を速やかに行なうと共に、単分散した球状セラミックス粒子を得る観点から、原料粉末粒子の形状と組成を選択することが好ましい。形状としては、火炎中での滞留時間確保や溶融、球状化を速やかに行なう観点から、原料粉末粒子の長軸径／短軸径比が９以下であるのが好ましく、より好ましくは４以下、さらに好ましくは２以下である。
【００４１】
また、粉末粒子は、ガス等を電離させて生じるプラズマジェット火炎中でも好適に溶融し、球状化できる。
【００４２】
なお、火炎の温度としては、火炎中での球状化を速やかに行なうと共に、粒子同士の融着を防止する観点から、２０００〜３０００℃が好ましく、２１００〜２６００℃がより好ましく、２２００〜２５００℃がより好ましい。
【００４３】
以上の方法により、本発明の所望の球状セラミックス粒子を得ることができる。当該セラミックス粒子は、流動性に非常に優れたものである。また、前記の通り、本発明の球状セラミックス粒子が所定の割合で含まれるように、該セラミックス粒子と公知のセラミックス粒子とを適宜混合することにより、本発明の球状セラミックス粒子と同等の効果を発揮し得るセラミックス粒子を得ることができる。後述する鋳型の製造においてこれらのセラミックス粒子を用いると、使用するバインダーの量を少なくできることから、それらのセラミックス粒子は、セラミックス粒子として効率的に再生（リサイクル）することができる。
【００４４】
本発明の球状セラミックス粒子は、単独で、又は公知の他の材料と混合して、球状セラミックス粒子を含んでなる光学部材等の複合体、鋳物砂、または該鋳物砂を成形してなる鋳造用鋳型などに使用することができる。本発明の球状セラミックス粒子は、特に、高温で使用される鋳造用鋳型の鋳物砂や、光学部材のフィラー等として有用である。以下、これらの用途について説明する。
【００４５】
［本発明の複合体］
本発明の複合体は、本発明の球状セラミックス粒子を母材中に含むものである。該複合体としては、光学部材、鋳造用鋳型の他、球状セラミックス粒子を含有する鋳物、電気絶縁材、セラミック補強構造材、熱伝導性部材、セラミックスマトリックス複合体、金属マトリックス複合体などが挙げられる。
【００４６】
複合体の母材としては、異なる組成のセラミックス粒子の他、金属、プラスチック、ゴム、その他の樹脂、これらの混合物、等が挙げられ、複合体の用途に応じた母材が適宜選択される。また、球状セラミックス粒子の含有量についても、複合体の用途に応じた含有量が適宜設定される。
【００４７】
［鋳物砂および鋳造用鋳型］
本発明の鋳物砂は、以上のような本発明の球状セラミックス粒子を含んでなる。つまり、本発明の球状セラミックス粒子は、必要に応じて公知のセラミックス粒子などと混合して、鋳鋼、鋳鉄、アルミニウム、銅およびこれらの合金等の鋳型を製造する際の鋳物砂として用いることができる。
【００４８】
本発明の球状セラミックス粒子は、鋳物砂として高温でも優れた耐蝕性、耐焼着性を有するため、近年用途が拡大しているチタン合金などの合金を高温（例えば１６６０〜１８６０℃）で鋳造する場合でも、その鋳造用鋳型の構成材料（鋳物砂）として好適に使用することができる。つまり、本発明の球状セラミックス粒子で得られる鋳造用鋳型は、チタンのような融点１５００℃以上の金属を主成分とする鋳物を製造するのに好適に使用される。
【００４９】
また、本発明の鋳造用鋳型は、本発明の球状セラミックス粒子を含む鋳物砂を成形してなる。つまり、本発明のセラミックス粒子は、単独で、もしくは珪砂等のその他の公知のセラミックス粒子や耐火性骨材と組み合わせて、粘土、水ガラス、シリカゾル等の無機質バインダー、またはフラン樹脂、フェノール樹脂、フランフェノール樹脂等の有機質バインダーと混合され、所望の鋳造用鋳型を用いて公知の方法に従って造型され得る。
【００５０】
高強度の鋳造用鋳型を得る観点から、バインダーの使用量としては、セラミックス粒子１００重量部に対して、バインダーを０．０５〜５重量部使用するのが好適である。このようにして得られる鋳型は、高強度であり、しかもその表面が平滑である。従って、この鋳造用鋳型で鋳造すると、表面荒れが小さく、後工程である研磨工程への負荷が小さい鋳物が得られる。
【００５１】
鋳物砂として用いる場合、中実で緻密であり高強度の鋳型を得る観点から、本発明のセラミックス粒子の平均粒径は、１０〜５００μｍが好ましく、２０〜３００μｍがより好ましい。
【００５２】
鋳造用鋳型の製造に使用する観点から、本発明のセラミックス粒子の粒子密度（ｇ／ｃｍ3）としては３〜４ｇ／ｃｍ3の範囲が好ましい。この範囲のものは中実で緻密であり高強度の鋳型が得られる。粒子密度は、ＪＩＳ Ｒ１６２０の粒子密度測定法に従って測定することができる。
【００５３】
また、前記鋳物をさらに適宜加工することにより、表面および内面欠陥の少ない構造物が得られる。また、このような鋳物に、本発明の球状セラミックス粒子を含有させることも可能である。当該構造物としては、たとえば、金型、エンジン部材、工作機械部材、建築部材等が挙げられる。
【００５４】
上記のような鋳型を用いた鋳物の製造方法は、例えば次の工程を含むものである。
工程１：本発明の球状セラミックス粒子を鋳物砂として含んでなる鋳型を製造する工程、
工程２：鋳物の原料金属を溶融して必要に応じて添加物を混合し、溶湯を得る工程、
工程３：工程１で得た鋳型に、工程２で得た溶湯を充填する工程、
工程４：工程３の後に、硬化した鋳物を前記鋳型から取り出す工程。
【００５５】
工程１は、好ましくは、
工程１ａ：耐火性骨材（本発明の場合、球状セラミックス粒子）をバインダーと混合して混合物を製造する工程、
工程１ｂ：前記混合物を木型もしくは金型などの型に充填する工程、
工程１ｃ：工程１ｂで得た成形型（上型、下型および中子など）を組み合わせて鋳型を製造する工程、
を含む自硬性鋳型造型法が挙げられる。
【００５６】
本発明の球状セラミックス粒子は、工程１ａで使用するバインダーが少量でも、鋳型を硬化させることができる。
【００５７】
［光学部材］
本発明における光学部材は、本発明の球状セラミックス粒子を基材中に含んでなり、該光学部材としては、光拡散性部材、反射防止部材などが挙げられる。光拡散部材の具体的な用途としては、例えば液晶ディスプレー、透過型または反射型スクリーン、照明カバー、照明看板、プロジェクター用のフレネルレンズ、発光ダイオードなどに好適に用いられる。
【００５８】
光学部材に使用する場合、球状セラミックス粒子の平均粒径は、好適な光拡散性及び光透過性を確保し、該セラミックス粒子を基材に添加して光拡散性部材を製造する際の機械的強度を確保する観点から、１００μｍ以下が好ましく、５０μｍ以下がより好ましく、３０μｍ以下が更に好ましく、２０μｍ以下が更に好ましい。また、粒子の凝集・合一を抑制し、セラミックス粒子の粒径分布をあまり大きくしない観点や球形度の観点から、０．０１μｍ以上が好ましく、０．１μｍ以上がより好ましく、１μｍ以上が更に好ましく、５μｍ以上が更に好ましい。前記観点を総合した観点から、０．０１〜１００μｍが好ましく、０．１〜５０μｍがより好ましく、１〜３０μｍが更に好ましく、５〜２０μｍが更に好ましい。平均粒径は、実施例に記載する方法で測定する。
【００５９】
また、セラミックス粒子の球形度は、好適な光拡散性及び光透過性を確保する観点から、０．９５以上が好ましく、０．９６以上がより好ましく、０．９８以上が更に好ましい。球形度がこの範囲であると、基材への分散性が良好で、高添加が可能となり、光拡散性部材の光学的特性を付与しやすくなる。球形度は、実施例に記載する方法で測定する。
【００６０】
光学部材中に余分な気泡の発生を抑制し、好適な光拡散性及び光透過性を達成する観点から、本発明に使用するセラミック粒子の表面には気孔が少ないことが好ましい。表面の気孔の程度として、セラミックス粒子の吸水率を指標とすることができる。即ち、セラミックス粒子の気孔は、吸水率は低い方が少ない傾向にあり、吸水率は０．８重量％以下が好ましく、０．５重量％以下がより好ましく、０．３重量％以下が更に好ましい。
【００６１】
光学部材に使用するセラミックス粒子の色は、光透過性を確保する観点から、白色であることが好ましい。白色度は、分光式色彩計により測定されるＬ＊値が、８５以上であることが好ましく、９０以上であることがより好ましく、９５以上であることが特に好ましい。かかる白色度は、セラミックス粒子中の副成分の量と組成を調整することで、得ることができる。
【００６２】
セラミックス粒子はＭｇＯとＡｌ２Ｏ３とで構成される成分を主成分として含有してなる複合化合物であり、その構造は、非晶構造（非晶質）もしくは結晶構造（結晶質）をとりうるが、耐熱性、耐薬品性または耐光性に優れ、安定した光拡散性を確保する観点から、結晶質のものが好ましい。かかる高結晶化は、セラミックス粒子製造時の焼成温度を１２００〜１８５０℃、焼成時間を１〜５時間に調整することで得ることができる。
【００６３】
光学部材に使用するセラミックス粒子として、ＭｇＯとＡｌ２Ｏ３、の重量比〔（またはＭｇＯ）／Ａｌ２Ｏ３〕が０．０５〜５のものを使用して、前記の高結晶化を行う処理を施すと、Ｘ線回折パターン測定により主たるピークがＪＣＰＤＳ（Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｏｎ Ｐｏｗｄｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ）のＮｏ．２１−１１５２のＭｇＡｌ Ｓｐｉｎｅｌに帰属され、光拡散性及び光透過性を向上する観点から好ましい。
【００６４】
光学部材に使用するセラミックス粒子は、基材中での分散性を向上させる観点から、シランカップリング剤、シリコーン、脂肪酸石鹸等で表面処理を行うことが好ましい。
【００６５】
光学部材に使用するセラミックス粒子を基材に添加する際及びその後の加工性を向上する観点から、適度の流動性を有することが好ましい。流動性は、パウダーテスターによって測定される安息角が指標となり、安息角が、好ましくは５０度以下、より好ましくは４０度以下であり、更に好ましくは３５度以下であり、セラミックス粒子の球形度を高く、吸水率を低減することで好ましい範囲に調整できる。安息角は、実施例に記載する方法で測定できる。
【００６６】
安息角を上記範囲にするため、セラミックス粒子の球形度は０．９５以上が好ましく、０．９６以上がより好ましく、０．９８以上が更に好ましい。安息角を上記範囲にするため、吸水率は０．８重量％以下が好ましく、０．５重量％以下がより好ましく、０．３重量％以下が更に好ましい。セラミックス粒子の平均粒径を大きくすることで、吸水率を低減でき、火炎溶融処理することで、吸水率を更に低減できる。
【００６７】
光拡散性部材としては、好ましくは全透過率が５０％以上かつ光散乱強度が７０％以上であり、より好ましくは全透過率が７０％以上かつ光散乱強度が８０％以上であり、光拡散性部材の全透過率及び散乱強度は、ヘイズメーターで測定される値を指す。特に、セラミックス粒子の含有量が、光拡散性部材の基材１００重量部に対して５０重量部以下でこのような光学特性を有することが好ましく、より好ましくは含有量が１０重量部以下の場合である。
【００６８】
光学部材に使用する基材は、透明なガラス、樹脂であれば特に制限はなく、たとえばガラスであれば、ソーダ石灰ガラス等のアルカリガラスや硼珪酸ガラスが好適に用いられる。また、樹脂であれば熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、紫外線等のエネルギー線硬化型樹脂等が使用でき、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル樹脂、トリアセチルセルロース、ブチルセルロース等のセルロース樹脂、ポリスチレン、ポリウレタン、塩化ビニル、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン等が挙げられる。これらのうち、透明性、耐光性、耐熱性の観点から、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、エポキシ樹脂等が好ましく、アクリル樹脂がより好ましく用いられる。
【００６９】
これらのうち、光拡散性部材が良好な光拡散性及び光透過性を確保する観点から、基材の屈折率は、好ましくは１．３〜１．６５、より好ましくは１．４５〜１．６３、更に好ましくは１．５５〜１．６２であることが望ましい。
【００７０】
また、光拡散性部材の良好な光拡散性及び光透過性を確保する観点から、使用するセラミックス粒子の屈折率は、１．６〜１．８が好ましく、１．６５〜１．７５がより好ましく、１．６７〜１．７３が更に好ましい。当該屈折率は、前記のセラミックスの組成と結晶構造を好適範囲に調整することで、前記の好適範囲に調整できる。
【００７１】
また、基材とセラミックス粒子は、光拡散性部材が良好な光拡散性及び光透過性を確保する観点から、基材の屈折率とセラミックス粒子の屈折率の差が、好ましくは０．０１〜０．３、より好ましくは０．０３〜０．２、更に好ましくは０．０５〜０．１５であるように組合せることが望ましい。
【００７２】
基材とセラミックス粒子の好適な組合せの例を表１に示した。
【００７３】
【表１】
【００７４】
光拡散性部材の良好な光拡散性と光透過性を確保する観点から、基材中のセラミックス粒子の含有量は、特に、良好な光拡散性を確保する観点から、基材１００重量部に対するセラミックス粒子の添加量は、好ましくは０．１重量部以上、より好ましくは０．５重量部、更に好ましくは１重量部以上であり、特に光透過性を確保する観点から、好ましくは１０００重量部以下、より好ましくは１００重量部以下、更に好ましくは３０重量部以下、更に好ましくは１０重量部以下である。前記観点を総合した観点から、０．１〜１０００重量部が好ましく、０．１〜１００重量部がより好ましく、０．１〜３０重量部が更に好ましく、０．５〜３０重量部が更に好ましく、１〜１０重量部が更に好ましい。
【００７５】
本発明の光学部材には、必要に応じて、離型剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、着色剤、蛍光体、発光体、強化剤などを、光拡散性と光透過性を損なわない範囲で添加することができる。その添加量は、光拡散性と光透過性の観点から、光拡散性部材中１０重量％以下が好ましく、５重量％以下がより好ましい。
【００７６】
光学部材は、いずれの形状でもよく、シート状、レンズ状、柱状、板状などの形状が挙げられるが、均一な光拡散性や高い光透過性を得ようとする場合には、シート状が好ましい。
【００７７】
光学部材がシート状である場合、その厚さは、光拡散性部材の良好な光拡散性及び透明性を確保する観点から、特に、良好な光拡散性を確保する観点から、好ましくは０．０５μｍ以上、より好ましくは１μｍ以上、更に好ましくは１０μｍ以上であり、特に、良好な光透過性を確保する観点から、好ましくは２０ｍｍ以下、より好ましくは２ｍｍ以下、更に好ましくは１ｍｍ以下であり、前記観点を総合した観点から、０．０５μｍ〜２０ｍｍが好ましく、１μｍ〜２ｍｍがより好ましく、１０μｍ〜１ｍｍが更に好ましい。
【００７８】
本発明の光学部材は、基材中にセラミックス粒子を分散させる工程により製造することができる。セラミックス粒子の分散は、例えば、次の（ａ）〜（ｄ）のいずれかの工程によって好適に行うことができる。
（ａ）混練機を用いて前記基材中に前記セラミックス粒子を練り込む工程、
（ｂ）前記基材を構成する樹脂の溶液、エマルジョン、ディスパージョンまたはサスペンジョンの中に前記セラミックス粒子を混合し、この混合物をシート状に成型する工程、
（ｃ）シート表面に前記セラミックス粒子及びバインダーを含む層を形成する工程、又は
（ｄ）前記基材を構成する樹脂を合成する際に、その樹脂のモノマー中に前記セラミックス粒子を添加して重合する工程。
【００７９】
これらのうち、上記（ａ）に示す工程のように、混練機を用いて基材中にセラミックス粒子を練り込み方法が好ましく、混練後にシート状に成型する方法がより好ましい。その際、混練機として、練ロール機、二軸混練機、ニーダー、インターナルミキサー、押出機など、公知の混練機を用いることができる。成型機は、ロール成型機、射出成型機、押し出し成型機、熱プレス成型機などを用いることができる。
【００８０】
上記（ｂ）に示す工程では、例えば、樹脂を溶液、ディスパージョン等の液状にするための各種液状媒体が使用され、塗工支持体上に塗工した後に液状媒体の乾燥などが行われる。塗工には、ブレードコーター、コンマコーター、バーコーター、カレンダーコーター、ディップコーターなどを用いることができる。
【００８１】
上記（ｃ）に示す工程では、例えば、下地基材となるシートの表面に、前記セラミックス粒子及びバインダーを含む塗工液を、上記（ｂ）と同様にして塗工した後、乾燥させることで、セラミックス粒子及びバインダーを含む層を形成することができる。
【００８２】
上記（ｄ）に示す工程では、例えば、セラミックス粒子を含むモノマー組成物を上記（ｂ）と同様にして塗工した後、モノマーの種類に応じた条件で重合させることができる。その際、必要に応じて、触媒、開始剤、架橋剤などを添加することができる。
【実施例】
【００８３】
以下、本発明を具体的に示す実施例等について説明する。なお、実施例等における評価項目は下記のようにして測定を行った。
【００８４】
（１）組成
蛍光Ｘ線法（ＪＩＳ Ｒ２２１６「耐火れんが及び耐火モルタルの蛍光Ｘ線分析法」）による元素分析を行って、Ａｌ、Ｍｇ、の各原子の組成を定量する。Ｘ線回折測定を行い、回折パターンから、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、あるいはこれらの複合化合物の存在を確認する。回折パターンが得られない場合は、ラマン分光、ＩＲ、ＮＭＲ等の測定によりＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、の存在を確認する。以上から、ＭｇＯとＡｌ２Ｏ３、との合計量、及び、ＭｇＯとＡｌ２Ｏ３の重量比〔ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３〕を算出する。
【００８５】
（２）平均粒径
平均粒径は、Ｄ５０（体積基準の５０％の中位粒径）を意味し、堀場製作所ＬＡ−９２０によるレーザー回折／散乱法で測定する。
含水率は粉末粒子１０ｇを８００℃で１時間加熱した時の減量により求める。
【００８６】
（３）球形度
球形度は、セラミックス粒子について、リアルサーフェースビュー顕微鏡ＶＦ−７８００（キーエンス社製）で測定して得られたＳＥＭ像（倍率は３０〜３０００倍）の粒子投影断面の面積及び該断面の周囲長を求め、次いで、〔粒子投影断面の面積と同じ面積の真円の円周長〕／〔粒子投影断面の周囲長〕を計算し、任意の５０個の粒子につき、それぞれ得られた値を平均して求める。
【００８７】
（４）吸水率
吸水率はＪＩＳ Ａ１１０９細骨材の吸水率測定方法に従って測定する。
【００８８】
（５）安息角
安息角の測定は、ＪＩＳ Ｒ９３０１−２−２による。安息角の測定に用いるパウダーテスターは、ホソカワミクロン社製のＴＹＰＥＰＴ−Ｅを使用する。
【００８９】
（６）屈折率
セラミックス粒子及び基材樹脂の屈折率は、ＪＩＳ Ｋ７１４２「プラスチックの屈折率測定方法」のうち、Ｂ法（顕微鏡を用いる液浸法（ベッケ線法））による。但し、ＪＩＳ Ｋ７１４２で使用される浸液に代えて、島津デバイス製造社製「接触液」を使用し、浸液の温度が１５〜２０℃の条件で測定する。顕微鏡は、偏光顕微鏡「オプチフォト」（ニコン製）を使用する。
【００９０】
（７）全透過率及び光散乱強度
サンプル粒子を１００重量部に対して、アミノプロピルトリエトキシシランを１重量部添加し、表面処理を施した。アクリルペレット（三菱レーヨン社製ＶＨ―００１）１００重量部に対して、該表面処理したサンプル粒子を０．７重量部の割合で混ぜ、ロール混練機（西村機械製作所製）により１８５℃で混合し、プレス機（東洋精機製）でプレスして厚さ１ｍｍの光拡散性部材を作製した。
【００９１】
これを用いて、ヘイズメーター〔村上色彩技術研究所製（形式：ＨＲ−１００）〕で平行光線透過率（Ｔｐ）と散乱光透過率（Ｔｄ）を測定し、Ｔｐ＋Ｔｄにより全透過率を算出し、〔Ｔｄ／（Ｔｐ＋Ｔｄ）〕×１００を算出して光散乱強度を求めた。全透過率が大きい程、光透過性が高く、光散乱強度が大きい程、光拡散性が高いと評価する。
【００９２】
（８）耐光性試験（促進耐光性試験法）
比較する２つの部材をサンシャインスーパーロングライフウェザーメーター（スガ試験機械株式会社製）にセットし、カーボンアーク光を照射した。照射前後のサンプルを分光式色彩計（ＳＥ−２０００）（日本電色工業株式会社製）を用いて黄色度（ｂ＊）を測定し、下記に示す式により照射前後でのサンプルの黄変度合いを比較した。
【００９３】
Δｂ＊＝光照射後のｂ＊−光照射前のｂ＊
（９）粒子の密度
粒子密度は、ＪＩＳ Ｒ１６２０の粒子密度測定法に従って測定した。
【００９４】
（１０）セラミックス粒子の流動性
ＪＩＳＫ６７２１の漏斗を用い、流動時間（秒）をもとめた。流動時間が短いほうが流動性に優れる。
【００９５】
（１１）鋳型の強度
セラミックス粒子を７４〜２５０μｍに分級後、成形バインダーとしてカオーステップＳ６６０（花王クエーカー製）をセラミックス粒子１００重量部に対して１．２重量部添加し、自硬性鋳型造型法に従って成形（直径５０μｍ×高さ５０μｍ）し鋳型を得た。次いで、２４時間、室温で養生後、圧縮試験機（島津製作所製）を用い、鋳型の圧縮強度（ＭＰａ）を測定した（２５℃、湿度５５％）。
【００９６】
（１２）鋳型の表面肌
以下の評価基準に従って鋳型から脱型後の鋳物表面を目視観察により評価し、当該評価結果を鋳型の表面肌の評価結果として用いた。すなわち、鋳物表面の状態が平滑であれば、鋳型の表面肌も平滑である。なお、鋳物は、鋳鉄ＦＣ−２５０を高周波炉により１４００℃で溶融し、５０μｍ×５０μｍ×４００μｍの直方体の形状のものを作製した。
〔評価基準〕
○: セラミックス粒子跡がなく、平滑な面を示す。
△: セラミックス粒子跡が少し認められ、やや平滑な面を示す。
×: セラミックス粒子跡が明確で、荒れた面を示す。
【００９７】
（１３）耐蝕性および耐焼着性
上記（１２）で使用した同様の鋳型にチタン合金（組成：Ｔｉ―６Ａｌ―４）の溶湯（温度１７１０℃）を流しこみ、鋳物を脱型後、該鋳型の断面で溶湯接触部の状態を観察し、以下の評価基準に従って該鋳型の耐蝕性、耐焼着性を評価した。なお、鋳型は実質的にセラミックス粒子そのものから形成されるものであるため、鋳型の耐蝕性、耐焼着性の評価結果はセラミックス粒子の耐蝕性、耐焼着性の評価結果をも示すといえる。
〔評価基準〕
◎: 表面変質、焼着ほとんど無し
○: 軽度の表面の変質、焼着が認められる
△: 中程度の表面の変質、焼着が認められる
×: 激しい表面の変質、焼着が認められる。
【００９８】
実施例１
ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３重量比が０．４となるよう、アルミナ（純度９９．９％）とマグネシア（純度９９．9％）を水中で湿式混合し、真空乾燥した後、１５００℃、３時間焼成したものを乾式粉砕し、表２に示す性状のセラミックス粒子（原料粉末粒子）を得た。
【００９９】
原料粉末粒子として、上記のセラミックス粒子を用い、当該粉末粒子を、酸素をキャリアガスとして用い、ＬＰＧ（プロパンガス）を対酸素比（容量比）１．１で燃焼させた火炎（２４００℃）中に投入し、表３に示す性状の球状セラミックス粒子を得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１００】
実施例２〜７
実施例１において、表２に示すように平均粒径が異なるセラミックス粒子（原料粉末粒子）を得た後、これを用いて火炎溶融を行ったこと以外は、実施例１と同じ条件で表３に示す性状の球状セラミックス粒子を得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１０１】
実施例８〜１０
実施例１において、湿式混合する原料のＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３重量比率を変えることで、表２に示す性状のセラミックス粒子（原料粉末粒子）を得た後、これを用いて火炎溶融を行ったこと以外は、実施例１と同じ条件で表３に示す性状の球状セラミックス粒子を得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１０２】
実施例１１〜１３
実施例１において、表２に示す性状のセラミックス粒子（原料粉末粒子、平均粒径５０μｍ）を得た後、これを用いて火炎溶融により異なる球形度の粒子を得たこと以外は、実施例１と同じ条件で表３に示す性状の球状セラミックス粒子を得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１０３】
実施例１４
イオン交換水１００重量部にＡｌＣｌ３・６Ｈ２Ｏを１２．３重量部と、ＭｇＣｌ２・６Ｈ２Ｏを５．０８重量部を溶解し、透明な液とした（溶液Ａ）。次に、５．８重量％アンモニア水３２５重量部に、溶液Ａを加えｐＨ９．５〜１０となるように調節しながら、３０分間撹拌した。得られた沈殿を濾過・洗浄したのち、１００℃で４８時間乾燥した。得られた乾燥物を１１００℃、１時間焼成・粉砕し、表３に示す性状の球状セラミックス粒子を得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１０４】
実施例１５
実施例１における水で湿式混合したスラリーを１８０℃の熱風下で噴霧乾燥し、１４００℃で３時間焼成し、球状セラミックスを得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１０５】
比較例１〜２
実施例１において、表２に示すように平均粒径が異なるセラミックス粒子（原料粉末粒子）を得た後、これを用いて火炎溶融を行ったこと以外は、実施例１と同じ条件で表３に示す性状の球状セラミックス粒子を得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１０６】
比較例３〜４
実施例１において、湿式混合する原料のＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３重量比率を変えることで、表２に示す性状のセラミックス粒子（原料粉末粒子）を得た後、これを用いて火炎溶融を行ったこと以外は、実施例１と同じ条件で表３に示す性状の球状セラミックス粒子を得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１０７】
比較例５
表３の性状を有する市販の球状シリカ粉末を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１０８】
比較例６
表３の性状を有する市販の不定形シリカ粉末を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１０９】
比較例７
表３の性状を有する市販の球状アルミナ粉末を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１１０】
比較例８
表２の性状を有する市販のフォルステライト粉末を出発原料とし、酸素をキャリアガスとして用い、ＬＰＧ（プロパンガス）を対酸素比（容量比）１．１で燃焼させた火炎（２２００〜２５００℃）中に投入し、表３に示す性状のセラミックス粒子を得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１１１】
比較例９
表２の性状を有する市販のムライト粉末を出発原料とし、酸素をキャリアガスとして用い、ＬＰＧ（プロパンガス）を対酸素比（容量比）１．１で燃焼させた火炎（２２００〜２５００℃）中に投入し、表３に示す性状のセラミックス粒子を得た。この球状セラミックス粒子を用いて、上記の各評価を行った。その結果を表３に合わせて示す。
【０１１２】
【表２】
【０１１３】
【表３】
【０１１４】
表３から明らかな通り、実施例の球状セラミックス粒子を用いた光拡散性部材は、全透過率が７０％を超えており、少ないフィラー添加量であるにも係わらず、光拡散強度が、従来の市販セラミックッス粒子を添加した光拡散性部材より高いことがわかる。特に、同じ組成で球形度の異なるセラミックッス粒子を添加した光拡散性部材（実施例１１〜１３）を比較することで、球形度が大きいほど光拡散強度がより高いことがわかる。
【０１１５】
また、表３の結果より、比較例のセラミックス粒子に比べ、実施例のセラミックス粒子は優れた流動性を有することが分かる。また、得られた鋳型についても、比較例のものと比べ、実施例のものは強度に優れ、また、表面肌が平滑であることが分かる。実施例のセラミックス粒子から製造された鋳型で鋳造された鋳物は後工程である研磨工程を充分軽減できる程に表面は平滑であった。
【０１１６】
また、実施例のセラミックス粒子で得られた鋳型では表面の変質や焼着が実質的になく、従って、かかる鋳型は、高温（１７００℃以上）でも耐蝕性及び耐焼着性に優れたものであることが分かる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス組成中にＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分として含有してなり、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率が０．０５〜５、平均粒径が０．５〜５００μｍである球状セラミックス粒子。
【請求項２】
火炎溶融法で製造されたものである請求項１に記載の球状セラミックス粒子。
【請求項３】
球形度が０．９５以上である請求項１又は２に記載の球状セラミックス粒子。
【請求項４】
ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分とする、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率が０．０５〜５、平均粒径が０．５〜５００μｍの粉末粒子を、火炎中で溶融して球状化する工程を含む球状セラミックス粒子の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜３いずれか記載の球状セラミックス粒子を母材中に含んでなる複合体。
【請求項１】
セラミックス組成中にＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分として含有してなり、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率が０．０５〜５、平均粒径が０．５〜５００μｍである球状セラミックス粒子。
【請求項２】
火炎溶融法で製造されたものである請求項１に記載の球状セラミックス粒子。
【請求項３】
球形度が０．９５以上である請求項１又は２に記載の球状セラミックス粒子。
【請求項４】
ＭｇＯおよびAｌ2Ｏ3を主成分とする、ＭｇＯ／Aｌ2Ｏ3重量比率が０．０５〜５、平均粒径が０．５〜５００μｍの粉末粒子を、火炎中で溶融して球状化する工程を含む球状セラミックス粒子の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜３いずれか記載の球状セラミックス粒子を母材中に含んでなる複合体。
【公開番号】特開２００８−１６２８２５（Ｐ２００８−１６２８２５Ａ）
【公開日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３５２１３７（Ｐ２００６−３５２１３７）
【出願日】平成１８年１２月２７日（２００６．１２．２７）
【出願人】（００００００９１８）花王株式会社 (8,290)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２７日（２００６．１２．２７）
【出願人】（００００００９１８）花王株式会社 (8,290)
【Ｆターム（参考）】
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