(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温水蒸気の存在下にキャリアーガスに鉄粉末を担持させた気体流をプラズマ化して鉄粉末を気化蒸発させ、このプラズマを冷却して生成した酸化鉄を析出させる酸化鉄超微粒子の製造方法。
【請求項２】
高温水蒸気が酸素および水素の存在下にキャリアーガスに鉄粉末を担持させた気体流をプラズマ化することで生成されたものである請求項１記載の方法。
【請求項３】
プラズマ化がＲＦプラズマ法によって行われる請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、超微粒子からなる酸化鉄を製造する方法と、この方法によって製造される黒色顔料に関する。
超微粒子からなる酸化鉄は種々の環境条件下において極めて安定であって変色することがなくそして人体に無害の物質であるので、化粧品用などの顔料として有用である。
【０００２】
【従来技術】
我が国ではこれまでアイラインやアイシャドウーのなどの化粧品用の黒色顔料として、チタン系顔料や鉄系顔料の黒色酸化鉄が用いられているが、チタン系顔料は化粧品として用いた場合伸びに乏しく、また米国においては化粧品用の顔料として許可されていないという事情のために輸出製品として製造することができないという問題があり、また従来の製法による黒色酸化鉄は人体に適用して無害の物質ではあるが、雰囲気の条件によって安定性に欠け、赤茶色に変色することがあり、顔料としての同一の色調のものを製造することが困難で、また化粧品としての使用の段階での変色にも問題があった。
【０００３】
高温プラズマを作って超微粒子を生成させる方法は、対象となる物質をキャリアガスとともにプラズマ炎中に導入し高温において蒸発させ、冷却過程で対象となる物質を析出させて超微粒子とするのであるが、超微粒子が酸化物からなるものを得ようとする場合にはこのキャリアガスを酸素とし、このキャリアガスに酸化によって酸化物を生成する原料物質を導入するか、または冷却雰囲気を酸素とし、冷却過程で酸化反応を進行させることによって酸化物超微粒子を生成させることがしばしば行われている。
【０００４】
酸化鉄の超微粒子を得るためにはこのような方法も可能であるが、このような方法により得られた酸化鉄の超微粒子は、生成当初は褐色でも大気中に放置すると時間の経過と共に褐色が強まり変色して、安定した色調を有する顔料としての超微粒子酸化鉄を得ることができなかった。まして安定した色調の黒色の酸化鉄の超微粒子は得ることができなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、製造条件下および使用条件下において安定であり、また人体に無害であって化粧品用の顔料として使用可能である新しい黒色顔料としての酸化鉄の開発が求められるところである。本発明はこの黒色顔料としての酸化鉄超微粒子を製造することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために本発明者らは鋭意研究の結果、水蒸気の存在下に気相で鉄をプラズマ化して得られる酸化鉄超微粒子がその超微粒子としての粒径と安定な黒色酸化鉄としての性質から黒色顔料として優れた材料であることを見いだして本発明を完成した。
【０００７】
すなわち本発明は、高温水蒸気の存在下にキャリアーガスに鉄粉末を担持させた気体流をプラズマ化して鉄粉末を気化蒸発させ、このプラズマを冷却して生成した酸化鉄を析出させる酸化鉄超微粒子の製造方法に関する。
【０００８】
さらにまた本発明は、上記の方法で製造された黒色顔料にも関する。
この方法において、キャリアーガスに鉄粉末を担持させる気体流のプラズマ化には、ＲＦプラズマ法が好ましく用いられる。
【０００９】
本発明の方法は、高温水蒸気の存在下に行うことを必須とするが、ＲＦプラズマ法でキャリアーガスに鉄粉末を担持させる気体流をプラズマ化する場合に、プラズマトーチ中に直接水蒸気を導入することもできるが、プラズマトーチ中に直接水蒸気を導入すると、水分子の解離のためのエネルギーを消耗してプラズマ炎が不安定になるので、キャリアーガスに水素を混合してプラズマトーチに導入し、そして、酸素をシースガスとしてキャリアーガスと共にこのキャリヤーガスを取り囲む状態でプラズマトーチに導入し、高周波コイルによって形成される高周波電場の作用によってプラズマ炎を形成させることにより、このプラズマ炎中で結果的に高温水蒸気を生成させることが好ましく行われる。
【００１０】
また上記とは逆に、キャリアーガスに酸素を混合してプラズマトーチに導入し、そして、水素をシースガスとしてキャリアーガスと共にこのキャリヤーガスを取り囲む状態でプラズマトーチに導入し、高周波コイルによって形成される高周波電場の作用によってプラズマ炎を形成させ、このプラズマ炎中で結果的に高温水蒸気を生成させることも出来る。
【００１１】
このように、プラズマトーチ中に酸素および水素を導入する代わりに高出力のプラズマトーチを用いることにより、プラズマトーチ中に直接水蒸気を導入しても良いことは勿論である。
【００１２】
いずれにしても、この方法で必要な条件は、高温水蒸気の存在する酸化的雰囲気においてキャリアーガスに鉄粉末を担持させた気体流をプラズマ化して金属鉄を気化させ、プラズマを冷却してＦｅＯまたはＦｅ３Ｏ４の化学組成をもった酸化鉄超微粒子を得ることである。この様にして得られる超微粒子はほぼ球形でありその粒径は０．０１μｍ〜０．１μｍ程度である。
【００１３】
そして、このようにして得られた酸化鉄超微粒子はその粒径からいって黒色顔料としてきわめて優れたものである。この黒色顔料はそれ自体酸化鉄からなるものであって、このものを取り扱う環境条件、例えば酸化的条件であるか又は還元的条件であるか、酸性条件であるか又はアルカリ性条件であるか、乾燥条件であるか又は湿潤条件であるか、又は低温条件であるか又は高温条件であるかなどの、種々の条件下において安定であり、且つまた人体に適用して無害の物質であることから、殊に化粧品用の顔料として有用である。そしてこの顔料をアイラインやアイシャドウー製造用の顔料として用いた場合、変色がなくまた自体が超微粒子であることから伸びおよび被覆力に極めて優れており、そして人体に無害であるという極めて著しい特徴をもつものである。
【００１４】
この酸化鉄超微粒子は例えば次の図１に示される装置を用いて製造される。
すなわちこの装置は、図１のＡで示される原料鉄粉末供給装置、Ｂで示されるプラズマトーチ、Ｃで示される冷却二重管、Ｄで示されるチャンバー及びＥで示される超微粒子回収装置とからなる。
【００１５】
原料鉄粉末供給装置Ａでは、ホッパー１０から原料鉄粉末が送り出され、この原料鉄粉末はキャリアーガス供給口１１から供給されるアルゴンガスに担持されて、原料鉄供給管からプラズマトーチＢに導入される。
【００１６】
プラズマトーチＢは石英管１を主体とし、この外側に高周波発振用のコイル２が取り付けられ、その外側に冷却用の外套管３が設けられている。プラズマトーチの上部には噴出方向が接線方向、軸方向及び半径方向のガス噴出口４、５、６が設けられ、この噴出口にガスの供給源７、８、９からこの順番に酸素ガス、アルゴンガスと水素ガスとの混合ガス、及び酸素ガスが供給される。そしてアルゴンガスと水素ガスとの混合ガスはプラズマガスとして、また酸素ガスはシースガスとして、プラズマガスを覆ってプラズマを安定化させるための働きをする。
【００１７】
冷却二重管Ｃは石英管の内管とこれを覆う外套管とからなり、両管の間を冷却水が循環して石英管を冷却している。
【００１８】
チャンバーＤはステンレス製の内筒とステンレス製の外筒とからなり、両筒の間を冷却水が循環して内筒を冷却している。そしてプラズマトーチＢで蒸発気化した原料鉄粉末は、プラズマガス中に生成存在する水蒸気及び酸素と反応し、冷却二重管及びチャンバーにおいて冷却されて酸化鉄超微粒子を生成する。
【００１９】
この酸化鉄超微粒子の生成ゾーンは水蒸気雰囲気であることが必須であり、これによって安定な酸化鉄超微粒子となるのである。この水蒸気雰囲気は直接水蒸気をこの生成ゾーンへ導入するか、上記のようにシースガス、キャリアガスに酸素ガス、水素ガスを使用しこれを反応させて形成させることができる。
【００２０】
超微粒子回収装置Ｅは、減圧ライン１６に接続されたトラップ１５を有し、生成した超微粒子はここで捕捉回収される。
【００２１】
このようにして製造された酸化鉄超微粒子は、平均粒径で０．０１μｍ〜０．１μｍ、好ましくは０．０５μｍ以下の範囲の粒径を有し、その化学組成はＦｅＯ・Ｆｅ３Ｏ４で示すことができる。そして酸化鉄を気相のプラズマ状態を経て熔融状態から急激に冷却して得られるものであることから、その表面は後記する図２に示されるように極めて滑らかで、そのことにより種々の環境条件において安定であるものと考えられる。
【００２２】
この方法により製造された超微粒子の酸化鉄は、前述のようにＦｅＯ・Ｆｅ３Ｏ４の混合体と考えられるが、例えば大気中は勿論水中においても十分に安定であり、粒子形状も球状で、黒色顔料として従来使用されている酸化鉄の微粒子粉末と同様の機能を持つものである。したがってこの酸化鉄の超微粒子は化粧品用の黒色顔料として有用である。
【００２３】
次いで本願発明を実施例によってさらに詳細に説明するが、これら実施例は本願発明を単に説明するためのもので、本願発明が実施例に限定されるものと解さるべきではない。
【００２４】
実施例１  酸化鉄超微粒子の製造
図１に記載の装置を用いて酸化鉄超微粒子の製造を行った。プラズマトーチは、内径５５ｍｍの石英管１とその外側の高周波発振用コイル２と冷却用の外套管３とから構成され、プラズマトーチの上部に設けられた半径方向及び軸方向のガス噴出口４および５からプラズマガスとして合計でアルゴンガスを９０リットル／分、水素ガスを１０リットル／分の量で、また接線方向のガス噴出口６からシースガスとして酸素ガスを３リットル／分の量でこのプラズマトーチに導入し、この高周波発振用コイルに２０ｋＷの電力を導入してプラズマをプラズマトーチ内に形成させた。プラズマトーチの上部に設けれれた原料鉄粉末の供給口１２から、キャリアーガス供給口１１から導入されたアルゴンガス１０リットル／分に担持された平均粒径５０μの原料鉄粉末４グラム／分をプラズマトーチ中に導入した。
【００２５】
プラズマトーチ中で形成された、プラズマガスによって加熱され蒸発した鉄は、プラズマで発生した高温水蒸気と反応して酸化鉄超微粒子の前駆体を生成する。
【００２６】
プラズマトーチの下部は冷却二重管に連なり、この冷却二重管は内径１２０ｍｍ、長さ２００ｍｍの石英内管とその外側の冷却用外套管とからなる。ここでプラズマガスは冷却をうけ、酸化鉄超微粒子が生成する。
【００２７】
この冷却二重管はチャンバーに連なり、このチャンバーは内径４００ｍｍ、長さ５００ｍｍのステンレス製の内管とこれを覆う外套管とからなり、内管と外套管との間を冷却水が循環して、形成された酸化鉄超微粒子を担持したガスの流れを冷却する。
【００２８】
このようにして得られた酸化鉄超微粒子は、減圧ラインに接続されたフィルターからなる超微粒子回収装置で回収分離されて取り出される。得られた酸化鉄超微粒子を分析したところ、式ＦｅＯ・Ｆｅ３Ｏ４で示される化学組成を有するものであることが分かった。ここで得られた酸化鉄超微粒子は、平均粒径が０．０１〜０．０５μｍの黒色の超微粒子であった。この酸化鉄超微粒子の走査電子顕微鏡写真は図２の通りである。この写真から、酸化鉄超微粒子は表面が滑らかな粒子であることが分かる。
【００２９】
この酸化鉄超微粒子を水中に１２カ月間放置しておいても褐色に変色せず黒色を保っていた。また大気中に室温のままに放置しておいても同様に変化しなかった。
【００３０】
比較例１
実施例１と同じ装置を用い、ガス噴出口から合計でアルゴンを５０〜１００リットル／分の量でプラズマトーチに導入してプラズマを形成させ、シースガスとして酸素ガスを０〜１０リットル／分の変化する量でプラズマトーチに導入し、そして鉄粉末を４ｇ／分の量で形成したプラズマ中に導入してこれを超微粒子化させた。生成した鉄の超微粒子を冷却室において冷却しフィルターにて回収した。得られた超微粒子の平均粒径は０．０１〜０．０５μｍであった。
酸素を０とした（無酸素）場合は生成したものは鉄超微粒子であるが、装置より取り出すと赤茶色に変色した。これはＦｅ２Ｏ３が生成したためである。また酸素をわずかずつ増やしていくと、生成する超微粒子は赤茶色となり、これはＦｅとＦｅ２Ｏ３の超微粒子が生成したことを示す。
【００３１】
比較例２  原料としてＦｅＯ・Ｆｅ３Ｏ４（黒色酸化鉄）を用いる場合
黒色酸化鉄をアルゴンプラズマガス中に導入して超微粒子とした。鉄粉末の場合と同様に酸素を用いた場合は生成するものは赤茶色で、生成物は鉄と酸化鉄の混合物でＦｅおよびＦｅ２Ｏ３の組成を有する。すなわち、プラズマ中ではこの超微粒子化条件では黒色酸化鉄はＦｅおよびＦｅ２Ｏ３の混合物となってしまうためである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で用いた酸化鉄超微粒子を製造するための装置を示す。
【図２】本発明で得られた酸化鉄超微粒子の走査電子顕微鏡写真を示す。
【図１】
0003597893.tif 000002
【図２】
0003597893.tif 000003