JP2004223500A - 風圧による衝撃を利用した難粉砕物の微粉末製造方法とその装置ならびにその微粉末物質 - Google Patents

Abstract

【課題】刃物やハンマー類を用いず難粉砕物を常温の状態で連続的、かつ迅速に粗粉砕から微粉砕に至る任意な粒度の粉砕物を安価に大量提供する。
【解決手段】常温で難粉砕物を発火や熱溶融現象を伴うことなく微粉砕するためには十分な風圧と風量の確保が不可欠で、送風は円筒状スクリーン一端から行い他端を閉塞状態とする一方、外部から大量の空気が取り込めるようにインペラーを利用し、取り込まれた風は内壁に沿った方向に分散させて加速し、理論計算上では２００ｍ／秒以上の乱流状態とし、この加圧された乱流、すなわち衝撃波により難粉砕物はスクリーン内部で一時的に滞留しながら、相互に、あるいは壁面やファンに激突を繰り返し、微粉砕化を受け、順次円筒状のスクリーン内壁とインペラーの隙間を経て最終的に開孔部でも噴射という微細化を受けて系外へ排出され、排出された粉体は集塵器内へ集塵される。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、たんぱく質、木質、穀物、竹、草、海草類をはじめとし、生分解性プラスチックや汎用プラスチック、さらにはエラストマー類などの有機物質から無機系全般にわたる物質を経済的で生産性の高い手法で微粉砕化技術を提供し、これらの粉末の特性を活かした新規複合技術と新規複合材が期待できる。特に、森林資源の活用を促しその結果石油資源の節減につながる。さらには固体と液体の混合系などにおける加工やその物性面での問題点が軽減されるばかりでなく新たな混合技術からなる新規材料の提供と新たな技術分野が開ける。たとえば、たんぱく質の微粉末の有効利用や、木質が８０体積パーセント以上からなる新規な完全生分解性の複合材料、粉体同士の混合物から複合化されたポリマーアロイ構造の新規複合体、さらにはポリマー微粉体の塗装や印刷技術への新規技術などの展開を含む。
【０００２】
【従来の技術】固体の破砕法は通常ハンマーや刃物類を用い、力と時間をかけて破砕や摩滅により細かくする方法と、これらの道具を用いないジェット気流や衝撃波などの風力を利用した減容法に大別できる。しかし、前者は硬い原材料に対しては有効であるが、刃物の損傷やハンマー類の摩滅は避けがたい。さらに、これらの方法は摩滅や衝撃による熱エネルギーにより粉砕効率が激減する欠点がある。したがって、常温下での粉砕は熱可塑性プラスチックや、特にガラス転移温度がマイナス温度領域にある熱可塑性ゴム、ゴム類、あるいはゼラチンやコラーゲンなどは、打撃や衝撃による熱エネルギーにより塑性変形を受けやすく、一度に大量の微粉末を得ることが困難である。このような場合、通常凍結状態に保ちながら衝撃や摩擦を与えて粉砕するのが常道となっている。特にコラーゲンやゼラチンなどは化学構造上低温特性に優れるため密閉系で保たれた超低温下での機械的もしくは湿式法による粉砕技術が要求される。また炭などの粉砕には発火現象や粉体爆発などの危険性が伴う。こうした難粉砕物に対する方法として、例えば廃タイヤから回収されたカーボン（炭）の微細化ではジェットミルが、またポリエチレンのようなプラスチックの粉砕にはターボミル法による常温粉砕法が実用機としてよく知られている。しかし、これらは風圧とミルという刃物の併用や振動篩を用いた分級の必要など、本発明の粉砕方法とは全く異なる手法である。いずれも従来法の微粉化には装置の寿命や維持費、さらには処理時間に伴うコスト面など、いろいろな問題点や解決すべき課題が多い現状である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明では従来のピンミルや衝撃破砕、あるいは摩滅と言った手法で使われる刃物類やハンマーの類を使うことなく微粉末が容易に安価に大量生産可能な手法を確立すること、さらに装置の安全性と簡便な維持管理、さらには粉砕性能改善を図ることにある。これらの技術を可能にする方法として請求事項１から４に示す衝撃波を利用した円筒スクリーンとインペラーの巧みな組み合わせ方である。ミクロンサイズの微粉体が大量、かつ安価に生産可能になれば、従来材料の様々な物性の改質とあらゆる分野での混合技術を利用した製品性能改善が図れるばかりでなく、粉砕やペレット化の必要な工程での省力化にも貢献できる可能性も高い。特に森林資源を生かせる天然高分子、医療品、医薬品、建材等の分野における粉体成型技術への波及効果は絶大である。
【０００４】本発明での課題を解決するために、衝撃風圧発生装置の風圧を利用することで粉砕時の摩擦による原材料の発熱を抑え、原材料に含まれる水分をはじめとした液状成分の除去効果、さらに原材料の圧送機能を活用できる点が特色となっている。
【０００５】温常で難粉砕物を発火や熱溶融現象を伴うことなく微粉砕するためには十分な風圧と風量の確保が不可欠である。そこで、送風は円筒状スクリーン一端から行い他端を閉塞状態とする一方、外部から大量の空気が取り込めるように掃除機の原理でファン（インペラー）を利用する。このインペラーによって取り込まれた風は内壁に沿った方向に分散させて加速する。理論計算上では２００ｍ／秒以上の乱流状態とすることができる。この加圧された乱流、すなわち衝撃波により難粉砕物はスクリーン内部で一時的に滞留しながら、相互に、あるいは壁面やファンに激突を繰り返し、微粉砕化を受け、順次円筒状のスクリーン内壁とインペラーの隙間を経て最終的に開孔部でも噴射という微細化を受けて系外へ排出される。排出された粉体は投入口と排出口を備えた外枠本体の排出口から集塵器内へ集塵される仕組みとした。
【０００６】本発明者らは、第３の課題、すなわち効率よく目的とする微粉末を得るための課題解決策として衝撃波の風圧、インペラーの形状、回転数、さらにはインペラーとスクリーン内壁間幅、およびスクリーンの開孔の大きさは極めて重要である。これらはそれぞれ粉砕処理能力や粒子径の大きさなど、得られる粉体の量や質に大きく関与する。したがって、これらの構成要素の形態を変化えた組み合わせにより、微粒子径の大きさやその均一性の制御など、また量が必要な場合は並列の組み合わせを選ぶなど、いろいろな工夫によってこれらの課題の解決が可能である。特に、開孔の大きさは最終の粉末粒子径と関係し、またファンの形状と回転数は系内に乱流を生ぜしめて衝撃破砕効果を高める。さらに初期投入時の原材料の大きさに応じてインペラーとスクリーン内壁の間隙幅を調整するのも補助効果として期待できる。この間隙幅は１〜２０ｍｍ程度でよい。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明に係る実施の形態について以下に説明する。
【０００８】投入する原材料は本発明の粉砕原理に基づく限り装置系内での発熱の心配はない。したがって、本発明装置は硬いものとして、たとえばガラス、石など、また柔軟なものとしては、たとえば竹、熱可塑性樹脂、熱可塑性ゴムを初めとするエラストマー類など、幅広い範囲の材料に対して有効である。粉砕対象となる原材料の大きさ、長さ、形などの形態は任意である。ただし、その大きさや長さは装置本体の容量によって自ずと限界があることはいうまでもない。
【０００９】本発明に使う装置一基には８、５、３、２、１ｍｍの五種類の開孔径（開孔率約２０〜６０％）と直径が約３００ｘ５００、４００ｘ５００、および５００ｘ１０００ｍｍの三種の容量のスクリーンが脱・装着できるよう工夫されており、これらの組み合わせで種々な粉砕処理法を可能にしている。
【００１０】本発明で行う粉砕処理の方法としては、嵩高い原材料は、まず粗粉砕処理が必要である。ここに言う粗粉砕とは便宜上、開孔径８ｍｍを通過しない粉砕物とし、具体的には約１００ｘ１００ｘ１０ｍｍ角より小さいチップ状がよい。そして、８ｍｍ以下に粉砕されたものを中粉砕、さらに１ｍｍ以下を微粉砕と仮定しておく。たとえば、原材料から粗粉砕物を大量必要とする場合はスクリーン直径５００ｍｍ、開孔径８ｍｍの装置を２基以上並列につなげればよい。また、スクリーン直径３００ｍｍ、開孔径２ｍｍの装置一基を使って粉砕処理を繰り返して、分級（篩分けを行うこと）のためのスクリーンを取替えることなく、原材料から１０μｍの微粒子とすることも可能である。さらに、スクリーン直径５００ｍｍ、開孔径５ｍｍの装置一基とスクリーン直径３００ｍｍ、開孔径２ｍｍの装置二基の、計、三基を直列につなげて原材料から１０μｍ以下の微粉砕物とすることもできる。以上に述べた処理方法以外に、粉砕処理時間（スクリーン内での滞留時間）を調整することで最終粉末径の大きさの制御も可能である。
【００１１】
【実施例１】スクリーン直径３００ｍｍ、開孔径８ｍｍ、およびインペラーの回転速度２０００回／分に調整した装置一基を使ってびん長炭１０ｋｇを原材料投入口より徐々に手で投入したところ、瞬時に約１〜３００μｍの微粉末約９．８ｋｇが集塵機で捕集出来た。ただし、未回収の０．２ｋｇは装置の内部での付着や集塵器の編み目・１μｍを通過した分などである。また、粉砕実験は室温２８℃でおこなった。
【００１２】
【実施例２】実施例１と同一の装置二基を直列に連結し、実施例１で使用した開孔８ｍｍのスクリーンを２ｍｍ径のスクリーンにそれぞれ取替えて、びん長炭１０ｋｇを原材料投入口より手で投入したところ、投入と同時に集塵機に約１〜１０μｍの微粉末約５．５ｋｇを回収でき、残り４．５ｋｇは１０μｍ以上であった。実施時の温度は２８℃である。
【００１３】
【実施例３】川原に生える雑草の微粉末化を試みた。草刈機を使って不特定の場所から刈り取った雑草のひと抱えをまず、シュレッダーにかけるとススキやセイタカアワダチ草のような茎の長いものは約５ｃｍ大に裁断された。これらをそのままスクリーン直径３００ｍｍ、開孔径２ｍｍ、およびインペラーの回転速度２０００回／分の条件設定した装置一基を用いて、投入口より投入した。本実施例の場合は上記実施例１および２と異なり、草類に含まれる水分が装置内部の壁面やインペラーに付着し、多数の微粉末が湿った状態で付着していたが、２ｍｍの開孔が草の粉末で塞がれることはなく１０〜１００μｍで含水率１２ｗｔ％の微粉末を得た。実施温度は３０℃である。
【００１４】
【実施例４】孟宗竹を長さ５０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ５ｍｍ角（含水率１８ｗｔ％）の竹チップとし、実施例３で使用した粉砕機の開孔径が５ｍｍで円筒直径３００ｍｍのスクリーンに取替え、インペラーの回転速度を２０００回／分、室温２５℃の条件下でこれらのチップ約５ｋｇを投入口より徐々に手で投入したところ、瞬時に約２０〜５００μｍの乾燥微粉末３．６ｋｇ（含水率１２ｗｔ％）が集塵器より回収できた。
【００１５】
【実施例５】実施例４と同型の粉砕機２基をスクリーン径は現状のまま、開孔径のみ１ｍｍ径とし直列連結した。さらに、運転条件としてインペラーの回転速度を２０００回／分、雰囲気温度は２８℃の条件下で竹チップ５ｋｇ（含水率１８ｗｔ％）を粉砕した結果、約１〜３００μｍの微粉末３．１ｋｇが、含水率７ｗｔ％の、ほぼ絶乾状態で得られた。ただし、原材料の投入方法は実施例４と同じである。
【００１６】
【実施例６】実施例５の粉砕システムをそのまま用いて装置内での粉体の滞留時間が最終微粉末径に及ぼす影響を調べた。そこで、実施例５と同じ運転状態に粉砕装置を保ちながら、実施例で得た約１〜３００μｍの微粉末３ｋｇ（含水率７ｗｔ％）を円筒状の容器に移した後手で徐々に再度投入したところ、瞬時に約１〜２５０μｍの粒子径となった。
【００１７】
【実施例７】本実施例では杉をチップ状として粉末化の状況を観察した。粉砕機は一基でスクリーン直径３００ｍｍ、開孔径５ｍｍ、インペラーの回転速度を２０００回／分の運転条件で行った。投入用原材料は長さ２０ｍｍ、直径１０ｍｍ、厚さ２ｍｍ角（含水率１３ｗｔ％）のチップとし、これらを投入口より手で投入したところ、投入と同時に集塵機に約３０〜１０００μｍの微粉末（含水率８ｗｔ％）が得られた。ここでは収量については計測していない。
【００１８】
【実施例８】実施例７と同型の粉砕機２基をスクリーン径は現状のままで、開孔径のみ一基は現状のままの５ｍｍ、他の一基を１ｍｍ径のスクリーンにそれぞれ取替え、投入口側に５ｍｍを設置、その後ろに１ｍｍの粉砕機を直列連結とした。さらに、運転条件としてインペラーの回転速度を２０００回／分、雰囲気温度は２８℃の条件下で竹チップ５ｋｇ（含水率１２ｗｔ％）を粉砕した結果、約５〜５００μｍの微粉末（含水率７ｗｔ％）が得られた。ただし、原材料の投入方法は実施例７と同じで、収量については計測を行っていない。
【００１９】
【実施例９】以上の実施例では一基単独、または二基の連結方式の粉砕手法を調べたが、ここでは三基の直列連結による粉砕効果を観察した。原材料投入口より第一連に５ｍｍ、第二連に３ｍｍ、第三連に１ｍｍの開孔径のスクリーンの順にそれぞれ装着した粉砕機を直列連結し、インペラーの回転速度を２０００回／分、雰囲気温度は２６℃の条件下で杉材チップ５ｋｇを粉砕した結果、約５〜５００μｍの微粉末（含水率１０ｗｔ％）が得られた。ただし、このチップの大きさは長さ３０ｍｍ、幅３０ｍｍ、厚さ５ｍｍ角（含水率２８ｗｔ％）原材料の投入は実施例８と同様の方法で行っている。収量は計測しなかった。
【００２０】
【実施例１０】以下の実施例では難粉砕物としてプラスチック類の粉砕の検証を試みた。投入原材料としてポリ乳酸１０ｋｇを対象とした。粉砕システムとして、２ｍｍの開孔径で、直径３００ｍｍのスクリーンを装備し、インペラーの回転速度を２０００回／分に調整した運転条件でこのポリ乳酸を投入したところ、６０℃付近にガラス転移を有するにもかかわらず衝撃による溶融現象も発現することなく瞬時に約１００〜５００μｍの微粉末となっていた。粉砕は室温２６℃で行っている。
【００２１】
【実施例１１】上記実施例１０で試みた一基単独で行う粉砕法に対して、この一基と同種のもう一基を直列につなげた二基として処理する場合の粉砕処理効率を観察した。ただし、スクリーンの開孔のみ１ｍｍ径として実験した。投入用の原材料は上記と同じポリ乳酸１０ｋｇを用いた。実験結果では約５０〜３００μｍの微粉末を瞬時に得た。
【００２２】
【実施例１２】投入原材料として約０．１ｍｍのポリプロピレン長繊維５ｍを対象として粉砕実験を試みた。粉砕システムとして、８ｍｍの開孔径で、直径３００ｍｍのスクリーンを装備し、インペラーの回転速度を２０００回／分に調整した運転条件でこの長繊維を束ねて投入口に投入したところ、インペラーに繊維が絡むことなく瞬時に約０．５〜２ｍｍの短繊維が投入時の５倍の体積の綿状となって得られた。粉砕は室温１５℃で行っている。
【００２３】
【実施例１３】合成高分子ではもっとも難粉砕の部類に属するエラストマー類の粉砕を試みた。エラストマーとしてはガラス転移温度が−５０℃付近にあるＳＩＳ型の熱可塑性ゴム（水添タイプ・クラレ（株）製商品名セプトンシリーズ、）を原材料として１０ｋｇを徐々に投入した。粉砕条件は前記の実施例１２と同一条件で行った。この結果、投入と同時に１００〜３００μｍの微粉末が瞬時に得られた。
【００２４】
【実施例１４】同様に旭化成（株）製のＳＩＳ型熱可塑性ゴム、直径７ｍｍ、長さ４０ｍｍの円筒状の白色多孔性弾性体の約１００ｇを実施例１２と同条件で粉砕を試みた結果、３００〜５００μｍの不均質な顆粒状態となった。室温２７℃の状態で行っている。
【００２５】
【実施例１５】合成高分子、および天然高分子を含めて最も難粉砕のゼラチンの粉砕を試みた。投入時の粉砕システムとして、３ｍｍの開孔径で、直径３００ｍｍのスクリーンを装備し、インペラーの回転速度を２０００回／分に調整した運転条件で約５００μｍゼラチン顆粒を投入口より投入したところ、瞬時に約５０〜３００μｍの微粉末が瞬時に得られた。粉砕は室温１５℃で行っている。
【００２６】
【実施例１６】なめし皮を約１ｃｍ角の大きさに調整した後、これらを両手一杯に掴み投入口より投入したところ、瞬時に５〜６倍量の綿状物質になって排出された。得られた綿状物質は約直径０．１ｍｍ、長さ２ｍｍ以内の微細な繊維の集合体となっていた。この現象は実施例１２と同様ポリプロピレン繊維の粉砕と同じ挙動を呈していた。ただし、粉砕機の運転条件は直径３００ｍｍのスクリーンと８ｍｍの開孔径を装備し、インペラーの回転速度を２０００回／分で行っている。室温は１０℃である。
【００２７】
【 効 果 】たんぱく質、木質、穀物、竹、草、海草類をはじめとし、生分解性プラスチックや汎用プラスチック、さらにはエラストマー類などの有機物質から無機系全般にわたる物質を経済的で生産性の高い手法で微粉砕化技術を提供し、これらの粉末の特性を活かした新規複合技術と新規複合材が期待できる。ミクロンサイズの微粉体が大量、かつ安価に生産可能になれば、従来材料の様々な物性の改質とあらゆる分野での混合技術を利用した性能改善が図れるばかりでなく、粉砕やペレット化の必要な工程での省力化にも貢献できる可能性も高い。特に森林資源を生かせる天然高分子、医療品、医薬品、建材等の分野における粉体成型技術への波及効果は絶大である。

Claims (4)

1. 風圧の衝撃力を活かし効率よく難粉砕物の微粉末を得ることを目的とした装置。この装置一基の構成として、多数の分級用篩目（以下、篩い分けのための「開孔」と称す）を持つ円筒状スクリーンと、難粉砕物（以下、原材料と称す）投入口と排出口を備えた外枠本体（以下、ケーシングと呼ぶ）、さらにその内側に装備した回転型の撹拌羽板（以下、インペラーと呼ぶ）から成り、かつ投入原料の種類や大きさ、あるいは粉体の形状等の違いに応じて開孔径や円筒状スクリーンの大きさなどを適宜、装・脱着方式で選択できることを第一の特徴とした微粉末製造方法とその装置（以下、上記で構成した機器を「衝撃風圧発生装置」と呼び、この装置から発生する風を衝撃波と仮称する）。
2. 請求事項１の構成部分のインペラーを回転させながら円筒状スクリーン内部に発生させた衝撃波をスクリーン内部壁面に沿った方向に分散せしめて系内を加圧・乱流状態とすることでスクリーン内部の難粉砕物は投入と同時に装置系内で相互に、あるいは装置内部のスクリーン開孔部・壁面、インペラー等への激しい激突と同時に円筒状のスクリーン内壁とインペラーの隙間へ、さらに最終的に開孔部へ強制通過することで一層の微粉砕化を受けて発火や熱溶融現象を伴うことなく系外に高速噴射され開孔径の約１／３〜１／５以下に微細化された状態の粉体となって圧送されることを第二の特徴とする。
3. 衝撃破砕は理論計算上で風速２００ｍ／ｓｅｃ以上の衝撃風圧発生装置を装備していること、インペラーは４枚羽以上、好ましくは６枚羽以上の多翼ファンとし、その回転速度は２，０００〜１０，０００ｒ．ｐ．ｍ．程度で、好ましくは２８００ｒ．ｐ．ｍ．でよい。また、初期投入時の原材料の大きさに応じてインペラーとスクリーン内壁の間隙幅を調整可能とする一方、分級段階に応じた種々な径の開孔を有するスクリーンを適宜、脱・装着可能とした粉砕機を一基単独、またはこれを二基以上の直列、又は並列連結することで作業効率を上げるだけでなく、質の向上と量的確保を可能とした第三の特徴を有する製造方法とその装置。
4. 請求事項１〜３に記述する粉砕機と粉砕方法より得られる難粉砕物、特に粉砕時の摩擦熱による発火や塑性変形を受けやすい炭、プラスチック類、あるいはマイナスの温度領域にガラス転移を持つエラストマー類、コラーゲン、またはゼラチン、等さらには青竹、生木などの高含水物質。