JP2004502530A - Multi-stage size reduction, blending and drying systems and methods. - Google Patents

Multi-stage size reduction, blending and drying systems and methods. Download PDF

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Abstract

高圧液体エネルギーミル(104)を用いて、材料の粒子および添加剤を粉砕、ブレンドおよび処理するためのシステムおよび方法。このミルは、材料、添加剤およびエネルギー伝達液体の粒子から構成されるスラリーを排出する。このスラリーは、サイズによって粒子を分離するために、液体サイクロン(310)に導入される。このスラリーは、噴霧乾燥機(108)に導入される。この噴霧乾燥機は、スラリーを微粒化させ、このスラリーは、加熱領域を通って、液体が蒸発し落下する。収集器(112)は、落下した乾燥粒子を捕獲する。A system and method for milling, blending and processing material particles and additives using a high pressure liquid energy mill (104). The mill discharges a slurry composed of the materials, additives and particles of the energy transfer liquid. This slurry is introduced into a hydrocyclone (310) to separate the particles by size. This slurry is introduced into a spray dryer (108). The spray dryer atomizes the slurry, and the slurry evaporates and drops through a heating zone. The collector (112) captures the dried particles that have fallen.

Description

【0001】
(発明の背景)
(発明の分野)
本発明は、材料の複数ステージの処理のためのシステムおよび方法に関する。より具体的には、本発明は、添加剤および噴霧乾燥機を使用して、液体エネルギーミル中で材料の粒子を処理するためのシステムおよび方法に関する。より具体的には、本発明は、材料粒子および添加剤を、粒子を粉砕およびブレンドするための液体エネルギーミル、ならびにこれらの粒子を乾燥させるための噴霧乾燥機に供するためのシステムおよび方法に関する。
【0002】
(関連分野)
従来のミリング機は、機械的な破砕、または破砕および摩滅を使用して、鉱物粒子をより小さな粒子へと破壊する。従来のミリング機は、粒子が存在しない場合の応力の頻繁な付与に起因して、低い効率を有する。その結果、エネルギー入力の大部分は、例えば、破砕機間または破砕機とミル壁との間の非生産性な接触において浪費され、これらの接触の両方が、プロセスの全体のエネルギー効率を低下させる。単純な引張り破損を誘導するためのより効率的な方法は、高圧液体ジェットまたは粉砕プロセスにおける異なる液体ジェットを使用する。
【0003】
サイズリダクションは、新たな表面を生じさせるために、材料中の化学結合を破壊することを包含する。従って、破断に関連する化学的プロセスは、この破断を誘導するために必要とされるエネルギーに有意に影響を与える。この影響は、結合自体を超えて周囲環境を含むように広がる。例えば、亀裂の先端における液体の存在は、この亀裂を拡張するために必要とされる力を低下させ、そして効率を改善する。この効果に対する1つの説明は、液体が主要な亀裂の前方に先行する微小亀裂に浸入し、これによって、破断の間に起こる高度に反応性の事象に関与することである。これらの液体の、主要液体面に先行しての材料への毛管流は、亀裂の伝播の速度で移動するので、亀裂の先端ゾーン内により容易にエネルギーを伝達する手段を提供する。従って、毛管流のための液体を提供する液体エネルギーミルは、材料の粉砕において通常使用される。
【0004】
液体エネルギーミルは、液体および粒子のスラリーを排出する。通常、これらの粒子は、セラミック粉末の場合にそうであるように、さらなる処理の前に乾燥されなければならない。粉末の微細なサイズ(すなわち、容量に対する大きな表面積)に起因して、乾燥は長たらしく、煩わしいプロセスであり得る。さらに、スラリーが粒子の多成分混合物を含む場合には、材料の分離が乾燥の間に起こり得、これによって望ましくない不均一性が生じる。さらに、粉末は、乾燥プロセスの間に凝集し得、デアグロメーションのためのさらなるプロセスが必要となる。
【0005】
噴霧乾燥機は、粉末粒子が空気中に浮遊している間にこれらの粉末粒子を乾燥させるために、開発された。噴霧乾燥は、粒子および液体のスラリーを飛沫に霧化し、そして温空気を使用して、この飛沫から液体を蒸発させることを包含する。次いで、乾燥粒子が液体蒸気から分離される。噴霧乾燥は、化学産業、酪農業、および食品産業のような産業において、使用される。
【0006】
液体エネルギーミルから得られる粒子は、通常、粉末処理のために使用される。この処理は、セラミック産業、構造セラミック産業、および電気産業において重要である。一例において、粉砕された粉末は、セラミック産業のためのセラミック成分を作製するために使用される。接着剤のように作用する結合剤が、この粉末にわたって広げられ、粉末−結合剤混合物を生じる。この混合物は、射出成形または精密鋳造されて、この混合物の圧縮物から形成される固体を生じる。形成された圧縮物は高温で焼結され、この温度において、結合剤は「焼損」プロセスにおいて蒸発するかまたは分解して、完成したモノリシック製品を生じる。
【0007】
適切な結合剤を選択する際の標準的な公知の要件としては、以下が挙げられる:
−残留残渣を伴わない、クリーンな焼損;
−表面特性を変化させないように、粉末と非反応性;
−比較的短時間で熱的に脱結合する;
−混合を補助する低粘度のような、適切な液体学的特性;
−粉末表面への適切な接着のための、適切な湿潤特性。
【0008】
理想的には、結合剤は、セラミック粉末のほぼ全ての個々の顆粒を覆う。コーティング厚さは、結合剤の粘度および湿潤特性によって制御される。粘度がさほど低くない限り、薄いコーティングを達成することは困難である。しかし、低粘度の結合剤は、代表的に、結合剤材料と粉末との混合の間に、溶媒の添加または高温を必要とする。これらの両方は、望ましくない。なぜなら、溶媒は、粉末のさらなる処理の前に除去される必要があり、そして混合の間の高温は、混合物のバルク内での正確な温度制御を必要とし、特別な設備およびさらなる費用を必要とするからである。さらに、結合剤が多量であることは望ましくない。なぜなら、結合剤が蒸発してセラミックから除かれる際に、このセラミック内に大きな空隙を残し得るからである。このような空隙は、任意の完成製品の一体性および機械的特性を損なわせる。
【0009】
結合剤を粉末に導入する前に、この粉末は徹底的に処理されなければならない。粉末の処理は、しばしば、この粉末が湿っている場合には、この粉末を乾燥させることを包含する。噴霧乾燥機からの粒子は、代表的に、有用となる前に、さらなる処理(例えば、上記のように、セラミック用の結合剤を添加すること)を必要とする。
【0010】
必要とされるものは、粉末処理の粉砕段階の間に、固体材料または液体結合剤のような添加剤を導入するための方法および装置であり、ここで、粉砕および乾燥の間に、この固体添加剤は十分にブレンドし、そしてこの結合剤は、固体ブレンドをコーティングし、そしてここで、粒子上の結合剤の薄いコーティングが、達成され得る。
【0011】
(発明の要旨)
本発明は、1種または複数の材料の固体粒子の粉砕および処理のための、システムおよび方法に関する。この方法は、この材料を粒子に粉砕するために、この材料を液体エネルギーミルに導入する工程を包含する。この液体エネルギーミルは、粒子およびエネルギー伝達液体からなるスラリーを排出する。このスラリーは、噴霧乾燥機に導入される。この噴霧乾燥機は、このスラリーを霧化し、この霧が加熱ゾーンを通って落下し、液体を蒸発させる。収集器が、この乾燥した落下する粒子を捕捉する。
【0012】
別の実施形態において、液体エネルギーミルは、スラリーを排出し、そしてこのスラリーを液体サイクロンに導入し、その後、このスラリーは、噴霧乾燥機に導入される。この液体サイクロンは、ミリングされた粒子をサイズによって選別し、大きすぎる粒子を液体エネルギーミルに戻す。
【0013】
別の実施形態において、この液体エネルギーミルは、スラリーを排出し、このスラリーを噴霧乾燥機に導入し、そして乾燥した粒子をサイクロンに導入する。このサイクロンにおいて、この粒子はサイズによって選別される。任意の大きすぎる粒子が、液体エネルギーミルに戻される。
【0014】
別の実施形態において、添加剤が、液体エネルギーミルに導入されて、材料と共に処理される。この添加剤は、固体物質または液体(例えば、結合剤または溶媒)のいずれかであり得る。このミルから排出されるスラリーは、添加剤、材料の粒子、およびエネルギー伝達液体を含有する。このスラリーは、液体サイクロンおよび噴霧乾燥機に導入される。この液体サイクロンは、これらの粒子を大きさに従って選別し、そしてこの噴霧乾燥機は、このスラリーを霧化し、この霧が加熱ゾーンを通って落下し、液体を蒸発させる。収集器が、この乾燥した落下する粒子(この粒子は、添加剤でコーティングされ、そして/または添加剤とブレンドされ、そして/または添加剤で溶解されている)を捕捉する。
【0015】
本発明の上記および他の特徴および利点は、以下の添付の図面に示されるような本発明の好ましい実施形態のさらに詳細な説明から、明らかとなる。
【0016】
(好ましい実施形態の詳細な説明)
本発明の好ましい実施形態を、ここで図を参照して説明する。これらの図において、類似の参照番号は、同一かまたは機能的に類似の要素を示す。図においてはまた、各参照番号の最も左の数字は、その参照番号が最初に使用される図に対応する。特定の構成および配置が議論されるが、これは説明の目的のみでなされることが、理解されるべきである。当業者は、他の構成および配置が、本発明の意図および範囲から逸脱することなく使用され得ることを認識する。
【0017】
図1は、材料を粒子に粉砕し、ブレンドし、そして処理するためのシステム100の実施形態を示す。システム100は、液体エネルギーミル104に接続された高圧ポンプ102を備える。ミル104には、粒子を噴霧乾燥機108に導入するための、フィードポンプ106が取り付けられている。凝縮器110および収集器112が、噴霧乾燥機108に接続されている。再循環回路114は、凝縮器110を高圧ポンプ102に接続する。しかし、これらの要素の種々の構成が、本発明のシステム100を実施するために使用され得ることは、当業者に明らかである。
【0018】
液体エネルギーミル104は、当業者に明らかであるように、材料を粉砕し得る任意の標準的な液体エネルギーミルであり得、そして固体材料、添加剤、および/または結合剤をミルに導入するための供給器を備え得る。1つの実施形態において、この液体エネルギーミルは、1999年10月6日に出願された、係属中の、同時係属中の米国特許出願番号09/413,489(これは、その全体が、本明細書中に参考として援用される)に記載されるミルである。
【0019】
システム100は、数種の材料を粉砕し、そして処理するために有用である。例えば、添加剤が、システム100に導入され、粉末処理のためのミル104の中で粒子とブレンドされ得る。この添加剤は、固体材料であり得、一次材料と組み合わせてミルに添加され得るか、またはこの添加剤は、粉末処理のための液体結合剤もしくは溶媒のような、液体であり得る。
【0020】
1つの実施形態において、ミル104は、15ミクロン未満の合成サイズ(製品サイズともまた称される)を有する、超微粒子を達成するよう設計される。好ましくは、この超微粒子は、1〜5ミクロンの範囲内の製品サイズを有する。なおより好ましくは、ミル104の使用から得られる超微粒子の製品サイズは、1ミクロン未満である。
【0021】
ミル104を使用して、種々の供給サイズを有する種々の他の材料(有機物と無機物との両方)を処理し得ることが、当業者に明らかである。例えば、ミル104を使用して、以下のうちのいずれかを処理し得る:電子的適用のためのセラミックのような、セラミック材料(例えば、チタン酸バリウムおよびチタン酸ストロンチウム、ジルコン酸鉛、ならびに他のチタン酸塩およびジルコン酸塩、ならびに高温セラミック超伝導体);構造的適用のためのセラミック(例えば、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、および他の酸化物系);非酸化セラミック(例えば、靭性適用および研磨適用のために使用される、窒化物、ホウ化物、硅化物、および炭化物);炭素および炭素副生成物(コークスおよびコークス副生成物を含む)、鉱物(例えば、無煙炭、磁鉄鉱、アルミナ、マイカ、シリカ、およびジルコン、粉末金属の焼結、合金化および他の適用のために使用される金属(例えば、クロム、ニッケル、亜鉛、銅および真鍮)、研磨および切削の用途のために使用される他の酸化物(例えば、ガーネットおよび希土類酸化物)、および微細に研削されることが必要な任意の他の材料。さらに、ミル104を使用して、種々の有機材料(例えば、木材、食品および医薬品として使用するための製品が挙げられる)を処理し得る。
【0022】
代表的に、粉砕のためにミル104に添加される材料の平均サイズは、直径1/2インチ未満であり、そして好ましくは、1/4インチ未満であるが、当業者に明らかであるように、より大きな粒子が、ミル104に導入され得る。しかし、より大きな粒子は、非常に小さな粒子サイズに粉砕するためにより多くの時間がかかり得る。粒子をミル104に導入する前に、研削盤またはクラッシャーを使用して、より大きな粒子をより小さなサイズに減少させ得る。
【0023】
1つの実施形態において、ミル104で粉砕されるべき粒子は、これらがミルに供給される際に、乾燥している。別の実施形態において、これらの粒子は、ミル104に、スラリー(例えば、材料粒子と液体との混合物)の一部として供給され得る。この液体は、水性または非水性であり得る(例えば、水、またはアルコールおよび油のような有機液体)。
【0024】
液体エネルギーミル104に固体添加剤を導入することによって、粉砕される材料と添加剤との混合物が生成する。この材料および添加剤は、同時に粉砕され、そして互いの破壊を補助する。この添加剤は、このミルの異なる段階において導入されて、異なる粉砕比を達成し得る。それ自体で、得られる混合物は、材料の粒子より大きな、すなわち材料の粒子ほどには粉砕されていない、添加剤の粒子を含み得る。例えば、この添加剤が、ミルの開始段階において、材料と共に導入される場合、これらの添加剤および材料は、およそ同じサイズ粉砕比を有し得る。なぜなら、材料と添加剤との両方が、同じミリングプロセスに供されるからである。同様に、この添加剤が、ミルの中間段階において、またはより後の段階の近くで導入される場合には、この添加剤はさほど粉砕を受けず、従って、異なるサイズ粉砕比を有し得る。この比はまた、もちろん、当業者に明らかであるように、材料の最初のサイズ、材料特性、およびミルにおいて使用される粉砕段階の型に依存する。
【0025】
材料および添加剤の、液体エネルギーミルでの同時の粉砕は、密接した激しい混合を提供する。材料粒子が添加剤粒子に衝突し、そして接触するので、これらの粒子は粉砕されて、材料および添加剤の粒子の、均一にブレンドされた混合物になる。
【0026】
添加剤および材料の各々は、所望の速度でミルに供給されて、所望の特性を達成し得、そして適切な割合の混合物を生じ得る。このような混合は、所望の割合を得るための、粉砕プロセス後の材料のさらなる混合または添加の必要性を排除する。
【0027】
記載したように、この添加剤はまた、溶媒または結合剤のような液体であり得る。添加剤が液体である場合には、この添加剤は、液体エネルギーミルに、エネルギー伝達液体の流れに加えて、二次的な流れとして導入され得る。この添加剤は、液体エネルギーミルの前端(例えば、高圧ポンプ102)において、液体流れとして導入され得るか、または引き続くチャンバの1つにおいて、ミル104にさらに沿って導入され得る。このような添加剤が材料と共に、高圧液体エネルギーミルのメインチャンバに導入される場合には、この液体添加剤は、破砕された材料が形成するにつれて、その表面を等しくコーティングする。
【0028】
結合剤を必要とする製造プロセスにおいては、粒子および結合剤から形成された、得られる製品が一貫した材料特性を示すために、粒子のほぼ全ての個々の顆粒がコーティングされることが、重要である。セラミックに関しては、コーティングされた粒子を、固体セラミックの理論密度に近い密度の、密集した圧縮物に圧縮することが有利である。この圧縮物は焼結され、事実上穴および間隙のない、仕上げられたセラミックを生じる。従って、粒子上のコーティングが薄いことが重要である。なぜなら、厚いコーティング、すなわち過剰の結合剤は、この結合剤が焼結の間に製品から除去される場合に、得られる製品に間隙および穴を残すからである。
【0029】
結合剤の薄いコーティングを得るためには、この結合剤は、個々の固体粒子にわたって均一に、可能な最小の厚さで広がらなければならない。このことは、結合剤の粘度を低下させること、またはこの結合剤を強制的に、加圧下で、粒子にわたって均一に貫入し、そして広がるようにすることのいずれかによって、達成される。しかし、結合剤の低い方の粘度範囲は、制限されている。この範囲の下限を超えると、この結合剤は粒子から解離し、この製品から滴下し、そしてその潤滑特性(引き続く粉末圧縮の間に必要とされる)の劣化を生じる。可能な限り少量の結合剤を使用し、一方で各粒子上に十分なコーティングを得ることが、有利である。このことにより、結合剤が焼結の間に除去される場合の、空隙および間隙の発生が低下する。
【0030】
液体エネルギーミルにおいて、結合剤材料は、エネルギー伝達液体の全ての圧力およびエネルギーに供される。アルミナ粉末を粉砕する液体エネルギーミルにおいて使用するために適切な2種の結合剤は、メチルメタクリレート(「MMA」)およびシアノアクリレートである。これらの結合剤は、水溶性ではなく、従って、ミルにおいて使用されるエネルギー伝達液体が水である場合に、溶解に供されない。さらに、これらの結合剤は、制御可能な反応での迅速な重合を有するという、所望の特性を示す。MMAは、標準的な大気中条件下で重合する。従って、阻害剤を添加する必要がない。例えば、Topanolまたはヒドロキノンのような阻害剤をMMA溶液に0.1%まで添加することによって、大気圧における重合を抑止する。
【0031】
結合剤材料が、ミルにおいてエネルギー伝達のために使用される液体によって溶解されないことが、一般的に好ましい。しかし、結合剤材料の溶解は、この結合剤が、ミルにおいてエネルギー伝達のために使用される液体の蒸気圧より低い蒸気圧を有する場合には、差し支えない。このことにより、液体は、噴霧乾燥機において蒸発し得、そして乾燥した固体粒子を覆って薄いコーティングを形成するための結合剤材料を残し得る。本発明において使用され得る結合剤の例としては、以下が挙げられるが、これらに限定されない:CARBOWAX(登録商標)ポリエチレングリコール(Union Carbide Chemicals and Plastics Co.,Inc.,Danbury,CTによって製造される)およびMethocelcelluloseエーテル(DOW Chemical,Midland,MIによって製造される)。ポリビニルアルコールもまた使用され得る。本発明において使用され得るポリビニルアルコールの例としては、以下が挙げられる:Elvanol 75−15(E.I.du Pont de Nemours & Co.,Inc.,Williamton,DEによって製造される);およびAirvol 205(Air Products and Chemicals,Inc.,Allentown,PAによって製造される)。エネルギー伝達液体は、結合剤より高い蒸気圧を有し、そして噴霧乾燥機において容易に蒸発して、乾燥粉末の混合物を残す、例えば、水または適切なアルコール(例えば、イソプロパノール)であり得る。種々の液体が、ミルにおけるエネルギー伝達液体として使用され得ることが、当業者に明らかである。
【0032】
多くの場合において、化学反応または表面特性の変更は、ミルまたは噴霧乾燥機において起こってはならない。例えば、チタン酸バリウムまたはチタン酸ストロンチウムの場合には、水は、水酸化物イオンを導入することによって、粒子の表面特性を変更し得、このことは、これらの材料から作製される高性能の電子部品(例えば、小型化された多層コンデンサ、および種々の変換器)において、望ましくない。化学的変更を回避するために、イソプロパノールアルコールが、本発明に従って、エネルギー伝達液体として使用される。このアルコールは、上記固体に対して完全に不活性である。アルコールに可溶の結合剤(例えば、CARBOWAX(登録商標))が、粉砕の間にミルに添加され得る。上記プロセスはまた、ジルコン酸鉛(これもまた、水に感受性である)に対して使用され得る。ジルコン酸鉛は、能動電子デバイス(例えば、固相圧力センサ)の製造において、広範に使用される。
【0033】
いくつかの場合において、化学反応および表面特性の変更は、望ましい。これらの場合においては、溶媒が、結合剤としてではなく添加剤として使用されて、液体エネルギーミルにおいて材料の反応を開始させ得る。この溶媒は、好ましくは、エネルギー伝達のために使用され得る液体と混和性である。さらに、この溶媒は、溶解を完了するために高濃度の溶媒が必要とされる場合には、エネルギー伝達液体として使用され得る。
【0034】
ミルにおいて達成される徹底的なブレンドによって、液体エネルギーミルにおける反応を開始することが、有利である。さらに、粒子が粉砕されるにつれて、これらの粒子は、より大きな表面積/容量比を有し、反応速度を増加させる。
【0035】
このような反応の1つの例は、コールタールピッチを生成する。コールタールピッチは、多数の炭素製品(例えば、金属産業のための黒鉛電極、具体的には、核産業のための黒鉛および耐火物、ならびに高性能複合材料のためのグラファイト繊維)を製造するために使用される。溶媒N−メチルピロリドン(「NMP」)は、無煙炭からコールタールピッチを形成する。NMPと無煙炭コール粒子との反応速度は、液体エネルギーミルに高圧および機械的衝撃を与えることによって、劇的に増加する。得られるコールタールピッチにおいて抽出された炭素は、多くの炭素製品(上記のものが挙げられる)を作製するために使用される。この場合には、噴霧乾燥機が使用されて、未使用の溶媒およびエネルギー伝達液体を、蒸発、濃縮および再循環によって、再生し得る。
【0036】
図1に示されるように、システム100は、任意のフィードポンプ106を介して液体エネルギーミル104の出口に直接取り付けられる、噴霧乾燥機108を備える。液体エネルギーミル104は、粉砕された材料粒子およびエネルギー伝達液体を含有する、スラリーを排出する。添加剤が液体エネルギーミルに導入される場合には、この排出は、粉砕された材料、エネルギー伝達液体、および添加剤を含有する。当業者に明らかであるように、材料および添加剤は、1種より多くの材料または添加剤からなり得る。
【0037】
図2に示されるように、噴霧乾燥機108は、フィードポンプ106に取り付けられ、そして霧化構成要素(例えば、ノズル204および加熱チャンバ206)から構成される。代表的に、噴霧乾燥機は、飛沫と乾燥媒体(例えば、空気)とを混合して、粒子が空気を通って落下する際に、この液体から粒子を効率的に分離する。
【0038】
スプレー乾燥には、以下の4つの一般的な段階が存在する:霧化、混合、乾燥、および分離。第1に、供給物またはスラリーが、飛沫に霧化される。このことは、スラリーをフィードポンプ106に導入し、このポンプによってこのスラリーを霧化ノズル204に通すことによって、達成される。ノズル開口部にわたる圧力低下を克服するために必要とされるエネルギーは、フィードポンプ106によって供給される。
【0039】
第2に、この飛沫が、乾燥媒体(例えば、空気)と混合される。空気は、ノズル204を介して送風機を通して添加され得るか、さらなるノズルを介して添加され得るか、または単に、チャンバ206内に存在し得る。当業者に明らかであるように、他の乾燥媒体が、噴霧乾燥機108に導入され得る。例えば、液体、添加剤、または材料が酸素に感受性である場合には、不活性気体(例えば、窒素)が、乾燥媒体として導入され得る。気体が送風機を通して添加される場合には、この気体は、霧化されたスラリーと同時にチャンバ206に注入され得る。気体およびスラリーを同時に導入する従来の方法は、同軸ノズルを使用し、ここで、1つのノズルが気体を導入し、そして他のノズルがスラリーを導入する。
【0040】
第3に、この飛沫が乾燥される。乾燥は、霧化噴霧器がチャンバ206の加熱ゾーンに供されるか、あるいは熱気体(例えば、空気または上記のような不活性気体)が、チャンバ206に注入される場合に起こる。フラッシュ乾燥は、液体をスラリーから迅速に蒸発させ、乾燥粒子のみを残す。小さなサイズの液滴は、迅速な乾燥を可能にし、適用に依存して、1〜60秒間の範囲の、加熱ゾーンにおける滞留時間を必要とする。この短い滞留時間により、固体材料の熱分解なしでの乾燥が可能になる。
【0041】
第4に、製品が、気体から分離される。粒子が落下し続けるにつれて、これらはチャンバ206から出て、チャンバ206の底部に位置する粒子収集器112に蓄積する。今や蒸発した液体は、排気されるか、あるいは凝縮器110に収集される。噴霧乾燥機の副生成物は、蒸発した液体および乾燥した粒子である。
【0042】
液体エネルギーミルと接続した噴霧乾燥機の使用は、従来の乾燥技術を越えるいくつかの利点を提供する。例えば、噴霧乾燥により、多成分の固体/スラリーから非常に均一な製品が製造される。噴霧乾燥機は、スラリーからエネルギー伝達液体をエバポレートして、添加剤および材料を残留させ得る。この添加剤が液体の場合、乾燥温度は、結合剤の分解温度よりも低く保持される。エネルギー伝達液体がエバポレートするにつれて、非常に薄い結合剤のコーティングが、各粒子上で重合する。噴霧乾燥機で乾燥した後、この粒子は、焼結用にコンパクトに成形するのに十分にコーティングされる。さらなるプロセスは、必要ない。
【0043】
さらに、得られる、収集された粒子は、微細で、乾燥し、かつ綿毛のように柔らかい。従来技術(例えば、粒子から蒸気を沸騰させる)は、粒子の集塊を残し、結果として添加剤を完全にはブレンドしない。噴霧乾燥機はまた、従来技術による乾燥よりも、ずっと早く粒子を乾燥する。噴霧乾燥機は、微粒子が乾燥熱に対して粒子の全ての面を曝露させるので、製品をすばやく乾燥させる。粒子は、フラッシュ乾燥に供され、そしてその適用に依存して、3〜40秒のどの間ででも乾燥され得る。従って、熱感受性粒子は、粒子の過熱なしにすばやく乾燥され得る。乾燥を始めた場合、蒸発した液体が粒子の周囲に形成する。この「保護性エンベロープ」は、固形粒子をエバポレートされている液体の沸騰する温度でか、またはこれより低い温度で維持する。エバポレーションプロセスが生じる限り、乾燥機温度が液体のエバポレーション温度よりも高い場合でさえも、固体の温度は乾燥機温度に近づかない。
【0044】
さらなる利点は、噴霧乾燥機が、粒子を収集し、次いでそれらを乾燥しなければならないプロセスよりもむしろ、粒子が収集されると同時に乾燥粒子を提供する連続プロセスの一部として作動し得ることである。これはまた、速いターンアラウンド・タイムおよび製品の変化を可能にする。なぜなら、乾燥装置に製品のホールド・アップが存在しないからである。
【0045】
受容可能なチャンバ206の容量は、式:(滞留時間)×(体積流量)=チャンバの容量、によって決定され得、ここで、体積流量は、スループットである。さらに、1単位質量当たりのより大きな表面積に起因して、細密粒子は、より大きな粒子よりも長い乾燥滞留時間が通常必要とされる。従って、滞留時間は、より細密な材料について、より長くなり得る。また、吸湿性(hydroscopic)特性を有する材料は、チャンバ206においてより長い滞留時間を必要とする。増加した温度はまた、このような材料の乾燥を促進するために使用され得る。
【0046】
噴霧乾燥機は、スラリーが材料の粒子、添加剤およびエネルギー伝達液体から構成されていても、または材料の粒子とエネルギー伝達液体からのみ構成されていても、任意のスラリーを乾燥するために使用され得る。さらに、噴霧乾燥機は、噴霧乾燥の分野で公知の、標準的な噴霧乾燥機であり得る。噴霧乾燥機の製造者および製造供給元としては、U.S.Dryer Ltd.of Migdal Ha’emek,Israel,Niro,Inc.of Columbia,MD,APV of Rosemont IL、およびSpray Drying Systems,Inc.of Randallstown,MDのような会社が挙げられる。
【0047】
従来の噴霧乾燥機には、凝縮器110が備えつけられ得る。全ての乾燥が、囲われたチャンバ206において起こるので、蒸気の捕獲および凝縮が容易に達成される。凝縮器110は、チャンバ206から、蒸発した液体を収集し、そして使用済みの液体を回収するのを可能にする。従って、噴霧乾燥は、蒸発した液体からの蒸気を含むための単純な様式を提供する。図1に示されるように、液体再循環回路114は、凝縮器110を液体エネルギーミルの第一チャンバに配置された高圧ポンプ102に接続し得る。これは、凝縮された液体が、使用した液体を噴霧乾燥機から液体エネルギーミルに戻すことによって再循環されるのを可能にする。これは浪費を減少し、そして液体(これは、液体がイソプロパノールのような、規制された製品である場合に、特に重要である)を含む。イソプロパノールは、液体エネルギーミルにおける液体として使用され、蒸発させる噴霧乾燥機に導入されて、凝縮器において再凝縮されて、そして再利用のために液体エネルギーミルに戻され得る。この様式において、液体蒸気は、大気中に有害な蒸気を放出する危険を伴わずに、含まれる。
【0048】
液体が水である場合、この水は、蒸気として噴霧乾燥機から放出され得、処分されるべく凝縮され得るか、または液体再循環回路を通って再循環され得る。種々の液体がミルにおけるエネルギー伝達液体として使用され得ることは、当業者に明らかである。
【0049】
別の実施形態において、スラリーは、液体エネルギーミルから噴霧乾燥機に直接導入される。この実施形態は、微粒化するためのノズルに接続されたフィードポンプを使用しない。代わりに、エネルギーミルの出口ポートで液体レストリクターを使用して、ミル104において高圧を維持する。スラリーは、フィードポンプ106を迂回し、そしてミル104の出口から直接、噴霧乾燥機108に注入される。噴霧乾燥機108における粒子および液体の適切な分離を達成するために、ミル104の出口での液体圧力は、スラリーの完全な微粒化を達成するのに十分高くなければならない。スラリーを噴霧乾燥機に導入するためのフィードポンプの必要性を排除することによって、このシステムは、より経済的に作動する。
【0050】
図3は、粒子へと材料を粉砕、ブレンドおよび処理するためのシステム100の別の実施形態を示す。この実施形態は、ミル104とフィードポンプ106との間に配置された液体サイクロン310を備える。液体サイクロン310は、フィードポンプ106の前後のいずれかに配置され得るが、好ましくは、フィードポンプ106の前に配置される。第二フィードポンプ(図示せず)は、スラリーを、ミル104から液体サイクロン310に導入するために使用され得るか、または図3に示されるように、このスラリーは、ミル104から直接液体サイクロン310に導入され得る。
【0051】
液体サイクロン310は、非常に微細な粒子をより粗大な粒子から分離することによって、液体エネルギーミル104から放出する固形粒子の分類を補助する。より粗大な粒子は、さらなる粉砕および処理のために再循環ライン312を通って、高圧ポンプ102に戻され、ミル104に再導入される。あるいは、再循環ライン312は、粒子をミル104に直接戻し得るか、または粒子をシステム100から完全に除去し得る。粒子が液体サイクロン310からの圧力下に依然としてあるので、再循環ライン312は、チューブまたは囲まれた回路であり、これは、ミル104または高圧チューブ102に粒子を移動する。
【0052】
ミル104からのスラリーは、入口開口部を通って高速で液体サイクロンに入り、円錐形分離チャンバに流れ込む。スラリーがこのチャンバ内で下方に旋回するにつれて、その速度は増加する。より大きな粒子は、壁に対して押しつけられ、底部に落下し、そして制限放出ノズルを通って再循環ライン312に放出される。この回転は、内部渦を形成し、この渦は、より細密な粒子がこの放出ノズルを出る前に、それらを液体サイクロン310の底部から持ち上げ、そして前の出口を通って、それらをフィードポンプ106まで、あるいは直接、噴霧乾燥機108まで移動させる。
【0053】
別の実施形態において、液体サイクロン310は、噴霧乾燥機108の後部に配置される乾燥型サイクロンである。この実施形態において、粒子は、噴霧乾燥機108中で乾燥され、そして収集器112に集められる。これら乾燥粒子は、収集器112からサイクロン310に導入され、ここで、これらの粒子は、サイズに従って分類される。サイクロン310は、液体の代わりに流体としてガスを使用して、上記の液体サイクロンと実質的には同様に作動する。さらに、大き過ぎる粒子は、再循環ライン312を介して、液体エネルギーミル104または高圧ポンプ102に再導入される。ガスは通常、液体よりも表面張力が小さいので、乾式分離は、通常、より精密でかつ正確なサイズ分布を生じる。
【0054】
液体サイクロン310は、粒子の分類、浄化、向流洗浄、濃縮などに用いられる市販の液体サイクロンであり得る。液体サイクロンおよびサイクロンの製造業者の例は、Warman International,Inc.of Madison,WI(CAVEX(登録商標) Hydrocyclone Technology),Polytech Filtration Systems,Inc.,of Sudbury,MA(POLYCLON(登録商標) Hydrocyclone Technology)、およびDorr−Oliver,Inc.,of Milford,CT(DORRCLONE(登録商標) HYDROCLONES)である。
【0055】
液体サイクロン310は、さらなるサイズ縮小のために、より大きいまたはより粗大な材料の画分をミル104に再循環する。そのため、液体サイクロン310は、最終粒子の狭いサイズ分布を達成するのを補助する。さらに、液体サイクロン310は、粒子と添加剤とのより密接な混合物を提供する。液体サイクロン310における滞留時間は、代表的には短く、そして処理速度、および装置サイズ(体積)の関数である。従って:滞留時間=装置体積/処理時間(体積/時間)である。代表的に、液体サイクロン310におけるこの滞留時間は、60秒未満であり、そして好ましくは、2〜50秒である。従って、液体サイクロン310の使用は、ミル104、引き続く噴霧乾燥機108での達成可能な処理速度を制限しない。
【0056】
液体サイクロンのサイズおよび性能に依存して、滞留時間は、所定の処理速度について変更される。従って、適切にサイズ決めされた液体サイクロンが、粒子を効果的に粉砕、ブレンドおよび処理するために使用されなければならない。不相応にサイズ決めされた液体サイクロンは、システム100の他の成分の滞留時間を制限し得る。
【0057】
システム100を用いた以下の実施例は、本発明を理解することをさらに補助する。
【0058】
(実施例1)
システム100を使用して、導波管、遅延ライン、フィルター、および他のレーダー適用に有用な、0.5〜2ミクロンの範囲の最終粒子サイズを有するチタン酸ストロンチウム(SrTiO)、酸化マグネシウム(MgO)およびチタン酸バリウム(BaTiO)の密接混合物を、獲得し得る。見かけの組成は、60v/o MgO、40v/o(0.55BaO−0.45SrTiO)であり、ここで、後者の材料は、55モル%のBaTiO、45モル%のSrTiOである。BSTOの密度は、約5.62〜5.63g/ccである。
【0059】
MgO粒子サイズが他の相よりも幾分か小さい場合が好ましい。従って、MgOを、最初の供給物として、液体エネルギーミル104の第一段に供給し、そしてチタン酸バリウムとチタン酸ストロンチウムとの混合物(好ましくは、焼クリンカーとして)ミル104の第二段に添加する。第一段でのMgOの粉砕の結果として、MgOの粒子サイズは、第二段に導入されたチタン酸混合物の粒子サイズよりも小さい。これらの材料は、水と二酸化炭素との両方に非常に反応性であるため、イソプロパノールを液体エネルギー媒体として使用する。適切な結合添加剤(例えば、CARBOWAX(登録商標))を、ミルの第一段および第二段のいずれかに添加し得る。CARBOWAX(登録商標)は、イソプロパノールに可溶性であり、スラリーとの密接混合物を提供する。ミル104の出口圧力に依存して、このスラリーを、ミル104から直接液体サイクロン310に導入し得るか、または、ミル104と液体サイクロン310との間に配置されるフィードポンプに送り得る。
【0060】
液体サイクロン310は、約2ミクロンより大きい直径を有するスラリー混合物から粒子を除去する。液体サイクロン310中の大き過ぎる粒子の除去効果は、2ミクロンより小さいスラリーの所望のサイズ画分ついて、液体サイクロンに対する入口圧力を調節することによって増加され得る。大き過ぎる粒子を、高圧ポンプ102に戻すか、または再循環ライン312を通して直接ミル104に再導入する。
【0061】
液体サイクロンの製品出口において、フィードポンプ106は、噴霧乾燥機108にスラリーを送るために用いられ得る。約200〜600℃の熱窒素ガスを、イソプロパノールをフラッシュエバポレートするための乾燥媒体として使用する。粒子表面上に付着した結合剤でコーティングされた、乾燥した粉末混合物を、さらなる処理(例えば、圧縮およびシェイピングなど)のために、噴霧乾燥機の底部において収集器112に収集する。
【0062】
噴霧乾燥機108において得られた蒸気およびガスを、凝縮器110に指向する。凝縮器110は、当業者に明らかであるように、圧力変化、温度変化、またはその両方によってイソプロパノールを凝縮する。この凝縮されたイソプロパノールを、再循環回路114を通して高圧ポンプ102に戻し、再循環させる。窒素を凝縮器110から取り出し、放出またはさらなる乾燥のために噴霧乾燥機108に再導入する。
【0063】
(実施例2)
システム100をまた、電源フィルターのための高圧コンデンサおよび高電コンデンサに有用な、チタン酸鉛−ジルコニウムおよびチタン酸バリウムから構成される密接粉末混合物を得るために使用し得る。標的化された見かけの組成は、予期しないPZT、PbO:0.51Zr:0.49TiO(PZT材料のついての一般的な開始組成)およびチタン酸バリウム(BaTiO)の等量(モル)を含む。得られた製品は、巨大な凝集体を含まず十分に混合された、約1〜2ミクロンの狭い粒子分布を有する。
【0064】
2つの材料間のサイズの区別に関する要件が何も存在しないので、上記の割合を有する、PZTとBaTiOの両方を、ミル104の第一段に導入し得る。さらに、PZTとBaTiOの両方が水感受性であるので、イソプロパノールを使用する。適切な結合剤(例えば、CARBOWAX(登録商標))を、実施例1を参照して記載されるのと同じ様式において、ミルに使用する。液体サイクロン310、噴霧乾燥機108および凝縮器110を使用するシステム100を、実施例1を参照して記載されるように使用する。最終製品は、凝集がなく、高い均一性で、かつ狭い粒子サイズ分布を有する、混合物である。
【0065】
本発明を、それらの好ましい実施形態を参照して詳細に示し、記載してきたが、形態におよび細部おける種々の変更が、本発明の精神および範囲から逸脱することなくなされ得ることは、当業者によって理解される。
【図面の簡単な説明】
【図1】
図1は、材料の固体粒子の粉砕および処理のための、本発明のシステムの第1の実施形態を示す。
【図2】
図2は、収集器および凝縮器を備える、噴霧乾燥機の実施形態を示す。
【図3】
図3は、液体サイクロンおよび再循環ラインを備える、図1の別の実施形態を示す。
[0001]
(Background of the Invention)
(Field of the Invention)
The present invention relates to systems and methods for multi-stage processing of materials. More specifically, the present invention relates to systems and methods for treating particles of a material in a liquid energy mill using additives and a spray dryer. More specifically, the invention relates to a system and method for subjecting material particles and additives to a liquid energy mill for grinding and blending the particles, and a spray dryer for drying the particles.
[0002]
(Related fields)
Conventional milling machines use mechanical crushing, or crushing and attrition, to break down mineral particles into smaller particles. Conventional milling machines have low efficiency due to frequent application of stress in the absence of particles. As a result, most of the energy input is wasted, for example, in non-productive contacts between the crusher or between the crusher and the mill wall, both of which reduce the overall energy efficiency of the process . A more efficient way to induce simple tensile failure uses a high pressure liquid jet or a different liquid jet in the grinding process.
[0003]
Size reduction involves breaking chemical bonds in a material to create a new surface. Thus, the chemical process associated with the rupture significantly affects the energy required to induce this rupture. This effect extends beyond the bond itself to include the surrounding environment. For example, the presence of liquid at the tip of a crack reduces the force required to propagate the crack and improves efficiency. One explanation for this effect is that the liquid penetrates into the microcracks that precede the main crack, thereby participating in highly reactive events that occur during fracture. Capillary flow of these liquids into the material prior to the primary liquid surface travels at the rate of crack propagation and thus provides a means to more easily transfer energy within the crack tip zone. Accordingly, liquid energy mills that provide liquid for capillary flow are commonly used in grinding materials.
[0004]
Liquid energy mills discharge a slurry of liquid and particles. Usually, these particles must be dried before further processing, as is the case for ceramic powders. Due to the fine size of the powder (ie, large surface area to volume), drying can be a lengthy and cumbersome process. In addition, if the slurry contains a multi-component mixture of particles, separation of the materials can occur during drying, which results in undesirable non-uniformities. Further, the powder may agglomerate during the drying process, requiring further processing for deagglomeration.
[0005]
Spray dryers have been developed to dry powder particles while they are suspended in the air. Spray drying involves atomizing a slurry of particles and liquid into droplets and evaporating the liquid from the droplets using warm air. The dry particles are then separated from the liquid vapor. Spray drying is used in industries such as the chemical, dairy, and food industries.
[0006]
Particles obtained from a liquid energy mill are commonly used for powder processing. This process is important in the ceramic, structural ceramic, and electrical industries. In one example, the milled powder is used to make a ceramic component for the ceramic industry. A binder, acting like an adhesive, is spread over this powder, resulting in a powder-binder mixture. The mixture is injection molded or precision cast to give a solid formed from a compact of the mixture. The formed compact is sintered at an elevated temperature, at which temperature the binder evaporates or decomposes in a "burn out" process to yield a finished monolithic product.
[0007]
Standard known requirements in selecting an appropriate binder include:
-Clean burning without residual residues;
Non-reactive with the powder so as not to change the surface properties;
Thermal decoupling in a relatively short time;
-Appropriate liquid properties, such as low viscosity to aid mixing;
-Proper wetting properties for proper adhesion to the powder surface.
[0008]
Ideally, the binder covers almost all individual granules of the ceramic powder. The coating thickness is controlled by the viscosity and wetting properties of the binder. Unless the viscosity is very low, achieving thin coatings is difficult. However, low viscosity binders typically require the addition of solvents or elevated temperatures during mixing of the binder material with the powder. Both of these are undesirable. Because the solvent needs to be removed before further processing of the powder, and the high temperature during mixing requires precise temperature control within the bulk of the mixture, requiring special equipment and additional costs Because you do. In addition, high amounts of binder are undesirable. This is because large voids may remain in the ceramic as the binder evaporates and is removed from the ceramic. Such voids impair the integrity and mechanical properties of any finished product.
[0009]
Before the binder is introduced into the powder, the powder must be thoroughly treated. Processing of the powder often involves drying the powder if it is wet. Particles from the spray dryer typically require further processing (eg, adding a binder for the ceramic, as described above) before becoming useful.
[0010]
What is needed is a method and apparatus for introducing additives, such as solid materials or liquid binders, during the grinding stage of powder processing, where during grinding and drying, The additives blend well, and the binder coats the solid blend, where a thin coating of the binder on the particles can be achieved.
[0011]
(Summary of the Invention)
The present invention relates to systems and methods for grinding and treating solid particles of one or more materials. The method includes introducing the material into a liquid energy mill to break the material into particles. The liquid energy mill discharges a slurry consisting of particles and an energy transfer liquid. This slurry is introduced into a spray dryer. The spray dryer atomizes the slurry and the mist falls through a heating zone to evaporate the liquid. A collector captures the dried, falling particles.
[0012]
In another embodiment, a liquid energy mill discharges the slurry and introduces the slurry into a hydrocyclone, which is then introduced into a spray dryer. The hydrocyclone sorts the milled particles by size and returns oversized particles to the liquid energy mill.
[0013]
In another embodiment, the liquid energy mill discharges the slurry, introduces the slurry into a spray dryer, and introduces the dried particles into a cyclone. In the cyclone, the particles are sorted by size. Any oversized particles are returned to the liquid energy mill.
[0014]
In another embodiment, an additive is introduced into a liquid energy mill and processed with the material. The additive can be either a solid substance or a liquid (eg, a binder or a solvent). The slurry discharged from the mill contains additives, material particles, and energy transfer liquid. This slurry is introduced into a hydrocyclone and a spray dryer. The hydrocyclone sorts the particles according to size, and the spray dryer atomizes the slurry, which falls through a heating zone and evaporates the liquid. A collector captures the dry, falling particles that are coated with and / or blended with and / or dissolved with the additive.
[0015]
The above and other features and advantages of the present invention will become apparent from the following more detailed description of preferred embodiments of the invention, as illustrated in the accompanying drawings.
[0016]
(Detailed description of preferred embodiments)
A preferred embodiment of the present invention will now be described with reference to the figures. In these figures, like reference numbers indicate identical or functionally similar elements. Also in the figures, the left-most digit of each reference number corresponds to the figure in which the reference number is first used. While specific configurations and arrangements are discussed, it should be understood that this is done for illustrative purposes only. One skilled in the art will recognize that other configurations and arrangements may be used without departing from the spirit and scope of the invention.
[0017]
FIG. 1 illustrates an embodiment of a system 100 for grinding, blending, and processing materials into particles. The system 100 includes a high pressure pump 102 connected to a liquid energy mill 104. Mill 104 is equipped with a feed pump 106 for introducing particles into spray dryer 108. A condenser 110 and a collector 112 are connected to the spray dryer 108. A recirculation circuit 114 connects the condenser 110 to the high pressure pump 102. However, it will be apparent to one skilled in the art that various configurations of these elements may be used to implement the system 100 of the present invention.
[0018]
The liquid energy mill 104 can be any standard liquid energy mill that can grind the material, as will be apparent to those skilled in the art, and for introducing solid materials, additives, and / or binders into the mill. May be provided. In one embodiment, the liquid energy mill is disclosed in pending, co-pending US patent application Ser. No. 09 / 413,489, filed Oct. 6, 1999, which is incorporated herein in its entirety. Which is incorporated herein by reference.
[0019]
System 100 is useful for grinding and processing several materials. For example, additives can be introduced into the system 100 and blended with the particles in a mill 104 for powder processing. The additive may be a solid material, added to the mill in combination with the primary material, or the additive may be a liquid, such as a liquid binder or solvent for powder processing.
[0020]
In one embodiment, the mill 104 is designed to achieve ultrafine particles with a composite size of less than 15 microns (also referred to as product size). Preferably, the ultrafine particles have a product size in the range of 1-5 microns. Even more preferably, the product size of the ultrafine particles obtained from use of the mill 104 is less than 1 micron.
[0021]
It will be apparent to those skilled in the art that the mill 104 can be used to process various other materials (both organic and inorganic) having various feed sizes. For example, the mill 104 may be used to treat any of the following: ceramic materials, such as ceramics for electronic applications (eg, barium and strontium titanate, lead zirconate, and others). Titanates and zirconates, and high temperature ceramic superconductors); ceramics for structural applications (eg, alumina, zirconia, magnesia, and other oxide systems); non-oxidizing ceramics (eg, toughness applications and Nitrides, borides, silicides, and carbides used for abrasive applications); carbon and carbon by-products (including coke and coke by-products); minerals (eg, anthracite, magnetite, alumina, mica) , Silica, and zircon, metals used for sintering, alloying and other applications of powdered metals (eg, , Chromium, nickel, zinc, copper and brass), other oxides used for polishing and cutting applications (eg, garnet and rare earth oxides), and any others that need to be finely ground In addition, the mill 104 can be used to process various organic materials, including, for example, wood, food and products for use as pharmaceuticals.
[0022]
Typically, the average size of the material added to mill 104 for milling is less than 1/2 inch in diameter, and preferably less than 1/4 inch, but as will be apparent to those skilled in the art. , Larger particles may be introduced into the mill 104. However, larger particles can take more time to grind to very small particle sizes. Prior to introducing the particles into the mill 104, larger particles may be reduced to a smaller size using a grinder or crusher.
[0023]
In one embodiment, the particles to be ground in the mill 104 are dry as they are fed to the mill. In another embodiment, these particles may be supplied to mill 104 as part of a slurry (eg, a mixture of material particles and a liquid). The liquid can be aqueous or non-aqueous (eg, water or organic liquids such as alcohols and oils).
[0024]
Introducing the solid additive into the liquid energy mill 104 produces a mixture of the material to be milled and the additive. This material and the additives are ground at the same time and help each other break. The additives can be introduced at different stages of the mill to achieve different grinding ratios. As such, the resulting mixture may include particles of the additive that are larger than the particles of the material, ie, not as ground as the particles of the material. For example, if the additives are introduced with the materials at the beginning of the mill, the additives and materials may have approximately the same size grinding ratio. This is because both the material and the additive are subjected to the same milling process. Similarly, if the additive is introduced at an intermediate stage of the mill or near a later stage, the additive will not undergo much grinding and may therefore have different size grinding ratios. This ratio also depends, of course, on the initial size of the material, the material properties, and the type of grinding stage used in the mill, as will be apparent to those skilled in the art.
[0025]
Simultaneous grinding of the materials and additives in a liquid energy mill provides intimate and vigorous mixing. As the material particles impact and come into contact with the additive particles, they are ground into a homogeneously blended mixture of the material and additive particles.
[0026]
Each of the additives and materials can be fed to the mill at the desired rate to achieve the desired properties and produce the appropriate proportions of the mixture. Such mixing eliminates the need for further mixing or addition of the material after the milling process to obtain the desired proportions.
[0027]
As noted, the additive can also be a liquid, such as a solvent or a binder. If the additive is a liquid, the additive may be introduced into the liquid energy mill as a secondary stream in addition to the energy transfer liquid stream. The additive may be introduced as a liquid stream at the front end of the liquid energy mill (eg, high pressure pump 102) or may be introduced further along mill 104 in one of the subsequent chambers. If such an additive is introduced with the material into the main chamber of the high pressure liquid energy mill, the liquid additive will coat the surface of the broken material equally as it forms.
[0028]
In manufacturing processes that require a binder, it is important that nearly all individual granules of the particles are coated in order for the resulting product formed from the particles and the binder to exhibit consistent material properties. is there. For ceramics, it is advantageous to compress the coated particles into a compact compact having a density close to the theoretical density of solid ceramics. The compact is sintered, resulting in a finished ceramic that is virtually free of holes and voids. Therefore, it is important that the coating on the particles is thin. This is because the thick coating, i.e., excess binder, leaves voids and holes in the resulting product if the binder is removed from the product during sintering.
[0029]
In order to obtain a thin coating of the binder, the binder must spread evenly over the individual solid particles, with the smallest possible thickness. This is achieved either by lowering the viscosity of the binder, or by forcing it to penetrate and spread uniformly across the particles under pressure. However, the lower viscosity range of the binder is limited. Above the lower end of this range, the binder dissociates from the particles, drips from the product, and causes degradation of its lubricating properties (required during subsequent powder compaction). It is advantageous to use as little binder as possible, while obtaining sufficient coating on each particle. This reduces the occurrence of voids and voids when the binder is removed during sintering.
[0030]
In a liquid energy mill, the binder material is subjected to all the pressure and energy of the energy transfer liquid. Two binders suitable for use in a liquid energy mill for grinding alumina powder are methyl methacrylate ("MMA") and cyanoacrylate. These binders are not water-soluble and therefore are not subject to dissolution when the energy transfer liquid used in the mill is water. In addition, these binders exhibit the desired property of having rapid polymerization in a controllable reaction. MMA polymerizes under standard atmospheric conditions. Therefore, there is no need to add an inhibitor. For example, adding an inhibitor such as Topanol or hydroquinone to the MMA solution to 0.1% inhibits polymerization at atmospheric pressure.
[0031]
It is generally preferred that the binder material not be dissolved by the liquid used for energy transfer in the mill. However, dissolution of the binder material is acceptable if the binder has a vapor pressure lower than the vapor pressure of the liquid used for energy transfer in the mill. This allows the liquid to evaporate in the spray dryer and leave the binder material to form a thin coating over the dried solid particles. Examples of binders that can be used in the present invention include, but are not limited to: CARBOWAX® polyethylene glycol (manufactured by Union Carbide Chemicals and Plastics Co., Inc., Danbury, CT). ) And Methocelcellulose ether (manufactured by DOW Chemical, Midland, MI). Polyvinyl alcohol can also be used. Examples of polyvinyl alcohols that may be used in the present invention include: Elvanol 75-15 (manufactured by EI du Pont de Nemours & Co., Inc., Williamton, DE); and Airvol 205 (Manufactured by Air Products and Chemicals, Inc., Allentown, PA). The energy transfer liquid can be, for example, water or a suitable alcohol (eg, isopropanol), which has a higher vapor pressure than the binder and evaporates readily in the spray dryer, leaving a mixture of dry powders. It will be apparent to those skilled in the art that various liquids can be used as the energy transfer liquid in the mill.
[0032]
In many cases, no changes in chemical reactions or surface properties should take place in the mill or spray dryer. For example, in the case of barium titanate or strontium titanate, water can alter the surface properties of the particles by introducing hydroxide ions, which translates into high-performance particles made from these materials. In electronic components (eg, miniaturized multilayer capacitors, and various converters), this is undesirable. To avoid chemical changes, isopropanol alcohol is used according to the invention as an energy transfer liquid. This alcohol is completely inert to the solid. An alcohol-soluble binder (eg, CARBOWAX®) can be added to the mill during milling. The above process can also be used for lead zirconate, which is also sensitive to water. Lead zirconate is widely used in the manufacture of active electronic devices (eg, solid state pressure sensors).
[0033]
In some cases, altering chemical reactions and surface properties is desirable. In these cases, a solvent may be used as an additive, rather than as a binder, to initiate the reaction of the material in a liquid energy mill. This solvent is preferably miscible with the liquid that can be used for energy transfer. In addition, this solvent can be used as an energy transfer liquid if a high concentration of solvent is required to complete the dissolution.
[0034]
It is advantageous to initiate the reaction in a liquid energy mill with the exhaustive blend achieved in the mill. Furthermore, as the particles are crushed, they have a larger surface area / volume ratio, increasing the reaction rate.
[0035]
One example of such a reaction produces coal tar pitch. Coal tar pitch is used to produce a number of carbon products, such as graphite electrodes for the metal industry, specifically graphite and refractories for the nuclear industry, and graphite fibers for high performance composites. Used for The solvent N-methylpyrrolidone ("NMP") forms coal tar pitch from anthracite. The rate of reaction between NMP and anthracite coal particles is dramatically increased by subjecting the liquid energy mill to high pressure and mechanical shock. The carbon extracted in the resulting coal tar pitch is used to make many carbon products, including those described above. In this case, a spray dryer can be used to regenerate the unused solvent and energy transfer liquid by evaporation, concentration and recirculation.
[0036]
As shown in FIG. 1, the system 100 includes a spray dryer 108 that is attached directly to the outlet of the liquid energy mill 104 via an optional feed pump 106. The liquid energy mill 104 discharges a slurry containing the comminuted material particles and the energy transfer liquid. If the additive is introduced into a liquid energy mill, this output contains the comminuted material, the energy transfer liquid, and the additive. As will be apparent to those skilled in the art, the materials and additives can consist of more than one material or additive.
[0037]
As shown in FIG. 2, spray dryer 108 is attached to feed pump 106 and consists of atomizing components (eg, nozzle 204 and heating chamber 206). Typically, a spray dryer mixes the droplets with a drying medium (eg, air) to efficiently separate the particles from the liquid as the particles fall through the air.
[0038]
There are four general stages in spray drying: atomization, mixing, drying, and separation. First, the feed or slurry is atomized into droplets. This is accomplished by introducing the slurry to a feed pump 106, which passes the slurry through an atomizing nozzle 204. The energy required to overcome the pressure drop across the nozzle opening is provided by feed pump 106.
[0039]
Second, the droplets are mixed with a drying medium (eg, air). The air may be added through a blower via nozzle 204, may be added via an additional nozzle, or may simply be present in chamber 206. Other drying media can be introduced to the spray dryer 108, as will be apparent to those skilled in the art. For example, if the liquid, additive, or material is sensitive to oxygen, an inert gas (eg, nitrogen) can be introduced as a drying medium. If the gas is added through a blower, the gas may be injected into chamber 206 simultaneously with the atomized slurry. The conventional method of introducing gas and slurry simultaneously uses coaxial nozzles, where one nozzle introduces gas and the other nozzle introduces slurry.
[0040]
Third, the droplets are dried. Drying occurs when an atomizing atomizer is provided to a heating zone of chamber 206 or when a hot gas (eg, air or an inert gas as described above) is injected into chamber 206. Flash drying quickly evaporates the liquid from the slurry, leaving only dry particles. Small size droplets allow for rapid drying and require a residence time in the heating zone ranging from 1 to 60 seconds, depending on the application. This short residence time allows drying of the solid material without pyrolysis.
[0041]
Fourth, the product is separated from the gas. As the particles continue to fall, they exit the chamber 206 and accumulate in the particle collector 112 located at the bottom of the chamber 206. The now evaporated liquid is exhausted or collected in condenser 110. Spray dryer by-products are evaporated liquid and dried particles.
[0042]
The use of a spray dryer in connection with a liquid energy mill offers several advantages over conventional drying techniques. For example, spray drying produces a very uniform product from a multi-component solid / slurry. Spray dryers can evaporate the energy transfer liquid from the slurry, leaving additives and materials. If the additive is a liquid, the drying temperature is kept below the decomposition temperature of the binder. As the energy transfer liquid evaporates, a very thin binder coating polymerizes on each particle. After drying in a spray drier, the particles are sufficiently coated to be compact for sintering. No further process is required.
[0043]
Furthermore, the resulting collected particles are fine, dry and fluffy soft. The prior art (e.g., boiling the vapor from the particles) leaves agglomerates of the particles and consequently does not completely blend the additives. Spray dryers also dry particles much faster than prior art drying. Spray dryers dry the product quickly because the particulates expose all sides of the particles to the heat of drying. The particles are subjected to flash drying and can be dried for anywhere from 3 to 40 seconds, depending on the application. Thus, heat sensitive particles can be dried quickly without overheating of the particles. When drying begins, evaporated liquid forms around the particles. This "protective envelope" maintains the solid particles at the boiling temperature of the liquid being evaporated or at a lower temperature. As long as the evaporation process occurs, the temperature of the solid does not approach the dryer temperature, even if the dryer temperature is higher than the liquid evaporation temperature.
[0044]
A further advantage is that the spray dryer can operate as part of a continuous process where particles are collected and dry particles are provided at the same time, rather than having to collect the particles and then dry them. is there. This also allows for fast turnaround times and product changes. This is because there is no product hold-up in the dryer.
[0045]
The acceptable volume of the chamber 206 may be determined by the formula: (dwell time) x (volume flow) = volume of the chamber, where the volume flow is the throughput. Furthermore, due to the larger surface area per unit mass, fine particles typically require a longer dry residence time than larger particles. Thus, the residence time can be longer for finer materials. Also, materials having hydroscopic properties require longer residence times in the chamber 206. Increased temperatures can also be used to facilitate drying of such materials.
[0046]
Spray dryers are used to dry any slurry, whether the slurry is composed of particles of material, additives and an energy transfer liquid, or only of particles of the material and an energy transfer liquid. obtain. Further, the spray dryer may be a standard spray dryer known in the art of spray drying. Spray dryer manufacturers and suppliers include U.S. Pat. S. Dryer Ltd. of Migdal Ha'emek, Israel, Niro, Inc. of Columbia, MD, APV of Rosemont IL, and Spray Drying Systems, Inc. companies such as Randallstown, MD.
[0047]
Conventional spray dryers may be equipped with a condenser 110. Since all drying occurs in the enclosed chamber 206, vapor capture and condensation is easily achieved. The condenser 110 collects the evaporated liquid from the chamber 206 and allows the used liquid to be recovered. Thus, spray drying provides a simple way to include vapors from the evaporated liquid. As shown in FIG. 1, a liquid recirculation circuit 114 may connect the condenser 110 to the high pressure pump 102 located in the first chamber of the liquid energy mill. This allows the condensed liquid to be recycled by returning the used liquid from the spray dryer to the liquid energy mill. This reduces waste and includes liquids, which are particularly important when the liquid is a regulated product, such as isopropanol. Isopropanol can be used as a liquid in a liquid energy mill, introduced into an evaporating spray dryer, recondensed in a condenser, and returned to the liquid energy mill for reuse. In this manner, liquid vapors are included without the danger of releasing harmful vapors into the atmosphere.
[0048]
If the liquid is water, the water may be released from the spray dryer as steam and may be condensed for disposal or may be recycled through a liquid recirculation circuit. It will be apparent to those skilled in the art that various liquids can be used as the energy transfer liquid in the mill.
[0049]
In another embodiment, the slurry is introduced directly from a liquid energy mill into a spray dryer. This embodiment does not use a feed pump connected to a nozzle for atomization. Instead, a high pressure is maintained in the mill 104 using a liquid restrictor at the outlet port of the energy mill. The slurry bypasses the feed pump 106 and is injected into the spray dryer 108 directly from the outlet of the mill 104. To achieve proper separation of particles and liquid in the spray dryer 108, the liquid pressure at the outlet of the mill 104 must be high enough to achieve complete atomization of the slurry. By eliminating the need for a feed pump to introduce the slurry into the spray dryer, the system operates more economically.
[0050]
FIG. 3 illustrates another embodiment of a system 100 for grinding, blending, and processing material into particles. This embodiment includes a hydrocyclone 310 located between the mill 104 and the feed pump 106. The hydrocyclone 310 can be located either before or after the feed pump 106, but is preferably located before the feed pump 106. A second feed pump (not shown) can be used to introduce the slurry from the mill 104 to the hydrocyclone 310, or, as shown in FIG. Can be introduced.
[0051]
The hydrocyclone 310 helps classify solid particles emitted from the liquid energy mill 104 by separating very fine particles from coarser particles. The coarser particles are returned to high pressure pump 102 through recirculation line 312 for further grinding and processing and are reintroduced to mill 104. Alternatively, recirculation line 312 may return particles directly to mill 104 or may remove particles completely from system 100. As the particles are still under pressure from hydrocyclone 310, recirculation line 312 is a tube or enclosed circuit that moves the particles to mill 104 or high pressure tube 102.
[0052]
The slurry from the mill 104 enters the hydrocyclone at high speed through the inlet opening and flows into the conical separation chamber. As the slurry swirls down in this chamber, its speed increases. Larger particles are forced against the wall, fall to the bottom, and are discharged through a restricted discharge nozzle into the recirculation line 312. This rotation forms an internal vortex which lifts the finer particles from the bottom of the hydrocyclone 310 before exiting the discharge nozzle and passes them through the front outlet to feed pump 106 Or directly to the spray dryer 108.
[0053]
In another embodiment, hydrocyclone 310 is a dry cyclone located behind spray dryer 108. In this embodiment, the particles are dried in spray dryer 108 and collected in collector 112. These dry particles are introduced from the collector 112 into the cyclone 310, where they are classified according to size. The cyclone 310 operates substantially similar to the hydrocyclone described above, using gas as a fluid instead of a liquid. In addition, oversized particles are reintroduced to liquid energy mill 104 or high pressure pump 102 via recirculation line 312. Dry separation usually results in a more precise and accurate size distribution, since gases usually have a lower surface tension than liquids.
[0054]
The hydrocyclone 310 can be a commercially available hydrocyclone used for particle sorting, cleaning, countercurrent washing, concentration, and the like. Examples of hydrocyclones and manufacturers of cyclones are Warman International, Inc. of Madison, WI (CAVEX (R) Hydrocyclone Technology), Polytech Filtration Systems, Inc. , Of Sudbury, MA (POLYCLON (R) Hydrocycle Technology), and Dorr-Oliver, Inc. , Of Milford, CT (DORRCLONE® HYDROCLONES).
[0055]
Hydrocyclone 310 recirculates a larger or coarser material fraction to mill 104 for further size reduction. As such, hydrocyclone 310 helps to achieve a narrow size distribution of the final particles. In addition, hydrocyclone 310 provides a more intimate mixture of particles and additives. The residence time in the hydrocyclone 310 is typically short and is a function of the processing speed and equipment size (volume). Therefore: residence time = device volume / treatment time (volume / hour). Typically, this residence time in the hydrocyclone 310 is less than 60 seconds, and is preferably between 2 and 50 seconds. Thus, the use of hydrocyclone 310 does not limit the achievable processing speed in mill 104 and subsequent spray dryer 108.
[0056]
Depending on the size and performance of the hydrocyclone, the residence time is varied for a given processing speed. Therefore, properly sized hydrocyclones must be used to effectively mill, blend and treat the particles. An improperly sized hydrocyclone may limit the residence time of other components of the system 100.
[0057]
The following example using system 100 will further aid in understanding the present invention.
[0058]
(Example 1)
Using system 100, strontium titanate (SrTiO.sub.2) having a final particle size in the range of 0.5 to 2 microns is useful for waveguides, delay lines, filters, and other radar applications. 3 ), Magnesium oxide (MgO) and barium titanate (BaTiO) 3 ) May be obtained. The apparent composition is 60 v / o MgO, 40 v / o (0.55 BaO-0.45 SrTiO). 3 Where the latter material is 55 mol% BaTiO 3 , 45 mol% SrTiO 3 It is. BSTO has a density of about 5.62 to 5.63 g / cc.
[0059]
It is preferred if the MgO particle size is somewhat smaller than the other phases. Thus, MgO is supplied as an initial feed to the first stage of the liquid energy mill 104 and is added to the second stage of the mill 104 (a mixture of barium titanate and strontium titanate, preferably as a clinker clinker). I do. As a result of the grinding of the MgO in the first stage, the particle size of the MgO is smaller than the particle size of the titanate mixture introduced in the second stage. These materials use isopropanol as the liquid energy medium because they are very reactive to both water and carbon dioxide. A suitable binding additive (eg, CARBOWAX®) may be added to either the first or second stage of the mill. CARBOWAX® is soluble in isopropanol and provides an intimate mixture with the slurry. Depending on the outlet pressure of the mill 104, the slurry may be introduced directly from the mill 104 into the hydrocyclone 310 or may be sent to a feed pump located between the mill 104 and the hydrocyclone 310.
[0060]
Hydrocyclone 310 removes particles from a slurry mixture having a diameter greater than about 2 microns. The effectiveness of removing particles that are too large in hydrocyclone 310 may be increased by adjusting the inlet pressure to the hydrocyclone for a desired size fraction of the slurry less than 2 microns. Particles that are too large are returned to high pressure pump 102 or reintroduced directly to mill 104 through recirculation line 312.
[0061]
At the product outlet of the hydrocyclone, a feed pump 106 can be used to send the slurry to the spray dryer 108. Hot nitrogen gas at about 200-600 ° C is used as a drying medium for flash evaporation of isopropanol. The dried powder mixture, coated with a binder deposited on the particle surface, is collected in a collector 112 at the bottom of the spray dryer for further processing (eg, compression and shaping, etc.).
[0062]
The steam and gas obtained in the spray dryer 108 are directed to a condenser 110. Condenser 110 condenses isopropanol by pressure changes, temperature changes, or both, as will be apparent to those skilled in the art. The condensed isopropanol is returned to the high-pressure pump 102 through the recirculation circuit 114 and recirculated. Nitrogen is removed from condenser 110 and reintroduced to spray dryer 108 for discharge or further drying.
[0063]
(Example 2)
The system 100 may also be used to obtain an intimate powder mixture composed of lead-zirconium and barium titanate useful for high voltage and high voltage capacitors for power filters. The targeted apparent composition was unexpected PZT, PbO: 0.51 Zr: 0.49 TiO. 3 (A typical starting composition for PZT materials) and barium titanate (BaTiO 3 )). The resulting product has a narrow particle distribution of about 1-2 microns, well mixed without large aggregates.
[0064]
Since there is no requirement for size distinction between the two materials, PZT and BaTiO 3 May be introduced into the first stage of the mill 104. Furthermore, PZT and BaTiO 3 Are both water sensitive, so isopropanol is used. A suitable binder (eg, CARBOWAX®) is used in the mill in the same manner as described with reference to Example 1. A system 100 using a hydrocyclone 310, a spray dryer 108 and a condenser 110 is used as described with reference to Example 1. The final product is a mixture without agglomeration, high homogeneity and a narrow particle size distribution.
[0065]
While the invention has been shown and described in detail with reference to preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Understood by.
[Brief description of the drawings]
FIG.
FIG. 1 shows a first embodiment of the system of the invention for the grinding and processing of solid particles of material.
FIG. 2
FIG. 2 shows an embodiment of a spray dryer with a collector and a condenser.
FIG. 3
FIG. 3 shows another embodiment of FIG. 1 with a hydrocyclone and a recirculation line.

Claims (57)

材料の固形粒子を粉砕および処理するための方法であって、該方法は、以下:
(a)該材料を液体エネルギーミルに導入する工程;
(b)該液体エネルギーミル中で該材料を粉砕する工程であり、ここで、該材料の少なくとも一部は、粒子に分けられ、そして該液体エネルギーミルが、液体および該粒子のスラリーを排出する、工程;ならびに、
(c)該スラリーを噴霧乾燥機に導入する工程であり、ここで、該噴霧乾燥機が、該液体から該材料の一部を収集および分離するための収集器を備える、工程、
を包含する、方法。
A method for grinding and treating solid particles of a material, the method comprising:
(A) introducing the material into a liquid energy mill;
(B) milling the material in the liquid energy mill, wherein at least a portion of the material is divided into particles, and the liquid energy mill discharges a liquid and a slurry of the particles. , Process; and
(C) introducing the slurry into a spray dryer, wherein the spray dryer comprises a collector for collecting and separating a portion of the material from the liquid;
A method comprising:
大き過ぎる、任意の前記粒子を除去するために、前記スラリーを液体サイクロンに導入する工程をさらに包含する、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, further comprising introducing the slurry into a hydrocyclone to remove any of the particles that are too large. 前記スラリーが、フィードポンプを用いて前記液体サイクロンに導入される、請求項2に記載の方法。3. The method of claim 2, wherein the slurry is introduced into the hydrocyclone using a feed pump. 前記大き過ぎる、任意の粒子が、前記液体エネルギーミルに再導入される、請求項2に記載の方法。3. The method of claim 2, wherein any particles that are too large are reintroduced into the liquid energy mill. 請求項1に記載の方法であって、以下:
(d)前記大き過ぎる、任意の粒子を除去するために、前記噴霧乾燥機を出た後に、粒子を乾燥サイクロンに導入する工程、
をさらに包含する、方法。
2. The method according to claim 1, wherein:
(D) introducing particles into a drying cyclone after exiting the spray dryer to remove any particles that are too large;
The method further comprising:
前記スラリーが、フィードポンプを用いて前記噴霧乾燥機に導入される、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein the slurry is introduced into the spray dryer using a feed pump. 前記噴霧乾燥機が、蒸気凝縮器をさらに備える、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein the spray dryer further comprises a steam condenser. 前記液体が、前記蒸気凝縮器から再循環されて、前記液体エネルギーミルにおいて再利用される、請求項7に記載の方法。The method of claim 7, wherein the liquid is recycled from the vapor condenser and reused in the liquid energy mill. 前記粒子が、15ミクロン未満の平均サイズを有する、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein the particles have an average size of less than 15 microns. 前記材料が、固相有機材料および固相無機材料からなる群より選択される、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein the material is selected from the group consisting of solid organic materials and solid inorganic materials. 請求項1に記載の方法であって、ここで、前記材料が、以下:無煙炭ような炭素含有鉱物、アルミナ、シリカ、希土類酸化物、ジルコン、雲母および磁鉄鉱のような酸化物、を含む鉱物;アルミナ、ジルコニア、マグネシア、チタン酸塩、ジルコン酸塩、ガーネットのような酸化セラミック;窒化物、ホウ化物、ケイ化物および炭化物のような非酸化セラミック;ならびにクロム、銅、ニッケルおよび亜鉛のような金属、からなる群より選択される、方法。The method of claim 1 wherein the material comprises: a mineral comprising: a carbon-containing mineral such as anthracite; an oxide such as alumina, silica, rare earth oxide, zircon, mica and magnetite; Oxidized ceramics such as alumina, zirconia, magnesia, titanate, zirconate, garnet; non-oxidized ceramics such as nitrides, borides, silicides and carbides; and metals such as chromium, copper, nickel and zinc A method selected from the group consisting of: 請求項1に記載の方法によって作製される、5ミクロン未満の製品サイズを有する、材料の超微粒子。Ultrafine particles of a material having a product size of less than 5 microns, made by the method of claim 1. 前記材料が、以下:固相有機材料および固相無機材料からなる群より選択される、請求項12に記載の超微粒子。13. The ultrafine particle of claim 12, wherein the material is selected from the group consisting of: a solid organic material and a solid inorganic material. 請求項13に記載の超微粒子であって、ここで、前記材料が、以下:無煙炭のような炭素含有鉱物、アルミナ、シリカ、希土類酸化物、ジルコン、雲母および磁鉄鉱のような酸化物、を含む鉱物;アルミナ、ジルコニア、マグネシア、チタン酸塩、ジルコン酸塩、ガーネットのようなセラミック酸化物;窒化物、ホウ化物、ケイ化物および炭化物のような非酸化セラミック;ならびにクロム、銅、ニッケルおよび亜鉛のような金属、からなる群より選択される、超微粒子。14. The ultrafine particle of claim 13, wherein the material comprises the following: carbon-containing minerals such as anthracite, oxides such as alumina, silica, rare earth oxides, zircon, mica and magnetite. Minerals; ceramic oxides such as alumina, zirconia, magnesia, titanates, zirconates, garnets; non-oxidizing ceramics such as nitrides, borides, silicides and carbides; and chromium, copper, nickel and zinc. Ultrafine particles selected from the group consisting of such metals. 材料の固形粒子を粉砕および処理するための方法であって、該方法は、以下:
(a)該材料を液体エネルギーミルに導入する工程;
(b)添加剤を該液体エネルギーミル中に導入する工程;ならびに、
(c)該液体エネルギーミル中で該材料を粉砕する工程であり、ここで、該材料の少なくとも一部は、粒子に分けられ、そして該液体エネルギーミルが、液体、該添加剤および該粒子のスラリーを排出する、工程、
を包含する、方法。
A method for grinding and treating solid particles of a material, the method comprising:
(A) introducing the material into a liquid energy mill;
(B) introducing an additive into the liquid energy mill;
(C) milling the material in the liquid energy mill, wherein at least a portion of the material is divided into particles, and the liquid energy mill separates the liquid, the additive, and the particles. Discharging the slurry, the process,
A method comprising:
以下:
(d)前記スラリーを噴霧乾燥機に導入する工程、
をさらに包含する、請求項15に記載の方法。
Less than:
(D) introducing the slurry into a spray dryer;
16. The method of claim 15, further comprising:
以下:
(e)前記スラリーを乾燥サイクロンに導入する工程、
をさらに包含する、請求項16に記載の方法。
Less than:
(E) introducing the slurry into a dry cyclone;
17. The method of claim 16, further comprising:
前記スラリーが、フィードポンプを用いて前記噴霧乾燥機に導入される、請求項16に記載の方法。17. The method of claim 16, wherein the slurry is introduced into the spray dryer using a feed pump. 前記噴霧乾燥機が、蒸気凝縮器をさらに備える、請求項16に記載の方法。17. The method of claim 16, wherein said spray dryer further comprises a steam condenser. 前記液体が、前記蒸気凝縮器から再循環されて、前記液体エネルギーミルにおいて再利用される、請求項19に記載の方法。20. The method of claim 19, wherein said liquid is recycled from said vapor condenser and recycled in said liquid energy mill. 以下:
(d)前記スラリーを液体サイクロンに導入する工程、
をさらに包含する、請求項15に記載の方法。
Less than:
(D) introducing the slurry into a hydrocyclone;
16. The method of claim 15, further comprising:
前記スラリーが、フィードポンプを用いて前記液体サイクロンに導入される、請求項21に記載の方法。22. The method of claim 21, wherein the slurry is introduced into the hydrocyclone using a feed pump. 大き過ぎる、任意の前記粒子が、前記液体エネルギーミルに再導入される、請求項21に記載の方法。22. The method of claim 21, wherein any of the particles that are too large are reintroduced into the liquid energy mill. 以下:
(e)前記スラリーを噴霧乾燥機に導入する工程、
をさらに包含する、請求項21に記載の方法。
Less than:
(E) introducing the slurry into a spray dryer;
22. The method of claim 21, further comprising:
前記添加剤が、熱可塑性液体を含む、請求項15に記載の方法。The method according to claim 15, wherein the additive comprises a thermoplastic liquid. 前記材料がアルミナ粉末を含む、請求項15に記載の方法。The method of claim 15, wherein the material comprises alumina powder. 前記添加剤が前記液体に可溶性である、請求項26に記載の方法。27. The method of claim 26, wherein said additive is soluble in said liquid. 前記添加剤が、以下:メチルメタクリレートおよびシアノアクリレートの少なくとも1つから選択される結合剤である、請求項27に記載の方法。28. The method of claim 27, wherein the additive is a binder selected from at least one of the following: methyl methacrylate and cyanoacrylate. 前記粒子が15ミクロン未満のサイズを有する、請求項15に記載の方法。16. The method of claim 15, wherein said particles have a size of less than 15 microns. 前記材料および前記添加剤の各々が、0.5インチ未満の直径のフィードサイズを有する、請求項15に記載の方法。16. The method of claim 15, wherein each of the material and the additive has a feed size of less than 0.5 inches in diameter. 前記材料が、以下:固相有機材料および固相無機材料からなる群より選択される、請求項15に記載の方法。16. The method of claim 15, wherein the material is selected from the group consisting of: a solid organic material and a solid inorganic material. 請求項31に記載の方法であって、ここで、前記材料が、以下:無煙炭のような炭素含有鉱物、アルミナ、シリカ、希土類酸化物、ジルコン、雲母および磁鉄鉱のような酸化物、を含む鉱物;アルミナ、ジルコニア、マグネシア、チタン酸塩、ジルコン酸塩、ガーネットのようなセラミック酸化物;窒化物、ホウ化物、ケイ化物および炭化物のような非酸化セラミック;ならびにクロム、銅、ニッケルおよび亜鉛のような金属、からなる群より選択される、方法。32. The method of claim 31, wherein the material comprises: a carbon-containing mineral such as anthracite, an oxide such as alumina, silica, rare earth oxides, zircon, mica, and magnetite. Ceramic oxides such as alumina, zirconia, magnesia, titanate, zirconate, garnet; non-oxidizing ceramics such as nitrides, borides, silicides and carbides; and chromium, copper, nickel and zinc A metal selected from the group consisting of: 請求項15に記載の方法によって作製される、5ミクロン未満の製品サイズを有する、材料の超微粒子。16. Ultrafine particles of a material having a product size of less than 5 microns made by the method of claim 15. 前記材料が、以下:固相有機材料および固相無機材料からなる群より選択される、請求項33に記載の超微粒子。34. The ultrafine particle of claim 33, wherein the material is selected from the group consisting of: a solid organic material and a solid inorganic material. 請求項34に記載の超微粒子であって、ここで前記材料が、以下:無煙炭のような炭素含有鉱物、アルミナ、シリカ、希土類酸化物、ジルコン、雲母および磁鉄鉱のような酸化物、を含む鉱物;アルミナ、ジルコニア、マグネシア、チタン酸塩、ジルコン酸塩、ガーネットのようなセラミック酸化物;窒化物、ホウ化物、ケイ化物および炭化物のような非酸化セラミック;ならびにクロム、銅、ニッケルおよび亜鉛のような金属、からなる群より選択される、超微粒子。35. The ultrafine particle of claim 34, wherein the material comprises: a carbon-containing mineral such as anthracite, an oxide such as alumina, silica, rare earth oxides, zircon, mica and magnetite. Ceramic oxides such as alumina, zirconia, magnesia, titanate, zirconate, garnet; non-oxidizing ceramics such as nitrides, borides, silicides and carbides; and such as chromium, copper, nickel and zinc Ultrafine particles selected from the group consisting of natural metals. 材料の固形粒子を粉砕および処理するためのシステムであって、該システムは、以下:
該材料の少なくとも一部が粒子に分けられる、液体エネルギーミル;ならびに、
該液体エネルギーミルから該粒子および液体のスラリーを受け取る、噴霧乾燥機、
を備える、システム。
A system for grinding and treating solid particles of a material, the system comprising:
A liquid energy mill wherein at least a portion of the material is divided into particles;
A spray dryer that receives the particles and a slurry of the liquid from the liquid energy mill;
A system comprising:
前記噴霧乾燥機が、前記液体から前記材料の粒子を収集および分離する収集器を備える、請求項36に記載のシステム。
に記載の使用。
37. The system of claim 36, wherein the spray dryer comprises a collector for collecting and separating the particles of the material from the liquid.
Use as described in.
前記スラリーが、フィードポンプを用いて前記噴霧乾燥機に導入される、請求項36に記載のシステム。37. The system of claim 36, wherein the slurry is introduced into the spray dryer using a feed pump. 前記噴霧乾燥機が、蒸気凝縮器をさらに備える、請求項36に記載のシステム。37. The system of claim 36, wherein said spray dryer further comprises a steam condenser. 前記液体が、前記蒸気凝縮器から再循環されて、前記液体エネルギーミルにおいて再利用される、請求項39に記載のシステム。40. The system of claim 39, wherein the liquid is recycled from the vapor condenser and recycled in the liquid energy mill. 乾燥サイクロンをさらに備える、請求項36に記載のシステム。37. The system of claim 36, further comprising a drying cyclone. 液体サイクロンをさらに備える、請求項36に記載のシステム。37. The system of claim 36, further comprising a hydrocyclone. 前記スラリーが、フィードポンプを用いて前記液体サイクロンに導入される、請求項42に記載のシステム。43. The system of claim 42, wherein the slurry is introduced into the hydrocyclone using a feed pump. 大き過ぎる、任意の前記粒子が、前記液体エネルギーミルに再導入される、請求項42に記載のシステム。43. The system of claim 42, wherein any of the particles that are too large are reintroduced into the liquid energy mill. 材料の固形粒子を粉砕および処理するためのシステムであって、該システムは、以下:
添加剤が導入され、該材料の少なくとも一部が粒子に分けられる、液体エネルギーミル;ならびに、
該液体エネルギーミルから該粒子、該添加剤および液体のスラリーを受け取る噴霧乾燥機であって、該材料の粒子から該液体を分離する収集器を備える、噴霧乾燥機、
を備える、システム。
A system for grinding and treating solid particles of a material, the system comprising:
A liquid energy mill, wherein an additive is introduced and at least a portion of the material is divided into particles;
A spray drier receiving a slurry of the particles, the additives and the liquid from the liquid energy mill, comprising a collector for separating the liquid from the particles of the material;
A system comprising:
前記スラリーが、フィードポンプを用いて前記噴霧乾燥機に導入される、請求項45に記載のシステム。46. The system of claim 45, wherein the slurry is introduced into the spray dryer using a feed pump. 前記噴霧乾燥機が、蒸気凝縮器をさらに備える、請求項45に記載のシステム。46. The system of claim 45, wherein the spray dryer further comprises a steam condenser. 前記液体が、前記蒸気凝縮器から再循環されて、前記液体エネルギーミルにおいて再利用される、請求項47に記載のシステム。48. The system of claim 47, wherein said liquid is recycled from said vapor condenser and recycled in said liquid energy mill. 液体サイクロンをさらに含み、該液体サイクロンは、前記液体エネルギーミルから前記粒子、前記添加剤および液体のスラリーを受け取り、そして前記噴霧乾燥機にスラリーを排出する、請求項45に記載のシステム。46. The system of claim 45, further comprising a hydrocyclone, wherein the hydrocyclone receives a slurry of the particles, the additive and the liquid from the liquid energy mill and discharges the slurry to the spray dryer. 前記スラリーが、フィードポンプを用いて前記液体サイクロンに導入される、請求項49に記載のシステム。50. The system of claim 49, wherein the slurry is introduced into the hydrocyclone using a feed pump. 大き過ぎる、任意の前記粒子が、前記液体エネルギーミルに再導入される、請求項49に記載のシステム。50. The system of claim 49, wherein any of the particles that are too large are reintroduced into the liquid energy mill. 前記噴霧乾燥機から乾燥粒子を受け取る乾燥サイクロンをさらに含む、請求項45に記載のシステム。46. The system of claim 45, further comprising a drying cyclone receiving dry particles from the spray dryer. 大き過ぎる、任意の前記粒子が、前記液体エネルギーミルに再導入される、請求項52に記載のシステム。53. The system of claim 52, wherein any of the particles that are too large are reintroduced into the liquid energy mill. 前記添加剤が溶剤である、請求項27に記載の方法。28. The method according to claim 27, wherein said additive is a solvent. 前記液体がエネルギー伝達液体であり、該エネルギー伝達液体が、固形粒子を溶解し得る溶媒である、請求項1に記載の方法。The method according to claim 1, wherein the liquid is an energy transfer liquid, and the energy transfer liquid is a solvent capable of dissolving solid particles. 前記液体がエネルギー伝達液体であり、該エネルギー伝達液体が、固形粒子を溶解し得る溶媒である、請求項15に記載の方法。16. The method of claim 15, wherein the liquid is an energy transfer liquid, and the energy transfer liquid is a solvent that can dissolve solid particles. 前記液体エネルギーが、前記粒子のサイズを縮小させると同時に、該粒子と前記添加剤とをブレンドさせる、請求項15に記載の方法。16. The method of claim 15, wherein the liquid energy reduces the size of the particles while simultaneously blending the particles with the additive.
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