JP2014104405A - Apparatus and method for dispersing aggregate - Google Patents

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孝典 森光
Kazuyoshi Oishi
和義 大石
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus and a method for dispersing an aggregate where dispersion processing that a processing object consisting of the aggregate of minute elements is dispersed can be easily performed with excellent processing efficiency while ensuring processing quality.SOLUTION: The droplets of a slurry 33 where an aggregate 35 aggregated with minute elements such as scaly solid particles and the like of carbon nanotubes and mica is mixed with a liquid are formed by the jet stream of a gas using a jet nozzle 7 and accelerated. A dispersion 35b is separated from the surface 35a of the aggregate 35 by shear force acting to the aggregate 35 due to speed difference between the gas and the aggregate 35 in the jet stream in a droplet acceleration step and dispersed to an aggregate having a smaller size than before dispersion processing.

Description

本発明は、微小要素の凝集体よりなる処理対象物を分散させる分散処理を行う凝集体の分散装置および分散方法に関するものである。   The present invention relates to an agglomerate dispersion apparatus and a dispersion method for performing a dispersion treatment for dispersing an object to be processed composed of agglomerates of minute elements.

近年、新素材開発分野ではカーボンナノチューブなどナノテクノロジーを用いた微小素材が注目されており、多くの産業分野への応用が期待されている。このような微小素材は、製造過程において多くの微小要素が凝集した凝集体の形で生産される。このため、実製品への応用に際しては凝集体の状態の微小要素を均一に分散させて液体などの媒体に含有させた中間製品とする必要がある。このような分散処理の技術として、凝集体を溶媒とともに撹拌する方法が提案されている(特許文献1,2参照)。特許文献1に示す例では、凝集体と溶媒とを収容した容器内で撹拌体を高速回転させて高速撹拌するようにしている。また特許文献2に示す例では、容器内にて上昇流を発生させるための撹拌羽根と凝集体を剪断するための撹拌羽根とを用いた例が示されている。   In recent years, in the field of new material development, fine materials using nanotechnology such as carbon nanotubes have attracted attention, and application to many industrial fields is expected. Such a minute material is produced in the form of an aggregate in which many minute elements are aggregated during the production process. For this reason, when applied to an actual product, it is necessary to obtain an intermediate product in which minute elements in an aggregated state are uniformly dispersed and contained in a medium such as a liquid. As a technique for such a dispersion treatment, a method of stirring an aggregate together with a solvent has been proposed (see Patent Documents 1 and 2). In the example shown in Patent Document 1, the stirrer is rotated at a high speed in a container containing the aggregate and the solvent so as to stir at high speed. Moreover, in the example shown in patent document 2, the example using the stirring blade for generating an upflow in a container and the stirring blade for shearing an aggregate is shown.

特開2008−195563号公報JP 2008-195563 A 特開2011−230995号公報JP 2011-230995 A

しかしながら上述の特許文献例に示す先行技術を含め、従来技術には処理品質面、処理効率面において次のような課題があった。すなわち従来技術では分散の機序が機械的な撹拌であることから、カーボンナノチューブのような微小要素を対象とする場合には必ずしも十分な分散効果が得られず、処理品質を確保することが困難であった。そしてこのことの帰結として、分散処理の過程に複雑な処理工程を設定する必要があり、所望の処理効率を実現することができなかった。またこのような課題は、カーボンナノチューブのみならず、微小な鱗片状の固体粒子が凝集した凝集体の分散処理においても共通したものであった。   However, the prior art including the prior art shown in the above-mentioned patent document examples has the following problems in terms of processing quality and processing efficiency. That is, in the prior art, the dispersion mechanism is mechanical stirring, so that when a minute element such as a carbon nanotube is targeted, a sufficient dispersion effect cannot always be obtained, and it is difficult to ensure processing quality. Met. As a result of this, it is necessary to set complicated processing steps in the process of distributed processing, and the desired processing efficiency cannot be realized. Such a problem is common not only in carbon nanotubes but also in the dispersion treatment of aggregates in which minute scale-like solid particles are aggregated.

そこで本発明は、微小要素の凝集体よりなる処理対象物を分散させる分散処理を、処理品質を確保しつつ良好な処理効率で簡便に行うことができる凝集体の分散装置および分散方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides an agglomerate dispersion apparatus and dispersion method that can easily carry out a dispersion process for dispersing a treatment object made of agglomerates of microelements with good treatment efficiency while ensuring treatment quality. For the purpose.

本発明の凝集体の分散装置は、微小要素の凝集体よりなる処理対象物を分散させる分散処理を行う凝集体の分散装置であって、前記処理対象物を液体に混合したスラリー状物質を供給するスラリー状物質供給手段と、前記スラリー状物質を気体の噴流によって液滴化して加速する液滴加速手段とを備え、前記噴流における気体と前記凝集体との速度差によって凝集体に作用する剪断力により、凝集体から前記微小要素を分離させて分散処理前よりも小さいサイズの凝集体に分散させる。   The agglomerate dispersion apparatus according to the present invention is an agglomerate dispersion apparatus that performs a dispersion process for dispersing a treatment object made of agglomerates of microelements, and supplies a slurry-like substance in which the treatment object is mixed with a liquid. And a slurry accelerating means for accelerating the slurry-like substance into droplets by means of a gas jet, and shearing acting on the aggregates due to a speed difference between the gas and the aggregates in the jet The microelements are separated from the aggregate by force and dispersed into an aggregate having a smaller size than before the dispersion treatment.

本発明の凝集体の分散方法は、微小要素の凝集体よりなる処理対象物を分散させる分散処理を行う凝集体の分散方法であって、前記処理対象物を液体に混合したスラリー状物質を供給するスラリー状物質供給工程と、前記スラリー状物質を気体の噴流によって液滴化して加速する液滴加速工程とを含み、前記液滴加速工程において、前記噴流中における気体と前記凝集体との速度差によって凝集体に作用する剪断力により、凝集体から前記微小要素を分離させて分散処理前よりも小さいサイズの凝集体に分散させる。   The method for dispersing an aggregate according to the present invention is a method for dispersing an aggregate that performs a dispersion process for dispersing an object to be processed composed of aggregates of microelements, and supplying a slurry-like substance in which the object to be processed is mixed with a liquid A slurry-like material supplying step, and a droplet accelerating step for accelerating the slurry-like material into droplets by a gas jet, and in the droplet acceleration step, the velocity of the gas and the aggregate in the jet Due to the shearing force acting on the aggregate due to the difference, the microelements are separated from the aggregate and dispersed into the aggregate having a smaller size than before the dispersion treatment.

本発明によれば、処理対象物を液体に混合したスラリー状物質を気体の噴流によって液滴化して加速する液滴加速工程において、噴流における気体と凝集体との速度差によって凝集体に作用する剪断力によって凝集体から微小要素を分離させて分散処理前よりも小さいサイズの凝集体に分散させる方法を用いることにより、微小要素の凝集体よりなる処理対象物を分散させる分散処理を、処理品質を確保しつつ良好な処理効率で簡便に行うことができる。   According to the present invention, in a droplet accelerating step of accelerating a slurry-like substance obtained by mixing an object to be processed with a liquid into droplets by a gas jet, the slurry acts on the aggregate by a speed difference between the gas and the aggregate in the jet. By using a method that separates microelements from aggregates by shearing force and disperses them into aggregates of a smaller size than before the dispersion process, dispersion processing that disperses the processing object consisting of aggregates of microelements is processed quality Can be easily performed with good processing efficiency while ensuring the above.

本発明の一実施の形態の凝集体の分散装置の構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of the dispersion apparatus of the aggregate of one embodiment of this invention 本発明の一実施の形態の凝集体の分散装置に用いられる噴射チャンバの断面図Sectional drawing of the injection chamber used for the dispersion apparatus of the aggregate of one embodiment of this invention 本発明の一実施の形態の凝集体の分散装置に用いられるジェットノズルの断面図Sectional drawing of the jet nozzle used for the dispersion apparatus of the aggregate of one embodiment of this invention 本発明の一実施の形態の凝集体の分散方法における処理対象物の形態説明図Form explanatory drawing of the processing target object in the dispersion method of the aggregate of one embodiment of this invention 本発明の一実施の形態の凝集体の分散方法の工程説明図Process explanatory drawing of the dispersion method of the aggregate of one embodiment of this invention 本発明の一実施の形態の凝集体の分散方法による処理結果例を示す画像図The image figure which shows the example of a processing result by the dispersion | distribution method of the aggregate of one embodiment of this invention 本発明の一実施の形態の凝集体の分散方法による処理結果例を示す画像図The image figure which shows the example of a processing result by the dispersion | distribution method of the aggregate of one embodiment of this invention

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず図1を参照して、凝集体の分散装置の全体構成について説明する。凝集体の分散装置1は、微小要素の凝集体よりなる処理対象物を分散させる分散処理を行う機能を有するものである。本実施の形態においては、カーボンナノチューブや雲母(マイカ)の鱗片状の固体粒子など、微小要素が絡まった状態や積層した状態で凝集体を形成し、機械的な撹拌などの方法では効率的な分散処理が困難な物質を処理対象とする例を示している。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, with reference to FIG. 1, the overall configuration of the aggregate dispersing apparatus will be described. The agglomerate dispersing apparatus 1 has a function of performing a dispersion process for dispersing a processing object made of agglomerates of microelements. In the present embodiment, aggregates are formed in a state in which minute elements are entangled or laminated, such as carbon nanotubes or mica (mica) scale-like solid particles, and a method such as mechanical stirring is effective. An example is shown in which a substance that is difficult to be dispersed is treated.

図1において、凝集体の分散装置1は、処理対象となる凝集体を液体中に含有したスラリー状物質(以下、単に「スラリー」と略記する。)を貯留するスラリー貯留部2を備えており、スラリー貯留部2に貯留されたスラリーは、噴射チャンバ6の上端部に装着されたジェットノズル7に供給される。したがってスラリー貯留部2は、処理対象物を液体に混合したスラリー状物質を供給するスラリー状物質供給手段となっている。   In FIG. 1, an aggregate dispersion device 1 includes a slurry storage unit 2 that stores a slurry-like substance (hereinafter simply referred to as “slurry”) containing an aggregate to be processed in a liquid. The slurry stored in the slurry storage unit 2 is supplied to a jet nozzle 7 attached to the upper end of the injection chamber 6. Therefore, the slurry storage part 2 is a slurry-like substance supply means for supplying a slurry-like substance in which a processing target is mixed with a liquid.

そしてスラリーは、エア供給源5からジェットノズル7にエアを供給することにより発生する気体流によって微小液滴化するとともに高速に加速される。エア供給源5およびジェットノズル7は、スラリー状物質を気体の噴流によって液滴化して加速する液滴加速手段を構成する。これにより、スラリー中の微小要素の凝集体はより小さいサイズの凝集体に分散され、回収タンク9に回収される。回収された分散処理後のスラリーは、必要に応じて複数回の分散処理対象となる。噴射チャンバ6には排気ユニット8が付設されており、噴射チャンバ6内で発生したミスト状の排気を回収する。   The slurry is microdropletized and accelerated at high speed by the gas flow generated by supplying air from the air supply source 5 to the jet nozzle 7. The air supply source 5 and the jet nozzle 7 constitute droplet accelerating means for accelerating the slurry substance into droplets by a gas jet. Thereby, the agglomerates of the microelements in the slurry are dispersed into smaller-sized agglomerates and collected in the collection tank 9. The recovered slurry after dispersion treatment is subjected to dispersion treatment multiple times as necessary. An exhaust unit 8 is attached to the injection chamber 6 and collects mist-like exhaust generated in the injection chamber 6.

次に図2を参照して、分散処理部4に配設された噴射チャンバ6の構成を説明する。噴射チャンバ6は上部61、中間部62および下部63に3分割された縦型の略円筒形状の処理容器であり、噴射チャンバ6の内部はジェットノズル7から噴流を噴射するための噴射空間6aとなっている。上部61と中間部62および中間部62と下部63とは、それぞれ円環継手69b、69cを介して結合されている。   Next, the configuration of the injection chamber 6 disposed in the dispersion processing unit 4 will be described with reference to FIG. The injection chamber 6 is a vertical substantially cylindrical processing container that is divided into an upper part 61, an intermediate part 62, and a lower part 63. The inside of the injection chamber 6 includes an injection space 6 a for injecting a jet flow from the jet nozzle 7. It has become. The upper part 61 and the intermediate part 62, and the intermediate part 62 and the lower part 63 are connected via annular joints 69b and 69c, respectively.

上部61の頂部を絞って設けられたノズル取付部61aにはノズルホルダ68が円環継手69aを介して結合されており、ノズルホルダ68にはジェットノズル7が上方から装着されている。このような構成により、上部61、中間部62、下部63を、内部の部品交換などの必要に応じて容易に分解することができ、さらにジェットノズル7の着脱を容易に行うことが可能となっている、   A nozzle holder 68 is coupled to a nozzle mounting portion 61a provided by narrowing the top of the upper portion 61 via an annular joint 69a, and the jet nozzle 7 is mounted on the nozzle holder 68 from above. With such a configuration, the upper portion 61, the intermediate portion 62, and the lower portion 63 can be easily disassembled as needed for internal component replacement, and the jet nozzle 7 can be easily attached and detached. ing,

ジェットノズル7にはエア供給配管70、スラリー供給配管71が導設されており、エア供給配管70、スラリー供給配管71によってジェットノズル7には気体流を発生させるための駆動用のエアおよび分散対象の凝集体35を含むスラリー33が供給される(図5参照)。下部63の底部を絞って設けられた排液部63aの外面には側方に延出するフランジ63bが設けられており、フランジ63bには回収タンク9が円環継手69dを介して接続されている。   An air supply pipe 70 and a slurry supply pipe 71 are led to the jet nozzle 7, and driving air and a dispersion target for generating a gas flow in the jet nozzle 7 by the air supply pipe 70 and the slurry supply pipe 71. The slurry 33 containing the aggregate 35 is supplied (see FIG. 5). A flange 63b extending laterally is provided on the outer surface of the drainage part 63a provided by narrowing the bottom of the lower part 63, and the recovery tank 9 is connected to the flange 63b via an annular joint 69d. Yes.

排液部63aの内部は排液孔63cとなっており、回収タンク9には噴射チャンバ6によって分散処理が行われた凝集体を含むスラリーが排液孔63cを介して流入して貯留される。回収タンク9を取り外すことにより、内部に貯留された処理済みのスラリー33が回収される。中間部62の外側面には、排気吸引口62bを形成する分岐管62aが突設されており、分岐管62aには排気ユニット8が接続されている。排気ユニット8を作動させることにより、噴射チャンバ6の内部が排気吸引口62bを介して吸引され、排気ユニット8によって排気される。   Inside the drainage part 63a is a drainage hole 63c, and slurry containing aggregates that have been dispersed by the injection chamber 6 flows into and is stored in the recovery tank 9 via the drainage hole 63c. . By removing the collection tank 9, the treated slurry 33 stored inside is collected. A branch pipe 62a that forms an exhaust suction port 62b projects from the outer surface of the intermediate section 62, and the exhaust unit 8 is connected to the branch pipe 62a. By operating the exhaust unit 8, the inside of the injection chamber 6 is sucked through the exhaust suction port 62 b and exhausted by the exhaust unit 8.

次に図3を参照して、ジェットノズル7の構造を説明する。図3に示すように、ジェットノズル7は円筒形状のノズル本体部7aを主体としており、ノズル本体部7aには長手方向に貫通して内部流路孔31が形成されている。内部流路孔31の上流側は、エア供給配管10が接続されて圧縮気体である圧縮空気(矢印a)が導入される導入部31aとなっている。導入部31aの下流側には、内部流路孔31の流路径が流れ方向に沿って絞られたコンバージェント部31b、流路径が最も小さく絞られたスロート部31c、流路径が拡大するダイバージェント部31dおよび流路径が漸増する加速冷却部31eが圧縮空気の流れ方向に順次設けられている。加速冷却部31eがノズル本体部7aの端部に到達した開口は、微小液滴を含む噴流を噴射する噴射口7bとなっている。   Next, the structure of the jet nozzle 7 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3, the jet nozzle 7 is mainly composed of a cylindrical nozzle body 7a, and an internal flow path hole 31 is formed through the nozzle body 7a in the longitudinal direction. The upstream side of the internal flow path hole 31 is an introduction part 31a to which the air supply pipe 10 is connected and compressed air (arrow a) that is a compressed gas is introduced. On the downstream side of the introduction part 31a, a convergent part 31b in which the flow path diameter of the internal flow path hole 31 is narrowed along the flow direction, a throat part 31c in which the flow path diameter is narrowed the smallest, and a divergent in which the flow path diameter increases. The part 31d and the accelerated cooling part 31e whose flow path diameter gradually increases are sequentially provided in the flow direction of the compressed air. The opening where the accelerated cooling part 31e reaches the end of the nozzle body part 7a serves as an injection port 7b for injecting a jet flow containing minute droplets.

上述構成のジェットノズル7は、コンバージェント部31b、スロート部31cおよびダイバージェント部31dを有するラバールノズルを形成している。ノズル本体部7aはPTFE樹脂などの樹脂や金属で形成されており、一体成形あるいは適宜分割して成形されたものを一体化して製作される。スロート部31cの直径は例えば3〜10mmの範囲から適宜設定され、スロート部31cから噴射口7bまでの距離は、例えば100〜300mmの範囲で圧縮空気を加速するのに十分な距離に設定される。   The jet nozzle 7 configured as described above forms a Laval nozzle having a convergent portion 31b, a throat portion 31c, and a divergent portion 31d. The nozzle body 7a is formed of a resin such as PTFE resin or a metal, and is manufactured by integrally molding one that is integrally formed or appropriately divided. The diameter of the throat portion 31c is appropriately set, for example, from a range of 3 to 10 mm, and the distance from the throat portion 31c to the injection port 7b is set to a distance sufficient for accelerating the compressed air in a range of 100 to 300 mm, for example. .

すなわち圧縮空気は、スロート部31cで音速程度の高速となるように圧力が調整された後、亜音速(例えば50m/sec程度)でコンバージェント部31bに供給され、コンバージェント部31bで加速されてスロート部31cで音速(330m/sec程度)となり、ダイバージェント部31dでさらに加速されて、例えば400〜500m/sec程度の超音速まで加速される。スロート部31cの上流側には、凝集体を含むスラリー33を圧縮空気の流れと同方向に吐出するスラリー供給管32が設けられている。ここでスラリー33は予め設定された規定量でスラリー供給配管11を介して供給される。供給されたスラリー33は、スラリー供給管32の先端部の吐出口から吐出されて微小な液滴34となり、圧縮空気とともに下流側へ高速で流動する。   That is, after the pressure is adjusted so that the throat portion 31c has a high speed of about the speed of sound, the compressed air is supplied to the convergent portion 31b at a subsonic speed (for example, about 50 m / sec) and accelerated by the convergent portion 31b. The sound velocity (about 330 m / sec) is obtained at the throat portion 31c, and further accelerated by the divergent portion 31d, for example, to a supersonic velocity of about 400 to 500 m / sec. A slurry supply pipe 32 that discharges the slurry 33 containing aggregates in the same direction as the flow of compressed air is provided on the upstream side of the throat portion 31c. Here, the slurry 33 is supplied through the slurry supply pipe 11 in a predetermined amount set in advance. The supplied slurry 33 is discharged from the discharge port at the tip of the slurry supply pipe 32 to become a minute droplet 34, and flows to the downstream side together with the compressed air at a high speed.

スラリー供給管32の吐出口は、スロート部31cの近傍且つ内部流路孔31の内側壁面から離れた位置、例えばスロート部31cの中心から上流方向および下流方向にそれぞれスロート部31cの内径の5倍の長さの範囲以内である吐出口配置範囲内に配置される。このように、スラリー供給管32の吐出口をノズル本体部7aの内側壁面から離れたスロート部31cの近傍に配置することにより、吐出されたスラリー33が微粒化した液滴34がノズル本体部7aの内側壁面に形成される境界層領域の影響を受けにくくなり、これにより液滴34の速度低下を抑えて十分に加速することができる。   The discharge port of the slurry supply pipe 32 is located in the vicinity of the throat portion 31c and away from the inner wall surface of the internal flow path hole 31, for example, five times the inner diameter of the throat portion 31c in the upstream direction and the downstream direction from the center of the throat portion 31c. It is arrange | positioned in the discharge port arrangement | positioning range which is less than the range of length of this. As described above, by disposing the discharge port of the slurry supply pipe 32 in the vicinity of the throat portion 31c away from the inner wall surface of the nozzle main body portion 7a, the droplet 34 in which the discharged slurry 33 is atomized becomes the nozzle main body portion 7a. It becomes difficult to be affected by the boundary layer region formed on the inner wall surface of the liquid, and thus the speed reduction of the droplet 34 can be suppressed and the acceleration can be sufficiently accelerated.

ジェットノズル7内における噴流の加速過程について説明する。導入部31aに駆動エアとして設定圧(例えば0.5MPa)で供給された圧縮空気の流れは、まずコンバージェント部31bによって加速され(矢印b)、音速程度の流速でスロート部31cを通過する。そしてスロート部31cからダイバージェント部31d内に移動することにより圧力が低下してさらに加速される(矢印c)。そしてスラリー供給管32の吐出口から吐出され圧縮空気の流れによって微粒化した液滴34は、徐々に拡径する加速冷却部31e内で加速されながら下流側へ高速で流動し(矢印d)、ジェットノズル7の噴射口7bから噴射される。加速冷却部31eにおける拡径度合いは、内部流路孔31の内側壁面付近に形成される境界層領域の厚みを考慮して決定される。   The jet acceleration process in the jet nozzle 7 will be described. The flow of compressed air supplied to the introduction portion 31a as drive air at a set pressure (for example, 0.5 MPa) is first accelerated by the convergent portion 31b (arrow b), and passes through the throat portion 31c at a flow velocity about the speed of sound. Then, by moving from the throat portion 31c into the divergent portion 31d, the pressure is reduced and further accelerated (arrow c). Then, the droplet 34 discharged from the discharge port of the slurry supply pipe 32 and atomized by the flow of compressed air flows at a high speed to the downstream side while being accelerated in the accelerating cooling unit 31e that gradually expands (arrow d), It is ejected from the ejection port 7 b of the jet nozzle 7. The degree of diameter expansion in the accelerated cooling portion 31e is determined in consideration of the thickness of the boundary layer region formed near the inner wall surface of the internal flow path hole 31.

一般に流体の円管内流れにおいては、管内壁面付近で流れの状態が変化する境界層が形成され、この境界層領域では流速が低下する。そして管内径が一定の円管内流れの場合には、管出口付近で境界層領域が拡がり、この結果流れの中心付近での流速の低下が生じる。これに対し、この境界層領域を考慮して流れ方向に徐々に拡径した加速冷却部31eを設けることにより、境界層領域における流速低下の影響を抑えることができ、噴射口7b付近でも高速の流れを広い範囲で確保できるようになっている。すなわち上記構成の液滴加速手段は、スラリー33の液滴34を少なくとも音速の1倍以上の所定速度に加速して噴射する機能を有している。   In general, in the flow of fluid in a circular pipe, a boundary layer in which the flow state changes near the inner wall surface of the pipe, and the flow velocity decreases in this boundary layer region. In the case of a flow in a circular pipe having a constant pipe inner diameter, the boundary layer region expands in the vicinity of the pipe outlet, and as a result, the flow velocity decreases near the center of the flow. On the other hand, by providing the acceleration cooling part 31e that gradually expands in the flow direction in consideration of the boundary layer region, it is possible to suppress the influence of a decrease in the flow velocity in the boundary layer region, and to increase the speed even in the vicinity of the injection port 7b. The flow can be secured in a wide range. That is, the droplet accelerating means configured as described above has a function of accelerating and ejecting the droplet 34 of the slurry 33 at a predetermined speed that is at least one time the speed of sound.

そして本実施の形態においては、処理対象物の微小要素の凝集体35を含むスラリー33の液滴34を気体によって加速した噴流において、気体と凝集体35との速度差によって凝集体に作用する剪断力により、凝集体35の表面から微小要素を順次分離させて、分散処理前よりも小さいサイズの凝集体に分散させるようにしている(図5参照)。   In the present embodiment, in the jet flow obtained by accelerating the droplets 34 of the slurry 33 including the aggregates 35 of the microelements of the processing target with the gas, the shear acting on the aggregates due to the speed difference between the gas and the aggregates 35. The microelements are sequentially separated from the surface of the aggregate 35 by the force, and are dispersed in an aggregate having a size smaller than that before the dispersion treatment (see FIG. 5).

なお噴射チャンバ6には、上述のラバールノズル形式のジェットノズル7のみならず、一般的な2流体ノズル形式のジェットノズルを液滴加速手段として用いることができる。これらのジェットノズルは、分散処理の対象となる素材の分散難度や所望の分散態様、すなわち必要とされる粒径分布の均一さや分散処理後の微粒子に許容されるダメージの程度に応じて選択的に装着される。ここで分散難度とは厳密に定義された概念ではないが、対象とする微小要素の結合力の大小、すなわち凝集体から物理的な手段によって微小要素を分離させるのに必要な物理力の大きさを意味するものであると考えればよい。この分散難度は、現状においては個別に分散処理を実際に試行した結果から判断する。   The jet chamber 6 can use not only the above-described Laval nozzle type jet nozzle 7 but also a general two-fluid nozzle type jet nozzle as the droplet accelerating means. These jet nozzles are selectively used depending on the degree of dispersion difficulty of the material to be dispersed and the desired dispersion mode, that is, the required uniformity of the particle size distribution and the degree of damage allowed to the fine particles after the dispersion treatment. It is attached to. Here, the degree of dispersion difficulty is not a strictly defined concept, but the magnitude of the binding force of the target microelements, that is, the magnitude of the physical force required to separate the microelements from the aggregate by physical means Should be considered as meaning. This degree of distribution difficulty is determined from the result of actually trying the distribution process individually.

ラバールノズル形式のジェットノズル7は、分散処理対象の凝集体の種類によって定められる分散難度および所望の分散態様に応じて規定される所定速度が音速以上である場合に用いられる。すなわち分散処理の対象となる凝集体の分散難度が高い場合には、図3に示すジェットノズル7が選択的に用いられる。これに対し、液滴34の加速に必要とされる所定速度が音速未満の速度域である場合には、一般的な2流体ノズル形式のジェットノズルを適宜選択することができる。   The Laval nozzle type jet nozzle 7 is used when the dispersion speed determined by the type of aggregate to be dispersed and the predetermined speed defined according to the desired dispersion mode are equal to or higher than the sound speed. That is, when the dispersion difficulty of the aggregates to be dispersed is high, the jet nozzle 7 shown in FIG. 3 is selectively used. On the other hand, when the predetermined speed required for accelerating the droplet 34 is a speed range lower than the sonic speed, a general two-fluid nozzle type jet nozzle can be appropriately selected.

このような2流体ノズル形式のジェットノズルとしては、駆動エアの流路を絞ることによって発生した気体流中に凝集体を含むスラリーを供給することにより生じた微小液滴を噴射することが可能な構成であって、分散処理対象となる物質の分散難度や所望の分散度合いに応じた所定速度まで液滴を加速することが可能であれば、どのような形式の2流体ノズルであってもよい。   As such a two-fluid nozzle type jet nozzle, it is possible to eject fine droplets generated by supplying a slurry containing aggregates into a gas flow generated by narrowing the flow path of driving air. Any type of two-fluid nozzle may be used as long as the droplet can be accelerated to a predetermined speed according to the dispersion difficulty of the substance to be dispersed and the desired degree of dispersion. .

次に図4を参照して、本実施の形態において処理対象となる凝集体35の形態について説明する。図4(a)は、スラリー33中に含まれる処理対象物が、カーボンナノチューブが凝集した繊維状の凝集体35Aである例を示している。図4(a)において凝集体35Aは、微細な繊維状のカーボンナノチューブ36が不規則に重畳もしくは絡み合って凝集した状態で存在しており、液中での攪拌など単純な機械的操作では均一に分散させることが難しい。すなわち図4(a)に示す例では、微小要素はカーボンナノチューブ36であり、処理対象物はカーボンナノチューブ36が凝集した繊維状の凝集体35Aである。   Next, with reference to FIG. 4, the form of the aggregate 35 used as the process target in this Embodiment is demonstrated. FIG. 4A shows an example in which the processing target contained in the slurry 33 is a fibrous aggregate 35A in which carbon nanotubes are aggregated. In FIG. 4 (a), the aggregate 35A exists in a state where fine fibrous carbon nanotubes 36 are irregularly superimposed or entangled to be aggregated, and uniform by simple mechanical operation such as stirring in a liquid. Difficult to disperse. That is, in the example shown in FIG. 4A, the microelements are carbon nanotubes 36, and the treatment target is a fibrous aggregate 35A in which the carbon nanotubes 36 are aggregated.

また図4(b)は、スラリー33中に含まれる処理対象物が、雲母(マイカ)の鱗片状の固体粒子が凝集した繊維状の凝集体35Bである例を示している。図4(b)において凝集体35Bは、雲母(マイカ)の鱗片状の固体粒子37が積層して凝集した状態で存在しており、同様に単純な機械的操作では均一に分散させることが難しい。すなわち図4(b)に示す例では、微小要素は鱗片状の固形粒子であり、処理対象物は固形粒子が凝集した固体状の凝集体35Bである。   FIG. 4B shows an example in which the processing target contained in the slurry 33 is a fibrous aggregate 35B in which scale-like solid particles of mica (mica) are aggregated. In FIG. 4B, the aggregate 35B exists in a state where the mica (mica) scale-like solid particles 37 are laminated and aggregated, and similarly, it is difficult to uniformly disperse by a simple mechanical operation. . That is, in the example shown in FIG. 4B, the microelement is a scale-like solid particle, and the processing target is a solid aggregate 35B in which the solid particles are aggregated.

なおスラリー33に含有される凝集体35は、上述の凝集体35A,35Bには限定されず、微小要素の凝集体であって単純な機械的操作では均一に分散させることが難しいものであれば、金属粉末、金属間化合物粉末、酸化物、炭化物、窒化物などのセラミック粉末、有機化合物、これらの混合粉末等、各種の物質を処理対象とすることができる。また凝集状態も物質によって様々であり、単純に薄片が積層した形態のみならず、表面から部分的に剥離可能に固化した状態の物質も凝集体に含まれる。   The agglomerates 35 contained in the slurry 33 are not limited to the agglomerates 35A and 35B described above, and may be aggregates of minute elements that are difficult to disperse uniformly by a simple mechanical operation. Various materials such as metal powders, intermetallic compound powders, ceramic powders such as oxides, carbides, and nitrides, organic compounds, and mixed powders thereof can be treated. The aggregated state also varies depending on the substance, and the aggregate includes not only the form in which the flakes are simply laminated, but also a substance that is solidified so as to be partially peelable from the surface.

またスラリー33に用いられる液体は、水、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、ケトン類、エステル類、カルボン酸類、フェノール類、含窒素化合物類、含硫黄化合物類、フッ素化合物類、無機溶剤類等のように、従来より凝集体の分散に使用されているものを用いることが好ましく、必要に応じてこれらを混合してもよい。さらに、分散処理後の微小要素の分散状態を維持することを目的に、公知の添加剤を配合してもよい。公知の添加剤としては、例えば、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン性界面活性剤、高分子界面活性剤、シリコーン系界面活性剤、フッ素系界面活性剤等があり、上記目的を達成できる添加剤を必要量添加することが好ましい。   The liquid used for the slurry 33 is water, hydrocarbons, alcohols, ethers, ketones, esters, carboxylic acids, phenols, nitrogen-containing compounds, sulfur-containing compounds, fluorine compounds, and inorganic solvents. It is preferable to use what is conventionally used for dispersion | distribution of an aggregate like these, and you may mix these as needed. Furthermore, you may mix | blend a well-known additive in order to maintain the dispersion state of the microelement after a dispersion process. Known additives include, for example, anionic surfactants, cationic surfactants, amphoteric surfactants, nonionic surfactants, polymer surfactants, silicone surfactants, and fluorine surfactants. It is preferable to add a necessary amount of an additive that can achieve the above-mentioned purpose.

次に図5を参照して、凝集体の分散装置1を用いて実行される凝集体の分散方法について説明する。まず処理実行に先立って、予め凝集体35Aや凝集体35Bよりなる処理対象物を液体に混合したスラリー33が準備され、スラリー貯留部2に貯留されたスラリー33をジェットノズル7に供給する(スラリー状物質供給工程)。これにより、図5(a)に示すように、スラリー供給管32からスラリー33がスロート部31cの近傍で吐出される。   Next, with reference to FIG. 5, an aggregate dispersion method that is performed using the aggregate dispersion apparatus 1 will be described. First, prior to the execution of the process, a slurry 33 is prepared by previously mixing a processing object including the aggregate 35A and the aggregate 35B with a liquid, and the slurry 33 stored in the slurry storage unit 2 is supplied to the jet nozzle 7 (slurry). Process of supplying a solid substance). Thereby, as shown in FIG. 5A, the slurry 33 is discharged from the slurry supply pipe 32 in the vicinity of the throat portion 31c.

このとき内部流路孔31には駆動用のエアが設定圧(例えば0.5MPa)で送給されており、これにより内部流路孔31から下流側ではコンバージェント部31bによって加速されて(矢印e)、音速程度の流速の噴流となってスロート部31cを通過する。そして図5(b)に示すように、スラリー供給管32から吐出されたスラリー33は噴流によって液滴34となり、さらに液滴34を含む噴流は、スロート部31cからダイバージェント部31d内を経由してさらに下流側へ移動する。そしてこの過程において圧力が低下して、液滴34はさらに加速される(矢印f、g)。すなわちここでは、スラリー33を気体の噴流によって液滴化して加速する(液滴加速工程)。   At this time, driving air is supplied to the internal flow path hole 31 at a set pressure (for example, 0.5 MPa), thereby being accelerated by the convergent portion 31b downstream from the internal flow path hole 31 (arrows). e) Passes through the throat portion 31c in the form of a jet having a velocity about the speed of sound. Then, as shown in FIG. 5B, the slurry 33 discharged from the slurry supply pipe 32 becomes a droplet 34 by the jet, and the jet including the droplet 34 further passes through the divergent portion 31d from the throat portion 31c. Move further downstream. In this process, the pressure decreases, and the droplet 34 is further accelerated (arrows f and g). That is, here, the slurry 33 is made into droplets by a gas jet and accelerated (droplet acceleration step).

この液滴加速工程においては、図5(c)に示すように、液滴34は噴流における気体の流れ(流速va)により加速されて、凝集体35とともに流速vdで下流側へ流動する。このとき、気体の流速vaは液滴34の流速vdよりも遙かに大きいことから、図5(d)に示すように、液滴34の表面近傍にある凝集体35の表面35aには、速度差(va−vd)に起因する流体力が作用する。そしてこの流体力は、液滴34の表面34aから分散体34b、すなわち分散処理前よりも小さいサイズの凝集体を分離させる。この分離作用は、噴流における気体と凝集体35との速度差によって凝集体34に作用する剪断力により、凝集体34から表面34a近傍の微小要素(カーボンナノチューブ36または固体粒子37)を分離させることにより行われる。   In this droplet accelerating step, as shown in FIG. 5C, the droplet 34 is accelerated by the gas flow (flow velocity va) in the jet and flows downstream with the aggregate 35 at the flow velocity vd. At this time, since the flow velocity va of the gas is much larger than the flow velocity vd of the droplet 34, the surface 35a of the aggregate 35 in the vicinity of the surface of the droplet 34, as shown in FIG. The fluid force resulting from the speed difference (va−vd) acts. This fluid force separates the dispersion 34b, that is, an aggregate having a size smaller than that before the dispersion treatment, from the surface 34a of the droplet 34. This separation action separates microelements (carbon nanotubes 36 or solid particles 37) in the vicinity of the surface 34a from the aggregate 34 by a shearing force acting on the aggregate 34 due to the difference in velocity between the gas and the aggregate 35 in the jet. Is done.

図6は、カーボンナノチューブが凝集した繊維状の凝集体35Aを処理対象として、上述の方法によって行われた分散処理の効果を示している。図6(a)、(b)、(c)は、処理前、1パス処理後、5パス処理後の状態をそれぞれ示す顕微鏡画像であり、(イ)、(ロ)は同一処理対象を異なる倍率で撮像した画像を示している。これらの画像からわかるように、処理パス回数を増すごとに凝集体35Aからカーボンナノチューブ36への分散度合いが向上していることが判る。   FIG. 6 shows the effect of the dispersion treatment performed by the above-described method using the fibrous aggregate 35A in which carbon nanotubes are aggregated as a treatment target. FIGS. 6A, 6B, and 6C are microscopic images showing states before processing, after one pass processing, and after five pass processing, respectively, and (A) and (B) are different for the same processing target. An image taken at a magnification is shown. As can be seen from these images, the degree of dispersion from the aggregate 35A to the carbon nanotubes 36 increases as the number of processing passes increases.

また図7は、雲母(マイカ)の鱗片状の固体粒子が凝集した凝集体35Bを処理対象とした分散処理の効果を示している。図7(a)、(b)、(c)は、未加工品、1パス加工後、5パス加工後の状態をそれぞれ示す顕微鏡画像であり、(イ)、(ロ)は同一処理対象を異なる倍率で撮像した画像を示している。この例においても同様に、処理パス回数を増すごとに凝集体35Bから固体粒子37への分散度合いが向上している。   FIG. 7 shows the effect of the dispersion treatment on the aggregate 35B in which the mica (mica) scale-like solid particles are aggregated. FIGS. 7A, 7B, and 7C are microscopic images showing the unprocessed product, the state after one pass processing, and the state after the five pass processing, respectively. FIGS. 7A and 7B are the same processing targets. Images taken at different magnifications are shown. Similarly, in this example, the degree of dispersion from the aggregate 35B to the solid particles 37 is improved as the number of treatment passes is increased.

上記説明したように、本実施の形態に示す凝集体の分散装置および分散方法では、処理対象物を液体に混合したスラリー状物質を気体の噴流によって液滴化して加速する液滴加速工程において、噴流における気体と凝集体との速度差によって凝集体に作用する剪断力によって凝集体から微小要素を分離させて分散処理前よりも小さいサイズの凝集体に分散させるようにしている。これにより、微小要素の凝集体よりなる処理対象物を分散させる分散処理を、処理品質を確保しつつ良好な処理効率で簡便に行うことができる。   As described above, in the dispersion apparatus and dispersion method for aggregates shown in the present embodiment, in the droplet acceleration step of accelerating the slurry-like substance obtained by mixing the object to be processed into liquid droplets by a gas jet, The microelements are separated from the aggregates by the shearing force acting on the aggregates due to the difference in velocity between the gas and the aggregates in the jet, and dispersed into aggregates having a size smaller than that before the dispersion treatment. Thereby, the dispersion | distribution process which disperse | distributes the process target consisting of the aggregate of a microelement can be simply performed by favorable process efficiency, ensuring process quality.

本発明の凝集体の分散装置および分散方法は、微小要素の凝集体よりなる処理対象物を分散させる分散処理を、処理品質を確保しつつ良好な処理効率で簡便に行うことができるという利点を有し、カーボンナノチューブなどの微小要素の凝集体を分散させる分野において有用である。   The agglomerate dispersion apparatus and dispersion method of the present invention have the advantage that a dispersion process for dispersing a processing object consisting of agglomerates of microelements can be easily performed with good treatment efficiency while ensuring treatment quality. And is useful in the field of dispersing aggregates of microelements such as carbon nanotubes.

1 凝集体の分散装置
2 スラリー貯留部
4 分散処理部
5 エア供給源
6 噴射チャンバ
7 ジェットノズル
9 回収タンク
33 スラリー
34 液滴
35、35A、35B 凝集体
36 カーボンナノチューブ
37 固体粒子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Aggregate dispersion apparatus 2 Slurry storage part 4 Dispersion process part 5 Air supply source 6 Injection chamber 7 Jet nozzle 9 Recovery tank 33 Slurry 34 Droplet 35, 35A, 35B Aggregate 36 Carbon nanotube 37 Solid particle

Claims (6)

微小要素の凝集体よりなる処理対象物を分散させる分散処理を行う凝集体の分散装置であって、
前記処理対象物を液体に混合したスラリー状物質を供給するスラリー状物質供給手段と、
前記スラリー状物質を気体の噴流によって液滴化して加速する液滴加速手段とを備え、
前記噴流における気体と前記凝集体との速度差によって凝集体に作用する剪断力により、凝集体から前記微小要素を分離させて分散処理前よりも小さいサイズの凝集体に分散させることを特徴とする凝集体の分散装置。
An agglomerate dispersion apparatus that performs a dispersion process for dispersing an object to be processed consisting of agglomerates of microelements,
Slurry-like substance supply means for supplying a slurry-like substance in which the object to be treated is mixed with a liquid;
A droplet accelerating means for accelerating the slurry-like substance into droplets by a gas jet;
The microelements are separated from the aggregate by a shearing force acting on the aggregate due to a difference in velocity between the gas in the jet and the aggregate, and dispersed into an aggregate having a size smaller than that before the dispersion treatment. Aggregate dispersion device.
前記微小要素はカーボンナノチューブであり、前記処理対象物はカーボンナノチューブが凝集した繊維状の凝集体であることを特徴とする請求項1記載の凝集体の分散装置。   2. The aggregate dispersion apparatus according to claim 1, wherein the microelements are carbon nanotubes, and the processing object is a fibrous aggregate in which carbon nanotubes are aggregated. 前記微小要素は鱗片状の固形粒子であり、前記処理対象物は固形粒子が凝集した固体状の凝集体であることを特徴とする請求項1記載の凝集体の分散装置。     2. The aggregate dispersion apparatus according to claim 1, wherein the microelements are scale-like solid particles, and the processing object is a solid aggregate in which solid particles are aggregated. 微小要素の凝集体よりなる処理対象物を分散させる分散処理を行う凝集体の分散方法であって、
前記処理対象物を液体に混合したスラリー状物質を供給するスラリー状物質供給工程と、
前記スラリー状物質を気体の噴流によって液滴化して加速する液滴加速工程とを含み、
前記液滴加速工程において、前記噴流中における気体と前記凝集体との速度差によって凝集体に作用する剪断力により、凝集体から前記微小要素を分離させて分散処理前よりも小さいサイズの凝集体に分散させることを特徴とする凝集体の分散方法。
An agglomerate dispersion method for carrying out a dispersion process for dispersing an object to be processed consisting of agglomerates of microelements,
A slurry-like substance supplying step of supplying a slurry-like substance in which the object to be treated is mixed with a liquid;
A droplet accelerating step of accelerating the slurry-like substance by droplet formation by a gas jet,
In the droplet accelerating step, the microelements are separated from the aggregate by a shearing force acting on the aggregate due to the difference in velocity between the gas in the jet and the aggregate, and the aggregate has a smaller size than before the dispersion treatment. A method for dispersing an aggregate, characterized by being dispersed in a glass.
前記微小要素はカーボンナノチューブであり、前記処理対象物はカーボンナノチューブが凝集した繊維状の凝集体であることを特徴とする請求項4記載の凝集体の分散方法。   5. The method for dispersing aggregates according to claim 4, wherein the microelements are carbon nanotubes, and the object to be treated is a fibrous aggregate in which carbon nanotubes are aggregated. 前記微小要素は鱗片状の固形粒子であり、前記処理対象物は固形粒子が凝集した固体状の凝集体であることを特徴とする請求項4記載の凝集体の分散方法。     5. The method for dispersing aggregates according to claim 4, wherein the microelements are scale-like solid particles, and the processing object is a solid aggregate in which solid particles are aggregated.
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