JP2021028051A

JP2021028051A - 分散装置及び分散方法

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Publication number: JP2021028051A
Application number: JP2019147143A
Authority: JP
Inventors: 龍之介宍戸; Ryunosuke Shishido
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2019-08-09
Filing date: 2019-08-09
Publication date: 2021-02-25

Abstract

【課題】分散にかかる時間を短縮できる分散装置及び分散方法を提供する。【解決手段】実施形態に係る分散装置は、液体を循環させながら粉体を供給することで液体に粉体を分散させる分散装置であって、液体を溜める液体貯留部と、粉体を溜める粉体貯留部と、分散補助剤を溜める分散補助剤貯留部と、前記液体に前記粉体及び前記分散補助剤を供給して前記液体に前記粉体を分散させる分散加工部と、を備えている。前記分散加工部は、中空のケースと、前記ケースの内部において回転する回転部と、前記液体貯留部から前記ケースの内部に前記液体を供給する液体供給部と、前記粉体貯留部から前記ケースの内部に前記粉体を供給する粉体供給部と、前記分散補助剤貯留部から前記ケースの内部に前記分散補助剤を供給する分散補助剤供給部と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、分散装置及び分散方法に関する。

液体を循環させながら粉体を供給することで、液体に粉体を分散させる分散装置が知られている（特許文献１）。このような分散装置を用いて液体に粉体を分散させる際に、液体と粉体との組み合わせによっては分散に時間がかかり、分散液の生産効率が低下するという問題がある。このことから、分散装置において、分散にかかる時間を短縮することが求められている。

特開２００６−２８１０１７号公報

本発明が解決しようとする課題は、分散にかかる時間を短縮できる分散装置及び分散方法を提供することである。

実施形態に係る分散装置は、液体を循環させながら粉体を供給することで液体に粉体を分散させる分散装置であって、液体を溜める液体貯留部と、粉体を溜める粉体貯留部と、分散補助剤を溜める分散補助剤貯留部と、前記液体に前記粉体及び前記分散補助剤を供給して前記液体に前記粉体を分散させる分散加工部と、を備えている。前記分散加工部は、中空のケースと、前記ケースの内部において回転する回転部と、前記液体貯留部から前記ケースの内部に前記液体を供給する液体供給部と、前記粉体貯留部から前記ケースの内部に前記粉体を供給する粉体供給部と、前記分散補助剤貯留部から前記ケースの内部に前記分散補助剤を供給する分散補助剤供給部と、を有する。

実施形態に係る分散装置を模式的に表す概略図である。実施形態に係る分散装置の分散加工部を模式的に表す概略図である。実施形態に係る分散方法の一例を表すフローチャートである。

以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、実施形態に係る分散装置を模式的に表す概略図である。
図１に表したように、実施形態に係る分散装置１００は、液体貯留部１０と、粉体貯留部２０と、分散補助剤貯留部３０と、分散加工部４０と、管路５０と、ポンプ６０と、を備えている。分散装置１００は、液体貯留部１０と分散加工部４０との間で液体１を循環させながら粉体２を供給することで、液体１に粉体２を分散させる。

液体貯留部１０は、液体１を溜めるタンクである。液体１は、粉体２を分散させる分散媒である。液体１は、水であってもよいし、有機溶媒であってもよい。また、液体１は、水以外の無機溶媒であってもよい。液体貯留部１０の容積は、特に限定されないが、例えば、５０Ｌ程度である。

この例では、液体貯留部１０の内部に攪拌部１２が設けられている。攪拌部１２は、液体貯留部１０の内部の液体１を攪拌する。攪拌部１２は、必要に応じて設けられ、省略可能である。

粉体貯留部２０は、粉体２を溜めるタンクである。粉体２は、液体１に分散させる分散質である。粉体２は、常温で固体である。粉体２は、例えば、２次粒子径が３０μｍ以下の微粒子である。粉体２は、例えば、無機化合物である。粉体２は、例えば、金属酸化物や炭素系導電剤などを含む。粉体貯留部２０の容積は、特に限定されないが、例えば、２０Ｌ程度である。

分散補助剤貯留部３０は、分散補助剤３を溜めるタンクである。分散補助剤３は、粉体２の液体１への分散を促進する。分散補助剤３は、例えば、界面活性剤及び分散剤の少なくともいずれかを含む。界面活性剤は、液体１の表面張力を低下させることで、粉体２の液体１への分散を促進する。界面活性剤は、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルカルボン酸塩、ジアルキルスルホこはく酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなどである。分散剤は、粉体２の粒子同士の凝集を抑制することで、粉体２の液体１への分散を促進する。分散剤は、例えば、ポリカルボン酸系、ポリエチレングリコール、ポリエーテル系などである。分散補助剤３は、例えば、液状である。分散補助剤貯留部３０の容積は、特に限定されないが、例えば、数ｍＬ程度である。

分散加工部４０は、液体１に粉体２及び分散補助剤３を供給して、液体１に粉体２を分散させる。分散加工部４０については、後述する。

管路５０は、各貯留部と分散加工部４０とを接続する。管路５０は、第１管路５１と、第２管路５２と、第３管路５３と、第４管路５４と、を有する。第１管路５１は、液体貯留部１０の下流側と分散加工部４０の上流側とを接続する。第２管路５２は、分散加工部４０の下流側と液体貯留部１０の上流側とを接続する。第３管路５３は、粉体貯留部２０と分散加工部４０の上流側とを接続する。第４管路５４は、分散補助剤貯留部３０と分散加工部４０の上流側とを接続する。

ポンプ６０は、液体１を循環させる。ポンプ６０は、第１管路５１及び第２管路５２の少なくともいずれかに設けられる。この例では、ポンプ６０は、第１管路５１に設けられている。ポンプ６０は、第２管路５２に設けられていてもよい。

液体貯留部１０に溜められた液体１は、第１管路５１を介して分散加工部４０に流入する。分散加工部４０から流出した液体１は、第２管路５２を介して液体貯留部１０に流入する。これを繰り返すことで、液体１は、液体貯留部１０と分散加工部４０との間で循環する。

図２は、実施形態に係る分散装置の分散加工部を模式的に表す概略図である。
図２に表したように、分散加工部４０は、ケース４１０と、回転部４２０と、モータ４３０と、センサ４４０と、制御部４５０と、を有する。

ケース４１０は、中空状である。ケース４１０は、例えば、円筒形である。ケース４１０の容積は、例えば、液体貯留部１０の容積よりも小さい。ケース４１０の内部の空間には、回転部４２０が収納されている。回転部４２０は、ケース４１０の内面との間に隙間４１８ができるように設けられている。隙間４１８は、例えば、１ｍｍ以上４ｍｍ以下である。回転部４２０は、ケース４１０の内部において回転する。回転部４２０は、シャフト４３１を介してモータ４３０と接続されている。

ケース４１０には、液体供給部４１１と、粉体供給部４１２と、分散補助剤供給部４１３と、排出部４１４と、が設けられている。

液体供給部４１１は、液体貯留部１０からケース４１０の内部に液体１を供給する。液体供給部４１１は、第１管路５１と分散加工部４０（ケース４１０）とを連通させる開口４１１ａを有する。液体貯留部１０に貯留された液体１は、第１管路５１及び液体供給部４１１を介して、ケース４１０の内部に流入する。この例では、液体供給部４１１は、回転部４２０の回転軸ＡＸと重なる位置に設けられている。

粉体供給部４１２は、粉体貯留部２０からケース４１の内部に粉体２を供給する。粉体供給部４１２は、第３管路５３と分散加工部４０（ケース４１０）とを連通させる開口４１２ａを有する。粉体貯留部２０に貯留された粉体２は、第３管路５３及び粉体供給部４１２を介して、ケース４１０の内部に流入する。この例では、粉体供給部４１２は、回転部４２０の回転軸ＡＸと重ならない位置に設けられている。

粉体供給部４１２は、例えば、ケース４１０の内部に粉体２を供給する開状態とケース４１０の内部に粉体２を供給しない閉状態とを切り替え可能な弁機構４１２ｂを有する。粉体供給部４１２の弁機構４１２ｂは、制御部４５０と電気的に接続されている。

分散補助剤供給部４１３は、分散補助剤貯留部３０からケース４１０の内部に分散補助剤３を供給する。分散補助剤供給部４１３は、例えば、第４管路５４と分散加工部４０（ケース４１０）とを連通させる開口４１３ａを有する。分散補助剤貯留部３０に貯留された分散補助剤３は、第４管路５４及び分散補助剤供給部４１３を介して、ケース４１０の内部に流入する。この例では、分散補助剤供給部４１３は、回転部４２０の回転軸ＡＸと重ならない位置に設けられている。

分散補助剤供給部４１３は、例えば、ケース４１０の内部に分散補助剤３を供給する開状態とケース４１０の内部に分散補助剤３を供給しない閉状態とを切り替え可能な弁機構４１３ｂを有する。分散補助剤供給部４１３の弁機構４１３ｂは、制御部４５０と電気的に接続されている。

なお、分散補助剤供給部４１３は、例えば、分散補助剤貯留部３０及び第４管路５４と一体に構成され、貯留された分散補助剤３をケース４１０の内部に供給可能なシリンジ状の機構を有していてもよい。

粉体供給部４１２の開口４１２ａの口径は、例えば、液体供給部４１１の開口４１１ａの口径よりも大きい。また、液体供給部４１１の開口４１１ａの口径は、例えば、分散補助剤供給部４１３の開口４１３ａの口径よりも大きい。粉体供給部４１２の開口４１２ａの口径を、液体供給部４１１の開口４１１ａの口径よりも大きくすることで、粉体供給部４１２において粉体２が詰まることを抑制できる。

この例では、液体供給部４１１の開口４１１ａ、粉体供給部４１２の開口４１２ａ、及び分散補助剤供給部４１３の開口４１３ａは、それぞれ、ケース４１０のシャフト４３１とは反対側の面に設けられている。液体供給部４１１の開口４１１ａ、粉体供給部４１２の開口４１２ａ、及び分散補助剤供給部４１３の開口４１３ａは、それぞれ、ケース４１０のどこに設けられていてもよい。また、液体供給部４１１の開口４１１ａ、粉体供給部４１２の開口４１２ａ、及び分散補助剤供給部４１３の開口４１３ａは、それぞれ、ケース４１０の異なる面に設けられていてもよい。

排出部４１４は、ケース４１０の内部から液体貯留部１０に液体１を排出する。排出部４１４は、分散加工部４０（ケース４１０）と第２管路５２とを連通させる開口４１４ａを有する。

モータ４３０は、回転部４２０を回転させる。より具体的には、モータ４３０は、回転の駆動力をシャフト４３１を介して回転部４２０に伝えることで、回転部４２０を回転させる。モータ４３０は、例えば、２４００ｒｐｍ以上３６００ｒｐｍ以下の回転数で回転部４２０を回転させる。モータ４３０は、制御部４５０と電気的に接続されている。

センサ４４０は、モータ４３０の負荷電流値を測定する。センサ４４０は、制御部４５０と電気的に接続されている。センサ４４０は、測定した負荷電流値を制御部４５０に送信する。

制御部４５０は、粉体供給部４１２、分散補助剤供給部４１３、及びモータ４３０の動作を制御する。制御部４５０は、例えば、モータ４３０の負荷に応じて、分散補助剤３の供給量を制御する。より具体的には、制御部４５０は、例えば、センサ４４０により測定された負荷電流値に応じて、分散補助剤供給部４１３の動作を制御し、分散補助剤３の供給量を制御する。制御部４５０は、例えば、ポンプ６０の動作を制御してもよい。

分散加工部４０は、ケース４１０の内部を負圧にするポンプをさらに有していてもよい。ケース４１０の内部を負圧（例えば、−０．１ＭＰａ程度）にすることで、粉体供給部４１２からケース４１０の内部に粉体２が供給されやすい。また、ケース４１０の内部を負圧にすることで、ケース４１０の内部の液体１が粉体供給部４１２（第３管路５３）や分散補助剤供給部４１３（第４管路５４）に逆流することを抑制できる。

ケース４１０の内部に流入した液体１及び粉体２は、例えば、図２に示した矢印の向きに流れる。粉体２は、ケース４１０とその内部で回転する回転部４２０との間の隙間４１８において発生するせん断応力、及び、減圧沸騰により発生するキャビテーションにより、液体１に分散される。このとき、ケース４１０の内部に分散補助剤供給部４１３を供給することで、粉体２の液体１への分散を促進させることができる。

以下、実施形態に係る分散方法について説明する。
図３は、実施形態に係る分散方法の一例を表すフローチャートである。
実施形態に係る分散方法では、例えば、各貯留部に材料が貯留された状態で分散が開始される。より具体的には、液体貯留部１０に液体１が貯留され、粉体貯留部２０に粉体２が貯留され、分散補助剤貯留部３０に分散補助剤３が貯留された状態で、分散が開始される。なお、粉体貯留部２０への粉体２の貯留は、複数回に分けて行われてもよい。つまり、粉体２の一部は、分散を開始してから粉体貯留部２０に貯留されてもよい。

図３に表したように、まず、制御部４５０は、ポンプ６０の作動を開始させるとともに、モータ４３０の回転を開始させる（ステップＳ１０１）。これにより、液体１の循環が開始されるとともに、回転部４２０の回転が開始される。制御部４５０は、ポンプ６０の作動開始とモータ４３０の回転開始とを同時に行ってもよいし、いずれかを先に行ってもよい。また、センサ４４０は、モータ４３０の回転開始に伴い、モータ４３０の負荷電流値の測定を開始する。

次に、制御部４５０は、粉体供給部４１２からの粉体２の供給を開始させる（ステップＳ１０２）。より具体的には、制御部４５０は、粉体供給部４１２の弁機構４１２ｂを開状態にして、粉体貯留部２０からケース４１０の内部に粉体２を供給する。粉体２は、ケース４１０の内部を流れる液体１に引っ張られてケース４１０の内部に流入し、液体１に分散される。

次に、制御部４５０は、センサ４４０により測定されたモータ４３０の負荷電流値が第１閾値以上であるかを判定する（ステップＳ１０３）。負荷電流値が第１閾値以上になると（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、制御部４５０は、分散補助剤供給部４１３からの分散補助剤３の供給を開始させる（ステップＳ１０４）。第１閾値は、例えば、モータ４３０の負荷電流値の定格値以下である。

分散補助剤３は、例えば、液体１に少量ずつ滴下することで供給される。分散補助剤３を少量ずつ滴下することで、モータ４３０の負荷電流値を緩やかに変化させることができる。これにより、分散補助剤３の使用量を必要最低限の量にすることができる。

制御部４５０は、モータ４３０の負荷電流値が第２閾値以下になるまで、分散補助剤供給部４１３からの分散補助剤３の供給を続ける（ステップＳ１０５：Ｎｏ）。モータ４３０の負荷電流値が第２閾値以下になると（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、制御部４５０は、分散補助剤供給部４１３からの分散補助剤３の供給を停止させる（ステップＳ１０６）。第２閾値は、第１閾値と同じ値、または、第１閾値よりも小さい値である。

次に、制御部４５０は、粉体供給部４１２からの粉体２の供給量が所定量に達したかを判定する（ステップＳ１０７）。粉体供給部４１２からの粉体２の供給量が所定量に達すると（ステップＳ１０７：Ｙｅｓ）、制御部４５０は、粉体供給部４１２からの粉体２の供給を停止させる（ステップＳ１０８）。より具体的には、制御部４５０は、粉体供給部４１２の弁機構４１２ｂを閉状態にする。

制御部４５０は、所定時間（例えば、３０分間）が経過するまで、ポンプ６０の作動及びモータ４３０の回転を続けて、液体１、粉体２、及び分散補助剤３を循環させる（ステップＳ１０９：Ｎｏ）。所定時間が経過すると、制御部４５０は、ポンプ６０の作動を停止させるとともに、モータ４３０の回転を停止させる（ステップＳ１１０）。これにより、液体１の循環が停止されるとともに、回転部４２０の回転が停止される。制御部４５０は、ポンプ６０の作動停止とモータ４３０の回転停止とを同時に行ってもよいし、いずれかを先に行ってもよい。以上により、分散を終了する。

ステップＳ１０７において、粉体供給部４１２からの粉体２の供給量が所定量に達しない場合（ステップＳ１０７：Ｎｏ）、制御部４５０は、ステップＳ１０３に戻る。

また、ステップＳ１０３において、負荷電流値が第１閾値未満の場合（ステップＳ１０３：Ｎｏ）、制御部４５０は、ステップＳ１０４〜Ｓ１０６を行わずに、ステップＳ１０７を行う。

以下、実施形態に係る分散装置１００及び実施形態に係る分散方法の作用効果について説明する。

分散装置では、液体を循環させながら粉体を供給することで、液体に粉体を分散させる。液体に粉体を供給すると、粘度が上昇し、分散加工部のモータの負荷が大きくなる。そこで、液体に粉体を供給する際には、モータの負荷が大きくなりすぎないように、粉体を徐々に投入する。このとき、液体と粉体との組み合わせによっては、濡れ性が悪く、粉体の供給に長時間を要する場合がある。例えば、水に炭素系材料を分散させる場合などには、濡れ性が悪いために、粉体の供給に長時間を要する。粉体の供給にかかる時間が長くなると、分散にかかる時間が長くなり、分散液の生産効率が低下するという問題がある。

そこで、実施形態においては、分散補助剤３を溜める分散補助剤貯留部３０を設け、さらに、分散加工部４０において、分散補助剤貯留部３０からケース４１０の内部に分散補助剤３を供給する分散補助剤供給部４１３を設ける。そして、分散加工部４０において液体１に粉体２を供給する際に、液体１に分散補助剤３を供給する。

これにより、濡れ性が悪い液体１と粉体２の組み合わせであっても、分散補助剤３を添加することで濡れ性を改善し、粉体２の供給に要する時間を短縮することができる。したがって、分散にかかる時間を短縮することができ、分散液の生産効率を向上させることができる。

また、実施形態において、制御部４５０は、モータ４３０の負荷に応じて、分散補助剤３の供給量を制御する。より具体的には、制御部４５０は、モータ４３０の負荷電流値が第１閾値以上になると、分散補助剤供給部４１３からの分散補助剤３の供給を開始させ、モータ４３０の負荷電流値が第２閾値以下になると、分散補助剤供給部４１３からの分散補助剤３の供給を停止させる。

これにより、分散加工部４０のモータ４３０の負荷が大きくなりすぎないようにしつつ、粉体２の供給に要する時間を短縮することができる。また、モータ４３０の負荷電流値が大きいときにのみ分散補助剤３を供給することで、分散補助剤３の使用量を必要最低限の量にすることができる。また、制御部４５０により分散補助剤供給部４１３を制御することで、分散補助剤３の供給開始及び供給停止を自動化することができる。

以上、説明したように、実施形態によれば、分散にかかる時間を短縮できる分散装置及び分散方法が提供される。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１…液体、２…粉体、３…分散補助剤、１０…液体貯留部、１２…攪拌部、２０…粉体貯留部、３０…分散補助剤貯留部、４０…分散加工部、５０…管路、５１〜５４…第１〜第４管路、６０…ポンプ、１００…分散装置、４１０…ケース、４１１…液体供給部、４１１ａ…開口、４１２…粉体供給部、４１２ａ …開口、４１２ｂ…弁機構、４１３…分散補助剤供給部、４１３ａ…開口、４１３ｂ…弁機構、４１４…排出部、４１４ａ…開口、４１８…隙間、４２０…回転部、４３０…モータ、４３１…シャフト、４４０…センサ、４５０…制御部、ＡＸ…回転軸

Claims

液体を循環させながら粉体を供給することで液体に粉体を分散させる分散装置であって、
液体を溜める液体貯留部と、
粉体を溜める粉体貯留部と、
分散補助剤を溜める分散補助剤貯留部と、
前記液体に前記粉体及び前記分散補助剤を供給して前記液体に前記粉体を分散させる分散加工部と、
を備え、
前記分散加工部は、
中空のケースと、
前記ケースの内部において回転する回転部と、
前記液体貯留部から前記ケースの内部に前記液体を供給する液体供給部と、
前記粉体貯留部から前記ケースの内部に前記粉体を供給する粉体供給部と、
前記分散補助剤貯留部から前記ケースの内部に前記分散補助剤を供給する分散補助剤供給部と、
を有する、分散装置。
前記分散加工部は、
前記回転部を回転させるモータと、
前記分散補助剤供給部の動作を制御する制御部と、
をさらに有し、
前記制御部は、前記モータの負荷に応じて、前記分散補助剤の供給量を制御する、請求項１記載の分散装置。
前記分散加工部は、前記モータの負荷電流値を測定するセンサをさらに有し、
前記制御部は、
前記負荷電流値が第１閾値以上になると、前記分散補助剤供給部からの前記分散補助剤の供給を開始させ、
前記負荷電流値が第２閾値以下になると、前記分散補助剤供給部からの前記分散補助剤の供給を停止させる、請求項２記載の分散装置。
液体を循環させながら粉体を供給することで液体に粉体を分散させる分散方法において、
液体貯留部と分散加工部との間で液体を循環させながら、前記分散加工部において前記液体に粉体を供給し、
前記液体に前記粉体を供給する際に、前記分散加工部において前記液体に分散補助剤を供給する、分散方法。