JP4827190B2 - 粉体の比表面積測定用サンプルの形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定用セル内に形成した粉体層（サンプル層）に気体（空気）を透過させ、圧損（粉体層透過前後の差圧）あるいは粉体層を一定量の気体が透過する時間などから粉体の比表面積を自動測定する際に使用する粉体の比表面積測定用サンプルの形成装置、該サンプルの形成方法および粉体の比表面積測定装置に関する。

従来からセメント粉体の比表面積は、JIS R5201-1997に規定のブレーン（Blaine）気体透過装置を用いて測定されている。このJIS法は、マノメーターに取り付けた測定用セル内に形成した円柱状セメント粉体層を一定量の気体が通過する時間を測定する方法であり、この方法ではマノメーターの液頭を調節し、液頭が一定標線間を通過する時間からセメント粉体の比表面積を測定する方法である。この方法は測定が簡単であることからよく利用されており、この方法で測定される粉体の比表面積はブレーン値と称されている。

この方法の原理は、粒子密度ρ（ｇ／ｃｍ³）および比表面積Ｓ_w（ｃｍ²／ｇ）の粉体を、断面積Ａ（ｃｍ²）、層高Ｌ（ｃｍ）および空隙εの粉体層に形成し、この粉体層中を粘度ηの気体を一定の圧力差ΔＰ（Ｐａ）で透過させた時の気体の透過速度と、上記の特性値の関係を示すコゼニー−カーマン（Kozeny-Carman）の式を変形した下記の式（１）から粉体の比表面積Ｓ_wを求めるものである。

上記式中のＱ／ｔは気体の透過量（ｃｍ³／ｓｅｃ）であり、ｋ_Kはコゼニーの乗数で実験的に５と定められており、気体が空気の場合にはηは１．８２×１０^-5Ｐａ・ｓであって、Ｗは粉体の質量（ｇ）である。Ｑ／ｔを測定することで粉体の比表面積Ｓ_wが求められる。

上記JIS法では、一定高の円柱状に形成した粉体層（ΔＰおよびεは一定）を通過する気体の量（実際は一定量の気体が通過する時間）を測定する。測定対象のセメント粉体とともにブレーン値が既知の標準試料（セメント粉体）についても通過気体量を求め、下記式より測定対象のセメント粉体のブレーン値を求めている。

式中のＳは試料（測定対象の粉体）の比表面積、ρは試料の密度、ｔは試料の気体透過時間、εは試料の空隙率、Ｖは試料ベッドの体積、Ｍは試料の質量であり、Ｓ₀、ρ₀、ｔ₀、ε₀はそれぞれ校正用標準試料の比表面積、密度、気体透過時間および空隙率である。

上記JIS法は、全て手動操作で行うものであり、操作が煩雑で測定に個人差が生じやすく、長時間を要する。例えば、試料（セメント粉体）が充填される測定用セルは、測定用セルの底部に有孔金属板（穴数２５〜３５、穴径１．０±０．２ｍｍ）を設置し、その上に測定用セルの内径の大きさのろ紙を置き、秤り採った粉体試料を入れ、測定用セルの側面を軽くたたいて試料をならし、その上に別のろ紙を置き、側面に通気孔を有するプランジャーで試料表面を静かに手で押し、試料層（ベッド）の高さを一定とする操作によって準備される。この測定用セルの準備は、プランジャーの操作は単に静かに押すとだけ規定されているだけであることから、プランジャー操作に個人差が生じ、ΔＰ一定の要件を確保することが難しくなることがあり、前記の液頭の通過時間の測定と併せ、測定値のばらつきの要因となっている。

JIS法の上記の問題点を解消し、セメント粉体に限らず、種々の粉体の比表面積を自動で測定する装置が提案されている。第１の装置は、JIS法を自動化した装置で、マノメーターの上部に取り付ける測定用セルは、ステンレスなどの硬質金属などで概略円筒状に形成し、その内部下端におよそ１０μｍ程度のメッシュサイズを有する焼結金属あるいは多孔質板によって形成されたフィルターを嵌め込み、フィルター上に堆積された粉体が漏出することがなく、気体透過が確保されるようにしたものを使用する。上記測定用セルへの粉体の導入、エアシリンダーのプランジャーで粉体を圧縮して粉体層のベッドを形成する工程、ベッドが形成された測定用セルを用いてマノメーターの液頭が所定標線間を通過する時間の測定およびこれらの工程間の測定用セルの移動、取り付け、取り外しなどを自動化した粉体の比表面積自動測定装置である（特許文献１）。

第２の装置は、測定すべき粉体試料を筒状の粉体層として充填可能な試料充填室と、試料充填室に充填された粉体層を通過する気体の流量を制御または測定して通過流量Ｑ／ｔを設定または出力する流量設定出力手段と、前記気体が前記粉体層を通過して生じる差圧を制御または測定して圧力損失Δｐを設定または出力する損失量設定出力手段とを備えた粉体の比表面積測定装置である。Ｑ／ｔまたはΔｐを測定し、前記の式（１）より粉体の比表面積を求めるものである（特許文献２）。

また、第３の粉体の比表面積測定装置として、粉体層の一方側を大気圧とし、他方側を減圧にして、粉体層を気体が透過することにより圧力が一定値上昇するまでの時間（粉体層を一定量の気体が透過する時間に相当する）を測定して粉体の比表面積を自動測定する装置も提案されている（特許文献３）。この比表面積自動測定装置では、ρおよびｔを測定し、ブレーン値を上記式（２）より求めている。試料によってベッドの厚さが変化するために式（２）に（Ｖ／Ｖ₀）を乗じて補正している。Ｖ₀は校正用標準試料の体積である。

この第３の装置（粉体ブレーン値自動測定装置）は、第１の測定装置における測定用セルと同様の底部に焼結金属製のフィルター（気体透過部）が着脱可能に嵌装される略円筒形の密封可能な測定用セルに粉体を充填し、この粉体をプランジャーで圧密して粉体層のベッドを形成し、この粉体層を形成した測定用セルを用いてブレーン値を測定し、測定後の測定用セルからの粉体層の除去・クリーニングまでの操作を自動化したことと、粉体を充填した場合と、粉体非充填時の測定用セルを密封し、測定用セル内の気体を一定体積だけ圧縮する前後の圧力から粉体の密度を測定する密度測定部を有していることが特徴となっている。この密度測定の原理はベックマン比重計の測定原理（一定体積だけ膨張させる）と同じである。
特開２０００−１９０９６号公報 特開２００３−２０７４３９号公報 特開２００４−６９６３６号公報

上記の第２の装置では、粉体試料充填室（試料カラム）に円柱状粉体層（サンプル層）を形成する操作は、前記のJIS法と同じで手動であり、Ｑ／ｔまたはΔｐの測定が自動化されていることが特徴である。JIS法によるサンプル層は、前記のように、測定用セル底部に有孔金属板をおき、その上に円形ろ紙を置き、その上に粉体を測定用セル側面を軽くたたいて充填し、更にその上に円形ろ紙を置き、プランジャーを静かに手動で押すことで形成される。粉体を測定用セル内に充填する前に試料粉体をよくほぐす操作も必要である。
上記の粉体層の形成操作は、個人差が生じやすく、また、測定頻度が少ない場合には測定者の負担にはならないが、測定頻度が多い場合には測定用セルの準備は測定者にとって大きな負担となっている。しかし、第１および第３の装置で使用する測定用セルを用い、これらの装置におけるエアシリンダーを用いたプランジャーによる加圧でベッドを形成することでJIS法の上記の問題点は解消される。

しかし、測定用セル内の粉体をプランジャーで圧密する際の問題点は、一定の空隙率のサンプル層（測定用サンプル）を形成するためには、粉体中に含まれている気体を圧密過程で測定用セル外へ排気しなければならないということである。JIS法では、側面に気体抜きの溝が形成されたプランジャーを使用している。
第１および第３の装置では、測定用セルに充填された粉体をエアシリンダーを用いたプランジャーで圧密してサンプルを形成するが、その際の粉体中の気体抜きについては全く触れていない。これらの装置では測定用セルのフィルターとして気体透過性の焼結金属などからなるフィルターを用いていることから、気体の一部はフィルターから排出されるが、これだけでは不充分であり、他の気体抜きを講じる必要がある。

本発明の目的は、測定用セル内に形成したサンプル層に気体を透過させて粉体の比表面積を自動測定する際に、気体を透過させ、粉体を漏洩しないフィルターを底部に取り付けた円筒状粉体充填室を有する測定用セル内に、上記の問題点のないサンプル層を形成する装置、方法および粉体の比表面積測定装置を提供することである。

上記目的は以下の構成の本発明によって達成される。
１．上部が開放されている円筒状の粉体充填室（１）と、該充填室の底部を構成するフィルター（２）とからなる粉体の比表面積測定用サンプル層形成用セル（Ａ）と、上記粉体充填室（１）内に充填された粉体（１２）の圧密化手段（Ｂ）とからなり、上記フィルター（２）が気体を透過させるが粉体を透過させないフィルターであり、該フィルター（２）が充填室（１）の下方から挿入され、円環状の抑え具（９）により充填室の底部に保持され、フィルター固定ネジ（１０）によって固定し、上記円環状の抑え具（９）と上記固定ネジ（１０）の着脱によって、上記フィルター（２）が交換可能となっており、上記粉体の圧密化手段（Ｂ）が、その加圧面（３）の少なくとも一部に粉体中の気体をセル外に排気するための通気孔（４）を有するプランジャー（５）をピストン（６）先端に設置したピストンシリンダー（７）であり、該通気孔（４）の開口部には、気体は通過させるが粉体は通過させないフィルター（８）が設けられており、該フィルター（８）は、プランジャー（５）の加圧面（３）に通気孔（４）に連結している凹部（１１）に嵌め込まれ、プランジャー（５）の加圧面（３）とフィルター（８）の面とが面一になるように構成されていることを特徴とする粉体の比表面積測定用サンプルの形成装置を提供する。

２．少なくとも前記１に記載の粉体の比表面積測定用サンプルの形成装置（ａ）と、粉体の比表面積を測定する装置（ｂ）とを有することを特徴とする粉体の比表面積測定装置を提供する。

本発明によれば、粉体の比表面積測定装置で使用される測定用セル内に、再現よく空隙率が一定の円柱状サンプル層（粉体層）を容易に形成することができるサンプルの形成装置、形成方法および高精度で粉体の比表面積を測定することができる装置が提供される。

次に好ましい実施の形態を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
本発明の測定用セル内での円柱状サンプルの形成装置および方法は、円柱状サンプル内に気体を透過させ、コゼニー−カーマンの式に基づいた前記の式（１）または（２）から粉体の比表面積を測定する前記特許文献１〜３に記載の装置およびその他のいずれの粉体の比表面積測定装置にも適用が可能である。

本発明の粉体の比表面積測定用サンプルの形成装置（以下単に「サンプル層形成装置」という場合がある）の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明のサンプル層形成装置の全体を説明する図である。本発明のサンプル層形成装置は、図１に示すように、上部が開放されている円筒状の粉体充填室１と、該充填室１の底部を構成するフィルター２とからなる粉体の比表面積測定用サンプル層形成用セルＡ（以下単に「セルＡ」という）と、上記粉体充填室内に充填された粉体１２（図６参照）の圧密化手段Ｂとからなり、上記フィルター２が気体を透過させるが粉体を透過させないフィルターであり、上記粉体の圧密化手段Ｂが、その加圧面３の少なくとも一部に粉体中の気体をセル外に排気するための通気孔４を有するプランジャー５をピストン６の先端に設置したピストンシリンダー７であることを特徴とする。上記通気孔４の開口部には、粉体の漏出を防止するフィルター８を設けておくことが好ましい。

上記のセルＡは、通常ステンレススチール製の円筒体から構成されており、円筒体の内部である充填室１の容積は約２〜５ｃｍ³程度である。充填室１の底部は気体を通すが、粉体を漏出しないフィルター２で構成されており、該フィルター２は図２に示す分解図のように、充填室１の下方から挿入され、円環状の抑え具９により充填室の底部に保持され、フィルター固定ネジ１０によって固定し、上記円環状の抑え具９と上記固定ネジ１０の着脱によって、上記フィルター２が交換可能となっている。

上記フィルター２としては、充填室１内に装填された粉体を通過させずに保持し、気体を透過させることができるものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、金属、セラミック或いはプラスチックなどの焼結体からなるフィルターが好ましいものとして挙げられる。焼結体フィルターは、上記物質の粉体を焼結圧縮して形成した多孔質体のパウダーフィルター（孔径は数ミリ〜０．００１μｍ程度）と、ステンレス製金網を層状に重ね、圧縮焼結した積層金網焼結フィルター（孔径などは０．１〜５００μｍ程度）などが市販されており、比表面積測定装置の使用条件（透過気体圧、流量など）に応じて気体を透過し、粉体を通過させずに保持できるものを選択して使用することができる。フィルターによっては、サンプル層を形成する過程および／またはサンプル層を透過させる気体圧などで変形することもあるが、その場合には、金属製メッシュやその他の気体の透過に支障のない支持体でフィルターを支持することもできる。

上記セルＡとともに、本発明の装置を構成する前記圧密化手段Ｂは、ピストンシリンダー７とピストン６とプランジャー５とから構成されており、ピストン６の先端に設けられているプランジャー５が前記セルＡ内に挿入されて、セルＡ内に装填された粉体（図７参照）を圧縮し、該粉体を所定の密度まで圧密する。そのためにプランジャー５の外径は前記セルＡの円筒体の内径に等しい径を有している。プランジャー５の外径が前記セルＡの円筒体の内径よりも小さいと圧密化される粉体が、プランジャー５の表面と円筒体の内面との空隙から外部に漏出することになるので、プランジャー５の表面と円筒体の内面とは密着することが必要である。

上記プランジャー５の加圧面３には少なくとも１個の通気孔４が形成されており、プランジャー５にて粉体を圧密化する際に、粉体中に含まれている気体をセルＡ外に排出する。通気孔４の開口部には、前記フィルター２と同様に、気体は通過させるが粉体は通過させないフィルター８を設けておくことが好ましい。上記フィルター８は、プランジャー５の加圧面３に通気孔４に連結している凹部１１を形成し、該凹部１１に嵌め込み、プランジャー５の加圧面３とフィルター８の面とが面一になるように構成する。上記フィルター８の材質および性能は、前記フィルター２と同様である。通気孔４の形状は、粉体中の気体をセルＡ外に排出できる限り特に限定されず、如何なる形状および大きさであってもよい。例えば、図３は通気孔４の開口部を大きくした実施例を示しており、図４は通気孔４を複数個設けた実施例を示している。

次に上記本発明の装置を用いて比表面積測定用サンプルの形成方法を説明する。セメントなどの粉体試料を定量容器に充填する装置の１例を図５に示す。任意量（但し、定量容器の容積よりは多い量）の粉体試料１２を、電磁式バイブレーター１３などで振動させているホッパー１４に投入してほぐし、ホッパー１４の下端部の下方の容器保持台１５に載置した定量容器１６中に充填する。山盛り一杯となった定量容器１６の粉体面を任意の手段で均し、平らにする。上記装置は、通常、振動で飛び散る粉体を捕集する集塵可能な装置（例えば、吸引装置）を有し、定量容器の出し入れ口１７のある集塵室１８中で行う。定量容器１６の出し入れ口１７（容器保持台の正面に設置）の上部を定量容器１６の上端が接する高さに形成すると、定量容器１６を保持台１５より水平に移動させて出し入れ口１７を通過させることで上記の均しを自動的に行うことができる。

上記定量容器１６中の粉体１２を前記セルＡに充填する装置の１例を図６に示す。電磁式あるいは空気式バイブレーター１３などで振動させているホッパー１４に定量容器１６中の粉体１２を投入し、ホッパー下端部の下方に配置したセルＡの保持台１５に保持させたセルＡ中に充填する。一定量の粉体１２が充填されたセルＡを、図７（ａ），（ｂ）に示すように保持台１５に固定し、圧密手段Ｂのプランジャー５を降下させて、該プランジャー５をセルＡ内に挿入して、粉体１２を圧密化させる。

プランジャー５は、予め設定した圧力で粉体１２を圧縮するように設定され、圧縮を開始して設定圧になるとプランジャー５の降下は停止する。例えば、セルＡの粉体充填室の内径が約１ｃｍ、粉体１２の充填量が約６ｇ程度を０．３ＭＰａ程度の圧力で圧縮する。ピストン６の降下長から形成されたサンプル層１２’の高さが分かるようにリニアエンコーダが設置されている。プランジャー５の降下により、サンプル層１２’の下層の気体はフィルター２を通過し、サンプル層１２’の上層の気体はフィルター８を通過して系外に排気される。その結果、形成されるサンプル層１２’の粉体間に存在する気体の分布はサンプル層１２’全体において均一になる。

以上のようにサンプル層１２’が形成されたセルＡを保持台１５から外し、セルＡの全体を電子天秤で質量を測定し、風袋の質量を差し引くとサンプル層１２’を形成している粉体１２の質量が求められる。粉体の質量を測定したセルＡは粉体比表面積測定装置に取り付けられる。このように形成されたサンプル層１２’の比表面積は、図８に示すように、セルＡの開放側に気体圧入管１９をパッキン２１を介して取付け、フィルター側に排気管２０を取付けてサンプル層１２’中に気体を通過させ、その厚損や流量を測定することで測定することができる。

本発明の粉体の比表面積測定装置は、少なくとも上記のサンプル層形成装置（ａ）と粉体の比表面積測定装置（ｂ）とから構成される。必要によりセルＡへの粉体充填装置（図５）、セルＡ内の粉体の質量測定装置、粉体の密度測定装置、測定後のセルＡからの粉体の廃棄・洗浄装置、粉体の比表面積の値からはその存在が分からない粒径の大きな（例えば、数十μｍ程度）粉体の確認およびその割合を測定するふるい分け測定装置、粉体の組成分析装置（例えば、原子吸光分析装置、Ｘ線分析装置など）、色差計などを構成装置として適宜加えることができる。

次に、本発明のサンプル層形成装置を、前記の第２の粉体比表面積測定装置（特開２００３−２０７４３９公報に記載）に組み込んだ場合について説明する。粉体比表面積測定装置全体の１例を図９に、粉体比表面積測定装置の構成図を図１０に示す。図示の粉体比表面積測定装置は、粉体定量採取装置（図５）２２、定量容器中の一定量の粉体をセルＡへ充填するセルＡへの粉体充填装置（図６）２３、サンプル層形成装置（図１）２４、セルＡ中の粉体の質量を測定する粉体質量測定装置２５、粉体の比表面積測定装置２６および測定後の粉体層（サンプル層）を廃棄し、セルＡを洗浄する粉体廃棄・洗浄装置２７から構成されている。セルＡは＜ａ＞、＜ｂ＞、＜ｃ＞、＜ｄ＞、＜ｅ＞および＜ｆ＞の順に移動する。上記の全装置は粉体を排出する吸引装置などに接続した密閉室２８内に設置されている。

上記の各装置から構成される本発明の粉体の比表面積測定装置は、例えば、前記の各装置２２〜２４における動作（操作）をプログラム化し、そのプログラムで各装置間を移動し、当該装置での前記各操作を行うようにしたロボットで、粉体試料の投入、定量容器の搬入および搬出、セルＡの保持台への取り付け、定量容器からセルＡへの粉体の充填（但し、セルＡへ直接粉体を充填する場合には不要）、粉体が充填されたセルＡの保持台からの取り外し、サンプル層形成のためのサンプル層形成装置の保持台へのセルＡの取り付け、サンプル層形成後のセルＡの保持台からの取り外し、サンプル層が形成されたセルＡの質量測定、質量測定後のセルＡの比表面積測定装置への取り付け、測定終了後のセルＡの比表面積測定装置からの取り外し、およびセルＡからの粉体の廃棄・セルＡの洗浄（エアーブローなどによる）の一連の操作を行わせることで、上記各装置での操作を全て自動化することができる。

前記の第２の提案装置（特開２００３−２０７４３９号公報に記載）による粉体の比表面積測定を、マスコントローラーで一定量の気体をサンプル層を通過させる場合を例に図１０に基づいて説明する。前記の各装置２２〜２５を順に経てサンプル層３１が形成されたセルＡを試料カラム３０として粉体の比表面積測定装置に取り付け、流体発生源２９から例えば０．０５〜０．１ＭＰａの圧力で供給された空気は、流量設定出力手段３２を通過して試料カラム３０の入口３０ａからサンプル層３１に供給され、試料カラム３０の出口３０ｂから大気中に排出される。サンプル層３１の上流側と下流側の差圧に関する信号は、損失量設定出力手段３４と演算手段３５との間でやり取りされる。同様に、流量設定出力手段３２からの信号も流量設定出力手段３２と演算手段３５との間でやり取りされる。即ち、演算手段３５に流量Ｑ／ｔと圧力損失Δｐがインプットされ、試料粉体の比表面積（ブレーン値）が前記式により算出される。

本発明によれば、粉体の比表面積測定装置で使用される測定用セル内に、再現よく空隙率が一定の円柱状サンプル層を容易に形成することができるサンプルの形成装置、形成方法および高精度で粉体の比表面積を測定することができる装置が提供される。

本発明のサンプル層形成装置を説明する図。 セルＡを説明する図。 プランジャーの実施例を示す図。 プランジャーの実施例を示す図。 粉体の定量採取過程を説明する図。 セルに一定量の粉体を充填する過程を説明する図。 本発明のサンプル層形成方法を説明する図。 サンプル層の比表面積測定方法を説明する図。 比表面積測定装置の１例を説明する図。 特開２００３−２０７４３９公報に記載の粉体の比表面積測定装置を説明する図。

符号の説明

Ａ：サンプル層形成用セル
Ｂ：圧密化手段
１：粉体充填室
２：フィルター
３：加圧面
４：通気孔
５：プランジャー
６：ピストン
７：ピストンシリンダー
８：フィルター

Claims (2)

1. 上部が開放されている円筒状の粉体充填室（１）と、該充填室の底部を構成するフィルター（２）とからなる粉体の比表面積測定用サンプル層形成用セル（Ａ）と、上記粉体充填室（１）内に充填された粉体（１２）の圧密化手段（Ｂ）とからなり、上記フィルター（２）が気体を透過させるが粉体を透過させないフィルターであり、該フィルター（２）が充填室（１）の下方から挿入され、円環状の抑え具（９）により充填室の底部に保持され、フィルター固定ネジ（１０）によって固定し、上記円環状の抑え具（９）と上記固定ネジ（１０）の着脱によって、上記フィルター（２）が交換可能となっており、上記粉体の圧密化手段（Ｂ）が、その加圧面（３）の少なくとも一部に粉体中の気体をセル外に排気するための通気孔（４）を有するプランジャー（５）をピストン（６）先端に設置したピストンシリンダー（７）であり、該通気孔（４）の開口部には、気体は通過させるが粉体は通過させないフィルター（８）が設けられており、該フィルター（８）は、プランジャー（５）の加圧面（３）に通気孔（４）に連結している凹部（１１）に嵌め込まれ、プランジャー（５）の加圧面（３）とフィルター（８）の面とが面一になるように構成されていることを特徴とする粉体の比表面積測定用サンプルの形成装置。
2. 少なくとも請求項１に記載の粉体の比表面積測定用サンプルの形成装置（ａ）と、粉体の比表面積を測定する装置（ｂ）とを有することを特徴とする粉体の比表面積測定装置。

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