JP5046557B2 - メディア攪拌型湿式分散機及び微粒子の分散方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続的に分散処理を行うメディア攪拌型湿式分散機に関する。

湿式分散処理とは、スラリー中に含まれる固体粒子を微粉砕して、より細かい微粒子からなる分散液とする処理である。例えば、プリンター用インク、塗料、重合トナー、カラーレジスト、セラミックス微粒子、酸化チタン、金属粉末、医薬品等の広い分野においてよく行われている。すなわち、これらは無機質微粒子、有機質微粒子、無機有機複合微粒子又はこれらの混合物を含むスラリーである。

これらの処理に使用される分散機の一つとして、メディア攪拌型の分散機がある。この分散機は、容器内でスラリー状の処理液とメディアとを一緒に攪拌し、メディアの剪断力によって粒子を粉砕すると共に分散するものである。分散後の処理液は、容器内に設けられたセパレータによりメディアと分離されて容器外に排出される。セパレータとしては、ギャップタイプやスクリーンタイプ等の篩式のものが多く使用されている。

分散処理の性能は使用するメディアの直径に大きく影響され、メディアの直径が小さいほど、分散液中の微粒子径を小さくすることができるので、近年の傾向としては、メディアの直径を小さくする傾向にある。しかしながら、メディアの小径化に伴ってメディアが排出側へ押し付けられる偏析現象が問題となり、この問題を解決するためにＬ／Ｄ比が１未満のメディア攪拌型湿式分散機が特許文献１に提案されている。

図９に示すように、特許文献１に記載されたメディア攪拌型湿式分散機１０１は、円筒状の容器１０２と、容器１０２内を径方向に内側室１２１と外側室１２２に区画すると共に両室間を連通する複数のスリット１３１が形成される筒状のセパレータ１０３と、容器１０２の一端を挿通して回転自在に設けられる回転軸１０４と、回転軸１０４に固定されて回転するロータ１０５と、容器１０２の他端に設けられ内側室内外を連通する処理物の供給口１０６と、容器１０２の外周に設けられ外側室内外を連通する処理物の排出口１０７を備えている。

そして、供給口１０６から容器１０２内に処理物を供給してロータ１０５を回転させると、処理物は内側室１２１内に位置しているメディアと共に攪拌され粉砕処理及び分散処理を受け、容器１０２の中心から外方向に向かって流動し、セパレータ１０３のスリット１３１によってメディアが分離され、外側室１２２から排出口１０７を介して容器１０２外に排出される。

この分散機１０１は、Ｌ／Ｄ比を小さくすると共に、セパレータ１０３の表面積を大きくすることによってメディアの偏析を防止することができる。しかしながら、この分散機１０１は、ロータ１０５とセパレータ１０３との間に位置するメディアが、共回り（グループモーション）を起こすという問題がある。このため、ロータ１０５の周囲で発生すべきメディア間の剪断力が減少して処理効率の低下を招くという問題がある。また、セパレータ１０３の表面に接触するメディアの速度が、ロータ１０５の周速度に近い高速となってセパレータ１０３が摩耗するという問題がある。
特開平１０−１５４１１号公報

本発明の目的は、円筒状の容器と、容器内を径方向に内側室と外側室に区画すると共に両室間を連通する複数のスリットが形成される筒状のセパレータと、容器の一端を挿通して回転自在に設けられる回転軸と、回転軸に固定されて回転するロータと、容器の他端に設けられ内側室内外を連通する処理物の供給口と、容器の外周に設けられ外側室内外を連通する処理物の排出口を備えるメディア攪拌型湿式分散機であって、メディアの共回り現象を抑制することにより、分散処理効率を向上し、セパレータ等における摩耗を防止できる分散機を提供することである。また、分散処理効率を向上し、セパレータ等における摩耗を防止できる微粒子の分散方法を提供することである。

上記のような課題を解決するために、本発明の請求項１に係るメディア攪拌型湿式分散機は、円筒状の容器と、該容器内を径方向に内側室と外側室に区画すると共に両室間を連通する複数のスリットが形成される筒状のセパレータと、前記容器の一端を挿通して回転自在に設けられる回転軸と、前記回転軸に固定されて回転するロータと、前記容器の他端に設けられ前記内側室内外を連通する処理物の供給口と、前記容器の外周に設けられ前記外側室内外を連通する処理物の排出口を備えるメディア攪拌型湿式分散機において、前記ロータが、円筒状の攪拌部と円板状の保持部を備える複数の小ロータからなり、かつ、前記攪拌部が内外を連通する複数の貫通孔を備えて、前記攪拌部の内外を循環する循環流を発生させるとともに、前記保持部が、開口を備えて、全体を均一な混合状態とするようにした手段を採用している。

また、本発明の請求項２に係るメディア攪拌型湿式分散機は、請求項１に記載のメディア攪拌型湿式分散機において、前記内側室が直径Ｄで両端間の長さＬの円筒状であり、前記小ロータの数がＮであるとき、式１の関係がある手段を採用している。
０．３Ｎ ＜ Ｌ／Ｄ ＜ ０．７５Ｎ …… 式１

また、本発明の請求項３に係るメディア攪拌型湿式分散機は、請求項１又は２に記載のメディア攪拌型湿式分散機において、前記内側室の両端部が、所定の内方位置から端に向かって順次小径に形成されて曲率半径Ｒの断面湾曲状をなし、前記直径Ｄとの間に式２の関係がある手段を採用している。
Ｄ／３０ ＜ Ｒ ＜ Ｄ／３ …… 式２

また、本発明の請求項４に係るメディア攪拌型湿式分散機は、請求項１乃至３の何れか１項に記載のメディア攪拌型湿式分散機において、前記攪拌部の外径ｄが、前記直径Ｄとの間に式３の関係がある手段を採用している。
０．７０ ＜ ｄ／Ｄ ＜ ０．９７ …… 式３

また、本発明の請求項５に係るメディア攪拌型湿式分散機は、請求項１乃至４の何れか１項に記載のメディア攪拌型湿式分散機において、前記攪拌部の幅ｗが、前記長さＬ及び前記数Ｎとの間に式４の関係がある手段を採用している。
０．７Ｌ ＜ ｗＮ ＜ ０．９Ｌ …… 式４

また、本発明の請求項６に係るメディア攪拌型湿式分散機は、請求項１乃至５の何れか１項に記載のメディア攪拌型湿式分散機において、前記攪拌部の内周面から外周面へ向かう前記貫通孔の方向が、回転方向に対して後退する方向に傾斜している手段を採用している。

また、本発明の請求項７に係るメディア攪拌型湿式分散機は、請求項１乃至６の何れか１項に記載のメディア攪拌型湿式分散機において、前記攪拌部が、外周面に突起を備えている手段を採用している。

また、本発明の請求項８に係るメディア攪拌型湿式分散機は、請求項１乃至７の何れか１項に記載のメディア攪拌型湿式分散機において、前記攪拌部が前記保持部により二分されると共に、前記攪拌部が二分される両方の側に前記貫通孔を備えている手段を採用している。

また、本発明の請求項９に係る微粒子の分散方法は、無機質微粒子、有機質微粒子、無機有機複合微粒子又はこれらの混合物を含むスラリー状処理液の分散方法において、請求項１乃至８の何れか１項に記載のメディア攪拌型湿式分散機を用いる手段を採用している。

また、本発明の請求項１０に係る微粒子の分散方法は、請求項９に記載の微粒子の分散方法において、前記容器内に充填するメディアが前記攪拌部の周囲にリング状に最密充填されると仮定した場合に、リングの厚さＡが、前記長さＬ及び前記数Ｎとの間に式５の関係がある手段を採用している。
０．６７Ｎ ＜ Ｌ／Ａ ＜ １．５Ｎ …… 式５

本発明のメディア攪拌型湿式分散機は、前記のような構成としたことにより、小ロータの攪拌部において、貫通孔を通過する循環流を発生させることになる。すなわち、小ロータの攪拌部周辺に位置する処理物及びメディアは、貫通孔では内側から外側に向かって流れ、攪拌部の外側では攪拌部の中央から端部に向かって流れ、攪拌部の端部では外側から内側に向かって流れ、攪拌部の内側では端部から貫通孔に向かって流れる。

この循環流の発生により、攪拌部の周辺にあるメディアは共回りを起こすことができなくなり、メディア間に強力な剪断力を発生して効率の高い粉砕処理及び分散処理を行うことができる。また、共回りの解消により、セパレータ付近でのメディアの流速が遅くなり、セパレータ等の摩耗を防止することができる。

以下、図面に示す本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図８には、本発明によるメディア攪拌型湿式分散機の実施形態が示されている。図１はメディア攪拌型湿式分散機の概略側面断面図、図２はロータの概略断面図である。
このメディア攪拌型湿式分散機１は、処理物の供給口６及び排出口７を備える円筒状の容器２の内部に、筒状のセパレータ３と、回転軸４に固定されて回転するロータ５を備え、ロータ５は複数の小ロータ５０からなっている。

容器２は、筒状のセパレータ３により、径方向に内側室２１と外側室２２とに区画されている。そして、粉砕処理及び分散処理は内側室２１で行われるので、内側室２１の内部形状は、本発明の重要な構成要素である。すなわち、容器２の内側両端間の長さをＬとし、セパレータ３の内径をＤとすると、これらは、円筒状の内側室２１についての両端間の長さＬ及び直径Ｄとなる。そして、小ロータ５０の数をＮとするとき、長さＬと直径Ｄとの比は、０．３Ｎ＜Ｌ／Ｄ＜０．７５Ｎの範囲とすることが好ましい。Ｌ／Ｄを０．７５Ｎよりも小さくすることにより、直径の小さなメディアを使用した場合でも、メディアの偏析現象及びグループモーションの発生を抑制することができる。また、０．３Ｎよりも大きくすることにより、ロータ５の作用範囲を十分に確保することができる。

また、内側室２１の両端部は、所定の内方位置から端に向かって順次小径に形成されて断面湾曲状をなすことが好ましく、その曲率半径Ｒと直径Ｄとの間に、Ｄ／３０＜Ｒ＜Ｄ／３の関係とすることが好ましい。内側室２１の両端部を断面湾曲状とすることにより、循環流の流動性が良好となり、偏析現象及びグループモーションの発生を抑制することができる。なお、湾曲状とする箇所は、図４ａに示すように、セパレータ３の内径を湾曲状に形成しても良く、或いは図４ｂのように、容器２の両端部を湾曲状に形成しても良い。

セパレータ３は、複数のスリット３１が形成されたスクリーンタイプであり、スリット３１により内側室２１と外側室２２とが連通している。内側室２１内でメディアと共に攪拌され、粉砕処理及び分散処理を受けた処理物は、セパレータ３でメディアと分離され、外側室２２に移動することができる。スリット３１の幅は、メディアの直径により設定され、その総面積は、処理物の性状や流量により設定される。

容器２の一端を挿通して回転軸４が回転自在に設けられ、この回転軸４に複数の小ロータ５０からなるロータ５が固定されている。回転軸４はシール部材８により密封され、図示しない駆動源により回転軸４を回転することにより、内側室２１内の処理物及びメディアを攪拌することができる。また、容器２の他端には、内側室２１内外を連通する処理物の供給口６が設けられ、容器２の外周には、外側室２２内外を連通する処理物の排出口７が設けられている。

ロータ５は、循環流を発生するような形状に工夫されており、本発明の重要な構成要素である。すなわち、ロータ５は複数の小ロータ５０からなり、小ロータ５０は、夫々円筒状の攪拌部５１と円板状の保持部５２を備えている。小ロータ５０は、攪拌部５１の端部に保持部５２を設ける端部保持型とすることもできるし、攪拌部５１を二分するように攪拌部５１の中央に設ける中央保持型とすることもできる。中央保持型の場合は、二分される両方の側に貫通孔５３を設ける。

図１に示すメディア攪拌型湿式分散機１は、２個の端部保持型小ロータ５０を備えている。また、図６に示すメディア攪拌型湿式分散機１は、３個の中央保持型小ロータ５０を備えている。また、図７に示すメディア攪拌型湿式分散機１は、１個の端部保持型小ロータ５０と、２個の中央保持型小ロータ５０を備えている。その他、小ロータ５０の数と組合せは、適宜選択することができる。

遠心力を受けたメディアは、貫通孔５３を通って内側から外側に流動することになる。流動性を高めるために、貫通孔５３は、攪拌部５１の内周面から外周面に向かう方向が回転方向に対して後退する方向に傾斜していることが好ましい。そして、図２に示すように、攪拌部５１の厚みの中心から軸心に向かう線に対して、角度θ１が０〜６０°となることが特に好ましい。

ロータ５の回転により、攪拌部５１の周囲にあるメディアは、剪断力と遠心力が与えられる。そして、攪拌部５１の外周に突起５５を設けることにより、この剪断力及び遠心力を強力にすることができる。さらに、周上に貫通孔５３と突起５５を交互に配置することにより、循環流の形成が一層促進されることになる。

ロータ５と内側室２１との関係は、攪拌部５１の外径ｄが、内側室２１の直径Ｄとの間に、０．７０＜ｄ／Ｄ＜０．９７の関係となることが好ましい。この範囲とすることにより、循環流の発生を良好にすることができると共に、粉砕処理及び分散処理を効果的にすることができる。また、攪拌部５１の幅ｗが、内側室２１の長さＬ及び小ロータ５０の数Ｎとの間で、０、７Ｌ＜ｗＮ＜０、９Ｌの関係となることが好ましい。この範囲とすることにより、循環流の発生を良好にすることができると共に、粉砕処理及び分散処理を効果的にすることができる。

以上のような形状とすることにより、各小ロータ５０について、攪拌部５１の周囲にある処理物及びメディアは、図５の矢印で示すような循環流を発生させることになる。すなわち、この循環流は、貫通孔５３では内側から外側に向かって流れ、攪拌部５１の外側では攪拌部５１の中央から端部に向かって流れ、攪拌部５１の端部では外側から内側に向かって流れ、攪拌部５１の内側では端部から貫通孔５３に向かって流れる。

攪拌部５１の内側は、良好な混合状態に保持されることが好ましく、保持部５２で分離されることのないように、保持部５２に開口５４を設けることが好ましい。開口５４は、図２のＥ―Ｅ断面で見たときに、図３に示すような角度θ２を備えることが好ましい。角度θ２の向きにより、処理物及びメディアの流れを、内側室２１の一方の側から他方の側に促進したり、他方の側から一方の側に促進したりすることができる。そして、複数の開口５４について、流れの向きを交互に変えることにより、両側での区別をなくし、全体を均一な混合状態とすることができる。

内側室２１及びロータ５を以上のように形成することにより、内側室２１内で良好な粉砕処理及び分散処理が行われることになる。すなわち、セパレータ３の内壁とロータ５の攪拌部５１外周との間において、メディア間に大きな速度差を与えて強力な剪断力を発生させる。これと同時に、各小ロータ５０の攪拌部５１に循環流を発生させる。循環流による流れの向きは、ロータ５の回転による流れの向きに対して直交する方向である。このため、メディアは攪拌部５１と共に動くことができず、偏析現象及び共回り現象が解消されることになる。

本発明のメディア攪拌型湿式分散機１は、供給口６から容器２内に処理物を供給してロータ５を回転させると、処理物は内側室２１内に位置しているメディアと共に攪拌され、粉砕処理及び分散処理を受ける。そして、容器２の中心から外方向に向かって流動し、セパレータ３のスリット３１によってメディアが分離され、外側室２２から排出口７を介して粉砕容器２外に排出される。

内側室２１の周面付近では、メディア間の強力な剪断力により効率の高い粉砕処理及び分散処理を行うことができる。同時に、共回りの解消によりセパレータ３付近でのメディアの流速が遅くなり、セパレータ３等の摩耗を防止することができる。また、内側室２１の中心付近では、処理部物とメディアとが均一な混合状態を保持して、処理物の短絡を起こすことなく処理することができる。したがって、内側室２１の全体を活用した処理を行うことができる。

本発明のメディア攪拌型湿式分散機１は、例えば、プリンター用インク、塗料、重合トナー、カラーレジスト、セラミックス微粒子、酸化チタン、金属粉末、医薬品等の広い分野において用いることができる。すなわち、これらは無機質微粒子、有機質微粒子、無機有機複合微粒子又はこれらの混合物を含むスラリー状の処理液である。

内側室２１に充填するメディアの量も、共回りの発生に関係する。すなわち、充填するメディアが、攪拌部５１の周囲にリング状に最密充填されると仮定した場合に、リングの厚さＡが、長さＬと小ロータ５０の数Ｎとの間に、０．６７Ｎ＜Ｌ／Ａ＜１．５Ｎの関係となることが好ましい。この範囲とすることにより、共回りの発生を防止することができると共に、粉砕処理及び分散処理を効果的とすることができる。

本発明のメディア攪拌型湿式分散機の実施の一例を示す概略断面図である。 図１に示すロータの概略断面図である。 図２のＥ−Ｅ断面を示す概略図である。 内側室の端部を示す概略図である。 循環流の流れを示す説明図である。 本発明のメディア攪拌型湿式分散機の実施の他の例を示す概略断面図である。 本発明のメディア攪拌型湿式分散機の実施のさらに他の例を示す概略図である。 メディアの充填状態を示す説明図である。 従来のメディア攪拌型湿式分散機を示す概略断面図である。

符号の説明

１、１０１ メディア攪拌型湿式分散機
２、１０２ 容器
３、１０３ セパレータ
４、１０４ 回転軸
５、１０５ ロータ
６、１０６ 供給口
７、１０７ 排出口
８ シール部材
２１、１２１ 内側室
２２、１２２ 外側室
３１、１３１ スリット
５０ 小ロータ
５１ 攪拌部
５２ 保持部
５３ 貫通孔
５４ 開口
５５ 突起

Claims (10)

1. 円筒状の容器と、該容器内を径方向に内側室と外側室に区画すると共に両室間を連通する複数のスリットが形成される筒状のセパレータと、前記容器の一端を挿通して回転自在に設けられる回転軸と、前記回転軸に固定されて回転するロータと、前記容器の他端に設けられ前記内側室内外を連通する処理物の供給口と、前記容器の外周に設けられ前記外側室内外を連通する処理物の排出口を備えるメディア攪拌型湿式分散機において、
   前記ロータが、円筒状の攪拌部と円板状の保持部を備える複数の小ロータからなり、かつ、前記攪拌部が内外を連通する複数の貫通孔を備えて、前記攪拌部の内外を循環する循環流を発生させるとともに、
   前記保持部が、開口を備えて、全体を均一な混合状態とするようにしたことを特徴とするメディア攪拌型湿式分散機。
2. 前記内側室が直径Ｄで両端間の長さＬの円筒状であり、前記小ロータの数がＮであるとき、式１の関係があることを特徴とする請求項１に記載のメディア攪拌型湿式分散機。
   ０．３Ｎ ＜ Ｌ／Ｄ ＜ ０．７５Ｎ …… 式１
3. 前記内側室の両端部が、所定の内方位置から端に向かって順次小径に形成されて曲率半径Ｒの断面湾曲状をなし、前記直径Ｄとの間に式２の関係があることを特徴とする請求項１又は２に記載のメディア攪拌型湿式分散機。
   Ｄ／３０ ＜ Ｒ ＜ Ｄ／３ …… 式２
4. 前記攪拌部の外径ｄが、前記直径Ｄとの間に式３の関係があることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のメディア攪拌型湿式分散機。
   ０．７０ ＜ ｄ／Ｄ ＜ ０．９７ …… 式３
5. 前記攪拌部の幅ｗが、前記長さＬ及び前記数Ｎとの間に式４の関係があることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のメディア攪拌型湿式分散機。
   ０．７Ｌ ＜ ｗＮ ＜ ０．９Ｌ …… 式４
6. 前記攪拌部の内周面から外周面へ向かう前記貫通孔の方向が、回転方向に対して後退する方向に傾斜していることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のメディア攪拌型湿式分散機。
7. 前記攪拌部が、外周面に突起を備えていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のメディア攪拌型湿式分散機。
8. 前記攪拌部が前記保持部により二分されると共に、前記攪拌部が二分される両方の側に前記貫通孔を備えていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のメディア攪拌型湿式分散機。
9. 無機質微粒子、有機質微粒子、無機有機複合微粒子又はこれらの混合物を含むスラリー状処理液の分散方法において、請求項１乃至８の何れか１項に記載のメディア攪拌型湿式分散機を用いることを特徴とする微粒子の分散方法。
10. 前記容器内に充填するメディアが前記攪拌部の周囲にリング状に最密充填されると仮定した場合に、リングの厚さＡが、前記長さＬ及び前記数Ｎとの間に式５の関係があることを特徴とする請求項９に記載の微粒子の分散方法。
    ０．６７Ｎ ＜ Ｌ／Ａ ＜ １．５Ｎ …… 式５

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