JP5598824B2 - Dispersion or grinding apparatus and dispersion or grinding method - Google Patents

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Description

本発明は、液体中に混合されたナノメーターサイズの固体粒子を分散または粉砕できるようにした実生産レベルで使用可能な装置及び分散または粉砕方法に関するものである。   The present invention relates to an apparatus and a dispersion or pulverization method that can be used at an actual production level so that nanometer-sized solid particles mixed in a liquid can be dispersed or pulverized.

粉砕媒体(ビーズ)を用いて処理材料(ミルベース)中の固体粒子を微粉砕し液中に分散または粉砕する装置が知られ、そのための装置としてmmオーダーのビーズを粉砕媒体としたビーズミル(湿式媒体分散機、メディアミル等)が広く用いられている。実生産で使用されている装置は、ビーズとともに処理材料を攪拌し、せん断作用で固体粒子を粉砕して液中に分散することによりサブミクロンレベルまで微粒子化した粒子を得ている。しかしながら、近年要求されているような粒子サイズが100ナノメーター以下である極めて微細なナノ粒子をmmオーダーのビーズを用いたビーズミルで得ることはむずかしい。これは、ナノ粒子に均一なせん断力を付加できないためである。そこで、最近では数十μmのビーズを用いたビーズミルが開発され、より均一なせん断力をナノ粒子に付加できるため、ナノメーターサイズである一次粒子近くまで、粉砕ならびに分散させることが実験室レベルで可能になってきた。一方、エマルジョンの製造等の液/液系の分散や固/液系における固体粒子の粉砕ならびに分散に使用する超音波分散機も知られている。この方法によれば均一な粒子同士の衝突を付加させることができるので、粒子濃度によっては、また実験室レベルでナノメーターサイズである一次粒子近くまで粉砕ならびに分散させることが可能である。この超音波分散機はキャビテーションの崩壊によって生じる衝撃波で粒子同士の衝突を発生させることにより粉砕ならびに分散させることが可能となる。生産レベルで使用可能な上記mmオーダーのビーズを用いたビーズミルと超音波照射を組み合わせた、具体的にはメディアミルと容器を管で連結して分散処理された固体顔料と液媒体の混合物を循環させ、この容器内を減圧し一部に超音波発振機構を設けた顔料分散装置も知られている(例えば特許文献1参照)。しかし、そのような装置、方法で用いる超音波発振機構はメディアミルによって分散された分散液の沈降防止の目的で超音波を照射しているのであり、確実に粉砕ならびに分散させたナノ粒子を得るために超音波装置を用いているのではない。   An apparatus for finely pulverizing solid particles in a processing material (mill base) using a pulverizing medium (beads) and dispersing or pulverizing the particles in a liquid is known. Dispersers, media mills, etc.) are widely used. In the apparatus used in actual production, the processing material is stirred together with the beads, and solid particles are pulverized by a shearing action and dispersed in a liquid to obtain particles micronized to a submicron level. However, it is difficult to obtain extremely fine nanoparticles having a particle size of 100 nanometers or less as required in recent years by a bead mill using beads on the order of mm. This is because a uniform shear force cannot be applied to the nanoparticles. Therefore, recently, a bead mill using beads of several tens of μm has been developed, and a more uniform shearing force can be applied to the nanoparticles. It has become possible. On the other hand, there is also known an ultrasonic disperser used for dispersion of liquid / liquid systems such as the production of emulsions, and for pulverization and dispersion of solid particles in solid / liquid systems. According to this method, since collisions between uniform particles can be added, depending on the particle concentration, it is possible to pulverize and disperse to near the primary particle which is nanometer size at the laboratory level. This ultrasonic disperser can be pulverized and dispersed by generating collision of particles with a shock wave generated by the collapse of cavitation. A combination of a bead mill using the above-mentioned mm order beads that can be used at the production level and ultrasonic irradiation, specifically connecting a media mill and a container with a tube to circulate a mixture of dispersed solid pigment and liquid medium There is also known a pigment dispersion apparatus in which the inside of the container is decompressed and an ultrasonic oscillation mechanism is provided in part (see, for example, Patent Document 1). However, the ultrasonic oscillation mechanism used in such an apparatus and method irradiates ultrasonic waves for the purpose of preventing sedimentation of the dispersion liquid dispersed by the media mill, so that pulverized and dispersed nanoparticles are reliably obtained. Therefore, an ultrasonic device is not used.

特開2000−351916号公報(請求項7、〔0029〕、〔0049〕図面)JP 2000-351916 (Claim 7, [0029], [0049] drawings)

上述したように、数十μmオーダーの非常に微小なビーズを用いたビーズミルでは、ナノメーターサイズの一次粒子サイズ近くまで粉砕および分散が実験室レベルで可能になったが、液中に分散したナノ粒子と数十μmオーダーのビーズの分離が難しく、実生産レベルではとても使用出来ないという課題がある。また、mmオーダーのビーズ、例えば0.5mm(500μm)レベルのビーズを用いた場合は、ビーズの分離は可能であるが、一次粒子サイズ近くまでの粉砕及び分散は不可能とされてきた。一方、超音波を照射する手法により一次粒子レベルの粉砕及び分散を可能とする方法も知られているが、粒子同士の衝突を十分に発生させるための条件が極めて狭く、そのエネルギーを付与できる領域が極めて狭いために、少量しか処理できない。そのためコストパフォーマンスの点で、実生産にはほとんど使用されていない。さらに特許文献1に示すように、超音波照射とビーズミルを組み合わせた方法も提案されているが、超音波照射が実生産レベルの大容量のタンクでなされており、タンクに粉砕媒体(ボールやビーズ)が入っていないので、超音波照射による粒子同士の衝突が十分でなく固体粒子を微粉砕する機能を有していない。超音波照射の効果により固体粒子を粉砕し液体中に分散するためには、タンクを極めて小さくする以外に方法はなく、それでは実生産では効率が悪く使用できない。
このようにいろいろな方法が試みられては来たが、依然としてナノ粒子の解砕・分散を目的とした用途において、mmオーダーのビーズを用いて実生産レベルで使用できるまで至っていないと言う課題がある。
As described above, in the bead mill using very fine beads of the order of several tens of μm, pulverization and dispersion to the nanometer-sized primary particle size became possible at the laboratory level. There is a problem that it is difficult to separate particles and beads of the order of several tens of μm, and they cannot be used at the actual production level. In addition, when beads of the order of mm, for example, beads having a level of 0.5 mm (500 μm) are used, it is possible to separate the beads, but it has been impossible to pulverize and disperse to near the primary particle size. On the other hand, a method that enables pulverization and dispersion at the primary particle level by a method of irradiating ultrasonic waves is also known, but the conditions for sufficiently generating collision between particles are extremely narrow, and an area where energy can be applied Is very narrow and can handle only small amounts. Therefore, it is rarely used for actual production in terms of cost performance. Furthermore, as shown in Patent Document 1, a method in which ultrasonic irradiation and a bead mill are combined has also been proposed. However, ultrasonic irradiation is performed in a large-capacity tank at an actual production level, and a grinding medium (ball or bead is placed in the tank. ) Does not enter, the particles do not sufficiently collide with each other due to ultrasonic irradiation and do not have a function of pulverizing solid particles. In order to pulverize and disperse the solid particles in the liquid by the effect of ultrasonic irradiation, there is no method other than making the tank extremely small, and this is inefficient and cannot be used in actual production.
Although various methods have been tried in this way, there is still a problem that it has not reached the point where it can be used at the actual production level using beads on the order of mm in applications aimed at crushing and dispersing nanoparticles. is there.

本発明によれば、固体粒子を液体中に混合した処理材料の供給口と吐出口を有するベッセルと、前記ベッセル内で駆動軸により回転されるローターと、ビーズミル用の媒体分離装置を有し、前記ベッセル内に供給された処理材料をビーズミル用の粉砕媒体とともに攪拌して微粉砕し、前記ビーズミル用の媒体分離装置で前記ビーズミル用の粉砕媒体から前記ビーズミルに供給された固体粒子を分離するビーズミルと、上記ビーズミルの供給口に通じる流出口及びビーズミルの吐出口に通じる流入口を有する槽と、前記槽内で回転する撹拌羽根と、前記槽内で超音波を発生する超音波発生装置と、ミキサー用の媒体分離装置を有し、前記撹拌羽根により、前記槽内に供給された処理材料をミキサー用の粉砕媒体とともに攪拌しながら、超音波を照射して固体粒子を微粉砕し、前記ミキサー用の媒体分離装置で前記ミキサー用の粉砕媒体から前記ミキサーに供給された固体粒子を分離するミキサーとを具備し、上記ビーズミル用及びミキサー用の粉砕媒体は粒径が15μm〜1.0mmであり、照射する超音波の振動数は15KHz〜30KHz、振幅は5μm〜50μmであることを特徴とする分散または粉砕装置が提供されることで上記課題が解決される。また本発明によれば上記装置を用いて液体中の固体粒子を分散または粉砕する分散または粉砕方法が提供される。 According to the present invention, it has a vessel having a supply port and a discharge port for a processing material in which solid particles are mixed in a liquid, a rotor rotated by a drive shaft in the vessel, and a medium separator for a bead mill. the process material supplied into the vessel to the grinding media together with for bead milled, the solid particles fed into the mill from the milling media for the bead mill at medium separation device for the bead mill A bead mill to be separated, a tank having an outlet leading to a supply port of the bead mill and an inlet leading to a discharge port of the bead mill, an agitating blade rotating in the tank, and an ultrasonic wave generating ultrasonic wave in the tank a device having a media separating device for mixers, with the stirring blade, while the process material supplied into the tank is stirred with grinding media mixer, ultrasonic And a mixer for separating the solid particles supplied to the mixer from the pulverizing medium for the mixer by the medium separator for the mixer, and pulverizing for the bead mill and the mixer medium is a particle size of 15μ m~1.0mm, above problems by frequency of ultrasonic waves to be irradiated 15KHz~30KHz, dispersing or milling apparatus is characterized in that the amplitude is 5μm~50μm is provided Is resolved. According to the present invention, there is also provided a dispersion or pulverization method for dispersing or pulverizing solid particles in a liquid using the above apparatus.

本発明は上記のように構成され、mmオーダーのビーズを用いたビーズミルのように粉砕媒体の運動により処理材料中の固体粒子にせん断力を作用させたり、超音波分散機のように粒子同士の衝突を与えて粉砕、分散する場合に比べて、固体粒子を液体中に混合した処理材料を粉砕媒体とともに攪拌し、攪拌中に超音波を照射して上記固体粒子を微粉砕し液体中に分散するようにしたので、超音波照射により生じる衝撃波で凝集したナノ粒子間の衝突が発生するとともに粉砕媒体にもナノ粒子が衝突する。これは特により粒子濃度が低い場合に有効となる。同時に、上記粉砕媒体にも超音波照射による衝撃波が伝えられて運動を促進させるとともにこの粉砕媒体はベッセル内で激しく攪拌運動しているから、粉砕媒体は十分に運動し、粉砕媒体どうしの衝突により強いせん断力が生じ、この衝突により生じるせん断力と上記ナノ粒子間の衝突、粉砕媒体への上記衝突が相俟って、固体粒子を極めて微粉砕することができ、ナノ粒子を得ることができる。この粉砕ならびに分散装置は、実生産レベルで使用する際に、何ら問題は生じない。   The present invention is configured as described above, and a shearing force is applied to the solid particles in the processing material by the movement of the grinding medium like a bead mill using beads on the order of mm, or between particles like an ultrasonic disperser. Compared to the case of pulverizing and dispersing by collision, the processing material in which solid particles are mixed in the liquid is stirred with the pulverizing medium, and ultrasonic waves are irradiated during the stirring to finely pulverize and disperse the solid particles in the liquid. As a result, collision between nanoparticles aggregated by shock waves generated by ultrasonic irradiation occurs, and the nanoparticles also collide with the grinding medium. This is particularly effective when the particle concentration is lower. At the same time, a shock wave generated by ultrasonic irradiation is transmitted to the grinding medium to promote the movement and the grinding medium is vigorously stirred in the vessel, so that the grinding medium moves sufficiently, and the grinding media collide with each other. A strong shearing force is generated, and the shearing force generated by the collision, the collision between the nanoparticles, and the collision with the pulverization medium can be combined, so that the solid particles can be extremely finely pulverized to obtain nanoparticles. . This crushing and dispersing apparatus does not cause any problems when used at the actual production level.

また、上記のようにして得られたナノ粒子の平均粒子径は約100nm以下であるから、粉砕媒体の粒径を15μm以上とすることにより粉砕媒体の分離が可能であり、また粉砕媒体の粒径を1.0mm以下とすることにより超音波により形成される衝撃波で該粉砕媒体を十分に運動させることができる。ビーズミルにおけるベッセル内に超音波発振機を設ける場合には、生産レベルで使用する上で、より確実にナノ粒子とビーズを分級可能な、かつ超音波により形成される衝撃波で該粉砕媒体を十分に運動させることができる0.5mmから1.0mmの範囲が好ましい。ビーズミルにおいて供給槽および回収槽を共有する槽に、超音波発振機を設ける場合は、該粉砕媒体を15μmから1.0mmのいずれの範囲でも実生産上、何ら問題はない。さらに、超音波の振動数を15KHz〜30KHz、振幅を5μm〜50μmとすると、確実に大きなキャビテーションを発生させることができ、崩壊するときに生じる衝撃波が強くなり、凝集したナノ粒子および粉砕媒体を十分に運動させ、分散ならびに粉砕することができる。より好ましくは、超音波の振動数を15KHz〜20KHz、振幅を20μm〜50μmとすることが望ましい。   Further, since the average particle size of the nanoparticles obtained as described above is about 100 nm or less, the grinding media can be separated by setting the particle size of the grinding media to 15 μm or more. By setting the diameter to 1.0 mm or less, the pulverization medium can be sufficiently moved by a shock wave formed by ultrasonic waves. When an ultrasonic oscillator is provided in a vessel in a bead mill, when used at the production level, the nanoparticles and beads can be classified more reliably, and the pulverizing medium can be sufficiently used by shock waves formed by ultrasonic waves. A range of 0.5 mm to 1.0 mm that can be moved is preferred. When an ultrasonic oscillator is provided in a tank that shares a supply tank and a recovery tank in a bead mill, there is no problem in actual production even if the grinding medium is in a range of 15 μm to 1.0 mm. Furthermore, if the frequency of the ultrasonic wave is 15 KHz to 30 KHz and the amplitude is 5 μm to 50 μm, large cavitation can surely be generated, and the shock wave generated when it collapses becomes strong, and the aggregated nanoparticles and grinding media are sufficiently To disperse and grind. More preferably, it is desirable that the ultrasonic vibration frequency is 15 KHz to 20 KHz and the amplitude is 20 μm to 50 μm.

本発明は種々のビーズミル(湿式媒体分散機、メディアミル、ビーズ分散機等)に適用することができるが、以下具体的な実施例及び参考例としてA〜D方式について説明する。図1は、参考例A方式の一例を示し、ビーズミル1はベッセル2と、該ベッセル2内で駆動軸3により回転されるローター4を有し、該ベッセル2内にはビーズ供給口5から供給された所定量の粉砕媒体(ビーズ)が収納され、固体粒子と液体の混合物である処理材料(ミルベース、スラリー)がミルベース供給口6からベッセル2内に供給される。   The present invention can be applied to various bead mills (wet medium dispersers, media mills, bead dispersers, etc.). A to D systems will be described below as specific examples and reference examples. FIG. 1 shows an example of a reference example A system. A bead mill 1 has a vessel 2 and a rotor 4 rotated by a drive shaft 3 in the vessel 2, and the vessel 2 is supplied from a bead supply port 5. A predetermined amount of the pulverized medium (beads) is stored, and a processing material (mill base, slurry) which is a mixture of solid particles and liquid is supplied into the vessel 2 from the mill base supply port 6.

上記ローター4は筒状に形成され、表面は実質的に平滑面に形成してあるが、粉砕媒体に運動を与えるよう適宜形状の突起、例えば特公平4−70050号公報に示されているようなベッセル内で処理材料を前進させたり、後退させたりしてほぼ栓流状(プラグフロー状)に流動させることができるような案内メンバーを設けてもよい。なお、ローターには、内面から外面に粉砕媒体が循環運動するようローター開口7が適所に設けられている。   The rotor 4 is formed in a cylindrical shape and the surface is formed in a substantially smooth surface. However, as shown in Japanese Patent Publication No. 4-70050, for example, a suitably shaped protrusion is provided so as to give motion to the grinding medium. A guide member may be provided so that the processing material can be moved forward or backward in a vessel and allowed to flow substantially in the form of plug flow (plug flow). The rotor is provided with a rotor opening 7 at a suitable position so that the grinding medium circulates from the inner surface to the outer surface.

上記ローター4の内面にはステーター8が形成され、該ステーター8の適宜位置には粉砕媒体を分離して処理材料のみを流出させるようスクリーン9等の媒体分離装置を有するステーター開口10が形成され、該ステーター開口10はミルベース吐出口11に通じている。   A stator 8 is formed on the inner surface of the rotor 4, and a stator opening 10 having a medium separating device such as a screen 9 is formed at an appropriate position of the stator 8 so as to separate the pulverized medium and allow only the processing material to flow out. The stator opening 10 communicates with the mill base discharge port 11.

図1に示す上記ビーズミルは、ベッセルの一部にポケットを設け、そのポケットの内側にホーン型超音波発振機を装着している。より具体的には、図1(B)に示すように上記ベッセル2の内壁には凹部12が形成され、該凹部12には超音波発生装置の超音波ホーン13が設けられている。この凹部12は上記粉砕媒体の影響を受けにくい部分、若しくは影響を受けにくくなるよう適宜のバッフル等を構成した箇所に設けるとよい。なお、図に示す具体例では、一箇所に設けてあるが、複数箇所に設けることもできる。ポケットにはビーズとスラリーが供給されるので、超音波照射すればナノ粒子同士の衝突とナノ粒子とビーズとの衝突が発生し、ローター回転部における高速回転に供せられるビーズによるせん断力と相重なって、凝集したナノ粒子は一次粒子近くまで粉砕ならびに分散できる。
ビーズの大きさは15μmから1.0mmの範囲とする。好ましくは0.5mmから1.0mmの範囲である。この範囲とすることでスクリーン(隙間)等の媒体分離装置を用いて確実にナノ粒子とビーズを分級可能となる。
The bead mill shown in FIG. 1 is provided with a pocket in a part of the vessel, and a horn type ultrasonic oscillator is mounted inside the pocket. More specifically, as shown in FIG. 1B, a concave portion 12 is formed on the inner wall of the vessel 2, and an ultrasonic horn 13 of an ultrasonic generator is provided in the concave portion 12. The recess 12 may be provided in a portion that is not easily affected by the grinding medium, or in a location where an appropriate baffle or the like is configured to be less affected. In the specific example shown in the figure, it is provided at one place, but it can be provided at a plurality of places. Since beads and slurry are supplied to the pockets, collision of nanoparticles with each other and collision between nanoparticles and beads occur when irradiated with ultrasonic waves, and the shearing force and phase due to the beads being subjected to high-speed rotation in the rotor rotating part. Overlapping and agglomerated nanoparticles can be ground and dispersed to near primary particles.
The size of the beads is in the range of 15 μm to 1.0 mm. Preferably it is the range of 0.5 mm to 1.0 mm. By setting it as this range, it becomes possible to classify nanoparticles and beads reliably using a medium separation device such as a screen (gap).

図2は参考例B方式の一例を示し、ビーズミル14はベッセル15内に駆動軸16で回転されるローター17を有し、該ローター17の周面には、例えば特公平4−70050号公報に記載されているようにスラリーを略栓流状に流動させるための案内メンバーを形成し、内部に粉砕媒体(ビーズ)を収納している。そして供給口18から入ったスラリーは略栓流状に流動しながら分散処理され、媒体分離装置19を通って吐出口20から流出する。この装置では、スラリーは上記A方式とは反対にベッセルの先端方向からローターに向かって流れている。このローターの先端の向かい側のベッセルにスペース21を作り、そこに投入型超音波発振機22を装着してある。このスペースにはビーズとスラリーが供給されるので、超音波照射すればナノ粒子同士の衝突とナノ粒子とビーズとの衝突が発生し、ローター回転部における高速回転に供せられるビーズによるせん断力と相重なって、凝集したナノ粒子は一次粒子近くまで粉砕ならびに分散できる。ビーズの大きさは15μmから1.0mmの範囲とする。好ましくは0.5mmから1.0mmの範囲である。この範囲とすることでスクリーン(隙間)等の媒体分離装置を用いて確実にナノ粒子とビーズを分離可能となる。   FIG. 2 shows an example of the reference example B system. The bead mill 14 has a rotor 17 that is rotated by a drive shaft 16 in a vessel 15, and the peripheral surface of the rotor 17 is disclosed in, for example, Japanese Patent Publication No. 4-70050. As described, a guide member for allowing the slurry to flow substantially in a plug flow is formed, and a grinding medium (bead) is accommodated therein. The slurry entering from the supply port 18 is dispersed while flowing in a substantially plug-like flow, and flows out from the discharge port 20 through the medium separator 19. In this apparatus, the slurry is flowing from the direction of the tip of the vessel toward the rotor as opposed to the above-described A method. A space 21 is formed in a vessel opposite to the tip of the rotor, and a throwing-type ultrasonic oscillator 22 is attached thereto. Since beads and slurry are supplied to this space, if ultrasonic irradiation is performed, collisions between nanoparticles and collisions between nanoparticles and beads occur, and the shearing force caused by the beads used for high-speed rotation in the rotor rotating part By overlapping, the agglomerated nanoparticles can be crushed and dispersed close to the primary particles. The size of the beads is in the range of 15 μm to 1.0 mm. Preferably it is the range of 0.5 mm to 1.0 mm. By setting it as this range, it becomes possible to reliably separate nanoparticles and beads using a medium separation device such as a screen (gap).

図3は参考例C方式の一例を示し、ビーズミル23は基本的に上記図1に示すビーズミル1と同じであるので、共通する部分は同じ符号を付して説明を省略するが、ベッセルに超音波ホーンを収納するための凹部が形成されておらず、ホーン型超音波発振機24はスラリーがスクリーン(隙間)を通過し吐出口へ出る前の溜まりのスペース25中に装着されている。先ず、スクリーン通過前のベッセル内でローター回転部における高速回転に供せられるビーズによるせん断力からの粒子の粉砕があり、その直後に、スラリーがスクリーンを通過し吐出口へ出る前の溜まりスペース25中にホーン型超音波発信機24が装着されているので、ナノ粒子同士の衝突がここで発生し、結果両作用をほぼ同時に受けることで、凝集したナノ粒子は一次粒子近くまで粉砕ならびに分散可能となる。ビーズの大きさは15μmから1.0mmの範囲とする。好ましくは0.5mmから1.0mmの範囲である。この範囲とすることでスクリーン(隙間)等の媒体分離装置を用いて確実にナノ粒子とビーズを分離可能となる。   FIG. 3 shows an example of the reference example C method. Since the bead mill 23 is basically the same as the bead mill 1 shown in FIG. 1, the common portions are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted. A concave portion for accommodating the sonic horn is not formed, and the horn type ultrasonic oscillator 24 is mounted in a reservoir space 25 before the slurry passes through the screen (gap) and exits to the discharge port. First, in the vessel before passing through the screen, there is pulverization of particles from the shearing force by the beads that are subjected to high-speed rotation in the rotor rotating portion. Since the horn-type ultrasonic transmitter 24 is mounted inside, collisions between the nanoparticles occur here, and as a result, the aggregated nanoparticles can be pulverized and dispersed close to the primary particles by receiving both actions almost simultaneously. It becomes. The size of the beads is in the range of 15 μm to 1.0 mm. Preferably it is the range of 0.5 mm to 1.0 mm. By setting it as this range, it becomes possible to reliably separate nanoparticles and beads using a medium separation device such as a screen (gap).

図4は実施例のD方式の一例を示す装置であって、スラリー(処理材料)の流入口26と流出口27を有し、ビーズミル28へのスラリー供給槽と回収槽を兼ね備えたある種のタンクミキサー29を具備し、そのミキサーにビーズ(ミキサー用粉砕媒体)を投入し、かつ超音波発振機30を装着する。同時にミキサーにはビーズを攪拌するための撹拌羽根31を装着しておく。ミキサー用のビーズの大きさは、15μmから1.0mmの範囲とする。スラリー中のナノ粒子とビーズを分離するミキサー用の媒体分離装置32としては、0.5mmから1.0mmの場合は、スクリーン(隙間)を設ける方式により、15μmから0.5mmの場合は、フィルターを通過させる方式が望ましい。上記ミキサー用のビーズの大きさについては、超音波の振幅が大きい場合は、ビーズが大きくても運動させることができるので、15μmから1.0mmの範囲のいずれでも、ナノ粒子同士の衝突ならびにビーズとの衝突を発生させることができ、相重なる効果でナノ粒子の一次粒子近くまで粉砕ならびに分散が可能となる。一方、超音波の振幅が小さい場合は、大きなビーズは運動させることができないため、より小さなビーズを選択する必要が生じる。ビーズの投入量は、処理すべきスラリーの粒子濃度によって最適なビーズ投入量が決定される。希薄スラリーの場合は、投入量が多く必要となり、濃厚スラリーの場合は投入量を少なくする必要が生じる。ビーズミル28は、図4に示すように、超音波発振機を有しない点を除き、図3に示すビーズミルと同じように構成されている。すなわち、処理材料の供給口6と吐出口11を有するベッセル2と、ベッセル内で駆動軸3により回転されるローター4と、ベッセル内に収納されたビーズミル用の粉砕媒体を処理材料から分離するビーズミル用の媒体分離装置9を具備する。ベッセル内で粉砕媒体とともに撹拌された処理材料中の固体粒子は微粒子化され、上記ビーズミル用の媒体分離装置で粉砕媒体から分離されて吐出口11から吐出される。ビーズミルで処理された処理材料は、吐出口11に通じる上記流入口26からミキサーに供給され、ミキサーで処理されて流出口27から流出した処理材料は、該流出口27に通じる供給口6から上記ビーズミルに供給され、循環しながら交互に上記処理が実施される。   FIG. 4 is an apparatus showing an example of the D system of the embodiment, which has an inlet 26 and an outlet 27 for slurry (treatment material), and has a certain kind of slurry supply tank and recovery tank for the bead mill 28. A tank mixer 29 is provided, beads (mixing medium for mixer) are charged into the mixer, and an ultrasonic oscillator 30 is mounted. At the same time, a stirring blade 31 for stirring the beads is attached to the mixer. The size of the mixer beads is in the range of 15 μm to 1.0 mm. As a media separator 32 for a mixer that separates nanoparticles and beads in a slurry, a screen (gap) is provided in the case of 0.5 mm to 1.0 mm, and a filter is provided in the case of 15 μm to 0.5 mm. It is desirable to pass the As for the size of the above beads for the mixer, if the amplitude of the ultrasonic wave is large, the beads can be moved even if they are large. Can be caused to collide with each other, and the effect of overlapping can be pulverized and dispersed to near the primary particles of the nanoparticles. On the other hand, when the amplitude of the ultrasonic wave is small, it is necessary to select a smaller bead because a large bead cannot be moved. The optimum amount of beads is determined by the particle concentration of the slurry to be processed. In the case of a dilute slurry, a large amount of input is required, and in the case of a thick slurry, it is necessary to decrease the amount of input. As shown in FIG. 4, the bead mill 28 is configured in the same manner as the bead mill shown in FIG. 3 except that it does not have an ultrasonic oscillator. That is, a vessel 2 having a processing material supply port 6 and a discharge port 11, a rotor 4 rotated by a drive shaft 3 in the vessel, and a bead mill for separating a bead mill grinding medium housed in the vessel from the processing material. A medium separating device 9 is provided. The solid particles in the processing material stirred together with the pulverizing medium in the vessel are made into fine particles, separated from the pulverizing medium by the above-described bead mill medium separator, and discharged from the discharge port 11. The processing material processed by the bead mill is supplied to the mixer from the inlet 26 that leads to the discharge port 11, and the processing material that is processed by the mixer and flows out from the outlet 27 is supplied from the supply port 6 that leads to the outlet 27. The above processing is performed alternately while being supplied to the bead mill and circulating.

ベッセル内に超音波発振機を設置する場合の粉砕媒体は、超音波により生じるキャビテーション崩壊による衝撃波で動かされる程度の微細なビーズ、すなわち従来の一般的な媒体分散機に使用するビーズより比較的粒径の小さいものが好適に使用でき、かつ上記スクリーン(隙間)等の媒体分離装置で分離できる程度の大きさが好ましい。具体的には、フィルターを用いる方法ならびに遠心分離による方法でも、実験の結果によれば、平均粒径が100nm以下のナノ粒子を分離できるようにするためには、粉砕媒体の粒径は約15μm以上必要であり、それ以下の小さい粒径では分離が困難であった。より好ましくは、確実に分級が可能なスクリーン(隙間)を用いる手法で、ビーズ径は0.5mm以上とすることがより好ましい。また、ビーズ径が1.0mmを超えると、超音波により形成される衝撃波で粉砕媒体を十分に運動させることができなくなるため、結果として凝集したナノ粒子を粉砕媒体に効果的に衝突させることができない。
より大きな粉砕媒体を運動させるためにはより大きなキャビテーションを発生ならびに崩壊させることが必要である。さらに、粒子濃度が高い時には、粉砕媒体の量は少量とし、粒子濃度が低い時には、粉砕媒体の量は多目とすることが望ましい。
粉砕媒体の材質は、本発明で提供される分散または粉砕装置が使用される用途によって最適な材質が選択され、例えばエンジニアリングプラスチック、ガラス、セラミックス、スチールなどいずれでも構わない。磨耗や欠損が発生しやすい用途には、ジルコニア材質が好ましい。
ナノ粒子を本発明で提供される分散または粉砕装置を用いて処理する際の、溶剤は水の他、各種アルコール、シクロヘキサン、メチルエチルケトン、酢酸メチル、トルエン、へキサンなどの有機溶剤であっても構わない。
When an ultrasonic oscillator is installed in a vessel, the grinding media is relatively fine particles that are moved by shock waves due to cavitation collapse caused by ultrasonic waves, that is, relatively smaller than the beads used in conventional general media dispersers. Those having a small diameter are preferably used, and the size is such that they can be separated by a medium separation device such as the screen (gap). Specifically, in the method using a filter and the method using centrifugation, according to the experimental results, in order to be able to separate nanoparticles having an average particle size of 100 nm or less, the particle size of the grinding medium is about 15 μm. The above is necessary, and separation was difficult with a smaller particle size. More preferably, the bead diameter is more preferably 0.5 mm or more by a method using a screen (gap) that can be classified reliably. In addition, if the bead diameter exceeds 1.0 mm, the grinding medium cannot be sufficiently moved by the shock wave formed by ultrasonic waves, and as a result, the aggregated nanoparticles can be effectively collided with the grinding medium. Can not.
In order to move larger grinding media, it is necessary to generate and collapse larger cavitation. Further, when the particle concentration is high, it is desirable that the amount of the grinding medium is small, and when the particle concentration is low, the amount of the grinding medium is large.
As the material of the grinding medium, an optimum material is selected depending on the application in which the dispersing or grinding apparatus provided in the present invention is used, and any material such as engineering plastic, glass, ceramics, and steel may be used. Zirconia material is preferred for applications where wear and defects are likely to occur.
When the nanoparticles are treated using the dispersion or pulverization apparatus provided in the present invention, the solvent may be water or an organic solvent such as various alcohols, cyclohexane, methyl ethyl ketone, methyl acetate, toluene, hexane and the like. Absent.

ベッセル内に超音波発振機を設置する場合、上記超音波発生装置は、超音波照射により生じるキャビテーションの衝撃波によってナノ粒子同士に衝突を与えるとともに上記粉砕媒体を運動させることができる程度の振動数と振幅が必要であり、実験の結果によれば振動数約15KHz〜30KHz、振幅約5μm〜50μmにすると、キャビテーションが大きく、崩壊時に生じる衝撃波を強くでき、凝集したナノ粒子及び粉砕媒体に十分な運動を与えることができた。より好ましくは、超音波の振動数を15KHz〜20KHz、振幅を20μm〜50μmとすることが望ましい。   When an ultrasonic oscillator is installed in a vessel, the ultrasonic generator has a frequency that allows the nanoparticles to collide with each other by the cavitation shock wave generated by ultrasonic irradiation and move the grinding medium. Amplitude is required. According to the results of experiments, when the frequency is about 15 KHz to 30 KHz and the amplitude is about 5 μm to 50 μm, the cavitation is large, the shock wave generated at the time of collapse can be strengthened, and sufficient motion is achieved for the aggregated nanoparticles and grinding media Could be given. More preferably, it is desirable that the ultrasonic vibration frequency is 15 KHz to 20 KHz and the amplitude is 20 μm to 50 μm.

上記の如き超音波を併用したビーズミルと、単なる超音波分散機や従来のビーズミルを用いて分散、粉砕する場合との相違を簡単に説明すると、超音波分散機だけの場合は図5に示すように衝撃波によって発生する衝突は凝集したナノ粒子33間の衝突だけである。また、ビーズミルだけの場合には、図6に示すように、粉砕媒体34間により生じるせん断力だけであり、ナノ粒子33を積極的に粉砕媒体34に衝突させるものではない。そして、超音波を併用したビーズミルでは図7に示すように、超音波の衝撃波が粉砕媒体に付加されるから、凝集したナノ粒子33にはせん断力と超音波照射によるナノ粒子間の衝突とナノ粒子の粉砕媒体への衝突が発生するため、効果的に微粒子化され、ナノ粒子でも十分に分散、粉砕することが可能となる。   The difference between the bead mill using ultrasonic waves as described above and the case of dispersing and pulverizing using a simple ultrasonic disperser or a conventional bead mill will be briefly described. As shown in FIG. The collision generated by the shock wave is only the collision between the aggregated nanoparticles 33. Further, in the case of only the bead mill, as shown in FIG. 6, only the shearing force generated between the grinding media 34, and the nanoparticles 33 do not actively collide with the grinding media 34. In the bead mill using ultrasonic waves, as shown in FIG. 7, since an ultrasonic shock wave is added to the grinding medium, the agglomerated nanoparticles 33 are subjected to shear forces and collisions between the nanoparticles due to ultrasonic irradiation. Since the particles collide with the pulverizing medium, the particles are effectively finely divided, and even the nanoparticles can be sufficiently dispersed and pulverized.

以下本発明に係る実施例及び参考例を詳細に説明する。ただし、これらの実施例によって必ずしも本発明が限定されるわけではない。   Examples and reference examples according to the present invention will be described in detail below. However, the present invention is not necessarily limited by these examples.

(参考例1)
A方式によるベッセルの一部にポケットを設け、そのポケットの内側にホーン型超音波発振機を装着した図1に示す装置を用いた。より具体的には、上記ベッセル2の内壁には凹部12が形成され、該凹部12には超音波発生装置の超音波ホーン13を設けた。超音波は振幅50μm、振動数20KHzとした。ビーズミルは周速4m/S、スラリー送り速度10mL/Sで処理を行った。酸化チタンナノ粒子で構成される一次粒子径35nmのデグサP25粉末を10体積%、および高分子分散剤として分子量8000のポリアクリル酸アンモニウム塩をP25粉末の粒子表面積あたり0.5mg/m添加した水スラリーを500rpmの回転羽根を用いて30分間前処理した。このスラリー3リッターを用いて、上記装置を使用して5時間まで分散実験を行った。超音波減衰方式の粒度分析計を用いて、粒子濃度10体積%のままでスラリー中の粒子サイズを測定した。1時間ごとに5時間まで測定した粒子サイズを表1に示した。
(Reference Example 1)
The apparatus shown in FIG. 1 in which a pocket was provided in a part of the A-type vessel and a horn type ultrasonic oscillator was mounted inside the pocket was used. More specifically, a concave portion 12 is formed on the inner wall of the vessel 2, and an ultrasonic horn 13 of an ultrasonic generator is provided in the concave portion 12. The ultrasonic wave had an amplitude of 50 μm and a vibration frequency of 20 KHz. The bead mill was processed at a peripheral speed of 4 m / S and a slurry feed speed of 10 mL / S. 10% by volume of Degussa P25 powder having a primary particle size of 35 nm composed of titanium oxide nanoparticles and water containing 0.5 mg / m 2 of polyacrylic acid ammonium salt having a molecular weight of 8000 as a polymer dispersant per particle surface area of P25 powder The slurry was pretreated for 30 minutes using a 500 rpm rotating blade. Using this slurry 3 liter, a dispersion experiment was conducted up to 5 hours using the above apparatus. Using an ultrasonic attenuation type particle size analyzer, the particle size in the slurry was measured with the particle concentration kept at 10% by volume. The particle sizes measured every hour up to 5 hours are shown in Table 1.

(参考例2)
B方式による上記図2に示す装置を用いた。具体的にはスラリーはA方式とは反対にベッセルの先端方向からローターに向かって流れ、ローターの先端の向かい側に作ったスペースに投入型超音波発振機を装着させた以外は、参考例1と同様にして分散実験を行い、1時間ごとに5時間まで測定した粒子サイズを表1に示した。
(Reference Example 2)
The apparatus shown in FIG. Specifically, the slurry flows from the direction of the tip of the vessel toward the rotor as opposed to the A method, and the reference example 1 is the same as that of the reference example 1 except that a throw type ultrasonic oscillator is installed in a space created on the opposite side of the tip of the rotor. Table 1 shows the particle sizes measured in the same manner as the dispersion experiment up to 5 hours every hour.

(参考例3)
C方式による図3に示す装置を用いた。具体的にはスラリーがスクリーン(隙間)を通過し吐出口へ出る前の溜まりのスペース中にホーン型超音波発振機を装着させ、これ以外は参考例1と同様にして分散実験を行い、1時間ごとに5時間まで測定した粒子サイズを表1に示した。
(Reference Example 3)
The apparatus shown in FIG. Specifically, a horn type ultrasonic oscillator is mounted in a pool space before the slurry passes through the screen (gap) and exits to the discharge port, and a dispersion experiment is performed in the same manner as in Reference Example 1 except for that. The particle size measured up to 5 hours every hour is shown in Table 1.

(実施例1)
D方式による図4に示す装置を用いた。具体的には0.5mmのジルコニア質ビーズを用いたビーズミルとその循環系にスラリー供給槽と回収槽を兼ねたミキサーを設け、そのミキサーには50μmのジルコニア質ボールを0.1リッター分投入した。ボール(ビーズ)とスラリー中のナノ粒子との分級を行うために25μm網目のフィルターを設置した。さらにその槽には振動数20KHz、振幅50μmの超音波発振機を設置した。ビーズミルは周速4m/S、スラリー送り速度10mL/Sで処理を行った。酸化チタンナノ粒子で構成される一次粒子径35nmのデグサP25粉末を10体積%、および高分子分散剤として分子量8000のポリアクリル酸アンモニウム塩をP25粉末の粒子表面積あたり0.5mg/m添加した水スラリーを500rpmの回転羽根を用いて30分間前処理した。このスラリー3リッターを用いて、上記装置を使用して5時間まで分散実験を行った。超音波減衰方式の粒度分析計を用いて、粒子濃度10体積%のままでスラリー中の粒子サイズを測定した。1時間ごとに5時間まで測定した粒子サイズを表1に示した。
Example 1
The apparatus shown in FIG. Specifically, a bead mill using 0.5 mm zirconia beads and a mixer serving as a slurry supply tank and a recovery tank are provided in the circulation system, and 50 μm zirconia balls are introduced into the mixer for 0.1 liter. . In order to classify the balls (beads) and the nanoparticles in the slurry, a 25 μm mesh filter was installed. Further, an ultrasonic oscillator having a vibration frequency of 20 KHz and an amplitude of 50 μm was installed in the tank. The bead mill was processed at a peripheral speed of 4 m / S and a slurry feed speed of 10 mL / S. 10% by volume of Degussa P25 powder having a primary particle size of 35 nm composed of titanium oxide nanoparticles and water containing 0.5 mg / m 2 of polyacrylic acid ammonium salt having a molecular weight of 8000 as a polymer dispersant per particle surface area of P25 powder The slurry was pretreated for 30 minutes using a 500 rpm rotating blade. Using this slurry 3 liter, a dispersion experiment was conducted up to 5 hours using the above apparatus. Using an ultrasonic attenuation type particle size analyzer, the particle size in the slurry was measured with the particle concentration kept at 10% by volume. The particle sizes measured every hour up to 5 hours are shown in Table 1.

(実施例2)
供給槽および回収槽を兼ね備えたミキサーに入れるビーズ径を0.5mmとし、ビーズとナノ粒子の分離をスクリーン(隙間)0.2mmとした以外は実施例1と同様にして分散実験を行い、1時間ごとに5時間まで測定した粒子サイズを表1に示した。
(Example 2)
A dispersion experiment was conducted in the same manner as in Example 1 except that the bead diameter put in a mixer having both a supply tank and a recovery tank was 0.5 mm, and the separation of beads and nanoparticles was 0.2 mm (screen) (gap). The particle size measured up to 5 hours every hour is shown in Table 1.

(実施例3)
振動数20KHz、振幅20μmの超音波を供給槽および回収槽を兼ね備えたミキサーにあるスラリーに照射した以外は実施例1と同様にして分散実験を行い、1時間ごとに5時間まで測定した粒子サイズを表1に示した。
(Example 3)
Dispersion experiment was conducted in the same manner as in Example 1 except that ultrasonic waves having a frequency of 20 KHz and an amplitude of 20 μm were applied to the slurry in a mixer having both a supply tank and a recovery tank. Are shown in Table 1.

(実施例4)
振動数20KHz、振幅20μmの超音波を供給槽および回収槽を兼ね備えたタンクミキサーにあるスラリーに照射し、該ミキサーに入れるビーズ径を0.5mmとし、ビーズとナノ粒子の分級をスクリーン(隙間)0.2mmとした以外は実施例1と同様にして分散実験を行い、1時間ごとに5時間まで測定した粒子サイズを表1に示した。
Example 4
Ultrasonic waves with a frequency of 20 KHz and an amplitude of 20 μm are irradiated to the slurry in a tank mixer that has both a supply tank and a recovery tank, the bead diameter to be put into the mixer is 0.5 mm, and the beads and nanoparticles are classified by a screen (gap) Dispersion experiments were carried out in the same manner as in Example 1 except that the thickness was 0.2 mm.

(比較例1)
供給槽および回収槽を兼ね備えたミキサーに入れるビーズと超音波照射をなくした以外は実施例1と同様にして分散実験を行い、1時間ごとに5時間まで測定した粒子サイズを表1に示した。
(Comparative Example 1)
Dispersion experiments were conducted in the same manner as in Example 1 with the exception of eliminating beads and ultrasonic irradiation in a mixer having both a supply tank and a recovery tank. Table 1 shows the particle sizes measured up to 5 hours every hour. .

(比較例2)
供給槽および回収槽を兼ね備えたミキサーに入れるビーズをなくした以外は実施例1と同様にして分散実験を行い、1時間ごとに5時間まで測定した粒子サイズを表1に示した。
(Comparative Example 2)
Dispersion experiments were carried out in the same manner as in Example 1 except that the beads to be put into a mixer having both a supply tank and a recovery tank were removed, and the particle sizes measured up to 5 hours every hour are shown in Table 1.

(比較例3)
振動数20KHz、振幅20μmの超音波を供給槽および回収槽を兼ね備えたミキサーのスラリーに照射し、ミキサーに入れるビーズをなくした以外は実施例1と同様にして分散実験を行い、1時間ごとに5時間まで測定した粒子サイズを表1に示した。
(Comparative Example 3)
A dispersion experiment was conducted in the same manner as in Example 1 except that the mixer slurry having both a supply tank and a recovery tank was irradiated with ultrasonic waves having a frequency of 20 KHz and an amplitude of 20 μm, and the beads to be put into the mixer were eliminated. The particle sizes measured up to 5 hours are shown in Table 1.

(比較例4)
振動数40KHz、振幅5μmの超音波を供給槽および回収槽を兼ね備えたミキサーのスラリーに照射し、ミキサーに入れるボールビーズをなくした以外は実施例1と同様にして分散実験を行い、1時間ごとに5時間まで測定した粒子サイズを表1に示した。
(Comparative Example 4)
A dispersion experiment was conducted in the same manner as in Example 1 except that the ultrasonic waves having a vibration frequency of 40 KHz and an amplitude of 5 μm were applied to the slurry of the mixer having both a supply tank and a recovery tank, and the ball beads to be put into the mixer were eliminated. The particle sizes measured up to 5 hours are shown in Table 1.

Figure 0005598824
Figure 0005598824

本発明の一参考例を示すA方式のビーズミルであって、(A)は断面図、(B)は(A)のB−B線断面図。It is an A type bead mill showing one reference example of the present invention, in which (A) is a cross-sectional view, and (B) is a cross-sectional view taken along line BB of (A). 本発明の一参考例を示すB方式のビーズミルの断面図。Sectional drawing of the B-type bead mill which shows one reference example of this invention. 本発明の一参考例を示すC方式のビーズミルの断面図。Sectional drawing of the C type bead mill which shows one reference example of this invention. 本発明の一実施例を示すD方式の装置の断面図。Sectional drawing of the apparatus of D system which shows one Example of this invention. 従来の超音波分散機の作用を示す説明図。Explanatory drawing which shows the effect | action of the conventional ultrasonic disperser. 従来のビーズミルの作用を示す説明図。Explanatory drawing which shows the effect | action of the conventional bead mill. 本発明のビーズミルの作用を示す説明図。Explanatory drawing which shows the effect | action of the bead mill of this invention.

1、14、23、28ビーズミル
2、15ベッセル
3、16駆動軸
4、17ローター
5ビーズ供給口
6、18ミルベース供給口
7ローター開口
8ステーター
9スクリーン
10ステーター開口
11、20ミルベース吐出口
12凹部
13、22、24、30、超音波発信機
29タンクミキサー
33ナノ粒子
34粉砕媒体(ビーズ)
1, 14, 23, 28 Bead mill 2, 15 Vessel 3, 16 Drive shaft 4, 17 Rotor 5 Bead supply port 6, 18 mil base supply port 7 Rotor opening 8 Stator 9 Screen 10 Stator opening 11, 20 mil base discharge port 12 Recess 13 22, 24, 30, ultrasonic transmitter 29 tank mixer 33 nanoparticles 34 grinding media (beads)

Claims (2)

固体粒子を液体中に混合した処理材料の供給口と吐出口を有するベッセルと、前記ベッセル内で駆動軸により回転されるローターと、ビーズミル用の媒体分離装置を有し、前記ベッセル内に供給された処理材料をビーズミル用の粉砕媒体とともに攪拌して微粉砕し、前記ビーズミル用の媒体分離装置で前記ビーズミル用の粉砕媒体から前記ビーズミルに供給された固体粒子を分離するビーズミルと、
上記ビーズミルの供給口に通じる流出口及びビーズミルの吐出口に通じる流入口を有する槽と、前記槽内で回転する撹拌羽根と、前記槽内で超音波を発生する超音波発生装置と、ミキサー用の媒体分離装置を有し、前記撹拌羽根により、前記槽内に供給された処理材料をミキサー用の粉砕媒体とともに攪拌しながら、超音波を照射して固体粒子を微粉砕し、前記ミキサー用の媒体分離装置で前記ミキサー用の粉砕媒体から前記ミキサーに供給された固体粒子を分離するミキサーと
を具備し、
上記ビーズミル用及びミキサー用の粉砕媒体は粒径が15μm〜1.0mmであり、
照射する超音波の振動数は15KHz〜30KHz、振幅は5μm〜50μmであることを特徴とする分散または粉砕装置。
A vessel having a supply port and a discharge port for a processing material in which solid particles are mixed in a liquid, a rotor rotated by a drive shaft in the vessel, and a medium separation device for a bead mill, are supplied into the vessel. A bead mill that stirs and finely pulverizes the treated material together with a grinding medium for the bead mill, and separates the solid particles supplied to the bead mill from the grinding medium for the bead mill by the bead mill medium separation device;
For a tank having an outlet that leads to the supply port of the beads mill and an inlet that leads to the outlet of the beads mill, a stirring blade that rotates in the tank, an ultrasonic generator that generates ultrasonic waves in the tank, and a mixer While stirring the processing material supplied into the tank together with the grinding medium for the mixer by the stirring blade, the solid particles are finely ground by irradiating ultrasonic waves. A mixer that separates solid particles supplied to the mixer from the pulverization medium for the mixer by a medium separator ,
The grinding media for the bead mill and the mixer have a particle size of 15 μm to 1.0 mm,
A dispersing or pulverizing apparatus characterized in that an ultrasonic wave to be irradiated has a frequency of 15 KHz to 30 KHz and an amplitude of 5 μm to 50 μm .
上記請求項1に記載の分散または粉砕装置を用いて液体中の固体粒子を分散または粉砕する分散または粉砕方法。
A dispersion or pulverization method for dispersing or pulverizing solid particles in a liquid using the dispersion or pulverization apparatus according to claim 1 .
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