JP6267609B2 - スラリーの処理方法及びそれに用いる処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、化学、医薬、電子、食品、飼料その他の各種分野で使用されている固体/液体系処理材料であるスラリーを、分散媒体(ビーズ)を使用せずに、通液処理により微粒子化できるようにしたスラリーの処理方法及びそれに用いる処理装置に関するものである。
固体/液体系の処理材料であって、油性、水性特に水性の低粘度から中粘度（１〜１００ｄＰａ・ｓ）のスラリーを、分散媒体(ビーズ)を使用せずに混練、分散処理する装置が知られている(例えば、特許文献１参照)。特許文献１に記載の処理装置は、処理材料の供給口と排出口を有するベッセル(容器)と、ベッセル内に回転可能に設けられた回転体と、ベッセルの内面と回転体の外周面間に形成され上記処理材料が滞留する環状微小間隙を具備し、上記回転体の表面に刻み目を設けている。さらに、上記回転体を、外周面に円周方向に間隔をあけて長手方向に延びる帯状突起を形成した筒状体で構成することも提案されている。この装置によれば、スラリー中の固体粒子(粉体)を微粉砕することができるが、固体粒子として、非常に微細なナノパウダーを含んだ混合材料である場合には、粉体の部分凝集であるいわゆるブツやダマの発生が見られることがあった。
上記のようなブツやダマが発生する場合には、処理材料を分散媒体(ビーズ)とともにベッセル内で撹拌して、処理材料を分散する装置であるビーズミルを使用することも考えられる。しかし、ビーズミルによる処理では、撹拌運動に伴う衝撃や摩擦により分散媒体が摩耗、破損することがある。そのため、このような分散媒体の摩耗により生じる汚染物質は、処理材料に混入し、品質特性上好ましくない現象を生じるおそれがある。特に、ナノ粒子を含む混合系では、高い周速で処理する必要があり、その上、分散媒体により粒子自体が破損される現象も招来し、特性の均質化は困難であった。また、分散処理する際、処理材料の温度が上昇すると、品質に悪影響を与えるから好ましくない。
本発明の解決課題は、固体/液体系の混合物であって低粘度から中粘度の粘度のスラリーを、分散媒体(ビーズ)を使用せずに、圧縮、剪断処理し、ブツやダマのない均質
な処理材料に分散可能なスラリーの処理方法及びその処理装置を提供することである。
な処理材料に分散可能なスラリーの処理方法及びその処理装置を提供することである。
本出願人は、特許文献１に記載の如きアニュラー型湿式分散装置により粉体材料の部分凝集であるダマ、ブツの発生をなくして微粒子化できることを見出したが、固体物質としてナノパウダーを含む混合系では粉体の凝集力が強いため、さらに確実に微粉砕できる方法が必要とされる。そのためには、ダマやブツに衝撃力を与えて解砕することができるよう超音波照射することを見出した。すなわち、分散媒体を使用しない湿式分散装置は、固体/液体系の混合流体であるスラリーが、入口からベッセル(容器)内に入り、ベッセルを通過する際に圧縮、膨張、剪断作用を受けて出口側に流出する。この出口近くに超音波発生装置を設けて、処理材料に超音波を照射すると、超音波振動によりキャビテーションが生じて微小気泡が発生する。この微小気泡が消滅するとき、気泡の周囲には高衝撃力が生じる。その結果、微小気泡周辺の部分凝集物が崩壊し、均質に分散される。
超音波発生装置において超音波振動の印加領域は、主として超音波ホーンの先端部分である。そのため、処理材料に均一に超音波振動を与えるためには、単にベッセルの出口近傍に超音波発生装置を設けただけでは、効率よく分散することができない。発明者の実験により、超音波発生装置の超音波ホーンの先端部分の大きさに対するベッセルの流出口の大きさ、超音波ホーンの側面と超音波ホーンの周囲の壁面との間の寸法が重要であることが分かった。
本発明によれば、固体/液体系処理材料の製造にあたり、予め混練された粘度範囲が１〜１００ｄＰa・ｓの低粘度から中粘度の粘性流体のスラリーを、分散媒体の使用なしにかつ超音波装置を併用して混練、分散するスラリーの処理方法及び装置が提供される。本発明によるスラリーの処理方法は、供給口からベッセル(容器)内に入った処理材料(スラリー)を回転体とベッセルの内壁間に形成された環状微小間隙に流入させること、回転体を回転して処理材料を圧縮、剪断処理すること、環状微小間隙を通過した処理材料を内方流出口から排出口を有する超音波室に流出すること、超音波室の排出口側の壁面との間及び上記内方流出口との間に、２〜５ｍｍの間隔を空けて超音波ホーンを該超音波室に設けること、この超音波ホーンにより処理材料に超音波を照射することを特徴とする。
また、本発明によれば、処理材料の供給口と内方流出口を有するベッセル(容器)と、ベッセル内に回転可能に設けられた回転体と、回転体の外周面とベッセルの内壁面間に形成された環状微小間隙と、ベッセルの内方流出口に連通して設けられ排出口を有する超音波室と、超音波室に設けられた超音波ホーンを具備し、上記超音波ホーンは、超音波ホーンと上記内方流出口の間隔及び超音波ホーンと超音波室の排出口側の壁面間の間隔が２〜５ｍｍになるよう排出口側に近接して設けられていることを特徴とするスラリーの処理装置が提供され、上記解題が解決される。
本発明は上記のように構成され、固体/液体系処理材料の製造にあたり、予め混練された粘度範囲が１〜１００ｄＰa・ｓの低粘度から中粘度の粘性流体の処理材料であるスラリーは、供給口からベッセル(容器)内に入り、回転体とベッセルの内壁間に形成された環状微小間隙に流入する。この回転体が回転することにより、処理材料中の固体粒子は、圧縮、膨張、剪断処理され、微粒子化する。環状微小間隙を通過した処理材料が、内方流出口から超音波室に流出すると、超音波ホーンにより超音波が処理材料に照射される。
このとき、超音波ホーンと超音波室の排出口側の壁面及び上記内方流出口との間隔を、６ｍｍ以上に形成すると、ブツやダマが十分に解砕されない。超音波室の壁面及び上記内方流出口との間隔を、１ｍｍ以下に形成すると、処理材料の温度が昇温する傾向がみられ、好ましくない。
このとき、超音波ホーンと超音波室の排出口側の壁面及び上記内方流出口との間隔を、６ｍｍ以上に形成すると、ブツやダマが十分に解砕されない。超音波室の壁面及び上記内方流出口との間隔を、１ｍｍ以下に形成すると、処理材料の温度が昇温する傾向がみられ、好ましくない。
本発明においては、上記超音波ホーンと超音波室の排出口側の壁面との間隔及び上記内方流出口との間隔が２〜５ｍｍになるよう超音波ホーンを排出口側に近接して設けたので、上記環状微小間隙に近接して回転体を回転させることによっても微細化されなかった見逃されたブツやダマに、超音波振動が強力に作用し、かつ平均的に印加される。それにより、ブツやダマを確実に解砕することができる。また、温度の上昇も見られないから、製品の品質に影響を与えることがなく、均質に分散することができる。その上、分散媒体（ビーズ）を使用しないから、ベッセルの内圧も低くでき、分散媒体の摩耗等による汚染物質の発生がない。通常のビーズミルのように媒体分離装置(セパレーター)を使用しないから、低いエネルギーで効率よく分散処理することができる。
本発明は、化学、医薬、電子、セラミックス、食品、飼料その他の分野の固体/液体系の処理材料の微粒子化に対応することができる。図１に示すように、本発明の処理装置は、ベッセル(容器)１とこのベッセル内で回転する回転体(ローター)２を有する。ベッセル１は、予め処理材料を混練したスラリーを受け入れる供給口３と、ベッセルからスラリーを流出させる内方流出口４を有する。図示を省略したが、ベッセルの周囲には、冷却水等の調温媒体を流通させるジャケットが設けられている。上記回転体２は、駆動モーター(図示略)に連結された駆動軸５により回転する。
上記ベッセル１の内壁面と回転体２の外周面間には環状の微小間隙６が形成され、上記供給口３からベッセル１内に入ったスラリーは、この環状微小間隙６に滞留する。この環状微小間隙６の寸法は、約１．０〜１０ｍｍ、好ましくは約２．０〜５．０ｍｍに形成してある。このとき、ベッセル内に供給される処理材料としては、粘度範囲が約１〜１００ｄＰａ・ｓの低粘度〜中粘度の粘性ペーストが最適である。
上記回転体２は、断面円形の筒状体に形成され、回転体の回転により処理材料は、微小間隙内で連続的に圧縮、剪断作用を受ける。本発明の実施例では、図２に示すように、回転体２の外周面に円周方向に凹部７を設けて長手方向に延びる帯状突起８を形成した筒状体に形成してある。このように、回転体に長手方向に延びる帯状突起８を形成すると、この帯状突起の部分で処理材料は圧縮、剪断作用を受け、突起間の凹部７では、開放、膨張作用を受ける。このような圧縮、剪断作用と開放、膨張作用は、供給口３側から内方流出口４側に流動する間に処理材料に繰り返して作用される。複数のロールにより処理材料を分散する通常のロールミルは、一般的に、材料に圧縮、剪断、膨張作用を与えて処理材料を分散する装置と考えられているから、上記凹部７及び帯状突起８による作用は、あたかもロールミルで分散処理したかのごとき作用とみなすことができ、一層確実に均一に微粒子化することができる。
上記回転体２の表面や帯状突起８の表面には、ローレット加工により、刻み目９を形成することができる。刻み目９の形状は、水平線状、斜め線状等の平目状ローレットや、四角目、クロス目、ダイヤ目等の綾目状ローレットに形成することができる。また、刻み目により形成される微小突起は、高さ約１．０〜０．１ｍｍ、好ましくは約０．６〜０．３ｍｍに形成してある。
上記ベッセル１の内方流出口４に対向して、排出口１１を有する超音波室１０が設けられている。この超音波室１０内には、超音波発生装置１２の超音波ホーン１３が設けられ、超音波室１０に流入した処理材料に超音波振動を照射する。超音波ホーン１３の排出口１１側の側面と超音波室１０の排出口１１側の内壁との間の寸法Ａ及び超音波ホーン１３の先端と内方流出口４の間の寸法Ａは、同じ程度の寸法に設けてある。この超音波振動によりキャビテーションが生じ、スラリー中に微小気泡が発生する。
キャビテーションにより微小気泡を発生させるための超音波の振幅は、処理材料の液体の種類により最適の振幅数がある。キャビテーションは、処理材料の表面張力が大きい液体では、発生しやすいことが知られている。一般に、液体が溶剤系の場合は、概略２０〜３０ｍＮ/ｍと表面張力が小さいため、キャビテーションの発生が難しい。一方、液体が水系の場合は、７３ｍＮ/ｍであるので、キャビテーションは、容易に発生する。例えば、出力６００Ｗ、振動数２０ｋＨｚ、超音波ホーンの先端部の直径３６ｍｍ、振幅１４〜４０μｍとすると、振幅値に関係なしに常にキャビテーションが発生する。振幅が大きいほど、発生した微小気泡が消滅する際の衝撃力が強くなり、ブツやダマに大きなダメージを与えて破壊することができる。
上記内方流出口４は、処理材料が流出するようオリフィス状の形状に形成され、超音波ホーン１３の先端部の形状と類似の形状に形成するのが好ましい。そして、内方流出口４から流出する処理材料に的確に超音波を照射できるよう超音波ホーン１３の先端部の大きさより内方流出口の直径を小さく形成するとよい。実験の結果によれば、内方流出口の直径ｄ１は、超音波ホーン１３の先端部の直径ｄ２の約８０パーセント程度がよく、これより大きく形成すると、ブツやダマの存在が認められる。最大でも超音波ホーンの先端部の直径と同じ直径までである。このような構成にすると、超音波ホーンから約２０ｋＨｚ、すなわち毎秒２００００回の振動を発生させると、超音波ホーンの先端部から大きな振動エネルギーが発生する。この振動は内方流出口から流出する液体全体に及ぼされ、液体中で超音波振動が生じるから、キャビテーションにより液体中に真空の微小気泡が発生し、その気泡は加圧状態になって潰れる。この破壊時の衝撃が圧力波となって粉体の部分凝集であるブツやダマに作用し、ブツやダマは解砕される。
上記超音波ホーン１３を超音波室１０の中心に設けると、処理材料が超音波処理を受けずにショートパスして流出するおそれがある。すなわち、超音波室１０に設けた排出口１１と内方流出口４の位置が近く、かつ超音波室１０の中心に位置する超音波ホーン１３の先端部と内方流出口４の間隔及び超音波ホーン１３の側面と排出口１１の間隔が等しいと、処理材料は内方流出口４から排出口１１にショートパスしやすい。そこで、超音波ホーン１３の排出口１１側の側面と排出口１１間の間隔Ａよりも、超音波ホーン１３の排出口１１とは反対側の側面と超音波室の内面間の間隔Ｂが広くなるよう超音波ホーン１３の設置位置を超音波室１０の中心Ｏ１から偏芯して設けると、流量抵抗が下がり、ショートパスを生じないよう制御することができる。図面で説明すると、図３に示すように、超音波ホーン１３の排出口１１側の側面と超音波室１０の内壁との間の寸法Ａは、排出口１１に対向する側の超音波ホーン１３の側面と超音波室１０の内壁との間の寸法Ｂよりも小さい。撹拌流動特性上好ましい偏芯位置としては、超音波室の直径Ｄとすると、超音波室の中心Ｏ１と超音波ホーンの中心Ｏ２までの間隔Ｃが、Ｃ＝０．２Ｄ〜０．２５Ｄとなる位置である。
リチウムイオン二次電池の水系負極材料は、ナノパウダーを含む電極材料と水系溶媒の混合物であるが、この水系負極材料を、ミキサーでプレミキシングしてスラリー液を作成した。このスラリー液中にはナノパウダーの粉体が含まれている。図１に示す装置を用い、超音波装置は、出力６００Ｗ、振動数２０ｋＨｚ、超音波ホーンの先端部の直径３６ｍｍ、振幅４０μｍ、内方流出口の直径２８ｍｍとした。超音波ホーンの排出口側の側面と超音波室の内壁との間の寸法Ａ及び超音波ホーンの先端と内方流出口の間の寸法Ａを種々変化させて処理材料中に含まれている部分凝集であるブツやダマがどのように解砕されるかを調べた。同時に、排出口から排出される処理材料の温度の上昇の有無についても調べた。テストの結果は、表１に示す通りであった。
部分凝集の消滅 ○・・・消滅した。
×・・・消滅しない。
処理材料の温度 ○・・・昇温しない。
△・・・少し昇温した。
×・・・昇温した。
実施例に用いたリチウムイオン二次電池の水系負極材料を、ミキサーでプレミキシングしてスラリー液を作成した。処理装置は、図１に示す装置から超音波室を除去した装置を用いた。ベッセルから排出される処理材料中には、部分凝集物が残存しており、ブツやダマが見られた。
以上のように、超音波室をベッセルに併設して分散処理することにより、処理材料中のブツやダマをなくすことができる。特に、超音波ホーンの排出口側の側面と超音波室の内壁との間の寸法Ａ及び超音波ホーンの先端と内方流出口の間の寸法Ａが、約２〜５ｍｍ、さらに好ましくは３〜５ｍｍになるように超音波ホーンを設置すると、ブツやダマを確実に解砕することができるとともに、処理材料の温度が上昇することもない。これにより、処理材料の品質を変化させることなく、均質に分散することができた。
１ ベッセル(容器)
２ 回転体
３ 供給口
４ 内方流出口
６ 環状微小間隙
１０ 超音波室
１１ 排出口
１２ 超音波発生装置
１３ 超音波ホーン
２ 回転体
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６ 環状微小間隙
１０ 超音波室
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１２ 超音波発生装置
１３ 超音波ホーン
Claims (6)
- 固体/液体系処理材料であるスラリーの処理方法であって、供給口からベッセル内に入った処理材料を回転体とベッセルの内壁間に形成された環状微小間隙に流入させること、回転体を回転して処理材料を圧縮、剪断処理すること、環状微小間隙を通過した処理材料を内方流出口から排出口を有する超音波室に流出すること、超音波ホーンの排出口とは反対側の側面と超音波室の内面間の間隔が超音波ホーンの排出口側の側面と排出口間の間隔よりも広く、かつ排出口側の超音波室の壁面との間及び超音波ホーンと上記内方流出口との間に、２〜５ｍｍの間隔を空けて超音波ホーンを該超音波室に設けること、この超音波ホーンから処理材料に超音波を照射することを特徴とするスラリーの処理方法。
- 上記超音波ホーンは、超音波室の中心から排出口側に偏芯した位置から超音波を処理材料に照射することを特徴とする請求項１に記載のスラリーの処理方法。
- 固体/液体系処理材料であるスラリーの供給口と内方流出口を有するベッセルと、ベッセル内に回転可能に設けられた回転体と、回転体の外周面とベッセルの内壁面間に形成された環状微小間隙と、ベッセルの内方流出口に連通して設けられ排出口を有する超音波室と、超音波室に設けられた超音波ホーンを具備し、上記超音波ホーンは、超音波ホーンの排出口とは反対側の側面と超音波室の内面間の間隔が超音波ホーンの排出口側の側面と排出口間の間隔よりも広く、かつ超音波ホーンと上記内方流出口及び超音波室の壁面との間の間隔が２〜５ｍｍになるよう排出口側に近接して設けられていることを特徴とするスラリーの処理装置。
- 上記超音波ホーンの中心は、超音波室の中心から排出口側に偏芯している請求項３に記載のスラリーの処理装置。
- 上記回転体は、外周面に円周方向に凹部を設けて長手方向に延びる帯状突起を形成した筒状体に構成されている請求項３に記載のスラリーの処理装置。
- 上記回転体の帯状突起の表面には、刻み目が設けられている請求項５記載のスラリーの処理装置。
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