JP6735242B2

JP6735242B2 - 中空粒子の強度測定方法

Info

Publication number: JP6735242B2
Application number: JP2017029669A
Authority: JP
Inventors: 恭子野中; 一坪　幸輝; 幸輝一坪; 増田　賢太; 賢太増田
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2020-08-05
Anticipated expiration: 2037-02-21
Also published as: JP2018136160A

Description

本発明は、中空粒子の強度測定方法に関する。

中空粒子は、粒子内部に空隙が存在するため、緻密な粒子に比べ、軽量性、断熱・遮熱性、遮音性、光散乱性などの特性が優れていることから、断熱・遮熱材フィラー、遮音フィラー、反射材フィラー等として広く普及している。

このような中空粒子の強度測定方法としては、一軸圧縮強度試験や静水圧破壊試験（非特許文献１）、「耐火断熱れんがの圧縮強さ試験方法」（特許文献１、非特許文献２）が知られている。

特開２０１６−３７３９９号公報

粉体研究工学会誌Vol.12, No.9(1975), p513-518 ＪＩＳ＿Ｒ＿２６１５「耐火耐熱れんがの圧縮強さ試験方法」

しかし、一軸圧縮強度試験（試験機：島津製作所、微小圧縮試験機、ＭＣＴシリーズなど）は、１粒子を選定し強度を測定するため粒度分布に幅がある粒子の場合には測定精度が低かった。また、静水圧破壊試験では、球状粒子の破壊孔の位置・方向によって水中浮沈状態の変化が生じるため測定精度が低く、また溶媒に溶解する粒子の強度測定は困難であった。また、ＪＩＳ＿Ｒ＿２６１５（１９９５）「耐火断熱れんがの圧縮強さ試験方法」では、粒子からなる成形体の強度は測定可能であるが、粒子自体の破壊に焦点をあてて測定出来ない。
従って、粒度分布に幅があり、内部に空隙が存在する中空粒子の正確な強度測定方法を提供することにある。

そこで本発明者は、粒度分布に幅がある中空粒子の正確な強度を測定すべく種々検討した結果、被検中空粒子の一群を加圧成形した際の成形体の見掛け密度の変化と中空粒子の中空構造の残存率との関係に着目することにより、正確な中空粒子の強度が測定できることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、次の〔１〕及び〔２〕を提供するものである。

〔１〕（１）複数の被検中空粒子を型の中に隙間なく充填し、加圧成形してペレット化する工程、
（２）ペレットの見掛け密度を測定する工程、及び
（３）被検中空粒子の中空構造残存率とペレットの見掛け密度の変化との関係に基いて被検中空粒子の強度を算出する工程、
を有する中空粒子の強度の測定方法。
〔２〕被検中空粒子の平均粒子径が０．１〜１０００μｍである〔１〕記載の中空粒子の強度の測定方法。

本発明方法よれば、粒子分布に幅があり、溶媒に溶解してしまうような中空粒子の強度が正確に測定できる。特に、フィラー等に用いる状態における強度が測定できるので、種々のフィラーとして使用する中空粒子の使用状態での強度が正確に測定できる。

圧力成形機を用いてペレット化する工程の一例を示す図である。ペレットにかけた圧力と中空構造残存率との関係を示す図である。

本発明の測定方法の測定対象は、中空粒子の強度であり、中空室を区画する殻を有し、平均円形度の高い中空粒子であるのが好ましく、平均円形度が０．７以上（より好ましくは０．８以上）の中空粒子であるのがより好ましい。また、中空粒子の平均粒子径は、０．１〜１０００μｍであるのが好ましく、０．１〜５００μｍであるのがより好ましく、０．１〜１００μｍであるのがさらに好ましい。

ここで粒子径は、電子顕微鏡の解析によって測定でき、その平均は、ＪＩＳＲ１６２９「ファインセラミックス原料のレーザ回折・散乱法による粒子径分布測定方法」、レーザー回折・散乱法による粒子径分布測定装置として、例えばマイクロトラック（日機装株式会社製）などによって計算できる。

中空粒子としては、有機物中空粒子、無機物中空粒子及びそれらの複合中空粒子を問わないが、無機物中空粒子が好ましい。無機物中空粒子としては、無機酸化物中空粒子がより好ましい。また、中空粒子の製造法は、気相合成法、溶液合成法、噴霧熱分解法のいずれでもよいが、球状の中空粒子を得る点で噴霧熱分解法が好ましい。

本発明方法の工程（１）は、複数の被検中空粒子を型の中に隙間なく充填し、加圧成形してペレット化する工程である。
ここで用いられる型は、円柱状のペレットを形成できる型が好ましく、例えば図１のように底部、中間部、及び上部からなる適宜解体できる円柱状の型が挙げられる。この型は、数千個以上の中空粒子が充填できることが望ましい。

被検中空粒子は、型の中に隙間なく充填する。中空粒子は、少なくとも一層以上充填するのが好ましい。充填に際して、加圧成形が困難な中空粒子の成形性を改善するため、アルコールや水など成形補助剤を混合してから型枠に入れても良い。成形補助剤は、１００℃以下で揮発、除去できるものが好ましい。具体的には、中空粒子又は中空粒子と成形補助剤を混合した試料を型枠に一定量を投入する。

型枠を加圧成形機に設置し、油圧などにより所定の圧力（例えば、２〜８０ＭＰａ）をかけ、所定の時間圧力を保持しながら加圧する。

所定時間経過後、加圧をやめて、型枠を加圧成形機から取り外す。型枠から、ペレット状となった試験体を取り外す。

工程（２）は、ペレットの見掛け密度を測定する工程である。測定は、乾式自動密度計「アキュピック（島津製作所製）」などの密度計で行うことができる。ただし、成形補助剤を混合した場合、ペレット状になった試験体は湿っているため、乾燥後測定する。

工程（３）は、被検中空粒子の中空構造残存率とペレットの見掛け密度の変化に基いて被検中空粒子の強度を算出する工程である。

例えば、中空構造残存率ｐを以下のように求める。質量をｍ、破壊前の体積をＶ、破壊後の体積をｖとする。このとき、破壊前の密度（見かけ密度）ｘ＝ｍ／Ｖ、破壊後の密度（真密度）ｙ＝ｍ／ｖとなる。中空構造残存率をｐとすると、見掛け密度ρは以下で表される。
（数１）
ｍ／（（Ｖ×ｐ＋ｖ×（１−ｐ））＝ρ・・・（ａ）
これをｐについて解くと、以下のようになる。
（数２）
ｐ＝（１−ρ／ｙ）／ρ×（１／ｘ−１／ｙ）・・・（ｂ）

また、中空構造残存率（線形）に下記計算で算出される残存率Ｐを示す。こちらの式で残存率（線形）を求めても良い。
（数３）
ｘ×Ｐ＋ｙ×（１−Ｐ）＝ρ・・・（ｃ）

中空構造残存率ｐと圧力の関係を示したグラフを作成し、グラフから３０％〜８０％残存時、好ましくは５０％残存時の圧力を求め、その値を中空粒子の強度とする。

本発明方法により得られる強度は、粒度分布を有する中空粒子を充填した状態での強度であるため、例えば中空粒子をフィラー等のように充填した使用状態の強度が正確に測定できることになる。

次に実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。

実施例１
粒子１及び粒子２を用いて、以下の操作を行った。
（１）サンプル：エタノール＝４：１で混合する（サンプルのみでは、加圧によるペレット成形が困難なため、エタノールを混合した）。
（２）混合したサンプルを冶具へ一定量投入する。
（３）圧力成形機へ載せ、油圧によって所定の圧力（２〜３０ＭＰａ）をかける（図１）。
（４）所定の圧力にて１分間、静置する。
（５）成形機からサンプル（ペレット）を取り外す。
８０℃で２時間以上乾燥する（熱風乾燥機で、（１）で混合したエタノールを除去するため）。
（６）密度を測定する。

得られた密度、質量、破壊前の体積、破壊後の体積から、前記式（ａ）及び（ｂ）に基いて、中空構造残存率を求めた。その残存率と圧力の関係を示すグラフを図２及び表１に示す。

（粒子１）
・見掛け密度：０．４６ｇ／ｃｍ³、真密度：１．９６ｇ／ｃｍ³（アキュピックにて測定）
・粒子径：Ｄ１０＝２１．４μｍ、Ｄ５０＝２１．６μｍ、Ｄ９０＝３０．２μｍ（マイクロトラックにて測定。体積基準の積算分率における１０％の粒子径をＤ１０、５０％の粒子径をＤ５０、９０％の粒子径をＤ９０とした。）
（粒子２）
・見掛け密度：０．５７ｇ／ｃｍ³、真密度：２．５１ｇ／ｃｍ³（アキュピックにて測定）
・粒子径：Ｄ１０＝０．５９μｍ、Ｄ５０＝６．１μｍ、Ｄ９０＝１３．８μｍ（マイクロトラックにて測定。Ｄ１０、Ｄ５０、Ｄ９０は粒子１と同じ。）

図１の粒子１及び粒子２の５０％中空構造残存率時の圧力から、粒子１の強度は１７．５ＭＰａ、粒子２の強度は３．０ＭＰａであることがわかった。

Claims

（１）複数の被検中空粒子を型の中に隙間なく充填し、加圧成形してペレット化する工程、
（２）ペレットの見掛け密度を測定する工程、及び
（３）被検中空粒子の中空構造残存率とペレットの見掛け密度の変化との関係に基いて被検中空粒子の強度を算出する工程、
を有する中空粒子の強度の測定方法。
被検中空粒子の平均粒子径が０．１〜１０００μｍである請求項１記載の中空粒子の強度の測定方法。