JP6777359B2 - 分散装置用ノズル、そのノズルを備えた分散装置、及び分散方法 - Google Patents

Description

本発明は、分散装置用ノズル、そのノズルを備えた分散装置、及び分散方法に関する。

分散質として例えば固形物を細かく分散する装置は、固形物を含有した処理液にせん断力を与え、当該せん断力により固形物を細かく分散する（例えば、特許文献１及び２）。上記特許文献１の分散装置は、オリフィス部の下流側にオリフィス部よりも断面が拡大された噴出穴が形成されている。上記特許文献２の分散装置は、カーボンナノチューブと、良性イオン界面活性剤と、極性溶媒とを含有した処理液を高圧かつ高速でオリフィス部に通過させることで、カーボンナノチューブを分散させる。

特開昭６０−１６８５５４号公報 特開２０１５−１３７７２号公報

ノズルにおいて固形物に大きなせん断力を与えるには、固形物を含有した粘度の高い処理液を用いることや、小さいノズル径を有するノズルを用いることが有効である。ところが、粘度の高い処理液や、小さいノズル径を有するノズルを用いた場合、固形物がノズルに詰まってしまうという問題があった。またノズルは通常、ダイヤモンド又は多結晶ダイヤモンド等の硬質な材料に微細な穴を設けて形成するが、所望の形状の穴を硬質な材料に形成することは容易ではない。

そこで本発明は、分散質をより細かく分散できるノズルを容易に形成することができる分散装置用ノズル、そのノズルを備えた分散装置、及び分散方法を提供することを目的とする。

本発明に係る分散装置用ノズルは、加圧された処理液がノズルを通過することによって、前記処理液に含まれる分散質を分散させる分散装置において、前記ノズルは、第１ノズル穴が形成された基準板と、前記基準板に重ねて設けられ、第２ノズル穴が形成された合わせ板とを備え、前記第１ノズル穴と前記第２ノズル穴とが一部で重なることによって、前記処理液の進行方向に直交する第１軸側内面間の距離が、前記進行方向及び前記第１軸に直交する第２軸内面間の距離より長いオリフィス部が形成されていることを特徴とする。

本発明に係る分散装置は、上述の分散装置用ノズルを備えたことを特徴とする。

本発明に係る分散方法は、加圧された処理液がノズルを通過することによって、前記処理液に含まれる分散質を分散させる分散液の製造方法において、前記ノズルが、第１ノズル穴が形成された基準板と、前記基準板に重ねて設けられ、第２ノズル穴が形成された合わせ板とを備え、前記第１ノズル穴と前記第２ノズル穴とが一部で重なることによって、前記処理液の進行方向に直交する第１軸側内面間の距離が、前記進行方向及び前記第１軸に直交する第２軸内面間の距離より長いオリフィス部が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ノズルは、基準板に形成された第１ノズル穴と、合わせ板に形成された第２ノズル穴とを一部で重ねることにより、第１軸側内面間の距離が、第２軸側内面間の距離より長いオリフィス部を容易に形成することができる。

本実施形態に係る分散装置の構成を示す模式図である。 本実施形態に係るノズルの構成を示す分解斜視図である。 本実施形態に係るノズルの構成を示す正面図である。 本実施形態に係るノズルの構成を示す縦断面図である。 変形例（１）に係るノズルの構成を示す分解斜視図である。 変形例（１）に係るノズルの構成を示す正面図である。 変形例（１）に係るノズルの構成を示す縦断面図である。 変形例（２）に係るノズルの構成を示す正面図である。 変形例（３）に係るノズルの構成を示す正面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

（全体構成）
図１に示す分散装置１０は、圧縮機１２、処理液供給部１４、ノズル１６Ａ、及び冷却部１８を備える。圧縮機１２には、逆止弁２２を介して処理液供給部１４が接続されている。圧縮機１２は、動力２０に接続されており、吐出口が圧縮配管２１の一側に接続されている。圧縮配管２１の他側は、ノズル１６Ａの入り口に接続されている。ノズル１６Ａの出口は、排出配管２３の一側に接続されている。排出配管２３の他側は、冷却部１８に接続されている。分散装置１０は、処理液供給部１４から供給された処理液が、ノズル１６Ａを通過することにより、前記処理液に含まれる分散質を分散し得るように形成されている。

ノズル１６Ａは、図２に示すように、基準板２６と、合わせ板３０とを有する。基準板２６及び合わせ板３０は、硬質の材料、例えばダイヤモンドで形成され、円板状の部材で構成される。基準板２６及び合わせ板３０には、それぞれ第１ノズル穴２８、第２ノズル穴３２が厚さ方向に形成されている。第１ノズル穴２８及び第２ノズル穴３２は、円形であって、位置、大きさが特に限定されない。本実施形態の場合、第１ノズル穴２８及び第２ノズル穴３２は、それぞれ基準板２６及び合わせ板３０の中心からずれた位置に形成されており、同じ内径を有する。第１ノズル穴２８及び第２ノズル穴３２の内径は、例えば、５０μｍ〜１０ｍｍとすることができる。

ノズル１６Ａは、図３に示すように、基準板２６及び合わせ板３０を同軸上に重ねて形成される。基準板２６及び合わせ板３０を重ねたことにより、オリフィス部３４が形成される。すなわち、第１ノズル穴２８と第２ノズル穴３２が一部重なることにより、厚さ方向に開口したオリフィス部３４が形成される。オリフィス部３４は、圧縮配管２１の内径に比べ、微細に形成されている。なお、本図において、処理液の進行方向をＦ、進行方向Ｆに直交する第１軸をＸ、前記進行方向Ｆ及び前記第１軸Ｘに直交する第２軸をＹとする。

オリフィス部３４は、開口が処理液の進行方向Ｆに平行に配置され、第１軸Ｘ側内面間の距離Ｄ（最大長さ）が、第２軸Ｙ側内面間の距離Ｈ（最小長さ）より、長く形成されている。第１軸Ｘ側内面間の距離Ｄは、例えば、５０〜３００μｍ、好ましくは５０〜２００μｍとすることができる。第１軸Ｘ側内面間の距離Ｄと、第２軸Ｙ側内面間の距離Ｈとの比Ｄ／Ｈは、１より大きく、好ましくは１．５〜１６、より好ましくは２〜８、さらに好ましくは２〜４とすることができる。

オリフィス部３４は、図４に示すように、基準板２６と合わせ板３０の接触面（以下、「境界」という）に形成されている。オリフィス部３４は、当該オリフィス部３４を挟んで上流側が第１ノズル穴２８に、下流側が第２ノズル穴３２に連結されている。言い換えると、ノズル１６Ａは、境界のみに、第１軸Ｘ側内面間の距離Ｄが、第２軸Ｙ側内面間の距離Ｈより長いオリフィス部３４が形成されており、当該オリフィス部３４を通過する際に処理液に対し最も大きなせん断力がはたらく。

（動作及び効果）
次に上記のように構成された分散装置１０の動作及び効果を説明する。まず、処理液供給部１４に処理液を投入する。処理液は、分散媒と、分散質としての固形物とを含む。処理液は、大きいせん断力を得る観点から、１（ｍＰａ・ｓ）を超える粘度を有するのが好ましく、１００（ｍＰａ・ｓ）を超えるのがより好ましい。

分散媒としては、例えば塗膜形成物としての樹脂と、溶媒とを含む。例えば、分散媒は、樹脂としてのポリイミド（ＰＩ）と、溶媒としてのＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）とで作製してもよい。また分散媒は、樹脂としてのポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）と、溶媒としての水とで作製してもよい。さらに分散媒は、樹脂としてのポリアミドイミド（ＰＡＩ）と、溶媒としてのＮＭＰとで作製してもよい。

固形物は、アスペクト比が１０を超える部材、例えば、ＣＮＴやカーボンナノファイバ、銀ナノワイヤ、無機ナノチューブ、セルロースナノファイバー、炭素繊維等を用いることができる。またアスペクト比が５０を超える固形物を用いるのが好ましい。この場合、固形物は、例えば直径１０ｎｍ×長さ０．５μｍである。

圧縮機１２は接続された動力２０によって駆動し、処理液供給部１４から供給された上記処理液を押し出す。押し出された処理液は、圧縮配管２１を通じてノズル１６Ａへ到達する。ノズル１６Ａに到達した処理液は、第１ノズル穴２８、オリフィス部３４、第２ノズル穴３２の順に通過していく。オリフィス部３４は、圧縮配管２１に比べ流路が微細に形成されていることにより、処理液の圧力は、オリフィス部３４直前で１０〜２００ＭＰａになる。

処理液は、オリフィス部３４を通過する際、高速流となる。オリフィス部３４を通過することにより、処理液は大きいせん断力を受ける。前記せん断力によって処理液に含まれる固形物がより細かく分散する。このようにして固形物がより細かく分散した分散液が作製される。オリフィス部３４を通過した直後の分散液は、高温である。分散装置１０は、排出配管２３を通じて冷却部１８に分散液を供給し、分散液を所定温度に冷却してから、排出し得る。

本実施形態の場合、オリフィス部３４は長円形状に形成されていることにより、第１軸Ｘと第２軸Ｙとで流速分布が異なる。すなわち、第１軸Ｘにおいて、流速は、オリフィス部３４の全体で流速がほぼ一定となる。したがって、処理液は、第１軸Ｘ近傍においてせん断速度（速度勾配ともいう。）が小さい。処理液は、せん断速度が小さい領域、すなわち第１軸Ｘ及び進行方向Ｆを含む平面と平行な面近傍において、受けるせん断力が小さい。したがって処理液に含まれる固形物は、第１軸Ｘ及び進行方向Ｆを含む平面と平行な面近傍において、詰まることなくスムーズにオリフィス部３４内を通過する。

一方、第２軸Ｙにおいて、流速は、オリフィス部３４の中央がより速い。すなわち処理液は、第２軸Ｙ近傍においてせん断速度が大きい。処理液及び処理液に含まれる固形物は、大きなせん断速度が生じる領域（高せん断速度領域）、すなわち第２軸Ｙ及び進行方向Ｆを含む平面と平行な面近傍において大きいせん断力を受ける。高せん断速度領域におけるせん断力によって固形物は、より細かく分散する。

上記のように本実施形態の場合、オリフィス部３４入口に到達した固形物は、第２軸Ｙ及び進行方向Ｆを含む平面と平行な面近傍において、大きいせん断力を受けることにより、より細かく分散する。固形物は、大きいせん断力を受けることによって、仮にオリフィス部３４の流路に詰まったとしても、第１軸Ｘに平行な方向に向きを変えることによって、スムーズにオリフィス部３４内を通過することができる。

このようにオリフィス部３４は、第２軸Ｙ及び進行方向Ｆを含む平面と平行な面近傍において処理液に大きいせん断力を与えながら、第１軸Ｘ及び進行方向Ｆを含む平面と平行な面近傍においては処理液が受けるせん断力が小さいので、スムーズに処理液を通過させる。

したがって分散装置１０は、オリフィス部３４全体として、処理液に含まれる固形物が流路に詰まるのを防止しながら、固形物をより細かく分散させることができる。

本実施形態の場合、ノズル１６Ａは、基準板２６に形成された第１ノズル穴２８と、合わせ板３０に形成された第２ノズル穴３２とを一部で重ねることにより、オリフィス部３４を形成した。第１ノズル穴２８と第２ノズル穴３２を組み合わせることにより、ノズル１６Ａは、第１軸Ｘ側内面間の距離Ｄが、第２軸Ｙ側内面間の距離Ｈより長いオリフィス部３４を容易に形成することができる。

第１ノズル穴２８及び第２ノズル穴３２は、それぞれ基準板２６及び合わせ板３０の中心からずれた位置に形成されている。したがって基準板２６に対し、合わせ板３０を円周方向に回転させることにより、オリフィス部３４の開口面積や、比Ｄ／Ｈを適宜選択することができる。したがってノズル１６Ａは、固形物や、分散質に合わせて、所望のオリフィス部３４を容易に形成することができる。

また、オリフィス部３４は、経年使用により摩耗し、内径が大きくなった場合、基準板２６に対し、合わせ板３０を円周方向に回転させ第１ノズル穴２８及び第２ノズル穴３２の重なる位置を適宜調整することにより、所望の開口面積や比Ｄ／Ｈを容易に得ることができるので、固形物をより確実に細かく分散することができる。

ノズル１６Ａは、基準板２６及び合わせ板３０を分離することにより、オリフィス部３４より内径が大きい第１ノズル穴２８及び第２ノズル穴３２を露出させることができるので、容易に清掃などのメンテナンスをすることができる。

ノズル１６Ａは、境界のみに、第１軸Ｘ側内面間の距離Ｄが、第２軸Ｙ側内面間の距離Ｈより長いオリフィス部３４が形成されており、当該オリフィス部３４を挟んで上流側が第１ノズル穴２８に、下流側が第２ノズル穴３２に連結されている。ノズル１６Ａは、オリフィス部３４の奥行が短く、処理液に生じる圧力損失を低減できるので、目詰まりを防止し、よりスムーズに処理液を通過させることができる。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

上記実施形態の場合、ノズル１６Ａは、基準板２６と、１枚の合わせ板３０で形成する場合について説明したが、本発明はこれ限らず、合わせ板は複数であってもよい。例えば、図５に示すように、ノズル１６Ｂは、基準板２６と、２枚の合わせ板で形成してもよい。この場合、合わせ板は、第１合わせ板３１及び第２合わせ板３６からなる。第１合わせ板３１には第２ノズル穴３３が形成されており、第２合わせ板３６には第３ノズル穴３８が形成されている。図６に示すように、ノズル１６Ｂには、第１軸Ｘ側内面間の距離Ｄが、第２軸Ｙ側内面間の距離Ｈより長い複数のオリフィス部、すなわち第１オリフィス部３４と、第２オリフィス部４０が形成される。第１オリフィス部３４と、第２オリフィス部４０は、図７に示すように、処理液の進行方向Ｆに向かって上流から段階的に形成される。すなわち第１オリフィス部３４は基準板２６と第１合わせ板３１の境界、第２オリフィス部４０は第１合わせ板３１と第２合わせ板３６の境界に、それぞれ形成される。第２オリフィス部４０は、第１オリフィス部３４より開口面積が小さくなるように形成される。また第１オリフィス部３４と第２オリフィス部４０は、比Ｄ／Ｈが異なるように選択してもよい。

処理液は、基準板２６の第１ノズル穴２８、第１オリフィス部３４、第２ノズル穴３３、第２オリフィス部４０、第２ノズル穴３２の順に、ノズル１６Ｂを通過していく。ノズル１６Ｂは、第１オリフィス部３４及び第２オリフィス部４０を通過させることにより、処理液に対し多段的にせん断力を生じさせることができるので、より確実に固形物を細かく分散することができる。

なお基準板２６、第１合わせ板３１、及び第２合わせ板３６の組み合わせ方は、本図に示す順番に限られるものではなく、適宜変更することができ、例えば、基準板２６を挟んで一側に第１合わせ板３１、他側に第２合わせ板３６を配置したり、第１合わせ板３１、第２合わせ板３６、基準板２６の順に配置したりしてもよい。この場合もオリフィス部は、処理液に進行方向Ｆに向かって上流から、第１オリフィス部３４、第２オリフィス部４０の順に形成される。また合わせ板は、３枚以上で形成してもよい。

上記実施形態の場合、第１ノズル穴２８及び第２ノズル穴３２は、同じ内径を有する場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、第１ノズル穴２８及び第２ノズル穴３２は、内径が異なっていてもよい。図８に示すように、第１ノズル穴４２の内径は、第２ノズル穴４４の内径より大きく形成してもよい。ノズル１６Ｃは、第１ノズル穴４２と、第２ノズル穴４４により、第１軸Ｘ側内面間の距離Ｄが、第２軸Ｙ側内面間の距離Ｈより長いオリフィス部４５が形成されている。また、第１ノズル穴の内径は、第２ノズル穴の内径より小さく形成してもよい。

上記実施形態の場合、基準板２６及び合わせ板にそれぞれ第１ノズル穴２８及び第２ノズル穴３２が１個ずつ形成されている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、一方、又は両方が複数であってもよい。例えば、図９に示すように、ノズル１６Ｄは、２個の第１ノズル穴４６，４８と、２個の第２ノズル穴５０，５２を有する。２個の第１ノズル穴４６，４８と、２個の第２ノズル穴５０，５２により、第１軸Ｘ側内面間の距離Ｄが、第２軸Ｙ側内面間の距離Ｈより長い第１オリフィス部５３及び第２オリフィス部５４が形成されている。第１オリフィス部５３及び第２オリフィス部５４は、基準板と合わせ板の同じ境界に形成されている。また第１ノズル穴第２ノズル穴は、一方、又は両方が３個以上であってもよい。

上記実施形態の場合、第１ノズル穴２８及び第２ノズル穴３２は、それぞれ基準板２６及び合わせ板３０の中心からずれた位置に形成されている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、第１ノズル穴２８及び第２ノズル穴３２の一方は、基準板２６又は合わせ板３０の中心に形成することとしてもよい。

上記実施形態及び変形例は、適宜組み合わせて実施することができる。

上記実施形態の場合、分散質として固形物を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、分散質は液体であってもよい。分散装置は、分散媒と分散質が分離している処理液を、乳化することができる。

１０ 分散装置
１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ ノズル
２６ 基準板
２８、４２、４６、４８ 第１ノズル穴
３０ 合わせ板
３１ 第１合わせ板（合わせ板）
３２、３３、４４、５０、５２ 第２ノズル穴
３４、４０、４５、５３、５４ オリフィス部
３６ 第２合わせ板（合わせ板）
３８ 第３ノズル穴
Ｆ 進行方向
Ｘ 第１軸
Ｙ 第２軸
Ｄ 第１軸Ｘ側内面間距離
Ｈ 第２軸Ｙ側内面間距離

Claims (8)

1. 加圧された処理液がノズルを通過することによって、前記処理液に含まれる分散質としての固形物を分散させる分散装置用ノズルにおいて、
   一つの第１ノズル穴が形成された円板状の基準板と、
   前記基準板に重ねて設けられ、一つの第２ノズル穴が形成された円板状の合わせ板と
   を備え、
   前記第１ノズル穴と前記第２ノズル穴とが一部で重なることによって、前記処理液の進行方向に直交する第１軸側内面間の距離Ｄが、前記進行方向及び前記第１軸に直交する第２軸内面間の距離Ｈより長いオリフィス部が形成され、
   前記距離Ｄは５０〜３００μｍであり、前記距離Ｄと前記距離Ｈとの比Ｄ／Ｈは１．５〜１６とされており、
   前記第１ノズル穴は前記基準板の中心からずれた位置に形成されており、前記第２ノズル穴は前記合わせ板の中心からずれた位置に形成されている
   ことを特徴とする分散装置用ノズル。
2. 前記第１ノズル穴に対する前記第２ノズル穴の位置が変更可能であることを特徴とする請求項１記載の分散装置用ノズル。
3. 前記第１ノズル穴と前記第２ノズル穴は、大きさが異なることを特徴とする請求項１又は２記載の分散装置用ノズル。
4. 前記基準板と前記合わせ板は、同軸上に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の分散装置用ノズル。
5. 前記基準板の中心から前記第１ノズル穴の中心までの距離と、前記合わせ板の中心から前記第２ノズル穴の中心までの距離が、異なることを特徴とする請求項４記載の分散装置用ノズル。
6. 前記合わせ板が、複数からなり、
   前記オリフィス部が、前記処理液の進行方向に向かって、多段階状に形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の分散装置用ノズル。
7. 請求項１〜６のいずれか１項記載の分散装置用ノズルを備えたことを特徴とする分散装置。
8. 請求項１記載の分散装置用ノズルを用いた分散方法において、
   前記第１軸において、前記ノズルの全体で流速が一定であり、前記第２軸において前記ノズルの中央がより流速が速いことを特徴とする分散方法。
   

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