JPH01503525A - 粒状材料の遠心および分類システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 粒状材料の遠心および分類システム 発明の分野 本発明は粒状材料を分類するための遠心装置（ｓｙｓｔｅｍ）、コロイド状粒状 供給材料からサブミクロン分類フラクションを得るための装置、およびこれら分 類されたフラクションを遠心ボウルから取り出し易くする方法に関するものであ る。関連せる観点において、本発明は分離プロセス中のコロイドを含む選択的化 学反応に適した装置（ｓｙｓｔｅｍ）に関係する。

技術の状態 サイズ分類のための遠心機および遠心分離装置の使用は当業者には公知である。

たとえば米国特許第２．０８５．５３８号および第２，０９７，４２０号参照。

このような技術は主としてクレー粒子のサイズ分類に関係があり、主にポーセレ ン、チャイナおよび同様なセラミックス分野に用いられる。

セラミックス加工における進歩のおかげで電気および機械器具の種々の部品が高 性能セラミックス部品に代った。その上セラミックスは電子部品、バイト（ｃｕ ｔｔｉｎｇｔｏｏｌ）に、そして金属部品の構造的代替物としてますます広く利 用されるようになった。このようなセラミックス材料によってあられれる特性は 、主として焼結セラミックス部品のミクロ構造によって定まる。しかしながら現 在の加工装置では加工バラメーターに大きなバラツキが生じ′る；それは大部分 、原料となるセラミック粉末の特徴に依存している。

セラミックス構造部材は普通は粉末をいわゆる′生素地（ｇｒｅｅｎ　ｂｏｄｙ ）’の形態にして製造される。この生素地をその後高温で焼結し、最終的セラミ ックス材料が生成する。現在市販の粉末は広いサイズ分布−普通は０．５　ミク ロン以下から約１０ミクロンまで−を有する。このように広いサイズ分布のため に、粉末を生素地に規則正しく詰めることはむづかしく、そのため比較的高い焼 結温度が必要である。したがって焼結−ミクロ構造および表面仕上および加工特 性、たとえば収縮変動および表面仕上はコントロールするのがむづかしい。よっ て、サイズフラクションの狭い粉末を製造する装置が必要である。

分散沈降によって、粉末を狭い粒子サイズ巾に分類することができる。沈降速度 はストークスの沈降法則によって与えられる： ここでＶは粒子の沈降速度、ｈは粒子が沈降する距離、ｔは粒子が距ａｈを沈降 するのに要する時間、ｒは粒子半径、ｇは重力による加速度、ρ　は粒子密度、 ρ　はＩｌ 溶媒の密度、ηは液体の粘度、Ｋは粒子の容積およびその断面積両方を考慮に入 れた粒子の形状ファクター（球では２１９）である。

溶媒の浮力とサブミクロン粒子の抗力との和が単純な重力沈降時間を引き延ばし ており、そのため不経済である。遠心沈降による沈降力の増加は沈降プロセスを 促進する。粒子の最終速度はその大きさの二乗に比例するから、大きい粒子は小 さい粒子よりかなり速く溶媒中を沈降し、容易に分離される。遠心分離には、ス トークスの法則のスヴニドベルグ一二コールス（Ｓｖｅｄｂｅｒｇ−Ｎｉｃｈｏ ｌｓ）ここでｔは粒子が距離（ｘｌ　−ｘ２　）を沈降するのに要する時間、ｘ ２は粒子の移動路の先端までの遠心機の回転半径、ｘｌは粒子の移動路の開始点 までの遠心機の回転半径、ωは遠心機の角速度、半径７秒であられす。その他の パラメーターは上記の式の場合と同様に定められる。

伝統的な方法においては、先づ最初に最大所望サイズより大きい粒子を分散液か ら追い出して遠心機の壁に沈降させるために必要な角速度および滞留時間を計算 することによって特定の粒子サイズの分類（′カット′）ができる。概して粒子 スラリーが遠心ボウルに入れられ、計算した条件下で遠心され、得られるオーバ ーフローは所望のインクレメントの上限より小さい粒子のみを含み、傾瀉される 。それからそのオーバーフローを元のスラリーを処理したと同様なやり方で処理 し、所望の最低サイズより大きい粒子はほとんど全部懸濁液から放り出されて遠 心機壁に付着するようにする。この第二の沈降物は所望のサイズ範囲内の粒子か ら成り、したがつてとって置かれ゛る。

先行技術のこの′バッチ′遠心法は、商業的規模にょる′サイズ分布の狭い粉末 ′の製造にはあまり採用されていない。バッチプロセスは処理量が不十分で、狭 いサイズ分布の粉末を製造しない。これは一部には、各遠心処理の開始時に、ス ラリー中の粒子分布がランダムで、そのため所望サイズ範囲内の粒子が懸濁液か ら追いやられ、それらの通り道にある、より小さい粒子がそれらと一緒に沈降物 の中に引きずり込まれるためである。よって狭いサイズ分布の粉末を生成するた めの注意深くコントロールされる装置が必要である。このような粉末は用途が広 く、高性能セラミックスを形成する場合の種々の長い間求められていた要求を満 足させる。狭いサイズ分布の粉末はその他に、フェライト−セラミックス組成物 と組み合わせてフィラーとして利用される。

遠心によって狭いサイズ分布の粉末をつくるときに遭遇する問題の一つとして、 生成した粉末のカットがグイラタントで、そのため遠心ボウルから除去するのが 非常にむづかしいということに注目することも大切である。

実際、そのようなグイラタントな沈降物を除去するためには、バッチ−モードで 、その粉末をのみでかき出さなければならないことがよくある。前記の米国特許 に記されているようにクレーを分類するとき、生成した分類フラクションは可塑 性で、したがってオーガー型または′デカンター′遠心機を用いることができる 。しかし狭い分布のコロイド粒子では、分類カットがダイラタントである点が、 クレー懸濁液で実現できるような連続的分類を阻止する。そこで狭いサイズ分類 フラクシジン、特にサブミクロン範囲のフラクシヨンの除去を容易にする方法− たとえば連続的または半連続的分類装置が提供されるというような−が必要であ る。

発明の開示 一面において、一本発明は、懸濁コロイドを遠心によって分離し、分離過程にお いてコロイドを含む選択された化学的反応を可能とする改善された方法および装 置を提供する。概してこの方法は遠心機を作動させ、液体媒質を回転している遠 心機に導入して遠心ボウル内に静止液体ゾーンを形成し、コロイド懸濁液を、回 転ボウルの静止ゾーン内の同心的位置に導入することから成る。

他面において、本発明は市販されている広い分布中のコロイド粉末を、正確なサ ブミクロンサイズのフラクシヨンに分類する方法を提供する。概してこのような 装置は遠心ユニットの配列を提供し、各ユニットは上述のようにボール型遠心器 内に静止ゾーンを含み、よく分散した供給懸濁液をユニットの配列に与え、リア ルタイムで配列内の各遠心単位の質量流速（ｍａｓｓ　Ｎｏｗ　ｒａｔｅ）と回 転速度両方をコントロールすることを含む。

もう一つの面において、本発明は、上記の面において提供されるサブミクロン分 類フラクシジンの除去を容易にする方法を提供する。概してその方法は供給スラ リー中に実質的過剰の分散剤を用いることを含んで成る。この方法によって、ダ イラタントなケーキよりもむしろ可塑性の沈降ケーキが遠心ボール内に形成され る：よってこの可盟性のケーキは容易に除去でき、こうして連続的に、または少 くとも半連続的に、そして効率的に作動される遠心分離装置が提供される。

図の簡単な説明 ？ｉｌＡおよび１８図は先行技術の遠心装置の縦断面図であり、時間ｔ”ｔｏ　 （分離すべきコロイドの導入直後）および時間１−１２（定常状態に違した後、 しばらくの間ボールを回転させた後）における粒子の分散を示す。

第２Ａおよび２Ｂ図は本発明による回転遠心ボールの縦断面図で、時間ｔ＝ｔｏ およびｔ−１２における静的液体ゾーンを示す。

第３図は第２図、時間ｔ−１２における回転装置の拡大縦断面図であり、懸濁液 中のコロイドの軌跡を示す。

第４図は本発明による回転遠心ボールの縦断面図を示し、ここで静ゾーンは分離 ゾーンと反応ゾーンを両方含み、反応ゾーンはコロイドと反応する反応物を含み 、そのためにより大きいコロイドが、分離後、反応物と反応した； 第５図は本発明による二段階装置の縦断面図で、理想的粒子サイズと、サイズに よる粒子の分離を示す。

第６図〜第８図は本発明によるコロイド粒子の分離のための多段階式半連続的装 置の工程図である。

第９図は分類前の市販粉末の粒子サイズ分布のグラフ図である： １８１０図は本発明による分類プロセスにおいて第１段階後に得られるアルミナ 末の粒子サイズ分布のグラフである。

第１１図は本発明による分類プロセスにおける第２段階後に得られるアルミナの 粒子サイズ分布のグラフである。

第１２図は本発明による分類プロセスの第３段階後に得られるアルミナの粒子サ イズ分布のグラフである。

第１３図〜第１５図は本発明によって分類した５ｉＡＩＯＮの顕微鏡写真である 。

第１６図は遠心分類プロセスの流れ図を簡単な形で示したものである。

第１７図は本発明によって分類した０、４ないし０．７　ミクロンの大きさの粒 子の走査電子顕微鏡写真である。

特殊な実施態様の詳細な説明 先行技術を我々が分析した結果、遠心プロセスのこれまでの不都合な特徴は、遠 心ボウル中に静止液体層が形成されること、および粒子の分離が当業者には正し く理解できない現象によっておこることなどであることが判明した。遠心機製品 の文献を含む先行技術は、遠心中に遠心ボウル中の液体の全容量が、分離をおこ す活性容量となることを示唆している。この広く支持されている遠心状態の考え 方は正しくないことを我々は発見した。特に、液体の静止層−その厚さはボウル の幾何学的構造によって定まる−がボウル璧に対して形成されることを発見した 。この先行技術は第１Ａ図および第１Ｂ図に示される分離技術を提供した。ここ で軸Ａ−Ａ周囲に回転するボウルにフィード１１を経由してコロイド懸濁液１３ が供給される。時間ｔ−０（懸濁液が最初にボウルに充填されたとき）。

において、ボウル中の粒子分布はほぼ均質であり、そこでボウルの直径の外側近 くおよびその外側壁１５近くでさえ、比較的小さい粒子が比較的大きい粒子の間 に混ざり合っている。時間ｔ−ｔ２（遠心装置がしばらくの開動いた後）におい ては、より大きい粒子が集って壁１５に向って沈降層１４を形成する。しかしな がら最初に若干の小さい粒子が外側壁１５の近くに存在していたから、小さい粒 子が少しはこの時も存在し、それによって沈降層１４に混入する。我々は、遠心 機ボウルの液体全容量が活性分離容量とみなされるという先行技術の遠心プロセ スに関する考え方は間違っていると考える。遠心中に静止液体ゾーンがボウル璧 に接して形成されることを我々は見出した。静止壁の厚さはボウルの幾何学的構 造によって定まる。我々の発見による懸濁コロイド相の分離のための装置および プロセスを第２Ａ図および第２Ｂ図に説明する。

コロイド懸濁液がフィード１１を経て軸Ａ−Ａのまわりに回転するボウルに導入 されるとき、微細な粒子は動的ゾーン（２３）を上へ昇り、ボウルのリップをオ ーヴアーする。

だが静止液体ゾーン（２１）ではそうはならない。説明の目的のために、動的ゾ ーン（２３）の厚さく放射方向）は本明精査中のすべての図で誇張されている。

実際、静止ゾーン（２１）内では粒子の移動を主として放射方向で、縦方向の移 動はごく限られる。粒子の分離は主として粒子が静止ゾーンに入る前におこると 考えられる。よって本発明の実施において、コロイド懸濁液と異なる液体媒質が 最初に遠心ボウルに導入される。ボウルか回転すると静止ゾーン（２１）が形成 され、それから懸濁液がフィード（１１）を経てボウルに導入され、時間１−１ ０で動的層（２３）を形成する。装置がしばらくの間運転した後、時間ｔ−Ｈに おいて、より大きい粒子が集って外側壁（１５）に接した層（２２）を形成する 。最初１−１０では、小さい粒子は！　（１５）に近い静止ゾーン（２１）には 存在してぃなかったがら、小さい粒子は集ったコロイド層（２２）にほとんど混 入しない；集められるより大きい粒子はすべて動的ゾーン（２３）から静止ゾー ン（２１）を横切って移動せざるを得ない。時間１＝１２における第２図のボウ ルの拡大縦断面を示す第３図では、黒点として示される微粒子の縦方向の移動は 静止ゾーン（２１）の同心的内側に位置する動的ゾーン（２３）にのみ実質的に おこる。（粒子の軌跡は矢印によって示される）。静止ゾーンの存在が発見され 、正しく認識されたことにより熟練せる当業者は、就中、滞留時間パラメーター をより正確に計算でき、したがってこれまで上記の先行技術の方法を用いて可能 であったよりもより高品質のサイズ分画ができるようになる。

その上静止ゾーンは４図に示されるように、化学的リアクターとして用いられる ことができ、ここでは、より大きい粒子が沈降中に反応体（ｒｅａｇｅｎｔ）と 接触する。この実施例では、静止ゾーン（４４）は、分離ゾーン（４２）と反応 ゾーン（４３）とを含む。これらのゾーンを確立するためには、たとえば回転す るボウルに先づ最初に反応体の液をうまく配置しくゾーン（４３）を形成するた め）、それから第二液（これは反応体−液とは異なる）を入れてゾーン（４２） を形成する。それから第２図のところで既述したように、懸濁液をフィードから 供給し、動的ゾーン（４１）を形成する。しばらく運転してｔ−ｔ２になると、 より大きい粒子は分離ゾーン（４２）を横切って反応ゾーン（４３）に入って行 くのがみられる。このようにしてより大きい粒子は液体反応物と反応するが、よ り小さい粒子は反応しない。本発明の方法では広範囲の反応体を用いることがで きる。反応物は付加的液体成分として導入され、混和しない境界ゾーンによって そのゾーンと分離していてもよいし、反応体そのものが上記のように用いられる 静止液体ゾーンを形成してもよい。リアクターとして静止ゾーンを用いると、滞 留時間、粒子濃度およびサイズ分画化が変動可能であるため、反応諸成分にすぐ れたフレキシビリティ−が与えられる。

先行技術は、沈降層が遠心機壁に蓄積するため不正確になることを示唆している 。先行技術のモデルによると、粒子が外側壁に達するまで移動する距離は、沈降 物が遠心機壁に蓄積するにつれて減少する。そしてさもなくばオーバーフローす る筈の若干の微細粒子はその後壁にあたり、そこにとどまることになる。先行技 術は、この不正確さが避けられない（壁を連続的にかき取るか、運転速度および 流速などの条件を変えない限り）と予測している、なぜならばカット内の粒子の 計算上の最小直径は沈澱が形成されるにつれて減少するからである。それにもか かわらず、この場合はそうでないことを我々は見出した。特定の理論に拘束され ることは望まないが、この場合に遠心機壁への沈澱物の蓄積につれておこる分離 精度の変化が比較的少ないことは、我々の分離プロセスモデルが有効であること を確認する方向にあると考える。

実際、分散の各単位容量を分類する場合、それを装置に導入して連続流遠心が行 われる。一定角速度で回転する遠心機バスケットは液体で満たされ、液体壁を形 成する。それからスラリーが、所望の最大粒子サイズによって決定される理論的 供給速度で導入される：供給速度（ｄ／５ｉｎ）−Ｖ／１ｍ　ｉｎ−［ｔＯＶ／ １ｓｅｃここでＶ−遠心機バスケットの容量。この等式は先行技術の遠心モデル に基づくものであるとはいえ、本明細書記載の装置モデルの挙動をおおよそ記述 できることが思いがけなく発見された。この等式を適用し得ることは、本明細書 に開示されるモデルと先行技術のモデルに対して滞留時間、沈降速度、および沈 降距離の間に直接的比例関係があること、およびその比例関係は各場合でほぼ同 じであると考えることにより直感的に理解できる。この大きさより大きい粒子は 加速されて静止ゾーンに入り、このゾーンを沈降し、それからバスケットの内側 壁に集まる；微細粒子は動的流れにとどまり、上に運ばれ、液体壁をこえてオー バーフローする。

もしもすべての粒子が球状で凝集せず、互いに衝突したり相互作用しないならば 、ストロークスの法則は遠心機のカットサイズを正確に予測することができる。

非球状粒子は幾何学的因子Ｋによって考慮されるが、あらゆる不規則形の粒子は 異なる幾何学的因子をもち、若干の所望粒子を分類コロイド粉末から除外せしめ る。幾何学的因子は分類される材料についてカット精度および正確さを高めるよ うに計算することができる。凝集した粒子も不規則な形状であり、それを構成す る元の粒子より大きいのが普通である。超音波分散またはその他の手段による粉 末の解凝集は非常に重要である、というのは、さもなければ不都合な微細粒子が 凝集物中に含まれることになり、それらは凝集物と同じサイズをもった実際の粒 子と共に分離されたり分類されたりするからである。濃縮懸濁液では多くの粒子 相互作用があるために粉末カットは理論的なものとは非常に違ったものになる； これらの相互作用は粒子速度を妨害し、時にはより大きい粒子を細かい粒子と共 に上澄液の方へ運んでしまう。

次の実施例は上述の静止ゾーンを利用する遠心の例でアバシティ＜ａｐａｃｌｔ ｙ＞をもつボウル型の回転遠心機に、次の概算量を加えた： １００ｄ　ｌ／２重量パーセントコルキャー／ト（Ｃｏｒｃａｔ）Ｐ２Ｏ３（コ ルドヴア・ケミカル・カンパニー、ミシガン、から販売される陽イオン性アミノ を基材とした重合凝集剤）；および２４０−説イオン水。

この液体混合物を用いて静止ゾーンを形成した。それから以下のものから成る供 給懸濁液を導入した：１０　ｖｏ１％ＡｌＢアルミナ粉末（アルミニウムカンパ ニー・オブ・アメリカ、ピッツバーグ、Ｐａ）８９　ｖｏ１％脱イオン水；およ び １ｖ０１％ナーレックス（Ｎａｒｌｅｘ）ＬＤ−４５（ナショナル・スターチ・ コンパニー、ブリッジウォター、二ニーシャーシー）、陰イオン性重合高分子電 解質分散剤。

上記の操作を行い、但しコルキャット凝集剤を除外した場合、ボウルから除去す るのがむづかしい、十分詰った、高密度の、かたい、低水分（８６重量％の固体 ）の沈降ケーキが生成した。

上記の操作を、今度は凝集剤を含んで他は全く同様に行う場合、あまり詰ってい ない、クリーム状の（４０重量％の固体）沈降ケーキが生成し、分類生成物をボ ウルから容易に除去することができた。凝集剤はＬＤ−４５の分散効果を中和す る。

実施例　２ 実施例１の方法を上記と同様に行ったが、静止ゾーンを形成するために、ハロゲ ン化炭化水素（たとえばフレオンＴＦ；Ｅ、１．デ；ポン・デ・ネマース・アン ド・カンパニー、ウィルミントン、プラウエア）を用いた。ハロゲン化炭化水素 は水と混和せず、水より高い密度を有する。

そこでその系は熱力学的にも機械的にも安定である。粒子は水性ゾーンでは安定 であるが炭化水素ゾーンでは安定でない；そのため粒子は炭化水素ゾーンに入る と凝集上記実施例に記載の方法を行ったがコルキャット凝集剤の代りに酸（ｐＨ −３、硝酸／水溶液）を用いた同様の結果が得られた。この系は酸でうまく行く 、なぜならばＬＤ−４５が中和されるにつれて、その分散粉末も減るからである 。

上述の説明および実施例は概して、静止ゾーンを含む単一の遠心機を説明してい る。概して本発明の好ましい実施例は二つまたはそれ以上の別箇の遠心段階を含 み、段階的にサイズが小さくなるように粒子を製造する。一つの遠心段階からオ ーバーフローする生成物は、次の遠心段階の供給物として用いられる。滞留時間 および遠心加速度が粒子サイズ分離を決定する基礎的パラメーターである。これ らのパラメーターは各遠心段階で供給量および遠心速度をコントロールすること によって変えられる：これらのパラメーターは各段階のバスケットにおいて所望 の最小粒子サイズに関して計算される。所望サイズより小さい粒子は押し出され てオーバーフローし、排出孔を通って排出され、ポンプで次の段階に運ばれる。

ここに記した遠心プロセスは、あらゆる種類の液体または、セラミックスに限ら ずアルミナのような酸化物、コルディーライト（ｃａｒｄｉｅｒｉｔｅ）のよう なガラス、５ｉＡＩＯＮＳなどを含む材料に有用である。選択した粒子の種類に よって、熟練者は適した液および分散剤を選ぶことができる。典型的な液体媒質 としては水（脱イオン水でも水道水でもよい）、アルコール（たとえばエタノー ルまたはインプロパツール）、そしてメチルエチルケトンのようなその他の有機 溶媒がある。典型的分散剤としては無機酸（例：硝酸）、無機塩基（例：アンモ ニヤ）、有機酸（例：バラヒドロキシ安息香！ｉ＆）、有機塩基（例：トリエタ シールアミン）および重合分散剤がある、後者は陰イオン性［例：ナショナル・ スターチ・アンド・ケミカル社（ブ’Ｊ−／ジウオター、Ｎｕ、）　１７）ＮＡ ＲＬＥＸ　ＬＤ−４５］　Ｔも、陽イオン性［例：ライトコ・ケミカル社、有機 部門（二ニーヨーク、Ｎ、Ｙ、）のＥ）ＩＣＯＬ−５５１でも非イオン性［例： フリントウッド・ケミカル社（シカゴ、イリノイ）のＣＬＩＮＤＲＯＬ／１０１ ３でもよい。分散剤は普通は経験的に、分散し、その後分類すべき特定のコロイ ドに依って選択されることに注意することも重要である。

第５図は本発明による二段階装置の断面図を示す。この図は二段階分類装置にお ける粒子分布の断面図を示す。

簡単にするために三つの粒子サイズのみが示されている。

第一段階の供給物（１０１）は三種類のサイズすべての粒子を含む。より小さい 二種類のサイズのフラクションは段Ｉｖ１からのオーバーフロー（１０２）とし て懸濁液から除去され、第二段階の供給物（１０３）となり、より大きいサイズ の粒子は段ｒ＠１−沈降物（１０４）となって残る。最も小さ　′いサイズの粒 子は段階２−オーバーフロー（１０５）として懸濁液から除去され、中間サイズ の粒子を段階２−沈降物（１０Ｂ）として残す。

第６図〜第８図は本発明による粒子分類のための多段階連続装置の工程図である 。第６図では、市販の′原料（ｒａｙｓ）’粉末（２０１）は、スクリーン、オ ーブン（２０３）そして秤量デバイス（２０４）を通り、最後に媒質と共に分散 デバイス（２０５）　、好ましくはスウニコ（Ｓｗｅｃｏ）−ミル（スウェコ社 、ロスアンジェルス、カリフォルニヤ）に供給される。液体（２０Ｂ）はフィル ター（２０７）を通り、ポンプ（２０ｇ）によってトータライザ（２０９）に送 り込まれ、これも分散デバイス（２０５）に運ばれる。アルミナと共に使用する のに好ましい液体はイソプロピルアルコールか水である。そして好ましい分散剤 、たとえばＮａｒｌｅｘＬＤ−４５（２１０）がフィルター（２１り　、ポンプ （２１２）、トータライザ−（２１３）に供給され、それから混合デバイス（２ ０５）に供給される。整定値コントローラー（２１４）はトータライザ（２０９ ）と連絡しておりポンプ（２０８）をコントロールする。一方整定値コントロー ラー（２１５）はトータライザ−（２１３）と連絡し、ポンプ（２１２）をコン トロールする。

液体と分散剤とコロイド粒子との分散液はそれからポンプ（２１７）によってフ ィルター（２１Ｂ）を通り、フィードバック装置（２１Ｂ＞および（２１９）を 通って供給される；これらのコントロールデバイスは質量流速、温度、比重、お よび懸濁流の粘度をモニターする。モニターデバイス（２１ｇ）および（２１９ ）が適当な条件を指示すると、分散液がバルブ（２２１）を通って、分類器スト ック保持タンク（２２Ｑ）に入れられる。

液体媒質分散剤およびコロイド粉末を含むよく分散された供給スラリーを提供す ることは、分類工程において重要な段階である。粒子の形の不規則性をふやさな いために、粒子は微粉砕しない。粉末、液体および分散剤は適当な段階で、選択 した順序で分散デバイスに加えられる。粉末を、すでに分散デバイスに入ってい る液体と分散剤とに、計画の添加順序で加えるのが好ましい：しかし実現はより むづかしいとはいえ、全成分を一度に混合し、長時間撹拌することにより、よく 分散されたスラリーが得ることができる。分散は、コントロールされた条件下（ 概して速度−および温度条件に関する）で、あらかじめ定められた時間−普通は 約６時間−行われる。モニターデバイス（２１ｇ）および（２１９）が、混合物 の分散性を示すパラメーターを定期的に測定し、混合物のサンプルは粒子サイズ 試験段階（２２２）から、導管（２２３）を経て分散デバイス（２０５）に戻さ れる。

タンク（２２０）中のストック懸濁液はポンプ（２２４）によって、分類器供給 タンク（２２５）に運ばれる。ポンプ（２２４）の出力をモニターデバイス（２ ２６）およびコントローラー（２２７）によってモニターする。分類器供給タン ク（２２５）へ入った懸濁液は撹拌され、タンク（２２９）からポンプ（２２ε ）を経て運ばれる稀釈液で稀釈される。ポンプ（２２８）の出力をモニターデバ イス（２３０）でモニターし、コントローラー（２３１）にようて調節する。ア ルミナのための好ましい稀釈液は水である。それはストック液１部に対して稀釈 成約３部の割合で加えられるのが普通である。

稀釈された懸濁液は分類器供給懸濁液と呼ばれる。この分類器供給懸濁液はその 後ポンプ（２３２）によって、第７図に示される段階１分類器（２３３）に運ば れる。ポンプ（２３２）の出力はデバイス（２３４）によってモニターされ、コ ントローラー（２３５）によって調節される。モニターデバイス（２３４）は、 密度と温度と質量流速を測定する市販の装置である。第一段階への典型的流速は １分間に約０．４　ｋｇである。分類器（２２３）　、（２３Ｂ）　、（２３７ ）　、（２３ｇ）は市販の遠心機デバイスで、タコメーターおよび市販の整定値 コントローラー（２３９）　、　（２４０）　、（２４１）　、（２４２）で少 し変えられている。分類器は普通は最高速度約６００゜ｒｐｍで運転する。遠心 デバイスの一例はインターナシジナル・エクィップメント・カンパニー（ニーダ ム　ハイツ、マサチニーセッツ）からに型が市販されており、ここでは硬いバス ケット・ローター婁１３５７Ａを用いることができる。しかしその他の構成部材 でもよく、それによって調節が行われることは熟練せる当業者には当然である。

各遠心機は、静止ゾーンに関して上に論じたように、供給分散液の導入前に作動 させ、液体を充満させる（たとえばアルミナのために液体媒質として水を用いる 場合は水だけ）のが特に好ましい。たとえば分類器（２３３）を作動させ、それ から供給物をタンク（２２５）からポンプで入れる前に水を′予備的注入（ｐｒ ｉｍｅｄ）’する。供給物を導入した後、分類器（２３３）は、遠心機バスケッ トにおいて所望の粒子サイズが得られるように計算された速度〜および供給量条 件で作動する。遠心機はあらかじめ定められた時間、またはこのような十分な分 離が認められるまで作動する。それから分類器を閉め、ボウル廃物（ｂｏｗｌ　 ｗａｓｔｅ）をポンプ（２４３）よって導管（２４４）に沿７て除去し、保持タ ンク（２４８）にまで運ぶ。分類器（２３６）、（２３７）　、（２３８）も同 様にボウル廃物を、導管（２４５）　−＜２４７）を経て保持タンク（２４Ｂ） まで運搬する。ボウル廃液は、特定サイズのフラクションに濃縮された材料をか なりの量含むことがあり得る。それから湿りた粉末（２４９）を遠心機のバスケ ットからとり出す。遠心中、第一段階のバスケットで所望の最小サイズより小さ い粒子（′微細″）はオーバーフローによってタンク＜２５（１）に排出され、 そこからポンプ（２５１）によって第二段階の分類器（２３Ｂ）に行く。この流 速はポンプ（２５１（ａ））から成る供給調節装置によってコントロールされ、 これはデバイス（２５２（ａ））によってモニターされ、整定値コントローラー 　（２５３（ａ））によって調節される；第二段１ｖ（２３６）　、第三段階（ ２３７）および第四段階（２３８）の分類器も同様な方法で作動する。同様に、 オーバーフロータンク（２５４）および（２５５）からの微細粒子はそれぞれポ ンプ（２５１（ｂ））および（２５１（Ｃ））によって分類器（２３７）および （２３ｇ）に運ばれ、デバイス（２５２（ｂ））および（２５２（ｃ））によっ てモニターされ、整定値コントローラー（２５３（ｂ））および（２５３（ｃ） ）によって調節される。しかしながら各逐次的分類型段階は、先行段階の粒子範 囲よりも小さい平均直径をもつ粒子範囲を分離することは当然である。そのため 各逐次的段階は先行段階よりより低い質量流速およびより大きいｒｐｍ範囲で作 動させなければならない。最終段階の分類器はインライン−スタティックミキサ ー（２８７）と結合する二二のミキサーにおいて微粒子懸濁液は凝集剤と混合さ れ、微粒子の回収が容易になる。

こうして多段階式分類段階はカスケード式に運転され、各逐次的段階は先行段階 の微細粒子を分類し、保持タンク（２５０）　、（２５４）　、（２５５）はア キユムレータとして機能し、生産量を緩衝して供給量にする。この特殊の実施例 では四分類段階を想定しているが、実際の段階数は応用によって変化する。任意 に、特定の分類器を通過した後に懸濁液中に残っているような小さい粒子を凝集 してとり、残りの液体をその工程をリサイクルさせることができる。これを実施 するための一つの方法を第８図に示す。

凝集剤、たとえば水と硝酸（または上述のように水とコルキャットＰ６００）が タンク（２６８）から出てデバイス（２５Ｂ）を通って濾過され、ポンプ（２５ ７）によってインライン−スタティックミキサー（２［ｉ７）を通り最終段階の 分類器（２３ｇ）に入る。流速はデバイス（２５Ｂ）によってモニターされ、整 定器コントローラー（２５９）によって調節される。

分類器から出た、もう粒子を含んでいない液体はオーバーフロータンク（２６０ ）に集められ、ポンプ（２８１）によって保持タンク（２Ｅ１２）に送られる。

その後液体はフィルター　（２６Ｂ）を通りポンプ（２Ｂ４）によって分子篩（ ２６５）および（２８Ｂ）を通過し、ここで水が除去され、それによって再利用 のために元に戻されるかまたは第６図に示したように液体（２０Ｂ）としてリサ イクルされる準備のできた液体が残る。

実施例　４ 四段階分類装置に先づ１回滞留量の水を注入した。アルミナ・カンパニー・オブ ・アメリカ、ピッツバーグ、Ｐａ、からのアルミナ（６０重量パーセント）Ａ− １６スーパーグラウンドに水（３９，２５重量パーセント）および分散剤（ナー レックスＬＤ−４５，０，７５重量パーセントー懸濁液をベースにして）を混合 した。この混合物をすりつぶし、濾過し、分類器供給タンクにポンプで送った。

最初のサイズ分布巾を第９図に示す。それから供給懸濁液はポンプにより１．０ 　ｋｇ／ｓｉｎの流速で第一段階の分類器に送った。

その分類器は９７３ｒｐ麿で作動し、それによって１．２　ミクロンより大きい 粒子が供給流から除去された。その粒子はボウルに集められた。

１．２ミクロンより小さい粒子を含む懸濁液は０．８５ｋｇ／ａ＋ｉｎの流速で １２６８ｒｐｍで作動する第二段階の分類器にポンプで送られた。第二段階の分 類器では、１５０回以上の生産試験で計算して、比表面積的７Ｊ　ｄｉｇ±また は−０，５ゴ／ｇを有するサイズ約０．８ないし約１．２ミクロンの粒子が得ら れた。得られた実際のサイズ分布を第１０図に示す。

０．８ミクロンより小さい粒子を含む液体は０．７６０　ｋｇ／ｗｉｎの流速で 、１９４２ｒｐａで作動する第三段階分類器にポンプで送られた。ここでは１５ ０回以上の生産試験で計算して、サイズ範囲的０．５ないし０．８ミクロン、比 表面積９．５６ｒｄ／ｇ±０．５　ｒｄ／ｇをもつ粒子が分離された。これら粒 子の実際のサイズ分布を第１１図に示す。０．５ミクロンより小さい粒子は０． ５０６　ｋｇ／ｗｉｎの速度で、２７０Ｏｒｐｍで作動する第四段階の分類器に ポンプで運ばれた。ここでは、１５０回以上の生産試験で計算して、０．３ない し０．５ミクロンで比表面積１１．５ゴ／ｇ±０．５ゴ／ｇをもつ粒子が分離さ れた。第１２図はこれら粒子の実際のサイズ範囲を示す。

懸濁液中に残った０、３　ミクロン以下の粒子はポンプで稀硝酸溶液を含むスタ ティックＴ−ミキサーを通り、懸濁液スクリーンｐＨを３±１にした。生成した 凝集懸濁液は０．４５ｋｇ／ｗｉｎの速度で第五段階の分類器に導入された：そ れは２７０Ｏｒｐｍで作動し、残っているすべての粒子は除去された。金肥した 型の装置は、規模を大きくして大量の材料を速かに、商業生産のために、すなわ ち約１メ一トルトン／時間に至る量まで分類することができる。

が、アルミナの代りに５ｉＡＩＯＮを用いた。装置の構造および微粉砕法も同じ であった。５ｊＡＩＯＮを水中で、ナーレックスＬＤ４５分散剤を用いて分類し た。第９図は、２，０ないし３．０ミクロンフラクシジンの粒子の顕微鏡写真で あり、比較的狭いサイズ範囲を示す。第１０図は０．１ないし３．０ミクロンカ ットの分類した５ｉＡＩＣＩＮ粒子を表わしている。

第１１図の非常に小さい粒子は０．１ミクロンより小さいものである。

前述のように、このプロセスはコロイド粒子をサブミクロン分類フラクションに 分類することを可能にする。

やはり前に述べたように、このような分類フラクションは、可塑性であるよりむ しろグイラタントであり、そのため遠心ボウルから容易には除去されない。可＝ 剤または滑剤、たとえばフメクチン（ｈｕｓｅｃｔ　ｉ　ｎ）は凝集をおこす傾 向があり、それによってコロイドの分散を駄目にしてしまうため、好ましくない 。そしてこのような作用物質は分類プロセス中に不均質に分離するかも知れない 。

過剰の重合分散剤の存在は、分類前の粒子の分散を可能とし、容易にするだけで なく、この過剰の分散剤が、分類された粒子が分類後、流れ出るのに必要な滑性 をも与えることが発見された。重合分散剤の例としては、市販されている、ナー レックスＬＤ−４５と呼ばれ、上で論じたもの（水中で分類したアルミナ粉末と 組み合わせて用いるのが好ましい）およびダーバン（Ｄａｒｖａｎ）Ｃおよびダ ーバン（Ｄａｒｖａｎ）８２１Ａと呼ばれるもの（両方共Ｒ，Ｔ、ヴアンデルビ ルト社（Ｖａｎｄｅｒｂｉｌｔ　Ｃｏｍｐａｎｙ）、ノーフォーク、Ｃｏｖｎｓ から市販される）がある。分散剤の添加量は、分散剤の種類および特定の粉末組 織によって変化する。いかなる場合も分散剤の量は、分類されたケーキに効果的 に可塑性を与えなければならないが、分類中のスラリーの流れ−または分散特性 −特に粘度に関して−を妨害するような高濃度であってはいけない。

実施例　６ 二段階分類装置に先づ１回滞留量の水を注入した。アルミナ（６０重量％）　Ａ −１８スーパーグラウンド（アルミナム・カンパニー・オブ・アメリカ、ピッツ バーグ、Ｐａ）を水（３９，２５重量％）および分散剤（０，７５重量％ナーレ ックスｔ、ｐ−４ｓ４濁液をベースとして）と混合した。この混合物を微粉砕し 、濾過し、それから分類器供給タンクへ送った。それから供給懸濁液を０．８５ ｋｇ／＋ａｉｎで第一段階の分類器にポンプで送った。その分類器は１２Ｈｒｐ ｍで作動し、それにより０．８　ミクロンより大きい粒子が供給流から除去され た。これらの粒子はボウルに集められた。

０．８ミクロンより小さい粒子を含む懸濁液は０．７ＢＯ）ｃｇ／ｗｉｎで第二 段階の分類器に送られた；これは１９４２ｒｐｍで作動していた。ここで、１５ ０回の生産試験で計算して、平均サイズ０．５ないし０．８ミクロンおよび比表 面積９．６ゴ／ｇ±０．５　ｄｌｇをもつ粒子が分離された。

これら狭いサイズ巾に分類されたケーキのすべてにおいて、粉末はダイラタント な沈降物を形成し、それを遠心機ボウルから除去することは非常にむづかしかっ た。

ケーキとボウルを一緒に２００℃で３０分間乾かした後、粉末をとり出すために 最も有効だったのはハンマーのみで次の材料の概算量のストック懸濁液を作り、 ロールミルで２４時間微粉砕した： ４、ＯｋｇＡ−１６ｓＧアルミナ（アルミナム・カンパニー・オブ・アメリカ、 ピッツバーグ、　Ｐａ）３．６　ｋｇ脱イオン水；および ５０ｇ　Ｎａｒｌｅｘ　ＬＤ−４５ 供給懸濁液をつくった；ストック懸濁液１．０　ｋｇを出発材料とし、蒸溜水２ ．２　ｋｇと８００　ｇのＬＤ−４５分散剤で稀釈した。この供給懸濁液を約３ ０分間微粉砕し、枦遇し、それから上記の分類装置（第１Ｂ図に簡単に記した） におけるのと同様な分類器供給タンクに送った。供給懸濁液を０．３　ｋｇ／ｓ ｉｎの流速で、３１２Ｏｒｐｍで作動する第一の分類器に送った。第一の分類器 からオーバーフローした微粒子は約０．１７）ｃｇ／ｌｌ１ｎの流速で、４００ ０ｒｐｍで作動する第二の分類器に送られた。この分類器からオーバーフローす る微粒子はすてた。

追加の分散剤を加えると、溶液の粘度は、１００ｓｅｃ”で測定して１．１から ２．４ｃｐｓに増加した。

前記の等式（１）は第二ボウルの粒子サイズカットを予測する。この等式は平均 等偏球直径（ａｖｅｒａｇｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　５ｐｈｅｒｉｃａｌ　ｄｉ ａｍｅｔｅｒ）による粒子サイズフラクションが約０．４ないし０．８　ミクロ ンであることを予測し、これはその後、第１７図に示すような走査電子顕微鏡に よって証明された。

ボウルに集められた狭いサイズ範囲の粉末はダイラタントではなかつた。むしろ それは可票性であり、ボウルから容易にとり出すことができた。これらの結果は 、使用する分散剤の量がよく分散したスラリーを提供するために有効であり、一 方ダイラタントな挙動よりむしろ可盟的に変形する遠心機ケーキをも、つくり出 すことを証明している。ケーキは１００ｓｅｃ−１で［１７０ｐｃｓの粘度を示 した。

特表平１−５０３５２５　（１１） ＦＩＧ、！３ ：１．Ｏｐ＋、、−コ、０．ｌ？１ＳＩＡＩＯＮＯ、ｌ　Ｐｒｎ＋コ、　Ｏｐｒ ？＋５　＋　Ａ　Ｉ　０ＮＦＩＧ、ゴ５ −Ｑ、ｌｐｍ５ｉ＾１ＯＮ ＦＩＧ、１６ ＦＩＧ、１７ 手続補正書（も句 平成１年　１月２３日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．液体懸濁液中のコロイド相の遠心分離のための装置であって、 回転する遠心機ボウルと、 静止ゾーンを十分形成できる量だけ回転ボウルに導入される、懸濁液とは別の液 体媒質と、 懸濁液がボウルに導入されるとき、コロイドが静止ゾーンを通って沈降するよう に、静止ゾーンの内側に同心的に位置する供給部分（ｆｅｅｄｌｏｃａｔｉｏｎ ）とを含んで成る装置。 ２．液体媒質が最低一種類の反応体を含み、コロイドが最低一種類の反応体と反 応して、この物質が静止ゾーンを沈降する請求項１に記載の装置。 ３．さらに、互いに同心的に位置し、全部が供給部分の外側に同心的に位置する 複数の液体媒質層を含んで成る請求項１に記載の装置。 ４．コロイドが、セラミックス、金ゾ属および懸濁液相から成る群から選択され る請求項１に記載の装置。 ５．コロイドがセラミックスである請求項８に記載の装置。 ６．分類すべきコロイド相の懸濁液を、遠心ボウルに入れ、そのボウルを回転し てより大きいコロイドをより小さいコロイドから分離する段階を含む型の、コロ イド相の遠心分離の改良された方法であって、改良点は；液体の静止ゾーンがボ ウル中に形成されるように、懸濁液とは異なる液体媒質を回転遠心ボウルに満た すこと、その後ボウル中に、静止ゾーンの同心的内側に懸濁液を導入すること を含む改良された方法。 ７．懸濁液中のコロイド相を遠心的に分離する方法であって、 （ａ）ボウルを含む遠心機を作動させ；（ｂ）懸濁液とは別の液体媒質を回転遠 心ボウルに導入し、ボウル中に液体の静止ゾーンを形成せしめ；（ｃ）懸濁液を 回転ボウルに、静止ゾーンの同心的内側の位置に導入する ことを含む方法。 ８．段階（ｂ）が、段階（ｃ）の後にコロイド相と反応する最低一種類の反応体 を含む液体媒質を導入する段階を含む請求項７に記載の方法。 ９．段階（ｃ）が、セラミックスと金属と懸濁液体相とから成る群から選ばれる 懸濁液を導入する段階を含む請求項７に記載の方法。 １０．段階（ｃ）がさらに、懸濁液を、コントロールされた質量流速でボウルに 導入することを含む請求項７に記載の方法。 １１．段階（ｂ）が、互いに同心的に配置される複数の別箇の層を形成し、各層 は最低一種類の反応体を含む段階を含む請求項８に記載の方法。 １２．（ｉ）懸濁コロイドを分類するための第一ユニットおよび第二ユニットを 含み、各ユニットはコロイド入口および微粒子出口を持つ遠心デバイスを含みさ らに各遠心デバイスのボウルに静止液体層を含む、ユニット配列と、（ｉｉ）第 一ユニットの遠心デバイスの微粒子出口から第二ユニットの遠心デバイスのコロ イド入口までを輸送し、コロイド材料がその間を運搬されるようにする輸送手段 と、 （ｉｉｉ）コロイドが液体中によく分散された懸濁液をつくるための分散手段と 、 （ｉｖ）各ユニットのコロイド入口を通る流速をリアルタイムで調節するための 第一コントロール手段と、（ｖ）各遠心デバイスの回転速度をリアルタイムで調 節するための第ニコントロール手段であって、第一コントロール手段と第ニコン トロール手段が最低一つのユニットでコロイドのサブミクロン分類フラクション を与えるのに有効である第ニコントロール手段とを含んで成る、懸濁液中のコロ イドを分類するためのマルチコンポーネント半連続装置。 １３．輸送手段が、分類後に遠心デバイスに残った液体をリサイクルするための ボウル廃物（ｗａｓｔｅ）手段を含む請求項１２に記載の装置。 １４．装置が配列中に最後のユニットと最後から二番目の（ｎｅｘｔ−ｔｏ−ｌ ａｓｔ）ユニットとを含み、その装置がさらに、（ｉ）最後から二番目のユニッ トの微粒子出口にある粒状物質を凝集させ、凝集粒状物質を製造する凝集手段と 、 （ｉｉ）凝集した粒状物質を最後のユニットの遠心デバイスに運搬する凝集物運 搬手段、 とを含んで成る請求項１２に記載の装置。 １５．さらに （ｉ）凝集した粒状物質と分離した非水性液体から水を除去するための分子篩手 段と、 （ｉｉ）分子篩手段を最後の遠心デバイスにつなぎ、凝集した粒状物質から分離 した液体を分子篩に運搬するための第三の運搬手段 とを含んで成る請求項１４に記載の装置。 １６．（ｉ）液体媒質中によく分散したコロイド懸濁液を作り、 （ｉｉ）懸濁コロイドの分散系を分類するための第一および第二ユニットを含み 各ユニットはコロイド入口と微粒子出口とをもつ遠心デバイスを含むユニット配 列をつくり、 （ｉｉｉ）遠心デバイスの各々が所望速度で回転するように遠心デバイスを作動 させ、各遠心デバイスのボウル中に静止液体媒質層を形成せしめ、 （ｉｖ）懸濁コロイドの分散液を第一ユニットの回転遠心デバイスのコロイド入 口に導入し、 （ｖ）第一ユニットの遠心デバイスの微粒子出口からの流出液を第二ユニットの 遠心デバイスのコロイド入口に運搬し、 （ｖｉ）各コロイド入口を通る質量流速をリアルタイムでコントロールし、 （ｖｉｉ）各遠心デバイスの回転速度をリアルタイムでコントロールし、各質量 流速および各回転速度のコントロールが、最低一つのユニットにおいてコロイド のサブミクロン分類フラクションを作り出すのに有効である諸段階を含んで成る コロイド分類法。 １７．コントロールが各コロイド入口を通る質量流速をモニターすることを含む 請求項１６に記載の方法。 １８．モニターされた質量流速に応答して遠心デバイスの回転速度をコントロー ルすることをさらに含む請求項１６に記載の方法。 １９．配列が最後のおよび量後から二番目のユニットを含み、さらに （１）最後から二番目のユニットの微粒子出口の流出物中のコロイドを凝集させ 、 （２）凝集した流出物を最後のユニットのコロイド入口に運搬し、 （３）凝集したコロイドを最後のユニットで回収することを含んで成る請求項１ ６に記載の方法。 ２０．（ａ）粒子を効果的に分数するのに必要な量より実質的に過剰の分散剤を 用いてコロイド粒子および分散剤を含むスラリーをつくり、 （ｂ）スラリーを、粒子を分類するための遠心手段に導入し、遠心手段は分類さ れた粒子を受け取るためのボウル手段を含み、 （ｃ）分類された粒子をボウル手段から除去することを含んで成るコロイド材料 の分類法。 ２１．段階（ａ）が重合している分散剤を用いる段階を含む請求項２０に記載の 方法。 ２２．段階（ａ）のスラリーが、セラミックス、金属およびそれらの混合物から 成る群から選択されるコロイド粒子を含む請求項２０に記載の方法。 ２３．段階（ａ）が、アクリル酸を基礎とする重合高分子電解質を、約２０ない し３０重量パーセント量用いることを含む請求項２１に記載の方法。 ２４．粒子と分散剤とを含み、分散剤が粒子を効果的に分散するのに必要な量よ りも実質的に過剰な量で存在する、分類するのに適したよく分散した種々のサイ ズの粒子のスラリー。 ２５．請求項１２の装置によって生産されるサブミクロン分類粒子。 ２６．請求項１６の方法によって生産されるサブミクロン分類粒子。 ２７．請求項２０の方法によって生産される分類されたコロイド粒子。