KR101477555B1 - 고점성 유체의 처리 장치 - Google Patents

Abstract

화학, 의료, 전자, 세라믹스, 약품, 식품, 사료 기타의 고체/액체계 처리 재료를 제조할 때 미리 혼련된 점도 범위가 10~2500dPa·s의 고점성 페이스트를 분산 매체(비즈)을 사용하지 않고 혼련, 날화, 분산할 수 있게 한 고점성 유체의 처리 장치이다. 처리 재료의 공급구와 배출구를 갖는 베슬과, 베슬 내에서 회전 가능하게 설치된 회전체를 갖는다. 베슬의 내면과 회전체의 외주면 사이에는 처리 재료가 회전체에 의한 처리를 받으면서 통과하는 고리형 미소 간극이 형성되어 있다. 이 미소 간극에 면하는 회전체의 표면에는 널링 가공에 의해 노치가 설치되어 있다.

Description

고점성 유체의 처리 장치{TREATMENT APPARATUS FOR HIGHLY VISCOS FLUID}

본 발명은 화학, 의약, 전자, 세라믹스, 식품, 사료 기타의 각종 분야에서 고체/액체계 처리 재료를 분산 매체(비즈)를 사용하지 않고 통액 처리에 의해 미립자화할 수 있도록 한 고점성 유체의 처리 장치에 관한 것이다.

고체/액체계의 유성, 수성에 한정되지 않는 저점도로부터 고점도(10~2500 dPa·s)의 고점성 유체를 혼련(mixing and kneading), 날화(반죽), 분산 처리할 경우 특히, 나노 파우더가 혼입되어 있는 계에서는 분체의 부분 응집인 소위 멍울이나 알갱이의 발생이 발견된다. 따라서, 그와 같은 처리는 분산 매체(비즈)를 이용한 예를 들면 일본 특허 공개 평 3-178326 호 공보에 기재되어 있는 바와 같은 비즈 밀에 의한 분산 공정에 의해 처리하는 경우가 많다. 비즈 밀은 처리 재료를 베슬(vessel, 용기) 내에서 분산 매체(비즈)와 혼합하고, 이 혼합물을 베슬 내에서 회전하는 회전체에 의해 교반하여 분산 매체로부터의 전단, 충격 작용으로 분산하는 구조이기 때문에, 분산 매체는 교반 운동에 따라 충격이나 마찰에 의해 마모, 파손이 발생할 경우가 있다. 그 때문에 처리 재료에 이와 같은 컨테미네이션이 혼입되어 품질 특성상 바람직하지 못한 결과를 발생시킬 위험이 있다. 또한, 분산 매체를 이동시키기 위해서는 큰 동력을 필요로 함과 아울러 처리 후에 분산 매체를 처리 재료로부터 분리하는 매체 분리 장치(세퍼레이터)를 통과시킬 필요가 있기 때문에 내부 저항이 커진다. 그 결과, 비즈 밀를 구동하기 위해서는 고에너지가 요구되고 있었다. 또한, 일본 특허 공개 제 2007-125518 호 공보에는 비즈를 사용하지 않는 처리 장치가 제안되어 있다. 이 공보에 기재된 처리 장치에서는 회전체의 표면이 평활면으로 형성되어 있으므로 처리 재료가 고점성 유체의 경우 처리 재료가 미끄러져 높은 전단 응력을 재료에 부여할 수 없어 충분히 분산 처리할 수 없는 경우가 있었다.

본 발명의 목적은 분산 매체(비즈)를 사용하지 않고 저에너지로 고점성 유체를 혼련, 날화, 분산 처리할 수 있고 또한 슬립을 발생시킬 일 없이 확실하게 처리할 수 있고, 알갱이나 멍울이 없는 균일 분산 가능한 고점성 유체의 처리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 실정을 감안하여 상기 일본 특허 공개 평 3-178326호 공보에 기재된 바와 같은 소위 애뉼러형의 습식 매체 분산기(비즈 밀)에 착안하여 분산 매체(비즈)를 사용하지 않아도 멍울, 알갱이의 발생이 없는 입자 미립자화가 가능한 구성을 발명하여 하기의 처리 장치에 도달했다.

즉, 본 발명의 처리 장치는 고체/액체계 처리 재료의 제조 시에 미리 혼련 된 점도 범위가 10~2500 dPa·s의 고점성 유체의 처리 재료를 분산 매체를 사용하지 않고 혼련, 날화, 분산하는 처리 장치다. 이 처리 장치는 처리 재료의 공급구와 배출구를 갖는 베슬과, 상기 베슬 내에 회전 가능하게 설치된 회전체와, 상기 베슬의 내면과 상기 회전체의 외주면 사이에 상기 처리 재료가 회전체에 의한 처리를 받으면서 흐르는 통로가 되도록 형성된 고리형 미소 간극(미세 간격)을 갖고, 상기 회전체의 표면에 노치(notch)를 형성한 것을 특징으로 하고 있다.

상기 노치는 회전체의 표면에 바람직하게는 널링(knurling) 가공을 실시함으로써 형성된다. 회전체를 단면이 원형인 통형체로 형성한 경우 노치는 외주면의 전체면에 형성된다. 회전체를 외주면에 원주 방향으로 간격을 두고 홈부를 형성하고 길이 방향으로 연장되는 띠형 돌기를 형성한 변형 단면의 통형체로 형성한 경우 노치는 띠형 돌기의 외주면에 형성되어 있다.

상기 노치에 의해 회전체의 실표면적은 평활면의 경우의 표면적보다도 넓어진다. 이 때의 조화율(粗化率), 즉 수평면으로의 투영 표면적에 대한 실표면적의 비는 바람직하게는 약 1.05~2.35 정도이다. 상기 고리형 미소 간극은 약 1.0~10mm정도인 것이 바람직하다.

본 발명은 상기와 같이 구성되어 베슬의 내면과 회전체의 외주면 사이를 처리 재료가 회전체에 의한 처리를 받으면서 통과하도록 고리형 미소 간극을 형성하고, 이 미소 간극에 면하는 상기 회전체의 표면에 노치를 형성했기 때문에 회전체의 실질적인 표면적을 증대시킴과 아울러 마찰 계수를 높게 할 수 있다. 이에 따라, 상기 고리형 미소 간극을 통과하는 처리 재료에 대하여 회전체가 미끄러질 일 없이 높은 전단 응력을 작용시킬 수 있어 전단 속도를 낮게 할 수 있다. 또한, 분산 매체(비즈)를 사용하지 않기 때문에 베슬 내압도 낮게 할 수 있어 분산 매체의 마모 등에 의한 컨테미네이션의 영향이 없다. 매체 분리 장치(세퍼레이터)를 사용할 필요가 없기 때문에 저에너지로 효율적으로 분산 처리할 수 있다.

회전체의 외주면에 원주 방향으로 간격을 두고 홈부를 형성하고 길이 방향으로 연장되는 띠형 돌기를 형성하면 이 띠형 돌기의 노치 부분에서 처리 재료는 압축, 전단 작용을 받고, 돌기 사이의 노치가 없는 홈부에서는 개방, 팽창 작용을 받는다. 그리고 처리 재료는 이와 같은 압축, 전단 작용과 개방, 팽창 작용을 공급구로부터 배출구측으로 유동하는 사이에 반복해서 받게 된다. 따라서, 마치 롤 밀로 분산 처리한 것과 같은 압축, 전단, 팽창에 의한 분산 처리를 할 수 있어 한층 확실히 균일하게 미립자화할 수 있다.

상기 노치가 형성된 회전체의 표면의 조화율(r)은 약 1.05~2.35 정도, 바람직하게는 약 1.15~1.55 정도로 형성하고 있다. 조화율이 2.35보다 크면 교반 저항이 커져 큰 동력이 필요하고, 처리 재료가 회전체의 표면에 고착되는 현상이 나타나고, 처리 재료의 온도 컨트롤도 잘 할 수 없게 된다. 조화율이 1.05보다도 낮으면 본 발명이 대상으로 하는 고점성 유체의 점도 범위의 상한측의 처리 재료의 경우 로딩(loading)에 의한 동시 회전 현상이나 미끄러짐 현상이 나타나서 효율적으로 분산 처리할 수 없게 된다. 또한, 고리형 미소 간극은 약 1.0~10mm, 바람직하게는 약 2.0~5.0mm로 형성되어 있다. 이 간격이 지나치게 좁으면 흐름 저항이 커져 큰 구동력을 필요로 하고, 간격이 지나치게 넓으면 멍울이나 알갱이의 발생을 제거할 수 없다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 도시하고 베슬 부분을 단면으로 해서 도시하는 정면도이다.
도 2는 회전체의 일례를 도시하고 단면이 원형인 회전체의 측면도이다.
도 3은 회전체의 다른 실시예이고 띠형 돌기를 갖는 회전체의 측면도이다.
도 4는 노치의 일례를 도시하는 설명 평면도이다.
도 5는 노치의 다른 일례를 도시하는 설명 평면도이다.
도 6은 노치의 또 다른 일례를 도시하는 설명 평면도이다.
도 7은 노치 부분의 확대 단면도이다.

본 발명은 화학, 의약, 전자, 세라믹스, 식품, 사료 기타의 분야의 고체/액체계의 처리 재료의 미립자화에 대응할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 처리 장치는 베슬(용기)(1)과 이 베슬 내에서 회전하는 회전체(로터)(2)를 갖는다. 베슬(1)은 고점성 슬러리와 같은 처리 재료의 공급구(3)와 배출구(4)에 연통하고, 주위에는 냉각수 등의 조온(調溫) 매체를 유통시키는 자켓(5)이 설치되고, 자켓(5)에는 조온 매체의 유입구(6)와 유출구(7)가 설치되어 있다. 상기 회전체(2)는 메카니컬 시일(8)을 통해 구동 모터(도시 생략)에 연결된 구동축(9)에 의해 회전한다.

상기 베슬(1)의 내벽면과 회전체(2)의 외주면 사이에는 고리형의 미소 간극(10)이 형성되어 있다. 상기 공급구(3)로부터 공급 펌프(도시 생략)에 의해 베슬(1) 내에 공급된 처리 재료는 배출구를 향해서 유동하면서 이 고리형 미소 간극(10) 내에 체류한다. 이 고리형 미소 간극(10)의 치수는 약 1.0~10mm, 바람직하게는 약 2.0~5.0mm로 형성되어 있다. 이 때, 베슬 내에 공급되는 처리 재료로서는 점도 범위가 약 10~2500 dPa·s의 고점성 페이스트가 최적이다. 1OdPa·s미만에서는 점도가 지나치게 낮아 회전체의 회전 속도를 최고속으로 하지 않으면 전단 응력 부족을 초래한다. 2500dPa·s 이상의 고점성 페이스트에서는 점성 저항이 지나치게 커서 회전체의 구동에 큰 동력을 필요로 함과 아울러 발열도 커져 통상의 온도 컨트롤을 할 수 없게 되기 때문이다.

상기 회전체(2)는 도 1, 도 2에 도시하는 장치에서는 단면이 원형인 통형체로 형성되어 있다. 이 구성에서는 회전체의 회전에 의해 처리 재료는 미소 간극 내에서 연속적으로 압축, 전단 작용을 받는다. 또한, 도 3에 도시하는 실시예에서는 외주면에 원주 방향으로 간격을 두고 홈부(11)를 형성하고 회전체의 길이 방향으로 연장되는 띠형 돌기(12)를 형성한 변형 단면의 통형체로 형성되어 있다. 이 구성에서는 처리 재료가 띠형 돌기 부분에서 압축, 전단되고 홈부 부분에서 개방, 팽창되어 반복적으로 이 작용을 받으면서 배출구로부터 배출된다.

상기 회전체(2)를 단면을 원형으로 형성한 경우의 외주면의 전체면이나, 회전체를 변형 단면으로 형성한 경우의 띠형 돌기(12)의 표면에는 노치(13)가 형성되어 있다. 이 노치(13)는 바람직하게는 널링 가공에 의해 형성될 수 있다. 노치(13)의 형상은 도 1에 도시하는 바와 같은 수평선형이나 도 4에 도시하는 바와 같은 경사선형 등의 평평한 눈형 널링이나, 도 5, 도 6에 도시하는 바와 같은 사각눈, 크로스눈, 다이아몬드눈 등의 줄무늬 눈형 널링로 형성할 수 있다. 또한, 노치에 의해 형성된 미소 돌기(14)는 높이 약 1.0~0.1mm, 바람직하게는 약 0.6~0.3mm로 형성되어 있다. 이 높이는 고체/액체계 처리 재료 중에 포함되는 ２차 응집체의 사이즈에도 좌우되지만 약 1.Omm 이상의 경우 큰 동력이 필요하게 되어 온도 컨트롤도 어려워진다. 또한, 약 O.1mm 이하에서는 점도 범위의 상한측에서 로딩에 의한 동시 회전 현상이 발견된다. 노치(13)에 의해 형성된 미소 돌기(14)는 각종 형상으로 형성될 수 있지만, 예를 들면 도 7에 도시하는 바와 같은 사각눈의 미소 돌기의 경우 미소 돌기(14)에 의한 오목부의 경사면의 각도α가 약 90°, 돌기의 정점 사이의 간격(d)이 약 1mm, 높이(h)를 약 0.5mm정도로 형성할 수 있다.

상기 노치(13)를 회전체(2)의 표면에 구성함으로써 회전체(2)의 실표면적은 노치를 형성하고 있지 않은 평활면인 상태의 회전체의 표면적보다도 넓어진다. 이 때의 표면적의 증가 정도는 조화율(r), 즉 수평면으로의 투영 표면적에 대한 실표면적의 비로 나타낼 수 있다. 그리고, 본 발명의 경우 노치를 형성함으로써 회전체의 표면의 조화율(r)이 r>1이 되도록, 바람직하게는 r=1.05~2.35 정도, 특히 바람직하게는 r=1.15~1.55 정도가 되도록 형성하고 있다. 이에 따라, 이 회전체의 실표면적은 평활면을 갖는 종래의 회전체의 표면적에 비해 표면적이 r배 증가하게 되어 처리 재료와의 접촉 면적이 증대하고, 그에 따라 전단 응력을 확실하게 작용시킬 수 있다. 또한, 처리 재료에 포함되는 분체 입자가 고경도의 입자일 경우에 처리 재료에 접하는 베슬의 내벽면이나 회전체를 세라믹제로 할 때는 표면 처리를 행하기 전의 거친 세라믹제인 채라도 좋다. 특히 회전체의 표면은 표면 처리를 행한 통상의 세라믹제의 표면에 비해 조화율(r)이 r= 약 1.05~2.35 정도로 되어 있으므로 그대로 사용할 수 있다.

상기 회전체의 주속(회전 속도)은 약 3~30m/sec정도, 바람직하게는 약 5~25m/sec정도의 범위가 좋고, 처리 재료의 온도는 가능한 한 60℃ 이하의 조건하에서 운전하는 것이 좋다. 3m/sec 미만에서는 전단 응력이 부족하여 상기 고리형 미소 간극 내를 처리 재료가 회전체에 의한 처리를 받지 않고 그냥 지나침 상태로 통과하여 분산 작용도 받지 않아 분산 효과는 전혀 없는 것과 동일하다. 또한 주속이 30m/sec 이상에서는 큰 동력을 필요로 함과 아울러 발열이 커져 점도를 조정해도 처리 재료의 온도를 60℃ 이하로 유지하는 것이 곤란하게 되어 처리 재료의 특성 열화를 초래하여서 품질에의 영향이 크기 때문이다.

실시예 1

에폭시계 접착제에 백색 안료를 혼련한 고점성 페이스트를 도 1에 도시하는 바와 같이 비즈를 사용하지 않은 장치로 처리했다. 이 때, 베슬의 내벽면과 회전체의 외주면 사이의 고리형 미소 간극을 2mm로 했다. 회전체의 표면에는 줄무늬 눈형 널링에 의해 도 7에 도시된 바와 같이 경사면의 각도 90도, 사각눈이며 높이 0.5mm의 미소 돌기를 갖는 노치를 형성했다. 회전체의 표면의 조화율은 약 1.45이었다. 페이스트의 점도는 2000dPa·s이며 회전체의 주속을 1Om/sec로 했을 때 얻어진 페이스트의 입도는 1O㎛이었다.

실시예 2

에폭시계 접착제에 필러를 혼련한 고점성 페이스트를 도 1에 도시하는 바와 같이 비즈를 사용하지 않은 장치로 처리했다. 이 때의 평균 입경은 60~70㎛[조입경(粗粒徑) 90㎛]이다. 장치의 베슬의 내벽면과 회전체의 외주면 사이의 고리형 미소 간극은 5mm이다. 회전체의 표면에는 줄무늬 눈형 널링에 의해 경사면의 각도 60도, 사각눈이며 높이 0.5mm의 미소 돌기를 갖는 노치를 형성했다. 회전체의 표면의 조화율은 약 2.00이었다. 페이스트의 점도는 2020dPa·s이며 회전체의 주속을 10m/sec로 했을 때 입도는 10㎛이며, 처리 시간은 종래의 비즈 밀의 약 절반의 시간이었다.

실시예 3

플라스틱 착색제와 백색 안료를 혼련한 고점성 페이스트를 도 1에 도시하는 바와 같이 비즈를 사용하지 않은 장치로 처리했다. 이 때, 베슬의 내벽면과 회전체의 외주면 사이의 고리형 미소 간극은 5mm이다. 회전체의 표면에는 줄무늬 눈형 널링에 의해 도 7에 도시된 바와 같이 경사면의 각도 90도, 사각눈이며 높이 0.5mm의 미소 돌기를 갖는 노치를 형성했다. 회전체의 표면의 조화율은 약 1.45이었다. 페이스트의 점도는 260dPa·s이며 회전체의 주속을 15m/sec로 했을 때 입도는 30㎛이었다.

이상과 같이 본 발명의 장치는 회전체의 표면에 널링 가공에 의해 미세한 노치를 형성하고, 처리 재료가 접하는 회전체의 표면의 조화율(r)을 1보다 크게 했다. 이에 따라, 회전체의 실표면적이 평활면을 갖는 회전체의 표면적의 r배로 되어 접촉 면적이 증가함과 아울러 마찰 계수를 증가시켜서 미끄러짐을 방지할 수 있고, 회전체로부터의 전단 응력을 충분히 처리 재료에 전해 효율적으로 분산할 수 있다.

Claims (6)

1. 고체/액체계 처리 재료의 제조 시에 미리 혼련(mixing and kneading)된 점도 범위가 10~2500dPa·s의 고점성 유체의 처리 재료를 분산 매체를 사용하지 않고 혼련, 반죽, 분산하는 처리 장치로서,
   처리 재료의 공급구와 배출구를 갖는 용기와, 상기 용기 내에 회전 가능하게 설치된 회전체와, 상기 용기의 내면과 상기 회전체의 외주면 사이에 상기 처리 재료가 회전체에 의한 처리를 받으면서 흐르는 통로가 되도록 형성된 고리형 미세 간격을 갖고, 상기 회전체의 표면에 노치(notch)를 형성하고,
   상기 회전체의 표면을 수평면으로 투영한 표면적에 대한 실제 표면적의 비는 1.05~2.35인 것을 특징으로 하는 고점성 유체의 처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전체는 단면이 원형인 통형체로 형성되고, 상기 노치(notch)는 회전체의 표면에 널링(knurling) 가공을 실시함으로써 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고점성 유체의 처리 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전체는 외주면에 원주 방향으로 간격을 두고 홈부를 형성하고 길이 방향으로 연장되는 띠형 돌기를 형성한 통형체로 구성되고, 상기 노치(notch)는 회전체의 띠형 돌기의 표면에 널링(knurling) 가공을 실시함으로써 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고점성 유체의 처리 장치.
4. 삭제
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 고리형 미세 간격은 1.0~10mm인 것을 특징으로 하는 고점성 유체의 처리 장치.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 회전체의 회전 속도는 3~30m/sec인 것을 특징으로 하는 고점성 유체의 처리 장치.

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