KR20160030826A - 슬러리의 처리 방법 및 그것에 사용하는 처리 장치 - Google Patents

Abstract

화학, 의료, 전자, 세라믹스, 약품, 식품, 사료 그 외의 고체/액체계 처리 재료를 제조할 때, 예비 혼련된 점도 범위가 1~100dPd·s의 저점도로부터 중점도의 점성이 있는 슬러리를 분산 매체(비즈)를 사용하지 않고 알갱이나 덩어리가 생기는 일 없이 균질하게 혼련, 분산시킬 수 있게 한 슬러리의 처리 방법 및 그 장치를 제공한다.
처리 재료의 공급구와 내방 유출구를 갖는 베슬 내에 회전체를 회전가능하게 설치한다. 베슬의 내면과 회전체의 외주면 사이에는 처리 재료가 흐르는 환상 미소 간극이 형성되어 있다. 베슬의 내방 유출구에 계속되어 배출구를 갖는 초음파실이 설치되어 있다. 초음파 혼은 내방 유출구와 배출구에 근접하게 2~5㎜의 간격을 둔 위치에 설치되어 있다.

Description

슬러리의 처리 방법 및 그것에 사용하는 처리 장치{METHOD FOR TREATING SLURRY AND TREATMENT APPARATUS USED FOR THE SAME}

본 발명은 화학, 의약, 전자, 식품, 사료 그 외의 각종 분야에서 사용되고 있는 고체/액체계 처리 재료인 슬러리를 분산 매체(비즈)를 사용하지 않고 통액 체처리에 의해 미립자화할 수 있게 한 슬러리의 처리 방법 및 그것에 사용하는 처리 장치에 관한 것이다.

고체/액체계의 처리 재료로서, 유성, 수성, 특히 수성의 저점도로부터 중점도(1~100dPa·s)의 슬러리를 분산 매체(비즈)를 사용하지 않고 혼련, 분산 처리하는 장치가 알려져 있다. 예를 들면, 일본 특허 공개 2014-76441호 공보에 기재된 처리 장치는 처리 재료의 공급구와 배출구를 갖는 베슬(용기)과, 베슬 내에 회전가능하게 설치된 회전체와, 베슬의 내면과 회전체의 외주면 사이에 형성되어 상기 처리 재료가 흐르는 환상 미소 간극을 구비하고, 상기 회전체의 표면에 노치를 형성하고 있다. 또한, 상기 회전체를 외주면에 원주방향으로 간격을 두고 길이방향으로 연장되는 띠 형상 돌기를 형성한 통 형상체로 구성하는 것도 제안되고 있다. 이 장치에 의하면 슬러리 중의 고체 입자(분말체)를 미분쇄할 수 있지만, 고체 입자로서 매우 미세한 나노 파우더를 포함한 혼합 재료인 경우에는 분말체의 부분 응집인 소위 알갱이나 덩어리의 발생이 보여져 충분히 미분쇄화할 수 없는 경우가 있었다.

상기와 같은 알갱이나 덩어리가 발생하는 경우에는 비즈밀을 사용하는 것도 고려된다. 그러나, 비즈밀은 처리 재료를 분산 매체(비즈)와 함께 베슬 내에서 교반하고, 처리 재료를 분산시키는 장치이기 때문에 교반 운동에 따라 충격이나 마찰에 의해 분산 매체가 마모, 파손되는 경우가 있다. 이러한 분산 매체의 마모에 의해 생기는 오염 물질은 처리 재료에 혼입되어 품질 특성상 바람직하지 않은 현상이 생길 우려가 있다. 특히, 나노 입자를 포함하는 혼합계에서는 높은 주속으로 처리하는 것이 필요하며, 또한, 분산 매체에 의해 입자 자체가 파손되는 현상을 초래하여 특성의 균질화는 곤란했다. 또한, 분산 처리할 때, 처리 재료의 온도가 상승하면 품질에 악영향을 주기 때문에 바람직하지 않다.

본 발명의 목적은 고체/액체계의 혼합물로서 저점도로부터 중점도의 점성을 갖는 슬러리를 분산 매체(비즈)를 사용하지 않고 압축, 팽창, 전단 처리하여 알갱이나 덩어리가 없는 균질한 처리 재료에 분산가능한 슬러리의 처리 방법 및 그 처리 장치를 제공하는 것이다.

상기 일본 특허 공개 2014-76441호의 출원은 본 출원인의 출원에 의한 것이며, 환상형 습식 분산 장치에 의해 분말체 재료의 부분 응집인 덩어리, 알갱이의 발생을 적게 해서 미립자화할 수 있는 것을 찾아냈지만, 상술한 바와 같이 매우 미세한 나노 파우더를 포함한 혼합 재료인 경우에는 부분 응집의 해쇄에는 불충분한 경우가 있었다. 고체 물질로서 나노 파우더를 포함하는 혼합계에서는 분말체의 응집력이 강하기 때문에 더욱 확실하게 미분쇄할 수 있는 방법이 필요로 된다. 그것을 위해서는 덩어리나 알갱이에 충격력을 주어 해쇄할 수 있도록 초음파 조사를 병용해서 분산시키는 방법을 찾아냈다. 즉, 분산 매체를 사용하지 않는 습식 분산 장치는 고체/액체계의 혼합 유체인 슬러리가 입구로부터 베슬(용기) 내에 들어가 베슬을 통과할 때에 압축, 팽창, 전단 작용을 받아 출구측에 유출된다. 이 출구 가까이에 초음파 발생 장치를 설치하여 처리 재료에 초음파를 조사하면 초음파 진동 에 의해 캐비테이션이 생겨 미소 기포가 발생한다. 이 미소 기포가 소멸할 때, 기포의 주위에는 고충격력이 생긴다. 그 결과, 이 높은 충격력에 의해 미소 기포 주변의 부분 응집물이 붕괴되어 균질하게 분산된다.

초음파 발생 장치에 있어서 초음파 진동이 인가되는 영역은 주로 초음파 혼의 선단 부분이다. 그 때문에 처리 재료에 균일하게 초음파 진동을 주기 위해서는 단지 베슬의 출구 근방에 초음파 발생 장치를 설치한 것만으로는 효율적으로 분산시킬 수 없다. 발명자의 실험에 의해 초음파 발생 장치의 초음파 혼의 선단 부분의 크기에 대한 베슬의 유출구의 크기나 초음파 혼의 측면과 초음파 혼의 주위의 벽면 사이의 치수가 중요한 것을 알 수 있었다.

본 발명에 의하면 고체/액체계 처리 재료의 제조에 있어서, 미리 혼련된 점도 범위가 1~100dPa·s의 저점도로부터 중점도의 점성 유체의 슬러리를 분산 매체의 사용 없이 또한 초음파 장치를 병용해서 혼련, 분산시키는 슬러리의 처리 방법 및 장치가 제공된다. 본 발명에 의한 슬러리의 처리 방법은 공급구로부터 베슬(용기) 내에 투입된 처리 재료(슬러리)를 회전체와 베슬의 내벽 사이에 형성된 환상 미소 간극에 유입시키는 것, 회전체를 회전시켜 처리 재료를 압축, 팽창, 전단 처리하는 것, 환상 미소 간극을 통과한 처리 재료를 베슬의 내방 유출구로부터 배출구를 갖는 초음파실에 유출하는 것, 초음파실의 배출구측의 벽면 사이 및 상기 내방 유출구 사이에 2~5㎜의 간격을 두고 초음파 혼을 그 초음파실 내에 설치하는 것, 이 초음파 혼에 의해 초음파실을 흐르는 처리 재료에 초음파를 조사하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의하면 처리 재료의 공급구와 내방 유출구를 갖는 베슬(용기)과, 베슬 내에 회전가능하게 설치된 회전체와, 회전체의 외주면과 베슬의 내벽면 사이에 형성된 환상 미소 간극과, 베슬의 내방 유출구에 연통되어 설치된 배출구를 갖는 초음파실과, 초음파실 내에 설치된 초음파 혼을 구비하고, 상기 초음파 혼은 초음파 혼과 상기 내방 유출구의 간격 및 초음파 혼과 초음파실의 배출구측의 벽면 사이의 간격이 2~5㎜가 되도록 배출구측에 근접하게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 슬러리의 처리 장치가 제공되어 상기 해제가 해결된다.

본 발명은 상기한 바와 같이 구성되어 고체/액체계 처리 재료의 제조에 있어서, 미리 혼련된 점도 범위가 1~100dPa·s의 저점도로부터 중점도의 점성 유체의 처리 재료인 슬러리는 공급구로부터 베슬(용기) 내에 투입되어 회전체와 베슬의 내벽 사이에 형성된 환상 미소 간극에 유입된다. 이 회전체가 회전함으로써 처리 재료 중의 고체 입자는 압축, 팽창, 전단 처리되어 미립자화된다. 환상 미소 간극을 통과한 처리 재료가 내방 유출구로부터 초음파실에 유출되면 초음파 혼에 의해 초음파가 처리 재료에 조사된다.

이 때, 초음파 혼과 초음파실의 배출구측의 벽면 및 상기 내방 유출구의 간격이 6㎜ 이상으로 형성되어 있으면 알갱이나 덩어리가 충분히 해쇄되지 않는다. 초음파실의 벽면 및 상기 내방 유출구의 간격이 1㎜ 이하로 형성되어 있으면 처리 재료의 온도가 승온하는 경향이 보여져 바람직하지 않다.

본 발명에 있어서는 상기 초음파 혼과 초음파실의 배출구측의 벽면의 간격 및 상기 내방 유출구의 간격은 2~5㎜로 형성되어 있다. 이렇게 초음파 혼을 배출구측에 근접하게 설치했기 때문에 상기 환상 비소 간극에 근접하게 회전체를 회전시킴으로써도 미세화되지 않았던 놓친 알갱이나 덩어리에 초음파 진동이 강력하게 작용하고, 또한 평균적으로 인가될 수 있다. 그것에 의해, 알갱이나 덩어리는 확실히 해쇄된다. 또한, 온도의 상승도 보여지지 않기 때문에 제품의 품질에 영향을 주는 일이 없어 균질하게 분산시킬 수 있다. 또한, 분산 매체(비즈)를 사용하지 않기 때문에 베슬의 내압도 낮게 할 수 있어 분산 매체의 마모 등에 의한 오염 물질의 발생이 없다. 통상의 비즈밀과 같이 매체 분리 장치(세퍼레이터)를 사용하지 않기 때문에 낮은 에너지로 효율적으로 분산 처리할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예를 나타내고, 베슬 부분을 단면해서 나타내는 정면도이다.
도 2는 회전체의 일례를 나타내는 일부의 사시도이다.
도 3은 초음파실의 설명도이다.

본 발명은 화학, 의약, 전자, 세라믹스, 식품, 사료 그 외의 분야의 고체/액체계 처리 재료의 미립자화에 대응할 수 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이 본 발명의 처리 장치는 베슬(용기)(1)과 이 베슬 내에서 회전하는 회전체(로터)(2)를 갖는다. 베슬(14)은 처리 재료를 예비 혼련한 슬러리를 받아들이는 공급구(3)와, 베슬로부터 슬러리를 유출시키는 내방 유출구(4)를 갖는다. 도시를 생략했지만, 베슬의 주위에는 냉각수 등의 온도 조절 매체를 유통시키는 재킷이 설치되어 있다. 상기 회전체(2)는 구동 모터(도시 생락)에 연결된 구동축(5)에 의해 회전한다.

상기 베슬(1)의 내벽면과 회전체(2)의 외주면 사이에 환상의 미소 간극(6)이 형성되고, 상기 공급구(3)로부터 베슬(1) 내에 투입된 슬러리는 이 환상 미소 간극(6)에 흐른다. 이 환상 미소 간극(6)의 치수는 약 1.0~10㎜, 바람직하게는 약20~50㎜로 형성되어 있다. 이 때, 베슬 내에 공급되는 처리 재료로서는 점도 범위가 약 1~100dPa·s의 저점도~ 중점도의 점성 페이스트가 최적이다.

상기 회전체(2)는 단면 원형의 통 형상체로 형성되고, 회전체의 회전에 의해 처리 재료는 미소 간극 내에서 연속적으로 압축, 전단 작용을 받는다. 본 발명의 실시예에서는 도 2에 나타내는 바와 같이 회전체(2)의 외주면에 원주방향으로 오목부(7)를 설치하여 길이방향으로 연장되는 띠 형상 돌기(8)를 형성한 통 형상체로 형성되어 있다. 이렇게, 회전체에 길이방향으로 연장되는 띠 형상 돌기(8)를 형성하면, 이 띠 형상 돌기의 부분에서 처리 재료는 압축, 전단 작용을 받고, 돌기 사이의 오복무(7)에서는 개방, 팽창 작용을 받는다. 이러한 압축, 전단 작용과 개방, 팽창 작용은 공급구(3)측으로부터 내방 유출구(4)측에 유동하는 사이에 처리 재료에 반복하여 작용된다. 복수의 롤에 의해 처리 재료를 분산시키는 통상의 롤 밀은 일반적으로 재료에 압축, 전단, 팽창 작용을 주어 처리 재료를 분산시키는 장치로 여겨지고 있기 때문에 상기 오목부(7) 및 띠 형상 돌기(8)에 의한 작용은 마치 롤 밀로 분산 처리한 것과 같은 작용으로 간주할 수 있어 한층 확실히 균일하게 미립자화할 수 있다.

상기 회전체(2)의 표면이나 띠 형상 돌기(8)의 표면에는 널링 가공에 의해 노치(9)를 형성할 수 있다. 노치(9) 형상은 수평선상, 경사선상 등의 평평 메시 형상 널링이나, 사각 메시, 클로스 메시, 다이아 메시 등의 트윌 라인 형상 널링으로 형성할 수 있다. 또한, 노치에 의해 형성되는 미소 돌기는 높이 약 1.0~0.1㎜, 바람직하게는 약 0.6~0.3m㎜로 형성되어 있다.

상기 베슬(1)의 내방 유출구(4)에 대향하여 배출구(11)를 갖는 초음파실(10)이 설치되어 있다. 이 초음파실(10) 내에는 초음파 발생 장치(12)의 초음파 혼(13)이 설치되어 초음파실(10)에 유입된 처리 재료에 초음파 진동을 조사한다. 초음파 혼(13)의 배출구(11)측의 측면과 초음파실(10)의 배출구(11)측의 내벽 사이의 치수(A1) 및 초음파 혼(13)의 선단과 내방 유출구(4) 사이의 치수(A2)는 바람직하게는 2~5㎜ 정도로 형성되어 있다. 도 1에 나타내는 실시예에서는 A1, A2는 동일한 정도의 치수로 설치되어 있지만, 상기 범위 내에서 A1, A2의 치수를 상위시킬 수 있다. 이 초음파 진동에 의해 캐비테이션이 생겨 슬러리 중에 미소 기포가 발생한다.

캐비테이션에 의해 미소 기포를 발생시키기 위한 초음파의 진폭은 처리 재료의 액체의 종류에 따라 최적의 진폭수가 있다. 캐비테이션은 처리 재료의 표면장력이 큰 액체에서는 발생하기 쉬운 것이 알려져 있다. 일반적으로, 액체가 용제계인 경우는 개략 20~30mN/m으로 표면장력이 작기 때문에 캐비테이션의 발생이 어렵다. 한편, 액체가 수계인 경우는 73mN/m이므로 캐비테이션은 용이하게 발생한다. 예를 들면, 출력 600W, 진동수 20㎑, 초음파 혼의 선단부의 직경 36㎜, 진폭 14~4㎛로 하면, 진폭값에 관계없이 항상 캐비테이션이 발생한다. 진폭이 클수록 발생한 미소 기포가 소멸할 때의 충격력이 강해져 알갱이나 덩어리에 큰 데미지를 주어 파괴할 수 있다.

상기 내방 유출구(4)는 처리 재료가 유출되도록 오리피스 형상으로 형성되고, 초음파 혼(13)의 선단부의 형상과 유사한 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 내방 유출구(4)로부터 유출되는 처리 재료에 적확히 초음파를 조사할 수 있도록 초음파 혼(13)의 선단부의 크기보다 내방 유출구의 직경을 작게 형성하면 좋다. 실험의 결과에 의하면, 내방 유출구의 직경(d1)은 초음파 혼(13)의 선단부의 직경(d2)의 약 80% 정도가 좋고, 이것보다 크게 형성하면 알갱이나 덩어리의 존재가 인정된다. 최대 초음파 혼의 선단부의 직경과 같은 직경까지이다. 이러한 구성으로 하면 초음파 혼으로부터 약 20㎑, 즉 매초 20000회의 진동을 발생시키면 초음파 혼의 선단부로부터 큰 진동 에너지가 발생한다. 이 진동은 내방 유출구로부터 유출되는 액체 전체에 미치게 하여 액체 중에서 초음파 진동이 생기기 때문에 캐비테이션에 의해 액체 중에 진공의 미소 기포가 발생하고, 그 기포는 가압 상태가 되어 찌부러진다. 이 파괴 시의 충격이 압력파가 되어 분말체의 부분 응집인 알갱이나 덩어리에 작용하여 알갱이나 덩어리는 해쇄된다.

상기 초음파 혼(13)을 초음파실(10)의 중심에 설치하면 처리 재료가 초음파 처리를 받지 않고 쇼트 패스해서 유출될 우려가 있다. 즉, 초음파실(10)에 설치한 배출구(11)와 내방 유출구(4)의 위치가 가깝고, 또한 초음파실(10)의 중심에 위치하는 초음파 혼(13)의 선단부와 내방 유출구(4)의 간격 및 초음파 혼(13)의 측면과 배출구(11)의 간격이 같으면 처리 재료는 내방 유출구(4)로부터 배출구(11)에 쇼트 패스되기 쉽다. 그래서, 초음파 혼(13)의 배출구(11)측의 측면과 배출구(11) 사이의 간격(A1)보다 초음파 혼(13)의 배출구(11)와는 반대측의 측면과 초음파실의 내면 사이의 간격(B)이 넓어지도록 초음파 혼(13)의 설치 위치를 초음파실(10)의 중심(O1)으로부터 편심(偏芯)시켜 설치하면, 유량 저항이 낮아져 쇼트 패스가 발생되지 않도록 제어할 수 있다. 도면에서 설명하면, 도 3에 나타내는 바와 같이 초음파 혼(13)의 배출구(11)측의 측면과 초음파실(10)의 내벽 사이의 치수(A1)는 배출구(11)에 대향하는 측의 초음파 혼(13)의 측면과 초음파실(10)의 내벽 사이의 치수(B)보다 작다. 교반 유동 특성상 바람직한 편심 위치로서는 초음파실의 직경(D)으로 하면 초음파실의 중심(O1)과 초음파 혼의 중심(O2) 까지의 간격(C)이 C=0.2D~0.25D가 되는 위치이다.

(실시예)

리튬 이온 이차전지의 수계 부극 재료는 나노 파우더를 포함하는 전극 재료와 수계 용매의 혼합물이지만, 이 수계 부극 재료를 믹서로 프레믹싱해서 슬러리액을 작성했다. 이 슬러리액 중에는 나노 파우더의 분말체가 포함되어 있다. 도 1에 나타내는 장치를 사용하고, 초음파 장치는 출력 600W, 진동수 20㎑, 초음파 혼의 선단부의 직경 36㎜, 진폭 40㎛, 내방 유출구의 직경 28㎜로 했다. 초음파 혼의 배출구측의 측면과 초음파실의 내벽 사이의 치수(A1) 및 초음파 혼의 선단과 내방 유출구 사이의 치수(A2)를 여러가지 변화시켜 처리 재료 중의 포함되어 있는 부분 응집인 알갱이나 덩어리가 어떻게 해쇄되는지를 조사했다. 동시에, 배출구로부터 배출되는 처리 재료의 온도 상승의 유무에 대해서도 조사했다. 테스트의 결과는 표 1에 나타낸 바와 같았다.

평가

부분 응집의 소멸 ○···소멸했다.

×···소멸하지 않는다.

처리 재료의 온도 ○···승온하지 않는다.

△···조금 승온했다.

×···승온했다

(비교예)

실시예에 사용한 리튬 이온 이차전지의 수계 부극 재료를 믹서로 프레믹싱해서 슬러리액을 작성했다. 처리 장치는 도 1에 나타내는 장치로부터 초음파실을 제거한 장치를 사용했다. 베슬로부터 배출되는 처리 재료 중에는 부분 응집물이 잔존하고 있어 알갱이나 덩어리가 보여졌다.

이상과 같이, 초음파실을 베슬에 병설해서 분산 처리함으로써 처리 재료 중의 알갱이나 덩어리를 없앨 수 있다. 특히, 초음파 혼의 배출구측의 측면과 초음파실의 내벽 사이의 치수(A1) 및 초음파 혼의 선단과 내방 유출구 사이의 치수(A2)가 약 2~5㎜, 더욱 바람직하게는 3~5㎜가 되도록 초음파 혼을 설치하면 알갱이나 덩어리를 확실하게 해쇄할 수 있음과 아울러 처리 재료의 온도가 상승하는 일도 없다. 이것에 의해 처리 재료의 품질을 변화시키는 일 없이 균질하게 분산시킬 수 있었다.

Claims (6)

1. 고체/액체계 처리 재료인 슬러리의 처리 방법으로서, 공급구로부터 베슬 내에 투입된 처리 재료를 회전체와 베슬의 내벽 사이에 형성된 환상 미소 간극에 유입시키는 것, 회전체를 회전시켜 처리 재료를 압축, 팽창, 전단 처리하는 것, 환상 미소 간극을 통과한 처리 재료를 내방 유출구로부터 배출구를 갖는 초음파실에 유출하는 것, 배출구측의 초음파실의 측면과의 사이 및 초음파 혼과 상기 내방 유출구 사이에 2~5㎜의 간격을 두고 초음파 혼을 그 초음파실에 설치하는 것, 이 초음파 혼으로부터 초음파실을 흐르는 처리 재료에 초음파를 조사하는 것을 특징으로 하는 슬러리의 처리 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 초음파 혼은 초음파실의 중심으로부터 배출구측에 편심된 위치로부터 초음파를 처리 재료에 조사하는 것을 특징으로 하는 슬러리의 처리 방법.
3. 처리 재료의 공급구와 내방 유출구를 갖는 베슬과, 베슬 내에 회전가능하게 설치된 회전체와, 회전체의 외주면과 베슬의 내벽면 사이에 형성된 환상 미소 간극과, 베슬의 내방 유출구에 연통되어 설치된 배출구를 갖는 초음파실과, 초음파실에 설치된 초음파 혼을 구비하고, 상기 초음파 혼은 초음파 혼과 상기 내방 유출구 및 초음파실의 벽면 사이의 간격이 2~5㎜가 되도록 배출구측에 근접하게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 슬러리의 처리 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 초음파 혼의 중심은 초음파실의 중심으로부터 배출구측에 편심되어 있는 것을 특징으로 하는 슬러리의 처리 장치.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 회전체는 외주면에 원주방향으로 오목부를 설치하여 길이방향으로 연장되는 띠 형상 돌기를 형성한 통 형상체로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 슬러리의 처리 장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 회전체의 띠 형상 돌기의 표면에는 노치가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 슬러리의 처리 장치.
   

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