WO2017130981A1 - 粉体処理装置及び方法 - Google Patents

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WO2017130981A1
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plasma
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flow path
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文彦 廣瀬
森本　洋史
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日本ニューマチック工業株式会社
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    • B01J2219/0894—Processes carried out in the presence of a plasma
    • B01J2219/0898—Hot plasma

Definitions

  • the present invention relates to a powder processing apparatus and method for performing surface treatment of powder and fine particles.
  • Hydrophilized powder material is used to enhance the functionality of powder generated during plastic reprocessing.
  • Non-Patent Document 1 it is shown that it is possible to remove oil from waste water or emulsion in which oil and water are mixed by making fiber reinforced plastic from waste materials into powder and making the surface hydrophilic.
  • functional fine particles are dispersed in water to enable water purification and substance recovery.
  • Non-Patent Document 2 introduces an example in which nanosilica powder is hydrophilized and used as an outer wall material to make the surface hydrophilic and less likely to become dirty.
  • the hydrophilization treatment of powder is widely used in the manufacturing process of cosmetics, coating materials, and printing ink as an application in which powder is dispersed in an aqueous solvent and used as a paste.
  • the surface of the powder is treated with plasma or exposed to an oxidizing gas such as ozone to be hydroxylated.
  • an oxidizing gas such as ozone
  • the powders are adsorbed, aggregated, and fixed to the storage container. This phenomenon is thought to be because the hydroxylated surface forms hydrogen bonds at the contact interface between the fine particles.
  • pulverization and classification are carried out in order to make the powder size within the desired range. Such an undesirable phenomenon occurs.
  • the powder when storing, pulverizing, and classifying fine particles, the powder is once immersed in a silane coupling agent to terminate the hydroxyl groups on the surface with hydrocarbons and hydrophobize the surface. Let me. And just before making it disperse
  • Patent Document 1 powder is stored in a rotating drum, electrodes are arranged on the drum body and the drum shaft, and a high frequency electric field is applied to discharge the powder while rotating and stirring the powder in the drum. Shows how to hit the gas.
  • the powder is applied to the plasma gas, it is necessary to set the powder once in the container and take it out after the processing. For example, the powder is continuously introduced and the finished powder is taken out without interruption. It was difficult. In the world of powder processing, it is required to have a classification function to extract only powders of the same size.
  • the present invention is a powder in which powder can be continuously charged and the treatment time by plasma can be freely changed and the treatment is completed when the powder is hydrophilized by plasma treatment.
  • An object of the present invention is to provide an apparatus and a method for processing powder at atmospheric pressure, which can be continuously taken out.
  • the first aspect of the present invention for achieving the above object is A powder processing apparatus for plasma processing powder to be processed, A cylindrical substrate; An outer electrode and an inner electrode arranged opposite to each other in the radial direction and the inner side of the cylindrical base body and shifted in the circumferential direction, and spaced apart from each other in the circumferential direction over the axial direction; A dielectric layer covering the outer electrode; One or more high-frequency power supplies for applying a high-frequency voltage between the outer electrode and the inner electrode adjacent to each other; A powder transport section for flowing the powder together with a transport gas along the inner wall of the cylindrical base body from one end side to the other end side in the axial direction radially inward of the cylindrical base body; A collection unit that collects the surface treated powder that has been flowed in by the powder transport unit and applies a high-frequency voltage between the outer electrode and the inner electrode by the high-frequency power source.
  • plasma is generated in the vicinity to bring the powder into contact with the plasma, and the processing powder surface-treated with the plasma is recovered by the
  • the second aspect of the present invention is: A powder processing apparatus for plasma processing powder to be processed, A cylindrical substrate; An outer electrode and an inner electrode arranged opposite to each other in the radial direction and the inner side of the cylindrical base body and shifted in the circumferential direction, and spaced apart from each other in the circumferential direction over the axial direction; A dielectric layer covering any one of the outer electrode and the inner electrode; A flow path forming cylindrical tube that is provided close to a side opposite to the radial direction of the cylindrical base on which the dielectric layer is provided and forms a flow path with the cylindrical base; One or more high-frequency power supplies for applying a high-frequency voltage between the outer electrode and the inner electrode adjacent to each other; A powder transport section for flowing the powder together with a transport gas from one end side in the axial direction to the flow path between the cylindrical base body and the flow path forming cylindrical tube; A recovery unit that recovers the treated powder that has been flowed in and is surface-treated by the powder transport unit, and a high-frequency voltage is applied between the outer electrode and
  • the third aspect of the present invention is:
  • the flow path forming cylindrical tube is provided on the radially inner side of the cylindrical base body, and both axial ends of the flow path between the cylindrical base body and the flow path forming cylindrical pipe are sealed,
  • the powder transport unit flows the powder together with the transport gas from a gas inlet provided at a predetermined circumferential position on one end side in the axial direction of the flow path, and the recovery unit
  • the processing powder is recovered from gas discharged from a gas exhaust port provided at a predetermined position in the circumferential direction on the other end side in the axial direction.
  • the fourth aspect of the present invention is: A discharge flow channel pipe is disposed radially inside the flow channel forming cylindrical tube, the other end portion in the axial direction of the flow channel communicates with one end portion of the discharge flow channel tube, and the recovery portion is connected to the flow channel
  • the processing powder is recovered from the gas discharged from the other end portion of the discharge channel tube positioned on one end side of the forming cylindrical tube.
  • the cylindrical base body is arranged so that the axial direction is the gravity direction, the powder transport section flows the powder from the lower side in the gravitational direction, and the recovery section receives the processed powder from the upper side in the gravitational direction.
  • the powder processing apparatus according to any one of the first to fourth aspects is characterized by being collected.
  • the sixth aspect of the present invention is:
  • the cylindrical base body is arranged so that the axial direction is the gravity direction, the powder transport section flows the powder from the upper side in the gravitational direction, and the recovery section receives the processed powder from the lower side in the gravitational direction.
  • the powder processing apparatus according to any one of the first to fourth aspects is characterized by being collected.
  • the cylindrical base body and the powder transport section are connected by an inflow pipe,
  • the powder processing apparatus according to any one of the first to sixth aspects, wherein the inflow pipe extends so as to substantially coincide with a tangential direction of an inner wall of the cylindrical base body.
  • the eighth aspect of the present invention is The powder according to any one of the first to seventh aspects, wherein the transport gas is one kind of gas selected from argon, helium, air, nitrogen, oxygen and chlorine, or a mixed gas of a plurality of gases. It is in the body treatment device.
  • the transport gas is one kind of gas selected from argon, helium, air, nitrogen, oxygen and chlorine, or a mixed gas of a plurality of gases. It is in the body treatment device.
  • the ninth aspect of the present invention provides A powder processing method for plasma processing powder to be processed, An outer electrode and an inner electrode are arranged on the outer side and the inner side in the radial direction of the cylindrical base body, opposed to each other and shifted in the circumferential direction, intermittently arranged in the circumferential direction over the axial direction of the cylindrical base body, and the outer electrode A plasma is generated in the vicinity of the inner electrode by applying a high frequency voltage between the outer electrode and the inner electrode that are covered with a dielectric layer and adjacent to each other, and one end side in the axial direction of the cylindrical substrate
  • the powder is allowed to flow from the other end side together with the transport gas, and surface treatment is performed by contacting the plasma while transporting the powder, and the treated powder is recovered from the other end side.
  • the powder processing method In the powder processing method.
  • the tenth aspect of the present invention provides A powder processing method for plasma processing powder to be processed,
  • An outer electrode and an inner electrode are arranged on the outer side and the inner side in the radial direction of the cylindrical base body, are opposed to each other and shifted in the circumferential direction, and are intermittently arranged in the circumferential direction over the axial direction, and one of the outer electrode and the inner electrode.
  • the flow path between the cylindrical base body and the flow path forming cylindrical tube is applied from one end side in the axial direction while applying a high frequency voltage between the outer electrode and the inner electrode adjacent to each other.
  • the powder flows into the end side together with the transport gas, plasma is generated in the vicinity of the electrode in the flow path, the powder is brought into contact with the plasma, and the treated powder surface-treated with the plasma is recovered.
  • the powder processing method In the powder processing method.
  • the eleventh aspect of the present invention is The powder processing method according to the ninth or tenth aspect is characterized in that the powder to be treated is continuously collected simultaneously with the introduction of the powder, and at the same time.
  • the inflow of the transport gas and the powder into the cylindrical substrate is performed such that the inflow direction substantially coincides with the tangential direction of the inner wall of the cylindrical substrate.
  • FIG. 1 shows a transverse section and a longitudinal section showing a schematic configuration of a powder processing apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • a plurality of outer electrodes 2A to 2D and inner electrodes 3A to 3D are provided on the radially outer side and the inner side of the cylindrical substrate 1, respectively.
  • the plurality of outer electrodes 2A to 2D and the inner electrodes 3A to 3D are made of, for example, a copper plate, and are arranged uniformly in the circumferential direction of the cylindrical base 1 to constitute four sets of counter electrodes.
  • the plurality of outer electrodes 2A to 2D and inner electrodes 3A to 3D are provided so as to partially face each other with the cylindrical substrate 1 interposed therebetween, but are partially offset in the circumferential direction.
  • Each of the plurality of outer electrodes 2A to 2D and the inner electrodes 3A to 3D has a strip shape extending in the axial direction, and all the electrodes have the same shape, but partially in the width direction that coincides with the circumferential direction. It is in a state of facing each other and not partially facing each other.
  • a high frequency power source 4 is connected to the outer electrodes 2A to 2D and the inner electrodes 3A to 3D serving as the four sets of counter electrodes, respectively, and between the outer electrodes 2A to 2D and the inner electrodes 3A to 3D serving as the four sets of the counter electrodes.
  • a high-frequency voltage can be applied.
  • the outer electrodes 2A to 2D are connected at, for example, the end portions, and the inner electrodes 3A to 3D are connected at, for example, the end portions.
  • a high frequency voltage may be applied to the electrodes 3A to 3D.
  • a dielectric layer 5 is provided so as to cover the surfaces of the outer electrodes 2A to 2D.
  • the dielectric layer 5 may be formed by applying a tape-like dielectric material or by applying a dielectric material.
  • a flow path forming cylindrical tube 6 disposed concentrically at a predetermined distance is provided on the radially inner side of the cylindrical substrate 1.
  • the flow path forming cylindrical tube 6 is for forming a flow path 7 between the cylindrical base 1.
  • the cylindrical base body 1 and the flow path forming cylindrical pipe 6 are erected so that the axial direction is along the vertical direction, and the upper and lower end openings of the cylindrical base body 1 and the flow path forming cylindrical pipe 6 are opened.
  • the lid members 8 and 9 are sealed. Thereby, an annular cylindrical channel 7 is formed in the vicinity of the inner wall of the cylindrical substrate 1.
  • a gas inlet 1a is provided at a predetermined position in the circumferential direction below the cylindrical base 1, and a gas inlet 10 as an inlet is connected to the gas inlet 1a.
  • a gas discharge port 1b is provided on the opposite side in the radial direction from the predetermined position in the circumferential direction at the upper part of the cylindrical base 1, and a gas discharge tube 11 is connected to the gas discharge port 1b.
  • the gas inflow pipe 10 is connected to a powder transporting portion 13 for introducing a powder 12 to be treated at the same time as a carrier gas which is a transport gas, for example, argon, helium, air or the like is introduced.
  • the tube 11 is connected to a collection unit 14 for collecting the treated powder 12A obtained by surface treating the treated powder 12.
  • the inflowing gas is effective as a carrier responsible for gas transport of the powder 12 to be treated, but it is preferable to use argon or helium.
  • oxygen-containing molecules such as air, oxygen, and water vapor as a carrier
  • the powder surface can be effectively oxidized with plasma, leading to an increase in the speed for hydrophilization.
  • the powder surface is nitrided.
  • etching of the powder surface proceeds and it becomes possible to obtain a powder with a finer particle size. The above-described effect can be obtained even if the gas is not combined with the gas but is freely combined.
  • the powder 12 to be treated may be introduced from the tube 10 together with the carrier gas.
  • the outer electrodes 2A to 2D When a high frequency voltage is applied to the plurality of outer electrodes 2A to 2D and the inner electrodes 3A to 3D, the outer electrodes 2A to 2D are covered with the dielectric layer 5, so that the outer electrodes 2A to 2D on the outer side in the radial direction are covered. Is prevented, and dielectric barrier discharge occurs in the vicinity of the inner electrodes 3A to 3D on the radially inner side of the cylindrical substrate 1.
  • the outer electrodes 2A to 2D and the inner electrodes 3A to 3D are provided so as to be partially opposed to each other with the cylindrical base 1 interposed therebetween, but are partially offset in the circumferential direction. Local plasma is generated at the end on the side facing the 3D outer electrodes 2A to 2D.
  • the density of the plasma 15 at this time is inclined from the inner surface of the cylindrical substrate 1 in the direction opposite to the inner electrodes 3A to 3D from the radially inner direction.
  • a rotating air flow 16 is generated in the flow path 7 due to such a density deviation of the plasma 15.
  • the direction of the rotating air flow 16 is counterclockwise in FIG. 1A. Therefore, in this state, the powder 12 to be treated introduced together with the carrier gas from the gas inflow pipe 10 communicating with the lower end portion of the flow path 7 comes into contact with the plasma 15 and is plasma-treated while being counterclockwise by the rotating air flow 16.
  • the powder is conveyed upward while rotating around and is discharged from the gas discharge pipe 11 as the treated powder 12A.
  • the plurality of outer electrodes 2A to 2D and the inner electrodes 3A to 3D are provided so as to be partially opposed to each other with the cylindrical base 1 interposed therebetween, but are partially offset in the circumferential direction. Since a biased plasma 15 is generated and a rotating air flow 16 is generated, it is called a plasma actuator. It is desirable that the plurality of plasma actuators be arranged at an equal angle around the central axis of the cylindrical substrate 1. The powder 12 to be treated is exposed to the plasma 15 on the rotating air flow 16, but by arranging a plurality of plasma actuators, the plasma 15 is repeatedly applied until one powder 12 to be treated is exhausted. In this case, it is possible to obtain a high surface treatment efficiency as compared with the single irradiation. Further, by arranging the plasma actuators at an equal angle, the rotating air flow 16 can be uniformly generated in the flow path 7 inside the double cylindrical tube.
  • the time during which the powder 12 to be treated is exposed to the plasma 15 depends on the gas flow rate supplied from the gas inflow pipe 10, and if the flow rate is reduced, the powder to be treated in the flow path 7 in the double cylindrical tube. 12 is slowed down, the plasma processing time can be increased substantially, and if the flow rate is increased, the plasma processing time can be shortened, and the plasma processing time, that is, plasma processing can be relatively easily performed. The degree of can be changed.
  • this apparatus can also be used as a classifier. Since the levitation condition is determined by the weight and flow rate of the powder, it is possible to set a mass that is appropriately classified according to the flow rate of the carrier gas.
  • the flow path forming cylindrical tube 6 is provided to form a double cylindrical tube.
  • the plasma 15 is generated in the flow channel 7 in the double cylindrical tube, and this is used as the path of the powder 12 to be processed.
  • the flow path 7 of the powder 12 to be treated is at atmospheric pressure, and in this case, the plasma region of the generated plasma 15 is limited to about 5 mm to 1 cm from the vicinity of the electrode.
  • the distance between the gap 1 and the flow path forming cylindrical tube 6 is preferably narrowed to 1 cm or less within the range in which the plasma 15 is generated, so that the powder 12 to be treated can be efficiently exposed to the plasma 15.
  • the inner electrodes 3A to 3D provided on the cylindrical substrate 1 may be covered with a dielectric layer, and a flow path forming cylindrical tube 6 may be provided outside the cylindrical substrate 1 in the radial direction.
  • electrodes for generating local plasma may be provided not only on the flow path forming cylindrical tube 6.
  • FIG. 2 shows a transverse section and a longitudinal section showing a schematic configuration of a powder processing apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
  • this apparatus has a triple pipe by concentrically providing a flow path forming cylindrical tube 21 and a flow path forming cylindrical tube 22 serving as a discharge flow path pipe on the radially inner side of the cylindrical substrate 1. It is structured.
  • action similar to Embodiment 1 attaches
  • the lid member 8A for sealing the upper end of the cylindrical base body 1 seals only the cylindrical base body 1, and the upper end portions of the flow path forming cylindrical tubes 21 and 22 provided on the radially inner side are separated from the lid member 8A.
  • the space between the flow path forming cylindrical tubes 21 and 22 is sealed with a lid member 23.
  • the lower end portions of the cylindrical base body 1 and the flow path forming cylindrical tubes 21 and 22 are sealed with a lid member 9A having an opening in a region corresponding to the lower end opening of the flow path forming cylindrical tube 22, The opening is a gas discharge port 1c.
  • a flow path 7A similar to that of the first embodiment is formed between the cylindrical substrate 1 and the flow path forming cylindrical tube 21, and the flow path 7A is a disk-shaped flow path at the upper end. 7B, the disc-shaped flow path 7B communicates with the flow path 7C formed at the center in the radial direction of the flow path forming cylindrical tube 22, and the flow path 7C communicates with the gas discharge port 1c. To do.
  • the powder 12 to be treated may be introduced from the tube 10 together with the carrier gas.
  • the direction of the rotating airflow 16 is counterclockwise when viewed from above, and in this state, the object to be treated introduced together with the carrier gas from the gas inflow pipe 10 communicating with the lower end of the flow path 7A.
  • the powder 12 is transported upward while rotating counterclockwise by the rotating air flow 16 while being plasma-treated in contact with the plasma 15 and enters the disc-shaped flow path 7B.
  • the flow path 7B also becomes a counterclockwise rotating airflow as a whole, and the plasma-treated powder descends down the central flow path 7C as the treated powder 12A and is discharged from the gas discharge port 1c.
  • the plasma treatment in this apparatus is the same as that in the first embodiment.
  • the point which can be used as a classifier is also the same.
  • the flow path forming cylindrical tube 21 may be provided on the radially outer side of the cylindrical substrate 1 to form a triple tube structure.
  • electrodes are arranged on the inside and outside in the radial direction of the flow path forming cylindrical tube 22 to generate plasma in the flow path 7C so that the plasma treatment is performed when the fine particles are dropped and collected. It may be.
  • the extraction port for the treated powder 12A is at the lower part of the apparatus, the treated powder 12A is continuously transported to the lower part by gravity. There is an effect that it becomes easy to connect a device for processing such as pulverization.
  • the gas inflow pipe 10 is provided on the upper part of the cylindrical substrate 1, the disc-shaped flow path 7C is provided on the lower end, and the treated powder 12A is recovered from the upper part of the flow path forming cylindrical pipe 23 serving as a discharge flow path pipe. You may make it do.
  • FIG. 3 shows a transverse section and a longitudinal section showing a schematic configuration of a powder processing apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
  • this apparatus is provided with a gas inlet 1 a at the upper end of a cylindrical base 1, a gas inlet pipe 10 is connected to the gas inlet 1, and a collection container is connected to the lower end via a guide member 25 on the lower side. Except that 26 is connected, it is the same as the first embodiment.
  • action similar to Embodiment 1 attaches
  • the powder 12 to be treated may be introduced from the tube 10 together with the carrier gas.
  • the powder 12 to be treated is plasma-treated while turning and descending counterclockwise in the flow path 7.
  • the treated powder 12 ⁇ / b> A falls freely and falls down, and is stored in the collection container 26 through the guide member 25.
  • This method loses the classification effect, but has the advantage of facilitating the recovery of the treated powder 12A because it is freely dropped and automatically recovered in the recovery container 26.
  • the present invention it is desirable to arrange a plurality of plasma actuators at equal angles around the axis of the cylindrical tube.
  • the powder is exposed to the plasma in a rotating airflow, but by arranging multiple plasma actuators, one powder hits the plasma many times until it is exhausted, compared to a single irradiation.
  • high surface treatment efficiency can be obtained.
  • by arranging the plasma actuators at an equal angle it is possible to uniformly generate a rotating air flow inside the double cylindrical tube.
  • the inflowing gas is effective as a carrier responsible for the gas transportation of the powder, but it is preferable to use argon or helium.
  • oxygen-containing molecules such as air, oxygen, and water vapor as a carrier
  • the powder surface can be effectively oxidized with plasma, leading to an increase in the speed for hydrophilization.
  • the powder surface is nitrided.
  • etching of the powder surface proceeds and it becomes possible to obtain a powder with a finer particle size. The above-described effect can be obtained even if the gas is not combined with the gas but is freely combined.
  • the processing target powder 12 introduced together with the carrier gas is introduced by forming a flow path between the cylindrical base 1 and the flow path forming cylindrical tube 6 or 21. If the introduction method in which the powder 12 to be treated flows together with the carrier gas only in the vicinity of the inner surface of the substrate 1 can be employed, the flow path forming cylindrical tubes 6 and 21 are not necessarily provided.
  • the cylindrical base body 1 and the like are arranged so that the axial direction thereof coincides with the gravity direction.
  • the cylindrical base body 1 is arranged so as to coincide with the horizontal direction, the horizontal direction, or the direction inclined from the gravity direction. May be.
  • the central axis 10c is cylindrical with respect to an inflow pipe (gas inflow pipe) 10 that connects the cylindrical substrate 1 and the powder transport section 13 (see FIGS. 1B and 2B). You may comprise so that it may extend so that it may correspond substantially to the tangent direction of the inner wall 1r of the cylindrical base
  • substrate 1 more specifically, it may become parallel to a tangential direction). 4A and 4B, the dielectric layer 5 and the powder 12 to be processed are not shown.
  • the inflow of the gas and the powder 12 to be processed (not shown in FIGS. 4A and 4B) into the cylindrical substrate 1 is substantially in the tangential direction of the inner wall 1r of the cylindrical substrate 1. I will do it. For this reason, as shown in FIGS. 1A and 2A, compared to a configuration in which the central axis of the gas inflow pipe 10 is orthogonal to the inner wall of the cylindrical substrate 1, the gas and the powder 12 to be processed are transferred to the cylindrical substrate 1. When continuously charging, it is possible to input with a small resistance. Therefore, the power of the powder transport unit 13 can be reduced.
  • the rotating airflow 16 can be stably contacted with plasma without being disturbed, and as a result, a treated powder 12A having a uniform and stable quality can be obtained.
  • two gas inlet pipes 10 are provided so as to be rotationally symmetric and extend in opposite directions.
  • the present invention is not limited to this, and only one gas inflow pipe 10 may be provided, or three or more may be provided as in the configuration shown in FIG. 2A.
  • a plurality of gas inlet pipes 10 can be provided on the upper and lower sides.
  • the portion where the gas inflow pipe 10 is provided in the cylindrical base body 1 and the other portion are divided into upper and lower parts to be flange-connected, but the present invention is limited to this. It is not a thing, but it can also be united up and down.
  • a guide member 25 that can connect a collection container or the like (not shown) as in the configuration shown in FIG. 3 is provided, but the present invention is not limited to this.
  • a test for plasma treatment of nylon resin fine particles having an average particle size of 30 ⁇ m was performed using the apparatuses shown in FIGS.
  • the carrier gas used at this time was helium, and the introduction amount was 50 L / min.
  • the cylindrical double tube used was an inner tube having an outer diameter of 80 mm, an outer tube having an outer shape of 100 mm, and a length of 100 mm.
  • the cylindrical tube had a thickness of 3 mm and was made of acrylic.
  • the plasma actuator is arranged in four directions with respect to the central axis of the tube, and the length of the electrode of one actuator is 100 mm, the inner tube side is 15 mm wide, and the outer tube side is 15 mm wide.
  • the electrode is made of copper foil and has a thickness of 50 ⁇ m.
  • As the applied voltage the outer tube side was grounded, and a voltage of 13 kV was applied to the inner tube side at a frequency of 15 kHz.
  • the processing time is about 15 seconds from the introduction of the powder to the collection.
  • the above effect indicates that the hydrocarbon on the surface of the nylon resin was oxidized, and a hydroxyl group was formed on the surface, changing from hydrophobic to hydrophilic.
  • This effect is effective for obtaining a water-soluble paste by obtaining the effect of dispersing the hydrophobic powder in water.
  • a water-soluble paste By using a water-soluble paste, the effect of preventing electrostatic charging and facilitating painting as a water-based ink is brought about.

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Abstract

円筒状基体と、前記円筒状基体の径方向外側及び内側に相対向し且つ周方向にずらして配置され、軸方向に亘って、周方向に相互に間隔を設けて配置された外側電極及び内側電極と、相互に隣接する前記外側電極と前記内側電極との間に高周波電圧を印加する一つ又は複数の高周波電源と、前記円筒状基体の径方向内方に軸方向の一端側から他端側に当該円筒状基体の内壁に沿って輸送ガスと共に前記粉体を流入する粉体輸送部と、前記粉体輸送部により流入され、表面処理された処理粉体を回収する回収部とを具備する粉体処理装置。

Description

粉体処理装置及び方法 関連出願の相互参照
　本願は、日本国特願２０１６－１１７０４号に基づく優先権を主張し、引用によって本願明細書の記載に組み込まれる。
　本発明は粉体、微粒子の表面処理を行う粉体処理装置及び方法に関する。
　親水化された粉体材料は、プラスチックの再処理過程で発生する粉体の高機能化に利用される。たとえば、非特許文献１によれば、廃材から出る繊維強化プラスチックを粉末にして、表面を親水化させることで、油と水が混在した廃水やエマルジョンからの油分の除去が可能であることが示されている。この事例は、機能性微粒子を水に分散することによって、水質浄化や物質回収などを可能にする事例である。また親水化された粉体の利用例として、ナノシリカ粉体を親水化しておき、それを外壁材とすることで、表面が親水化し、汚れにくい壁材とする事例が、非特許文献２に紹介されている。粉体の親水化処理は、水性溶媒に粉体を分散させてペーストとして使用する用途として、化粧品、塗装用材、印刷用インクの製造過程で広く使われている。
　上記の用途に供する粉体の親水化方法として、粉体表面をプラズマ等で処理したり、オゾンなどの酸化ガスに曝したりすることで、表面をハイドロキシル化することが行われる。しかし、粉体表面をハイドロキシル化させると、粉体同士が吸着しあい、凝集し、また保存容器に固着してしまう問題が生じる。この現象は、ハイドロキシル化された表面が、微粒子同士の接触界面において水素結合を形成するためと考えられる。粉体処理の分野では、粉体のサイズを所望の範囲で揃えるために、粉砕や分級を行うが、親水化された粉体をジェットミルにかけると、固着による粒の巨大化や角礫化などの好ましくはない現象が発生してしまう。上記の問題を避けるために、微粒子の保存、粉砕、分級を行う際には、粉体を一旦シランカップリング剤に浸けることで、表面のハイドロキシル基を炭化水素で終端し、表面を疎水化させておく。そして、水溶性溶媒に分散させる直前で親水化を行う。
　従来、微粒子表面を親水化させる方法として、微粒子自体をプラズマガスにさらすことが提案されている。たとえば特許文献１においては、粉体を回転するドラムに格納し、ドラムの胴体とドラムの軸に電極を配し、高周波電界をかけることで放電させ、粉体をドラム内で回転撹拌させながらプラズマガスに当てる方法が示されている。この方法において、粉体をプラズマガスにあてるため、一旦粉体を容器内にセットし、処理後取り出す必要があり、たとえば連続的に粉体を導入し、処理が終わった粉体を途切れなく取り出すことが困難であった。また、粉体処理の世界では、同じサイズの揃った粉体のみを取り出す分級機能があることが求められているが、ここで示される装置では、表面処理後に別途分級機を準備する必要があった。さらにプラズマ処理においては、粉体を扱うために、大気圧での処理が望まれていた。真空装置を用いると粉体が微細であるため、真空ポンプに吸い込まれてしまう事故があるからである。プラズマを発生するために、電極を用いて高周波電界による放電を起こす場合、大気圧ではプラズマは電極近傍に集中し、たとえば特許文献１のようなドラムでの方式では、粉体を格納する容器内に均一にプラズマを発生させることは困難であった。したがって、ドラム内部を１００Ｐａ以下の低圧とし、減圧下でプラズマが均一化する性質を利用して処理していた。つまり粉体を格納する容器を減圧状態にする必要があり、真空装置によるコスト高が生じ、また減圧状態の容器に粉体を連続投入し、処理後の粉体を連続的に取り出すことは著しく困難であり、粉体処理のスループットが制限されることが問題とされていた。
平成13年度報告　技術報告　大分産業科学技術センター　120 http://www.nichiha.co.jp/wall/microguard/chosinsui.html
日本国特開２０１４－１５７７６０号公報
　本発明は、上述した事情に鑑み、粉体をプラズマ処理で親水化を行う上で、粉体の連続投入が可能で、かつプラズマによる処理時間を自由に可変でき、かつ処理が終了した粉体を連続的にとりだすことを可能とする、大気圧での粉体処理装置及び方法を提供することを目的とする。
　前記目的を達成する本発明の第１の態様は、
　被処理対象となる粉体をプラズマ処理する粉体処理装置であって、
　円筒状基体と、
　前記円筒状基体の径方向外側及び内側に相対向し且つ周方向にずらして配置され、軸方向に亘って、周方向に相互に間隔を設けて配置された外側電極及び内側電極と、
　前記外側電極を覆う誘電体層と、
　相互に隣接する前記外側電極と前記内側電極との間に高周波電圧を印加する一つ又は複数の高周波電源と、
　前記円筒状基体の径方向内方に軸方向の一端側から他端側に当該円筒状基体の内壁に沿って輸送ガスと共に前記粉体を流入する粉体輸送部と、
　前記粉体輸送部により流入され、表面処理された処理粉体を回収する回収部と
を具備し、前記高周波電源により前記外側電極と前記内側電極との間に高周波電圧を印加して前記内側電極近傍にプラズマを発生させて前記粉体をプラズマと接触させ、プラズマにより表面処理された処理粉体を前記回収部で回収することを特徴とする粉体処理装置にある。
　本発明の第２の態様は、
　被処理対象となる粉体をプラズマ処理する粉体処理装置であって、
　円筒状基体と、
　前記円筒状基体の径方向外側及び内側に相対向し且つ周方向にずらして配置され、軸方向に亘って、周方向に相互に間隔を設けて配置された外側電極及び内側電極と、
　前記外側電極及び前記内側電極の何れか一方を覆う誘電体層と、
　前記円筒状基体の前記誘電体層が設けられた側とは径方向の反対側に近接して設けられ、前記円筒状基体との間に流路を形成する流路形成円筒管と、
　相互に隣接する前記外側電極と前記内側電極との間に高周波電圧を印加する一つ又は複数の高周波電源と、
　前記円筒状基体と前記流路形成円筒管との間の流路に軸方向の一端側から他端側に輸送ガスと共に前記粉体を流入する粉体輸送部と、
　前記粉体輸送部により流入され、表面処理された処理粉体を回収する回収部と
を具備し、前記高周波電源により前記外側電極と前記内側電極との間に高周波電圧を印加して前記流路内の電極近傍にプラズマを発生させて前記粉体をプラズマと接触させ、プラズマにより表面処理された処理粉体を前記回収部で回収することを特徴とする粉体処理装置にある。
　本発明の第３の態様は、
　前記流路形成円筒管が前記円筒状基体の径方向内側に設けられ、前記円筒状基体と前記流路形成円筒管との間の前記流路の軸方向の両端部は封止されており、前記粉体輸送部は、前記流路の軸方向の一端側の周方向の所定箇所に設けられたガス流入口から前記輸送ガスと共に前記粉体を流入し、前記回収部は、前記流路の軸方向の他端側の周方向の所定箇所に設けられたガス排気口から排出されるガスから処理粉体を回収することを特徴とする第２の態様に記載の粉体処理装置にある。
　本発明の第４の態様は、
　前記流路形成円筒管の径方向内側に排出流路管が配置され、前記流路の軸方向の他端部は前記排出流路管の一端部に連通し、前記回収部は、前記流路形成用円筒管の一端側に位置する前記排出流路管の他端部から排出されるガスから処理粉体を回収することを特徴とする第３の態様に記載の粉体処理装置にある。
　本発明の第５の態様は、
　前記円筒状基体は、軸方向が重力方向となるように配置され、前記粉体輸送部は、重力方向下側から前記粉体を流入し、前記回収部は、重力方向上側から処理粉体を回収することを特徴とする第１～４の何れかの態様に記載の粉体処理装置にある。
　本発明の第６の態様は、
　前記円筒状基体は、軸方向が重力方向となるように配置され、前記粉体輸送部は、重力方向上側から前記粉体を流入し、前記回収部は、重力方向下側から処理粉体を回収することを特徴とする第１～４の何れかの態様に記載の粉体処理装置にある。
　本発明の第７の態様は、前記円筒状基体と前記粉体輸送部とは流入管で接続され、
　前記流入管は、前記円筒状基体の内壁の接線方向に略一致するように延びることを特徴とする第１～６の何れかの態様に記載の粉体処理装置にある。
　本発明の第８の態様は、
　前記輸送ガスは、アルゴン、ヘリウム、空気、窒素、酸素及び塩素から選択される一種のガス又は複数のガスの混合ガスであることを特徴とする第１～７の何れかの態様に記載の粉体処理装置にある。
　本発明の第９の態様は、
　被処理対象となる粉体をプラズマ処理する粉体処理方法であって、
　円筒状基体の径方向外側及び内側に外側電極及び内側電極を、相対向し且つ周方向にずらし、前記円筒状基体の軸方向に亘って、周方向に間欠的に配置し、前記外側電極を誘電体層で覆い、相互に隣接する前記外側電極と前記内側電極との間に高周波電圧を印加することにより前記内側電極の近傍にプラズマを発生させると共に、前記円筒状基体の軸方向の一端側から他端側に輸送ガスと共に前記粉体を流入するようにし、該粉体を輸送しながらプラズマに接触することで表面処理を行い、前記他端側から処理粉体を回収することを特徴とする粉体処理方法にある。
　本発明の第１０の態様は、
　被処理対象となる粉体をプラズマ処理する粉体処理方法であって、
　円筒状基体の径方向外側及び内側に外側電極及び内側電極を、相対向し且つ周方向にずらし、軸方向に亘って、周方向に間欠的に配置し、前記外側電極及び前記内側電極の一方を誘電体層で覆い、前記円筒状基体の前記誘電体層が設けられた側とは径方向の反対側に近接して流路形成円筒管を設けて前記円筒状基体との間に流路を形成し、相互に隣接する前記外側電極と前記内側電極との間に高周波電圧を印加しながら前記円筒状基体と前記流路形成円筒管との間の流路に軸方向の一端側から他端側に輸送ガスと共に前記粉体を流入し、前記流路内の電極近傍にプラズマを発生させて前記粉体をプラズマと接触させ、プラズマにより表面処理された処理粉体を回収することを特徴とする粉体処理方法にある。
　本発明の第１１の態様は、
　前記粉体の導入を連続的に行うと同時に、前記被処理粉体を連続的に回収することを特徴とする第９又は１０の態様に記載の粉体処理方法にある。
　本発明の第１２の態様は、前記円筒状基体への前記輸送ガスと前記粉体との流入は、流入方向が前記円筒状基体の内壁の接線方向に略一致してなされることを特徴とする第９～１１の何れかの態様に記載の粉体処理方法にある。
本発明の実施形態１を説明するプラズマ粉体処理装置の概略構成図。 本発明の実施形態１を説明するプラズマ粉体処理装置の概略構成図。 本発明の実施形態２を説明するプラズマ粉体処理装置の概略構成図。 本発明の実施形態２を説明するプラズマ粉体処理装置の概略構成図。 本発明の実施形態３を説明するプラズマ粉体処理装置の概略構成図。 本発明の他の実施形態として流入管の位置を変更したものを説明するプラズマ粉体処理装置の概略構成図。 本発明の他の実施形態として流入管の位置を変更したものを説明するプラズマ粉体処理装置の概略構成図。 本発明の実施例１における、プラズマ処理を施した粉体の水分散性の評価結果。
　以下、本発明を詳細に説明する。
（実施形態１）
　図１は、本発明の実施形態１に係る粉体処理装置の概略構成を示す横断面及び縦断面を示す。これらの図面に示すように、円筒状基体１の径方向外側及び内側には、それぞれ複数の外側電極２Ａ～２Ｄ及び内側電極３Ａ～３Ｄが設けられている。
　複数の外側電極２Ａ～２Ｄ及び内側電極３Ａ～３Ｄは、例えば、銅板からなり、円筒状基体１の周方向に均等に配置され、４組の対向電極を構成している。複数の外側電極２Ａ～２Ｄ及び内側電極３Ａ～３Ｄは、それぞれ円筒状基体１を挟んで部分的に相対向するが部分的に周方向にずれた状態で設けられている。複数の外側電極２Ａ～２Ｄと内側電極３Ａ～３Ｄとは、それぞれ軸方向に延びる短冊状の形状であり、全ての電極の形状は同一であるが、周方向に一致する幅方向において部分的に相対向し、部分的に相対向しない状態となっている。
　４組の対向電極となる外側電極２Ａ～２Ｄ及び内側電極３Ａ～３Ｄには、それぞれ高周波電源４が接続され、４組の対向電極となる外側電極２Ａ～２Ｄと内側電極３Ａ～３Ｄとの間に高周波電圧が印加できるようになっている。なお、外側電極２Ａ～２Ｄを例えば端部で連結し、また、内側電極３Ａ～３Ｄを例えば端部で連結し、１つの高周波電源４で４組の対向電極となる外側電極２Ａ～２Ｄ及び内側電極３Ａ～３Ｄに高周波電圧が印加できるようにしてもよい。
　また、外側電極２Ａ～２Ｄの表面を覆うように誘電体層５が設けられている。誘電体層５は、テープ状の誘電体を貼付するようにしてもよいし、誘電材料を塗布して形成してもよい。
　本実施形態では、円筒状基体１の径方向内側に、所定距離だけ離間して同心状に配置された流路形成用円筒管６が設けられている。流路形成用円筒管６は、円筒状基体１との間に流路７を形成するためのものである。円筒状基体１及び流路形成用円筒管６は、軸方向を鉛直方向に沿うように立設されており、円筒状基体１及び流路形成用円筒管６の上部及び下部の端部開口は、蓋部材８、９により封止されている。これにより、円筒状基体１の内壁の近傍に円環筒状の流路７が形成されている。
　また、円筒状基体１の下部の周方向の所定位置には、ガス流入口１ａが設けられ、ガス流入口１ａには流入管としてのガス流入管１０が連結されている。一方、円筒状基体１の上部の周方向の前記所定位置にとは径方向の反対側にガス排出口１ｂが設けられ、ガス排出口１ｂにはガス排出管１１が連結されている。
　さらに、ガス流入管１０には、輸送ガスであるキャリアとなるガス、たとえばアルゴンやヘリウム、空気等を流入すると同時に被処理粉体１２を導入する粉体輸送部１３が接続され、一方、ガス排出管１１には、被処理粉体１２を表面処理した処理粉体１２Ａを回収する回収部１４が接続されている。
　本発明において、流入するガスは被処理粉体１２の気体輸送を担うキャリアとして効を奏するが、アルゴンやヘリウムを用いることが好適である。また空気や酸素、水蒸気などの酸素含む分子をキャリアとすることで、効果的に粉体表面をプラズマで酸化することができ、親水化のための速度を高めることにつながる。また窒素を含むガスを含有させると、粉体表面を窒化せしめ、たとえば金属微粒子においては窒化による表面の高硬度化が期待できる。またキャリアガスを塩素とすることで、粉体表面のエッチングが進み、さらに細かい粒径の粉体を得ることが可能になる。上記効果は、上記ガス単体ではなく、自由に組みわせて流しても効果を奏する。
　このような装置で、粉体処理方法を実施するには、複数の外側電極２Ａ～２Ｄと、内側電極３Ａ～３Ｄとに高周波電圧を印加しながら、流路７の下端部に連通するガス流入管１０からキャリアガスと共に被処理粉体１２を導入すればよい。
　複数の外側電極２Ａ～２Ｄと、内側電極３Ａ～３Ｄとに高周波電圧を印加すると、外側電極２Ａ～２Ｄは、誘電体層５で覆われているので、径方向外側の外側電極２Ａ～２Ｄでの放電が防止され、円筒状基体１の径方向内側の内側電極３Ａ～３Ｄ付近で誘電体バリア放電が起きる。ここで、外側電極２Ａ～２Ｄ及び内側電極３Ａ～３Ｄは、それぞれ円筒状基体１を挟んで部分的に相対向するが部分的に周方向にずれた状態で設けられているので、内側電極３Ａ～３Ｄの外側電極２Ａ～２Ｄと対向する側の端部に局所プラズマが発生する。このときのプラズマ１５の密度は、円筒状基体１の内面から径方向内側方向より内側電極３Ａ～３Ｄとは反対方向の方向に傾斜する。そして、このようなプラズマ１５の密度の偏りにより、流路７内には、回転気流１６が発生する。回転気流１６の方向は、図１Ａでは、反時計回りとなる。よって、この状態で、流路７の下端部に連通するガス流入管１０からキャリアガスと共に導入された被処理粉体１２は、プラズマ１５と接触してプラズマ処理されつつ、回転気流１６により反時計回りに回転しながら上方へ搬送され、処理粉体１２Ａとしてガス排出管１１から排出される。
　本発明において、複数の外側電極２Ａ～２Ｄ及び内側電極３Ａ～３Ｄは、それぞれ円筒状基体１を挟んで部分的に相対向するが部分的に周方向にずれた状態で設けられているので、偏ったプラズマ１５を発生し、回転気流１６を生成するので、プラズマアクチュエータと呼称する。かかる複数のプラズマアクチュエータは、円筒状基体１の中心軸を中心に、等角度で配置することが望ましい。被処理粉体１２は回転気流１６にのってプラズマ１５に曝されるが、複数のプラズマアクチュエータ―を配置することで、一つの被処理粉体１２は排気されるまで、何度もプラズマ１５に当たり、１回のみの照射に比べて、高い表面処理効率を得ることができる。またプラズマアクチュエータを等角度で配置することで、回転気流１６を均一に二重円筒管内部の流路７に発生させることができる。
　この方式において、被処理粉体１２がプラズマ１５にさらされる時間は、ガス流入管１０から供給されるガス流量に依存し、流量を少なくすると、二重円筒管内の流路７における被処理粉体１２の上昇速度が遅くなり、実質的なプラズマ処理時間を長くすることができ、また、流量を多くすると、プラズマ処理時間を短くすることができ、比較的容易にプラズマ処理時間、すなわち、プラズマ処理の程度を変更することができる。
　この方式において、粉体の質量のばらつきがある場合、過度に重い粒子は、らせん流の上昇気流で浮揚せず、二重円筒管の底部にたまり、ある程度質量の軽い粒子のみ浮揚させることができ、結果的に軽い粒子のみを取り出すことができる。すなわち、本装置は、分級機としても活用が可能である。浮揚条件は粉体の重さと流量で決まるため、キャリアガスの流量により適宜分級される質量の設定が可能になる。
　上記装置において、流路形成用円筒管６を設けて二重円筒管としたのは、プラズマ１５を二重円筒管内の流路７で発生させ、そこを被処理粉体１２の経路とすることで、効率よく被処理粉体１２とプラズマ１５とを接触させるための工夫である。この方式において、被処理粉体１２の流路７は大気圧であり、この場合発生するプラズマ１５のプラズマ領域は電極付近から５ｍｍから１ｃｍ程度に限られることから、二重円筒管の円筒状基体１と流路形成用円筒管６との空隙の距離はプラズマ１５の発生する範囲内の１ｃｍ以下に狭めるのが好ましく、これにより効率よく被処理粉体１２をプラズマ１５にさらすことができる。
　円筒状基体１に設けた内側電極３Ａ～３Ｄを誘電体層で覆い、円筒状基体１の径方向外側に流路形成用円筒管６を設けてもよい。また、外側電極２Ａ～２Ｄ及び内側電極３Ａ～３Ｄだけでなく、流路形成用円筒管６にも局所プラズマを発生させる電極を設けてもよい。
（実施形態２）
　図２は、本発明の実施形態２に係る粉体処理装置の概略構成を示す横断面及び縦断面を示す。
　図２に示すように、この装置は、円筒状基体１の径方向内側に、流路形成用円筒管２１及び排出流路管となる流路形成用円筒管２２を同心状に設けて三重管構造としたものである。なお、実施形態１と同様な作用を示す部材は、同一符号を付して重複する説明は省略する。
　円筒状基体１の上端を封止する蓋部材８Ａは、円筒状基体１のみを封止し、径方向内側に設けた流路形成用円筒管２１及び２２の上端部は、蓋部材８Ａから離間し、流路形成用円筒管２１及び２２の間の空間は蓋部材２３で封止されている。一方、円筒状基体１及び流路形成用円筒管２１及び２２の下端部は、流路形成用円筒管２２の下端の開口部に対応した領域に開口部を有する蓋部材９Ａで封止され、開口部はガス排出口１ｃとなっている。このような構成で、円筒状基体１と流路形成用円筒管２１との間には、実施形態１と同様な流路７Ａが形成され、流路７Ａは、上端部の円盤状の流路７Ｂに連通し、円盤状の流路７Ｂは、その中央部が流路形成用円筒管２２の径方向内方に形成された流路７Ｃに連通し、流路７Ｃがガス排出口１ｃに連通する。
　このような装置で、粉体処理方法を実施するには、複数の外側電極２Ａ～２Ｄと、内側電極３Ａ～３Ｄとに高周波電圧を印加しながら、流路７Ａの下端部に連通するガス流入管１０からキャリアガスと共に被処理粉体１２を導入すればよい。
　複数の外側電極２Ａ～２Ｄと、内側電極３Ａ～３Ｄとに高周波電圧を印加すると、外側電極２Ａ～２Ｄは、誘電体層５で覆われているので、径方向外側の外側電極２Ａ～２Ｄでの放電が防止され、円筒状基体１の径方向内側の内側電極３Ａ～３Ｄ付近で誘電体バリア放電が起きる点は実施形態１と同様である。よって、実施形態１と同様に、プラズマ１５の密度の偏りにより、流路７Ａ内には、回転気流１６が発生する。回転気流１６の方向は、図２Ａに示すように、上方向から見て反時計回りとなり、この状態で、流路７Ａの下端部に連通するガス流入管１０からキャリアガスと共に導入された被処理粉体１２は、プラズマ１５と接触してプラズマ処理されつつ、回転気流１６により反時計回りに回転しながら上方へ搬送され、円盤状の流路７Ｂに入る。流路７Ｂ内も全体として反時計回りの回転気流となり、プラズマ処理された粉体は、処理粉体１２Ａとして中央部の流路７Ｃを下降してガス排出口１ｃから排出される。
　なお、この装置におけるプラズマ処理は実施形態１と同様である。また、分級機として使用できる点も同様である。さらに、流路形成用円筒管２１を円筒状基体１の径方向外側に設けて三重管構造にしてもよい。また、本実施形態では、流路形成用円筒管２２の径方向内側及び外側に電極を配置して流路７Ｃ内にプラズマを発生させて微粒子が落下して回収される際にプラズマ処理するようにしてもよい。
　また、本実施形態では、処理粉体１２Ａの取出し口が装置の下部になるので、処理粉体１２Ａは重力で連続的に下部に輸送されるため、処理粉体１２Ａを回収する装置や、分級、粉砕などの処理を行う装置を連結しやすくなる効果がある。
　なお、ガス流入管１０を円筒状基体１の上部に設け、円盤状の流路７Ｃを下端部に設け、排出流路管となる流路形成用円筒管２３の上部から処理粉体１２Ａを回収するようにしてもよい。
（実施形態３）
　図３は、本発明の実施形態３に係る粉体処理装置の概略構成を示す横断面及び縦断面を示す。
　図３に示すように、この装置は、円筒状基体１の上端部にガス流入口１ａを設け、これにガス流入管１０を連結し、下端部に下側にガイド部材２５を介して回収容器２６を連結した以外は、実施形態１と同様である。なお、実施形態１と同様な作用を示す部材は、同一符号を付して重複する説明は省略する。
　このような装置で、粉体処理方法を実施するには、複数の外側電極２Ａ～２Ｄと、内側電極３Ａ～３Ｄとに高周波電圧を印加しながら、流路７の上端部に連通するガス流入管１０からキャリアガスと共に被処理粉体１２を導入すればよい。これにより、被処理粉体１２は、流路７内を反時計回りに旋回、下降しながらプラズマ処理される。この場合、処理粉体１２Ａは自由落下しして下に落ちて、ガイド部材２５を介して回収容器２６に格納される。本方式では、分級の効果は失われるが、自由落下させて自動的に回収容器２６に回収されるため、処理粉体１２Ａの回収が容易になる利点がある。
　本発明において、複数のプラズマアクチュエータを円筒管の軸を中心に、等角度で配置することが望ましい。粉体は回転気流にのってプラズマに曝されるが、複数のプラズマアクチュエータ―を配置することで、一つの粉体は排気される迄、何度もプラズマに当たり、１回のみの照射に比べて、高い表面処理効率を得ることができる。またプラズマアクチュエータを等角度で配置することで、回転気流を均一に二重円筒管内部に発生させることができる。
　本発明において、流入するガスは粉体の気体輸送を担うキャリアとして効を奏するが、アルゴンやヘリウムを用いることが好適である。また空気や酸素、水蒸気などの酸素含む分子をキャリアとすることで、効果的に粉体表面をプラズマで酸化することができ、親水化のための速度を高めることにつながる。また窒素を含むガスを含有させると、粉体表面を窒化せしめ、たとえば金属微粒子においては窒化による表面の高硬度化が期待できる。またキャリアガスを塩素とすることで、粉体表面のエッチングが進み、さらに細かい粒径の粉体を得ることが可能になる。上記効果は、上記ガス単体ではなく、自由に組みわせて流しても効果を奏する。
　以上説明した実施形態では、キャリアガスと共に導入する被処理粉体１２を、円筒状基体１と流路形成用円筒管６又は２１との間に流路を形成して導入したが、例えば、円筒状基体１の内面近傍のみにキャリアガスと共に被処理粉体１２が流れるような導入方法を採用することができれば、流路形成用円筒管６や２１を必ずしも設ける必要はない。
　しかしながら、円筒状基体１のみとし、流路形成用円筒管６又は２１を設けないで、単純円筒管構造とした場合、プラズマ処理の効果は出るが、円筒の中央付近で気流のたまりができ、プラズマ処理が不十分な粉体がそこで貯まることになり、効果の均一性の点で不十分になる可能性が高いと考えられる。
　また、上述した実施形態では、円筒状基体１等をその軸方向を重力方向に一致するように配置したが、例えば、水平方向、水平方向又は重力方向から傾斜した方向に一致するように配置してもよい。
　また、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、円筒状基体１と粉体輸送部１３（図１Ｂ及び図２Ｂ参照）とを接続する流入管（ガス流入管）１０につき、中心軸線１０ｃが、円筒状基体１の内壁１ｒの接線方向に略一致するように（より詳しくは、接線方向に平行となるように）延びるように構成してもよい。なお、図４Ａ及び図４Ｂでは、誘電体層５及び被処理粉体１２は図示省略している。
　この構成により、円筒状基体１へのガスと被処理粉体１２（図４Ａ及び図４Ｂには図示せず）との流入は、流入方向が円筒状基体１の内壁１ｒの接線方向に略一致してなされる。このため、図１Ａ及び図２Ａに示すように、ガス流入管１０の中心軸線が円筒状基体１の内壁に対して直交する構成に比べると、円筒状基体１へガスと被処理粉体１２とを連続投入するに当たって、小さい抵抗での投入が可能となる。したがって、粉体輸送部１３の動力を低減できる。また、プラズマにより流路７内に発生する回転気流１６（図１Ａ、図２Ａ参照）とほぼ同じ方向に向けて、ガス流入管１０からガスと被処理粉体１２を流入させられるので、回転気流１６が乱されることなく、安定した被処理粉体１２とプラズマとの接触が可能となり、この結果、均一で安定した品質の処理粉体１２Ａが得られる。
　なおこの形態では、図４Ａに示すように、ガス流入管１０を回転対称であって反対方向に延びるように２本設けている。しかしこれに限定されず、図２Ａに示す構成のように、ガス流入管１０を１本だけ設けてもよいし、３本以上設けてもよい。あるいは、ガス流入管１０を上下に複数本設けることもできる。また、図１Ａに示す構成のように、ガス流入管１０と反対方向に延びるガス排出管１１を設けてもよい。
　またこの形態では、図４Ｂに示すように、円筒状基体１においてガス流入管１０を設けた部分とそれ以外の部分を上下分割してフランジ接続するよう構成されているが、これに限定されるものではなく、上下一体とすることもできる。またこの形態では、図３に示す構成のような、回収容器等（図示しない）を連結できるガイド部材２５を設けているが、これに限定されるものではない。
　以上に説明した各実施形態によれば、粉体に効率よくプラズマ処理を施すことが可能になり、プラズマ処理の時間を容易に設定・変更できるので、粉体において濡れ疎水性の制御が可能になる。そして、上記の処理を行う上において、真空排気装置が不要であり、かかるコストを抑え、連続的に粉体を処理装置に投入でき、自動的に粉体を回収でき、粉体の処理時間の短縮化をもたらすという効果を奏する。
　本発明において、図１、図２、図３に示される各装置を用いて、ナイロン系樹脂微粒子で平均粒径が３０μｍのものをプラズマ処理する試験を行った。このとき用いたキャリアガスはヘリウムで、導入量は５０Ｌ／ｍｉｎとした。使用した円筒二重管であるが、内管が８０ｍｍ外径で、外管が１００ｍｍ外形で、それぞれ長さは１００ｍｍであった。円筒管の厚みは３ｍｍで、アクリルを素材とした。プラズマアクチュエータであるが、管の中心軸に対して四方に配置し、１個のアクチュエータの電極の長さは１００ｍｍで、内管側は１５ｍｍ幅、外管側が１５ｍｍ幅とした。電極の材質は、銅箔で厚み５０μｍである。印加した電圧は、外管側をアースとし、内管側に周波数１５ｋＨｚで１３ｋＶの電圧を印加した。処理時間、粉体を投入してから回収するまでおよそ１５秒である。
　処理した粉体の親水および疎水性を評価するために、純水に撹拌して分散するかどうかを評価した。図５に示されるように、プラズマ処理される前の粉体は完全に疎水であり、水面に浮いて凝集してしまうことがわかる。これに対して、プラズマ処理を行うと、水中に分散し白く白濁していることがわかる。図１、図２、図３に示される３種類の各装置で処理した処理粉体は、何れも同じ結果となった。
　上記の効果は、ナイロン樹脂の表面の炭化水素が酸化し、表面にハイドロキシル基が形成され、疎水から親水に変わったことを示す。本効果は、疎水性粉体を水中分散の効果を得て、水溶性ペースト化するのに有効である。水溶性ペーストとすることで、静電気の帯電を防止し、水性インクとして塗装を容易にする効果をもたらす。
　本発明の利用分野の一例を挙げれば、粉体の濡れ性疎水性の制御、粉体を含有した水溶性ペースト剤、水質浄化プロセスに使用することが可能である。
１・・・円筒状基体
１ａ・・・ガス流入口
１ｂ、１ｃ・・・ガス排出口
１ｒ・・・円筒状基体の内壁
２Ａ～２Ｄ・・・外側電極
３Ａ～３Ｄ・・・内側電極
４・・・高周波電源
５・・・誘電体層
６、２１、２２・・・流路形成用円筒管      
７、７Ａ～７Ｃ・・・流路
８、８Ａ、９、９Ａ蓋部材
１０・・・流入管、ガス流入管
１０ｃ・・・流入管（ガス流入管）の中心軸線
１１・・・ガス排出管
１２・・・被処理粉体
１２Ａ・・・処理粉体
１３・・・粉体輸送部
１４・・・回収部
１５・・・プラズマ
１６・・・回転気流

Claims (12)

  1. 　被処理対象となる粉体をプラズマ処理する粉体処理装置であって、
    　円筒状基体と、
    　前記円筒状基体の径方向外側及び内側に相対向し且つ周方向にずらして配置され、軸方向に亘って、周方向に相互に間隔を設けて配置された外側電極及び内側電極と、
    　前記外側電極を覆う誘電体層と、
    　相互に隣接する前記外側電極と前記内側電極との間に高周波電圧を印加する一つ又は複数の高周波電源と、
    　前記円筒状基体の径方向内方に軸方向の一端側から他端側に当該円筒状基体の内壁に沿って輸送ガスと共に前記粉体を流入する粉体輸送部と、
    　前記粉体輸送部により流入され、表面処理された処理粉体を回収する回収部と
    を具備し、前記高周波電源により前記外側電極と前記内側電極との間に高周波電圧を印加して前記内側電極近傍にプラズマを発生させて前記粉体をプラズマと接触させ、プラズマにより表面処理された処理粉体を前記回収部で回収することを特徴とする粉体処理装置。
  2. 　被処理対象となる粉体をプラズマ処理する粉体処理装置であって、
    　円筒状基体と、
    　前記円筒状基体の径方向外側及び内側に相対向し且つ周方向にずらして配置され、軸方向に亘って、周方向に相互に間隔を設けて配置された外側電極及び内側電極と、
    　前記外側電極及び前記内側電極の何れか一方を覆う誘電体層と、
    　前記円筒状基体の前記誘電体層が設けられた側とは径方向の反対側に近接して設けられ、前記円筒状基体との間に流路を形成する流路形成円筒管と、
    　相互に隣接する前記外側電極と前記内側電極との間に高周波電圧を印加する一つ又は複数の高周波電源と、
    　前記円筒状基体と前記流路形成円筒管との間の流路に軸方向の一端側から他端側に輸送ガスと共に前記粉体を流入する粉体輸送部と、
    　前記粉体輸送部により流入され、表面処理された処理粉体を回収する回収部と
    を具備し、前記高周波電源により前記外側電極と前記内側電極との間に高周波電圧を印加して前記流路内の電極近傍にプラズマを発生させて前記粉体をプラズマと接触させ、プラズマにより表面処理された処理粉体を前記回収部で回収することを特徴とする粉体処理装置。
  3. 　前記流路形成円筒管が前記円筒状基体の径方向内側に設けられ、前記円筒状基体と前記流路形成円筒管との間の前記流路の軸方向の両端部は封止されており、前記粉体輸送部は、前記流路の軸方向の一端側の周方向の所定箇所に設けられたガス流入口から前記輸送ガスと共に前記粉体を流入し、前記回収部は、前記流路の軸方向の他端側の周方向の所定箇所に設けられたガス排気口から排出されるガスから処理粉体を回収することを特徴とする請求項２に記載の粉体処理装置。
  4. 　前記流路形成円筒管の径方向内側に排出流路管が配置され、前記流路の軸方向の他端部は前記排出流路管の一端部に連通し、前記回収部は、前記流路形成用円筒管の一端側に位置する前記排出流路管の他端部から排出されるガスから処理粉体を回収することを特徴とする請求項３に記載の粉体処理装置。
  5. 　前記円筒状基体は、軸方向が重力方向となるように配置され、前記粉体輸送部は、重力方向下側から前記粉体を流入し、前記回収部は、重力方向上側から処理粉体を回収することを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載の粉体処理装置。
  6. 　前記円筒状基体は、軸方向が重力方向となるように配置され、前記粉体輸送部は、重力方向上側から前記粉体を流入し、前記回収部は、重力方向下側から処理粉体を回収することを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載の粉体処理装置。
  7. 　前記円筒状基体と前記粉体輸送部とは流入管で接続され、
    　前記流入管は、前記円筒状基体の内壁の接線方向に略一致するように延びることを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載の粉体処理装置。
  8. 　前記輸送ガスは、アルゴン、ヘリウム、空気、窒素、酸素及び塩素から選択される一種のガス又は複数のガスの混合ガスであることを特徴とする請求項１～７の何れか一項に記載の粉体処理装置。
  9. 　被処理対象となる粉体をプラズマ処理する粉体処理方法であって、
    　円筒状基体の径方向外側及び内側に外側電極及び内側電極を、相対向し且つ周方向にずらし、前記円筒状基体の軸方向に亘って、周方向に間欠的に配置し、前記外側電極を誘電体層で覆い、相互に隣接する前記外側電極と前記内側電極との間に高周波電圧を印加することにより前記内側電極の近傍にプラズマを発生させると共に、前記円筒状基体の軸方向の一端側から他端側に輸送ガスと共に前記粉体を流入するようにし、該粉体を輸送しながらプラズマに接触することで表面処理を行い、前記他端側から処理粉体を回収することを特徴とする粉体処理方法。
  10. 　被処理対象となる粉体をプラズマ処理する粉体処理方法であって、
    　円筒状基体の径方向外側及び内側に外側電極及び内側電極を、相対向し且つ周方向にずらし、軸方向に亘って、周方向に間欠的に配置し、前記外側電極及び前記内側電極の一方を誘電体層で覆い、前記円筒状基体の前記誘電体層が設けられた側とは径方向の反対側に近接して流路形成円筒管を設けて前記円筒状基体との間に流路を形成し、相互に隣接する前記外側電極と前記内側電極との間に高周波電圧を印加しながら前記円筒状基体と前記流路形成円筒管との間の流路に軸方向の一端側から他端側に輸送ガスと共に前記粉体を流入し、前記流路内の電極近傍にプラズマを発生させて前記粉体をプラズマと接触させ、プラズマにより表面処理された処理粉体を回収することを特徴とする粉体処理方法。
  11. 　前記粉体の導入を連続的に行うと同時に、前記被処理粉体を連続的に回収することを特徴とする請求項９又は１０記載の粉体処理方法。
  12. 　前記円筒状基体への前記輸送ガスと前記粉体との流入は、流入方向が前記円筒状基体の内壁の接線方向に略一致してなされることを特徴とする請求項９～１１の何れか一項に記載の粉体処理方法。
     
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