WO2018021468A1 - 複合粒子製造装置および複合粒子製造方法 - Google Patents

複合粒子製造装置および複合粒子製造方法 Download PDF

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敦史 横井
木村　直人
剛 河村
松田　厚範
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国立大学法人豊橋技術科学大学
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for manufacturing composite particles formed by a plurality of particles, and a manufacturing method using the apparatus.
  • the inventors of the present application have so far studied a method for producing composite particles by electrostatic adsorption and developed a rational production apparatus (see Patent Documents 1 and 2).
  • the surface potential of one particle is positively charged and the surface potential of the other particle is negatively charged with respect to two kinds of particles, and both are adsorbed by electrostatic attraction.
  • the invention disclosed in Patent Document 1 is a technique in which particles dispersed in a liquid phase are coated with a polymer electrolyte so that the surface potential of the particles is adjusted to be positive or negative, and various particles are combined.
  • the amount of the polymer electrolyte used for adjusting the surface potential is adjusted so as to be an optimum amount, and the adjustment of the surface potential of each particle is facilitated. Met.
  • the composite particles can be produced by adjusting the surface potential of the particles to be combined to be positive or negative and mixing these positively and negatively charged particles.
  • composite particles having various properties with different physical properties can be produced by changing the mixing ratio of the particles. At that time, by mixing while changing the volume of the two kinds of fluids containing each particle individually, the relative mixing amount of each particle is adjusted, and composite particles that are compounded at a desired ratio are manufactured. It was.
  • the manufacturing apparatus in this case, there is a room for further improvement in the flow path configuration, for example, the flow path length needs to be extremely long and, in addition, a configuration in which the flow path is meandered is necessary. It was.
  • the technique disclosed in Patent Document 3 is such that two kinds of fluids can be mixed in a micro flow channel to simply produce composite particles, and the micro flow channel has a flow channel width of less than 100 ⁇ m. It is preferable that Such a limitation of the channel width is that when the channel width is equal to or larger than the channel width, the state of electrostatic adsorption by two kinds of particles becomes poor. The reason for this is that the channel width is increased. In this case, it is considered that two kinds of particles contained in two kinds of fluids are brought into a state where they cannot approach each other, and particles that are not electrostatically adsorbed remain.
  • this technique did not change the mutual ratio of particles that are electrostatically adsorbed.
  • the flow rate adjustment is not easy because the channel width is very small.
  • one particle is a mother particle and the other particle is a child particle, and it is assumed that a composite particle in which the ratio of the child particle adsorbed on the surface of the mother particle is changed is produced, the number of mother particles is Although the number of child particles to be adsorbed is adjusted, the supply of fluid to the microchannel is accompanied by a large discharge pressure, so that it is not easy to adjust the fluid flow rate by adjusting the discharge pressure.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned points, and the object of the present invention is a composite composed of a relatively large flow path, capable of adjusting the adsorption rate of particles, and excellent in productivity. It is to provide a particle production apparatus, and to provide a composite particle production method using the production apparatus.
  • the first invention according to the composite particle manufacturing apparatus includes a first fluid containing particles having a positive surface potential and a first fluid containing particles having a negative surface potential.
  • a mixing channel that flows down while mixing two kinds of fluids, the mixing channel being a continuous channel, and for generating a vortex by changing the flow velocity in at least a part of the entire channel
  • the flow velocity change region of Than is.
  • the two types of particles to be electrostatically adsorbed are classified into positively charged particles and negatively charged particles, respectively, in addition to the case where each particle is a single substance.
  • a case where particles of a plurality of substances coexist is also included.
  • one or both of the two types of particles may be formed of composite particles, and the particles may be particles in which a plurality of substances are mixed.
  • the two types of particles may be substances having different physical properties, and may be the same substance having the same physical properties and having different shapes, particle sizes, and the like. These particles are appropriately selected in terms of substance, shape and particle size according to the composite particles to be produced.
  • the “particle” includes not only a granular substance but also a fibrous substance, and may be a “solid substance” that can be adsorbed by electrostatic attraction, and the shape thereof may be a spherical shape or a cigar shape. Including various forms such as a tube shape.
  • the first fluid is a concept of a fluid containing positively charged particles as described above, and if the positively charged particles are included in the fluid, a plurality of particles and fluids may be a single component. It may be a component.
  • the second fluid is a concept of a fluid containing negatively charged particles. If the negatively charged particles are contained in the fluid, the particles and the fluid may be a single component or a plurality of components. It is good. For this reason, in the present invention, the two types of fluids do not mean two fluids having different substances, but mean both the first fluid and the second fluid.
  • mixing is induced by changing the flow velocity of two kinds of liquids flowing down the mixing flow path in the middle (part).
  • the region for changing the flow velocity in a part of the mixing flow path includes the aforementioned taper structure and the extended flow path structure, but it is possible to change the flow speed with other structures as well. is there.
  • a configuration in which an obstacle is provided in the flow path or the flow path is curved can be considered. Due to the change in flow velocity in the mixing channel, the two combined fluids (mixed fluid) become turbulent as a whole (or liquid flow that is not laminar even if turbulent flow is not reached), resulting in a state that approximates stirring. Therefore, mixing of two kinds of fluids can be promoted.
  • each of the two types of fluid contains two types of particles to be electrostatically adsorbed individually, and mixing or stirring of the fluid provides an opportunity for the two types of particles to be in contact with each other while being dispersed. This is to increase it. Then, when the two types of particles come into contact with each other, they are electrostatically adsorbed, and composite particles can be produced.
  • the adsorption state of the other particles with respect to one particle is not biased, and a large number of composite particles that are electrostatically adsorbed at an assumed ratio can be produced.
  • the change in flow velocity means a state in which fluids flowing down almost simultaneously cause a relative difference in flow velocity in the flow velocity change region, and flow down near the wall surface and the center of the flow path.
  • the difference in flow velocity that occurs between the fluids that flow there is a difference in flow velocity that occurs due to the difference in flow path length in the vicinity of the opposing wall surfaces of the flow path.
  • the first fluid containing particles having a positive surface potential and the second fluid containing particles having a negative surface potential are mixed, and the two kinds of particles are mixed.
  • a device for producing composite particles obtained by electrostatically adsorbing at least one first introduction flow path for supplying the first fluid and at least one second for supplying the second fluid.
  • a mixed flow in which an introduction flow path and the first and second fluids supplied from the first and second introduction flow paths are merged, and the two kinds of fluids are mixed and flowed down within a predetermined length range.
  • the mixing flow path is a continuous flow path, and the cross-sectional area of the flow path is unevenly formed in the continuous direction.
  • the mixing flow path where the two kinds of fluids merge is formed so that the cross-sectional area of the flow path is non-uniform, so that a change in flow velocity occurs in the mixing flow path.
  • the two types of fluids (mixed fluids) that have joined together become turbulent due to the change in the flow velocity in the mixing flow path, and the mixing of the two types of fluids can be promoted by inducing a state that approximates agitation.
  • the mixing or stirring of the fluid increases the chances of dispersion and mutual contact between the two types of particles, and the electrostatic adsorption by the two types of particles coming into contact is the same as in the first invention.
  • the state where the cross-sectional area of the flow path is non-uniform refers to a case where a part or all of the flow path is formed in a tapered shape and a case where the diameter of the flow path is increased or reduced in the middle of the flow path. Is included.
  • the mixing channel has at least one tapered flow in which the channel cross-sectional area is gradually or stepwise reduced toward the downstream.
  • a road structure portion is formed.
  • the two kinds of fluids introduced into the mixing channel are merged in the mixing channel, whereby both particles are dispersed appropriately in a region having a relatively large channel cross-sectional area. From this state, by moving to a region with a small channel cross-sectional area, the mutual distance is shortened. By gradually approaching, one particle finally comes into contact with the other particle. It can be electrostatically adsorbed. In addition, since the cross-sectional area of the flow path gradually decreases, there is a difference in the flow velocity between the center of the flow path and the vicinity of the wall surface. It can be promoted. Thus, the chance that two kinds of particles can come into contact with each other is increased by creating a state in which the fluid is mixed.
  • the mixing flow path is constituted by a single tapered flow path structure section, and the tapered flow path structure section. Are formed in the same depth, and are formed in a tapered shape having a flow path width of a gradient of 1.5 / 100 or more.
  • the taper gradually reduces only the channel width without inducing or forcing subsidence or levitation in the channel. It can be a structure.
  • the two types of fluids are gradually brought close to each other by a very gentle taper structure, and a flow path length corresponding to the time required for the two types of particles to be adsorbed can be secured.
  • a relatively gentle taper structure it is inevitably preferable to make the flow path length long.
  • the mixing flow path is formed with at least one extended flow path structure having an appropriate volume.
  • the flow path structure portion includes a main body portion, and an inflow portion and an outflow portion formed by opening the main body portion, and the flow path cross-sectional area of the main body portion is any flow path of the inflow portion and the outflow portion. It is characterized by being larger than the cross-sectional area.
  • the flow velocity of the mixed fluid is reduced.
  • the Rukoto This is because the expandable flow channel structure portion has an appropriate volume, and the main body portion has a flow channel cross-sectional area larger than the inflow portion and the outflow portion. In the main body, the fluid flows from the inflow portion toward the outflow portion, but since the flow velocity is reduced, the total amount of the mixed fluid flowing in from the inflow portion remains as it is (the flow rate that has flowed in). It becomes impossible to pass through the structure part, and convection (vortex) is generated.
  • the appropriate volume means that the flow rate can be reduced and the fluid can be convected inside, and is not extremely large or small.
  • the mixing channel is configured to have the same depth, and the main body of the expandable channel structure is expanded in the width direction. Thus, the sectional area is increased.
  • the mixing state can be adjusted in the width direction of the channel.
  • the main body is expanded in the width direction, separation due to the difference in the settling velocity of particles in the depth direction can be suppressed as compared with the case where the flow channel area is expanded in the vertical direction. For this reason, for example, even when two types of particles having a large specific gravity difference are combined, they can be combined well.
  • the fluid that has flowed into the main body portion of the expandable flow path structure portion convects on both sides in the width direction, and approaches the flow after the convection to promote fluid mixing. As described above, two kinds of particles are well dispersed and adsorbed by mixing fluids.
  • the wall surface of the main-body part of the said expansion type flow-path structure part is formed in arc shape, It is characterized by the above-mentioned.
  • the wall surface of the main body of the diffusion channel structure is arcuate, which means that it has a channel structure projecting arcuately on both sides of the mixing channel from the center of the mixing channel. It is preferable to use a symmetrical shape as the center. Moreover, it is preferable that the left-right symmetric shape is a substantially circular shape or a substantially elliptical shape as the shape of the entire expandable flow channel structure.
  • the convection of the fluid in the expandable flow channel structure is guided to the shape of the side surface (wall surface). It will be convected toward.
  • the stagnation (stagnation) region of the fluid can be reduced.
  • the two types of fluids to be mixed flow down in a layered manner around the center of the mixing channel, the two types of fluids will be convected in the same state, and the subsequent mixed state will be equalized.
  • the particles are well dispersed and adsorbed by mixing the fluids.
  • At least one of each of the tapered channel structure and the expanded channel structure is formed. Constitutes a set of mixing area units, and the mixing flow path forms at least one set of the mixing area units.
  • both particles can be electrostatically adsorbed in a state of being well dispersed and mixed, it is possible to prevent the ratio (adsorption ratio) at which the other particles are adsorbed to one particle from being biased.
  • the mixing of particles is repeated, which can contribute to the equalization of the adsorption rate.
  • the mixing flow path is formed with a standard flow path structure having a predetermined flow path width, and the mixing area unit is It is characterized by being formed continuously in the flow channel structure.
  • the standard flow path structure means a flow path having a standard flow path width that determines the flow velocity in the entire mixing flow path, and is located upstream or / and downstream of the mixing region unit. By being provided, the flow velocity of the fluid flowing down the entire flow path is standardized.
  • the two types of fluids (mixed fluids) flowing down the standard flow path structure section pass through the standard flow path structure section at a standard flow rate, while the tapered flow path structure section and the expanded flow path
  • the flow velocity changes in the structure part, and the slowness of the flow velocity can be made to act remarkably on the fluid.
  • the standard flow path structure portion gradually or stepwise reduces the flow path width from a predetermined flow path width toward the downstream. It is characterized by that.
  • the physical distance between particles can be shortened even in the standard flow path structure, and fluid mixing can be promoted also in regions other than the mixing region unit.
  • each of the flow paths has a depth of 1 mm or more and a flow path width of 0.5 mm or more. It is characterized by being.
  • the entire flow path can be constituted by a flow path in millimeter units, unlike a fine flow path structure, particles or composite particles contained in the fluid remain in the flow path and become clogged. Can be suppressed.
  • the extended flow channel structure can provide a sufficiently convective region, and the tapered flow channel structure can be easily designed, and the flow velocity with respect to the flowing fluid can be extremely easily reduced.
  • the flow velocity change region is constituted by a bending portion that is formed by partially bending the mixing flow path. It has a undulation part in which a part of the inner wall surface of the mixing channel is undulated in a curved shape, and the channel length of the inner wall surface is different depending on the undulation part. Is.
  • the inner wall surface of the mixing channel is configured to have different channel lengths in the curved portion, so that the flow velocity of the fluid near the wall surface with the longer channel length is near the wall surface with the shorter channel length.
  • the flow velocity increases compared to the fluid, and a change (velocity difference) can be generated in the flow velocity when the fluid passes through the curved portion. This change in flow rate induces fluid mixing.
  • the thirteenth aspect of the composite particle manufacturing apparatus is characterized in that, in the twelfth aspect, the flow velocity change region is provided by repeating the curved portion at two or more locations.
  • the fluid moving through the mixing channel can be repeatedly changed in flow velocity, so that two types of fluid accompanying the flow velocity change are sufficiently mixed.
  • the bending portion is repeatedly provided, by appropriately reversing the bending direction of the bending portion, the long and short sides of the flow path length of the inner wall surface are reversed, and a favorable mixing of fluid can be expected. It will be a thing.
  • a first invention relating to a method for producing composite particles uses any one of the first to eleventh inventions relating to a production apparatus, wherein the first and second introduction flow paths are previously provided.
  • the first and second fluids are supplied at a predetermined flow rate, and the adsorption ratio of the other particle to the one of the two types of particles is controlled by the ratio of the flow rate. .
  • the two types of fluids to be mixed each contain individual particles at a predetermined concentration, and the two types of fluids to be supplied to the mixing flow path of the manufacturing apparatus by predetermining the flow rates thereof.
  • the proportion of particles will be determined.
  • the ratio (adsorption ratio) at which the other particle is adsorbed with respect to one particle can be changed.
  • the two types of fluids are mixed approximately evenly in the manufacturing apparatus.
  • the two kinds of particles contained in the two kinds of fluids are also mixed almost uniformly, so that the other particles can be adsorbed in an appropriately dispersed state with respect to one of the particles. .
  • the composite particles produced in such a state are stable in an average state throughout the production of the adsorption ratio of the other particle to one particle, and can produce a large number of composite particles with a desired adsorption ratio. It is.
  • the flow rates of the first and second fluids supplied to the first and second introduction channels are flow rate adjusting steps.
  • the relative flow rate ratio between the two is adjusted.
  • the two kinds of fluids supplied to the manufacturing apparatus are mixed with the relative flow rate ratio adjusted by the flow rate adjusting step. Therefore, the relative supply ratio of the first particles contained in the first fluid and the second particles contained in the second fluid is adjusted. And as mentioned above, since the composite particles can be produced with an adsorption ratio corresponding to the ratio of the supplied particles, the adsorption ratio of the composite particles can be adjusted by the flow rate adjusting step before supplying the fluid. .
  • the flow rate adjusting step can be performed by a relative difference in discharge pressure when fluid is supplied to the first and second introduction flow paths. In the case of natural flow, a valve is provided immediately before the introduction flow path. It is also possible to adjust by adjusting the opening / closing ratio of the valve.
  • the two types of particles contained in the first and second fluids have a surface potential that has been previously adjusted by a charge adjustment step. It is characterized by being adjusted.
  • one of the particles to be electrostatically adsorbed (first particle) can be charged to the positive electrode and the other (second particle) can be charged to the negative electrode by the charge adjustment step.
  • Composite particles with arbitrarily selected properties can be produced.
  • both particles are charged in advance with opposite polarities, composite particles can be easily manufactured by supplying them to the mixing channel of the manufacturing apparatus.
  • the composite particle of the adsorption ratio according to the adjusted flow volume can be manufactured, it also becomes possible to manufacture the composite particle which can exhibit a desired property.
  • the charge adjustment step is not necessary.
  • the composite particle manufacturing apparatus of the present invention since it is configured by a flow path having a relatively large flow path width, the occurrence of clogging is suppressed, and the fluid is appropriately dispersed and mixed in the flow path.
  • Each particle contained in the fluid approaches in a dispersed state, and composite particles adsorbed in a substantially uniform state as a whole can be stably produced, and the productivity can be improved. Further, the adsorption rate of particles can be adjusted by changing the flow rate of the fluid to be supplied.
  • the composite particle manufacturing apparatus since the composite particle manufacturing apparatus is used, a large amount of desired composite particles can be obtained by supplying two kinds of fluids whose flow rates are adjusted in advance to the manufacturing apparatus. Can be manufactured.
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of a first embodiment of the present invention relating to a composite particle production apparatus.
  • the manufacturing apparatus 1 includes a flow path substrate 11 formed by forming a predetermined flow path into a groove shape, and a lid 12 laminated on the flow path substrate 11.
  • Channels 2 to 5 having desired shapes, which will be described later, are formed on the channel substrate 11 and have a structure that can be formed into a hollow tubular channel by closing the groove-shaped surface side opening portion with the lid 12. .
  • the flow path substrate 11 may be formed of a thin plate member, and may have a three-layer structure in which the flow path portion is penetrated and laminated on the flat plate base portion and the lid portion 12 is laminated.
  • the flow path cross-sectional area can be determined by the flow path width by making the depth of the flow path constant.
  • the flow path formed in this embodiment includes at least two introduction flow paths 2 and 3, a junction 4 thereof, and a mixing flow path 5.
  • the lid portion 12 is provided with supply portions 21 and 31 by through holes, and from the outside of the lid portion 12 to the channels (introduction channels) 2 and 3.
  • the fluid (containing particles) can be supplied.
  • the mixing channel 5 is formed up to the edge of the channel substrate 11, the end of which opens at the edge of the channel substrate 11, and the outlet 6 is formed.
  • the composite particle manufacturing apparatus 1 of the present embodiment by supplying two kinds of fluids containing particles to the introduction channels 2 and 3 through the two supply units 21 and 31, respectively.
  • the two kinds of supplied fluids merge at the junction 4 and flow down the mixing channel 5 and flow out from the outlet 6.
  • an appropriate pressure is applied, and in addition to flowing down by the discharge pressure, each flow path can be passed by letting the outlet 6 face downward and naturally flow down. .
  • the mixing channel 5 has a special shape and structure. By adjusting the mixing state of the two types of fluid and electrostatically adsorbing particles contained in each fluid, the mixing channel 5 is combined. Particles are produced.
  • the flow path in the present embodiment is downstream from two branched flow paths 2 and 3, and a position where the flow paths 2 and 3 merge (merging portion 4).
  • the mixing channel 5 is continuously provided.
  • 2 (a) and 2 (b) show typical channel shapes of the present embodiment.
  • the introduction flow paths 2 and 3 of the present embodiment each have an oblique flow direction, and the both flow paths 2 and 3 are provided in a horned shape.
  • the merging portion 4 is formed by communication of the terminal ends, and the mixing channel 5 is further formed in communication with the merging portion 4.
  • the introduction flow paths 2 and 3 and the mixing flow path 5 form a substantially Y-shaped flow path.
  • the mixing channel 5 has a non-uniform channel cross-sectional area in a continuous channel, but in this embodiment, as shown in FIG. 2A, the channel width gradually decreases as a whole.
  • a step-like substantially tapered shape (hereinafter collectively referred to as a tapered shape) formed by reducing the channel width in stages. May be).
  • the mixing channel 5 formed in a tapered shape has a rectangular channel cross section, but instead of this, a mixing channel having a circular or elliptical channel cross section may be used. good.
  • the mixing channel 5 has a tapered shape in which both opposite side surfaces are symmetrically inclined.
  • the mixing channel 5 is not limited to this as long as the taper structure has a non-uniform channel cross-sectional area. It may be a structure that is inclined only, or may be a structure in which four sides are isotropically inclined.
  • the gradient of the tapered channel is 1.5 / 100 or more over the entire channel width.
  • the channel width at the junction 4 is 2 mm
  • the channel width at the end (outlet 6) is 0.
  • a flow path length of about 100 mm is required.
  • the flow rate of the fluid flowing down inside the mixing flow path 5 is gradually changed to promote the mixing of the fluid.
  • the flow path of the taper structure is one form of the flow velocity change region.
  • the gradient of the flow path width matches the gradient of the cross-sectional area of the flow path.
  • the flow rate can be changed by reducing the cross-sectional area of the flow channel, and the flow channel design that changes only the gradient of the flow channel width by making the flow channel depth uniform.
  • the flow path cross-sectional area in the flow path according to an illustrative channel width above, by the depth and 2 mm, it is possible to reduce the flow path cross-sectional area from 4 mm 2 to 1 mm 2.
  • the cross-sectional area of these channels is 1 ⁇ 2 of the above.
  • the gradient of both wall surfaces is further 1 ⁇ 2 of the above 1.5 / 100.
  • the difference in the flow velocity inside the mixing channel 5 is small, and it becomes close to a parallel channel (straight tube), making it difficult to exert the mixing effect.
  • the slope is extremely steep (for example, 1/10)
  • the channel length cannot be secured.
  • the outlet channel diameter is defined based on the particle diameter of the composite particles, the limit value is geometrically determined. Therefore, the taper of the mixing channel 5 is preferably in the range of 0.25 / 100 to 5.0 / 100, and more preferably 1.5 / 100 to 3.0 / 100.
  • a desired gradient can be obtained by forming both side wall surfaces obliquely in the range from the junction 4 to the end 6. Can be configured.
  • a staircase shape as shown in FIG. 2B, parallel channels 52 and 53 that gradually reduce the channel width are made continuous from the parallel channel 51 having a large channel width, and the final parallel is obtained.
  • the desired flow path width in the flow path 54 By setting the desired flow path width in the flow path 54, the whole (totally combined) can be tapered with a desired gradient.
  • the flow velocity change region is formed by the entire flow path 5, but these parallel flow paths 51 to 54 are configured so that the flow path widths are sequentially reduced. It can be understood that the parallel flow paths of the rank function as the flow velocity change regions.
  • the parallel flow paths 51 to 54 may be tapered.
  • the flow paths 51 to 54 formed in a tapered shape are referred to as taper-type flow path structures, and are distinguished from flow path structures having other shapes described later.
  • the single mixing flow path 5 (refer FIG. 1A) formed in the linear taper shape is one form at the time of using a taper type flow path structure part as a single.
  • the present embodiment having a configuration in which the introduction flow paths 2 and 3 that can supply two kinds of fluids and the mixing flow path 5 that combines these flow paths and reduces the cross-sectional area of the flow path is provided for each fluid.
  • the purpose is to electrostatically adsorb the contained particles inside the mixing channel 5. Therefore, an outline of the state of electrostatic adsorption of particles will be described.
  • FIG. 3 is a model diagram showing an outline of the state of particles when the present embodiment is used.
  • the fluid supplied from the first introduction flow path 2 contains the first particles A
  • the fluid supplied from the second introduction flow path contains the second particles B. Is contained.
  • the first particles A are used as mother particles and the second particles B are adsorbed on the surface as child particles.
  • the first particle A is positively charged with a surface charge and the surface potential of the other second particle B is negatively charged opposite to that of the first particle A.
  • both particles A and B are charged to opposite polarities, they are electrostatically adsorbed to each other when mixed inside the mixing channel 5.
  • the composite particle C in which the second particle B is adsorbed on the surface of the first particle A can be produced.
  • Two kinds of fluids containing these particles A and B are individually supplied from the introduction flow paths 2 and 3 and mixed inside the mixing flow path 5 so that the individual particles A and B are mutually connected. Since the two approach each other and both can be electrostatically adsorbed to each other, the mixing channel 5 is formed as a structure in which two kinds of fluids are exclusively mixed. Accordingly, in the following description, only the mixed state of the fluid may be described. However, the moderate mixing of the fluid means that both particles A and B can be appropriately approached.
  • each particle A and B to be electrostatically adsorbed to each other can be assumed not only when each particle is a single substance, but also when either or both are formed by composite particles.
  • each particle A and B may be in a state in which a plurality of substances are mixed as well as a single substance.
  • the adjusting agent for adjusting the surface potential to be positive or negative is adsorbed, it is naturally not a single substance.
  • the two types of particles A and B are classified according to different physical properties (in the case of different materials), but there are also cases where only the surface potential is changed for the same material, depending on the shape, particle size, etc. of the particles. In some cases, they are classified and considered as different types.
  • one particle group having a plurality of different physical properties adjusted to a positive surface potential is classified as one group, and is divided into a plurality of other particle groups having a plurality of different physical properties adjusted to a negative surface potential.
  • two types are considered. In other words, regardless of the substance, it is divided into two groups depending on whether the surface charge is positive or negative.
  • the selection of these particles A and B is appropriately changed according to the composite particles to be produced.
  • the “particle” includes not only a granular substance but also a fibrous substance, and may be a “solid substance” that can be adsorbed by electrostatic attraction, and the shape thereof may be a spherical shape or a cigar shape. Including various forms such as a tube shape.
  • Particles A and B can be appropriately selected from those having various physical properties and chemical compositions.
  • One may be a metal particle and the other may be a ceramic particle.
  • the present invention is not limited to this, and composite particles may be formed using different metal particles, and alloys, cermets, glasses, and carbon materials may be used. Or a resin material may be used as one of the particles.
  • the metal particles include aluminum, nickel, iron, titanium, gold, silver, platinum, and copper.
  • Ceramics include various metal oxides, nitrides, carbides, etc., but are not limited thereto.
  • the metal oxide may be a single oxide or a complex oxide. Examples of such ceramics include alumina, zirconia, silicon nitride, silicon carbide, magnesia, calcia, titania, vanadium oxide, spinel, and ferrite.
  • the resin material examples include acrylic resins such as methacrylic resins, general-purpose thermoplastic resins such as styrene resins, vinyl resins, amide resins, and cellulose resins, and thermoplastic resins such as epoxy resins and phenol resins, Various engineering plastics such as polyimide resins, polycarbonate resins, and fluororesins can be used as appropriate.
  • either one or both of the particles may be nano-sized particles (so-called nanoparticles), and a nano-sized composite material can also be produced.
  • the particles A and B exemplified above are supplied from the introduction flow paths 2 and 3 in a state where they are contained in the fluid, but the fluid to contain these particles A and B has a viscosity of It is preferably not extremely large. This is because when the viscosity is extremely large, the flow velocity in the vicinity of the wall surface of the mixing flow path 5 is excessively lowered, and a desired flow velocity cannot be obtained.
  • the viscosity of the fluid may be in a range where the state is maintained as a normal liquid, for example, 0.5 Pa ⁇ s or more, and a preferable viscosity is in a range of 0.5 mPa ⁇ s to 1.3 mPa ⁇ s.
  • a preferable viscosity is in a range of 0.5 mPa ⁇ s to 1.3 mPa ⁇ s.
  • the temperature when these are used has a viscosity within the above range at room temperature.
  • the viscosity at each temperature is shown in Table 1 for pure water, ethanol, methanol and a mixture thereof. As shown in this table, the viscosity is within the above range at any of 15 ° C, 25 ° C and 35 ° C.
  • the viscosity of the whole fluid may change, but the viscosity is a change in the apparent viscosity and has an influence on a realistic flow state. Is extremely small.
  • FIG. 4 illustrates two types of flow channel structures according to this embodiment.
  • the expansion channel structure portions 55 to 57 having an appropriate volume are formed in the mixing channel 5.
  • the expanded flow channel structures 55 to 57 are formed as a flow velocity change region.
  • the expansion type flow channel structures 55 to 57 are for promoting mixing in the mixing flow channel, and are widened on both sides (width direction) with respect to the fluid flow direction (longitudinal direction of the flow channel).
  • the expanded flow channel structures 55 to 57 include a main body 5a, an inflow portion 5b that is open to allow fluid to flow into the main body 5a, and an outflow portion that is open to allow fluid to flow out of the main body 5a. And 5c. By widening the main body 5a, the entire body portion 5a can have a predetermined volume.
  • the widening of the main body 5a is a state in which the flow path width is larger than both the inflow portion 5b and the outflow portion 5c, and the left and right side surfaces are bulged in a symmetrical shape, and the flow of the bulged portion Since the passage width is increased, the flow velocity of the inflowing fluid is relaxed, which induces the generation of vortex or convection.
  • the generation of the convection (vortex) causes a state similar to agitation in the expansion type flow path structure portions 55 to 57, and fluid mixing is preferably promoted.
  • the predetermined volume in the expansion type flow path structures 55 to 57 means that the flow rate of the inflowing fluid can be sufficiently relaxed and the fluid can be convected while being able to flow down (flow) as a whole. It is. For example, by configuring the main body 5a with a channel width and a channel length that are 3 to 10 times the channel width of the inflow portion 5b, it is possible to obtain the predetermined volume that provides a sufficient mixing effect. it can.
  • a plurality of expandable flow path structures 55 to 57 are formed.
  • two expanded flow channel structures 55, 56 are formed.
  • three expanded flow channel structures 55, 56, 57 are formed. Is formed.
  • the flow paths 51 to 54 except for the expanded flow path structure portions 55 to 57 are shown as taper flow path structure portions each having a tapered shape.
  • the tapered shape is gradually reduced in diameter from the upstream flow path 51 toward the downstream flow path 53.
  • the structure part is constructed repeatedly.
  • the embodiment shown in FIG. 4A is a structure in which the tapered flow path structure portions 51 to 53 are continuously reduced in diameter, and the expanded flow path structure portions 55 and 56 are formed in the middle thereof.
  • a set of mixing region units 7 is constituted by one tapered channel structure 51 and one expanded channel structure 55, As it repeats, it is set as the structure which made 3 sets of mixing area units 7 continue in series.
  • the wall surfaces (left and right sides of the main body portion 5a) of the expandable flow channel structures 55 to 57 are arcuate, and in particular, the figure is arcuate, and the convection (vortex) due to the flow velocity relaxation is as follows. In addition, it is guided in a direction along the arcuate wall surface. Accordingly, when the purpose is merely easing the flow velocity, the side surface shape of the expansion type flow path structure portions 55 to 57 is not limited to the arc shape, and is constituted by, for example, a linear wall shape that is rectangular as a whole. However, in order to effectively induce convection (vortex), it is preferable to form an arc (a part of a circle or an ellipse). In addition, in the case of a linear wall shape such as a rectangle, there is a possibility that a region in which the flow partially stagnates, but it is possible for fluids to mix with each other by relaxing the flow velocity.
  • FIG. 5 shows three types of forms illustrating the state of formation of the expandable flow channel structure portion 55.
  • FIG. 5A shows that the upstream flow path 51 and the downstream flow path 52 of the expandable flow path structure portion 55 are parallel flow paths (straight flow paths).
  • the flow passage width W3 of the outflow portion in the expanded flow passage structure portion 55 is smaller than the flow passage width W2 of the inflow portion, and the flow passage cross-sectional area is also reduced accordingly.
  • the flow velocity of the fluid when flowing out becomes larger than the flow velocity of the fluid when flowing into the expandable flow channel structure 55, and the flow velocity is reduced in the main body of the expandable flow channel structure 55.
  • the fluid convected in the main body tends to increase.
  • the channel width ratio (W2: W3) between W2 and W3 is set to 1: 3 to 1: 5. Since the channel depth is the same, the ratio of the channel cross-sectional areas is also the same.
  • the flow path length L1 of the main body is substantially the same as W3, and the shape of the wall surface is an arc.
  • the upstream flow path 51 and the downstream flow path 52 of the expandable flow path structure 55 are tapered, but as a whole (excluding the expandable flow path structure 55) have the same gradient.
  • the structure is inclined at Accordingly, in the figure, W6> W7 and W9> W10. Since the flow path width W8 of the main body is the largest, W8> W6> W7> W9> W10 as a whole.
  • the flow path length L2 and the wall surface shape of the main body are the same as those in FIG. Also in this embodiment, the flow path width ratio (W7: W8) between W7 and W8 is 1: 3 to 1: 5.
  • the flow velocity of the fluid when flowing out becomes larger than the flow velocity of the fluid when flowing into the expandable flow channel structure 55, and the flow velocity is reduced in the main body of the expandable flow channel structure 55. obtain.
  • a phenomenon occurs in which the speed difference between the inflow speed and the outflow speed is eliminated (improves the material balance) in the main body portion of the expandable flow path structure section 55. As a result, for example, a vortex is generated.
  • the flow path width ratio between W11 and W12 (W11: W12) and the ratio between W14 and W15 (W14: W15) are both 3: 1.
  • the channel width W13 of the main body is formed larger than the wide channel width W11 (W14) of the tapered channel structure.
  • the flow path length L3 and the wall surface shape are the same as in FIG.
  • the flow velocity of the fluid flowing out from the outflow portion is slower than the flow velocity of the fluid flowing in from the inflow portion, and the smallest diameter (narrow width) W12, W15.
  • the flow rate is the fastest. In such a configuration, the flow velocity in the vicinity of the outflow portion becomes relatively slow, the fluid tends to stay in the main body portion, and the generation of convection (vortex) in the main body portion is facilitated.
  • the velocity of the fluid when flowing into the main body portion of the expandable flow channel structure 55 and the velocity of the fluid when flowing out are different, and at the same time, the flow velocity near the center of the flow channel And the flow velocity near the wall also causes a very different phenomenon.
  • convection (vortex) inside the expandable flow channel structure 55 can be generated.
  • convection (part of the reverse flow) or vortex flow in the main body of the expandable flow channel structure 55 can be generated due to the unbalance of the flow velocities.
  • the embodiment relating to the composite particle manufacturing apparatus in particular, the embodiment relating to the channel shape is not limited to the above, and may be other channel shapes. Therefore, a modified example will be described below.
  • FIG. 6 is a modification of the above-described second embodiment (see FIG. 4B).
  • FIG. 6A shows a form in which two sets of the above-mentioned mixing region units 7 are formed, and a standard flow path structure 50 is formed between these two mixing region units 7.
  • the standard flow path structure 50 is configured by a parallel flow path (straight flow path), and is configured by an average flow path width of the flow paths excluding the extended flow path structures 55 and 56.
  • the fluid flowing down the standard flow path structure 50 has a standard speed of the fluid flowing down the entire flow path. Therefore, by temporarily returning the change in the flow velocity before and after that to a standard speed, the change in the flow velocity becomes conspicuous, and fluid mixing due to the flow velocity change is promoted.
  • the standard flow path 50 is also formed.
  • the mixed region unit 8 is connected to the upstream flow paths 51 and 53 of the expandable flow path structures 55 and 56 and the downstream flow.
  • a set of roads 52 and 54 is used.
  • the upstream and downstream channels 51 to 54 are all tapered channel structures having the same shape, and the combination of channels constituting a set of mixing region units is changed.
  • the operation of the standard channel structure 50 is the same as described above.
  • the standard flow path structure unit 50 configured as described above has a taper type flow path structure part or an extended flow path structure part with the fastest flow rate of the fluid flowing down the standard flow path structure unit 50 as a standard flow rate.
  • Various channel widths are designed so as to generate a desired flow velocity at.
  • FIG. 7 shows an example in which a plurality of mixing channels 5a and 5b are provided in parallel.
  • the mixed fluid that has passed through the first mixing channel 5a is further flowed into the second mixing channel 5b, and the tapered channel structures 51 to 54 and the expanded channel structures 55 to 57 are connected. It is the structure which passes through many times.
  • the purpose is to increase the number of times the two types of fluid are agitated (that is, the chance that the two types of particles can come into contact) by causing the flow rate to change many times.
  • the reason why the mixing channels 5a and 5b are configured in parallel is to prevent the entire channel from becoming long.
  • the second mixing channel 5b may be additionally provided with the introduction channels 2 and 3, and may be configured to supply two types of fluids, or may be configured to additionally provide only one of them. . This is used to adjust the adsorption rate (the rate at which the other particles are electrostatically adsorbed to one particle) in the composite particles to be produced. Furthermore, in the case of a configuration in which two introduction flow paths 2 and 3 are provided, the arrangement thereof can be reversed from the supply position with respect to the first mixing flow path 5a.
  • FIG. 8 shows various forms relating to the arrangement of the introduction flow paths 2 and 3.
  • the introduction flow paths 2 and 3 are for supplying two kinds of fluids to the mixing flow path 5, and it is necessary to arrange at least one each, but the flow direction and the number thereof can be appropriately changed. is there.
  • FIG. 8A shows the form of the representative introduction flow paths 2 and 3 shown in the above-described embodiments, and FIGS. 8B to 8D are modifications thereof.
  • FIG. 8B shows a configuration in which the second introduction flow paths 2b and 3b having the same configuration are arranged on the downstream side of the joining portion 4a where the first introduction flow paths 2a and 3a merge.
  • the flow rate can be adjusted by supplying a desired fluid from each of the introduction flow paths 2a to 3b.
  • the second introduction flow paths 2b and 3b may reverse the type of fluid to be supplied to that in the first case.
  • both fluids are finally mixed, but it is expected that the mixed state of both fluids can be improved by reversing the type of fluid supplied from the introduction flow paths 2b and 3b. is there.
  • the fluid introduced from the introduction flow paths 2b and 3b may include different types of particles from the particles contained in the fluid introduced from the introduction flow paths 2a and 3a.
  • FIG. 8C shows a slight change in the flow direction of the introduction flow paths 2 and 3, and FIG. 8D shows the first flow for supplying the first fluid linearly to the mixing flow path 5.
  • the second introduction flow path 3 is obliquely supplied from both sides to the introduction flow path 2. By disposing one second introduction flow path 3 on each side (two in total), the supply amount (flow rate) of the second fluid to the first fluid can be remarkably increased.
  • FIG. 9 shows a case where the cross-sectional shape of the mixing channel 5 is circular.
  • the figure has shown only the part which comprises a flow path in three dimensions.
  • FIG. 9A shows a case where the mixing channel 5 is simply tapered, which is a modification of FIG. 2A
  • FIG. 9B shows a case where the mixing channel 5 is a tapered channel structure.
  • the change in the channel cross-sectional area is not limited to a planar (two-dimensional) that changes only the channel width, but changes the entire channel in a three-dimensional (three-dimensional) manner. It may be a thing.
  • the flow direction of the flow path may be a planar direction (see FIG. 1), but may be a vertically downward direction.
  • FIGS. 10 (a) and 10 (b) show the mixing channel 5 as shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b). These figures are obtained by changing the shape of the flow velocity change region, and FIG. 10A is based on the parallel flow path (standard flow path structure) 50, and only one side surface of the flow path 5 is expanded.
  • FIG. 10B shows a protruding portion 59 that protrudes to the inside of the flow channel 5, in which the bulge portion (deformation of the expanded flow channel structure portion) 58 is extended to form a larger diameter. In this way, the diameter is reduced.
  • the diameter of a part of the flow path is increased or reduced with the parallel flow path as a reference, so that the fluid flowing down the mixed flow path 5 has a flow velocity in the vicinity of the bulging portion 58 and the protruding portion 59. Changes and induces the effect of stirring.
  • the bulging part 58 and the projection part 59 shown in the figure are formed close to each other, they may be formed with an appropriate distance.
  • the bulging portion 58 and the protruding portion 59 described above may be configured repeatedly in the range reaching the entire mixing channel 5, but may be configured partially.
  • the other channels may be parallel channels or tapered channels.
  • a tapered flow path is provided in a part of the mixing flow path 5, different flow rate change regions are formed in the same flow path, but in order to obtain a mixing effect on the fluid (stirring effect) It is also possible to combine flow rate change regions in a plurality of forms.
  • the flow rate change region is not particularly illustrated, but a part of the mixing channel may be curved.
  • the inner wall of the flow path has a smooth curve. For example, by providing an arcuate wall surface with concentric circles, by providing a small-diameter curve portion and a large-diameter curve portion, the lengths of both curves are different, and the fluid flowing down along the short curve wall surface is long. Since the flow velocity is relatively slower than the liquid flowing down along the curved wall surface, a change in the flow velocity can be caused.
  • the inner wall of the flow path is not smooth (when corners are formed)
  • the flow of the fluid is significantly stagnated, so that a part of the liquid remains and a mixed state at a predetermined ratio cannot be obtained.
  • a stagnation can be prevented by using a smooth wall surface.
  • the curved shape is generally curved in an L shape or U shape, but other shapes may be used.
  • the curved part does not need to be one place, and a plurality of parts can be provided.
  • Embodiments relating to the composite particle manufacturing apparatus are as described above, but the present invention is not limited to these embodiments.
  • the flow path may be configured in a combination of some or all of the embodiments.
  • the standard channel structure 50 (see FIG. 6) is based on parallel channels, but may be configured in a tapered shape.
  • the standard flow velocity in this case may be designed as a flow velocity at an intermediate position of the gradient.
  • the projection 59 provided in the mixing channel 5 is projected inward in an arc shape, but is not limited to this as long as the channel width can be reduced, and projects in a bell shape. Alternatively, it may be in a form protruding in a rectangular shape.
  • the shape of the flow path is not limited to a form in which the diameter of the flow path is reduced as long as the flowed fluid generates a vortex. For example, when supplying two types of fluids introduced from the introduction flow paths 2 and 3, the difference in relative speed is increased, for example, the flow rate of the other liquid is greatly increased compared to the flow rate of one liquid. And it is good also as what generates a eddy current. In such a case, the flow velocity change region may not be provided in the flow path.
  • a flow rate adjusting means is provided in order to provide an appropriate flow rate when supplying the fluid to the introduction flow paths 2 and 3.
  • This flow rate adjusting means is a device that exclusively adjusts the discharge amount with respect to the introduction flow paths 2 and 3, and can be constituted by a pressurizing device (pump) and an on-off valve (valve) provided as necessary.
  • the supply amount is changed by changing the discharge amount.
  • the supply amount can be changed by adjusting the flow rate of the pressurized fluid. This is because the flow rate can be adjusted by changing the flow velocity with respect to the same channel cross-sectional area.
  • outflow port 6 ( Of course, it is necessary to provide a liquid feeding pipe connected to FIG. 1), and it is possible to grasp the manufacturing apparatus including these as a manufacturing apparatus.
  • the surface potentials of the particles A and B are individually adjusted by the charge adjustment step (S10).
  • the particles A and B are adjusted so as to have opposite polarities. For example, when the surface potential of the particle A is adjusted to be positive, the particle B is adjusted to be negative. However, if each of the particles A and B already has a predetermined surface potential, the charge adjustment step for the particle may be omitted.
  • the flow rate of the particles A and B whose surface potentials are adjusted is adjusted as they are contained in each fluid (S20). It is supplied to the manufacturing apparatus and mixed (S30).
  • An anionic electrolyte or a cationic electrolyte is used to adjust the surface potential of each particle A and B.
  • the anionic electrolyte is administered to be negatively charged.
  • a cationic electrolyte is administered to charge it positively.
  • the polarity may be reversed thereafter.
  • Each of these particles A and B is contained in a separate fluid, and a liquid is added by adding a polyanion (anionic electrolyte) solution or a polycation (cationic electrolyte) solution to each fluid. The surface potential is adjusted for each of the particles A and B inside.
  • FIG. 11B shows a process when the charge adjustment process is performed on positively charged particles.
  • a polyanion solution is added, and the surface of the particles is negatively charged (S21). Further, by adding a polycation solution, the surface potential of the particles is positively charged (S22).
  • S21 the surface of the particles
  • S22 the surface potential of the particles
  • the surface of the particles is almost positively charged, and can be satisfactorily electrostatically adsorbed with the negatively charged particles.
  • the polycation solution is first added to the fluid containing the particles, and then the polyanion solution is added to negatively charge the particles. It is.
  • the addition of the polyanion solution and the polycation solution does not need to be alternately performed once. If the substance particles to be mixed are charged to the same polarity, the polarity is further reversed for one of them.
  • the solution to be added may be added, or either one of the polyanion solution or the polykarion solution may be added only once.
  • the above charge adjustment is based on the invention developed by the inventors of the present application (WO2012 / 133696) and will not be described in detail, but both particles A and B are equally plus or minus. By charging, the particles A and B are uniformly dispersed in the fluid.
  • the particles A and B in the state of being uniformly dispersed in the two kinds of fluids approach each other by mixing both fluids, and are electrostatically adsorbed to each other in the mixed fluid. Is manufactured. Therefore, when the fluid supplied to the manufacturing apparatus (flow channel structure) as described above is appropriately mixed, the other particle is different from one particle in accordance with the amount of fluid supplied (the amount of particles).
  • the rate of adsorption (adsorption rate) can be adjusted. By adjusting the adsorption ratio, composite particles having desired characteristics can be produced. In addition, the number of particles remaining without being complexed can be extremely reduced, and homogeneous composite particles can be produced within a range that does not greatly deviate from the set adsorption rate.
  • Embodiments related to the manufacturing method are as described above, but the present invention is not limited to the above.
  • Various modifications can be made within the scope of the present invention.
  • the flow rate adjustment step it is possible to use a pump or the like in the above-described manufacturing apparatus, but in the case of fluid supply by natural flow, it is also possible to adjust the flow rate only by the open / close state of the valve.
  • the flow rate may be adjusted depending on whether or not the introduction passages 2 and 3 are supplied. Is possible.
  • the flow rate adjusting step can be omitted.
  • the apparatus used in the experiment has a three-layer structure as shown in FIG. 12, and the flow path substrate is formed by penetrating the flow path through the flat plate base 11a composed of a flat plate member and the thin plate member.
  • the manufacturing apparatus is configured by laminating the lid portion 12 with the flow path substrate 11b.
  • the channel shape shown in the figure is an example in which the extended channel structure part is formed, but is changed according to the contents of the experiment as follows.
  • Each plate was made of an acrylic plate material, and the flow path substrate 11b was produced by a method of cutting with a laser cutter into a flow path having a desired shape using a laser processing machine.
  • ⁇ Experimental particles and fluids> One particle uses alumina particles made by Sumitomo Chemical Co., Ltd. with a particle size of 1.5 ⁇ m as a mother particle, and the other particle uses alumina particles made by the company with a particle size of 100 nm. was used as a child particle. The surface potential of the child particles (first particles) was adjusted to be positive, and the surface potential of the mother particles (second particles) was adjusted to be negative.
  • charge adjusting agent electrophilicity adjusting agent
  • PES polystyrenesulfonic acid
  • PDDA poly (diallyldimethylammonium chloride)
  • a PDDA solution and a PSS solution were prepared, and the mother particles (second particles) were negatively charged with the PSS solution, then positively charged with the PDDA solution, and again negatively charged with the PSS solution.
  • the child particles (first particles) were negatively charged with the PSS solution and then positively charged with the PDDA solution.
  • the PDDA solution contains 1 wt% PDDA and 0.5 mol of sodium chloride with respect to 1 liter of pure water.
  • the PSS solution contains 1 wt% PSS and 0.5 mol of sodium chloride with respect to 1 liter of pure water.
  • the surface potential was adjusted by stirring the particles in the respective solutions, and then precipitating the particles by a separation operation using a centrifuge to remove the supernatant solvent. Then, after adding pure water and stirring so that PDDA and PSS do not remain, the washing process of separating particles and pure water using a centrifuge and removing pure water is repeated three times, and the PDDA or PSS The solution was charged.
  • first fluid and the second fluid pure water (25 ° C., viscosity 0.894 mPa ⁇ s) was used, and each particle was adjusted so as to have a volume of 240 ml.
  • ⁇ Configuration for fluid supply> As a device for supplying fluid to the introduction flow path, two dual plunger pumps manufactured by YMC Co., Ltd. are used. One fluid is introduced into the first introduction flow path and the other fluid is introduced into the second flow path. Used to supply to the flow path.
  • the supply parts 21 and 31 (see FIG. 12) for supplying to the introduction flow path were formed with a diameter of 0.5 mm.
  • ⁇ Fluid supply method When supplying fluid into the flow path using the above-described pump for supplying fluid, the first and second fluids are separately sucked in advance by two pumps in advance, and initially a flow rate of 5 ml / min ( The flow rate is supplied at a desired flow rate (flow rate) after the intrusion of air (remaining air) in the flow path is eliminated.
  • the observation of composite particles in which two kinds of particles are electrostatically adsorbed is to collect the particles after about 10 seconds have elapsed after starting the supply into the flow path at a predetermined flow rate (flow rate). did.
  • Experimental channel 1 In accordance with the above procedure, an acrylic plate material having a thickness of 2 mm was used, and a channel having an overall taper shape as shown in FIG. 13 was prepared as a channel substrate. The flow path made in the acrylic plate penetrates, and the depth of the flow path is 2 mm which is the same as the plate thickness.
  • the channel width WA was 2 mm
  • the WB was 0.5 mm
  • the overall channel length LL was 100 mm.
  • Comparative Example 1 In order to evaluate the production state of the composite particles using the tapered channel, a comparative channel having the same channel cross-sectional area (channel width) was prepared. As shown in FIG. 14, all the mixing channels have the same channel cross-sectional area (channel width), and all channel widths WA in the range reaching the end. Others were the same as the experimental channel. Experimental result 1 A first fluid and a second fluid prepared in advance were supplied from the introduction flow channel to both the flow channels, and the state of the produced composite particles was confirmed by SEM images. The SEM image is shown in FIG. 15A shows the composite particles when the experimental flow channel 1 is used, and FIG. 15B shows the state of the composite particles when the flow channel of Comparative Example 1 is used.
  • the flow path substrate uses an acrylic plate material having a thickness of 2 mm in the same manner as described above, and has a tapered flow path configuration section and an expanded flow path structure section as shown in FIG. Formed. Also in this case, the flow path penetrates, and the depth of the flow path is 2 mm which is the same as the plate thickness.
  • the tapered flow path component the flow path width WA is fixed at 2 mm in the portion where the flow path width is large.
  • This flow path width WA is the same as the flow path width at the outflow part of the expandable flow path structure. Moreover, the flow path width of the narrow width part (inflow part of an expansion type flow path structure part) of a taper type flow path structure part was set to "d", and this was fixed to 1 mm. In addition, although the flow path length of the taper-type flow path structure part was produced appropriately, the flow path for experiments was about 5 mm.
  • the channel width of the main body portion of the expandable channel structure portion was set to “D”, and the channel length of the main body portion of the expandable channel structure portion was set to “L” while changing these.
  • a simulation was performed to find a suitable ratio. This simulation is for observing the mixed state of two types of fluids in the expandable channel structure, and based on the above shape, the channel width “D” and the channel length “L” of the expandable channel structure. The state of mixing when “” was changed as appropriate was observed.
  • the flow path length “L” is the same as the flow path width “D” (the ratio of both is 1: 1), and the flow path width “D” and the flow path length “L” are 3 mm.
  • the ratio of the flow channel width of the main body to the flow channel width of the inflow portion is good at 1: 3 to 1:10, and 1: 3 to 1: 5 is even better, and the most suitable composite particles can be made at 1: 5.

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Abstract

【課題】　比較的大きい幅の流路によって構成され、粒子の吸着割合を調整可能とする複合粒子の製造装置を提供することであり、また、当該製造装置を用いた複合粒子の製造方法を提供する。 【解決手段】　第１の流体を供給する少なくとも一つの第１の導入流路２と、第２の流体を供給する少なくとも一つの第２の導入流路３と、第１および第２の導入流路から供給される第１および第２の流体を合流させ、所定長さの範囲において二種類の流体を混合させつつ流下させる混合流路５とを備え、混合流路は、連続する流路であって、その連続する方向において流路断面積が不均一に形成されている。

Description

複合粒子製造装置および複合粒子製造方法
　本発明は、複数の粒子によって形成される複合粒子を製造するための装置と、その装置を使用する製造方法に関するものである。
　本願の発明者らは、これまで静電吸着による複合粒子の製造方法について研究し、合理的な製造装置を開発した（特許文献１および２参照）。上記における複合粒子の製造方法は、二種類の粒子に対して一方の粒子の表面電位を正に、他方の粒子の表面電位を負に帯電させ、両者を静電引力によって吸着させるものである。
　ここで、特許文献１に開示の発明は、液相に分散させた粒子を高分子電解質で被覆することにより、粒子の表面電位を正または負に調整し、種々の粒子を複合化する技術であり、特許文献２に開示される発明は、当該表面電位の調整に使用する高分子電解質の添加量が最適な量となるように調整し、それぞれの粒子の表面電位の調整を容易にするものであった。
　これらの技術を利用することにより、複合化させるべき粒子の表面電位を正または負に調整し、これらの正負に帯電した粒子を混合することによって複合粒子を製造することができるものである。また、その粒子の混合割合を変化させることによって、物性の異なる様々な性質の複合粒子を製造することができるものであった。その際、各粒子が個別に含有される二種類の流体の容量を変化させつつ混合することにより、各粒子の相対的な混合量が調整され、所望割合によって複合化された複合粒子を製造していた。その例として、本願出願人による特願２０１６－０２４２６１号として出願した複合粒子スラリの製造方法がある。ただし、この場合の製造装置では、流路長を極めて長く形成する必要があり、さらに加えて流路を蛇行させる構成が必要であるなど、流路構成においては、更なる改良の余地が残っていた。
　ところで、二種類の粒子を含有する二種類の流体を混合するために、微小流路内で混合する方法があった（特許文献３参照）。しかしながら、この混合方法では、表面電位が正の微粒子を含有する流体と、表面電位が負の微粒子を含有する流体とを、微小流路内で混合させることのみを目的とし、いわゆるコアシェル型の複合粒子を作成するものとして開発されたものであった。すなわち、二種類の粒子が吸着される相対的な割合を変化させた複合粒子の製造を行うことができるものではなかった。
特開２０１０－６４９４５号公報 再表２０１２－１３３６９６号公報 特開２００６－８２０７３号公報
　上述のように、特許文献３に開示される技術は、二種類の流体を微小流路において混合し、単に複合粒子を製造し得るというものであり、その微小流路は流路幅が１００μｍ未満とするとすることが好ましいとされている。そのような流路幅の限定は、当該流路幅以上の場合には、二種類の粒子による静電吸着の状態が不良なものとなるからであり、その理由としては、流路幅を大きくする場合、二種類の流体に含有される二種類の粒子が相互に接近できない状態を招来させ、静電吸着されない粒子が残余することになることが考えられる。
　また、当該技術は、静電吸着される粒子の相互の割合を変化させるものではなかった。その理由としては、流路幅が微小であるため流量調整が容易でないことが想定される。例えば、一方の粒子を母粒子、他方の粒子を子粒子とし、母粒子の表面に吸着する子粒子の割合を変化させた複合粒子を製造することを想定すれば、母粒子の数に対して吸着させるべき子粒子の数を調整することとなるが、微小流路に対する流体の供給には、大きい吐出圧力を伴うため、その吐出圧力の調整による流体流量の調整が容易ではなかった。また、流量を変化させずに流体中に含有する粒子濃度を変更すれば、吸着される相互の粒子の割合が変化することになるが、流体中の粒子濃度を細かく調整することは容易でなく、結果的に、吸着粒子の割合を変化させる（所望の割合にする）ことは事実上できていなかった。
　さらに、微小流路によって複合粒子を作製する場合には、一部の粒子が流路内に残留することがあり、この残留粒子によって目詰まりを招来させることとなっていた。これを解消するために、粒子を含有しない流体を流下させることによって残留粒子を除去しているが、このような手法によっても完全に残留粒子を排除することができず、目詰まりにより使用できないことがあった。その結果、生産性が不良となり効率的に大量の複合粒子を生産することは困難であった。流路幅を太くすれば目詰まりを解消できるが、静電吸着の状態が不良となる問題が解消されず、結果として、製造される個々の複合粒子について吸着量の精度を維持しつつ大量の複合粒子を生産することは益々困難となっていた。
　本発明は、上記諸点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、比較的大きい幅の流路によって構成され、粒子の吸着割合を調整可能とすると共に生産性に優れた複合粒子の製造装置を提供することであり、また、当該製造装置を用いた複合粒子の製造方法を提供することである。
　そこで、上記の目的を達成するため、まず、複合粒子の製造装置に係る第１の発明は、表面電位が正の粒子を含有する第１の流体と、表面電位が負の粒子を含有する第２の流体を混合し、前記二種類の粒子を静電吸着させてなる複合粒子を製造する装置であって、前記第１の流体を供給する少なくとも一つの第１の導入流路と、前記第２の流体を供給する少なくとも一つの第２の導入流路と、前記第１および第２の導入流路から供給される前記第１および第２の流体を合流させ、所定長さの範囲において該二種類の流体を混合させつつ流下させる混合流路とを備え、前記混合流路は、連続する流路であって、その流路全体の少なくとも一部において流速を変化させて渦流を発生させるための流速変化領域が形成されていることを特徴とするものである。
　ここで、静電吸着させるべき二種類の粒子は、正に帯電した粒子と負に帯電した粒子とで区分されるものであって、それぞれ、個々の粒子が単一の物質である場合のほか、複数の物質の粒子が混在する場合も含まれる。また、二種類の粒子のいずれか一方または双方が、複合粒子によって形成され、当該粒子が複数の物質を混合している粒子の場合もある。更に、二種類の粒子は、それぞれ異なる物性を有する物質であって良く、同一の物性を有する同一物質であって、形状や粒径等が異なるものであっても良い。これらの粒子は、製造すべき複合粒子に応じて、物質、形状、粒径が適宜選択されるものである。また、「粒子」には、粒状の物質のみならず繊維状の物質なども含まれ、静電引力により吸着させ得る「固形物」であればよく、それらの形状としては、球形状、葉巻形状、管形状など種々の形態である場合を含むものである。
　また、第1の流体は、上記の正に帯電した粒子を含む流体という概念であって、正に帯電した粒子が流体に含まれていれば、粒子および流体は単一成分であっても複数成分であっても良いものである。第２の流体も同様に負に帯電した粒子を含む流体という概念であって、負に帯電した粒子が流体に含まれていれば、粒子および流体は単一成分であっても複数成分であっても良いものである。このため、本発明において二種類の流体とは、物質の異なる２つの流体を意味するものではなく、第1の流体と第２の流体の双方を示すことの意味である。
　本発明によれば、混合流路を流下する二種類の液体が途中（一部）で流速を変化させることによって混合を誘発させるものである。混合流路の一部において流速を変化させるための領域としては、前述のテーパ構造や拡張型流路構造部によることも含まれるが、それ以外の構造によっても流速変化を生じさせることは可能である。例えば、流路内に障害物を設けること、または、流路を湾曲させるなどの構成などが考えられる。混合流路内における流速の変化によって、合流した二種類の流体（混合流体）は全体として乱流（または乱流に至らずとも層流ではない液流状態）となり、撹拌に近似する状態を招来させ、もって二種類の流体の混合を促進させることができる。ここで、二種類の流体には、それぞれ静電吸着させるべき二種類の粒子が個別に含有されており、流体の混合または撹拌は、当該二種類の粒子が分散しつつ相互に接触する機会を増加させるためである。そして、二種類の粒子が接触することによって両者が静電吸着することとなり、複合粒子を作製することができるのである。二種類の粒子が混合流路内で良好に混合されることにより、一方の粒子に対する他方の粒子の吸着状態が偏らず、想定された割合により静電吸着される多数の複合粒子が製造できる。すなわち、一方を母粒子、他方を子粒子とする場合、母粒子の表面に想定された割合による子粒子を静電吸着してなる複合粒子をまとめて作製することができる。なお、ここでの流速の変化とは、ほぼ同時に流下する流体が流速変化領域で相対的に流速に差異を生じさせるような状態を意味するものであり、流路の壁面付近と中央付近を流下する流体の間に生じる流速の差異のほか、流路の対向する壁面付近における流路長の差によって生ずる流速の差異などがある。
　複合粒子の製造装置に係る第２の発明は、表面電位が正の粒子を含有する第１の流体と、表面電位が負の粒子を含有する第２の流体を混合し、前記二種類の粒子を静電吸着させてなる複合粒子を製造する装置であって、前記第１の流体を供給する少なくとも一つの第１の導入流路と、前記第２の流体を供給する少なくとも一つの第２の導入流路と、前記第１および第２の導入流路から供給される前記第１および第２の流体を合流させ、所定長さの範囲において該二種類の流体を混合させつつ流下させる混合流路とを備え、前記混合流路は、連続する流路であって、その連続する方向において流路断面積が不均一に形成されていることを特徴とするものである。
　本発明によれば、二種類の流体が合流する混合流路は、その流路断面積が不均一となるように形成されていることから、混合流路内において流速の変化を生じさせることとなる。混合流路内における流速の変化によって、合流した二種類の流体（混合流体）は乱流となり、撹拌に近似する状態を招来させることにより、二種類の流体の混合を促進させることができるのである。なお流体の混合または撹拌が二種類の粒子の分散および相互接触の機会を増加させること、二種類の粒子が接触することによって両者が静電吸着することは、第１の発明と同様である。その結果として想定された割合により静電吸着される多数の複合粒子を製造し得ることも第１の発明と同様である。なお、流路断面積が不均一な状態とは、流路の一部または全部がテーパ状に形成されている場合のほか、流路の途中において拡径または縮径された部分を有する場合を含むものである。
　複合粒子の製造装置に係る第３の発明は、前記第２の発明において、前記混合流路が、下流に向かって徐々にまたは段階的に流路断面積を縮小させた少なくとも一つのテーパ型流路構造部が形成されていることを特徴とするものである。
　本発明によれば、混合流路内に導入される二種類の流体は、当該混合流路において合流することにより、両粒子は、流路断面積の比較的大きい領域において、それぞれが適度に分散した状態となっており、この状態から、流路断面積の小さな領域へ移動することにより、相互の距離が短縮され、徐々に接近することによって、最終的に一方の粒子が他方の粒子に接触し静電吸着され得ることとなる。また、流路断面積が徐々に小さくなることにより、流路中央付近と壁面付近とで流速に差違が生じ、この流速の差違によって部分的に流れが乱れることとなり、二種類の流体の混合を促進させることができるのである。このように、流体が混合する状態を生じさせることによって二種類の粒子が接触し得る機会を増加させることとなるのである。
　複合粒子の製造装置に係る第４の発明は、前記第３の発明において、前記混合流路が、単一のテーパ型流路構造部によって構成されるものであり、該テーパ型流路構造部が、同じ深さで構成されるとともに、流路幅が１．５／１００以上の勾配を有するテーパ状に形成されていることを特徴とする。
　本発明によれば、混合流路の深さを同じ（一定）にすることにより、流路中に沈下や浮上などを誘導しまたは強制することがなく、流路幅のみを徐々に縮小するテーパ構造とすることができる。また、非常に緩やかなテーパ構造により、二種類の流体（二種類の粒子）を徐々に接近させ、二種類の粒子が吸着に要する時間に見合った流路長を確保することができる。なお、比較的緩やかなテーパ構造の場合には、必然的に流路長を長尺とすることが好適である。流路長を長くすることにより、その長い混合流路を通過する過程において、二種類の流体は徐々に混合されることとなり、好適な割合で静電吸着された複合粒子を作製することができる。
　複合粒子の製造装置に係る第５の発明は、前記第２または第３の発明において、前記混合流路には、適宜容積を有する少なくとも一つの拡張型流路構造部が形成され、該拡張型流路構造部には、本体部と、この本体部を開口してなる流入部および流出部とが備えられ、前記本体部の流路断面積が前記流入部および前記流出部のいずれの流路断面積よりも大きくしてなることを特徴とするものである。
　本発明によれば、混合流路において拡張型流路構造部が存在することにより、当該拡張型流路構造部に混合流体（二種類の流体）が流入すると、その混合流体の流速が緩和されることとなる。これは、拡張型流路構造部が適宜容積を有しており、本体部が流入部および流出部よりも流路断面積が大きく形成されているからである。本体部においては、流体は流入部から流出部に向かって流動するが、流速緩和が生じるために、流入部から流入した混合流体は、その全量がそのまま（流入した速度のまま）拡張型流路構造部を通過することができなくなって対流（渦流）を生じさせることとなる。このため、撹拌に近似した状態を招来させ、二種類の流体の混合を促進することができる。これにより、一方の粒子に対する他方の粒子の吸着量にばらつきが発生することを抑制する効果を奏することとなる。なお、適宜容積とは、流速緩和を生じさせ得るとともに、流体が内部で対流できる程度を意味し、極端に大きくまたは小さくない状態である。
　複合粒子の製造装置に係る第６の発明は、前記第５の発明において、前記混合流路が同じ深さで構成され、前記拡張型流路構造部の本体部は、幅方向に拡張されることにより断面積を大きくしてなるものであることを特徴とするものである。
　本発明によれば、流路深さが均一であるため、流路の幅方向において混合状態を調整することができる。特に、拡張型流路構造部では、幅方向に本体部が拡張されるため流路面積を上下方向に拡張する場合に比べて深さ方向への粒子の沈降速度差による分離を抑制できる。このため、例えば、比重差の大きな二種類の粒子を複合化する場合でも良好に複合化せしめることができる。また、拡張型流路構造部の本体部内において流入した流体は、幅方向両側に分かれて対流し、その対流後に接近して流下することによって流体の混合を促進させることとなる。流体の混合により二種類の粒子が良好に分散混合して吸着されることとなることは上述のとおりである。
　複合粒子の製造装置に係る第７の発明は、前記第６の発明において、前記拡張型流路構造部の本体部の壁面が弧状に形成されていることを特徴とするものである。
　拡散型流路構造部の本体部壁面が弧状であるとは、混合流路の中央を境に混合流路の両側に弧状に張り出した流路構造を有するものであり、混合流路の中央を中心として左右対称な形状とすることが好ましい。また、その左右対称の形状は、拡張型流路構造部全体の形状として、略円形または略楕円形となるものとすることが好適である。
　本発明によれば、拡張型流路構造部内における流体の対流は、その側面（壁面）の形状に誘導されることから、この壁面が弧状であることにより、流体が弧を描くように上流方向へ向かって対流することとなる。また、流体の停滞（淀む）領域低減することができる。更に、混合すべき二種類の流体が混合流路の中央付近を境界として層状に流下する場合、その二種類の流体を同じような状態で対流させることとなり、その後の混合状態を均等な状態に導くことができる。なお、本発明においても流体の混合により粒子が良好に分散して吸着されることとなる。
　複合粒子の製造装置に係る第８の発明は、前記第５～第７の発明において、前記テーパ型流路構造部および前記拡張型流路構造部の双方が、少なくとも各一つ形成されることにより一組の混合領域ユニットを構成するものであり、前記混合流路は、少なくとも一組の前記混合領域ユニットを形成していることを特徴とするものである。
　本発明によれば、テーパ型流路構造部による二種類の粒子の物理的な接近状態の実現と、拡張型流路構造部による流体の撹拌による混合の促進とが、それぞれ作用することとなり、両粒子が良好に分散混合した状態で静電吸着し得る状態となるため、一方の粒子に対して他方の粒子が吸着する比率（吸着割合）が偏ることを抑えることができる。特に、上記混合領域ユニットを複数配置することにより、粒子の混合が繰り返して行われることとなり、吸着割合の均等化に資することができる。
　複合粒子の製造装置に係る第９の発明は、前記第８の発明において、前記混合流路は、所定の流路幅を有する標準流路構造部が形成され、前記混合領域ユニットは、前記標準流路構造部に連続して形成されていることを特徴とするものである。
　ここで、標準流路構造部とは、混合流路全体における流下速度を決定する標準的な流路幅を有する流路を意味するものであり、混合領域ユニットの上流側または／および下流側に設けられることにより、流路全体に流下する流体の流速を標準化するものである。
　本発明によれば、標準流路構造部を流下する二種類の流体（混合流体）は、標準的な流速で標準流路構造部を通過する一方、テーパ型流路構造部および拡張型流路構造部において流速が変化し、当該流速の緩急を流体に対し顕著に作用させることができる。
　複合粒子の製造装置に係る第１０の発明は、前記第９の発明において、前記標準流路構造部が、所定の流路幅から下流に向かって徐々にまたは段階的に流路幅を縮小させていることを特徴とするものである。
　本発明によれば、標準流路構造部内においても粒子間の物理的距離を短縮させることとなり、混合領域ユニット以外の領域においても流体の混合を促進させ得る。
　複合粒子の製造装置に係る第１１の発明は、前記第２～第１０の発明において、前記各流路が、１ｍｍ以上の深さを有し、０．５ｍｍ以上の流路幅で構成されるものであることを特徴とするものである。
　本発明によれば、流路全体がミリメートル単位の流路によって構成できることから、微小な流路構造とは異なり、流体に含有される粒子または複合粒子が流路内に留まって目詰まりすることを抑えることができる。また、拡張型流路構造部では十分に対流させ得る領域を得ることができ、テーパ型流路構造部の設計も容易となり、流下する流体に対する流速の緩急を生じさせることが極めて容易となる。なお、流路の深さおよび幅の寸法を決定する際には、流下させるべき粒子または作製される複合粒子の平均粒径の３倍以上とすることが好ましい。平均粒径の３倍以上の大きさで流路が形成されることによって目詰まりの可能性を著しく抑制し得るからである。
　複合粒子の製造装置に係る第１２の発明は、前記第１１の発明において、前記流速変化領域が、前記混合流路を部分的に湾曲してなる湾曲部によって構成され、該湾曲部は、前記混合流路の内部壁面の一部を曲線状に起伏させた起伏部を有しており、その起伏部によって該内部壁面の流路長が異なるように形成されたものであることを特徴とするものである。
　本発明によれば、混合流路の内部壁面は、湾曲部において流路長が異なるように構成されるため、流路長の長い壁面付近における流体の流速は、流路長の短い壁面付近における流体に比較して流速が増大することとなり、流体が湾曲部を通過する際に流速に変化（速度差）を生じさせることができる。このような流速の変化により流体の混合を誘発させるのである。
　複合粒子の製造装置に係る第１３の発明は、前記第１２の発明において、前記流速変化領域が、前記湾曲部を２箇所以上繰り返して設けられていることを特徴とするものである。
　本発明によれば、混合流路を移動する流体に対し、その流速の変化を繰り返し生じさせることができることから、流速変化に伴う二種類の流体を十分に混合させることとなる。なお、湾曲部を繰り返して設ける場合には、その湾曲部の湾曲方向を適宜逆向きとすることにより、内部壁面の流路長の長短側を反転させることとなり、流体の好適な混合が期待できるものとなる。
　複合粒子の製造方法に係る第１の発明は、製造装置に係る前記第１～第１１の発明のいずれかを使用するものであって、前記第１および第２の導入流路に対し、予め定めた流量により前記第１および第２の流体を供給し、該流量の比率によって、前記二種類の粒子のうち一方の粒子に対する他方の粒子の吸着割合を制御することを特徴とするものである。
　本発明によれば、混合すべき二種類の流体は、それぞれ所定の濃度で個別の粒子を含有しており、その流量を予め定めることにより、前記製造装置の混合流路に供給される二種類の粒子の割合が決定されることとなる。そして、このように供給される二種類の粒子の割合に応じて、一方の粒子に対して他方の粒子が吸着する比率（吸着割合）を変化させることができるのである。このとき、製造装置に係る発明において説明したように、二種類の流体は、製造装置内において概ね均等に混合される。これにより、この二種類の流体に含有される二種類の粒子も概ね均等に混合させることとなることから、一方の粒子に対して他方の粒子が適度に分散された状態で吸着され得るのである。このような状態で作製された複合粒子は、一方の粒子に対する他方の粒子の吸着割合が製造される全体において、平均的な状態で安定し、所望の吸着割合による複合粒子を大量に製造し得るのである。
　複合粒子の製造方法に係る第２の発明は、前記第１の発明において、前記第１および第２の導入流路に対して供給される第１および第２の流体の流量が、流量調整工程により、両者の相対的な流量比率が調整されるものであることを特徴とするものである。
　本発明によれば、製造装置に供給される二種類の流体は、流量調整工程により相対的な流量比率が調整されて混合させることとなる。従って、第１の流体に含有する第１の粒子と、第２の流体に含有する第２の粒子との相対的な供給割合が調整されることとなる。そして、前述のように、供給される粒子の割合に応じた吸着割合による複合粒子を製造することができることから、流体の供給前の流量調整工程によって、複合粒子の吸着割合を調整することができる。なお、流量調整工程とは、第１および第２の導入流路に流体を供給する際の吐出圧の相対的な差違等によって可能であり、自然流下の場合には、導入流路直前にバルブを設置し、そのバルブの開閉割合などによって調整することも可能である。
　複合粒子の製造方法に係る第３の発明は、前記第１または第２の発明において、前記第１および第２の流体に含有される二種類の粒子が、予め電荷調整工程により、表面電位が調整されたものであることを特徴とするものである。
　本発明によれば、電荷調整工程によって、静電吸着させるべき粒子の一方（第１の粒子）を正極に帯電させ、他方（第２の粒子）を負極に帯電させることができることから、粒子の性質（物性）を任意に選択した複合粒子を製造することができる。また、両粒子は予め明確に相反する極性に帯電されることから、前記製造装置の混合流路に供給することにより、容易に複合粒子の製造が可能となる。そして、調整された流量に応じた吸着割合の複合粒子を製造し得ることから、所望の性質を発揮し得る複合粒子を製造することも可能となる。ただし、二種類の粒子が当初より所定の表面電荷を有する場合は、電荷調整工程が不要となることは言うまでもない。
　本発明の複合粒子製造装置によれば、比較的大きい流路幅による流路によって構成することから、目詰まりの発生を抑え、流路内において流体が適度に分散および混合されることから、各流体に含有するそれぞれの粒子が分散した状態で接近し、全体として概ね均等な状態で吸着する複合粒子を安定して製造し得、その生産性を向上させることができる。また、供給する流体の流量を変化させれば粒子の吸着割合を調整可能とすることができる。
　更に、本発明の複合粒子製造方法によれば、前記複合粒子製造装置を使用することから、予め流量が調整された二種類の流体を当該製造装置に供給することによって、所望の複合粒子を大量に製造することができる。
複合粒子製造装置に係る発明の第１の実施形態の概略を示す説明図である。 複合粒子製造装置に係る発明の第１の実施形態の流路構造を示す説明図である。 複合粒子製造装置に係る実施形態において複合粒子の作製状態を示すモデル図である。 複合粒子製造装置に係る発明の第２の実施形態の流路構造を示す説明図である。 複合粒子製造装置に係る発明の第２の実施形態の流路幅の状態を示す説明図である。 複合粒子製造装置に係る実施形態の変形例を示す説明図である。 複合粒子製造装置に係る実施形態の他の変形例を示す説明図である。 複合粒子製造装置に係る実施形態の導入流路の形態を示す説明図である。 複合粒子製造装置における流路構造の変形例示す説明図である。 複合粒子製造装置における流路構造の変形例示す説明図である。 （ａ）は複合粒子製造方法に係る発明の実施形態を示す説明図であり、（ｂ）は電荷調整工程の実施形態を示す説明図である。 実験用として作製した複合粒子製造装置の説明図である。 実験１に使用した複合粒子製造装置における流路構造の説明図である。 比較例に使用した複合粒子製造装置における流路構造の説明図である。 （ａ）は、実験１の結果を示すＳＥＭ像であり、（ｂ）は比較例の結果を示すＳＥＭ像である。 実験２に使用した複合粒子製造装置における流路構造の説明図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、複合粒子の製造装置に係る本発明の第１の実施形態の概略を示す図である。本実施形態の製造装置１は、専ら所定の流路を溝状に形成してなる流路基板１１と、この流路基板１１に積層される蓋部１２とで構成されている。後述する所望形状の流路２～５は、流路基板１１に形成され、蓋部１２によって溝状の表面側開口部分を閉鎖することにより、中空管状の流路に形成できる構造となっている。なお、流路基板１１は、薄肉板状部材で構成し、流路部分を貫通させ、平板基部に積層したうえ蓋部１２を積層する三層構造としてもよい。いずれの場合においても、流路の深さを一定にすることにより、流路幅によって流路断面積が決定され得る構成とすることができる。
　本実施形態で形成される流路は、少なくとも二個所の導入流路２，３と、それらの合流部４と、混合流路５とを備えている。導入流路２，３に対する流体の供給のために、蓋部１２には、供給部２１，３１が貫通孔によって構成され、この蓋部１２の外方から流路（導入路）２，３に対して流体（粒子含有）を供給し得る構成となっている。また、混合流路５は、流路基板１１の端縁まで形成され、その末端が流路基板１１の端縁において開口し、流出口６が形成されている。
　上記のような構成から、本実施形態の複合粒子製造装置１では、二つの供給部２１，３１を介してそれぞれに粒子を含有する二種類の流体を導入流路２，３に供給することにより、供給された二種類の流体は、合流部４で合流し、混合流路５を流下して流出口６から流出することとなる。供給部２１，３１から流体を供給する場合は、適宜な圧力が付与され、その吐出圧によって流下させるほか、流出口６を下向きにして自然流下させることによって、各流路を通過させることができる。尚、流出口６を上向きにして供給圧によって流体を下方から上昇させつつ各流路を通過させるようにしても良い。混合流路５は、後述するように特殊な形状および構造を有しており、二種類の流体の混合状態を調整し、それぞれの流体に含有する粒子を相互に静電吸着させることにより、複合粒子を製造するものである。
　ところで、本実施形態における流路は、図２に例示するように、分岐した二つの導入流路２，３と、これらの導入流路２，３が合流する位置（合流部４）から下流側に混合流路５が連続して設けられるものである。図２（ａ）および（ｂ）は、本実施形態の代表的な流路形状を示している。これら両図に示されているように、本実施形態の導入流路２，３は、それぞれ流下方向を斜状とするものであり、両流路２，３は相互に有角状に設けられている。その終端が連通することにより合流部４が形成され、さらに合流部４に連通して混合流路５が形成されている。各流路に供給される流体の流下を容易にするため、導入流路２，３と混合流路５とで、略Ｙ字状の流路を形成している。
　混合流路５は、連続する流路において流路断面積を不均一とするものであるが、本実施形態では、図２（ａ）に示されるように、全体として流路幅が徐々に縮小しているテーパ状とするか、または図２（ｂ）に示されるように、段階的に流路幅を縮小してなる階段状の略テーパ状（以下、これらを総称してテーパ状と称する場合がある）とするものである。
　本実施形態では、テーパ状に形成された混合流路５の流路断面は矩形状であるが、これに代えて流路断面が円形、楕円形などとなる形状の混合流路を用いても良い。また、混合流路５は相対する両側面が対称的に傾斜するテーパ状となっているが、流路断面積を不均一とする先細りの構造であればこれに限られず、例えば、一方の側面のみ傾斜する構造であっても良く、四方が等方的に傾斜する構造であっても良い。
　このテーパ状流路の勾配は、流路幅全体で１．５／１００以上としており、例えば、合流部４における流路幅を２ｍｍとする場合、末端（流出口６）における流路幅を０．５ｍｍとするために、１００ｍｍ程度の流路長が必要となる。このように、長い流路において緩やかなテーパ構造とすることにより、混合流路５の内部を流下する流体の流速を徐々に変化させ、流体の混合を促進させている。その意味において、当該テーパ構造の流路が流速変化領域の一形態である。本実施形態では、流路の深さを均一に構成していることから、流路幅の勾配が、流路断面積の勾配と一致する。すなわち、本来的には、流路断面積を縮小することによって流速変化を生じさせることができるのであり、流路深さを均一とすることによって、流路幅の勾配のみを変化させる流路設計が可能となる。因みに上記に例示の流路幅による流路では、深さを２ｍｍとすることにより、流路断面積を４ｍｍ２から１ｍｍ２に縮小することができる。なお、当然のことであるが、深さが１ｍｍの場合は、これらの流路断面積は上記の１／２となる。
　なお、混合流路５の両側壁面に対称な勾配を設ける場合には、両壁面の勾配は、上記１．５／１００のさらに１／２となる。また、１．５／１００よりも緩やかな勾配の場合は、混合流路５の内部における流速の差違が小さく、平行流路（ストレート管）に近くなり、混合の効果を発揮させ難い。他方、極端に急勾配（例えば、１／１０）とした場合には流路長を確保できない。出口の流路径は、複合粒子の粒径を基準に規定されるため、幾何的に限界値が決定される。そのため、混合流路５のテーパは、０．２５／１００～５．０／１００の範囲が好ましく、さらに、１．５／１００～３．０／１００が好適である。また、急勾配の混合流路を複数連接する場合には、全体として（平均して）上記勾配の範囲内に収めることが好ましい。
　上記の観点から、図２（ａ）に示す直線的なテーパ状の構造とする場合には、合流部４から末端６まで至る範囲において、両側壁面を斜状に形成することより所望の勾配を構成させることができる。他方、図２（ｂ）に示すような階段状の場合には、流路幅が大きい平行流路５１から、徐々に流路幅を小さくする平行流路５２，５３を連続させ、最終の平行流路５４において所望の流路幅とすることにより、全体として（これらを総合して）所望の勾配によるテーパ状とすることができる。その意味において、流路全体５により流速変化領域が形成されるものと把握することもできるが、これらの平行流路５１～５４は、順次流路幅が小さくなるように構成されており、次順位の平行流路がそれぞれ流速変化領域として機能するものと把握し得るものである。
　なお、この平行流路５１～５４はテーパ状に構成するものであってもよい。この場合のテーパ状に形成した流路５１～５４をテーパ型流路構造部と称し、後述の他の形状を有する流路構造部と区別することとする。また、直線的なテーパ状に形成した単一の混合流路５（図１（ａ）参照）は、テーパ型流路構造部を単一とした場合の一形態である。
　上記のように、二種類の流体を供給し得る導入流路２，３と、これらを合流させたうえ流路断面積を縮小する混合流路５を設ける構成の本実施形態は、各流体に含有する粒子を混合流路５の内部で静電吸着させることを目的としている。そこで、粒子の静電吸着の状態について概略を説明する。
　図３は、本実施形態を使用する場合の粒子の状態の概略を示すモデル図である。なお、説明の便宜上、図中の各構成要素に係る尺度は正確ではない。この図において示されるように、第１の導入流路２から供給される流体には、第１の粒子Ａが含有され、第２の導入流路から供給される流体には第２の粒子Ｂが含有される。各流体に含有される二種類の粒子Ａ，Ｂは、例えば、第１の粒子Ａを母粒子とし、その表面に第２の粒子Ｂを子粒子として吸着させることが想定される。この吸着のために。例えば、第１の粒子Ａは表面電荷を正に帯電し、他方の第２の粒子Ｂの表面電位は、第１の粒子Ａとは反対の負に帯電させることが想定される。両粒子Ａ，Ｂが相互に反対の極性に帯電されることにより、混合流路５の内部で混合される際に、相互に静電吸着されることとなる。上記の例では、第１の粒子Ａの表面に第２の粒子Ｂが吸着した複合粒子Ｃを作製することができるのである。
　これらの粒子Ａ，Ｂを個別に含有する二種類の流体が、導入流路２，３から個別に供給され、混合流路５の内部で混合することにより、個々の粒子Ａ，Ｂが相互に接近し、両者が相互に静電吸着し得ることとなるため、混合流路５は、専ら二種類の流体が混合されるような構造として形成される。従って、以下においては、流体の混合状態についてのみ説明する場合もあるが、流体が適度に混合することは、両粒子Ａ，Ｂが適度に接近し得ることであることを意味する。
　なお、相互に静電吸着させるべき粒子Ａ，Ｂには、個々の粒子が単一の物質である場合のほか、いずれか一方または双方が、複合粒子によって形成されている場合も想定され得る。この場合には、各粒子Ａ，Ｂは、単一物質で構成されるもののみならず、複数の物質が混合された状態となっていても良い。特に、表面電位を正または負に調整するための調整剤が吸着されている場合は、当然に単一の物質ではない。また、二種類の粒子Ａ，Ｂが、異なる物性によって区分される場合（異なる物質の場合）もあるが、同一物質について表面電位のみ変化させる場合もあり、それらが粒子の形状や粒径等によって区分されて異なる種類とみなす場合もある。さらには、正の表面電位に調整された複数の異なる物性を有する一方の粒子群を一つのグループとし、負の表面電位に調整された複数の異なる物性を有する他方の粒子群とに区分して二種類とみなす場合もあり得る。即ち、物質に関わらず表面電荷の正負によって二つのグループとして区分するのである。これらの粒子Ａ，Ｂの選択は、製造すべき複合粒子に応じて適宜変更されるものである。また、「粒子」には、粒状の物質のみならず繊維状の物質なども含まれ、静電引力により吸着させ得る「固形物」であればよく、それらの形状としては、球形状、葉巻形状、管形状など種々の形態である場合を含むものである。
　粒子Ａ，Ｂには、各種物性や化学組成が異なるものを適宜選択し得る。一方を金属粒子とし、他方をセラミック粒子とすることもあるが、これに限られるものではなく、異種金属粒子を用いて複合粒子を構成しても良く、また、合金、サーメット、ガラス、炭素材料や樹脂材料をいずれか一方の粒子とすることもできる。
　例示すれば、金属粒子としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタン、金、銀、プラチナ、銅などがある。また、セラミックには、各種の金属酸化物、窒化物、炭化物などがあるが、これに限られるものではない。なお、金属酸化物は、単一酸化物であっても複合酸化物であっても良い。かかるセラミックとしては、例えば、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素、マグネシア、カルシア、チタニア、酸化バナジウム、スピネル、フェライトなどが例示できる。
　樹脂材料としては、例えば、メタクリル樹脂等のアクリル系樹脂、スチレン系樹脂、ビニル系樹脂、アミド系樹脂、セルロース系樹脂などの汎用の熱可塑性樹脂や、エポキシ樹脂やフェノール樹脂などの熱可塑性樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、フッ素樹脂等の各種エンジニアリングプラスチックを適宜使用することができる。
　また、いずれか一方または双方の粒子を、ナノサイズの粒子（いわゆるナノ粒子）としても良く、これによってナノサイズの複合材料を作製することもできる。
　上記に例示する粒子Ａ，Ｂは、いずれも流体に含有させた状態で導入流路２，３から供給されるものであるが、これらの粒子Ａ，Ｂを含有させるべき流体としては、粘度が極端に大きくないことが好ましい。これは、粘度が極端に大きい場合には、混合流路５の壁面付近における流速が過剰に低下して、所望の流速を得ることができないためである。
　流体の粘度としては通常の液体として状態が保持される範囲であれば良く、例えば０．５Ｐａ・ｓ以上であり、好ましい粘度は、０．５ｍＰａ・ｓ～１．３ｍＰａ・ｓの範囲である。このため、例えば、純水、エタノール、メタノールおよびこれらを混合したものなどを使用することができる。これらを使用する場合の温度は常温において、上記範囲内の粘性を有する。因みに、純水、エタノール、メタノールおよびこれらを混合物について、温度ごとの粘性を表１に示す。この表に示されているように、１５℃、２５℃および３５℃のいずれの場合であっても、上記範囲内の粘性である。なお、粒子Ａ，Ｂを含有する場合には、流体全体としての粘性は変化することになり得るが、当該粘性は見かけ上の粘性の変化であって、現実的な流下状態に影響を与える程度は極めて小さいものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
　次に、複合粒子製造装置に係る第２の実施形態について説明する。流路構造以外は第１の実施形態と同様であるため、以下においては、流路構造についてのみ説明する。図４は、本実施形態の二種類の流路構造を例示したものである。これらに例示する実施形態は、混合流路５に適宜容積を有する拡張型流路構造部５５～５７が形成されたものである。ここでは、当該拡張型流路構造部５５～５７を流速変化領域として形成したものである。
　拡張型流路構造部５５～５７は、混合流路内における混合を促進するためのものであり、流体の流下方向（流路の長手方向）に対して両側（幅方向）に拡幅している。この拡張型流路構造部５５～５７は、本体部５ａと、その本体部５ａに流体が流入できるように開口した流入部５ｂと、その本体部５ａから流体が流出できるように開口した流出部５ｃとで構成されている。この本体部５ａを拡幅することにより、全体として所定の容積を有することができる。本体部５ａの拡幅は、流入部５ｂおよび流出部５ｃのいずれよりも流路幅を大きくした状態であり、左右両側面を対称な形状で膨出させており、その膨出させた部分の流路幅を大きくしたことから、流入する流体の流速が緩和され、渦流または対流の発生を誘引している。この対流（渦流）の発生により、拡張型流路構造部５５～５７の内部においては撹拌に近似する状態を招来させることとなり、流体の混合が好適に促進される。なお、拡張型流路構造部５５～５７における所定の容積とは、全体として流下（流動）が可能でありながら、流入する流体の流速を十分に緩和させ、流体が対流できる程度を意味するものである。例えば、流入部５ｂの流路幅に対して、本体部５ａを３倍～１０倍の流路幅と流路長をもって構成することにより、十分な混合効果を奏する上記所定の容積を得ることができる。
　ところで、例えば、流入部５ｂおよび流出部５ｂが本体部５ａの中心線上に配置されている場合（図示のような場合）には、流路の中央付近を流れる流体の速度と、流路の壁面近傍を流れる流体との差が大きくなる。流速の差違によって渦流を生じさせ、拡張型流路構造部の本体部５ａの内部において流体が対流し、撹拌の効果を得ることで流体の混合が促進されるのである。図示のような場合には、中心線の両側にそれぞれ過流が発生する。このように二種類の流体が混合することにより、それぞれの流体に含有される二種類の粒子は、それぞれ分散した状態で相互に接近することとなり、これにより、一方の粒子に対する他方の粒子の広範な接触の機会が増加するのである。
　本実施形態では、複数の拡張型流路構造部５５～５７を形成させている。図４（ａ）に示す例では、２個の拡張型流路構造部５５，５６が形成され、図４（ｂ）に示す例では、３個の拡張型流路構造部５５，５６，５７が形成されている。また、拡張型流路構造部５５～５７を除く流路５１～５４は、いずれもテーパ状とするテーパ型流路構造部とした形態を示している。図４（ａ）に示す例では、そのテーパ状が上流の流路５１から下流の流路５３に向かって徐々に縮径されたものであり、図４（ｂ）に示す例では、同じ勾配による構造部が繰り返し構成されたものである。
　すなわち、図４（ａ）に示す実施形態は、テーパ型流路構造部５１～５３が連続的に縮径する構造であり、その途中において拡張型流路構造部５５，５６が形成された構造であるのに対し、図４（ｂ）に示す実施形態では、一つのテーパ型流路構造部５１と一つの拡張型流路構造部５５によって一組の混合領域ユニット７を構成させ、これを繰り返すように、３組の混合領域ユニット７を直列に連続させた構造としている。
　上記に示すいずれの形態においても、テーパ型流路構造部５１～５４の内部を流下する流体の流速と、拡張型流路構造部５５～５７の内部を流れる流体の流速には差違があり、特に、拡張型流路構造部５５～５７よりも上流側から流下する流体の流速は、拡張型流路構造部５５～５７によって緩和され、この流速緩和によって、対流（渦流）を生じさせることとなるのである。このときの流速緩和は、内部を流れる流体の流速差を大きくするものであり、その流速差によって、拡張型流路構造部５５～５７の内部に渦が生じ、結果的に拡張型流路構造部５５～５７の内部に対流（渦流）を生じさせるのである。
　ところで、本実施形態では、拡張型流路構造部５５～５７の壁面（本体部５ａの左右両側）を弧状としており、特に、図は円弧状としており、前記の流速緩和による対流（渦流）は、弧状壁面に沿った方向へ誘導するようにしている。従って、単なる流速緩和のみを目的とする場合には、拡張型流路構造部５５～５７の側面形状は弧状に限定されるものではなく、例えば、全体を矩形とする直線的な壁面形状によって構成してもよいが、対流（渦流）を効果的に誘導するためには、弧状（円または楕円の一部）を形成させることが好ましい。なお、矩形のような直線的な壁面形状の場合には、部分的に流れが停滞する領域を生じる可能性もあるが、流速緩和により流体が相互に混合することは可能である。
　ここで、混合流路５に拡張型流路構造部５５～５７を形成する場合の流路幅について説明する。図５は、拡張型流路構造部５５の形成の状態を例示する３種類の形態を示している。
　図５（ａ）は、拡張型流路構造部５５の上流側流路５１および下流側流路５２は、平行流路（ストレート流路）であるが、上流側流路５１の流路幅に対し下流側流路５２の流路幅を小さくしており、全体として勾配を有して（テーパ状として）形成されたものである。従って、図においてＷ１＝Ｗ２、Ｗ４＝Ｗ５であるが、Ｗ３＞Ｗ２＞Ｗ４としている。この形態は、拡張型流路構造部５５における流出部の流路幅Ｗ３が、流入部の流路幅Ｗ２よりも小さく、これに合わせて流路断面積も小さくなっている。この場合、拡張型流路構造部５５に流入する際の流体の流速よりも、流出する際の流体の流速が大きくなり、拡張型流路構造部５５の本体部において流速が緩和されることと相俟って、本体部内で対流される流体が多くなる傾向となる。なお、この形態におけるＷ２とＷ３の流路幅比（Ｗ２：Ｗ３）は、１：３～１：５としている。流路の深さが同じであるから、それぞれの流路断面積の比も同様となる。また、本体部の流路長Ｌ１は、Ｗ３とほぼ同様とし、壁面の形状を円弧としている。
　図５（ｂ）では、拡張型流路構造部５５の上流側流路５１および下流側流路５２は、テーパ状としているが、全体として（拡張型流路構造部５５を除いて）同じ勾配で傾斜する構造としている。従って、図においてＷ６＞Ｗ７であり、またＷ９＞Ｗ１０としている。本体部の流路幅Ｗ８を最も大きくしていることから、全体としてはＷ８＞Ｗ６＞Ｗ７＞Ｗ９＞Ｗ１０としている。なお、本体部の流路長Ｌ２および壁面形状は図５（ａ）と同様である。この形態においてもＷ７とＷ８の流路幅比（Ｗ７：Ｗ８）は、１：３～１：５としている。この場合においても、拡張型流路構造部５５に流入する際の流体の流速よりも、流出する際の流体の流速が大きくなると共に、拡張型流路構造部５５の本体部において流速が緩和され得る。言い換えれば、拡張型流路構造部５５の本体部において流入速度と流出速度との速度差を解消する（物質収支を改善する）現象が生じるのである。結果として、例えば渦流が生じる。
　図５（ｃ）は、拡張型流路構造部５５の上流側流路５１および下流側流路５２は、いずれもテーパ型流路構造部としており、同じ寸法のテーパ構造としている。従って、図においてＷ１１＞Ｗ１２であり、Ｗ１４＞Ｗ１５であるが、Ｗ１１＝Ｗ１４、Ｗ１２＝Ｗ１５としている。なお、Ｗ１１とＷ１２との流路幅比（Ｗ１１：Ｗ１２）およびＷ１４とＷ１５との比（Ｗ１４：Ｗ１５）は、いずれも３：１としている。本体部の流路幅Ｗ１３はテーパ型流路構造部の広幅の流路幅Ｗ１１（Ｗ１４）よりも大きく形成されている。そこで、この形態における全体の流路幅の比は、Ｗ１１（Ｗ１４）：Ｗ１２（Ｗ１５）：Ｗ１３＝３：１：５としおり、流路断面積の同様としている。なお、流路長Ｌ３および壁面形状は図５（ａ）と同様である。このような形態の場合には、流入部から流入する際の流体の流速よりも、流出部から流出する際の流体の流速が遅くなるものであり、最も小径（狭幅）のＷ１２，Ｗ１５において流速が最も速くなる。このような形態においては、流出部の近傍における流速が比較的緩やかとなり、本体部に流体が留まりやすく、当該本体部における対流（渦流）の発生を容易にしている。
　これらの各形態は、いずれの場合においても、拡張型流路構造部５５の本体部に流入する際の流体の速度と流出する際の流体の速度が異なることとなり、同時に流路中央付近の流速と壁面付近の流速も大きく異なる現象を生じさせる。これにより、拡張型流路構造部５５の内部における対流（渦流）を生じさせることができるのである。また、流入時と流出時とで流速が異なることから、それぞれ流速の不均衡により、拡張型流路構造部５５の本体部内における対流（一部の逆流）または渦流を生じさせ得ることとなる。
　なお、複合粒子の製造装置に係る実施形態、特に流路形状に係る形態は、上記に限定されるものではなく、他の流路形状とすることができる。そこで、以下に変形例について説明する。
　図６は、前述の第２の実施形態（図４（ｂ）参照）を変形したものである。図６（ａ）は、前述の混合領域ユニット７を二組形成させる形態であるが、これら二つの混合領域ユニット７の中間に標準流路構造部５０が形成されたものである。この標準流路構造部５０は、平行流路（ストレート流路）で構成され、拡張型流路構造部５５，５６を除く流路の平均的な流路幅で構成されている。このような標準流路構造部５０を流下する流体は、流路全体を流下する流体の流速の標準な速さとなるのである。そのため、その前後における流速の変化を一時的に標準的な速さに戻すことにより、流速の変化を際立たせることとなり、当該流速変化による流体の混合を促進させるものである。
　図６（ｂ）においても標準流路５０を形成するものであるが、この形態は、混合領域ユニット８が、拡張型流路構造部５５，５６の上流側流路５１，５３と下流側流路５２，５４とで一組としたものである。上流側および下流側の各流路５１～５４は全て同じ形状のテーパ型流路構造部としており、一組の混合領域ユニットを構成する流路の組み合わせを変更したものである。なお、標準流路構造部５０の作用は前述と同様である。
　なお、このような構成の標準流路構造部５０は、当該標準流路構造部５０を流下する流体の最も速い流速を標準的な流速として、テーパ型流路構造部または拡張型流路構造部における所望の流速を生じさせるように各種流路幅（流路断面積）を設計することとなる。
　さらに、図７は、混合流路５ａ，５ｂを並列に複数設けた例を示している。この形態では、第１の混合流路５ａを通過した混合流体を、さらに第２の混合流路５ｂに流入させ、テーパ型流路構造部５１～５４および拡張型流路構造部５５～５７を多数回にわたって通過させる構成である。流速変化を多数回生じさせることによって、二種類の流体が撹拌される回数（すなわち二種類の粒子が接触できる機会）を増やすことが目的である。なお、混合流路５ａ，５ｂを並列に構成したのは、流路全体が長尺になることを回避するものである。また、第２の混合流路５ｂには、導入流路２，３を追加して設け、さらに二種類の流体を供給し得る構成としてもよく、いずれか一方のみを追加的に設ける構成でもよい。これは、製造すべき複合粒子における吸着割合（一方の粒子に対する他方の粒子が静電吸着する割合）を調整するために使用される。さらに、二つの導入流路２，３を設ける構成の場合には、その配置は、第１の混合流路５ａに対する供給位置と逆にすることも可能である。これは、第１の混合流路５ａに供給される二種類の流体が左右に分かれて流下することを考慮し、これらの二種類の流体が層流となって流下した場合であっても、一方の流体に外方から他方の流体を接触させることによって混合を促進せしめ、左右両側の壁面近傍に残余する粒子を残すことなく利用するためである。
　図８は、導入流路２，３の配置に関する各種形態を示している。導入流路２，３は、二種類の流体を混合流路５に供給するためのものであり、少なくとも各１個配置されることが必要であるが、その流下方向および数は適宜変更可能である。図８（ａ）は、上述の各実施形態において図示した代表的な導入流路２，３の形態であり、図８（ｂ）～（ｄ）は、その変形例である。
　図８（ｂ）は、第１番目の導入流路２ａ，３ａが合流する合流部４ａよりも下流側に、同様の構成による第２番目の導入流路２ｂ，３ｂを配置したものである。各導入流路２ａ～３ｂから、それぞれ所望の流体を供給することにより、流量調整を可能にしている。なお、第２番目の導入流路２ｂ，３ｂは、供給する流体の種類を第１番目の場合と逆にしてもよい。上記実施形態においても最終的には両流体は混合されるが、導入流路２ｂ，３ｂから供給する流体の種類を逆にすることで、両流体の混合状態を向上させることが期待できるからである。また、導入流路２ｂ，３ｂから導入される流体には、導入流路２ａ，３ａから導入される流体に含まれる粒子とは異なる種類の粒子を含ませても良い。
　図８（ｃ）は、導入流路２，３の流下方向を若干変更したものであり、図８（ｄ）は、混合流路５に対し直線的に第１の流体を供給する第１の導入流路２に対し、第２の導入流路３を両側から斜状に供給させる構成としたものである。第２の導入流路３を両側に各１個（合計２個）配置することにより、第１の流体に対する第２の流体の供給量（流量）を著しく増加させることが可能となる。
　図９は、混合流路５の断面形状を円形とした場合を示している。なお、図は流路を構成する部分のみを立体的に示したものである。図９（ａ）は、混合流路５を単純にテーパ状とした場合であり、図２（ａ）の変形例であり、図９（ｂ）は、混合流路５がテーパ型流路構造部５１，５２，５３と拡張型流路構造部５５，５６とで構成された場合であり、図４（ａ）の変形例である。これらに図示されるように、流路断面積の変化は、流路幅のみを変化させる平面的（二次元）に限定されるものではなく、流路全体を立体的（三次元）に変化させるものでもよい。また、流路の流下方向は、平面方向（図１参照）であってもよいが、鉛直下向きであっても良い。尚、下方に導入流路流２，３を配置し、流体を上向きに圧送させるものとしても良い。
　さらに、混合流路５は図１０（ａ），（ｂ）に示すような構成でも可能である。これらの図は、流速変化領域としての形状を変形したものであり、図１０（ａ）は、平行流路（標準流路構造部）５０を基準とし、流路５の片方の側面のみを膨出させた膨出部（拡張型流路構造部の変形）５８を形成することにより拡径させた形態であり、図１０（ｂ）は、流路５の内側に突出させる突出部５９を形成することにより縮径させた形態である。このように、平行流路を基準としつつ流路の一部を拡径し、または縮径することにより、混合流路５を流下する流体は、膨出部５８および突出部５９の近傍では流速が変化して攪拌される効果を誘発させることとなる。
　なお、図示の膨出部５８および突起部５９は近接して形成しているが、適宜距離を有して形成してもよい。また、上記の膨出部５８および突起部５９は、混合流路５の全体に至る範囲に繰り返して構成してもよいが、部分的に構成してもよい。例えば上流側のみ、または下流側のみに構成し、その他の流路を平行流路またはテーパ状の流路としてもよい。混合流路５の一部にテーパ状の流路を設ける場合には、異なる形態の流速変化領域が同一流路内に形成するものであるが、流体に対する混合の効果を（攪拌効果）得るためには、複数の形態による流速変化領域を組み合わせることも可能である。
　なお、上記構成のほか、流速変化領域としては、特に図示はしないが、混合流路の一部を湾曲させる場合があり得る。湾曲させる場合には、流路内壁が円滑な曲線を有する状態とすることが好ましい。例えば、同心円による円弧状の壁面とすることにより、小径の曲線部と大径の曲線部とを設けることにより、両者の曲線の長さが異なり、短い曲線の壁面に沿って流下する流体は長い曲線の壁面に沿って流下する液体よりも、その流速は相対的に緩慢になることから、流速の変化を生じさせることができるのである。また、例えば、流路内壁が円滑でない場合（角が形成される場合）には、流体の流れが著しく停滞することとなり、液体の一部が留り、所定の割合による混合状態を得られないことがあるが、円滑な壁面とすることにより、そのような停滞を生じさせないことができる。なお、湾曲形状としては、Ｌ字状やＵ字状に湾曲させることが一般的であるが、それ以外の形状でもよい。また、湾曲させる部分は、一箇所である必要はなく、複数設けることができる。
　複合粒子の製造装置に係る実施形態は上述のとおりであるが、本発明がこれらの実施形態に限定させるものではない。本発明の趣旨の範囲内において種々の変更は可能であり、各実施形態の一部または全部を組み合わせた形態で流路を構成しても良い。例えば、標準流路構造部５０（図６参照）は平行流路を基本としているが、これをテーパ状に構成してもよい。この場合の標準的な流速は勾配の中間位置における流速として設計すればよい。
　また、混合流路５に設けた突起部５９は、円弧状に内側に突出させるものとしたが、流路幅を縮径できるものであれば、これに限られるものではなく、釣り鐘状に突出させても良く、また、矩形状に突出する形態であってもよい。更には、流下する流体に渦流を発生させるものであれば、流路形状は流路径を縮径する形態に限られない。例えば、各導入流路２，３から導入される2種類の流体の供給に際して、一方の液体の流速に比して他方の液体の流速を大幅に増速させるなど相対速度の差を大きくすることで、渦流を発生させるものとしても良い。かかる場合には、流路において流速変化領域を非設としても良い。
　また、図示を省略したが、各導入流路２，３に対する流体の供給に際しては、適宜な流量を提供するため、流量調整手段が設けられる。この流量調整手段は、専ら導入流路２，３に対する吐出量を調整する装置であり、加圧装置（ポンプ）および必要に応じて適宜設けられる開閉弁（バルブ）によって構成され得る。吐出量の変更により、供給量が変更される。また、供給量は加圧された流体の流速の調整によって変更することができる。同一流路断面積に対する流速の変化により流量が調整できるからである。
　また、これらの流量調整手段から供給部２１，３１（図１）までの流路として送液管を使用し、混合された後の複合粒子を含む混合流体を回収するために、流出口６（図１）に接続する送液管を設ける必要があることは当然であり、これらを含めて製造装置として把握することも可能である。
　次に、上述の製造装置を使用した複合粒子の製造方法について説明する。図１１（ａ）にその一例を示す。この図に示されるように、粒子Ａ，Ｂは、それぞれに個別に電荷調整工程によって表面電位が調整される（Ｓ１０）。ここでの電荷調整工程では、粒子Ａ，Ｂが相互に反対の極性となるように調整される。例えば、粒子Ａの表面電位を正に調整する場合には、粒子Ｂを負に調整するのである。但し、各粒子Ａ，Ｂが既に所定の表面電位を有している場合には、当該粒子に対する電荷調整工程を省略することがあり得る。
　粒子Ａ，Ｂに対する電荷調整工程は流体中に含有された状態で行われることから、表面電位が調整された粒子Ａ，Ｂは、そのまま各流体に含有された状態で流量調整され（Ｓ２０）、製造装置に供給されて混合される（Ｓ３０）。
　ここで、各粒子Ａ，Ｂの表面電位の調整について詳述する。各粒子Ａ，Ｂの表面電位の調整には、アニオン性電解質またはカチオン性電解質が使用され、粒子Ａ，Ｂがプラスに帯電している場合には、アニオン性電解質を投与してマイナスに帯電させ、逆に、プラスに帯電している場合には、カチオン性電解質を投与してプラスに帯電させるのである。さらに、その後、極性を反転させてもよい。そして、これらの粒子Ａ，Ｂは、それぞれが個別の流体に含有されており、それぞれの流体中にポリアニオン（アニオン性電解質）溶液またはポリカチオン（カチオン性電解質）溶液が添加されることにより、液中におけるそれぞれの粒子Ａ，Ｂについて表面電位が調整される。
　図１１（ｂ）には、プラスに帯電する粒子について、電荷調整工程を実施する際の工程を示す。この図１１（ｂ）に示されるように、流体中に含有する粒子がプラスに帯電している場合には、まず、ポリアニオン溶液を添加し、粒子の表面をマイナスに帯電（Ｓ２１）させたうえで、さらにポリカチオン溶液を添加することにより、粒子の表面電位をプラスに帯電（Ｓ２２）させるのである。この電荷調整工程により、粒子の表面はほぼ均等にプラスに帯電し、マイナスに帯電する粒子との間で良好に静電吸着可能な状態となるのである。図示とは逆に、粒子がマイナスに帯電している場合には、当該粒子が含有される流体に、まず、ポリカチオン溶液を添加し、その後にポリアニオン溶液を添加することにより、マイナスに帯電させるのである。
　なお、これらのポリアニオン溶液およびポリカチオン溶液の添加は、交互に各１回とする必要はなく、混合すべき物質粒子が同じ極性に帯電している場合には、いずれか一方についてさらに極性を反転させる溶液を添加してもよく、または、ポリアニオン溶液またはポリカリオン溶液のいずれか一方を１回のみ添加することでもよい。上記の電荷調整は、本願発明者らによって開発された発明（ＷＯ２０１２／１３３６９６号公報）に基づくものであり、詳細な説明は省略するが、粒子Ａ，Ｂのいずれについても均等にプラスまたはマイナスに帯電させることにより、各粒子Ａ，Ｂは流体中において均等に分散した状態となる。
　このように、二種類の流体中において均等に分散された状態の粒子Ａ，Ｂは、両流体が混合することにより、相互に接近し、混合流体中において相互に静電吸着することにより複合粒子が製造される。従って、上述のような製造装置（流路構造）に供給された流体が適度に混合することにより、供給された流体の量（粒子の量）に応じ、一方の粒子に対して他方の粒子が吸着する割合（吸着割合）を調整することができるのである。この吸着割合が調整できることにより、所望の特性を有する複合粒子を製造することができる。また、複合化されないまま残存する粒子数を極めて少なくすることができ、且つ、設定した吸着割合を大きく逸脱することのない範囲で均質な複合粒子を製造することができる。
　製造方法に係る実施形態は上記のとおりであるが、本発明が上記に限定されるものではない。本発明の趣旨の範囲内において種々の変更が可能である。例えば、流量調整工程では、前述の製造装置におけるポンプ等を使用することが可能であるが、自然流下による流体供給の場合はバルブの開閉状態のみによって流量を調整することも可能である。また、図８（ｂ）または（ｄ）に示すように、導入流路２，３を複数設ける構成の製造装置においては、当該導入流路２，３に対する供給の有無によって流量を調整することも可能である。さらには、予め流体中に含有する粒子の量（濃度）を調整できる場合には、流量調整工程を省略することも可能である。
　上述の実施形態において説明した複合粒子の製造装置について、具体的な装置を作製し、複合粒子を製造する実験を行ったので、その例を以下に説明する。
＜実験に使用する装置＞
　実験に使用した装置は、図１２に示すように三層構造としており、流路基板は、平坦な板状部材で構成される平板基部１１ａと、薄肉板状部材に流路を貫通して形成した流路用基板１１ｂとで構成され、さらに蓋部１２を積層することによって製造装置を構成したものである。図の流路形状は、拡張型流路構造部を形成したものを例示しているが、以下のとおり、実験の内容に応じて変更している。各板はアクリル製の板材を使用し、流路用基板１１ｂは、レーザー加工機によって所望形状の流路にレーザーカッターで切断する方法により作製した。
＜実験用粒子および流体＞
　一方の粒子は、住友化学工業社製の粒径１．５μｍのアルミナ粒子を使用して、これを母粒子とし、他方の粒子は、同社製の粒径１００ｎｍのアルミナ粒子を使用して、これを子粒子とした。子粒子（第１の粒子）の表面電位を正に調整し、母粒子（第２の粒子）の表面電位を負に調整した。表面電位の調整に使用する電荷調整剤（電解質）としては、負に調整させる場合はポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）を、正に調整させる場合はポリ（ジアリルジメチルアンモニウムクロライド）（ＰＤＤＡ）を使用した。
　ＰＤＤＡ溶液およびＰＳＳ溶液を作製し、母粒子（第２の粒子）は、ＰＳＳ溶液によって負に帯電させたうえ、ＰＤＤＡ溶液により正に帯電させ、さらに、再度ＰＳＳ溶液によって負に帯電させた。子粒子（第１の粒子）は、ＰＳＳ溶液によって負に帯電させたのち、ＰＤＤＡ溶液によって正に帯電させた。なお、ＰＤＤＡ溶液は、純水１リットルに対し、１ｗｔ％のＰＤＤＡおよび０．５Ｍｏｌの塩化ナトリウムを含有したものであり。ＰＳＳ溶液は、純水１リットルに対し、１ｗｔ％のＰＳＳおよび０．５Ｍｏｌの塩化ナトリウムを含有したものである。
　実験においては、表面電位の調整は、前記各溶液に粒子を入れた状態で撹拌した後、遠心分離器による分離操作にて粒子を沈殿させて上澄みの溶媒を取り除いた。その後、ＰＤＤＡおよびＰＳＳが残余しないように、純水を入れて撹拌した後、遠心分離器を用いて粒子と純水とを分離し純水を除去する洗浄工程を３回繰り返し、上記ＰＤＤＡまたはＰＳＳ溶液による帯電の処理を行った。
　第１の流体および第２の流体は、純水（２５℃、粘度０．８９４ｍＰａ・ｓ）を使用し、各粒子が含有した状態において、それぞれ２４０ｍｌとなるように調整した。
＜流体供給のための構成＞
　流体を導入流路に供給するための装置として、ＹＭＣ（株）社製のデゥアルプランジャーポンプ２台使用し、一方の流体を第１の導入流路へ、他方の流体を第２の導入流路へ供給するためのものとして使用した。導入流路へ供給するための供給部２１，３１（図１２参照）は、直径０．５ｍｍとして形成した。
＜流体供給方法＞
　上記流体供給のためのポンプを使用して流路内に流体を供給する際は、予め２台のポンプに、第１および第２の流体を個別に吸引させ、当初は５ｍｌ／ｍｉｎの流速（流量）で供給し、流路内の空気の侵入（空気の残存）を解消させたうえで、所望流速（流量）による供給を開始することとした。また、二種類の粒子が静電吸着されてなる複合粒子の観察は、所定の流速（流量）によって流路内に供給を開始した後、約１０秒を経過した以降のものを採取することとした。
＜実験１＞
実験用流路１
　上記の要領により、肉厚２ｍｍのアクリル製の板材を使用し、図１３に示すような全体をテーパ状とする流路を、流路用基板として作製した。アクリル板に作製した流路は貫通するものであり、流路の深さは板厚と同じ２ｍｍである。なお、図の流路構造において、流路幅ＷＡは２ｍｍ、ＷＢは０．５ｍｍとし、全体の流路長ＬＬは１００ｍｍとした。なお、導入流路の流路幅は混合流路の合流部と同じＷＡ＝２ｍｍとし、導入流路の長さＬ０は１０ｍｍとした。
比較例１
　上記テーパ状流路による複合粒子の作製状態の評価のため、同じ流路断面積（流路幅）による比較用流路を作製した。この流路は、図１４に示すとおり、混合流路は、全て同じ流路断面積（流路幅）とし、末端に至る範囲に全ての流路幅をＷＡとしたものである。その他は実験用流路と同様とした。
実験結果１
　上記両流路に対し、予め用意した第１の流体および第２の流体を導入流路から供給し、作製された複合粒子の状態をＳＥＭ像によって確認した。そのＳＥＭ像を図１５に示す。図１５（ａ）が実験用流路１を使用した場合の複合粒子であり、図１５（ｂ）が比較例１の流路を使用した場合の複合粒子の状態である。
　上記の比較により明らかなとおり、比較例１の流路を使用した複合粒子では、母粒子に吸着される子粒子の状態が偏った状態となっている。すなわち、母粒子１個に対して吸着する子粒子の数が多数のものと、僅かなものとが混在している。これに対し、実験用流路１を使用した場合の複合粒子は、正確な子粒子の数までは確認していないが、いずれの母粒子に対しても概ね同程度の子粒子が吸着している。
　上記の実験結果から、流路形状をテーパ状にすることによって、流路の連続方向に流路断面積が不均一となるような流路構造において、両粒子が十分に分散しつつ吸着している結果となることが判明した。
＜実験２＞
　第２の実験として、流路用基板は、上記と同じ要領により、肉厚２ｍｍのアクリル製の板材を使用し、図１６に示すようなテーパ型流路構成部と拡張型流路構造部とを形成した。この場合も流路は貫通するものであり、流路の深さは板厚と同じ２ｍｍである。テーパ型流路構成部のうち、流路幅の大きい部分では、その流路幅ＷＡを２ｍｍと固定した。この流路幅ＷＡは、拡張型流路構造部の流出部における流路幅と同じである。また、テーパ型流路構成部の狭幅部分（拡張型流路構造部の流入部）の流路幅を「ｄ」とし、これを１ｍｍに固定した。なお、テーパ型流路構造部の流路長は適当に作製したが、実験用の流路では約５ｍｍであった。
　実験に先立ち、上記構成において、拡張型流路構造部の本体部の流路幅を「Ｄ」、拡張型流路構造部の本体部の流路長を「Ｌ」として、これらを変更しつつ、複数種類の形状とした流路を使用し、その好適な比率を求めるためのシミュレーションを行った。このシミュレーションは、二種類の流体が拡張型流路構造部における混合状態を観察するものであり、上記形状を基準に、拡張型流路構造部の流路幅「Ｄ」および流路長「Ｌ」を適宜変更した場合の混合状態を観察した。
　上記シミュレーションの結果から、拡張型流路構造部を形成する場合、流入部の流路幅ｄに対する本体部の流路幅Ｄの割合を１：３～１：７の範囲とする場合、流入する流体に対流（渦流）が生じ、二種類の流体が好適に混合されることが判明した。また、拡張型流路構造部の本体部の流路幅Ｄと流路長Ｌとの比率については、Ｄ：Ｌ＝１：１よりも流路長Ｌが大きければ、流体の混合状態に差違がないことも判明した。
　そこで、上記シミュレーションの結果に基づき、流路長「Ｌ」は流路幅「Ｄ」と同一（両者の比率を１：１）とし、流路幅「Ｄ」および流路長「Ｌ」を３ｍｍ～３０ｍｍの範囲で変化させた流路を作製し、実際に複合粒子を製造する実験を行った。その実験において作製された複合粒子のＴＥＭ像を観察したところ、下表のとおりの結果となった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  
　以上の実験を総合的に判断すれば、混合流路の流路断面積を変更するような流路形状とすることにより、二種類の粒子が相互に分散し、所望の複合粒子を製造し得ることとなる。特に、拡張型流路構造部を形成する場合には、本体部の流路幅と流入部の流路幅との比が１：３～１：１０において良好であり、１：３～１：５において更に良好であり、１：５において最も好適な複合粒子を作製し得る。
１　複合粒子製造装置
２　第１の導入流路
３　第２の導入流路
４　合流部
５　混合流路
６　流出口
７，８　混合領域ユニット
１１　流路基板
１２　蓋部
２１，３１　供給部
５０　標準流路構造部
５１，５２，５３，５４　テーパ型流路構造部
５５，５６，５７　拡張型流路構造部
５８　膨出部（拡張型流路構造部の変形）
５９　突出部
Ａ，Ｂ　粒子
Ｃ　複合粒子

Claims (14)

  1. 　表面電位が正の粒子を含有する第１の流体と、表面電位が負の粒子を含有する第２の流体を混合し、前記二種類の粒子を静電吸着させてなる複合粒子を製造する装置であって、
    　前記第１の流体を供給する少なくとも一つの第１の導入流路と、前記第２の流体を供給する少なくとも一つの第２の導入流路と、前記第１および第２の導入流路から供給される前記第１および第２の流体を合流させ、所定長さの範囲において該二種類の流体を混合させつつ流下させる混合流路とを備え、
    　前記混合流路は、連続する流路であって、その流路全体の少なくとも一部において流速を変化させて渦流を発生させるための流速変化領域が形成されていることを特徴とする複合粒子製造装置。
  2. 　表面電位が正の粒子を含有する第１の流体と、表面電位が負の粒子を含有する第２の流体を混合し、前記二種類の粒子を静電吸着させてなる複合粒子を製造する装置であって、
    　前記第１の流体を供給する少なくとも一つの第１の導入流路と、前記第２の流体を供給する少なくとも一つの第２の導入流路と、前記第１および第２の導入流路から供給される前記第１および第２の流体を合流させ、所定長さの範囲において該二種類の流体を混合させつつ流下させる混合流路とを備え、
    　前記混合流路は、連続する流路であって、その連続する方向において流路断面積が不均一に形成されている
    ことを特徴とする複合粒子製造装置。
  3. 　前記混合流路は、下流に向かって徐々にまたは段階的に流路断面積を縮小させた少なくとも一つのテーパ型流路構造部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の複合粒子製造装置。
  4. 　前記混合流路は、単一のテーパ型流路構造部によって構成され、該テーパ型流路構造部は、同じ深さで構成されるとともに、流路幅が１．５／１００以上の勾配を有するテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の複合粒子製造装置。
  5. 　前記混合流路は、適宜容積を有する少なくとも一つの拡張型流路構造部が形成され、該拡張型流路構造部は、本体部と、この本体部を開口してなる流入部および流出部とを備え、前記本体部の流路断面積が前記流入部および前記流出部のいずれの流路断面積よりも大きくしてなることを特徴とする請求項２または３に記載の複合粒子製造装置。
  6. 　前記混合流路は同じ深さで構成され、前記拡張型流路構造部の本体部は、幅方向に拡張されることにより断面積を大きくしてなるものであることを特徴とする請求項５に記載の複合粒子製造装置。
  7. 　前記拡張型流路構造部の本体部は、壁面が弧状に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の複合粒子製造装置。
  8. 　前記テーパ型流路構造部および前記拡張型流路構造部は、双方が少なくとも一つ形成されることにより一組の混合領域ユニットを構成するものであり、前記混合流路は、少なくとも一組の前記混合領域ユニットを形成していることを特徴とする請求項５～７のいずれかに記載の複合粒子製造装置。
  9. 　前記混合流路は、所定の流路幅を有する標準流路構造部が形成され、前記混合領域ユニットは、前記標準流路構造部に連続して形成されていることを特徴とする請求項８に記載の複合粒子製造装置。
  10. 　前記標準流路構造部は、所定の流路幅から下流に向かって徐々にまたは段階的に流路幅を縮小させていることを特徴とする請求項９に記載の複合粒子製造装置。
  11. 　前記各流路は、１ｍｍ以上の深さを有し、０．５ｍｍ以上の流路幅で構成されるものであることを特徴とする請求項２～１０のいずれかに記載の複合粒子製造装置。
  12. 　請求項１～１１のいずれかに記載の複合粒子製造装置を使用する複合粒子製造方法であって、
    　前記第１および第２の導入流路に対し、予め定めた流量により前記第１および第２の流体を供給し、該流量の比率によって、前記二種類の粒子のうち一方の粒子に対する他方の粒子の吸着割合を制御することを特徴とする複合粒子製造方法。
  13. 　前記第１および第２の導入流路に対して供給される第１および第２の流体の流量は、流量調整工程により、両者の相対的な流量比率が調整されるものであることを特徴とする請求項１２に記載の複合粒子製造方法。
  14. 　前記第１および第２の流体に含有される二種類の粒子は、予め電荷調整工程により、表面電位が調整されたものであることを特徴とする請求項１２または１３に記載の複合粒子製造方法。
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