ビーズミルを使った粉砕・分散のワンポイント

はじめに

運転条件によって粉砕・分散処理の成否が決まります

  • 適切なビーズ径は?
  • 粒度分布をシャープに
    するにはどうすれば良い?
  • ソフト分散は適切なのか?

など、当社のビーズミルを使ったデータで、これらについて説明します

適切なビーズ径とは

ビーズ径は一般的に目標粒子径と原料粒子径で決定します。
原料の最大粒子径に対して10倍程度、または目標粒子径に対して1000倍程度が目安になります。
しかし濃度や粘度がビーズの動きに影響し、ビーズミルの性能が十分に発揮できないことがあります。

例えば、
粘度はどう影響するのか?

  • 水の場合のビーズ層
  • グリセリンの場合のビーズ層

「SCミル」を使って、ビーズミル内部のビーズの状態を可視化してみました。
ビーズ充填量が同じでも、水と粘度が高いグリセリンでは、ビーズ層に違いが出ます。ビーズ間の距離が広がっており、これではビーズの力は処理物に伝わりにくくなります。
このように、粘度が高い場合には一般的なビーズ径の選定よりも大きいビーズで処理したほうが良い結果が出る場合があります。

適切なビーズ径を選ぶと

「SCミルロング」でビーズ径とエネルギー原単位の関係を調査した結果を紹介します。
Φ0.3,0.5,0.8mmの3種類のジルコニアビーズを利用して無機物を目標粒子径まで粉砕したところ、生産能力はビーズ径が小さいほうが高くなり、エネルギー原単位もビーズ径が小さいほうが良い結果となりました。(処理能力、エネルギー効率向上)
また、目標粒子径までのビーズの摩耗量を比較すると、ビーズ径が大きくなるにつれ摩耗は多くなりました。(無駄なエネルギーでビーズを摩耗させている)
このことから適正なビーズ径は処理時間の短縮だけでなく、エネルギー原単位やビーズの摩耗にも大きく影響することが分ります。

ビーズサイズ 生産能力比
[-]
エネルギー
原単位比[-]
摩耗量比
[-]
Φ0.5mm 0.76 1.37 1.4
Φ0.8mm 0.55 2.12 2.5

Φ0.3mmビーズを1として比較

粒度分布をシャープにするには

粒度分布をシャープにするには、衝突エネルギーよりせん断エネルギーで分散する方が良いとされています。
当社のビーズミルはビーズを高充填すると、せん断エネルギーの割合が高くなります。
下記は「MSCミル」で比較したときの粒度分布です。ビーズが高充填のほうが粒度分布がシャープになっています。

ビーズ低充填 ビーズ低充填 ビーズ高充填 ビーズ高充填
ビーズ充填率を変えたときのシミュレーションのグラフ ビーズ充填率を変えたときのシミュレーションのグラフ

左は早稲田大学 所研究室との共同研究で行った「MSCミル」でビーズ充填率を変えたときのシミュレーションです。ビーズの充填率が増えると衝突エネルギーが小さくなり、せん断エネルギーが大きくなることがわかります。

ソフト分散は適切なのか

ナノ粒子の分散処理は、アジテータを低速回転とし、低エネルギーでソフトに分散するのが良いとされています。
しかし、ソフトな分散の場合、ビーズの力が足りず大きな粒子を崩せなかったり、一次粒子まで分散するまでの多くの時間を費やすことがあります。
そのため、当社では処理内容に応じてナノ粒子でもビーズミルの周速を20m/sで運転する場合があります。

周速

16m/2のグラフ 25m/2のグラフ

左は重質炭酸カルシウムの粉砕になります。
通常使うビーズよりも、小さなビーズを利用して粉砕を行ってます。 そのため、ビーズ一つ一つのエネルギーが小さいため、高速回転でビーズに高エネルギーを与えて粉砕しています。

16m/sと25m/sの周速で比較すると、16m/sの場合、エネルギーが足りずに粗粒子が残っています。 そのため、この周速で運転するためには大きなビーズでプレ分散が必要になります。
25m/sは粉砕時間も半分以下でしかも粗粒子もありません。

このようなことがナノ粒子の分散にも当てはまります。 最近の事例では周速:20m/sで運転しても6nmまで分散できた事例もあります。

当社のビーズミルは高速回転してもビーズが均一に循環するような構造のため、高速回転でも余計なエネルギーを粒子に与えにくいビーズミルです。

高速回転処理を一度、
お試しください。
ナノ粒子の分散時間の
短縮が行えます。

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様々なシチュエーションに対応します。

技術情報には掲載していない情報もお伝えすることができますので、
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