分散或粉碎裝置和珠磨機以及使用它們的分散或粉碎方法

2023-06-01 13:12:26 1

專利名稱：：分散或粉碎裝置和珠磨機以及使用它們的分散或粉碎方法
技術領域：
：本發明涉及可以將混合在液體中的納米尺寸的固體粒子分散或粉碎的可以在實際生產水平下使用的裝置和珠磨機以及使用它們的分散或粉碎方法。
背景技術：
：已知使用粉碎介質(珠)將處理材料(粉碎物料(S小K一隻))中的固體粒子微粉碎，分散或粉碎在液體中的裝置，作為用於此的裝置，廣泛使用以mm級的珠作為粉碎介質的珠磨機(溼式介質分散機、介質磨等)。實際生產中使用的裝置是將處理材料與珠一起攪拌，以剪切作用將固體粒子粉碎、分散在液體中，由此得到微粒子化至亞微米水平的粒子。但是，近年要求的粒子尺寸為IOO納米以下的極其微細的納米粒子難以通過使用mm級的珠的珠磨機得到。這是由於，不能向納米粒子施加均勻的剪切力。因此，最近開發了使用數十pm的珠的珠磨機，由於可以向納米粒子施加更均勻的剪切力，可以在實驗室水平下粉碎以及分散至作為納米尺寸的一次粒子程度。另一方面，還已知乳液的製備等液/液系的分散或固/液系中固體粒子的粉碎以及分散中所使用的超聲波分散機。根據該方法可以實施均勻的粒子之間的碰撞，因此可以根據粒子濃度在實驗室水平下粉碎和分散至納米尺寸的一次粒子程度。該超聲波分散機通過由空化破壞產生的衝擊波使粒子之間發生碰撞，由此可以進行粉碎和分散。將可以在生產水平下使用的上述使用mm級的珠的珠磨機與超聲波照射組合而成的、具體地說用管連接介質磨與容器，使分散處理的固體顏料和液體介質的混合物循環，對該容器內進行減壓，在一部分上設置有超聲波發生機構的顏料分散裝置在日本特開2000-351916號公報中有記栽。但是這種散液的沉降而照射超聲波的，並非確實地為了得到粉碎以及分散的納米粒子而使用超聲波裝置。如上所述，利用使用數十pm級的非常微小的珠的珠磨機，可以在實驗室水平下粉碎和分散至納米尺寸的一次粒子尺寸左右，但是難以將分散在液體中的納米粒子與數十pm級的珠分離，存在在實際生產水平下怎麼也不能使用的問題。此外，使用mm級的珠、例如0.5mm(500pm)水平的珠時，雖然可以分離珠，但是不能粉碎和分散至一次粒子尺寸左右。另一方面，已知僅通過照射超聲波的方法可以進行一次粒子水平的粉碎和分散的方法，但是用於使粒子之間發生充分碰撞的條件極其窄，可以賦予其能量的區域極其狹窄，所以只能少量處理。因此從性價比考慮，幾乎不用於實際生產。進一步地如上述日本特開2000-351916號公報所述，提出了組合超聲波照射和珠磨機的方法，但是超聲波照射是在實際生產水平的大容量罐中進行的，在罐中沒有添加粉碎介質(球或珠)，所以通過超聲波照射產生的粒子之間的碰撞不充分，不具有將固體粒子微粉碎的功能。為了僅通過超聲波照射的效果將固體粒子粉碎、分散到液體中，除了使罐極小之外，沒有別的方法，這在實際生產中效率差，不能使用。如此嘗試了各種方法，但是仍有在以納米粒子的粉碎、分散為目的用途中，使用mm級的珠不能在實際生產水平下使用的問題。
發明內容根椐本發明，提供分散或粉碎裝置，所述裝置的特徵在於，將在液體中混合有固體粒子的處理材料與粉碎介質一起攪拌，在攪拌中照射超聲波將上述固體粒子微粉碎，分散在液體中，優選提供上述粉碎介質的粒徑為約15|iim~l.Omm，照射的超聲波的振動頻率(振動數)為約15KHz~30KHz，振幅為約5pm~50|am的上述分散或粉碎裝置，由此解決上述問題。此外，根據本發明提供使用上述裝置將液體中的固體粒子分散或粉碎的分散或粉碎方法。根椐本發明，提供一種珠磨機，該珠磨機為將在液體中混合有固體粒子的處理材料(粉碎物料)供給到容器(vessel)內，在該容器內與粉碎介質一起攪拌，將固體粒子微粉碎，分散在液體中的珠磨機，其特徵在於，上述容器設置有超聲波發生機(超音波発振機)以向攪拌中的處理材料和珠照射超聲波。此外，根據本發明，提供使用上述裝置將液體中的固體粒子分散或粉碎的分散或粉碎方法。本發明如上構成，與如使用mm級的珠的珠磨機那樣通過粉碎介質的運動向處理材料中的固體粒子施加剪切力、或如超聲波分散機那樣使粒子之間碰撞進行粉碎、分散的情況相比，由於將在液體中混合有固體粒子的處理材料與粉碎介質一起攪拌，在攪拌中照射超聲波將上述固體粒子微粉碎，分散在液體中，因此通過超聲波照射產生的沖擊波使凝聚的納米粒子之間發生碰撞的同時，納米粒子也與粉碎介質碰撞。這特別是在粒子濃度更低的情況下是有效的。同時，由於也向上述粉碎介質傳導通過超聲波照射產生的衝擊波，促進其運動的同時該粉碎介質在容器內激烈攪拌運動，因此粉碎介質充分運動，通過粉碎介質之間的碰撞產生更強的剪切力，由該碰撞產生的剪切力和上述納米粒子之間的碰撞、與粉碎介質的上述碰撞疊加，可以極大的程度將固體粒子微粉碎，從而可以得到納米粒子。該粉碎和分散裝置在實際生產水平下使用時不會產生任何問題。此外，由於如上得到的納米粒子的平均粒徑約為100nm以下，所以通過使粉碎介質的粒徑為15pm以上，可以分離粉碎介質，此外，通過使粉碎介質的粒徑為l.Omm以下，可以通過由超聲波形成的衝擊波使該粉碎介質充分運動。在珠磨機的容器內設置超聲波發生機時，在生產水平下使用時，優選可以更可靠地將納米粒子和珠分級且通過由超聲波形成的衝擊波可以使該粉碎介質充分運動的0.5mm至l.Omm的範圍。在珠磨機中，在共有(共有)供給槽和回收槽的槽中設置超聲波發生機的情況下，該粉碎介質在~1.0mm的任意範圍時，在實際生產上都無任何問題。進一步地，若使超聲波的振動頻率為15KHz~30KHz，使振幅為5|luii~50pm，則可以確實地產生較大的空化，從而破壞時產生的沖擊波增強，可以使凝聚的納米粒子和粉碎介質充分運動，進行分散和粉碎。更優選超聲波的振動頻率為15KHz~20KHz，振幅為20拜~50拜。圖1(A)和(B)為說明本發明的一個實施例的A方式的珠磨機，圖1(A)為截面圖、圖1(B)為(A)的B-B線截面圖。圖2為說明本發明的一個實施例的B方式的珠磨機的截面圖。圖3為說明本發明的一個實施例的C方式的珠磨機的截面圖。圖4為說明本發明的一個實施例的D方式的裝置的截面圖。圖5為對以往的超聲波分散機對粒子的作用進行說明的圖。圖6為說明以往的珠磨機對粒子的作用的圖。圖7為對本發明的珠磨機對粒子的作用進行說明的圖。具體實施方式本發明可以適用各種珠磨機(溼式介質分散機、介質磨、珠分散機等)，下文作為具體的實施例對A~D方式進行說明。圖1(A)和圖1(B)所示為A方式的一個例子，珠磨機1具有容器2和在該容器2內通過驅動軸3旋轉的轉子4，在該容器2內收容從珠供給口5供給的規定量的粉碎介質(珠)，作為固體粒子和液體的混合物的處理材料(粉碎物料、漿料)從粉碎物料供給口6供給到容器2內。上述轉子4形成為筒狀，表面實質上形成平滑面，但是也可以設置適當形狀的突起以使粉碎介質運動，例如日本特公平4-70050號公狀(plugflo二狀)流動的引導構件:而且/在^子的i當部位上4i轉子開口7以使粉碎介質從內部向外部循環運動。在上述轉子4的內部形成定子8,在該定子8的適當位置上形成具有篩(只夕y—:^)9等介質分離裝置的定子開口10以將粉碎介質分離僅使處理材料流出，該定子開口IO與粉碎物料吐出口U相通。圖1所示的上述珠磨機中，在容器的一部分設置凹處(pocket),在該凹處的內側安裝變幅杆型(爾一y型)超聲波發生機。更具體地說，如圖1(B)所示，在上述容器2的內壁形成凹部12，在該凹部12中設置超聲波發生裝置的超聲波變幅杆13。該凹部12可以設置在不易受到上述粉碎介質的影響的部分、或構成適當的擋板等而不易受到影響的部位。而且，圖所示的具體例子中是設置在一個部位上，但是也可以設置在多個部位上。由於向凹處供給珠和漿料，所以如果照射超聲波則發生納米粒子之間的碰撞和納米粒子與珠的碰撞，與通過供於轉子旋轉部的高速旋轉的珠產生的剪切力疊加，可以將凝聚的納米粒子粉碎和分散至一次粒子程度。珠的尺寸為15nm1.0mm。優選為0,5mm~l.Omm。通過在該範圍，可以使用篩(縫隙)等介質分離裝置確實地將納米粒子和珠進行分級。圖2所示為B方式的一個例子，珠磨機14在容器15內具有通過驅動軸16旋轉的轉子17，在該轉子17的周面上，如日本特公平4-70050號公報所述那樣形成用於使漿料大致成活塞流狀流動的引導構件，在內部收容粉碎介質(珠)。從供給口18進入的漿料大致成活塞流狀流動的同時被分散處理，通過介質分離裝置19從吐出口20流出。該裝置中，與上迷A方式相反，漿料從容器的頂端(先端:)方向向著轉子流動。在向著該轉子的頂端一側的容器中形成空間21，在其中安裝投入型超聲波發生機22。由於向該空間供給珠和漿料，所以如果照射超聲波則發生納米粒子之間的碰撞和納米粒子與珠的碰撞，與通過供給轉子旋轉部的高速旋轉中的珠產生的剪切力疊加，可以將凝聚的納米粒子粉碎和分散至一次粒子程度。珠的尺寸為15nm~l.Omm。優選為0.5mm~l.Omm。通過在該範圍，可以使用篩(縫隙)等介質分離裝置確實地將納米粒子和珠分離。圖3所示為C方式的一個例子，由於珠磨機23基本上與上述圖1(A)所示的珠磨機1相同，共通的部分附上相同的符號省略說明，但不在容器中形成用於收容超聲波變幅杆的凹部，變幅杆型超聲波發生機24安裝在漿料通過篩(縫隙)出吐出口之前的積存空間25中。首先，在通過篩前的容器內存在由通過供於轉子旋轉部的高速旋轉的珠產生的剪切力進行的粒子的粉碎，此後立即，由於在漿料通過篩出吐出口之前的積存空間25中安裝有變幅杆型超聲波發生機24,在此產生納米粒子之間的碰撞，從而通過基本上同時受到兩作用，可以將凝聚的納米粒子粉碎和分散至一次粒子程度。珠的尺寸為15|im~l.Omm。優選為0.5mm~l.Omm。通過在該範圍，可以使用篩(縫隙)等介質分離裝置確實地將納米粒子和珠分離。圖4為表示D方式的一個例子的裝置，具有某種罐混合器29，所述罐混合器29具有漿料的流入口26和流出口27,兼具對珠磨機28的漿料供給槽和回收槽，向該混合器中投入珠，且安裝超聲波發生機30。同時在混合器上預先安裝用於攪拌珠的攪拌翼31。珠的尺寸為15nm~1.0mm。作為將漿料中的納米粒子與珠分離的介質分離裝置，為0.5mm~l.Omm時，優選通過設置篩32(縫隙)的方式，為15pm~0.5mm時，優選通過過濾器的方式。對於珠的尺寸，超聲波的振幅大時，由於即使珠大也可以運動，在15|tim~l.Omm的範圍都可以產生納米粒子之間的碰撞以及與珠的石並撞，通過疊加的效果，可以粉碎和分散至納米粒子的一次粒子程度。另一方面，超聲波的振幅小時，由於大的珠不能運動，必須選擇更小的珠。對於珠的投入量，根據要處理的漿料的粒子濃度確定最佳的珠投入量。稀薄漿料的情況下，必須使投入量多，濃厚漿料的情況下，必須使投入量少。在容器內設置超聲波發生機時的粉碎介質，可以合適地使用在由通過超聲波產生的空化破壞產生的沖擊波下運動程度的微細的珠，即粒徑比以往的普通介質分散機中使用的珠小的粉碎介質，且優選為可以用上述篩(縫隙)等介質分離裝置分離程度的尺寸。具體地說，在使用過濾器的方法以及通過離心分離進行的方法中，根據試驗結果，為了可以分離平均粒徑為100nm以下的納米粒子，粉碎介質的粒徑必須為約15nm以上，粒徑小於此時難以分離。在可以確實地分級的使用篩(縫隙)的方法中，更優選珠徑為0.5mm以上。此外，若珠徑超過l.Omm，則由於不能通過由超聲波形成的沖擊波使粉碎介質充分運動，結果不能使凝聚的納米粒子有效地與粉碎介質碰撞。為了使更大的粉碎介質運動必須產生更大的空化作用以及破壞。進一步優選粒子濃度高時，粉碎介質的量少，粒子濃度低時，粉碎介質的量多。對於粉碎介質的材質，根據使用本發明提供的分散或粉碎裝置的用途選擇最佳的材質，例如可以為工程塑料、玻璃、陶兗、鋼等任意一種。在易產生磨損或缺損的用途中，優選為氧化鋯材質。使用本發明提供的分散或粉碎裝置處理納米粒子時的溶劑除了水之外，還可以為各種醇、環己烷、甲基乙基酮、乙酸曱酯、甲苯、己烷等有機溶劑。在容器內設置超聲波發生機時，對於上述超聲波發生裝置，可以通過由超聲波照射產生的空化作用的衝擊波使納米粒子之間碰撞的同時使上述粉碎介質運動的程度的振動頻率和振幅是必要的，根據試驗結果，若振動頻率為約15KHz30KHz，振幅為約5nm~50nm，則空化大，可以使破壞時產生的沖擊波強，可以使凝聚的粒子和粉碎介質充分運動。更優選超聲波的振動頻率為15KHz~20KHz，振幅為20fjjn~50(im若對上述並用超聲波的珠磨機與使用單純的超聲波分散機或以往的珠磨機進行分散、粉碎時的不同進行簡單說明，則僅使用超聲波分散機的情況如圖5所示，通過衝擊波產生的碰撞僅為凝聚的納米粒子33之間的碰撞。此外僅使用珠磨機的情況如圖6所示，僅存在通過粉碎介質34之間產生的剪切力，不能使納米粒子33積極地與粉碎介質34碰撞。而並用超聲波的珠磨機如圖7所示，由於向粉碎介質施加超聲波的衝擊波，對於凝聚的納米粒子33，產生剪切力與通過超聲波照射產生的納米粒子之間的碰撞和納米粒子對粉碎介質的碰撞，所以有效地進行微粒子化，即使是納米粒子也可以充分地分散、粉碎。下文對本發明的實施例進行具體說明。但是本發明不被這些實施例所限定。實施例(實施例1)使用A方式的在容器一部分設置凹處，在該凹處的內側安裝有變幅杆型超聲波發生機的圖1(A)所示的裝置。更具體地說，在上述容器2的內壁形成凹部12，在該凹部12上設置超聲波發生裝置的超聲波變幅杆13。超聲波的振幅為50(im、振動頻率為20KHz。在珠磨機的圓周速度為4m/S、送漿料速度為10mL/S下進行處理。使用500rpm的旋轉葉片對添加了由氧化鈦納米粒子構成的一次粒徑為35nm的納米粒子P25粉末(日本7*工口-A才朱式會社，東京，日本)10體積％、並且相對於P25粉末的粒子表面積添加0.5mg/n^的作為高分子分散劑的分子量為8000的聚丙烯酸銨鹽而得到的水漿料進行30分鐘前處理。使用該漿料3升，使用上述裝置進行分散試驗5小時。使用超聲波衰減方式的粒度分析計，在保持粒子濃度10體積％下對漿料中的粒子尺寸進行測定。每隔1小時測定粒子尺寸，直至5個小時，結果如表1所示。(實施例2)使用B方式的上述圖2所示的裝置。具體地說，與A方式相反，漿料從容器的頂端方向向著轉子流動，在向著轉子的頂端的一側形成的空間中安裝投入型超聲波發生機，除此之外與實施例1同樣地操作進行分散試驗，每隔l小時測定粒子尺寸，直至5個小時，結果如表l所示。(實施例3)使用C方式的圖3所示的裝置。具體地說，在漿料通過篩(縫隙)出吐出口之前的積存空間中安裝變幅杆型超聲波發生機，除此之外與實施例1同樣地操作進行分散試驗，每隔1小時測定粒子尺寸，直至5個小時，結果如表1所示。(實施例4)使用D方式的圖4所示的裝置。具體地說，設置使用0.5mm的氧化鋯質珠的珠磨機和在其循環系統中兼具漿料供給槽和回收槽的混合器，向該混合器中投入0.1升份的50|nm的氧化鋯質球。為了進行球(珠)和漿料中的納米粒子的分級而設置25pm網眼的過濾器。進一步在該槽中設置振動頻率為20KHz、振幅為50|iun的超聲波發生機。在珠磨機的圓周速度為4m/S、送漿料速度為10mL/S下進行處理。使用500rpm的旋轉葉片對添加了由氧化鈦納米粒子構成的一次粒徑為35nm的納米粒子P25粉末(日本"T工口夕^抹式會社，東京，日本)10體積％、並且相對於P25粉末的粒子表面積添加0.5mg/m2的作為高分子分散劑的分子量為8000的聚丙烯酸銨鹽而得到的水漿料進行30分鐘前處理。使用該漿料3升，使用上述裝置進行分散試驗5小時。使用超聲波衰減方式的粒度分析計，在保持粒子濃度10體積％下對漿料中的粒子尺寸進行測定。每隔1小時測定粒子尺寸，直至5個小時，結果如表1所示。(實施例5)使加入兼具供給槽和回收槽的混合器中的珠徑為0.5mm，使分離珠和納米粒子的篩(縫隙)為0.2mm,除此之外與實施例4同樣地進行分散試驗，每隔1小時測定粒子尺寸，直至5個小時，結果如表1所示。(實施例6)除了向在兼具供給槽和回收槽的混合器中的漿料照射振動頻率20KHz、振幅2(Him的超聲波之外，與實施例4同樣地進行分散試驗，每隔l小時測定粒子尺寸，直至5個小時，結果如表l所示。(實施例7)向在兼具供給槽和回收槽的罐混合器中的漿料照射振動頻率20KHz、振幅20|tim的超聲波，使加入該混合器中的珠徑為0.5mm，使分級珠和納米粒子的篩(縫隙)為0.2mm，除此之外與實施例4同樣地進行分散試驗，每隔l小時測定粒子尺寸，直至5個小時，結果如表1所示。(比較例1)除了沒有加入兼具供給槽和回收槽的混合器中的珠和超聲波照射之外，與實施例4同樣地進行分散試驗，每隔1小時測定粒子尺寸，直至5個小時，結果如表1所示。(比較例2)除了不向兼具供給槽和回收槽的混合器中加入珠之外，與實施例4同樣地進行分散試驗，每隔1小時測定粒子尺寸，直至5個小時，結果如表1所示。(比較例3)向兼具供給槽和回收槽的混合器的漿料照射振動頻率20KHz、振幅2(Him的超聲波，沒有了加入混合器的珠，除此之外與實施例4同樣地進行分散試驗，每隔l小時測定粒子尺寸，直至5個小時，結果如表1所示。(比較例4)向兼具供給槽和回收槽的混合器的漿料照射振動頻率40KHz、振幅5nm的超聲波，沒有加入混合器的球珠，除此之外與實施例4同樣地進行分散試驗，每隔l小時測定粒子尺寸，直至5個小時，結果如表1所示。[表l]tableseeoriginaldocumentpage12*超聲波照射條件A:振動頻率20KHz、振幅50nm*超聲波照射條件B:振動頻率20KHz、振幅20nm*超聲波照射條件C:振動頻率40KHz、振幅5pm權利要求1.分散或粉碎裝置，其特徵在於，將在液體中混合有固體粒子的處理材料與粉碎介質一起攪拌，在攪拌中照射超聲波將所述固體粒子微粉碎，分散在液體中。2.權利要求1所述的分散或粉碎裝置，其中，所述粉碎介質的粒徑為15pm~1.0mm,照射的超聲波的振動頻率為15KHz~30KHz，振幅為5|nm~50(im。3.權利要求l或2所述的分散或粉碎裝置，其為將在液體中混合有固體粒子的處理材料(粉碎物料)供給到容器內，在該容器內與粉碎介質一起攪拌，將固體粒子微粉碎，分散在液體中的珠磨機。4.珠磨機，其是在權利要求3所述的分散或粉碎裝置中，照射超聲波的超聲波變幅杆被設置在形成於所述容器內部的凹部的珠磨機。5.分散或粉碎方法，其中，使用權利要求1~4中任一項所述的分散或粉碎裝置將液體中的固體粒子分散或粉碎。全文摘要本發明提供在容器內攪拌處理材料(粉碎物料)和粉碎介質(珠)將固體粒子分散、粉碎的裝置中，可以將固體粒子分散、粉碎至納米尺寸的在實際生產水平下無任何阻礙的裝置。在容器2內有用於攪拌處理材料和粉碎介質的轉子4。在該容器的壁面形成凹部12，在該凹部設置超聲波發生裝置的超聲波變幅杆13。向凝聚的納米粒子施加通過超聲波產生的衝擊的同時與上述粉碎介質碰撞，此外粉碎介質也通過超聲波的衝擊波運動的同時通過粉碎介質之間的碰撞產生剪切力，從而固體粒子被分散、粉碎為納米尺寸。文檔編號B02C17/16GK101249466SQ200810081240公開日2008年8月27日申請日期2008年2月20日優先權日2007年2月20日發明者井上芳隆,佐藤仁俊,初谷長治,李繼光,石垣隆正,神谷秀博,鈴木孝司申請人:獨立行政法人物質材料研究機構;株式會社井上製作所