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やさしい微粉砕・分散技術「粉砕」とは

粉砕の定義と目的

「粉砕」とは物質を砕いて「粉体」を造るための操作のひとつである1)。また、固体粒子に機械的エネルギーを投入することによって粒子の大きさを減少させて新しい表面を生成する操作でもある。

砕料と砕製物の関係

粉体が示す性質はその大きさによって変化することから、粉砕操作は粉体の利用目的に応じた性質に制御するための基本的な単位操作である2)
粉砕する原料を「砕料」、製品を「砕製物」という。図1に砕料と砕製物の関係を示す。粉砕で取り扱う砕料、もしくは砕製物の大きさは、数十センチメートルから数マイクロメートル以下まであり、砕製物の大きさが数センチメートル以上の場合には粗砕、数ミリメートル程度の場合は「中砕」、数マイクロメートルの場合は「微粉砕」、数マイクロメートル以下の場合は「超微粉砕」といわれている(表1)。湿式粉砕において、媒体撹拌ミル(ビーズミル)で、サブミクロンや数十ナノサイズへの粉砕が効率的に行え、商業的に利用されている。

粒子サイズごとの呼び名

粉砕の目的は反応性促進、流動性促進、混合、成形性付与、組成分離の前処理としての固体の細分化などである。固体材料の細分化のほかにも、新しい粉砕操作を利用して粒子の表面処理、複合化、メカニカルアロイングおよびアモルファス化など粒子の形状調整が行われている。

粉砕目的

粉砕機構と粉砕方法

粉砕は動力原から粉砕媒体に伝えられたエネルギーが、圧縮、衝撃、せん断、摩擦などの力となって砕料に加えられ、砕料中に応力を生じさせてこれを変形し破壊させることによって固体の新生面を生成するプロセスである。
一般に粗砕、中砕域においては圧縮力や衝撃力が用いられており砕料塊あるいは粒子内において引張り力が砕料を破壊する。微粉砕域においてもほぼ同等と考えられるが、せん断力や摩擦作用が大きく関与するようになる。このような力の伝達にはハンマーあるいはローラーなどが用いられるが、ボール、シルペブ、ロッドのような粉砕媒体も用いられる3)。図2に固体に作用する力のモデルを示す。粉砕機内ではそれらの力が単独に作用するのではなく複合した形で粉砕が行われる。

固体に作用する力のモデル

大きな塊を粉砕する場合、一気に細かくしようとするとうまく砕けない。その場合には砕料の大きさに合わせて、まず、「粗く砕く(粗砕)」「中程度の大きさに砕く(中砕)」「さらに細かく砕く(微粉砕)」————というように徐々に小さくする方法(段階粉砕)がとられる。また、粉砕しようとする物質の力学的な性質(硬さ、強度、延性、弾性など)やその粒子径、温度、荷重速度などの依存性を有効に利用することも重要である4)

引用文献

  1. 椿淳一郎、鈴木道隆、神田良照:“入門 粒子・粉体工学”、p.63、日刊工業新聞社(2002)
  2. 日本粉体工業技術協会編:“微粒子工学-分散の基礎と応用-”、p.139、朝倉書店(1994)
  3. 化学工学協会編:“改訂5版 化学工学便覧”、p.817、丸善(1988)
  4. 粉体工学会編:“粉砕・分級と表面改質”、p.4、NGT(2001)

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