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ビーズミルによるメカノケミカル

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ビーズミルによるメカノケミカル

メカノケミカル現象

物質に機械的エネルギーを与えると、物質の結合状態が変化を起こして活性化されます。砕料粒子が粉砕操作によって微粒子化し、なお、衝撃、圧縮、せん断、ずり応力、摩擦などの機械的エネルギーを与え続けると、結晶構造が変化したり、粒子表面が活性化して周りの物質と化学的な反応を生じることがあります。この現象をメカノケミカル現象と言い、顔料セラミックス、電子材料、磁性材料、医薬、農薬、食品などのいろいろな物質に見られます。



メカノケミカル現象

メカノケミカル現象は、メカノケミカル反応とメカニカル活性化に分けられます。メカノケミカル反応は機械的エネルギーによって周囲の物質との科学的相互作用や化学変化を起こすことを言います。メカニカル活性化は固体の破壊や微細化に伴う表面エネルギーの増大や、固体に動く機械的なエネルギーによって塑性変形を起こすことに起因しています。
ビーズミルでもよく経験しますが、砕料粒子がビーズミルの粉砕操作により微粒子化が進み、シングルミクロン以下になるとこの傾向が強くなります。

粉砕はRittingerの法則「粉砕に要する仕事量は被粉砕物の表面積増加に比例する」領域では、与えられたエネルギーが表面積増大に比例しますが、この法則に則さない領域になると、粉砕と凝集が繰り返され一時的に粒子径が平衡状態になり、さらにエネルギーを与え続けると比表面積は低下し、見かけの粒子径が大きくなり、以後は減少と増大を繰り返します。
しかし、この砕料を後工程で製品化した時、著しく特性が向上したり、逆に劣化していることがあり、これがメカノケミカル効果で、ビーズミルでもしばしば経験しています。

ビーズによるメカノケミカル反応の実施例

ビーズミルによる顔料のメカノケミカル反応をはじめ、いろいろな分野で具体的な生産や研究が行われています。以下にビーズミルによるメカノケミカル反応の実施例を示します。

1.(独)産業技術総合技術研究所の水素化触媒の製造方法(特許3153903)はメカノケミカル触媒に関するもので、アイメックス製バッチ式サンドブラインダーによりメカノケミカル反応場を用いた超微粒子触媒の製造であり、メカノケミカル処理硫化モリブデン触媒の調整です。この製造法による触媒は軽油の含有硫黄を50ppm以下にする超深度脱硫や重質油の水素化改質に適用されています。
2.電子部品材料を小型テスト機のデータをもとに、ビーズ、ディスク周速などを同一条件でスケールアップした結果、製品の特性はテスト機で得た特性よりも優れていました。これは同一粒子径を得るために生産機内の滞留時間が1.8倍で、この滞留時間の差が特性を向上させています。
3.凝集しやすいセラミックスをミル内滞留時間を短時間にし、ソフトな粉砕を行った結果、破砕物は目的通り微粒子化したが、焼成後の製品の特性はかんばしくありませんでした。この砕料は微粒子化にこだわらずミル内滞留時間を長くした結果、製品の特性は向上しました。

メカノケミカル効果の工学的利用は材料合成、物質分離・資源処理などにも活用されていますが、ビーズミルは砕料の微粒子化だけではなく、近年はビーズミルにより顔料、塗料、磁性材料、電子材料、セラミックスその他でメカノケミカル効果を目的として、生産規模で積極的に採用されています。




<引用・参考文献>
中山勉:「超微粒子・ナノ粒子をつくる ビーズミル」,工業調査会


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