ビーズミルの今後の展望１
ビーズミルはクリントン大統領の「ナノテク宣言」以来、「ナノ粒子生成の切り札」として一躍脚光を浴びて、あらゆる研究・産業分野から注目を浴びました。ナノテクノロジーブームとともにビーズミルの開発は、超微粒子・ナノ粒子生成を目標にφ50μm以下の極小ビーズの使用に特化されてきました。そしてビーズミルは近年まで論理的な開発よりも、アイデアと実験・経験に基づく開発が行われてきました。
広範囲な用途
ビーズミルは今後もシングルミクロンからナノメートルまで、幅広い領域で活躍することでしょう。
現在のビーズミルによる超微粒子製造の主流は、シングルミクロンからサブミクロンであり、新しい用法としてメカノケミカル反応にビーズミルが使用されるようになりました。
ブレークダウンによるナノ粒子の製造はまだまだ実験段階で、超微粒子化には凝集防止剤は欠かせませんが、近い将来、ハード面のビーズミル改善と、凝集防止剤などのソフト面の研究によって生産設備が完成するでしょう。
ブレークダウン法の短所はスケールアップが容易でない、エネルギー効率が低いなどがあります。しかし、ナノ粒子の製造に大きな可能性を持つビーズミルは、こうした短所を改善しながらさらに新しい領域を目指して新技術が確立されるでしょう。
極小ビーズによるナノ粒子生成
ナノ粒子生成が可能な機種がビーズミルメーカー各社から次々と発表され、φ50μm以下の極小ビーズによるナノ粒子生成効果が報告されています。しかし、高固形分濃度で0.05～0.5Pa・s程度の粘度を持つスラリーの運転操作が可能にならないと生産コスト的に問題があります。
φ50μm以下の極小ビーズに対する洗浄方法、ハンドリング中のロス防止などについては極めて重要な今後の解決テーマです。最近の例として、極小ビーズの洗浄やハンドリングの煩わしさから、フォーミュレーション、溶媒、分散剤などの条件を変えて数多くのトライ・アンド・エラーを行った結果、φ200～250μmビーズを用いたナノ粒子生成に成功するケースが出ています。
極小ビーズの使用に対しては、硬い砕料粒子の粉砕、解砕は無理であることと、ビーズミルによるナノ粒子生成は、実験段階からビーズミルメーカーだけでは解決できない多くの問題があります。100ナノメートル以下の処理砕料に対してはフォーミュレーション、凝集防止、粒子と分散剤の架橋現象などは生産技術者の知見に基づく指導がなければ解決できません。
摩耗とコンタミネーション
ビーズミルで調整された超微粒子による製品は、ごく少量の不純物であっても製品の特性や品質に影響を与えて不良品となることがあります。ビーズミルの摩耗とコンタミネーション防止というテーマは、今後ますます重要になってきます。
ビーズミルは、撹拌機構の回転によってビーズに運動エネルギーを付与し、この運動エネルギーを持ったビーズに粒子を捕捉させて摩擦、衝突、せん断、ずり応力などで砕料粒子を微粒子化します。この操作からビーズミルで砕料粒子を粉砕・分散する時は、ビーズやミルの部品が摩耗することを覚悟しなければなりません。そして摩耗による製品に対するコンタミネーションは避けることができません。
ビーズミルとボールミルの粉砕速度とコンタミネーション量の比較では、ビーズミルの粉砕速度はボールミルに対して著しく早いが、コンタミネーション量は桁違いの多くなります。
ビーズやミル部品の摩耗が製品のコンタミネーションに影響する場合は、ビーズによる速い粉砕速度の利点が逆に欠点となります。
摩耗によるコンタミネーションの影響は、現状ては経験的に運転条件と不純物混入量との相関から求めています。粉砕媒体が同一速度で運動している場合に、たとえば同材質ビーズでφ0.5mmとφ0.05mmでは、処理粒子がビーズから受けるエネルギーは1,000：1です。これからビーズミルは微小ビーズを使用して、適度な回転速度とすることで不純物混入を抑制できる傾向にあることが分かります。
しかし、同一材質で近似するビーズ径のφ0.05mmとφ0.03mmによる不純物の混入量の実験では、ビーズ粉の混入量はφ0.05mmビーズが少ないという結果でした。これから、近似するビーズ径の摩耗はビーズの表面積の多少が影響するようでもあります。
ビーズや粉砕室部材からの摩耗不純物混入量の確認は、ビーズミル導入時に必ず行って明確な基準を設定することが重要です。そして、ビーズミルの運転条件と不純物の混入量に対して、今後より系統的な研究を期待したいです。
金属コンタミネーションが嫌われ、セラミックス部材が主流となったことから、かつては脚光を浴びながらも複雑な構造のビーズミルは高価格となることから姿を消しています。価格面や洗浄面からビーズミルの今後は、シンプルな構造で、粉砕の高性能化が追及されるでしょう。
＜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
■ 次の記事「ビーズミルの今後の展望２」≫
■ 前の記事「ビーズミルによる大量生産例」≫
■ ビーズミル技術資料一覧ページへ ≫
