JP4644767B2 - 球状の多孔性粒子の、外面の表面の比表面積を決定する方法 - Google Patents

球状の多孔性粒子の、外面の表面の比表面積を決定する方法 Download PDF

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Description

本発明は、孔を持ち、孔の壁面と外面の表面を有する、球状の粒子の、外面の表面の比表面積を決定する方法の発明である。
多孔性粒子の比表面積を決定する方法としては、低分子気体の吸着量から計算する方法が知られている(非特許文献1参照。)。
Samuel Glasstone著、「Textbook of Physical Chemistry−2nd edition」、D.Van Nostrand Company Inc.、1946年、p1194−1210
上記の公知の方法で決めることが出来る比表面積は、孔の壁面の比表面積と、外面の表面の比表面積の合計であり、壁面の比表面積或いは外面の表面の比表面積を単独に決めることは出来ない。
本発明は、多孔性粒子の比表面積の決定に関するこの問題を解決することを目的とするものである。
この発明は、球状の粒子の外面の表面の比表面積を単独で決定する方法の発明であり、同時に、粒子の粒径と重さを決定し、これらが分かった粒子を集合物として収得する方法の発明である。
また、その結果により、孔の壁面の比表面積と孔径、孔の延べ長さ、粒子の表面に開いた孔の開口面積の決定を可能にする方法の発明である。
問題を解決するための手段
本発明は、上記の目的を達成するために、断面積が段階的に大きくなる一連の中空の筒に空気を流して粒子を通し、風速の低下に伴い各筒に蓄積する粒子の外面の表面の比表面積を、筒ごとに計算して決定する方法である。
この方法において、断面積の2乗値を等差級数的に大きくするように構成すれば、外面の表面の比表面積が最大の粒子と、最小の粒子の比表面積の間隔が、各筒とも同じ集合物を得ることが出来る。
またこの方法において、筒の断面積の2乗値の逆数を等差級数的に小さくするように構成すれば、粒径が最大の粒子と、最小の粒子の粒径の間隔が、各筒とも同じ集合物を得ることが出来る。
さらにこの方法において、風速が大きい上流では筒の断面積の2乗値の逆数を等差級数的に小さくし、風速が小さい下流では筒の断面積の2乗値を等差級数的に大きくするように構成して、外面の表面の比表面積の間隔と粒径の間隔が伴って小さい集合物を、すべての筒から得ることが出来る。
上記が達成される理由を説明するために粒子の特性の記号を以下のように定める。
粒径を2R(m)、外面の表面の比表面積をSo(m/g)、孔がない部分の粒子の密度をρ(g/m)、孔の体積比、孔の開口面積比を夫々n、fとする。
また孔の壁面の比表面積をSw(m/g)、孔径を2r(m)とし、粒子内の孔の延べ長さをL(m)とする。
密度は(1−n)ρであり、ρは2.25×10に近い(非特許文献2参照。)。
上記の球状の粒子が、粒径2R、密度ρの孔がない球状の粒子から生じたとする考えにより数1、数2、数3が導かれ、これと孔の開口面積が空間であり表面ではないことから導かれる数4から数5が導かれ、数6と数7から数8が導かれる。
数1
n=1−(R/R)
数2
f=1−(R/R)
数3
(1−n)=(1−f)
数4
So=4πR(1−f)/{4πR・(1−n)ρ/3}
数5
So・(1−n)1/3R・ρ=3
数6
Sw=2πrL/{4πR・(1−n)ρ/3}
数7
n=πrL/(4πR/3)
数8
Sw・{(1/n)−1}r・ρ=2
数5は、粒子の外面の表面の比表面積と粒径の関係に対しては、孔の壁面の比表面積と孔径が影響を持たないという事実を示し、数8は、それとは逆の事実を示す。
数9は、抵抗係数が1.07である円板が、風速v(m/s)の風から受ける風圧w(N/m)の式である(非特許文献3参照。)。
数10は、抵抗係数が0.3の球(非特許文献3参照。)が、風速v(m/s)の風から受ける風圧の式である。
数11は、粒径2Rの粒子が風速vの筒内で受ける風圧と粒子の重量を等値した式であり、この式から数12、数5と数12から数13が導かれる。
数14は、粒子の密度ρoから粒子中の孔の体積比を計算する式である。
数9
w=0.1×v
数10
w=0.028×v
数11
(4πR/3)・(1−n)ρ=28×πR×v
数12
R=21×v/{(1−n)ρ}
数13
So=(1/7)×(1−n)2/3×(1/v
数14
n=(ρ−ρo)/ρ
数12と数14から、各筒に蓄積する粒子の粒径、数13と数14から、各筒に蓄積する粒子の外面の表面の比表面積を計算することが出来る。
その計算例を表1、表2に挙げた。
表1、表2の作成では、粒子を密度が2.10×10(g/m)のカ−ボンブラック(非特許文献2参照。)として、筒数を19とし、風速が最大となる最上流の筒の風速を0.13m/sとして、粒径の単位をオングストロ−ム(Å)として計算した。
計算に当たっては筒の構成を、断面積と風量については断面積に比例させて風量を変えれば同じ風速となるために断面積と風量を指定する意味はないので外し、単に風速を指定することにより構成した。
表1は、中空の断面積の2乗を等差級数的に上げる筒の構成であり、表2は、中空の断面積の2乗の逆数を等差級数的に下げる筒の構成であり、いづれも風速を段階的に下げる筒の構成の一例である。
表1の構成では、粒子の外面の表面の比表面積の間隔がどの筒の蓄積物でも同じくなる反面、粒径の間隔が著しく大きく変わるが、表2の構成では、粒径の間隔が、どの筒の蓄積物でも同じくなる反面、外面の表面の比表面積の間隔が著しく大きく変わる。
A筒からK筒までを表2の構成とし、K筒を表1の構成のG筒につなぎ、以下の筒を表1の構成として、比表面積の間隔をどの筒でも1.35(m/g)以下、粒径の間隔をどの筒でも154(Å)以下に抑えることが出来る。
筒数を増やして、蓄積物内の比表面積等の間隔をもっと小さくすることが出来る。
「大日本百科事典ジャポニカ11巻 炭素の項」、株式会社小学館出版、1969年発行、p.725−726 「大日本百科事典ジャポニカ15巻 風圧の項」、株式会社小学館出版、1970年発行、p.413
Figure 0004644767
Figure 0004644767
発明の効果
上述したように本発明は、球状の粒子の集合物から、外面の比表面積が同等な粒子或いは、粒径が同等な粒子の集合物を収得する方法を提供する。
同時に本発明は、本発明の方法により収得した球状の粒子の外面の表面の比表面積を決定する方法、粒径を決定する方法、粒子の重さを決定する方法、及びこれらの決定精度を調節する方法を提供する。
さらに本発明の方法は、多孔性粒子の外面の表面と孔の壁面の比表面積の合計を決める公知の方法と組合わせて、球状の多孔性粒子の壁面の比表面積と、孔径、孔の開口面積、孔の延べ長さの決定を可能にする方法である。
一連の垂直に立てた中空の筒を並べて置き、一つ上段の筒の頂部と次の筒の底部を穴の開いた細管でつないで、上段から下段の筒に空気が流れるように構成する。
最上段の筒の底に試料容器を接続し、試料容器から筒に空気が流れる構成にする。
最下段の塔の頂部と試料容器を穴の開いた細管でつなぎ、あいだにポンプを設置して、風量を調節して空気を循環させることが出来る構成にする。
カ−ボンブラックで実施する場合は、粒子の大きさが10〜5000(Å)である(非特許文献4参照。)から、最上段の筒の風速を0.100〜0.200(m/s)の範囲とし、風速の設定精度を±0.001(m/s)とする。
外面の比表面積等の決定のみが目的ならば小型の筒、大量の蓄積物の収得も目的とするならば大型の筒で構成する。
「大日本百科事典ジャポニカ4巻 カ−ボンブラックの項」、株式会社小学館出版、1969年発行、p.651
この方法は、球状の粒子の外面の表面の比表面積等の特性値を決める方法でありまた、特性値が揃った粒子の集合物を収得する方法であるから、カ−ボンブラックなどの多孔性粒子を製造する産業や、多孔性粒子を充填材として使用するタイヤ製造業やプラスチックの成形加工業など広範囲な産業において、特性が揃った充填材を確保するためのプロセス、また充填材の特性を測る分析法として使用される。
またこの方法は、公知の方法と組合わせれば、球状の粒子の壁面の比表面積、孔径その他の特性が分かる方法であるから、多孔性粒子の研究や、工学、農学、薬学、生物学などの分野での多孔性粒子を利用する研究、技術開発、生産活動のための分析法として広範囲に使用される。

Claims (4)

  1. 中空を持つ複数の筒を、中空の断面積が段階的に大きくなる順につないでその中に風を通し、風力の作用を利用して筒内に粒子を流して、各筒に蓄積させた粒子の外面の表面の比表面積を、粒子が球状をしている場合において風速から計算する方法を伴った、球状をしている粒子の外面の表面の比表面積の決定法
  2. 中空の断面積の2乗が等差級数的に大きくなる順に筒をつなぐことからなる請求項1の方法
  3. 中空の断面積の2乗の逆数が等差級数的に小さくなる順に筒をつなぐことからなる請求項1の方法
  4. 中空の断面積の2乗の逆数が等差級数的に小さくなる順につないだ一連の筒のあとに、中空の断面積の2乗が等差級数的に大きくなる順に筒をつなぐことからなる請求項1の方法
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