JP6494983B2 - 分散装置及び分散方法 - Google Patents
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Description
本発明は、分散装置及び分散方法に関する。
固形物を細かく分散する装置として、固形物を含有した処理液にせん断応力を与え、当該せん断応力により固形物を細かく分散する分散装置が知られている（例えば、特許文献１）。上記特許文献１の分散装置は、１５０ＭＰａの圧力を印加した状態でスラリーをノズルに通過させることにより、スラリーにせん断応力を与えて、スラリー中の固形物を細かく分散させる。
上記分散装置は、固形物として例えば、束状のカーボンナノチューブ（以下、「ＣＮＴ」という）を分散し得る。
ノズルにおいてＣＮＴに大きなせん断応力を与えるには、ＣＮＴを含有した粘度の高い処理液を用いることや、小さいノズル径を有するノズルを用いることが有効である。ところが、粘度の高い処理液や、小さいノズル径を有するノズルを用いた場合、ＣＮＴがノズルに詰まってしまうという問題があった。
また、ノズル径を段階的に小さくした複数のノズルに、多段的に処理液を通すことにより、ＣＮＴを徐々に分散させる方法も考えられる。ところが、多段的に処理液をノズルに通すことにより、ＣＮＴの短尺化が進んでしまう、という問題があった。
そこで本発明は、固形物をより細かく分散することができる分散装置及び分散方法を提供することを目的とする。
本発明に係る分散装置は、加圧された処理液がノズルを通過することによって、前記処理液に含まれる固形物を分散させる分散装置において、前記ノズルは、前記処理液の進行方向に直交する第１軸において、前記ノズルの全体で流速がほぼ一定であり、前記進行方向及び前記第１軸に直交する第２軸において、前記ノズルの中央がより流速が速いことを特徴とする。
本発明に係る分散方法は、加圧された処理液がノズルを通過する工程を備え、前記処理液に含まれる固形物を分散させる分散方法において、前記処理液の進行方向に直交する第１軸において前記ノズルの全体で流速がほぼ一定であり、前記進行方向及び前記第１軸に直交する第２軸において前記ノズルの中央がより流速が速いノズルに、前記処理液を通過させることを特徴とする。
本発明によれば、第２軸及び進行方向を含む平面と平行な面近傍において処理液に大きいせん断応力を与えながら、第１軸及び進行方向を含む平面と平行な面近傍においては処理液が受けるせん断応力を小さくすることにより、スムーズに処理液を通過させる。これにより、ノズル全体として、処理液に含まれる固形物が流路に詰まるのを防止しながら、固形物をより細かく分散することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
（全体構成）
図１に示す分散装置１０は、圧縮機１２、処理液供給部１４、ノズル部１６Ａ、及び冷却部１８を備える。圧縮機１２には、逆止弁２２を介して処理液供給部１４が接続されている。圧縮機１２は、動力２０に接続されており、吐出口が圧縮配管２１の一側に接続されている。圧縮配管２１の他側は、ノズル部１６Ａの入り口に接続されている。ノズル部１６Ａの出口は、排出配管２３の一側に接続されている。排出配管２３の他側は、冷却部１８に接続されている。分散装置１０は、処理液供給部１４から供給された処理液が、ノズル部１６Ａを通過することにより、前記処理液に含まれる固形物を分散し得るように形成されている。
図１に示す分散装置１０は、圧縮機１２、処理液供給部１４、ノズル部１６Ａ、及び冷却部１８を備える。圧縮機１２には、逆止弁２２を介して処理液供給部１４が接続されている。圧縮機１２は、動力２０に接続されており、吐出口が圧縮配管２１の一側に接続されている。圧縮配管２１の他側は、ノズル部１６Ａの入り口に接続されている。ノズル部１６Ａの出口は、排出配管２３の一側に接続されている。排出配管２３の他側は、冷却部１８に接続されている。分散装置１０は、処理液供給部１４から供給された処理液が、ノズル部１６Ａを通過することにより、前記処理液に含まれる固形物を分散し得るように形成されている。
ノズル部１６Ａは、図２に示すように、円柱状の部材で形成され、処理液が通過するノズル２４を有する。ノズル２４は、圧縮配管２１の内径に比べ、流路が微細に形成されている。ノズル２４は、処理液の進行方向Ｆに平行に開口しており、進行方向Ｆに直交する第１軸Ｘと、前記進行方向Ｆ及び前記第１軸Ｘに直交する第２軸Ｙとにおいて、流速分布が異なるように形成されている。すなわち、ノズル２４は、前記第１軸Ｘにおいて前記ノズル２４の全体で流速がほぼ一定であり、前記第２軸Ｙにおいて前記ノズル２４の中央がより流速が速くなるように形成されている。なお説明の便宜上、進行方向Ｆは、ノズル２４の中心を通るものとする。
本実施形態の場合、ノズル２４は、長円形状を有する。これによりノズル２４は、第１軸Ｘ側内面間の距離Ｄが、第２軸Ｙ側内面間の距離Ｈより、長く形成されている。第１軸Ｘ側内面間の距離Ｄは、例えば、５０〜３００μｍ、好ましくは５０〜２００μｍとすることができる。第２軸Ｙ側内面間の距離をＨとすると、第１軸Ｘ側内面間の距離Ｄとの比Ｄ／Ｈは、１．５〜１６、好ましくは２〜８、さらに好ましくは２〜４とすることができる。
（動作及び効果）
次に上記のように構成された分散装置１０の動作及び効果を説明する。まず、処理液供給部１４に処理液を投入する。処理液は、分散媒と、固形物とを含む。処理液は、大きいせん断応力を得る観点から、１（ｍＰａ・ｓ）を超える粘度を有するのが好ましく、１００（ｍＰａ・ｓ）を超えるのがより好ましい。
次に上記のように構成された分散装置１０の動作及び効果を説明する。まず、処理液供給部１４に処理液を投入する。処理液は、分散媒と、固形物とを含む。処理液は、大きいせん断応力を得る観点から、１（ｍＰａ・ｓ）を超える粘度を有するのが好ましく、１００（ｍＰａ・ｓ）を超えるのがより好ましい。
分散媒としては、例えば塗膜形成物としての樹脂と、溶媒とを含む。例えば、分散媒は、樹脂としてのポリイミド（ＰＩ）と、溶媒としてのＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）とで作製してもよい。また分散媒は、樹脂としてのポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）と、溶媒としての水とで作製してもよい。さらに分散媒は、樹脂としてのポリアミドイミド（ＰＡＩ）と、溶媒としてのＮＭＰとで作製してもよい。
固形物は、アスペクト比が１０を超える部材、例えば、ＣＮＴやカーボンナノファイバ、銀ナノワイヤ、無機ナノチューブ、セルロースナノファイバー、炭素繊維等を用いることができる。またアスペクト比が５０を超える固形物を用いるのが好ましい。この場合、固形物は、例えば直径１０ｎｍ×長さ０．５μｍである。
圧縮機１２は接続された動力２０によって駆動し、処理液供給部１４から供給された上記処理液を押し出す。押し出された処理液は、圧縮配管２１を通じてノズル部１６Ａへ到達する。ノズル２４は、圧縮配管２１に比べ流路が微細に形成されていることにより、処理液の圧力は、ノズル２４直前で１０〜２００ＭＰａになる。
処理液は、ノズル２４を通過する際、高速流となる。ノズル２４を通過することにより、処理液は大きいせん断応力を受ける。前記せん断応力によって処理液に含まれる固形物がより細かく分散する。このようにして固形物がより細かく分散した分散液が作製される。ノズル２４を通過した直後の分散液は、高温である。分散装置は、排出配管２３を通じて冷却部１８に分散液を供給し、分散液を所定温度に冷却してから、排出し得る。
本実施形態の場合、ノズル２４は長円形状に形成されていることにより、図３に示すように、第１軸Ｘと第２軸Ｙとで流速分布が異なる。すなわち、第１軸Ｘにおいて、流速は、ノズル２４の全体で流速がほぼ一定となる（図３Ａ）。したがって、処理液は、第１軸Ｘ近傍においてせん断速度（速度勾配ともいう。）が小さい。これにより処理液は、せん断速度が小さい領域、すなわち第１軸Ｘ及び進行方向Ｆを含む平面と平行な面近傍において、受けるせん断応力が小さい。したがって処理液に含まれる固形物は、第１軸Ｘ及び進行方向Ｆを含む平面と平行な面近傍において、詰まることなくスムーズにノズル２４内を通過する。
一方、第２軸Ｙにおいて、流速は、ノズル２４の中央がより速い（図３Ｂ）。すなわち処理液は、第２軸Ｙ近傍においてせん断速度が大きい。これにより処理液及び処理液に含まれる固形物は、大きなせん断速度が生じる領域（高せん断速度領域）、すなわち第２軸Ｙ及び進行方向Ｆを含む平面と平行な面近傍において大きいせん断応力を受ける。このせん断応力によって固形物は、より細かく分散する。
上記のように本実施形態の場合、ノズル２４入口に到達した固形物は、第２軸Ｙ及び進行方向Ｆを含む平面と平行な面近傍において、大きいせん断応力を受けることにより、より細かく分散する。固形物は、大きいせん断応力を受けることによって、仮にノズル２４の流路に詰まったとしても、第１軸Ｘに平行な方向に向きを変えることによって、スムーズにノズル２４内を通過することができる。
このようにノズル２４は、第２軸Ｙ及び進行方向Ｆを含む平面と平行な面近傍において処理液に大きいせん断応力を与えながら、第１軸Ｘ及び進行方向Ｆを含む平面と平行な面近傍においては処理液が受けるせん断応力が小さいので、スムーズに処理液を通過させる。
したがって分散装置１０は、ノズル２４全体として、処理液に含まれる固形物が流路に詰まるのを防止しながら、固形物をより細かく分散させることができる。
（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
例えば、上記実施形態の場合、ノズル２４は長円形状を有する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、第１軸Ｘに平行な方向に長い横長の六角形状のノズル３０（図４）や、横長の四角形状のノズル３２（図５）でもよい。上記図４及び図５に示すノズル部１６Ｂ、１６Ｃは、前記第１軸Ｘにおいて前記ノズル３０、３２の全体で流速がほぼ一定であり、前記第２軸Ｙにおいて前記ノズル３０、３２の中央がより流速が速くなるように形成されているので、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、図６に示すように円形状のノズル３４を用いてもよい。この場合、ノズルは、第１軸Ｘ側内面３６が、第２軸Ｙ側内面３８より、処理液との間の摩擦力が小さくなるように形成されている。例えば、ノズル３４は、第１軸Ｘ側内面３６を、第２軸Ｙ側内面３８より、高温に保持することとしてもよい。また、ノズル３４は、第１軸Ｘ側内面３６を、第２軸Ｙ側内面３８より、粗さが小さくなるように形成してもよい。さらにノズル３４は、第１軸Ｘ側内面３６を、処理液に対し非親和性を有するように形成してもよい。
このように形成されたノズル３４を備えることにより、ノズル部１６Ｄは、前記第１軸Ｘにおいて前記ノズル３４の全体で流速がほぼ一定であり、前記第２軸Ｙにおいて前記ノズル３４の中央がより流速が速くなるように形成されるので、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
（シミュレーション）
ノズル内の流体の流れをシミュレーションにより求めた。レイノルズ数（Ｒｅ）は、下記式（１）で求めることができる。
Ｒｅ＝（ρ・ｕ・Ｄ）／μ・・・（１）
ノズル内の流体の流れをシミュレーションにより求めた。レイノルズ数（Ｒｅ）は、下記式（１）で求めることができる。
Ｒｅ＝（ρ・ｕ・Ｄ）／μ・・・（１）
但し、ρ：密度（ｋｇ／ｍ３）、ｕ：平均流速（ｍ／ｓ）、Ｄ：円管直径（ｍｍ）、μ：粘度（Ｐａ・ｓ）である。Ｒｅ＜２０００のとき、流体の流れは層流とみなすことができる。
ここで平均流速ｕは、ｍ：重量流量（ｋｇ／ｓ）、Ａ：断面積（ｍ２）とすると、下記式（２）で求めることができる。
ｕ＝ｍ／（ρＡ）・・・（２）
ｕ＝ｍ／（ρＡ）・・・（２）
半径Ｒの円管に流れる流体の半径方向の位置ｒにおける流速ｕ（ｒ）は、下記式（３）で求めることができる。
ｕ（ｒ）＝２ｕ{１−（ｒ／Ｒ）２}・・・（３）
ｕ（ｒ）＝２ｕ{１−（ｒ／Ｒ）２}・・・（３）
半径方向の位置ｒにおけるせん断速度γ（ｒ）は、下記式（４）で求めることができる。
γ（ｒ）＝｜ｄｕ／ｄｒ｜＝４ｕｒ／Ｒ２・・・（４）
γ（ｒ）＝｜ｄｕ／ｄｒ｜＝４ｕｒ／Ｒ２・・・（４）
また、せん断応力τは、τ＝μ・（ｄｕ／ｄｒ）＝μγ（ｒ）の関係にある。
（モデル）
流体は、非圧縮ニュートン流体とし、ＮＭＰ（Ｎ‐メチル‐２‐ピロリドン）に対しＰＩ（ポリイミド）を８．５ｗｔ％含む溶液（密度ρ：１０５２ｋｇ／ｍ３）、粘度μ：０．２６Ｐａ・ｓ）を想定して計算した。ノズル形状は、図７に示すように、正面形状が長円形状であるノズルとした。各部の寸法を表１に示す。比較例として、真円形状であって直径が異なる２種のノズルについて計算した。
流体は、非圧縮ニュートン流体とし、ＮＭＰ（Ｎ‐メチル‐２‐ピロリドン）に対しＰＩ（ポリイミド）を８．５ｗｔ％含む溶液（密度ρ：１０５２ｋｇ／ｍ３）、粘度μ：０．２６Ｐａ・ｓ）を想定して計算した。ノズル形状は、図７に示すように、正面形状が長円形状であるノズルとした。各部の寸法を表１に示す。比較例として、真円形状であって直径が異なる２種のノズルについて計算した。
（計算結果）
図８及び図９に実施例１〜３に係るノズルの速度分布のシミュレーション結果を示す。図９は、縦軸が最大の流速を１００とした場合の流速到達率（％）、横軸がＸ軸又はＹ軸方向の位置を示す。図１０及び図１１は比較例１及び２のシミュレーション結果である。本図から、実施例１〜３に係るノズルは、Ｘ軸とＹ軸において流速分布が異なり、Ｘ軸において速度が一定の領域があることが確認された。一方、比較例１及び２に係るノズルは、Ｘ軸とＹ軸において、流速分布が同じである。
図８及び図９に実施例１〜３に係るノズルの速度分布のシミュレーション結果を示す。図９は、縦軸が最大の流速を１００とした場合の流速到達率（％）、横軸がＸ軸又はＹ軸方向の位置を示す。図１０及び図１１は比較例１及び２のシミュレーション結果である。本図から、実施例１〜３に係るノズルは、Ｘ軸とＹ軸において流速分布が異なり、Ｘ軸において速度が一定の領域があることが確認された。一方、比較例１及び２に係るノズルは、Ｘ軸とＹ軸において、流速分布が同じである。
図１２に実施例１に係るノズルの、ノズル入口から０．５ｍｍまでの速度ベクトルを示す。図１３は、比較例１及び２の速度ベクトルである。
図１４及び図１５に実施例１〜３に係るノズルのせん断速度分布のシミュレーション結果を示す。図１５は、縦軸がせん断速度（１／ｓ）、横軸がＸ軸又はＹ軸方向の位置を示す。図１６及び図１７は比較例１及び２のシミュレーション結果である。本図から、実施例１〜３に係るノズルは、Ｘ軸とＹ軸においてせん断速度の分布状態が異なり、Ｘ軸においてせん断速度が一定の領域があることが確認された。一方、比較例１及び２に係るノズルは、Ｘ軸とＹ軸において、せん断速度の分布が同じである。
高せん断速度領域の面積率を計算した結果を表２に示す。またせん断速度が１×１０７（１／ｓ）のときの高せん断領域を図１８に示す。本図から、実施例１〜３に係るノズルは、高せん断速度領域（本図中黒色部分）の面積が広く、さらにせん断速度が小さい領域（本図中白色部分）も広く形成されていることから、ノズル全体として、処理液に含まれる固形物が流路に詰まるのを防止しながら、固形物をより細かく分散することができるといえる。
一方、比較例１は、ノズル内径が大きいことから、高せん断速度領域の面積が狭くほぼせん断速度が小さい領域で占められているので、固形物を効率的に分散させるのが困難といえる。また比較例２は、高せん断領域の面積は広いものの、せん断速度が小さい領域が狭いので、固形物が流路に詰まりやすいといえる。
１０ 分散装置
１６Ａ〜１６Ｄ ノズル部
２４，３０，３２，３４ ノズル
３６ 第１軸側内面
３８ 第２軸側内面
Ｄ 第１軸側内面間の距離
Ｆ 進行方向
Ｈ 第２軸側内面間の距離
Ｘ 第１軸
Ｙ 第２軸
１６Ａ〜１６Ｄ ノズル部
２４，３０，３２，３４ ノズル
３６ 第１軸側内面
３８ 第２軸側内面
Ｄ 第１軸側内面間の距離
Ｆ 進行方向
Ｈ 第２軸側内面間の距離
Ｘ 第１軸
Ｙ 第２軸
Claims (5)
- 加圧された処理液がノズルを通過することによって、前記処理液に含まれる固形物を分散させる分散装置において、
前記ノズルは、
円柱状の部材に、前記処理液の進行方向に平行に開口しており、
前記進行方向に直交する第１軸の側の内面間の距離Ｄが、前記進行方向及び前記第１軸に直交する第２軸の側の内面間の距離Ｈより、長く形成されており、前記距離Ｄは５０〜３００μｍであり、前記距離Ｄと前記距離Ｈとの比Ｄ／Ｈは１．５〜１６であり、
前記第１軸において、前記ノズルの全体で流速がほぼ一定であり、前記第２軸において、前記ノズルの中央がより流速が速い
ことを特徴とする分散装置。 - 加圧された処理液がノズルを通過することによって、前記処理液に含まれる固形物を分散させる分散装置において、
前記ノズルは、
前記処理液の進行方向に直交する第１軸の側の内面が、前記進行方向及び前記第１軸に直交する第２軸の側の内面より、高温に保持されており、
前記第１軸において、前記ノズルの全体で流速がほぼ一定であり、前記第２軸において、前記ノズルの中央がより流速が速い
ことを特徴とする分散装置。 - 加圧された処理液がノズルを通過することによって、前記処理液に含まれる固形物を分散させる分散装置において、
前記ノズルは、
前記処理液の進行方向に直交する第１軸の側の内面が、前記進行方向及び前記第１軸に直交する第２軸の側の内面より、粗さが小さく、
前記第１軸において、前記ノズルの全体で流速がほぼ一定であり、前記第２軸において、前記ノズルの中央がより流速が速い
ことを特徴とする分散装置。 - 加圧された処理液がノズルを通過することによって、前記処理液に含まれる固形物を分散させる分散装置において、
前記ノズルは、
前記処理液の進行方向に直交する第１軸の側の内面が、前記処理液に対し非親和性を有し、
前記第１軸において、前記ノズルの全体で流速がほぼ一定であり、前記第２軸において、前記ノズルの中央がより流速が速い
ことを特徴とする分散装置。 - 加圧された処理液がノズルを通過する工程を備え、前記処理液に含まれる固形物を分散させる分散方法において、
円柱状の部材に、前記処理液の進行方向に平行に開口しており、前記進行方向に直交する第１軸の側の内面間の距離Ｄが、前記進行方向及び前記第１軸に直交する第２軸の側の内面間の距離Ｈより、長く形成されており、前記距離Ｄは５０〜３００μｍであり、前記距離Ｄと前記距離Ｈとの比Ｄ／Ｈは１．５〜１６である前記ノズルに、
前記第１軸において、前記ノズルの全体で流速がほぼ一定であり、前記第２軸において前記ノズルの中央がより流速が速くなるように、前記処理液を通過させることを特徴とする分散方法。
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