JPWO2015129805A1 - 材料混合方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2014年02月28日に出願された日本国特願2014−038777号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
混合材料を水平に設置した2枚のパラレルプレートで挟み、下部のパラレルプレートを固定した状態で上部のパラレルプレートにトルクを加えて一方向に回転させる。これにより、2枚のパラレルプレートで挟んだ混合材料にせん断応力を加える。せん断応力の強さの関数として混合材料の流動性を表すせん断速度を測定することにより、混合材料が流動を始める時のせん断応力が得られる。この「混合材料が流動を始める時のせん断応力」を、求める降伏応力とする。
以下、本実施形態の材料混合方法について順に説明する。
本実施形態の材料混合方法においては、固体材料として、粒子状であり、液体材料と混合して塑性体を形成するものであれば、無機材料と有機材料とのいずれも用いることができる。ここで「粒子状」とは、粉状および粒状の両方を含む。固体材料の粒子径分布は、単分散であってもよく、多分散であってもよい。
カオリンやベントナイトに代表される粘土、泥などの鉱物;
石炭、活性炭、グラフェン、カーボンナノチューブなどの炭素素材;
金属酸化物;を挙げることができる。
また、本実施形態の材料混合方法において用いる液体材料としては、水および有機溶媒のいずれであってもよい。有機溶媒としては、メタノール、エタノールなどのアルコール、ヘキサン、デカン、石油エーテルのような炭化水素の他、エーテル、ケトン、アミン、エステルなど、通常知られた種々のものを用いることができる。
次いで、材料混合方法について説明する。
第1の材料混合方法では、まず、上述の固体材料と液体材料、またはコロイド粒子と分散媒を、液性限界以上かつ塑性限界以下の体積比率となるように混合する。これにより、塑性体の混合材料が得られる。
「力学的な外場」とは、混合材料を撹拌したり流動させたりする場合に混合材料に加わるせん断力や、混合材料を一方向に往復させて混合材料に加える振動などを指す。
「電磁気的な外場」には、「電気的な外場」と「磁気的な外場」とを含む。「電磁気的な外場」とは、混合材料を構成する固体粒子が誘電体や磁性体である場合に、混合材料に対して加わる電気的または磁気的な外力を指し、例えばクーロン力やローレンツ力が挙げられる。電磁気的な外場は、定常的であってもよく時間変動してもよい。電磁気的な外場が定常的であるものとしては、直流電流に起因したものが挙げられる。また、電磁気的な外場が時間変動するものとしては、交流電流に起因したものが挙げられる。
まず、本実施例においては、モデル実験により発明の効果を確かめた。
(実施例1)
固体材料として炭酸カルシウム(鹿1級、関東化学社製)、液体材料として純水を用い、混合して複数の体積比率の固液混合材料を調整した。
〈条件〉
振動数:40rpm、振幅:15mm、加振時間:1分間
〈条件〉
振動数:42kHz、照射時間:1分間
超音波照射を行わないこと以外は実施例1と同様にして、乾燥物を乾燥破壊させて破壊の様子を観察した。
(実施例2)
固体材料をフッ化カルシウム(鹿1級、関東化学社製)とし、液体材料をエタノールとし、体積比率を20%、加振時の振動数を120rpmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、乾燥物を乾燥破壊させて破壊の様子を観察した。
固体材料を炭酸水酸化マグネシウム(鹿1級、関東化学社製)とし、体積比率を7.7%、加振時の振動数を120rpmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、乾燥物を乾燥破壊させて破壊の様子を観察した。
体積比率を12.5%としたこと以外は、実施例3と同様にして、乾燥物を乾燥破壊させて破壊の様子を観察した。
固体材料をコーンスターチ(特級、和光純薬社製)とし、体積比率を47.4%、加振時の振動数を60rpmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、乾燥物を乾燥破壊させて破壊の様子を観察した。
液体材料を塩化ナトリウム(特級、関東化学社製)の0.1mol/L水溶液とし、体積比率を25%、加振時の振動数を99rpmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、乾燥物を乾燥破壊させて破壊の様子を観察した。
体積比率を35%としたこと以外は、実施例6と同様にして、乾燥物を乾燥破壊させて破壊の様子を観察した。
超音波照射を行わないこと以外は、対応する実施例と同様にして、乾燥物を乾燥破壊させて破壊の様子を観察した。
図2は、実験3で用いる実験装置100を示す模式図である。実験装置100は、加振装置10と超音波照射装置20とを有している。
実験装置100を用いて、固液混合材料に対し37kHzの超音波振動を伝播させたこと以外は、実施例1と同様にして、乾燥物を乾燥破壊させて破壊の様子を観察した。
固液混合材料に対し71kHzの超音波振動を伝播させたこと以外は、実施例8と同様にして、乾燥物を乾燥破壊させて破壊の様子を観察した。
固液混合材料に対し102kHzの超音波振動を伝播させたこと以外は、実施例8と同様にして、乾燥物を乾燥破壊させて破壊の様子を観察した。
超音波照射を行わないこと以外は実施例8と同様にして、乾燥物を乾燥破壊させて破壊の様子を観察した。
次いで、本実施例においては、セメント試験片の破壊強度を測定することにより発明の効果を確かめた。
(a.セメントペーストの作製)
水と砂入りセメント(トーヨーマテラン社製、インスタントセメント(汎用セメント))とを、質量比で水:セメント=3:10の割合となるようにそれぞれ秤量して1分間混合し、セメントペーストを作製した。なお、用いたインスタントセメントは、ポルトランドセメント、シリカサンド、接着剤を含むものである。また、セメントペーストの作製法は、用いた砂入りセメントの製品袋に記載された方法に従ったものである。
次いで、76mm×27mm×30mmの直方体状の空間を有するシリコン容器にセメントペーストを、48g流し込んだ。シリコン容器は、セメントペーストの充填前に、予め容器型超音波洗浄機(SW5800、シチズン社製、長軸直径148mm、短軸直径125mm)の容器に配置させていた。
次いで、振盪機(TAITEC社製、トリプルシェイカーNR−80)を用い、シリコン容器および容器型超音波洗浄機ごと、セメントペーストを水平方向に加振した。加振の条件は、以下の通りであった。
〈条件〉
振動数:60rpm、振幅:シリコン容器の長尺方向に15mm、加振時間:1分間
水平振動の停止後、容器型超音波洗浄機の容器内に水を張り、容器型超音波洗浄機を駆動させ、容器型超音波洗浄機内の固液混合材料に超音波振動を直接照射した。超音波照射の条件は、以下の通りであった。
〈条件〉
振動数:42kHz、照射時間:1分間
超音波照射後、温度24℃±1℃、湿度30%±10でセメントペーストを静置保存し、固化させてセメント試験片を作製した。得られたセメント試験片は、長さ:約76mm×幅:約27mm×厚み:約11mmであり、質量:約40gであった。
上記(d.セメントペーストへの超音波照射)を行わなかったこと以外は、実施例11と同様にして、比較例9のセメント試験片を作製した。
上記(c.セメントペーストへの加振)および(d.セメントペーストへの超音波照射)を行わなかったこと以外は、実施例11と同様にして、比較例10のセメント試験片を作製した。
得られたセメント試験片について、卓上型精密万能試験機(島津製作所製、オートグラフAGS−X)を用い、3点曲げ法により破壊強度測定を行った。具体的には、固化したセメント試験片をシリコン容器から取出し、固化させた時の鉛直上下方向を保ったまま取り出したセメント試験片を試験機に設置して破壊強度測定を行った。
〈条件〉
圧子先端半径:5mm、圧子先端幅:34mm、支点先端半径:5mm、支点先端幅:34mm、支点間距離(スパン):50mm、圧子下降速度:1mm/分
また、粉末焼結方式、粉末石膏方式、インクジェット方式の3Dプリンタにおいては、造形物を構成する粉末等の粒子が、分散媒や硬化前の液状樹脂で濡れている状態(完全に硬化する前)で本実施形態の材料混合方法を実施することで、造形物の形状を保持したまま、ミクロな異方性を消去することができる。一般に、3Dプリンタによって得られた造形物は層構造を有するが、本実施形態の材料混合方法を実施することで、層間の異方性を消去し、より強固な構造物することが期待できる。
また、本実施形態の材料混合方法を用いて材料を混合しながら化学反応を生じさせると、均一な反応が期待できることから、化学プラントにおいて原料を混合する際に有用である。
Claims (6)
- 粒子状の固体材料および液体材料、またはコロイド粒子および前記コロイド粒子の分散媒を、体積比率が液性限界以上かつ塑性限界以下となるように混合した混合材料に外場を加える工程と、
前記混合材料を静置した後、前記混合材料の内部に、前記混合材料の降伏応力を超えるエネルギーを有する超音波振動を伝播させる工程と、を有する材料混合方法。 - 前記外場は、力学的な外場である請求項1に記載の材料混合方法。
- 前記粒子状の固体材料が誘電体または磁性体であり、
前記外場は、電磁気的な外場である請求項1に記載の材料混合方法。 - 粒子状の固体材料および液体材料、またはコロイド粒子および前記コロイド粒子の分散媒を、体積比率が液性限界以上かつ塑性限界以下となるように混合しながら、得られる混合材料の内部に、前記混合材料の降伏応力を超えるエネルギーを有する超音波振動を伝播させる工程を有する材料混合方法。
- 粒子状の固体材料および液体材料、またはコロイド粒子および前記コロイド粒子の分散媒を、体積比率が液性限界以上かつ塑性限界以下となるように混合して得られる混合材料を静置した状態で、前記混合材料の内部に、前記混合材料の降伏応力を超えるエネルギーを有する超音波振動を伝播させる工程を有する材料混合方法。
- 前記超音波振動を伝播させる工程では、前記混合材料に対して複数の方向から前記超音波振動を伝播させる請求項1から5のいずれか1項に記載の材料混合方法。
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