混合・混錬技術
混合は、複数の粉体や粒子径が異なる粉体を乾燥状態、あるいはごく少量の液体を加えてかき混ぜて均質化する操作のことで、造粒･成形の前処理に行われる場合が多い。
この時、液体やペースト等を添加し、練りながら紛体の周りに添加物をコーティングして紛体に凝集力あるいは可塑性を付与したりする場合を「混錬」と呼ぶ。これらの区別は比較的漠然としており、明瞭な境界はつけにくい。
混合の機構
個々の粉粒体粒子は自己拡散的性質を持たないため、外力で混合させる必要がある。混合を進行させるには粉流体を強力に攪拌し、あるいは転勤させ、静止部を生じないようにする必要がある。混合の機構としては、
- 対流(移動)混合：混合機内の粒子群の大きな移動の繰返し
- せん断混合：粉体内の速度分布の差によって生じる粒子相互のすべりなどによる分布作業
- 拡散混合：近接した粒子相互の位置交換による局所的、拡散的な混合機構
などがある。混合はこれらの機構が相互に作用しながら進行する。
混合は原材料の配合、複合材料化、各プロセスの前処理操作、最終製品の調整など多様な目的に使われている。また、その均質化は最終的な製品の品質に直接大きく影響する場合が多い。そのためこれまでにそれぞれの使用目的と対象物質に応じたいろいろな装置・技術が多数開発されてきている。
粉体混合で重要なことは、粉粒体の物性と混合度との関係であろう。つまり混合操作において粒径や密度の異なる粉末でも、その流動性が悪くてもいかに目的に合った混合物を得るかということである。また粉体物性と混合度の関係を知っておくと、操作条件の決定や合理的な混合機の機種選定および設計が可能となる。
混合・混錬機選定のポイント
- 混合内部の粉体が最終的に出口で均一化されていればいいのか（少品種多量生産向き）、全体として均一であればいいのか（多品種少量生産向き）。
- 混合性能を総合的に評価して選ぶ混合機の性能は粉体物性、操作条件、使用目的などによって異なる。また混合機によってもそれぞれ特徴があるので目的に合わせた選択が必要である。
主な混合機の分類と適用性
一般に混合機といっても混錬機・造粒機・粉砕機などと兼用になったものや、複合機能化されたものが多い。粉粒体に与える機械作用の種類によって次のように大別される。
- 容器回転型…容器自体が回転、振動、揺動する。
- 容器固定型…容器は動かずに羽根等、または気流の吹き込みで攪拌する。
- 複合型 …上の両者を合わせたもの。
混合状態を評価するためにはサンプリングが重要なポイントである。サンプルが満たすべき条件は、対象をなるべく乱さないことおよび採取したサンプルが混合物全体を代表していることの2点である。サンプルサイズとサンプル数をどのくらいにするかは重要かつ困難な問題である。機械の選定と共にサンプリングの方法も粉粒体に応じて決定することが大切である。
容器回転型
| 混合機型式 | 回分式 | 連続式 | 粒径範囲(mm) | 物性差小 | 物性差大 | 摩耗性 | 含水率 | 流動性安息角(deg) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.0 以上 |
0.1 ∫ 1.0 |
0.01 ∫ 0.1 |
数μｍ 以下 |
乾燥 | 湿潤 | 大 35 以下 |
中35 ∫ 45 |
小45 以 上 |
粘着性大 | |||||||
| 回転軸が水平 | 水平円筒 | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ○ | - | ◎ | - | - | ◎ | - | ◎ | ○ | - | - |
| 傾斜円筒 | ◎ | - | ◎ | ◎ | ○ | - | ◎ | ○ | - | ◎ | - | ◎ | ○ | - | - | |
| V型 | ◎ | - | ◎ | ◎ | ○ | - | ◎ | - | - | ◎ | - | ◎ | ○ | - | - | |
| 二重円すい | ◎ | - | ◎ | ◎ | ○ | - | ◎ | - | - | ◎ | - | ◎ | ○ | - | - | |
| 正立方体 | ◎ | - | ◎ | ◎ | ○ | - | ◎ | ○ | - | ◎ | - | ◎ | ○ | - | - | |
| S字型 | ◎ | - | ◎ | ◎ | ○ | - | ◎ | - | - | ◎ | - | ◎ | ○ | - | - | |
| 連続V型 | - | ◎ | ◎ | ◎ | ○ | - | ◎ | - | - | ◎ | - | ◎ | ○ | - | - | |
◎：適当 ○：使用可能
容器固定型
| 混合機型式 | 回分式 | 連続式 | 粒径範囲(mm) | 物性差小 | 物性差大 | 摩耗性 | 含水率 | 流動性安息角(deg) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.0 以上 |
0.1 ∫ 1.0 |
0.01 ∫ 0.1 |
数μｍ 以下 |
乾燥 | 湿潤 | 大 35 以下 |
中35 ∫ 45 |
小45 以 上 |
粘着性大 | |||||||
| 回転軸が水平 | リボン | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | - | - | ◎ | ○ | ◎ | ◎ | - | - |
| スクリュー | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ○ | - | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | |
| ロッドまたはピン | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | - | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | |
| 複軸パドル | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | - | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | |
| 回転軸が垂直 | リボン | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | - | - | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | - |
| スクリュー | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | - | - | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | |
| 円すい型スクリュー | ◎ | - | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | - | - | ◎ | ○ | ◎ | ◎ | ◎ | - | |
| 高速流動 | ◎ | - | ◎ | ◎ | ◎ | - | ◎ | - | - | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ○ | - | |
| 回転円板 | - | ◎ | ◎ | ◎ | ○ | - | - | - | - | ◎ | - | ◎ | ○ | - | - | |
| マラー | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | - | - | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | |
| 振動 | 振動ミル | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | - | ◎ | ○ | - | ◎ | - | ◎ | ◎ | ◎ | - |
| ふるい | - | ◎ | ◎ | ◎ | ○ | - | ◎ | - | ◎ | ◎ | - | ◎ | ◎ | ○ | - | |
| 気流 | 移動・流動層 | ◎ | - | ◎ | ◎ | - | - | ◎ | - | ◎ | ◎ | - | ◎ | ○ | - | - |
| 重力 | 無攪拌 | - | ◎ | ◎ | ◎ | - | - | ◎ | - | ◎ | ◎ | - | ◎ | - | - | - |
◎：適当 ○：使用可能
複合型
| 混合機型式 | 回分式 | 連続式 | 粒径範囲(mm) | 物性差小 | 物性差大 | 摩耗性 | 含水率 | 流動性安息角(deg) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.0 以上 |
0.1 ∫ 1.0 |
0.01 ∫ 0.1 |
数μｍ 以下 |
乾燥 | 湿潤 | 大 35 以下 |
中35 ∫ 45 |
小45 以 上 |
粘着性大 | |||||||
| 回転型に内説羽根 | 水平円筒 | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | - | ◎ | ○ | - | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ○ | - |
| V型 | ◎ | - | ◎ | ◎ | ◎ | - | ◎ | ○ | - | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ○ | - | |
| 二重円すい | ◎ | - | ◎ | ◎ | ◎ | - | ◎ | ○ | - | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ○ | - | |
| 気流と機械的攪拌 | ◎ | - | ◎ | ◎ | ○ | - | ◎ | - | ◎ | ◎ | - | ◎ | ◎ | - | - | |
◎：適当 ○：使用可能