誘導帯電現象を利用した気相中の微粒子積層技術の研究

• Project/Area Number: 21K14449
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 27010:Transport phenomena and unit operations-related
• Research Institution: National Institute of Occupational Safety and Health,Japan
• Principal Investigator: 庄山 瑞季 独立行政法人労働者健康安全機構労働安全衛生総合研究所, 電気安全研究グループ, 任期付研究員 (30631741)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 粉体 / 電場 / 誘導帯電 / 輸送 / 積層 / 分散 / 微粒子 / 静電場 / 浮揚 / 紫外線 / 移送 / 混合 / 粒子 / 帯電

Outline of Research at the Start

本研究では、誘導帯電現象を利用して気相中で同極性に帯電・分散させた微粒子の運動を複数の外部電場で制御し、意図した位置に静電沈着によって積層させる技術の確立を目的とする。
従来技術を応用して気相中で誘導帯電させた多数の粒子をクーロン力によって浮揚させ、分散状態を維持したまま複数の電場で移送したのち静電沈着による積層造形を行う。また、付着性・凝集性が高く気相中でのハンドリングが難しいナノ粒子への適用法を構築する。
これにより、革新的な積層造形技術が確立し、従来材料の高付加価値化が促進される。また、粒子自体の複合化や表面改質への応用に加え、クリーンな製造プロセスによる循環型社会の実現が期待できる。

Outline of Annual Research Achievements

気相中で固体粒子が有する付着性をそのまま利用する積層造形技術は、一般に利用されているめっき法、蒸着法、溶射法と比べて低コストで、薬液使用による環境負荷や熱による材料変質、組成変化がないというメリットがある一方、粒子の分散状態を保持することが難しい。本研究では、電場と振動を利用した気相中の微粒子積層技術の確立を目指す。これにより、個々の粒子の帯電と運動を同時に制御し、分散させた状態で積層させることができるため、粒子を短時間で連続的 に移送・供給するシステムにおける積層デザインが可能となる。2023年度の研究実績は以下の通りである。
1. 電圧が印加された振動ノズルから付着性・凝集性が高い粒子径6.4 μmの粒子を鉛直下向きに供給する実験を行い、凝集粒子の解砕が主に管壁との衝突により生じることを確認した。また、粒子供給部の振動周波数と粒子間付着力の関係についての理論的考察を行い、分散状態で粒子が供給される条件を明らかにした。
2. 振動ノズルから分散状態で供給された粒子径6.4 μmの粒子を静電加速電極によって輸送したのち電極上に積層させる実験を行った。ノズルと電極によって形成される電場を解析し、電場中の帯電粒子の軌跡を計算した結果、電極構成および電極間の電位差が粒子の積層範囲に影響を及ぼすことが明らかになった。
3. 粒子径30 μmの粒子による実験結果との比較を行った結果、粒子に作用する慣性と電場による浮揚特性が粒子径によって異なるので、粒子径に合わせた電極構成と電場の強度を選択する必要があることが分かった。

Research Products

• [Journal Article] 粉体混合による放電抑制の可能性 (2023)
  • Author(s): 庄山瑞季
  • Journal Title: Journal of Occupational Safety and Health Volume: 16 Issue: 1 Pages: 83-86
  • DOI: 10.2486/josh.JOSH-2022-0023-KE
  • ISSN: 1882-6822, 1883-678X
  • Year and Date: 2023-02-28
  • Open Access
• [Journal Article] A novel mixing method for levitated particles using electrostatic fields (2022)
  • Author(s): Shoyama M., S. Nishida, S. Kai, M. Yasuda, K. Choi and S. Matsusaka
  • Journal Title: Advanced Powder Technology Volume: 33 Issue: 11 Pages: 103812-103812
  • DOI: 10.1016/j.apt.2022.103812
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effective Use of External Electric Field for Charging and Levitation of Particles under UV Irradiation (2022)
  • Author(s): Mizuki Shoyama, Taiki Sugaya, Shuji Matsusaka
  • Journal Title: IEEE Transactions on Industry Applications Volume: - Issue: 4 Pages: 5287-5291
  • DOI: 10.1109/tia.2022.3167376
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charging of Particles Using Electric Field and Its Application to Powder Handling Operations (2021)
  • Author(s): 松坂 修二，庄山 瑞季
  • Journal Title: THE MICROMERITICS Volume: 65 Issue: 0 Pages: 3-10
  • DOI: 10.24611/micromeritics.2022005
  • NAID: 130008129293
  • ISSN: 0429-9051, 2432-2075
  • Year and Date: 2021-12-15
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of Direction and Strength of External Electric Field on Particle Charging and Levitation under UV Irradiation (2021)
  • Author(s): Mizuki Shoyama, Taiki Sugaya, Shuji Matsusaka
  • Journal Title: Conference Record of the IEEE Industry Applications Society Annual Meeting (IAS) Volume: - Pages: 1-4
  • DOI: 10.1109/ias48185.2021.9677386
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 電場を利用した粉体の帯電とハンドリング (2023)
  • Author(s): 庄山瑞季
  • Organizer: 静電気学会 静電気基礎研究委員会
  • Invited
• [Presentation] ダストの静電除去およびハンドリング (2023)
  • Author(s): 庄山瑞季
  • Organizer: 第二回 月－地球圏ダスト環境ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 複合電場と振動を利用した粒子の新しい連続分散供給と混合 (2022)
  • Author(s): 庄山瑞季
  • Organizer: 粉体工学会 2022年度 春季研究発表会
• [Presentation] 電場による乾式粉体の均質輸送と積層造形 (2022)
  • Author(s): 庄山瑞季，太田昌宏，安田正俊，松坂修二
  • Organizer: 第46 回静電気学会全国大会
• [Presentation] 静電運動制御を利用した乾式粉体の輸送と積層 (2022)
  • Author(s): 庄山瑞季，太田昌宏，安田正俊，松坂修二
  • Organizer: 化学工学会 第53回秋季大会
• [Presentation] Transport and deposition of fine particles using electrostatic acceleration in a powder process (2022)
  • Author(s): M. Ota, M. Shoyama, M. Yasuda and S. Matsusaka
  • Organizer: 9th World Congress on Particle Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electrostatic mixing and neutralization of particles using electrostatic fields (2022)
  • Author(s): Mizuki Shoyama, Kwangseok Choi, Shuji Matsusaka
  • Organizer: International Workshop of Industrial Safety and Health （WISH2022）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 粒子の付着強度分布に及ぼす電場と湿度の影響 (2021)
  • Author(s): 西川 諒, 庄山 瑞季, 松坂 修二
  • Organizer: 化学工学会第52回秋季大会
• [Presentation] 紫外線照射と電場による誘電性粒子の帯電と浮揚機構の検討 (2021)
  • Author(s): 下畠 佑太, 菅谷 太輝, 庄山 瑞季, 松坂 修二
  • Organizer: 化学工学会第52回秋季大会
• [Presentation] 誘導帯電を利用した気相中の粒子混合 (2021)
  • Author(s): 太田 昌宏, 西田 周平, 甲斐 壮太, 庄山 瑞季, 松坂 修二
  • Organizer: 化学工学会第52回秋季大会
• [Presentation] Novel Continuous Particle Mixing System using Electrostatic Levitation by Induction Charging (2021)
  • Author(s): Mizuki Shoyama, Shuhei Nishida1, Sota Kai, Masatoshi Yasuda, Shuji Matusaka
  • Organizer: The 8th Asian Particle Technology Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of Direction and Strength of External Electric Field on Particle Charging and Levitation under UV Irradiation (2021)
  • Author(s): Mizuki Shoyama, Taiki Sugaya, Shuji Matsusaka
  • Organizer: 2021 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting
  • Int'l Joint Research