2016 Fiscal Year Research-status Report
局所流動性評価に基づく非球形粒子の流動性基準球相当径および形状係数
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15K06542
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
後藤 邦彰 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (20215487)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 圧縮成形 / 圧縮流動 / 粉体流動性 / 粒子付着特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、供給や輸送、圧縮成形などの粉体単位操作での粉体の流動のし易さ、いわゆる「流動性」の評価法の確立を目的としている。初年度には、粒子の実流動操作として圧縮成形操作を対象として、定量化するべき局所流動挙動を検討した結果、圧縮流動時には圧縮速度により成形体の強度が変化する、すなわち、粒子充填構造が変化することが明らかとなった。この圧縮成形時の粒子充填構造不均一さのスケール（＝規模）を定量化するために、成形体内に空気を透過させ、その透過圧力損失から内部凝集構造を推定できる空気透過法試験装置を作製した。この装置により、一次粒子がナノオーダーの場合、一次粒子が数個以上凝集した数十～数百ナノ（＝サブミクロン）の凝集体が充填された構造であることが明らかとなった。このことは、ナノ粒子については、一次粒子を基本単位とするのではなく、数十ナノの凝集体を基本単位とした圧縮流動が起きていることを示唆し、このオーダーの局所流動挙動を定量化する必要があることを示す。そこで、平成28年度は、ミクロンオーダーの振動により流体の粘度を測定する音叉式粘度計を、粒子群の局所流動抵抗定量化へ適用することを試みた。その結果、音叉を構成する振動板の振動と直交する鉛直方向に加振する加振装置を開発し、音叉振動により部分的に圧縮された粒子群の再分散を行うことで、ナノオーダーから数十ミクロンの無機粒子および有機物粒子の見かけの流動抵抗が測定可能となった。
この装置では、粒子－粒子間および粒子－振動板間の２つの相互作用に基づく流動抵抗が測定される。この測定値の物理的意味と、本研究で目的とする流動時の粒子－粒子間相互作用力を分離することを目的に、飛散現象に基づく粒子－固体壁間の相互作用力の定量化装置を新規に開発し、基準粒子－基準表面間の付着性との相対値で、粒子－固体壁間の付着特性が評価可能であることを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでに「実流動操作結果との比較による推定値妥当性の検討」に必要な、球形粒子および非球形粒子の圧縮実験を行い、粒子種類による圧縮流動の違いを定量的に把握することができている。また、主たる目的である「局所流動試験装置の試作」のために「局所流動」の規模の把握が必要となったため、圧縮流動時の凝集粒子径の定量化のために、空気透過法試験装置を作製した。この新たに作成した試験装置により、圧縮後の成形体内の凝集粒子サイズを把握することができた。本結果より、本研究計画時には一次粒子の大きさを基準と考えていたが、実流動操作では、特にナノ粒子においては凝集粒子として挙動している可能性が示唆された。そこで、局所流動性評価装置として、ミクロンオーダーの振幅を持つ平板の振動により流体の粘度を測定する音叉式粘度計の適用を着想した。この音叉式粘度計はミクロンオーダーの振幅を持つ微小水平振動する振動板に作用する流体抵抗から流体粘度を計測するものであるが、粒子群に適用すると振動板振動により板近傍の粒子が圧縮されることで空間が生じることが明らかとなった。そこで、振動板の振動と直交する鉛直方向に加振する加振装置を開発し、圧縮された粒子群の再分散を試みた結果、ナノオーダーから数十ミクロンの無機粒子および有機物粒子の見かけの流動抵抗が測定可能となった。この見かけ流動抵抗と粒子形状など粒子物性との関係を検討するために必要な粒子－固体壁間、粒子－粒子間相互作用力のそれぞれの定量化にも着手した。このうち粒子－固体壁間相互作用について、新規に飛散現象に基づく付着性評価手法を提案し、研究集会にて口頭発表を行った。
以上のように、当初計画に沿って新規の局所挙動評価方法を開発した。さらに、その評価方法をより詳細に解析するための付着性評価方法も新たに提案しており、本研究はおおむね順調に進展していると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初計画では、初年度はモデル系として数ミクロンから数十ミクロン程度の球形粒子を用い検討することを予定していたが、実流動操作として圧縮流動に着目し、入手できたナノオーダーの微小粒子も含めて圧縮実験を行った。この検討により、新たな課題としてナノ粒子凝集体サイズの定量化が見つかり、その課題解決のため、当初計画にはなかった空気透過法試験装置を試作した。このため、当初計画の「局所流動性評価装置の試作」については、初年度に若干の遅れが生じたが、28年度には、空気透過法試験装置により明らかとなった、実流動操作では、特にナノ粒子においては凝集粒子として挙動している可能性を考慮した上で、局所流動性評価方法として音叉式粘度計の適用を着想した。実際に種々の粉体の測定の結果から、市販品である音叉式粘度計での粉体測定に対する問題点を明らかとし、粉体加振装置を追加することによりで、ナノオーダーから数十ミクロンの無機粒子および有機物粒子の見かけの流動抵抗が測定可能とした。28年度には、この見かけ流動抵抗と粒子形状など粒子物性との関係を検討するために必要な粒子－固体壁間、粒子－粒子間相互作用力のそれぞれの定量化にも着手した。このうち粒子－固体壁間相互作用について、新規に飛散現象に基づく付着性評価手法を提案した。
よって、29年度は、当初予定どおり、これまでの成果を踏まえ、球形・非球形を含むナノオーダーからミクロンオーダーまでの種々の粒子について局所流動性、および、粒子－固体壁間相互作用力を評価し、27年度に取得した実流動操作結果（＝圧縮試験結果）との比較により、局所流動性およびそこから得られると期待される粒子間相互作用力の評価結果の妥当性の検証を行う。
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| Causes of Carryover |
当初計画の「局所流動試験装置の試作」の設計過程において局所のスケール（＝規模）が必要となったことから、「実流動操作結果との比較による推定値妥当性の検討」に必要な球形粒子および非球形粒子の圧縮実験を実施し、さらに、圧縮流動時の粒子構造解析のために、新たに空気透過法試験装置を作製した。これらの結果に基づき、局所流動性評価方法として音叉式粘度計の適用を着想し、粉体加振装置を開発・追加することで、粉体の見かけの流動抵抗を測定可能とした。一方、局所流動性評価結果の妥当性検証で重要となる、粒子－固体壁間相互作用力評価について、これまでの検討結果を踏まえた飛散現象に基づく粒子付着性評価法を提案し、装置を試作した。このように、研究の実施により新たに得られた結果に基づき、研究目的である「粉体の流動性の評価法の確立」のため評価装置設計を変更したことが、次年度使用額が生じた理由である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
（理由）に示したように、新たな課題の検討のため新規装置を開発・試作したが、新規装置、特に粒子付着力評価実験が若干遅れたことにより経費に残額が生じた。現在、28年度に開発した付着力評価装置の改造を行っているため、経費残額は29年度当初に使用する予定である。
なお、29年度に使用を予定していた経費は、主に、試料粒子購入費であり、これは本年度予定している、局所流動性およびそこから得られると期待される粒子間相互作用力の評価結果の妥当性の検証のために、計画通り使用予定である。
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