ビーズミルとは
ビーズミルとは、ビーズと呼ばれる粒子を使って、ナノレベルにまで非常に細かく粉砕を可能にさせる湿式の粉体などの媒体を攪拌粉砕する機械です。
ビーズミルの歴史は、戦後の日本において、五十嵐機械製造(現在のAIMEX)がデュポン社の持つ技術をベースにして、独自の技術を織り交ぜて、日本初のビーズミルを完成させたのが、国内創成期になります。その後、国内の高度成長に伴う拡大期、平成以降の成熟期を経て、現在の最新型ビーズミルに至っています。
ビーズミルの使用用途
ビーズミルの市場における使用実績例としては、各種対象物の粉砕が主な使用例ですが、対象物は食品、陶磁器の表面にあるガラス層用金属酸化物、磁気テープ酸化鉄、積層のセラコン用チタン酸バリウムなど様々なものが対象になっており、多くの粉砕用途に活用されています。
最近では、ナノ分散ニーズが増加しており、例えば、液晶のカラーフィルターに使用する有機顔料の分散、ハードコート用ジルコニアの分散、化粧品用の酸化チタンの分散などでは、100mm以下の粒子を分散させるために、ビーズミルが活用されています。
ビーズミルの原理
図1. ビーズミルの構造
湿式ビーズミルは、ビーズと粒子が分散したスラリーを容器内に充填させ、攪拌ローターで高速攪拌させることでビーズとスラリー中の粒子が衝突することで粒子を微細化します。ビーズミルは、使われるビーズのサイズを変えることで、粒子に付与するエネルギー量の調整が可能になります。
例えば、硬い粒子の粉砕やより小さい粒子径への粉砕には強いエネルギーが必要であり、そのためには比較的大きいビーズを高速で接触させる必要があります。一方で、小さいビーズでは衝突エネルギーは小さくなりますが、ビーズ量が多くなることで粒子との衝突回数が増えるため、処理速度を高めることが可能です。
また、大きいビーズによる強い粉砕では粒子が過剰に粉砕されることで粒子が再凝集されてしまうため、分散においてもより小さいビーズの方が適しています。このように、粉砕や分散のエネルギーは、細分化できる粒子の大きさと硬度や処理速度にも影響し、さらにビーズと粒子がぶつかり合う頻度は、処理する速度にも影響を与えています。また、ビーズの動くスペースの大きさは、も大きな影響を与える重要な要素です。
ビーズミルの選び方
原理ではビーズの大きさや速度が粉砕性能に及ぼす影響について言及しました。一方で、ビーズと粉砕した粒子を分離する必要がありますが、この方式もビーズミルの性能が重要となります。分離方式は主に三つあり、スリット方式、スクリーン方式、遠心分離方式があります。
スリット方式は狭い隙間にスラリーを通すことで分離する方法です。基本的に0.3mm以上のビーズを使用し、粘性のあるスラリーにおいても安定して使用できます。スクリーン方式はスリット方式と同様に隙間を用いて分離する方式であり、0.1mm以上のビーズが使用されます。
遠心分離方式は遠心力によりスラリーとビーズを分離する方式で0.1mm以下の微小ビーズにも適用可能です。上記で説明したように、ビーズの大きさは粉砕能力に大きく影響を及ぼします。スリット方式やスクリーン方式はサブミクロンレベルの粉砕などで採用されることが多く、遠心分離方式ではナノサイズの粉砕や分散に採用されることが多いです。
参考文献
https://www.aimex-apema.co.jp/seihin_beadmill/beadsmilltowa.html
https://www.aimex-apema.co.jp/case/2018/03/20/30