説明

媒体撹拌型分散機

【課題】ロータ/ステータ間の間隙が保たれ、分散媒体の噛み込みやロータとステータとの接触が抑制される媒体撹拌型分散機を提供する。
【解決手段】分散媒および分散質粒子を含む被処理液を導入する液入口26と、分散媒体による被処理液の分散処理後の処理液を排出する液出口30と、外ケース20の中心部に回転軸36が配置され、外ケース20に固定されたステータ18と回転軸36に取付けられたロータ16とを備えるロータステータ型の予備分散機構を設けた第一の分散部22と、分散容器10と、分散容器10の内部に設けられた撹拌手段とを備える第二の分散部24と、を有し、第一の分散部22におけるロータ16の外周面と回転軸36の軸とのなす角度が、0度以上30度以下の範囲である媒体撹拌型分散機である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、媒体撹拌型分散機に関する。
【背景技術】
【0002】
媒体撹拌型分散機(メディア分散機)は、回転軸周りに回転する撹拌機構を備えた容器(分散室)内で、分散媒と分散質粒子とを含む被処理液と、硬質かつ球形等の分散媒体(メディア、ビーズ等)とを撹拌し、分散媒体の衝突やせん断等によって、被処理液中の分散質粒子を小さくする湿式分散装置であり、汎用的に利用されている。
【0003】
このような媒体撹拌型分散機では、充填される分散媒体の径によって、有効に作用する分散質粒子の大きさがほとんど決まっており、被処理液中に、数ミクロンから数ミリメートルの大きな粒子が含まれる場合は、比較的大きな分散媒体を充填した媒体撹拌型分散機で粗分散を行った後、次いで比較的小さい分散媒体を充填した媒体撹拌型分散機で微分散を行う多段処理が行われていた。
【0004】
媒体撹拌型分散機を複数台使用することは、設備投資額が高くなること、運転動力が掛かることから、被処理液に含まれる粗大粒子の割合や、分散のし易さ等によっては、1段階で処理を行ったり、粗分散を媒体撹拌型分散機より安価で運転動力の低いロータステータ型に置き換えたりしている。ロータステータ型分散機は、外ケースの中心部に回転軸が配置され、外ケースに固定されたステータと回転軸に取付けられたロータとを備える。
【0005】
例えば、特許文献1には、ロータステータ型分散機と媒体撹拌型分散機とを組み合わせた分散方法が記載されている。
【0006】
また、特許文献2には、ロータステータ型分散機と媒体撹拌型分散機とを一体化した分散装置が記載されている。この装置は、粗大粒子の分散に好適なロータステータ型の粗粉砕部により処理された一次液を、媒体撹拌型の微粉細部においてさらに微粒子化して効率良く分散することにより、略均一に微粒化された被処理液が得られ、かつ分離機構の閉塞の問題を回避できる点で優れている。ロータステータ型分散機では、回転軸に取り付けられたロータとステータとの間隙をできるだけ一定に保つことが求められ、近年の分散媒体の小径化の要求に対応するために、例えば直径0.1mmの分散媒体に対して、20μm以上50μm以下のロータ/ステータ間の間隙が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開平7−051590号公報
【特許文献2】特開平8−173826号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明は、ロータ/ステータ間の間隙が保たれ、分散媒体の噛み込みやロータとステータとの接触が抑制される媒体撹拌型分散機である。
【課題を解決するための手段】
【0009】
請求項1に係る発明は、分散媒および分散質粒子を含む被処理液を導入する液入口と、分散媒体による前記被処理液の分散処理後の処理液を排出する液出口と、外ケースの中心部に回転軸が配置され、前記外ケースに固定されたステータと前記回転軸に取付けられたロータとを備えるロータステータ型の予備分散機構を設けた第一の分散部と、分散容器と、前記分散容器の内部に設けられた撹拌手段とを備える第二の分散部と、を有し、前記第一の分散部における前記ロータの外周面と前記回転軸の軸とのなす角度が、0度以上30度以下の範囲である媒体撹拌型分散機である。
【発明の効果】
【0010】
請求項1に係る発明によると、第一の分散部におけるロータの外周面と回転軸の軸とのなす角度が0度以上30度以下の範囲ではない場合に比較して、ロータ/ステータ間の間隙が保たれ、分散媒体の噛み込みやロータとステータとの接触が抑制される媒体撹拌型分散機が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の実施形態に係る媒体撹拌型分散機の一例を示す概略構成図である。
【図2】本発明の実施形態に係る媒体撹拌型分散機の他の例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【0013】
本発明の実施形態に係る媒体撹拌型分散機の一例の概略構成を図1に示し、その構成について説明する。媒体撹拌型分散機1は、分散媒および分散質粒子を含む被処理液を導入する液入口26と、分散媒体による被処理液の分散処理後の処理液を排出する液出口30と、外ケース20の中心部に回転軸36が配置され、外ケース20に固定されたステータ18と回転軸36に取付けられたロータ16とを備えるロータステータ型の予備分散機構を設けた第一の分散部22と、分散容器10と分散容器10の内部に設けられた撹拌手段として撹拌装置12とを備える第二の分散部24と、を有する。第二の分散部24は、分散容器10の内部に設けられ、液出口30を覆うスクリーン14を備えてもよい。
【0014】
図1の媒体撹拌型分散機1において、液入口26は第一の分散部22の外ケース20の上部に設けられ、第一の分散部22の下方に第二の分散部24が設けられている。第一の分散部22と第二の分散部24とは一体となって構成されてもよい。液出口20は第二の分散部24の分散容器10の下部に設けられてスクリーン14に覆われている。外ケース20に固定されたステータ18の外周面と回転軸36に取付けられたロータ16の外周面との間に間隙が形成され、この間隙が液通過部34となっている。分散容器10の上部には、分散媒体を投入するための分散媒体投入口28が設けられている。分散容器10の内部は分散室32となっており、撹拌装置12は例えば撹拌羽根等の撹拌部材と撹拌軸とを有し、図示しないモータ等の駆動手段により回転軸36を中心にロータ16とともに撹拌羽根等が回転される。スクリーン14は、液出口30を覆うようにして分散容器10の下部の中央部付近に設置されている。
【0015】
本実施形態に係る媒体撹拌型分散機1の動作について説明する。
【0016】
ビーズ等の分散媒体を分散媒体投入口28から分散室32に投入する。図示しないモータ等の駆動手段により回転軸36を回転させることにより、ロータ16および撹拌装置12の撹拌羽根等の撹拌部材を回転させながら、水等の分散媒および顔料等の分散質粒子を含む被処理液を、液入口26より外ケース20内にポンプ等により導入する。導入された被処理液は、第一の分散部22において、ステータ18の外周面とロータ16の外周面との間の間隙により形成された液通過部34を通過し、せん断力等が与えられて粗粉砕される(一次分散工程)。粗粉砕された一次液は、液通過部34の終端部から排出され、第二の分散部24の分散室32に供給される。分散室32において、一次液は、撹拌羽根等により撹拌される分散媒体の間で摩擦力を受けて分散処理され(二次分散工程)、スクリーン14を経て液出口30から処理液として排出される。一次液に含まれる分散質粒子は、分散媒体の間で摩擦力を受けることにより、細かな粒子に粉砕される。この間に一次液は撹拌作用を受け、粉砕された分散質粒子は分散媒内で混合されて分散状態となる。スクリーン14は、分散容器10の出口部において処理液と分散媒体とを分離する作用を果たす。このようにして分散処理が行われる。
【0017】
このような連続式の媒体撹拌型分散機において、回転軸36に取り付けられたロータ16の外周面とステータ18の外周面の間隙をできるだけ一定に保つことが難しかった。本実施形態に係る媒体撹拌型分散機1において、第一の分散部22におけるロータ16の外周面と回転軸36の軸とのなす角度aが、0度以上30度以下の範囲である。これにより、ロータ16の設置位置に僅かなずれがあっても、ロータ/ステータ間の間隙がほぼ一定に保たれ、分散媒体の噛み込みやロータとステータとの接触等が抑制される。
【0018】
なお、図1の媒体撹拌型分散機1において、ロータ16の外周面とステータ18の外周面の間隙、すなわち液通過部34は、被処理液が導入される始端部から一次液が排出される終端部までほぼ一定である。この構成により、回転軸36の軸方向におけるロータ16の設置位置を調整することによって、ロータ16の外周面とステータ18の外周面の間隙、すなわち液通過部34の幅が容易に調整される。
【0019】
本実施形態に係る媒体撹拌型分散機1を用いることで、従来二段階で行っていた予備分散操作と分散操作とが、一台の装置で簡便に行われる。また、例えば直径0.1mmの分散媒体に対して、20μm以上50μm以下のロータ/ステータ間の間隙という、近年の分散媒体の小径化の要求にも対応し、装置組付けの際のわずかなずれもほとんど許容される。
【0020】
第一の分散部22におけるロータ16の外周面と回転軸36の軸とのなす角度aは、0度以上30度以下の範囲であり、0度以上10度以下の範囲であることが好ましい。角度aは、0度以上30度以下の範囲であることにより、ステータ18に対するロータ16の回転軸36の軸方向への組付けのずれがあっても、ロータ/ステータ間の間隙がほぼ一定に保たれる。角度aが30度を超えると、ステータ18に対するロータ16の回転軸36の軸方向への組付けのずれがあった場合に、ロータ/ステータ間の間隙の変化幅が大きくなり、所望の間隙に合せ込むことが困難となる。角度aが0度以上10度以下の範囲であることにより、実際に組付けた際の間隙と所望の間隙との差が小さくなり、目的の前処理レベルに制御することができる。
【0021】
ロータ16の外周面とステータ18の外周面の間隙、すなわち液通過部34の幅は、処理対象の被処理液中の分散質粒子の粒径や目的の分散に応じて適宜設定すればよいが、20μm以上200μm以下であることが好ましく、30μm以上100μm以下であることがより好ましい。液通過部34の幅が20μm未満であると、僅かな組付けのずれや装置の振動等でロータとステータが接触し、装置の損傷に繋がる場合があり、200μmを超えると、第二の分散部に用いるメディア径に対して比較的大きい粒子を通過させることとなり、第二の分散部での処理効率が低下する場合がある。
【0022】
図2に、本発明の実施形態に係る媒体撹拌型分散機の他の一例の概略構成を示す。図2の媒体撹拌型分散機1において、ロータ16の外周面とステータ18の外周面の間隙、すなわち液通過部34の幅は、被処理液が導入される始端部が広く、一次液が排出される終端部が狭くなっている。この構成により、被処理液に含まれる分散質粒子の粒径が比較的大きい場合でも、1回の処理で処理される。
【0023】
始端部におけるロータ16の外周面とステータ18の外周面の間隙、すなわち始端部における液通過部34の幅は、処理対象の被処理液中の分散質粒子の粒径や目的の分散に応じて適宜設定すればよいが、500μm以上5000μm以下であることが好ましく、1000μm以上3000μm以下であることがより好ましい。始端部における液通過部34の幅が500μm未満であると、粗大粒子が始端部に吸い込まれず、閉塞する場合があり、5000μmを超えると、第一の分散部22内で間隙が急激に狭まり、粗大粒子が十分に解されないまま終端部に押込まれて閉塞する場合がある。終端部におけるロータ16の外周面とステータ18の外周面の間隙、すなわち終端部における液通過部34の幅は、処理対象の被処理液中の分散質粒子の粒径や目的の分散に応じて適宜設定すればよいが、20μm以上200μm以下であることが好ましく、30μm以上100μm以下であることがより好ましい。終端部における液通過部34の幅が20μm未満であると、組付けの際の軸方向に対する僅かな傾きでロータとステータが接触し、装置が破損する場合があり、200μmを超えると、小径メディアを使う際に第二の分散部24での処理効率が低下する場合がある。
【0024】
ロータ16およびステータ18としては、従来公知の材質のものを使用すればよい。
【0025】
スクリーン14は、例えば円筒等の筒状等のものであり、金属、樹脂、セラミックス等により構成される。スクリーンの開口部の径等は、目的とする分散に応じて適宜決めればよい。
【0026】
分散媒体としては、分散質粒子の粉砕効果があるものであればよく、特に制限はないが、例えば、ビーズ、メディア等が挙げられる。分散媒体の材質、形状、大きさ等は、目的とする分散に応じて適宜決めればよい。
【0027】
分散質粒子としては、例えば、顔料、磁性材料、電池材料、各種研磨剤等が挙げられる。
【0028】
分散媒としては、例えば、水、アルコール等の有機溶媒等が挙げられる。
【0029】
撹拌部材としては、撹拌羽根、円筒体、円盤状撹拌ディスク、撹拌アーム等が挙げられ、円筒体には棒状の突起物やピン、面状の凹凸やスリットなどが施されていてもよい。また、ディスクの外周は平面状である他、歯車状や鍵十字状等の加工を施したり、円盤平面にディスクを貫通する孔を複数個設けるなどしてもよい。撹拌アームには、Z形状やΣ形状など、公知の様々な形状を選択してもよい。
【0030】
本実施形態に係る媒体撹拌型分散機および媒体撹拌型分散機における洗浄方法は、例えば、静電荷像現像用トナー用材料、各種インク用材料、液晶ディスプレイ用材料、化粧品用材料等の各種材料の製造に用いられる。
【実施例】
【0031】
以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【0032】
<実施例1>
(黒色顔料分散液の調製)
底弁付ステンレス容器に、下記の材料を秤量し、顔料の粉体が液中に取り込まれるまで撹拌し、被処理液とした。
カーボンブラック(キャボット社製、R330) 20質量部
界面活性剤(花王社製、エマール0) 2質量部
イオン交換水 78質量部
【0033】
次いで、ロータの外周面と回転軸の軸とのなす角度aが0度であり、さらに第一の分散部のロータと第二の分散部の撹拌機構が一体型である図2に示す連続式の媒体撹拌型分散機を用いて、分散処理を行った。分散処理は、被処理液をチューブポンプで底弁から連続的に分散機へ送液し、分散機を通過した液を別の容器へ連続的に回収するパス方式で行った。被処理液の流量は、1kg/minとした。分散処理を行う間、被処理液の入ったステンレス容器は緩やかに撹拌を継続し、また、分散機のジャケットには15℃の冷却水を通水して、極力発熱を抑えた。
【0034】
第一の分散部のロータ/ステータの間隙は、始端部で2000μm、終端部で50μmになるように調整した。第二の分散部の分散室には、分散媒体として直径0.1mmのジルコニアビーズを投入し、分散室内容積に対する充填率は80%とした。第二の分散部の撹拌羽根の周速を12m/secに設定したため、同一の軸で回転する第一の分散部のロータの周速は、6m/secであった。スクリーンとしては、開口部の径が50mmのもの(内径44mm、高さ60mmの円筒状)を用いた。
【0035】
上記条件にて、50kgの被処理液の分散操作を行ったところ、1時間の運転中、粗大粒子の閉塞や異音の発生もなく、安定的に運転を完了することができた。また、顔料の体積平均粒径を日機装社製マイクロトラックUPAで測定したところ、分散の初期から終盤まで、安定して150nm以上160nm以下と十分な分散性を示した。さらに分散機を一度分解洗浄した後、ロータ、ステータを再度組付けて同様の分散処理を繰り返しても、運転の安定性に問題はなく、一度目と二度目の体積平均粒径の差は3nmと、測定誤差範囲に収まっていた。なお、使用した測定器での測定誤差は±5nm程度である。
【0036】
<実施例2>
ロータの外周面と回転軸の軸とのなす角度aが30°であり、さらに第一の分散部のロータと第二の分散部の撹拌機構が一体型である図1に示す連続式の媒体撹拌型分散機を用いた以外は、実施例1と同様の分散処理を行った。第一の分散部のロータ/ステータの間隙は、始端部から終端部まで50μmになるように調整した。50kgの被処理液の分散操作を行ったところ、1時間の運転中、粗大粒子の閉塞や異音の発生もなく、安定的に運転を完了することができた。また、顔料の体積平均粒径は、実施例1と同じく、150nm以上160nm以下と十分な分散性を示した。さらに分散機を一度分解洗浄した後、ロータ、ステータを再度組付けて同様の分散処理を繰り返しても、運転の安定性に問題はなかったものの、一度目と二度目の体積平均粒径の差は8nmと、僅かながら拡大した。これは、一度目の間隙と再組付け時の間隙の差に起因すると考えられる。
【0037】
<実施例3>
ロータの外周面と回転軸の軸とのなす角度aが10°である図1に示す連続式の媒体撹拌型分散機を用いた以外は、実施例2と同様の分散処理を行った。第一の分散部のロータ/ステータの間隙は、始端部から終端部まで50μmになるように調整した。50kgの被処理液の分散操作を行ったところ、1時間の運転中、粗大粒子の閉塞や異音の発生もなく、安定的に運転を完了することができた。また、顔料の体積平均粒径は、実施例1と同じく、150nm以上160nm以下と十分な分散性を示した。さらに分散機を一度分解洗浄した後、ロータ、ステータを再度組付けて同様の分散処理を繰り返しても、運転の安定性、分散粒度に問題はなく、一度目と二度目の体積平均粒径の差は4nmと、測定誤差範囲に収まっていた。
【0038】
<実施例4>
ロータの外周面と回転軸の軸とのなす角度aが15°である図1に示す連続式の媒体撹拌型分散機を用いた以外は、実施例2と同様の分散処理を行った。第一の分散部のロータ/ステータの間隙は、始端部から終端部まで50μmになるように調整した。50kgの被処理液の分散操作を行ったところ、1時間の運転中、粗大粒子の閉塞や異音の発生もなく、安定的に運転を完了することができた。また、顔料の体積平均粒径は、実施例1と同じく、150nm以上160nm以下と十分な分散性を示した。さらに分散機を一度分解洗浄した後、ロータ、ステータを再度組付けて同様の分散処理を繰り返しても、運転の安定性、分散粒度に問題はなく、一度目と二度目の体積平均粒径の差は5nmと、測定誤差範囲に収まっていた。
【0039】
<実施例5>
ロータの外周面と回転軸の軸とのなす角度aが0°である図1に示す連続式の媒体撹拌型分散機を用いた以外は、実施例2と同様の分散処理を行った。第一の分散部のロータ/ステータの間隙は、始端部から終端部まで50μmになるように調整した。50kgの被処理液の分散操作を行ったところ、1時間の運転中、粗大粒子の閉塞や異音の発生もなく、安定的に運転を完了することができた。また、顔料の体積平均粒径は、実施例1と同じく、150nm以上160nm以下と十分な分散性を示した。さらに分散機を一度分解洗浄した後、ロータ、ステータを再度組付けて同様の分散処理を繰り返しても、運転の安定性、分散粒度に問題はなく、一度目と二度目の体積平均粒径の差は2nmと、測定誤差範囲に収まっていた。
【0040】
<比較例1>
ロータの外周面と回転軸の軸とのなす角度aが45°である図1に示す連続式の媒体撹拌型分散機を用いた以外は、実施例2と同様の分散処理を行った。第一の分散部のロータ/ステータの間隙は、始端部から終端部まで50μmになるように調整した。50kgの被処理液の分散操作を行ったところ、1時間の運転中、粗大粒子の閉塞や異音の発生もなく、安定的に運転を完了することができたが、顔料製品の中に、未分散の粗大粒子が体積基準で2%以上5%以下残っていた。また、分解洗浄後に再度組付けた2回目の分散では、分散機から異音が発生した。異音の原因は、組付けた際にロータ/ステータの間隙が、精密に50μmに設定できておらず、ロータ/ステータ間が狭すぎて粗大粒子を噛み込んだか、逆に広過ぎて第二の分散部のビーズが混入した可能性が考えられる。
【0041】
<比較例2>
ロータの外周面と回転軸の軸とのなす角度aが35°である図1に示す連続式の媒体撹拌型分散機を用いた以外は、実施例2と同様の分散処理を行った。第一の分散部のロータ/ステータの間隙は、始端部から終端部まで50μmになるように調整した。50kgの被処理液の分散操作を行ったところ、1時間の運転中、粗大粒子の閉塞や異音の発生もなく、安定的に運転を完了することができた。しかし、分解洗浄後に再度組付けた2回目の分散では、一度目と二度目の体積平均粒径の差は13nmと明らかに拡大した。これは、組付け位置のズレにより、第一の分散部での前処理レベルが変化したためと考えられる。
【0042】
このように、実施例1〜5では、第一の分散部におけるロータの外周面と回転軸の軸とのなす角度aを0度以上30度以下の範囲とすることにより、比較例1,2に比べて、ロータの設置位置に僅かなずれがあっても、ロータ/ステータ間の間隙が保たれ、分散媒体の噛み込みやロータとステータとの接触が抑制された。
【符号の説明】
【0043】
1 媒体撹拌型分散機、10 分散容器、12 撹拌装置、14 スクリーン、16 ロータ、18 ステータ、20 外ケース、22 第一の分散部、24 第二の分散部、26 液入口、28 分散媒体投入口、30 液出口、32 分散室、34 液通過部、36 回転軸。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
分散媒および分散質粒子を含む被処理液を導入する液入口と、
分散媒体による前記被処理液の分散処理後の処理液を排出する液出口と、
外ケースの中心部に回転軸が配置され、前記外ケースに固定されたステータと前記回転軸に取付けられたロータとを備えるロータステータ型の予備分散機構を設けた第一の分散部と、
分散容器と、前記分散容器の内部に設けられた撹拌手段とを備える第二の分散部と、
を有し、
前記第一の分散部における前記ロータの外周面と前記回転軸の軸とのなす角度が、0度以上30度以下の範囲であることを特徴とする媒体撹拌型分散機。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2013−59723(P2013−59723A)
【公開日】平成25年4月4日(2013.4.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−199518(P2011−199518)
【出願日】平成23年9月13日(2011.9.13)
【出願人】(000005496)富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【Fターム(参考)】