特集

微粒子ナノテクノロジーが新材料開発の扉を拓く

超高精度気流式分級機“エアロファインクラシファイア”と各種ナノ粉体製造への活用
小澤

1．はじめに電子部品の高機能化と小型化に伴い，材料粉体で

表1分類

一般的な特徴

水平流型
垂直流型
ジグザグ型

慣性分級

粒子の慣性力を利用して分級（慣性力：空気抗力）

直線型
曲線型
ルーバー型

粒子を得るための分級ニーズが高まっている。従来は「1μm 以上」は乾式分級，「1μm 未満」は湿式分クロン領域さらにはナノ領域であっても乾式分級への要求・期待が大きくなっている。その理由として，
湿式粉砕・湿式分級を用いて微細かつ均一な大きさの粉体をいくら得られたとしても，乾燥工程によって大きな凝集粒子が発生し，この凝集粒子が最終製

本報告では，サブミクロン粉体さらにはナノ粉体の分級用として，特に電子材料分野を中心に利用されている超高精度気流式分級機「エアロファインクラ
シファイア（AC）」の特徴と分級例を中心に紹介する。

2．エアロファインクラシファイアの概要
表 1 に示すように乾式分級は，大きく 4 つに分類される1）。数＋μm から数μm の分級では，ローターを高速で回転させて粒子に遠心力を与える遠心分級機が広く用いられており，当社でもロータータイプ

遠心分級 自由渦，半（ 自 由 渦，自由渦によ半自由渦） る遠心力と空気抗力のつりあいで分級（遠心力：空気抗力）

・構 造 が 比 較 的 簡
単・比較的細かいところでの分級（1〜20μm）
・サイ
クロンなどではあまり高粉体濃度，精密分級は望めず

遠心分級 強制渦によ（強制渦） る遠心力と空気抗力つりあいで分級（ 遠 心力：空気抗力）・比較的構造が複雑 各種エアセパレータ
で動力もかかる・ ミクロンセパレータ
微粉領域まで分級 ミクロプレックス
可能，分級範囲広 アキュカット
い （ 0 . 5 〜1 0 0 ターボクラシファイμm）
・高粉体濃度，アー精密分級が可能の分級機ターボクラシファイア（図 1）を製造，販原料分級ローター売している。このような分級機でサブミクロン領域に対応するためには，ローターを高速で回転させる必要であるが，軸受部品の著しい寿命の低下，振動，粉体投入口

粗粉取り出し口
粗粉空気バランス
ローター＊）KOZAWA Kazumi：日清エンジニアリング㈱

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サイクロン
ファントンゲレン
クラシクロン
ディスパーションセ
パレータ
ミクロプレックス

空気

発熱のリスク増大のため難しい。そこでサブミクロ

粉体事業部機器販売センター センター長〒356 0043 埼玉県ふじみ野市鶴ヶ岡 5 3 77
TEL：049 264 3148 FAX：049 264 9367
E mail：kozawa.kazumi@nisshin.com

・構造が簡単・比較
的粒径の粗いとこ
ろでの分級（10〜250μm）・ 高 粉 体
濃度が可能，比較的大容量が可能・
精密分級に不適・細 か い 分 級 範 囲 エルボージェット（0.5〜50μm）・ 精 バリアブルインパク
密分級も可能ター

品の品質に大きな影響を及ぼしていることがある。
による粒子径制御が望まれているのである。

代表的な機種粒子の落下 ・構造が簡単・粒径速度，落下の粗いところでの位置の違い
分 級（200〜2000
により分級μm）
・あまり高粉（ 重 力： 空体濃度が期待でき気抗力）
ない・精密分級に適さない

信頼性，強度向上を目的とした均一な大きさの微小したがって，最終の粒度調整として，乾式分級処理

乾式分級装置の分類

重力分級

ある粒子の微小化が進み，さらには部品の安定性，級と明確に棲み分けされていたが，近年ではサブミ

分級原理

和三＊）

図1

微粉
渦巻き
ケーシング

ターボクラシファイア概略図
化学装置

100

原料

微粉

傾斜
羽根

出口

羽根角度
90°

2次空気
分級効率〔%〕

メイン空気
2次空気

図280° 70°
60°

7550

粗粉25

エアロファインクラシファイア概略図0圧力測定

供給機
原料

微粉回収
フィルタ

P

分級原料：
ポリエステル樹脂
圧力：0.5MPa110
粒子径〔µm〕

図4

吸引ブロア

100

羽根角度による分級径の調節

100
分級原料：ポリエステル樹脂
羽根角度：90°空気
エアロファインクラシファイア
粗粉回収
容器

分級効率〔%〕

圧縮空気

750.4MPa
0.45MPa
0.5MPa5025

図30.3MPa

運転フローン領域に対応できる分級機として，サイクロンのようなローターレスの旋回気流式の遠心分級機に着目した。旋回流であれば風速 200〜300m/s までは比較

00.35MPa1

図52345
粒子径〔µm〕

10

圧縮空気圧力による分級径の調節

的容易に高速にすることができ，粒子には非常に大きな遠心力を与えることができる。このような発想

散」「再分級」「整流」に心懸け，装置形状や装置構で開発した分級機がエアロファインクラシファイア

造を決定している。

である。

本装置では， 分級径の調節方法が 2 通りある。

エアロファインクラシファイアの特長は「微粉か1 つは，渦を発生させるために設けた複数の羽根のつ高精度な分級」「分級点の容易な調節」「コンタ角度を変化させること，もう 1 つは羽根の上部からミレスの実現」の 3 つである。図 2 に装置の概略図，噴射している圧縮空気の圧力を変化させることであ図 3 に運転フローを示す。本装置はブロアの吸引にる。分級径を大きく変化させる場合は羽根の角度をよって大気中から空気を取り込み，装置外周部に傾変更し，分級径を小さく変化させる場合は圧縮空気斜させた複数の羽根の間に空気を通すことで，装置の圧力を変更する。中位径 5μm のポリエステル樹内部に旋回流を発生させている。また羽根の上下に脂を用いて，羽根角度を変化させた場合の部分分級

圧縮空気を噴射して遠心分級に必要な旋回流を加速

効率を図 4，圧縮空気圧力を変化させた場合の部分し，従来よりも微小な粒子を分級できるようにした。

分級効率を図 5 に示す。羽根角度は 60°〜90°（接線分級原料を装置上部から定量供給し，分級した粗粉方向を 90°としている）とし，羽根角度によって高を装置下部の容器で回収し，微粉を装置中央部にあい分級精度を保ちながら分級径を大きく変更するこる排気管から空気とともに排出する。装置の後段にとができている。また圧縮空気圧力を変化させるとは微粉を回収するためのフィルタを設けている。微分級径を細かく調整できることがわかる。またブロ粉領域での高精度分級を達成するために「粒子の分アの吸引風量を一定とし，分級径を変化させた場合

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微粗粉除去による中間サイズの領域を取り出すこと50に利用できる。しかしながら，エアロファインクラ

分級原料：ポリエステル樹脂
ブロア風量：2m3/min

シファイアを使用するお客様の目的はほとんど粗粉分級径〔µm〕Key 羽根角度除去である。サブミクロン粉体やナノ粉体を電子部

90°
80°
70°
60°

10品材料などに利用する場合，粒子を分散させた後に塗布などにより薄層・積層化する操作が重要であり，歩留まりや性能低下を招く原料中の大粒子の除去が必須となっているからである。
図 7 に金属シリコンナノ粒子の分級前後の SEM1写真を示す。金属シリコンは，リチウムイオン 2 次
100

電池のさらなる高容量化を実現できる負極材料とし3020

装置の圧力損〔kPa〕（渦の強さを表す）

図6て注目されているが，Li＋の挿入・脱離による体積分級径と装置の圧力損失の関係変化が大きく，金属シリコン粒子の分解・破壊が進むことによって，十分な電池寿命が得られないことの分級径と装置の圧力損失の関係を図 6 に示す。風が課題となっている。この解決手段として，金属シ量一定であれば，羽根の角度を変化させた場合でもリコンを 150nm 以下までに微小化することが報告

圧縮空気圧力を変化させた場合でも分級径と圧力損されている。エアロファインクラシファイアで分級失には相関があり，装置出口の圧損を見ておけば内することで，原料中に含まれている 150nm 以上の粒部の渦の様子や分級径を常に把握することができる。

子を除去できていることから，金属シリコンを用いた負極材の耐久性向上が期待できる。図 8 に導電性

3．サブミクロン〜ナノ粉体の分級例

ペースト材料やパワー半導体向け材料に利用される分級機は目的の粒子径で大粒子，小粒子の 2 つに銀ナノ粒子の分級前後の SEM 写真を示す。原料中分ける装置であるため，微粉除去，粗粉除去またはに混在する数百 nm の粒子を取り除くことができて

分級前

分級後

1μm
図71μm

金属シリコンナノ粒子の分級例

分級前

分級後

100nm
図854100nm

銀ナノ粒子の分級

化学装置

分級前

分級後

1μm
図91μm

ニッケルナノ粒子の分級例

分級前

分級後

1μm
図 101μm

シリカナノ粒子の分級例

分級前

分級後

1μm
図 111μm

アルミナナノ粒子の分級例いる。ニッケルナノ粒子の分級前後の SEM 写真を下の高精度分級であるが，エアロファインクラシフ

図 9 に示す。近年，電子機器を小型・高性能化する

ァイアではナノ粉体の分級が可能であり，特にナノために，高積層化と薄膜化による積層セラミックコ粉体原料の粗粉除去用として利用されている。電子ンデンサの開発が進められており，電極材料となる材料の高機能化，小型化，高信頼性のニーズはますニッケルナノ粒子には電極間でショートの原因になます高まっており，ナノ粉末の高精度分級は重要なる大粒子が含まれていないことが重要である。エア操作になってきていると考える。乾式分級のより一ロファインクラシファイアを用いた分級微粉中には，層の利用拡大に向けて，企業様，研究機関と協力さ数百 nm 以上の粒子が見られない。その他，半導体せていただきながら，新技術開発や技術の深掘りにの封止剤などに利用されるシリカやアルミナの分級取り組んでいきたい。

例を図 10 と図 11 にそれぞれ示す。

4．おわりにこれまで難しいとされてきた乾式による 1μm 以
2021 年 5 月号

〈参考文献〉
1 ）（社）日本粉体工業技術協会編： 粉体分級技術マニュア
ル ，広信社，p.62，p.150 160（1990）

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