最近の超微粉粉体材料の粉砕および分級に関する研究
Study on Grinding and Classifying Technologies
of The Latest Ultra Fine Powder Materials
2003 年 2 月 17 日
石戸克典
製品トナーの粒度分布の例

岡山大学大学院自然科学研究科（平均粒径９.0μm）
物質分子科学専攻
第1章 緒論
1.2% below 5μm

1-1
〇

研究の背景

0.3％ above 15μm

粉砕分級技術は原料素材（粉体）の粒度を調整する代表的手法である。

〇

特にサブミクロン粒子製造という場合には、＊粉砕機に対しては 1 µm 以下の粒子を可Fig.1 Particle size distribution of toner

能な限り多く、短時間に、なおかつエネ分級微粉ルギーコストがかからぬよう製造すると原材料①いう技術が要求される。
＊分級機に対しては、粉砕後でも残留する

予備混合混
練粗粉
砕粗粉

微粉砕

数 µm 以上の粗大粒子を正確に収率良く分級

微粉分級粗粉（閉回路粉砕分級）除去するという厳しい条件が要求される。

分級

外添混合篩

製品

充填原材
料
②

Fig.2 Example of production process of toner

1-1-1

トナーの製造技術

Classifier

トナーはコピーやプリンタあるいはファ

CycloneBag House

Bag House

Raw Material

クシミリなどの乾式現像剤として知られ、単価が高い（数万円/kg）。また、画像特性

FeederBlowerなどを上げるため粒度分布の比較的整った、
Cyclone

いわゆるシャープな粒度分布を持った粉体

Mechanical
Mill

Classifier
Blower

Air C oolerである。現在では、平均粒径７〜１１μm

Productのものが主流（Fig.1 に代表的なトナーの粒

Fine grinding process

Fine classifying process度分布を示す）で、1200DPI 程度までのレ

Fig.3 Flow sheet of toner grinding andーザープリンターでは、粉砕トナーが一般

classifying processに使われている。（Fig.2 に一般的な粉砕-1-

Fine particles less than 5µm [vol.%]

トナーの製造プロセスを、Fig.3 に粉砕分級フローを示す。）2400DPI 位の高解像度のレーザープリンターになると重合トナーが使われ始めており、平均粒径が 5.5μm という微粉トナーも市場に出回り始めている。トナーは、微粉砕と同時に、過粉砕による目的粒径以下の微粉（通常 5μm 以下）の発生を抑えなければならない（にじみ、汚れ

28

Closed circuit system

24Mechanical mill
Jet mill

201612840を減らすため）。そのため、微粉の発生量の678910 11 12Median diameter [µm]多いジェットミルよりも、微粉を発生しにく い 機 械 式粉 砕 機 が 使わ れ 始 め てい る 。

Fig.4 Relation between the median diameter of
product and the volume percentage of fine（Fig.4 にトナーを閉回路粉砕分級する場

particles less than 5µm

合の、機械式粉砕機とジェットミルによる100

5μm 以下の微粉の生成割合の差を示す。

Closed circuit system
Product yield [%]Fig.5 には、そのときの微粉除去後の製品収率の差を、Fig.6 には、そのときの動力原単位の差を示す。）

1-1-2

13

粉体技術と粉体塗料製造技術

90

80

Mechanical mill
Jet mill

70

車の塗装用に使える高品質の粉体塗料に求められる粉体技術には、粒子径の微粉化、

60

粒度分布、粒子形状の制御、静電気特性の67改善、塗装装置（塗装ガン）とのマッチン
Fig.5グ、表面改質などが主にあげられる。

89 10 11 12Median diameter [µm]13Relation between the median diameter andproduct yield in grinding and classifying process
Specific energy consumption [kW h/kg]

製造技術においては、塗装面の平滑化に対応するための小粒径化が必要になってくる。すなわち、従来の粉体塗料は平均粒径が 30〜50 µm 程度の粉末製造を目的とした設備であり、湿式塗装並みの平滑性を持つ目安といわれる 10 µm 前後の微粉粉体塗料には向かないことが多い。具体的には微粉砕を試みると融着を起こしたり、処理速度が極端に低下したりする、微粒子化できな

7
Closed circuit system

6

Mechanical mill
Jet mill

5432106いなどの間題点である。さらにこのような78910 11 12Median diameter [µm]13Fig.6 Relation between the median diameter ofFigure 6 Relation between the median diameter of product and specificenergy consumption
circuit grindingsystemproduct andspecificof closed
energyconsumptionofclosed circuit grinding system-2-微粉粉体塗料は流動性や分散性が極端に悪電池用等の目的として乾式反応もしくはくなるので、従来の塗装装置が使えず分散湿式反応により製造されたままの状態の金性に優れた微粉対応型の塗装ガンを新規に属粉の多くは平均粒径が 1 µm 以下では何開発する必要もある。
（以下に粉体塗装の静れも凝集しており、また粒子径が小さくな電塗装方式の流れと粉体塗料の製造フローればなる程その凝集度が強くなる。たとえ例を示す。）

ば、高純度ニッケル粉も、乾式もしくは湿式どちらかの反応法で製造されるが、凝集静電塗装法の問題は大きく、凝集のより少ない、いわ(コロナ方式）ゆるできるだけ単分散状態に近いニッケル粉が求められている。このような凝集のより少ないニッケル粉を導電ペーストに用いた場合には、最終的に仕上がる導電層の緻密性は向上し、製造される製品の信頼性が高まり、特に、絶縁不良や誘電特性不良等

粉体塗料製造フロー例
粉体塗料製造フロー例

粉体塗装は、焼き付け温度が高い、色替の電気特性の不良品の発生を抑制すること

えに時間必要、現場施行不向きなどの欠点ができ、製品の歩留まり向上が図れるといもあるが、以下の優れた特長を持っている。

われている。

高品質

また、積層セラミックコンデンサは近年粉体塗装による完成塗膜は、塗料に使用さますます小型化しており、必然的にセラミれる高分子樹脂の特性により、高膜厚で優ック誘電体層及び内部電極層の薄膜化、多れた塗膜強度、化学薬品性、耐食性、耐候層化が進み、誘電体層の厚み 2 µm 以下、内性を保持する。（30〜150μm の膜厚が可能部電極膜厚み 1.5 µm 以下のものまで作られで、場合により 300〜2000μm もできる）ている。薄い内部電極層を得るためにそれ低公害性に見合った平均粒子径の小さい金属微粉を粉体塗装は有機溶剤を全く使用しないため、製造しようとすると、同時に凝集粒子が混塗装作業時における火災、中毒、大気汚染入しやすく、製品の歩留まりを低下させるなどの危険性が大幅に減少する。

原因となっている。これを防止するために、

省資源

最大径 1.5 µm 以下で、分散され凝集粒子の粉体塗装は有機溶剤を全く使用しないため、ない金属微粉を用いる必要性が増えている。

揮発成分が無く、塗料の回収再利用が可能

1-1-4となるため、塗料ロスが激減する。

一般の粉砕分級との違い鉱物であるタルクや炭酸カルシウムの粉省力化
粉体塗装は塗装作業性が優れているため、砕分級技術では、できるだけ細かい微粉を塗装ラインの自動化が容易になる。

製造することが重要で、平均径と比表面積程度で管理することが多く、付加価値が低

1-1-3

金属粉の製造技術い。一方、トナー、粉体塗料、金属粉等の-3-Bag house

付加価値が高い粉体では、微妙な粒度調整
Blowerの技術が必要である。たとえば、粉体塗装

Returned
FeedClassifier

では、微粉砕を行うとともに余分な微粉をProduct作らない技術が重要である。5 µm 以下の微Screw
feederGrinding
Hydraulic unit

粉は塗装時効率低下や塗装面の劣化の原因

Control panelとなり、温度コントロールも必要になる。
トナーも 5 μm 以下の微粉はコピー後の汚れにつながり極力減らさなければならない。 Fig.7のFig.4-1 Flow diagram
Super hybrid
mill system
Flowdiagramof ofSuper
HybridMill system

サブミクロンオーダーのニッケル粉では、B

30,000散性も同時に重要である。

28,000

1-2

Surface area [cm2/g]

細かいだけでは充分ではなく、流動性・分研究の目的と内容

トナー・粉体塗料等弱熱性粉体の粉砕分級システムの開発、および、ニッケル粉の粉砕・分級技術を開発することを通じ、従26,000

CaCO 3

Direct coupling system(Super hybrid mill)

24,00022,000来の手法では対応できない最近の高度な技術革新のニーズに追従する粉砕と分級のメhClassifier only

20,000100

カニズムを明らかにし、その他のハイテク

2,000

1,000

500

Classification rotor diameter [ mm ]粉体の粉砕分級最適システムの構築するこFig.8とを研究の目的としている。

improvement by direct coupling

Classification performance

第 4 章ハイブリッド化についての考察
サブミクロン粉砕する上で重要なことは、

Powderfeed
Feed
Powder(1)

粉砕された微粉だけを効率的に取り出し、(2)

(3)

(4)

かつ、粗粉は粉砕部に何度でも戻り粉砕さ(5)れるまで系から出られないようにすることAirが重要である。一般には、閉回路で粉砕機(6)と分級機を連続させ、粉砕直後の製品を分(7)級機に投入し、分級後の粗粉を粉砕機に戻(8)すが、さらにこの考えを進めて、機械内部

Air flow
FlowAirでドッキングする、ハイブリッド化の効果を確認した。（Fig.7 にドッキング例である
スーパーハイブリッドミルのフローを示す。
Fig.8 に閉回路粉砕分級における分級機単(1) Classification rotor(3) Dispersion disc(5) Coarse fraction outlet(7) Scroll casing(2) Dispersion blades(4) Classification blades(6) Auxiliary blades(8) Balance rotor

独との性能差を示す。Fig.9 には分級機ター
ボクラシファイアーの断面図を示す。）

Fig.9 Turbo-classifier cross sectional view-4-第 5 章 各種超微粉粉体材料の製造技術に関する考察

ミルが有効であるが、粉砕後の凝集粉の除Outlet
Liner

5-2

粉体塗料に関する考察

Rotor
Grinding
Zone

粉体塗料生産量はトナーの 10 倍以上あるといわれているが、微粉化と同時に製品収率の向上と省エネルギーはいずれも重要Inletである。
10 µm 前後の粉体塗料を作る際、微粉発生の少ない機械式粉砕機が粉体塗料の粉砕にも有効である。
（Fig.10 に実験で使用した機械式粉砕機スーパーローターの断面図を

Fig.10 Super rotor cross sectional view示す。）自動車のトップコートであるアクリ
Cumulative under size percentage [ % ]ル系のクリア塗料は過粉砕を起こしやすく、ジェットミルで平均粒子径 10 µm 程度まで微粉砕すると微粉が多量に発生し、実用的には使用できない。しかし、機械式粉砕機を用いると、粒度幅の狭い粉末の製造が可能であり、5 µm 以下の微粒子を数 %〜10 %程度除去すれば目標の粒度分布を得ることができる。
（Fig.11 に機械式粉砕機を使って100

Acrylic80

powder coating
6040Ac.10N
Ac.10200110100Particle diameter [µm]閉回路粉砕でアクリル粉を粉砕したものとFig.11 Two kinds of size distribution of acrylic clear

それを分級機で微粉除去した粒度幅の狭い

powder coating pulverized by mechanical mill

ものの粒度分布を示す。
）

100
Coating efficiency [ % ]粒径が細かくなると塗装に用いた粉末が十分対象物に付着せず塗着効率を低下させる。すなわち、粒径が細かくなると塗着効率が低下し、10 µm 以下ではこの減少は大きいと言われていた。しかし、狭い粒度分布として D10= 8.0 µm，D50= 10.9 µm，D90=15.0 µm、広い分布として D10= 5.0 µm，D50=9.4 µm，D90= 16.0 µm の粉体塗料を用いて比9080
Acrylic paintAc.37 µm
Ac.20 µm
Ac.10 µm
Ac.10 µm N(Narrow distribution)
Ac.5 µm

7060500較テストをすると、平均粒径 10 µm 程度に

51015202530

Sprayed powder weight [ g/m2]

細かくても粒度分布が狭い塗料であれば塗Fig.12 Coating efficiency profiles of powder

着効率が高くなる。
（Fig.12 に粒度分布の差

coating with different particle size distribution

による塗着効率の違いを示す。）このことか-5-

ら、粉体塗料を粒度分布の面から述べると、(1) Screw feeder(2) Mechanical mill(3) Cyclone

細かくかつ狭い粒度分布をもったものが望(4)(4)

ましいことになる。これは成分あるいは目(5)F(1)

的は異なっているが、トナーと同じ状況と(3)Tなっている。
(6)5-3(6)

トナーに関する考察

(2)

(3)

(4) Bag house(5) Classifier(6) Blower

Fig.13 の結果からは、循環比 CL が小さい
程、過粉砕が少なくなっていることがわか

CL：循環比（=T/F）る。また、CL が 2 以下で、過粉砕の低下度

F ：供給速度[kg/hr]が低位安定する傾向にある。Fig.14 には、

T ：粉砕機へ戻される分級粗粉流量[kg/hr][−]

循環比 CL と閉回路粉砕で消費される電力
50Fine particles less than 5 µm [number %]の関係を示す。この結果から、循環比 CLを 3 から 8 に増加させると、単位重量当たりの消費電力が約 2％上昇することがわかる。循環比 CL の減少により過粉砕が減少するのは、閉回路中の分級機の精度の向上が影響しているものと考えられる。 閉回路
粉砕分級システムを設計する場合、特に、循環比の適正化が重要である。循環比をあげすぎると、分級性能・粉砕性能を低下さ

Toner
4540D50=9.1µm
F=15kg/h

35Toner3002せ、エネルギーコストの上昇を招く。また、トナー製造のように、低いミクロンオーダは、循環比の上昇が、超微粉を作りすぎてしまうことに注意しなければならない。
Energy consumption [kWh/kg]

ニッケル等の金属粉の微粉砕を目的とする
場合に、供給能力を落とせば竪型ロール去や分散性を悪化させる超微粉を別途分級機で取り除く必要がある。その場合、粉砕直10D50=9.1 µm0.97

F=15 kg/h

0.960.95

Toner0.94

後に連続して分級することで効率を上げら0れることは予想できる。それを一歩進め、ブリッドミルを使って粉砕すると、別工程

80.98

金属粉に関する考察

粉砕機と分級機を一体化したスーパーハイ

6Fig.13 Relation between recycle ratio(CL) and the number % below 5 µm inthe coarse fraction

ーの微粉を作ってはいけない粉砕について

5-4

4Circulating ratio CL [-]246810Circulating ratio CL [-]Fig.14 Relation between recycle ratio (CL) and thepower consumption in the closed-circuit system-6-

で分級しなくても目的の粒度が得られた。

るため、粉砕機と分級機を一体化させ(Fig.15 に ス ー パ ー ハ イ ブ リ ッ ド ミ ル

た粉砕機を製作し、粉砕性能の向上をSH-150 を使ったニッケル粉の粉砕データを確認した。

示す。)

〇

向上の理由は、粉砕直後（1 秒以内）に分級し、また、分級後の微粉だけで6Median diameter [µm]なく、粗粉も一度経路外に出すことで、Nickel

5

粉砕・分級それぞれの性能の相乗効果が現れたと考えられる。

4３．微粉化の課題
3〇

ミクロンオーダー、サブミクロン粉砕を目的として、閉回路粉砕分級を実施

2した場合、分散性の確保が重要である。

SH-1501〇

1 から 1.5 μm トップサイズの微粉を製品にする場合、粉砕・分級ともに分02
3
Feed rate [kg/h]

14

散性確保が難しく、解決すべき課題となっている。粉砕機と分級機を一体化（ハイブリッド化）しても、ニッケル粉等の粉砕しにくい材料については、

Fig.15 Grinding performance of
SH-150 for Nickel powder

実用レベルでのサブミクロン粉砕は難しい。

第6章 結論４．樹脂粉の粉砕〇

機械式粉砕機は微粉の発生量が少なく、１．循環比について

一般に樹脂粉の 7 µm までの粉砕に適〇している。

閉回路粉砕分級システムを設計する場合、特に循環比の適正化が重要（トナ〇〇ーの場合 2 以下が目安）。

械式粉砕機の必要動力原単位が急激に循環比をあげすぎると、分級性能・粉上昇するため、ジェット粉砕機の方が砕性能を低下させ、エネルギーコスト適してくる。の上昇を招く。
〇〇

トナー・粉体塗料の粉砕では、製品のトナー、粉体塗料製造のように、数 µm粒度幅を狭めることで性能向上を図れオーダー以下の微粉を作ってはいけなる。この目的で、微粉発生量の少ないい粉砕については、循環比の上昇が、機械式粉砕機を用いて収率の向上を確超微粉を作りすぎてしまうことに注意認することができた。

しなければならない。

２．ハイブリッド化について〇

平均粒径 7 μm 以下の微粉砕では、機閉回路粉砕分級システムをさらに進め-7-