ISSN 2189-4663

粉体工学振興財団

年報

Hosokawa Powder Technology Foundation

ANNUAL REPORT
令和3年度 (2021) No.29

公益財団法人粉体工学振興財団

Hosokawa Powder Technology Foundation

年

報

ANNUAL REPORT
令和3年度 (2021) No.29

ホソカワ粉体工学振興財団年報

No.29 (2021)

設立の趣旨

衣・食・住や医療など，我々の日常生活で身近に氾濫しているいろいろな製品に，又，未来に向けて開発されようとしている新素材における高純度化，微細加工等の技術，さらには，世界的規模において問題視されている環境破壊，特に大気汚染に対する防止等，あらゆる産業分
野に粉体技術は重要な役割を果たしております．粉体工学は，これら粉体技術を基礎的に研究し，開発する学問分野であります．
私は，私の父が大正 5 年 4 月に創業致しました細川鉄工所（現ホソカワミクロン株式会社）の経営を引き継ぎ，この粉体に関するあらゆる技術を具体化し，粉体技術を通して産業界に着実にその地位を築いてまいりましたが，その間，各方面から多くの学術研究上のご支援をいた
だきました．粉体技術に対する社会のニーズは，ますます大きく，また高度化し，その基礎となる粉体工学の重要性もますます高くなっています．私といたしましては，いささかの私財を学術振興，特に粉体工学を通して社会に少しでも還元できればと望むものであります．
以上の趣旨から，わが国ならびに世界の粉体工学に対する助成を主目的とし，合わせて粉体工学に関連する優れた研究・成果に対する褒賞，国際交流に対する援助，研究発表・シンポジ
ウムなどの開催およびその援助等の諸事業を目的とする財団法人ホソカワ粉体工学振興財団を設立し，粉体工学ならびにその周辺学術の研究の発展に寄与しようとするものであります．
学術振興のもたらす社会への貢献は，人類のみならず，人類をとりまく美しい豊かな自然界にとっても，よりよい環境に導いてくれるものと確信するものであります．粉体一筋に歩んできたホソカワミクロン（株）75 年の記念すべき節目にあたり本財団を設立でき，この財団によるあらゆる事業が粉体工学振興のための一つの契機となり，大きな飛躍となればこれに優る幸いはありません．

（平成 3 年 12 月 20 日設立）
財団法人

ホソカワ粉体工学振興財団設立者 細 川 益 男

目

次

ご挨拶

理事長

細川悦男

1

1．事業内容と実施状況の概要

3

事業内容の概要

3

1-1

1-1-1

助成・褒賞事業

3

1-1-2

自主事業

3

1-1-3

特定事業

3

実施状況の概要

4

1-2

1-2-1

助成・褒賞事業の実施状況

4

1-2-2

自主事業の実施状況

8

1-2-3

特定事業の実施状況

10

2．役員等名簿

12

3．令和 3 年度 助成・顕彰事業

13

3-1

令和 3 年度

KONA 賞

13

3-2

令和 3 年度

研究助成

15

3-3

令和 3 年度

研究者育成

17

3-4

令和 3 年度

シンポジウム等開催援助

18

4．研究成果等報告

19

成果等報告目次

19

4-1

令和元年度

研究助成成果報告

224-2

令和 2 年度

研究者育成成果報告

784-3

令和 2 年度

シンポジウム等開催援助成果報告127

ホソカワ粉体工学振興財団年報

No.29 (2021)

ご挨拶

公益財団法人ホソカワ粉体工学振興財団
理事長 細 川 悦 男

当財団は，1991 年（平成 3 年）12 月に設立が認可され，2012 年（平成 24 年）には内閣府から
公益財団法人に認定され，2021 年 12 月に設立 30 周年を迎えました．この間，財団は粉体工学に関する基礎研究およびそれに携わる研究者の国際交流，研究者の育成等に対する助成・援助を通して，我が国および世界の粉体工学の発展を支援して参りました．粉体は，材料，環境，エネルギー，
医薬などの多くの産業において原料あるいは付加価値の高い最終製品となっており，粉体および粉体を構成する粒子が関わる粉体工学は重要な学問領域となっております．財団設立当初から実施しております主な事業は，助成事業と自主事業であり，そのほかに不定期に特定事業を行っております．
一般助成事業は，粉体工学に関する優れた研究業績に対する褒賞（KONA 賞），粉体工学に関する研究のための研究費助成（研究助成），粉体工学に関する研究に従事する研究者の育成の援助（研究者育成援助），粉体工学に関する研究成果公開の援助（シンポジウム等の開催援助）であります．
KONA 賞は，粉体工学の分野において多大な貢献をされた研究者の方に授与され，財団設立当初より 2016 年度までは，日本人研究者が受賞されていました．2017 年度に初めてグローバルベースで世界からの推薦を受け，欧米日の研究者が受賞され，2021 年度はドイツのエアランゲン・ニュー
ルンベルクのフリードリッヒ・アレキサンダー大学の Wolfgang PEUKERT 教授および京都大学の松坂修二教授が受賞されました．これまで 34 名の著名な研究者が受賞されており，名実ともにKONA 賞は，粉体工学の分野での国際賞の様相を呈しており，理事長として大変うれしく思っております．
研究助成，研究者育成援助およびシンポジウム等の開催援助に対しては，これまで大学，高専，
民間の研究機関より，多くの推薦・申請を受けており，大変感謝しております．2021 年度は，研究助成につきましては 136 件の応募があり，その中から 26 件の研究申請が採択されました．研究者育成の援助につきましては，24 件の申請があり，14 名の大学院の学生の皆様に贈呈されました．
粉体工学の発展を担われる若い大学院の学生の皆さんの勉学と研究のための支援ができますことは，理事長として大きな喜びです．なお，本年度も，5 名の留学生の方が受賞されましたが，毎年，助成者の中に留学生の方々が含まれており，世界の粉体工学の振興を図るという当財団の設立目的に適った事業になっております．シンポジウム等の開催援助につきましては，2022 年 11 月に山梨県での開催が予定されている「材料界面の制御と評価に関する国際会議」（ICCCI2022）を援助す
ることになりました．

–1–

財団の自主事業として，粉体工学に関する講演討論会の開催および KONA 誌（KONA Powder
and Particle Journal）の発行を行っておりますが，2021 年 9 月に東京での開催を予定していました
第 54 回粉体工学に関する講演討論会は，新型コロナウイルスの感染拡大により延期することにな
り，2022 年 9 月 5 日に財団設立 30 周年記念の特定事業の一環として「SDGs に貢献する粉体および粉体プロセスの最前線」をテーマに帝国ホテル大阪にて開催の予定です．KONA 誌は，当財団が年 1 回発行する粉体工学に関する英文の学術誌であり，世界中の優れた研究者から粉体の科学および工学に関する論文を投稿して頂き，2022 年 1 月に第 39 号を発行することができました．アジア，ヨーロッパおよびアメリカの 3 つの編集局が協力し，優れた研究者を執筆者として推薦し，粉体工学に関する 11 報のレビュー論文を中心に，レベルの高い 7 報の研究論文も同時に掲載しております．
この KONA 誌は，財団のホームページおよび J-STAGE により無料で閲覧できるオープンアクセスの学術誌であり，Impact Factor 値などの雑誌評価指数が昨年度よりもさらに向上し，Web での掲載
論文へのアクセス数も増加しております．
さらに，2020 年 3 月から 2024 年 3 月に実施予定の財団設立 30 周年記念特定事業の一環として，2021 年 10 月に大阪で開催された第 8 回 APT（Asian Particle Technology Symposium）2021 において，40 歳以下の若い研究者に対して授与される Young KONA Award を支援致しました．約 40 件の研究発表が審査の対象となり，その中から 6 名の研究者の受賞が決定され，贈呈状および副賞をお渡しさせて頂きました．
残念ながら，2021 年度も，新型コロナウイルス感染症の流行により，当財団の自主事業の粉体工学に関する講演討論会の開催が延期になり，受賞者への贈呈式の開催も中止になりましたが，当財団はもとより，ホソカワミクロングループを挙げて，粉体工学およびその周辺学術分野の研究の発展，ならびに国際的な振興・交流とそれを担う若い人材の育成に少しでも貢献できますよう今後とも活動を続けてまいりますので，皆様方のご支援，ご鞭撻をよろしくお願い申し上げます．

–2–

1．事業内容と実施状況の概要

当財団は粉体工学の振興を目的として 6 種の助成・褒賞事業と 2 種の自主事業，ならびにその他の特定事業等を実施している．事業内容の概要は以下の通りである．

1-1-1

助成・褒賞事業
事業種目

No.

援助等の対象1

KONA 賞

粉体に関する研究に従事し，優れた研究業績を挙げた個人への褒賞

2

研究助成

粉体工学，粉体科学に関する研究のための助成

3

ホソカワ研究奨励賞

粉体工学に関する優れた若手研究者に対する褒賞

4

研究者育成の援助

粉体工学に関する研究に従事する大学院学生のための研究学習費の援助

5

学会・シンポジウム等の 粉体工学に関する学会，シンポジウム等の開催に対する援助．学協会，
大学等の主催者に援助
開催援助

6

出版物刊行の援助

粉体工学に関する出版物刊行の援助

令和 3 年度は，No. 1，2，4，5 の事業について公募を行った．令和 4 年度も No. 1，2，4，5 の事業について公募の予定となっている．

1-1-2

自主事業
事業の種類

No.

事業内容の概要

1

粉体工学に関する講演討 粉体工学に関する重要テーマについて研究者・技術者による講演と論会の開催
討論の会．年 1 回，東京・大阪で隔年に開催．定員約 150 名，公開．

2

粉体工学に関する国際的学術誌．年 1 回発行．内容はレビューおよ
粉体工学に関する英文学
び研究論文約 20 編を含む．約 300 頁．印刷物発行部数 1000 部．世
術 誌 KONA Powder and
界の学者，研究者，図書館等へ無償で配布．電子ジャーナルとしてホーParticle Journal の発行
ムページ，J-STAGE に掲載．

1-1-3
No.
1

特定事業
事業の種類

事業内容の概要

財 団 設 立 30 周 年 記 念 特 APT（Asian Particle Technology）2021 シンポジウム
定事業（令和 3 年 10 月，大阪）での Young KONA Award の授与

上記の諸事業は，事業年度ごとに理事会，評議員会の審議，承認を得て実施されている．

–3–

事業概要

事業内容の概要1-1

ホソカワ粉体工学振興財団年報

No.29 (2021)

実施状況の概要

1-2
1-2-1

助成・褒賞事業の実施状況

初年度以来の年次別助成事業の実績状況は以下の通りである．なお，令和 3 年度の助成事業については，新型コロナウイルス感染が収束していない状況を踏まえ，その防止対策の観点から受賞式は実施されなかった．

年度

西暦

応募
件数

採
件数

H04

1992

69

20

H05

1993

86

H06

1994

70

H07

1995

H08

1996

H09
H10

KONA 賞
択

採

助成金額

応募
件数

件数

26,0001

1

31

20,4008

125

13,800

3

1

88

27

15,280584

27

15,000

3

1997

57

29

18,000

1998

66

25

17,800

海外渡航者援助
択

採

助成金額

応募
件数

件数

1,000

10

6

1,000

8

1,000

10

1

1,000

1

1,000

5

2

5

2

択

シンポジウム等開催援助
採

択

助成金額

応募
件数

件数

助成金額

1,800

6

3

7,000

6

1,800

3

3

6,500

5

1,500

5

3

5,000

11

5

1,500

1

1

200

8

5

1,500

2,000

8

5

1,500

0

0

0

2,000

7

3

900

0

0

0

（公募せず）

H11

1999

64

21

18,000

4

2

2,000

9

4

1,200

4

2

1,500

H12

2000

79

23

17,900

4

2

2,000

11

5

1,500

2

2

1,500

H13

2001

61

31

18,900

10

1

1,000

12

5

1,500

1

1

1,000

H14

2002

68

24

18,300

3

1

1,000

7

4

1,200

4

2

2,000

H15

2003

76

24

18,200

7

1

1,000

6

4

1,200

1

1

1,000

H16

2004

101

25

17,200

5

2

2,000

10

3

900

2

2

1,000

H17

2005

120

24

23,000

5

1

1,000

（公募せず）

5

2

2,000

H18

2006

112

23

23,800

4

1

1,000

（公募せず）

2

2

1,500

H19

2007

137

23

21,900

1

1

1,000

（公募せず）

5

2

1,500

H20

2008

128

18

13,500

3

1

1,000

（公募せず）

4

3

1,000

H21

2009

公

募

せ

ず

H22

2010

公

募

せ

ず
3

1,400

H23

2011

117

17

13,000

2

1

1,000

公募せず

H24

2012

79

14

8,600

5

1

1,000

公募せず

H25

2013

119

30

23,000

3

1

1,000

公募せず

0

0

0

H26

2014

126

23

19,400

6

1

1,000

公募せず

1

1

1,000

H27

2015

150

22

16,700

5

1

1,000

公募せず

1

0

0

H28

2016

195

23

13,800

6

1

1,000

公募せず

4

1

300

H29

2017

193

21

14,600

6

1

1,000

公募せず

5

1

600

H30

2018

132

18

14,000

6

1

1,000

公募せず

3

1

1,000

R01

2019

119

10

7,200

4

1

1,000

公募せず

1

0

0

R02

2020

102

12

10,000

4

1

1,000

公募せず

2

1

1,000

R03

2021

136

26

22,000

4

2

2,000

公募せず

1

1

1,000

–4–

6

公募せず

事業概要

（助成単位：千円）
研究助成

ホソカワ粉体工学振興財団年報

年度

西暦

研究者育成の援助
採択
応募
件数 件数 助成金額

出版物刊行援助
採択
応募
件数 件数 助成金額

特別枠
件数

助成
金額

拡大研究助成
件数

助成
金額

応募
件数

No.29 (2021)（助成単位：千円）
合
計
採
択
件数

助成金額

H04

1992

8

5

1,000

1

1

10,00095

3646,800

H05

1993

15

5

1,000

2

2

10,065122

48

40,765

1994

19

6

1,200

1

1

8,000

108

41

30,500

1995

19

7

1,400

0

0

0

124

41

19,380

H08

1996

20

7

1,400

（公募せず）

115

40

18,900

H09

1997

16

6

1,200

（公募せず）

86

42

22,700

H10

1998

16

9

1,800

（公募せず）

94

39

22,500

H11

1999

22

6

1,200

（公募せず）

103

35

23,900

H12

2000

26

7

1,400

（公募せず）

7

3,900

129

46

28,200

H13

2001

19

8

1,600

（公募せず）

7

3,000

110

53

27,000

H14

2002

19

8

1,600

（公募せず）

4

4,000

105

43

28,100

H15

2003

16

9

1,800

ホソカワ研究奨励賞

4

4,100

110

43

27,300

H16

2004

27

7

1,400

H17

2005

26

11

3,300

応募
件数

採択

5

3,100

150

44

25,600

件数

助成金額

6

3,800

3

15,000165

4748,100

H18

2006

16

11

3,300

9

3

1,500

3

3,000

2

10,0001484544,100

H19

2007

22

10

3,000

11

3

1,500

3

3,000

1

5,000

180

43

36,900

H20

2008

19

10

3,000

8

1,000

2

1,100

0

0

164

36

20,600

H21

2009

公

募

せ

ず

0

0

0

2

H22

2010

公

募

せ

ず

0

0

0

H23

2011

公

募

せ

ず

125

21

15,400

H24

2012

公

募

せ

H25

2013

12

H26

2014

H27

2015

H28
H29

ず

84

15

9,600

9

2,700

公

募

せ

ず

134

40

26,700

28

9

2,700

公

募

せ

ず

161

34

24,100

30

10

3,000

公

募

せ

ず

186

33

20,700

2016

36

10

3,000

公

募

せ

ず

241

35

18,100

2017

35

11

3,300

公

募

せ

ず

239

34

19,500

H30

2018

25

10

3,000

公

募

せ

ず

166

30

19,000

R01

2019

22

9

2,700

公

募

せ

ず

146

20

10,900

R02

2020

20

10

3,000

公

募

せ

ず

128

24

15,000

R03

2021

24

14

4,200

公

募

せ

ず

165

43

29,200

–5–

事業概要

H06
H07

ホソカワ粉体工学振興財団年報◎

KONA 賞

No.29 (2021)

KONA Award

KONA 賞は，1990 年以来，粉粒体工学の分野で研究開発ならびに教育に大きく貢献した研究者に毎年贈られているもので，当初はホソカワミクロン株式会社が贈呈していたが，1992 年から当財団が引き継いでいる．受賞候補者は，KONA 賞審査委員によって審査され，選考委員会の推薦を受けて，最終的に理事会で承認される．
The KONA Award has been presented to the researchers who have greatly contributed to the research and1990. It was initiated by Hosokawa Micron Corporation and taken over by Hosokawa Foundation since 1992.
The award candidate is nominated by the KONA Award Committee and advised to the Selection Committeeof the Foundation, which makes the recommendation of the awardee. It needs to be finally approved at theBoard of Directors meeting of the Foundation.

KONA 賞歴代受賞者
2021.12
受賞
No.
1
2
3

受賞年
KONA 賞受賞者
西暦
氏名
所属（申請当時）
1990 Charles S.
University of Southern
Campbell
California
1992 砂田 久一
名城大学
1993 向阪 保雄
大阪府立大学

4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

1994
1995
1996
1997
1997
1998
1998
1999
1999
2000
2000
2001
2002

江見
準
宮南
啓
湯
晋一
川島 嘉明
関口
勲
増田 弘昭
仙名
保
辻
裕
金岡千嘉男
篠原 邦夫
井上 明久
山本 英夫
堀尾 正靭

金沢大学
大阪府立大学
九州工業大学
岐阜薬科大学
中央大学
京都大学
慶応義塾大学
大阪大学
金沢大学
北海道大学
東北大学
創価大学
東京農工大学

17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29

2003
2004
2004
2005
2006
2007
2008
2011
2012
2013
2014
2015
2016

東谷
公
日高 重助
花田 修治
福森 義信
奥山喜久夫
齋藤 文良
高橋
実
植松 敬三
竹内 洋文
目
義雄
大谷 吉生
牧野 尚夫
阿尻 雅文

京都大学
同志社大学
東北大学
神戸学院大学
広島大学
東北大学
名古屋工業大学
長岡技術科学大学
岐阜薬科大学
物質・材料研究機構
金沢大学
電力中央研究所
東北大学

業績
Outstanding achievement in the areas of dynamics of particle flow andmechanics/heat-transfer relationships for particle flow
粉粒体の充填，凝集ならびに造粒に関する研究
粉体粒子特にエアロゾル粒子の物性とその評価方法における顕著な業績
エアロゾルの濾過に関する研究
粉粒体を出発点とした機能性複合材料製造プロセスの開発
固気混相乱流及び粉粒体力学に関する研究
機能性粒子の設計工学の構築とその展開
造粒に関する研究
粉粒体ならびにエアロゾル微粒子の特性と挙動に関する研究
微粒子材料の調製と特性に関する物理化学的解析
粉粒体および固気二相流の離散粒子シミュレーション
微小エアロゾル粒子の挙動と分離に関する研究
微粒子系素材の機械的・化学的調整プロセスの開発
アモルファス合金粉末の固化成形技術と新材料の開発
粉体粒子の静電気現象の基礎的解明とその応用
流動層工学の総合的展開，流動層技術の基礎的解明と応用範囲の拡大
液相微粒子分散系の安定性と表面微細構造に関する研究
粉体シミュレーション法の開発とその応用
粉末プロセッシングによる新材料の創製
流動層法による医薬品微粒子製剤の機能化に関する応用
エアロゾルの基礎科学と材料合成プロセスの構築
メカノケミストリーの基礎と工学的応用に関する研究
セラミックス粉体成形の基礎的解明と材料創製への展開
粉体工学を基にしたセラミックス製造プロセス科学の基盤構築
粒子設計を基盤とする新しい医薬品製剤に関する研究
微粉体プロセスの高度化による高次構造制御体の創製
エアフィルタを中心としたエアロゾルの分離・除去に関する研究
粉体工学を基礎とした炭素資源高度利用技術の研究開発
超臨界水熱合成の発明

–6–

事業概要

development as well as education in the field of Powder and Particle Science and Technology annually sinceホソカワ粉体工学振興財団年報

受賞
No.
30

31

受賞年
KONA 賞受賞者
西暦
氏名
所属（申請当時）
2017 Sotiris E. Pratsinis Swiss Federal Instituteof Technology Zurich(ETH Zurich)2018 Mojtaba Ghadiri
The University of
Leeds
2019

内藤

牧男

33

2020

Brij M. Moudgil

34

2021

Wolfgang Peukert

35

2021

松坂

修二

大阪大学
The University of
FloridaFriedrich-AlexanderUniversity ErlangenNuremberg
京都大学

業績
Pioneer research on particle formation, agglomerate dynamics and, inparticular, for placing flame aerosol technology on a firm scientific basis
for scalable synthesis of nanomaterials
Contributions to the particle technology on linking the bulk powder
behavior, particle characterization and modelling with hosting the young
scholars
Contributions to powder processing technology for high quality
advanced materials
Interfacial engineering of particulate system for enhanced performance
Particle based product innovations by understanding and controlling
particle interactions
Advanced characterization of fine particles and the development ofnovel powder handling systems

List of KONA Awardees
2021.12.
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30

Year
1990
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1997
1998
1998
1999
1999
2000
2000
2001
2002
2003
2004
2004
2005
2006
2007
2008
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017

AwardeeCharles S. Campbell
Hisakazu Sunada
Yasuo Kousaka
Hitoshi Emi
Kei Miyanami
Shin-ichi Yuu
Yoshiaki Kawashima
Isao Sekiguchi
Hiroaki Masuda
Mamoru Senna
Yutaka Tsuji
Chikao Kanaoka
Kunio Shinohara
Akihisa Inoue
Hideo Yamamoto
Masayuki Horio
Ko Higashitani
Jusuke Hidaka
Shuji Hanada
Yoshinobu Fukumori
Kikuo Okuyama
Fumio Saito
Minoru Takahashi
Keizo Uematsu
Hirofumi Takeuchi
Yoshio Sakka
Yoshio Otani
Hisao Makino
Tadafumi Adschiri
Sotiris E. Pratsinis

Affiliation
Univ. of Southern California
Meijo Univ.
The Univ. of Osaka Prefecture
Kanazawa Univ.
The Univ. of Osaka Prefecture
Kyushu Institute of Technology
Gifu College of Pharmacy
Chuo Univ.
Kyoto Univ．
Keio Univ.
Osaka Univ.
Kanazawa Univ.
Hokkaido Univ.
Tohoku Univ.
Soka Univ.
Tokyo Uni. of Agriculture & Technology
Kyoto Univ．
Doshisha Univ.
Tohoku Univ.
Kobe Gakuin Univ.
Hiroshima Univ.
Tohoku Univ.
Nagoya Institute of Technology
Nagaoka Univ. of Technology
Gifu Pharmaceutical Univ.
National Institute for Materials Science (NIMS)
Kanazawa Univ.
Central Research Institute of Electric Power Industry (CRIEPI)
Tohoku Univ.
Swiss Federal Institute of Technology Zurich (ETH Zurich)

–7–

事業概要

32

No.29 (2021)

ホソカワ粉体工学振興財団年報

No.
31
32
33
34
35

1-2-2

Awardee
Mojtaba Ghadiri
Makio Naito
Brij M. Moudgil
Wolfgang Peukert
Shuji Matsusaka

Affiliation
Univ. of Leeds
Osaka Univ.
Univ. of Florida
Friedrich-Alexander Univ. Erlangen-Nürnberg
Kyoto Univ.

自主事業の実施状況（経費単位：千円）

粉体工学に関する講演討論会
回数

討論会テーマ

KONA 誌の発行
講演数 出席者

経費

号数 総頁数 発行部数

経費

H07 1995

29

粉体プロセスにおける安全・健康問題

5

232

3,360

13

240

2,300

7,730

H08 199630

先端機能性材料の製造プロセス

5

144

2,550

14

200

2,300

7,490

H09 1997

31

環境保全技術と粉体工学

6

142

3,750

15

254

2,200

7,500

H10 199832

最近の造粒と粒子設計―医療品／食品製造プロ
セスを中心として―

6

210

4,630

16

256

2,200

8,190

H11 1999

33

新産業創出のための粉体工学

6

246

4,140

17

250

2,200

7,440

H12 200034

IT 産業における粉体工学

8

283

5,130

18

248

2,200

7,160

H13 200135

ナノ粒子材料への期待

7

184

3,750

19

283

2,200

7,990

H14 2002

36

ナノ粒子の産業界への展開

6

208

4,160

20

276

2,200

7,920

H15 2003

37

ナノパーティクル・テクノロジー

6

227

5,100

21

246

1,300

13,000H16 200438

ナノ構造制御による粉体産業の発展をめざして

6

160

4,500

22

211

700

8,660

H17 2005

39

ここまで来たナノ粒子の実用化

7

205

5,380

23

224

1,000

10,070H18 2006

40

ナノテク実用化の鍵を握るナノ粒子の制御と応
用

6

174

5,320

24

252

1,000

13,090H19 2007

41

ナノパーティクル・テクノロジー：新市場開拓
と参入

6

167

4,380

25

303

1,000

11,460H20 2008

42

ナノパーティクル・テクノロジー：応用・実用化への新展開

6

126

3,400

26

282

1,000

8,040

H21 2009

43

ナノテクノロジーによる粉体の機能化と新材料
開発

6

160

3,130

27

248

600

6,250

H22 2010

44

ナノパーティクルハンドリング技術が生み出す
新材料

6

134

2,660

28

242

600

3,850

H23 2011

45

ナノパーティクルテクノロジーの構築と実用化
への展開

6

174

3,230

29

284

600

8,400

H24 2012

46

ナノパーティクルテクロジーの応用最前線

6

141

3,585

30

288

600

3,916

H25 201347

先端から基盤までを支える粉体工学の進歩

6

201

6,656

31

274

1,800

9,176

H26 201448

多様なものづくりを支える粉体工学の進歩

6

153

4,364

32

283

1,800

8,556

–8–

事業概要

年度 西暦

Year
2018
2019
2020
2021
2021

No.29 (2021)

ホソカワ粉体工学振興財団年報

年度 西暦

粉体工学に関する講演討論会
回数

討論会テーマNo.29 (2021)

KONA 誌の発行
講演数 出席者

経費

号数 総頁数 発行部数

経費

49

時代とともに歩む粉体工学

6

162

3,596

33

357

1,000

7,253

H28 2016

50

豊かな未来社会を築く粉体技術

6

156

5,169

34

293

1,100

7,417

H29 201751

先端材料創成に求められる粉体技術

6

161

3,942

35

287

1,100

7,386

H30 201852

粉体材料の合成および利用を支える粉体技術

6

161

4,657

36

297

1,100

7,093

R01 201953

高度化する粉体プロセスの基礎と応用の最前線

6

178

4,673

37

271

1,000

7,000

R02 2020

―

―

―

―

―

38

288

900

7,235

事業概要

H27 2015◎ 第 54 回 粉体工学に関する講演討論会
令和 3 年 9 月 7 日（火）に東京ガーデンパレスホテルにて，「素材の高機能化に貢献する粉体プ
ロセス技術」をテーマとして，第 54 回 粉体工学に関する講演討論会が開催される予定となっていたが，コロナ禍問題により今回は一旦中止とし，改めて来年度の開催を予定することになった．

◎ 粉体工学に関する英文誌 KONA Powder and Particle Journal No. 39(2022) の発行
KONA 誌の編集は粉体技術談話会に委託され，同談話会は KONA 誌編集委員会を組織して編集に当たった．この委員会はアジア，ヨーロッパ，アメリカに各ブロックの編集委員会を設け，それぞれの地域より優れた粉体関係の論文（レビュー，研究報告）を集め，これを編集して年 1 回，
KONA 誌として出版している．本年度は KONA No. 39 として印刷物と電子ジャーナルが令和 3 年
KONA Powder and Particle Journal No. 39 (2022)

Contents

KONA
KONA Powder
Powder andand Particle
Particle Journal
Journal No.
No. 3939 (2022)(2022)

Contents
Contents

ISSN 0288-4534

CODEN: KPPJAD

84

KONA Powder and Particle Journal

KONA

Advances in the Rheological Characterizationof Slurries of Elongated Particles

130 High Performance Nickel Based Electrodes inState-of-the-Art Lithium-Ion Batteries:
Morphological Perspectives

Powder andParticle Journal

Agus
Agus Purwanto,
Purwanto, Shofirul
Shofirul Sholikhatun
Sholikhatun Nisa,
Nisa,
Ike Puji Lestari, Muhammad Nur Ikhsanudin,
Ike Puji Lestari, Muhammad Nur Ikhsanudin,
Cornelius Satria Yudha and Hendri Widiyandari
Cornelius Satria Yudha and Hendri Widiyandari

Saif Shaikh, Scott Strednak and Jason E. Butler

No.39 (2022)

150 Contribution of Particle Design Research to
150 Contribution of Particle Design Research to
the Development of Patient-Centric Dosage
the Development of Patient-Centric Dosage
Forms
Forms

100 A Review of Distribution and Segregation
Mechanisms of Dockage and Foreign
Materials in On-Farm Grain Silos forCentral Spout Loading

Fuji Jian
110

176
176

Synthesis of Noble Metals and Their Alloy
Nanoparticles by Laser-Induced Nucleation
in a Highly Intense Laser Field

Hirofumi Takeuchi
Hirofumi Takeuchi
The Development of Thin-Film Freezing andIts
to Improve
Deliveryof andTheApplication
Developmentof Thin-Film
Freezing
Biologics
as DrytoPowder
Aerosols
Its Application
Improve
Delivery of
Biologics as Dry Powder Aerosols

Stephanie Hufnagel, Sawittree Sahakijpijarn,
Chaeho Moon, Zhengrong Cui
Stephanie Hufnagel, Sawittree Sahakijpijarn,
and Robert O. Williams III
Chaeho Moon, Zhengrong Cuiand Robert O. Williams III

Takahiro Nakamura, Yuki Yamazaki andShunichi Sato

<Original Research Papers>

No.39 (2022)

119 Influence of Anions and Cations on theFormation of Iron Oxide Nanoparticles in
Aqueous Media<Original
Research
Papers>193 Grain-Size
Effects
on Mechanical Behavior
193

and Failure of Dense Cohesive GranularGrain-Size
Materials Effects on Mechanical Behavior
and Failure of Dense Cohesive GranularMaterials

Hosokawa Powder Technology Foundation
available online-www.kona.or.jp

Hidekazu Tanaka

Payam Poorsolhjouy and Anil Misra

Payam Poorsolhjouy and Anil Misra

KONA No.39(2022) 表紙写真

KONA No.39(2022) アブストラクト見本
ii

iii

iii

–9–

ホソカワ粉体工学振興財団年報

No.29 (2021)末に出版され，令和 4 年 1 月 10 日に発行された．刷上りは 277 頁，掲載論文数は 19 編で，論文は推薦原稿 18 編（アジア 6 編，ヨーロッパ 5 編，アメリカ 7 編），著者訂正 1 編となっている．論文
種類の内訳はレビュー 12 編と研究論文 7 編で，全論文について入稿と査読に EM システムを利用し，
J-STAGE に早期掲載（2020/10/3–2021/10/9）されている．また，本号より全表をカラーの統一した仕様で作成し，全ページをフルカラーで印刷し電子出版している．
本年は 800 部を印刷し，世界中の粉体関係の研究者，図書館，大学等に寄贈し，高い評価を得ている．なお，本誌は全記事を，http://www.kona.or.jp のサイトにおいて無料で閲覧することができる．
した．No. 39（2022）の論文，記事についても，令和 4 年 2 月 28 日に J-STAGE への掲載を完了した．
このサイトでの KONA 誌の日平均利用件数は加入当時の約 100 件から 1000 件近くとなり，通算利
用件数は 196 万件余りとなった．また，本年の本誌の学術雑誌評価指数 Impact Factor は 2.897（昨年 2.326）と昨年よりも向上した．

1-2-3

特定事業の実施状況

当財団は，1991 年 12 月に日本ならびに世界の粉体工学の振興を目的として設立され，2021 年に設立 30 周年を迎える．この設立 30 周年を記念した特定事業の一環として，アジアおよびオセアニ
アで活発に粉体工学に関連した研究を展開している優秀な若手研究者を表彰する Young KONAAwardを下記に記載する国際会議 APT2021 にて設定することが，令和 2 年度第 1 回理事会にて承認され，予定通り実施された．
1）国際会議の名称
第 8 回アジア粉体工学シンポジウム，
The 8th Asian Particle Technology Symposium（APT2021）
2）開催期間・開催場所
2021 年 10 月 11 日（月）〜 14 日（木）・コングレコンベンションセンター（大阪）
October 11th~14th, 2021・Congre Convention Center（Osaka, Japan）
3）議長
綿野哲，大阪府立大学大学院工学研究科

工学研究科長・教授

Satoru Watano, Graduate School of Engineering, Osaka Prefecture University
Dean, Professor
4）本賞の概要
この第 8 回アジア粉体工学シンポジウム（APT2021）は 2000 年の第 1 回に続いて，アジア地域
で約 3 年周期で開催され，2021 年に初めて日本にて開催されることになり，本賞の設定はアジアでの粉体工学の発展にとって大きな意味があるものと考えられる．本賞は具体的には，満 40 歳以
下の若手研究者を対象とし，口頭発表の審査によって受賞者が選出された．本シンポジウムでは，
140 件のポスター発表を含めて全体で 329 件の研究発表が行われたが，その 2 日目の「Youngresearcher award session」において，5 会場で並行して 40 件の受賞対象発表が行われた．本賞の候
補者 40 名の内訳は以下の通りである．大学：33 名，研究所：2 名，企業：5 名．この内，国外からの候補者は 8 名であった．口頭発表はオンサイト（会場）とオンライン（web）の両方で行うハ
イブリッド形式で開催された．各会場で若手研究者による最新研究に関して活発な議論が交わされた．

– 10 –

事業概要

また，2013 年より J-STAGE に掲載が開始され，2014 年 6 月に全てのバックナンバーの掲載が完了

ホソカワ粉体工学振興財団年報

厳正なる審査の結果，以下の 6 名がYoung KONA Award

No.29 (2021)を受賞し，最終日の「Awarding &Closing」において当財団 細川悦男理事長より賞状および副賞が贈呈された．

Young KONA Award 受賞者および研究テーマ
・Motoyuki Iijima (Yokohama National University)
Interparticle photo-cross-linkable slurries: a new strategy for shaping complex structured ceramic
・Yasushi Mino (Okayama University)
Lattice Boltzmann model for evaporation of colloidal suspensions
・Hideya Nakamura (Osaka Prefecture University)
Numerical simulation of wet granulation using DEM-PBM coupling method with deterministic
aggregation kernel
・Shuji Ohsaki (Osaka Prefecture University)
Improvement of solubility of sparingly water-soluble drug triggered by zeolitic imidazolate framework-8
・Keijiro Sakuramoto (HORIBA, Ltd.)
Network size analysis of TEMPO-Oxidized cellulose nanofiber gel
・Kimiaki Washino (Osaka University)
Resolved CFD-DEM coupling model for gas-liquid-solid three-phase flows with controlled interfaces

Young KONA Award 表彰式．細川理事長（写真中央左），綿野議長（同中央右）と 6 名の受賞者– 11 –

事業概要

components

ホソカワ粉体工学振興財団年報

No.29 (2021)

2．役員等名簿（令和 4 年 3 月）
理 事 長
常務理事
理
事

評

員

事

選考委員

事務局長

ホソカワミクロン株式会社取締役会長

阿尻 雅文
猪ノ木雅裕
入谷 英司
齋藤 文良
目
義雄
鈴木 道隆
中野 裕美
三浦 秀士
森
康維

東北大学教授國分

國分公認会計士事務所所長

博史

広島大学名誉教授
九州工業大学名誉教授
東京農工大学副学長，教授
岐阜薬科大学名誉教授
大阪大学教授同志社大学名誉教授
大阪大学教授
ホソカワミクロン株式会社代表取締役社長
電力中央研究所研究アドバイザー
京都大学教授

ホソカワミクロン株式会社取締役
名古屋大学名誉教授
東北大学名誉教授
物質・材料研究機構参事役
兵庫県立大学特任教授
豊橋技術科学大学副学長，教授
九州大学名誉教授
同志社大学名誉教授

市川 秀喜
加納 純也
黒瀬 良一
後藤 邦彰
酒井 幹夫
笹辺 修司
白川 善幸
瀬戸 章文
多々見純一
所
千晴
野村 俊之
福井 国博
藤
正督
山本 浩充
綿野
哲

神戸学院大学教授

横山

ホソカワミクロン株式会社フェロー

豊和

東北大学教授京都大学教授岡山大学教授東京大学准教授
ホソカワミクロン株式会社事業部長
同志社大学教授
金沢大学教授横浜国立大学教授
早稲田大学教授
大阪府立大学教授
広島大学教授名古屋工業大学教授
愛知学院大学教授
大阪府立大学工学研究科長，教授– 12 –

役員名簿

監

議

細川 悦男
奥山喜久夫
鹿毛 浩之
神谷 秀博
竹内 洋文
田中 敏嗣
日高 重助
内藤 牧男
細川 晃平
牧野 尚夫
松坂 修二

ホソカワ粉体工学振興財団年報

3．令和 3 年度
3-1（2 名

令和 3 年度

No.29 (2021)

助成・顕彰事業

KONA 賞

賞状および副賞としてそれぞれ 100 万円）

採択番号

受賞者

Accepted No.

Award recipient

所

属・役

職（国籍）

Position, Affiliation(Nationality)
Professor, Friedrich-Alexander

HPTF21201

Wolfgang Peukert

University Erlangen-Nuremberg,(Germany)
京都大学大学院工学研究科・HPTF21202

松坂

修二

Shuji Matsusaka

教授（日本）
Professor, Graduate School ofEngineering, Kyoto University(Japan)業

積Achievement
Particle Based ProductInnovations by Understanding
and Controlling Particle
Interactions
Advanced Characterization ofFine Particles and theDevelopment of Novel
Powder Handling Systems◎ 受賞理由Prof. Peukert has brought particle technology forward like no other European and probably no otherprofessor at all in the last decade. With his forward-looking approaches to focus research activities on particle
interactions, he has given particle technology as an engineering discipline a new direction. From thefundamental and in-depth research of individual processes in mechanical process engineering, which was
predominant 20 years ago, his influence has clearly shifted the discipline towards process-structure-property
relationships and, thus, towards the design of products made of the finest particles, which are often in thenanometer range.
He has published his research results in more than 550 refereed publications with over 10920 citations(according to Scopus), whereby he has achieved an extremely high h-factor of 52 for the research subject
process engineering”. His pioneering concepts have led to the acquisition of the Cluster of ExcellenceEngineering of Advanced Materials – Hierarchical Structure Formation for Functional Devices”, which hesuccessfully led into the second application phase as coordinator. He was also awarded the Gottfried Wilhelm
Leibniz Prize (1.55 million €) for his scientific achievements. Within the ProcessNet association (as part of
DECHEMA and VDI/GVC), he has been intensively promoting the subject for many years as chairman of thedivision Particle Technology and Product Design”. These outstanding achievements are complemented bymany other smaller successes and activities.

– 13 –

助成事業

HPTF21201 Wolfgang Peukert

ホソカワ粉体工学振興財団年報

No.29 (2021)

HPTF21202 Shuji Matsusaka
Prof. Matsusaka has been conducting research at Kyoto University focusing on powder technology,
particularly with regards to the advanced characterization of fine particles in gases, for 32 years. This area ofstudy covers a number of fundamentally related topics including electrostatic charging, deposition and reentrainment, adhesion and agglomeration, and powder flowability and mechanics. He has used thecharacterization methods to develop novel powder handling systems for feeding, transport, and particle
motion control systems. Furthermore, he established the theory and control method of particle charging basedon contact potential difference in an external electric field.
Dr. Matsusaka also developed novel methods using atmospheric pressure plasma jets and the photoelectriceffect arising from ultraviolet radiation. In addition, he established a dynamic model for particle deposition
layers formed in gas-solid pipe flow, considering simultaneous particle deposition and re-entrainment.
Applying the airflow method, he developed a system measuring the adhesive strength distribution of fineparticles to characterize different adhesion forces including van der Waals forces and electrostatic forces.
To analyze and evaluate the flowability of highly cohesive powders, he invented the vibration shear
method, which was effective for micro-feeding of nanoparticles and micron-sized particles. Furthermore, hedeveloped the constant-volume shear method and the vibration-induced fluidization method forcharacterization and applications.
For the above achievements, Dr. Matsusaka was awarded the APT Distinguished Paper Award in 2018,
Best Paper Award of the Society of Powder Technology, Japan in 2018, SCEJ Award for Outstanding
Research Achievement in 2018, Best Paper Award of the Imaging Society of Japan in 2010, DistinguishedAchievement Award of the Information Center of Particle Technology, Japan in 2002, Best Paper Award of
and Technology in 1995, among other awards.
In recognition of his research achievements, Dr. Matsusaka was appointed as Editor-in-Chief of Advanced
Powder Technology. During his tenure, he elevated the journal to a top ranking in the field by increasing theimpact factor from 1.6 (2013) to 4.2 (2019). To achieve this objective, he made effective use of the financial
support provided by the Japanese government and established overseas editorial boards in Europe and North
America. He has been a longstanding proponent of various international programs.
Dr. Matsusaka is an acknowledged world leader in powder technology and has made significant
contributions to the formation of a global network of researchers in the field.

– 14 –

助成事業

the Society of Powder Technology, Japan in 2002, Iinoya Award of the Japan Association of Aerosol Scienceホソカワ粉体工学振興財団年報

3-2

令和 3 年度

研究助成（26 名

No.29 (2021)

総額 2200 万円）（五十音順，敬称略）

助成対象者

HPTF21101

石神徹

HPTF21102

石川善恵

HPTF21103

伊藤貴章

HPTF21104

梅本

和輝

HPTF21105

大熊学

HPTF21106

大﨑修司

HPTF21107

尾関哲也

HPTF21108

加藤邦彦

HPTF21109

北村

研太

HPTF21110

久志本

HPTF21111

河府

賢治

HPTF21112

関本

敦

HPTF21113

高井千加

HPTF21114

劒

隼人

築

所

属・役

職*

研究課題

広島大学大学院先進理工系科 マスク内エアロゾル挙動の数値解析と学研究科・准教授

微細構造最適設計

産業技術総合研究所電子光基 微小溶融液滴の高速冷却による非平衡
礎技術研究部門・主任研究員 結晶性粉体の合成
岐阜薬科大学製剤学研究室・ 電界紡糸マットを用いた中空多孔吸入
助教

粉末剤の調製山形大学大学院理工学研究

超音波ビーズミルによる量子ドットの科・研究支援者

合成

物質・材料研究機構構造材料 加圧焼結による欠陥収縮過程の放射光研究拠点・研究員

X 線 CT 観察

大阪府立大学大学院工学研究 固体電解質ナノ粒子の生成メカニズム科・助教の解明と高速合成

名古屋市立大学大学院薬学研 mRNA ワクチン吸入剤プラット
究科・教授

フォーム技術の萌芽研究

名古屋工業大学先進セラミッ 半導体ナノ表面のマイクロ波プラズマ
クス研究センター・特任教授 改質と高機能化
法政大学生命科学部・助手

均質な多成分粒子ペーストの調製に関する基礎研究東北大学多元物質科学研究

ボールミル内粒子の固着発生機構の解

所・助教

明

日本大学理工学部・准教授
岡山大学環境生命科学学域・准教授
岐阜大学工学部・助教

超音波振動による気相中懸濁微粒子の挙動制御および集塵
矩形ダクト流路内の粒子挙動の制御
粉体の僅かな変化を機械学習（MT 法）
で検知する

大阪大学大学院基礎工学研究 光触媒特性を示す酸化鉄の分子状ナノ
科・准教授

粒子合成

– 15 –

助成事業

採択番号

ホソカワ粉体工学振興財団年報

採択番号

助成対象者

HPTF21115

冨樫貴成

HPTF21116

中澤光

HPTF21117

中島佑樹

HPTF21118

根岸淳

HPTF21119

橋本

雅彦

所

属・役

職*

堀口

元規

授

する金属錯体開発

東北大学大学院工学研究科・ 光照射で酵素の活性を向上するスキャ
准教授

フォールド粉体の開発

産業技術総合研究所マルチマ 表面形成ラジカルを利用したポリマー
テリアル研究部門・研究員

被覆技術の開発

信州大学学術研究院繊維学

CIP 成型を用いた新規細胞外マトリッ

系・准教授

クス材料の開発

同志社大学大学院理工学研究 単分散 PLGA ナノ粒子の用時調製技
科・教授

術の開発

ルイノベーション研究院・助
教

松岡

光昭

HPTF21122

鱒渕友治

HPTF21123

松井淳

HPTF21124

村田秀信

HPTF21125

渡邉

貴一

Cathy

する薬剤の開発

関西大学環境都市工学部・准 ジオポリマーを用いる重金属の固定化
教授プロセスの構築北海道大学大学院工学研究

高結晶性な酸窒化物微粒子のフラック

院・准教授

ス合成

山形大学理学部・教授

湿度で可逆的に構造変形する人工まつかさ大阪府立大学大学院工学研究 粉体特性値を用いた DEM 用物理パラ
科・助教

メータ推定法の開発

岡山大学学術研究院自然科学 スラグ流を反応場としたコアシェル型
学域・研究准教授

微粒子の高速合成

McNAMEE,
HPTF21126

多様な燃焼灰粒子の高温付着性を制御

信州大学繊維学部・教授

Elizabeth* 所属・役職は採択時点– 16 –

磁気欠陥が制御された磁性ナノ粒子薄膜

助成事業

HPTF21121

研究課題

山形大学理学部理学科・准教 ナノ粒子完全無溶媒精密合成を可能と

東京農工大学大学院グローバ
HPTF21120

No.29 (2021)

ホソカワ粉体工学振興財団年報3-3

令和 3 年度

研究者育成（14 名

No.29 (2021)

総額 420 万円）（五十音順，敬称略）

採択番号

援助対象者

所

属*

研究課題

横浜国立大学大学院理HPTF21501 網中康平 工学府化学・生命系理工学専攻

HPTF21502 飯田裕也

核生成経路の体系化に基づく合究科化学工学専攻

理的粒子合成戦略の確立

尚樹 学研究科物質・化学系
専攻
東京大学大学院工学系

HPTF21504 佐田

侑樹 研究科化学システム工学専攻

HPTF21505 朱家慶

イアロンの透明化

京都大学大学院工学研
大阪府立大学大学院工

HPTF21503 岸田

精緻な粉体プロセスに基づくサ

九州大学大学院工学府
機械工学専攻粉体混合シミュレーションの大規模・高速化技術の開発
ゼオライトの自在合成に向けた原料粉体の新規調製法

研究指導者

多々見純一

宮原

稔

仲村

英也

脇原

徹

林

照剛

ナノ粒子チップを用いた液中の多分散ナノ粒子の高精度粒度分
布計測

東京農工大学大学院生
卓真

物システム応用科学府

植物体における物質輸送の高度

LENGGORO,

食料エネルギーシステ化に向けた粒子の合成と溶解

Wuled

ム科学専攻
HPTF21507 津川侑平

HPTF21508 畑中友太

HPTF21509 原雄介

HPTF21510 室原昌弥

HPTF21511

HPTF21512

HPTF21513

AKRAMI,
Saeid
EDALATI,
ParisaNGUYEN,
Tue Tri

同志社大学大学院理工晶析プロセスにおける NaCl 粒

学研究科応用化学専攻

子へのアニオン取込機構の解明

大阪医科薬科大学大学

コアモルファス形成に基づく粉院薬学研究科薬学専攻

末物性改善の開発

東京大学大学院総合文化研究科広域科学専攻

二成分粉体の流動特性

白川

善幸

戸塚

裕一

池田

昌司

小泉

宏之

東京大学大学院工学系

小型人工衛星用エンジンへの水研究科航空宇宙専攻／金属粉塵爆発の応用

名古屋工業大学大学院

メカニカルストレスにより合成

工学研究科生命・応用

した TiO2-II 光触媒を用いた CO2 藤

化学専攻の変換への挑戦名古屋工業大学大学院

メカニカルストレスによる高エ工学研究科生命・応用

ントロピー酸窒化物の作製とそ

化学専攻

の応用

広島大学大学院先進理工系科学研究科化学工学プログラム– 17 –

生体物質の革新的吸着を可能にする微粒子材料の開発

正督

藤

正督

荻

崇

助成事業

HPTF21506 髙橋ホソカワ粉体工学振興財団年報

採択番号

HPTF21514

援助対象者

所

属*

研究課題
Applications of silica nanoparticles

SEMBADA, 東京農工大学大学院工Anca Awal

in tomatoes to overcome drought

学府応用化学専攻

stressNo.29 (2021)

研究指導者
LENGGORO,
Wuled* 所属は採択時点

3-4

令和 3 年度

採択番号

シンポジウム等開催援助（1 件

援助対象者 所属・役職 主催機関名

総額 100 万円）

シンポジウム等の名称

会期

The 7th International
Conference on the
一般財団法
HPTF21001 谷本友秀 人粉体工学
会・会長

Characterization and Control of
一般財団法Interfaces for High Quality
人粉体工学
2022/11/15 〜 18
Advanced Materials
会(ICCCI2022)（第 7 回先進材料の界面制御– 18 –

助成事業と評価に関する国際会議）

ホソカワ粉体工学振興財団年報

No.29 (2021)

4．研究成果等報告（概要）
4-1
採択
番号

令和元年度

研究助成成果報告

報告者

所

後藤

健彦

19102

佐藤根大士

19103

庄山

瑞季

19104

瀬戸

章文

19105

田原

耕平

19106

長尾

大輔

19107

長嶺

信輔

19108

弘中

秀至

19109

深澤

智典

19110

鷲野

公彰

属

研究課題

広島大学大学院工学研究科・ 高分子ゲル反応場を利用した金助教

属酸化物ナノ粒子の合成

兵庫県立大学大学院工学研

軟凝集性スラリーによる高柔軟

究科・准教授性塗布膜成形技術の開発

京都大学工学研究科・研究

紫外線と静電場を用いた粒子の員

帯電量操作と運動制御

金沢大学理工研究域フロン

レーザーと凝集粒子の相互作用

ティア工学系・教授に起因する諸現象の解明

岐阜薬科大学薬学部製剤学

ワンポット型粉体加工装置によ研究室・教授る医薬品の個別化製造

東北大学大学院工学研究科・ 自己推進性発現のための光触媒
教授

微粒子の形状異方化

京都大学大学院工学研究科・ ポリドーパミン粒子集積層によ准教授

る接着機能の向上

九州大学大学院工学研究院

スラリーの乾燥により作製され化学工学部門・助教

る多孔質膜の性能制御

広島大学大学院工学研究科・ 振動流動層中における微粉体の助教

凝集・破壊挙動の解析

大阪大学大学院工学研究科・ 粉体バルク挙動に着目した DEM
講師

手法の開発

– 19 –

頁

23

30

36

41

47

51

56

62

68

73

成果報告

19101

目次

ホソカワ粉体工学振興財団年報

4-2
採択
番号
20501

令和 2 年度

研究者育成成果報告

報告者
川本

所

弘樹

目次

属

研究課題

東北大学大学院工学研究 銀交換ゼオライトを用いた吸科応用化学専攻

No.29 (2021)

推薦者

頁

浅井

圭介

79

白川

善幸

83

綿野

哲

88

酒井

幹夫

92

付着性粒子の塑性圧縮理論の 綿野

哲

97

大槻

道夫

101

荻

崇

106

汲田

幹夫

113

藤

正督

118

所

千晴

122

着剤兼積算型線量計の創製
層状複水酸化物作製のための

20502

木村

太一

同志社大学大学院理工学 ニューラルネットワークモデ
研究科応用化学専攻

ルを用いた連続晶析装置の開
発

20503

三谷

亮介

20504

森

勇稀

20505

20506

矢野

武尊

吉井

究

大阪府立大学大学院工学 異形粒子の気相中ダイナミク
研究科物質・化学系専攻 スと肺内挙動の解析
東京大学大学院工学研究 粉体シミュレーションの産業
科原子力国際専攻

応用に関する研究大阪府立大学大学院工学研究科物質・化学系専攻

全固体電池への応用に向けた構築

大阪大学大学院基礎工学 濡れた粉体系の力学的応答・研究科機能創成専攻

特性の微視的解明
Controllable Synthesis of

20507

CAO, Kiet Le 広島大学大学院工学研究Anh

科化学工学専攻

Spherical Carbon Particles withHigh Specific Surface Area
Derived from Kraft Lignin
through Spray Drying Method

CHUMNANWAT,
Suppanat

研究科自然システム学専
攻20509 JIANG, Xinxin 学研究科生命・応用化学専攻

ZUBAIR, Yusuf
Olalekan

早稲田大学大学院創造理
工学研究科地球・環境資源理工学専攻Particles Layer on Aluminumand Its Water Vapor Adsorption
Properties

名古屋工業大学大学院工

20510

Formation of Adsorbent

二酸化チタンベースの複合光触媒の調製と性能分析
Preparation of Mesoporous
Zerovalent Iron-Magnetite
Nanocomposite for Arsenic
Removal– 20 –

成果報告

20508

金沢大学大学院自然科学

ホソカワ粉体工学振興財団年報

4-3

令和 2 年度

採択番号

報告者

シンポジウム等開催援助成果報告
所

属

No.29 (2021)

目次

シンポジウム等の名称

頁

第8回アジア粉体工学シンポジウム
20001

綿野

哲

大阪公立大学工 （APT2021）

学研究科長・教授

The 8th Asian Particle Technology Symposium

128

APT2021

成果報告– 21 –

4-1 令和元年度 研究助成成果報告– 22 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 23–29 /https://doi.org/10.14356/hptf.19101

19101

高分子ゲル反応場を利用した金属酸化物ナノ粒子の合成
Preparation of Metal Oxide Nano Particle in Hydrogel Reaction
Field
研究代表者 Research leader:後藤

健彦

Takehiko GOTOH

広島大学大学院先進理工系科学研究科

助教

Graduate School of Advanced Science and Engineering, Hiroshima University,
Assistant Professor
E-mail: tgoto@hiroshima-u.ac.jp

抄

録

本研究では，高分子ゲル内部で金属酸化物ナノ粒子を合成し，浸漬温度，ゲル組成，初期金属イオ
ン溶液濃度，金属イオンのドープが粒子生成や光触媒特性に与える影響を検討した．浸漬温度を上昇させると金属水酸化物の酸化反応が促進されて触媒活性が増加するが，上昇させすぎると粒子の成長や凝集が生じてしまい触媒活性は低下した．また，ゲル組成を変えて高分子鎖のネットワーク
密度が密になるほど粒子の成長や凝集を抑制され触媒活性が増加することが明らかになった．さらに初期溶液濃度が高いほど粒子含有率が高くなり，触媒活性が増加する一方で，濃度が高すぎると膨潤度が低下して金属イオンの取り込み量が低下して粒子含有率が低くなり，触媒活性が低下した．
また，他の金属イオンをドープすると異なるイオン半径の影響による平均粒子径の減少や，ドープした金属イオンによる電子と正孔の再結合の抑制により触媒活性が増加する可能性が示唆された．

ABSTRACTIn this study, metal oxide nanoparticles were synthesized inside hydrogels to examine the effects of immersion
temperature, gel composition, initial metal ion concentration, and doped metal ions on particle formation andphotocatalyst properties. When the immersion temperature was raised, the oxidation reaction of the metalhydroxide was promoted and the catalytic activity increased, but if it was raised too much, particles grew andagglomerated, and the catalytic activity decreased. In addition, it was clarified that the denser the network
density of the polymer chain by changing the gel composition, the more the growth and aggregation ofparticles were suppressed, and the catalytic activity increased. Furthermore, the higher the initial solution
concentration, the higher the particle content, and the increase in the catalytic activity. However, if theconcentration is too high, the swelling degree decreases and the amount of metal ion intake decreases,
resulted in the decrease of particle content to reduce the catalytic activity. It was also suggested that thecatalytic activity may increase by reducing the average particle size due to the influence of different ion radii
when doping other metal ions and suppressing the recombination of electrons and holes by doped metal ions.

– 23 –
Copyright © 2022 The Author. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article
under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 23–29

研究背景と目的
近年，光触媒や電子材料など多くの分野でナノサイズの微粒子が利用されている．従来のナノ粒子の合成法には液相法や気相法があるが，ナノ粒子は液相中，気相中を問わず，対流，密度差，熱運動，静電相互作用などの微小な力の影響で凝集や沈降を生じる．ナノ粒子を安定に合成するためは電場，磁場を用いるため，製造
Fig. 1に多くのエネルギーを要し，粒子製造コスト上昇の原因となっている．ナノ粒子の凝集を防ぐを用いる．DMAPAA ゲルを用いて異なる作製には表面を化学的に修飾する方法もあるが，表条件（浸漬温度，初期 Zn2+ 溶液濃度，異なる

面改質は触媒活性の低下につながりやすい．さ金属イオンのドーピング）で複合体を作製し，らに，ナノ粒子は粒子のみでは，ハンドリング，

ゲル内部の ZnO ナノ粒子の分散性や粒子径が，回収，再利用が困難であることも応用上の課題

光触媒特性に与える影響を評価した．

となっている．
ZnO ナノ粒子は，紫外光を照射すると強い研

酸化作用により有機物を分解することができる
ため，光触媒としての応用が期待されている．

methylene bisacrylamide（MBAA） 水 溶 液 をし，ナノ粒子は粒子間の相互作用により凝集し1 mm 間隔の 2 枚のガラス板間に保持し，5 時間，やすく，触媒特性が長期間安定しないことが問

10°C でラジカル重合した．得られた板状のゲ題となっている．そこで，高分子ゲルが持つ微ルをメタノールで洗浄後，室温で乾燥した．乾細な高分子鎖のネットワークに粒子を担持し，燥後，ゲルを所定濃度，所定温度の酢酸亜鉛溶

粒子の凝集を防ぐ方法が注目されている [2]．

液に 4 時間浸漬し，ZnO ナノ粒子をゲル内部既往の研究では，高分子ゲルを Zn2+ エタノーに生成させて複合体を作製した．また，酢酸亜ル溶液に浸漬後，Li 触媒の塩基性溶液を用い，

鉛 溶 液 に 硝 酸 Mn 溶 液（Mn = Al3+, Fe3+, Cu2+,

アルコキシドの加水分解により ZnO と高分子

Ni2+）を所定量混合し，同様の手順で ZnO ナ
ノ粒子に Mn がドーピングした複合体を作製した．そして，各複合体中の粒子結晶および粒子や前駆体の Zn(OH)2 から ZnO を生成させる際エネルギーコストがかかるという問題があった．そこで，本研究では，ゲルを水に浸漬させ法

DMAPAA モ ノ マ ー お よ び 架 橋 剤 N,N’-

目的とする研究が多く報告されている [1]．しかに，100°C 以上の高温処理が必要であったため

方製

ナノ粒子にドーピングして光触媒特性の改善を方法では，エタノールや塩基性触媒の廃液処理

究

1．高分子ゲルと ZnO ナノ粒子の複合体の作

さらに，Fe3+ や Al3+ などの金属イオンを ZnO

ゲルの複合体を作製していた [2]．しかし，このProtonation of DMAPAA.

含 有 率， 粒 子 径 を そ れ ぞ れ X 線 回 折 装 置（XRD）， エ ネ ル ギ ー 分 散 型 X 線 分 析 装 置（EDX），熱重量分析装置（TGA），透過型電子るだけで側鎖のアミノ基がプロトン化し，ゲル内 部 の み が 塩 基 性 と な る カ チ オ ン 性 の N,NDimethylaminopropylacryl amide（DMAPAA）ゲル（図 1）を用いて塩基性溶液や触媒を用いず，低温で効率的に ZnO ナノ粒子を作製する方法– 24 –

顕微鏡（TEM）により測定した．

2．光触媒特性分析
40 ppm のビスフェノール A（BPA）50 ml 中に複合体を 0.05 g 添加し，暗所で所定時間紫外Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 23–29

Research Grant Report線（254 nm）を照射して，BPA の光触媒分解

2．初期 Zn2+ 溶液濃度の BPA の分解量へのを行った．分解率（量）は，紫外線可視分光光

影響度計により BPA の吸光度を測定し，濃度差から算出した．

図 5 に異なる初期 Zn2+ 溶液濃度で作製した複合体の BPA の分解量を示す．0.08 M までは

研

究

成

濃度が増加すると BPA の分解量が上昇したが，果それ以上では減少した．これは，図 6 に示す
Zn2+ 濃度と各複合体の粒子含有率の関係より

1．浸漬温度の BPA の分解量への影響

0.08 M 以上では複合体の粒子含有率が減少し

図 2 に異なる浸漬温度で作製した複合体のたためだと考えられる．また，粒子含有率は膨24 時間後の BPA の分解量を示す．25°C から
50°C までは分解量が増加していることがわかる．これは図 3 に示す複合体の X 線回折パター
ンより浸漬温度が上昇することでゲル内部の
ZnO の生成が促進されて，ゲル内部で ZnO ナ
ノ粒子がより多く生成したためだと考えられる．しかし，50°C 以上では BPA の分解量が減
少した．
これは，図 4 に示した各浸漬温度と粒子含有率および粒子径の関係より 50°C 以上で，ゲル内部の粒子含有率がわずかに増加するのに伴い，粒子の凝集または成長で，粒子径が急激に増加して粒子の比表面積が減少し，粒子の触媒活性が低下したためだと考えられる．

Fig. 2 Effect of preparation temperature of composite on
degradation amount of BPA.

Fig. 3

X-ray diffraction pattern of the composites
prepared at 25°C and 50°C.

Fig. 4

Effect of preparation temperature of composites
on content and size of particle.

– 25 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 23–29

Research Grant Report

潤度が Zn2+ 濃度の増加に伴って低下したためのピークは現れず，ZnO と Zn(OH)2 に関するに，ゲル内に取り込まれる Zn の量が制限さ

ピークのみを得ることができた．また，EDX

れて減少したと考えられる．

により複合体内の組成を分析した結果，Al3+ を

2+

1 mol% にして複合体を作製した場合 0.361% を

3．Al3+ のドープの粒子生成および BPA の分占めた．そのため，複合体内に Al3+ が存在し解量への影響ていることが明らかとなった．以上より，ZnO

図 7 に異なる mol 分率の Zn と Al の混合

ナノ粒子の格子内の Zn2+ と一部 Al3+ が置換し溶液で作製した複合体の X 線回折スペクトルて結晶が生成している可能性が示唆された [3]．

を示す．どのモル分率においても Al3+ の沈殿

また，Al3+ の割合が増えると，ピーク強度が減

2+3+

少し，5 mol% でピークが現れなくなった．これは，Al3+ がゲル内部での Zn2+ の水酸化物沈
殿反応を阻害したためだと考えられる．また，
図 8 に異なる Zn2+ と Al3+ のモル分率で作製した複合体の BPA の分解量を示す．Al3+ を加えると BPA の分解量が上昇した．これは，ZnO
ナノ粒子の平均粒子径が，Al が 0 mol% で約109.8 nm，1 mol% で 約 98 nm，2 mol% で 約
88.1 nm と減少し，粒子の比表面積が増加したためだと考えられる．しかし，Al が 5 mol% になると分解量が減少した．これは，図 7 の X
線回折スペクトルが示すように 5 mol% では結晶性が失われて触媒活性が低下したためだと考えられる．
Fig. 5

Effect of composites prepared at different initial
Zn2+ solution concentration on BPA degradation
amount.

Fig. 6

Effect of initial Zn2+ solution concentration ofcomposites on content of particle and swelling
ratio.

– 26 –

Fig. 7

X-ray diffraction pattern of the composites
prepared at different mixing concentration of Zn2+
and Al3+.

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 23–29

Research Grant Report

5．浸漬濃度の BPA の分解量への影響

4．硫化物ナノ粒子の合成
CuS ナノ粒子は，光触媒特性を有する CdS

図 9 に S2– 溶液の異なる浸漬濃度で作製したナノ粒子と比べて無害で，可視光を照射するこ複合体の 2 時間後の MB の分解量，粒子径をとで汚染物質を分解できることから近年注目さ

示 す．0.01 M で 分 解 量 が 格 段 に 上 昇 し た．

れている．既往の研究では，CuS ナノ粒子は主TEM 画像より粒子径を測定した結果，低濃度に硝酸銅溶液とチオ尿素溶液の混合による水熱で浸漬するほど，粒子径が小さいことがわかっ

法で作製されていた．しかし，ナノ粒子が凝た．また針状の Cu2S 粒子は確認されず，粒子集しやすく，触媒特性が長期間安定しないこと

径の小さな粒子が分散された状態でゲル内部にが問題となっている．そこで，高分子ゲルが持担持されていることが確認された．さらに，図つ微細な高分子鎖のネットワークに粒子を担持10 に示す X 線回折の結果からも Cu2S 粒子の生し複合体を作製し，粒子の凝集を防ぐ方法が注

成は確認されなかった．また，濃度 0.01 M で目されている．本研究では，スルホン基を作製した複合体のピークが最も強くなり結晶性

有 す る ア ニ オ ン 性 の 2-Acrylamidoが高くなることが示された．これは原子配列が

[5]

[4]

2-methylpropanesulfonicacid（AMPS） ゲ ル を 用
い，所定濃度，所定温度の Cu(NO3)2，Na2S 溶
液にそれぞれ浸漬し，CuS ナノ粒子をゲル内部に生成させて複合体を作製した．次に 10–5 Mのメチレンブルー（MB）50 ml 中に複合体を0.05 g 添加し，暗所で可視光を 2 時間照射して，MB の光触媒分解を行った．分解率（量）は，
紫外線可視分光光度計により BPA の吸光度を測定し，MB の濃度差から算出した．

Degradation amount [mg/g-particle]

Fig. 9Fig. 8 Effect of mole fraction of Al 3+ on BPA
degradation amount.

– 27 –

Effect of S 2– concentration on particle MBdegradation.

Fig. 10

X-ray diffraction pattern of the composites.

Research Grant Report

Degradation amount [mg/g-particle]

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 23–29

Fig. 11CuS

2θ/θ
Fig. 12

Effect of immersion time on MB degradation.

X-ray diffraction pattern of the composites.

乱れているアモルファス状態と比べ励起した電とで硫化銅ナノ粒子を含む複合体を作製でき，子が粒子表面に移動しやすく，分解量が増加し作製条件を操作することで，結晶性の高い粒子たためと考えられる．

径の小さな分散された CuS 粒子をゲル内に内包することができた．本複合体は可視光下で光6．浸漬時間の MB の分解量への影響

触媒特性を示し，有機物を分解できることが示

図 11 に，S 濃度を 0.01 M に固定して，異
2–

された．

なる浸漬時間で作製した複合体の 2 時間後のMB の分解量を示す．浸漬時間 1 h で複合体の参考文献

分解量が最大となった．これは，浸漬時間が短くなるほど粒子径が小さくなり粒子の比表面積[1]Türkyılmaz S.S., Güy N., Özacar M., Photocatalytic efficiencies of Ni, Mn, Fe and Ag doped ZnO nanostruc-が増加したためであると考えられる．しかし，tures synthesized by hydrothermal method: the syner-

浸漬時間 0.5 h と 1 h の分解量を比較すると 0.5 hgistic/antagonistic effect between ZnO and metals,の分解量が減少している．これは，図 12 に示

Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chem-

す X 線解析の結果より，1 h に比べ 0.5 h で作

istry, 341 (2017) 39–50. 
https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2017.03.027

製した CuS ナノ粒子の結晶性が低いためであ[2]ると考えられる．

Zhang Y., Wang X., Liu Y., Song S., Liu D., Highly
transparent bulk PMMA/ZnO nanocomposites withbright visible luminescence and efficient UV-shielding

7．まとめ

capability, Journal of Materials Chemistry, 22 (2012)

本研究では，3 級アミノ基を持つイオン性高11971–11977. https://doi.org/10.1039/C2JM30672G

分子 DMAPAA からなる高分子ゲルを用いてゲ[3]and enhanced photocatalytic performance of Al doped

ル中で水酸化亜鉛を生成し，ゲルを乾燥させる

ZnO nanoparticles, Advanced Powder Technology, 28

ことにより酸化亜鉛ナノ粒子を含む複合体を合(2017) 1418–1425. 

成した．ゲル中の酸化亜鉛粒子は光触媒特性を有することが示された．粒子径や粒子含有率は，作製条件（浸漬温度，初期 Zn2+ 溶液濃度，金Mahdavi R., Talesh S.S.A., Sol-gel synthesis, structural

https://doi.org/10.1016/j.apt.2017.03.014[4]Saranya M., Ramachandran R., Samuel E.J.J., Jeong
S.K., Grace A.N., Enhanced visible light photocatalytic
reduction of organic pollutant and electrochemical

属イオンのドープ）により制御できることが示された．また，同様に AMPS ゲルを用いるこ– 28 –

properties of CuS catalyst, Powder Technology, 279(2015) 209–220. 

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 23–29

[5]

Research Grant Reporthttps://doi.org/10.1016/j.powtec.2015.03.041

acid) hydrogel networks, Colloid and Polymer Science,

Sahiner N., In situ metal particle preparation in cross-

285 (2006) 283–292. linked poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propansulfonichttps://doi.org/10.1007/s00396-006-1562-z

外部発表成果与えるゲルネットワーク密度の影響 ，化学
工 学 会 第 86 年 会 研 究 発 表 講 演 会（Mar.
3.20–22, 2021）．

口頭・ポスター発表

2. 近藤 右京，後藤 健彦，中井 智司， CuS ナ
ノ粒子を内包したイオン性高分子ゲルの光

1. 後藤 健彦，近藤 右京，中井 智司， 高分子

触媒特性 ，化学工学会第 23 回学生発表会

ゲル中で作製した硫化銅ナノ粒子の形態に（Mar. 3.6, 2021）．

– 29 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 30–35 /https://doi.org/10.14356/hptf.19102

19102

軟凝集性スラリーによる高柔軟性塗布膜成形技術の開発
Development of Tape Casting Technology of High Flexibility Sheetby Soft-Flocculated Slurry
研究代表者 Research leader:

佐藤根

大士

Hiroshi SATONE

兵庫県立大学大学院工学研究科

准教授

Graduate School of Engineering, University of Hyogo, Associate Professor
E-mail: satone@eng.u-hyogo.ac.jp

抄

録

スラリーの塗布膜成形非常に幅広い分野で利用されているが，通常は成形性向上および柔軟性付与のため大量の可塑剤を添加するなどしており，製品品質および CO2 排出量への影響が懸念されてきた．本研究では，高分子電解質分散剤を用いて一旦粒子を良分散状態としたのち，軟凝集添加剤
として両末端に高分子分散剤とは逆の電荷を持つ直鎖状の分子を添加して粒子表面の高分子分散剤
をイオン架橋させることで，静置時は降伏値を持つ緩いゲルを形成し，軽い震盪で容易に流動状態へと移行し，時間が経過すれば再度ゲル状態に戻るという可逆性を有した軟凝集性スラリーの調製に成功した．このスラリーを用いてドクターブレード法によりシート成形を行ったところ，適切な軟凝集添加剤および添加量とすることで，従来法のような多量の可塑剤を添加することなく均一なシートの成形に成功した．さらに，得られたシートは折り曲げても割れることのない高い柔軟性を有していた．

ABSTRACTThe tape casting process is widely used in various industrial processes. A plasticizer is added to a slurry to
improve moldability and provide flexibility to a sheet. These results in quality instability and an increase inCO2 emissions. A soft-flocculated slurry was generated in this work employing polyelectrolytes as adispersion and a linear polymer with a charge reversal to the charge of the dispersant at both terminals as a
soft-flocculant. A well-dispersed slurry was prepared by adding dispersant beforehand. After that, a softflocculant was added to the well-dispersed slurry. By adding soft-flocculant, the well-dispersed slurry waschanged to a gel state because of the crosslinking of dispersant. The resultant gel was soft and could easily bechanged into a liquid by shaking. The soft-flocculated slurry was optimized by selecting the appropriate agent
and controlling the additive amount of the agent. A tape was casted using the doctor blade method. As aresult, a thin tape could be cast without the use of a plasticizer using an optimized soft-flocculated slurry. The
quality of this tape was comparable to that of a conventional method. Furthermore, the cast tapes showed highhomogeneity and good flexibility resistance to bending use.

– 30 –
Copyright © 2022 The Author. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article
under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 30–35

研究背景と目的: particle: polymer

積層セラミックコンデンサー等の製品製造，: agent

印刷，塗装，リキッドタイプ化粧品の使用時など，非常に幅広い分野で，スラリーの塗布膜成Fig. 1形（シート成形，スロット塗布とも呼ばれる）Schematic illustration of concept of softflocculated slurry.

工程が存在する．シート成形はドクターブレード等の非常に狭いスリットを持つ構造体でスラ保管時はゲルでありながら使用時は軽い撹拌でリーをフィルムなどの基板上に塗布し，非常に良分散状態に戻るという簡易的に分散凝集状態

薄い成形体を得る手法である．工業的にはローを可逆的に変化可能な軟凝集スラリーの調製にルフィルム状にシート成形したのち乾燥してそ成功した（Satone H. et al., 2018; 2019）．軟凝集のまま巻き取るという工程となることが多い．

スラリーのイメージ図を図 1 に示す．

一般的には，成形体の充填率向上を目的として，

このスラリーは添加物の量および種類を適切

良分散状態に調製したスラリーを使用することに選択することで，ゲルからゾル，ゾルからゲが多いが，単に粒子，分散剤，媒液だけで調製

ルへすぐに変化可能であることから，従来のよした良分散スラリーは粘性が低くシート成形がうな可塑剤を添加することなく，良分散スラ

困難なことに加え，得られる充填率の高い緻密リーでシート成形できる可能性がある．しかしな成形体は柔軟性に乏しいため，仮にシート成ながら，あくまでもイオン架橋のように点でゲ形できたとしても巻き取り工程などで容易にクル化させていることから，成形体の柔軟性につラックが入るなどの問題が発生する．このため，

いては期待できないという問題がある．この問

高分子可塑剤を添加するなどしてスラリーの粘題については，イオン架橋ではなく，何らかの度向上および成形体へ柔軟性を与えている．し柔軟性のある物質で架橋させることで，粒子間かしながら，成形体に十分な柔軟性を付与するの接合に柔軟性を付与できるのではないかと考ためには多くの可塑剤を添加する必要があり，えた．そこで本研究では，イオンとは異なる添プロセスによっては 30% 以上が添加剤となる加剤を用いて軟凝集スラリーを調製し，それをこともある．添加剤添加量の増加は，その分だ用いて大量の可塑剤を添加することなく柔軟なけ原料粒子量が低下することになり，製品の品

シートを成形する技術の開発を目的とした．

質低下につながる場合もあり好ましくない．ま研た，セラミックスなどの脱脂・焼成工程がある
場合には CO2 排出量の大幅な増加につながっ

究

方

法

1．試料

てしまう．これとは別に，良分散スラリーはス
ラリー中の粒子の沈降・堆積により，スラリー

試料粒子として，酸化亜鉛粒子（公称粒子径

保管容器の底部に再分散不能な固化層が形成さ20–30 nm），媒液としてイオン交換水，分散剤れてしまうという問題もあり，現状は最適なスとしてポリカルボン酸アンモニウム塩（分子量ラリーを経験と勘に基づき必要量だけ調製する10000）をそれぞれ用いた．粒子を軟凝集させという対応が行われていることが多い．

るためには，粒子表面に吸着した高分子側鎖の一方我々は，高分子電解質分散剤添加によりカルボキシ基間を架橋する必要があるため，2

スラリーを良分散状態に調製後，添加剤として価以上の陽イオンまたは，両端が 1 価以上の直高分子電解し分散剤とは逆電荷を持つ多価イオ

鎖状分子を使用する必要がある．今回は最も単ン投入することで，粒子表面に吸着した分散剤

純な構造で両末端が水中で正帯電し直鎖状構造

間をイオン架橋により緩く凝集させることで，をもつ添加剤 A および B（分子量は A < B）を– 31 –

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 30–35

軟凝集添加剤として用いることとした．

4．シートの柔軟性評価
図 2 に柔軟性評価のイメージを示す．前述の2．軟凝集スラリーの調製方法により得られたシートをフィルムから剥が本研究では，まず試料粉体，媒液およびポリ

さ ず に 中 央 で 折 り 曲 げ， 折 り 目 全 体 を 覆 う

カルボン酸アンモニウムのみで良分散スラリー
を調製後に軟凝集添加剤を添加する．良分散ス
ラリーの調製は以下の手順で行った．まず，過去の研究にて明らかとなった良分散スラリーを調製可能な分散剤添加量 10 mg·(g-particle)–1 と

2.0 kg のおもりを設置し，5 分間静置した．その後おもりを取り除いてシートを開き，シートの割れおよびフィルムからの剥がれを観察した．

なるように分散剤溶液と媒液を混合し，超音波研

バス中で 5 min 攪拌して溶解させて分散剤水溶液を調製する．次に，粒子濃度が 20 vol% とな

究

成

果

1．軟凝集スラリーの調製るように試料粉体を分散剤水溶液に加えて撹拌

軟凝集添加剤 A および B を添加したスラリー

し，塩酸により pH 7.0 に調整したものを遊星のレオロジー測定結果を図 3 および 4 に示す．

ミル（P-5，FRITSCH 社製）で 5 分間攪拌する．

いずれの添加剤を用いたスラリーでも，添加量

その後，撹拌混合の前後で pH に変化がないことを確認して，良分散スラリーを得た．
次に，得られた良分散スラリーに軟凝集添加剤を分散剤添加量基準で添加量 13，26，39，

が 13 mg·(g-polymer)–1 の条件では，比較的低い応力のレオロジー曲線が得られている．添加剤
A を用いた場合は，26 mg·(g-polymer)–1 以上の52 mg·(g-polymer)–1 となるようにそれぞれ添加
し，遊星ミルで 3 分間攪拌しサンプルスラリーとした．

条件では急激に高い粘性となるに対して，添加剤 B を用いた場合には添加量とともに粘性が上昇した．また，全てのスラリーで軟凝集添加

スラリーの評価はレオロジー測定により行っ

weightた．レオロジー測定にはコーンプレート式レオ
メーターを用い，せん断速度を 0 s–1 から毎秒

film

10 s–1 の割合で 1000 s–1 まで増加させてせん断
Fig. 2

速度とせん断応力の関係を得た．

sheet

Schematic illustration of evaluation of sheet.

3．シート成形
軟凝集スラリーを用いたシート成形はドクターブレード法により行った．卓上コーターのステージ上に固定したフィルム上にスラリーを適量滴下した後，ギャップ高さ 100 μm に設定したブレードを用いて 400 mm·s–1 で塗り広げてシートを成形した．その後室温で 24 h 以上
乾燥し，サンプルシートとした．また，比較対象としてマグネシウムイオンによる軟凝集スラ
リ ー お よ び 良 分 散 ス ラ リ ー に 重 合 度 500 のPVA を 5 mass% 添加したものを用いて同様にシートを成形した．
Fig. 3– 32 –

Flow curves of slurries with agent A.

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 30–35

Research Grant Report

剤の添加により縦軸の切片である降伏応力が現は，軟凝集添加剤の添加量が一定量を超えると，れており，スラリー内の粒子が凝集してネット

粒子間ではなく単一粒子表面で架橋が発生してワーク構造を形成しゲル化していることがわか

しまい，分散剤が収縮して粒子間の架橋が発生る．

しにくくなったのではないかと考えられる．同

そこで，添加剤添加量とゲル化の度合いの関様の現象は過去に多価イオンを用いた場合にも係を定量的に評価するため，軟凝集添加剤添加

観察されており，現在詳細を検討中である．一量と降伏応力との関係を図 5 に示す．添加剤 A

方で添加剤 B を用いた場合，添加量とともにを 用 い た 結 果 で は， 添 加 量 13 か ら 26 mg·(g-降伏応力が増加するという結果となった．温度

polymer) の 間 で 降 伏 応 力 が 大 き く 変 化 し，を上げるなどしてさらに添加量を増やせば極大

39 mg·(g-polymer) で極大となり，それ以上の値を確認できる可能性はあると考えられる．

–1–1

添加量では逆に降伏応力が低下している．これ

2．シート成形結果
図 6–9 に柔軟性評価後のシートの写真を示す．紙面の制約上，各軟凝集添加剤について得られた最良のシートのみ示している．従来法である PVA 添加スラリーを用いた場合は，割れも剥がれも発生せず，本評価法で従来法の性能

Fig. 4

Fig. 5

Flow curves of slurries with agent B.

Relation between the yield stress of slurries andadditive amount of agent.

Fig. 6

Photograph of folded sheet using polyvinyl
alcohol.

Fig. 7

Photograph of folded sheet using magnesium
chloride.

– 33 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 30–35

Research Grant Report

与できることが確認できた．添加剤 A よりも分子量の大きな添加剤 B を用いたシートは，さらに高い柔軟性を期待していたが，期待に反していずれの添加量でも折り目の部分に割れおよび剥がれが発生し，柔軟性の乏しいシートが成形された．これは，実験した範囲内では添加量が不足していたため，添加剤 B の分子鎖が長く粒子表面の分散剤間を架橋せずに一つの粒子に吸着した分散剤間を架橋してしまったた
め，両末端間の分子差が長くスラリー中では十Fig. 8

Photograph of folded sheet using agent A(39 mg·(g-polymer)–1).

分に水和できていなかったため，のいずれかではないかと考えられる．添加量および分子鎖長さの影響については，確実に水和する分子で同様の調査を行えば確認可能であるため，現在調査を行っている．

3．まとめ
粒子を良分散状態に調製後，添加剤により粒子間を弱く架橋させて調製した軟凝集性スラリーを用いることで，従来法よりも高濃度かつ可塑剤を使用せずに柔軟なシートを成形できる
Fig. 9Photograph of folded sheet using agent B(26 mg･(g-polymer)–1).

を問題なく評価できることが確認できた．添加剤としてマグネシウムイオンを用いたシート可能性が示唆された．現在，本技術を使用可能
な粒子と各種添加剤との組み合わせおよび非水系スラリーへの展開を実施中である．
参考文献

は，折り目の部分に割れおよび剥がれが発生しSatone H., Iimura K., Suzuki M., Nasu A., Reversible controlており，柔軟性に乏しいシートとなった．これ

method for particle dispersion and flocculation using

は，マグネシウムイオンのサイズでは柔軟性を与えることができなかったためと考えられる．
一方で添加剤に添加剤 A を用いたシートは，
いずれの添加量でも折り目の部分に割れや剥がれは発生せず，PVA と遜色のない柔軟なシートを成形することができ，粒子を直鎖状の高分子で架橋することにより，成形体に柔軟性を付– 34 –

ionic crosslinking of polyelectrolytes, Journal of theJapan Society of Colour Material, 91 (2018) 357–361.
https://doi.org/10.4011/shikizai.91.357
Satone H., Iimura K., Minami N., Nasu A., Effect of multivalent ions on ionic crosslinking of polyelectrolytes adsorbed on particle, Journal of the Society of Powder
Technology, Japan, 56 (2019) 496–500. 
https://doi.org/10.4164/sptj.56.496

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 30–35

外部発表成果Research Grant Report

村 健次， 非水溶媒中粒子の可逆的分散状
態 制 御 ， 第 58 回 粉 体 に 関 す る 討 論 会

口頭・ポスター発表（Online, Sept. 6–8, 2021）1-1．
4. 佐藤根 大士，今井田 直樹，毛利 奈緒，飯1. 佐藤根 大士， 可逆的な微粒子凝集技術で村 健次， 非水溶媒中粒子の可逆的分散状

粉が沈めない！ ，第 4 回ベストシーズ講演

態制御を利用したシート成形プロセス ，粉会（Kyoto, Oct. 30, 2020）No. 2．

体粉末冶金協会 2021 年度秋季大会（Online,

2. 佐藤根 大士， 可逆的分散凝集技術を用い

Nov. 9–11 2021）1-28A．

たフレキシブルシートのバインダーレス成
形 ，令和 2 年度

5. 佐藤根 大士， 液中微粒子の分散状態制御

第 1 回粒子積層技術分科とその応用 ，色材講演会（Online, Nov. 17,会（Online, Mar. 3, 2021）No. 1．

2021）No. 3．

3. 佐藤根 大士，今井田 直樹，毛利 奈緒，飯– 35 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 36–40 /https://doi.org/10.14356/hptf.19103

19103

紫外線と静電場を用いた粒子の帯電量操作と運動制御
Control of Charging and Motion of Particles using UV Irradiationand Electrostatic Field
研究代表者 Research leader:

庄山

瑞季

Mizuki SHOYAMA

労働安全衛生総合研究所

研究員

National Institute of Occupational Safety and Health, Japan, Researcher
E-mail: shoyama-mizuki@s.jniosh.johas.go.jp

抄録

粉体プロセスにおける粒子の付着・堆積は，製品の品質および生産性の低下を招く原因となる．本
研究では，流体や機械的外力を用いずに，粒子の帯電と運動を同時に制御して堆積粒子を除去する手法を確立するため，絶縁板に堆積させた誘電性粒子を上向きの静電場と紫外線照射によって帯電・浮揚させる実験を行った．紫外線が照射された最上層の粒子は，光電子放出によって正に帯電し，クーロン力によって浮揚した．浮揚粒子のフラックスと運動および各浮揚粒子の帯電量を求めた結果，粒子層と浮揚粒子から放出された光電子が光電子雲を形成し，粒子の帯電量を変化させるため，浮揚粒子の約 40% が浮揚直後に降下することが分かった．さらに，紫外線照射後に上向きの電場を印加すると，光電子雲は形成されず，全ての粒子が途中で降下せずに浮揚した．また，粒子の帯電量増加によって，より多くの粒子が浮揚したが，継続的な浮揚はみられなかった．

ABSTRACT
Particle adhesion and deposition in dry powder processes can result in low quality and productivity. In thisstudy, to establish a method for controlling the charge and motion of particles and for removing them without
using fluid and/or mechanical external forces, dielectric particles deposited on an insulating plate werecharged and levitated using ultraviolet (UV) irradiation in an upward electric field. The particles in the top
layer irradiated by UV light were positively charged by photoemission and levitated by the Coulomb forces.
The flux and motion of the levitated particles and the charge of each levitated particle were experimentallyobtained. The results showed that approximately 40% of the levitated particles descended because of thechange in particle charge due to negative charge clouds formed by the photoemission from the particle layers
and the levitated particles. Furthermore, applying an upward electric field after UV irradiation, all theparticles were levitated without descending because the negative charge clouds were not formed. In addition,
more particles were levitated due to an increase in particle charge, but the continuous levitation did not occur.

– 36 –
Copyright © 2022 The Author. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article
under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 36–40

研究背景と目的

上空の光電子雲の間に上向きの電場が形成され，正に帯電した砂塵は電場に沿って浮揚する

電子デバイス製造，医薬品精製，および食品（Colwell et al., 2009; Senshu et al., 2015）．

加工における粉体プロセスでは，微粒子の付着

地上においても，電場と紫外線を活用すれば，･ 堆積が製品の品質および生産性の低下を招く

付着・堆積粒子を浮揚させられる可能性がある原因となる．壁に付着した粒子の除去法としてが，地上の大気圧下で光電効果を利用して能動ウェット洗浄が主に利用されるが，リンス・乾的に粒子を帯電させた研究例はほとんど見られ燥工程が必須である上，薬液による環境負荷がない．本研究では，紫外線と静電場を利用して懸念されている．近年，気流を用いたドライ洗付着堆積粒子の帯電と運動を同時に制御する方浄が提案されているが，静止流体中や真空／低法を確立するため，絶縁板に堆積させた誘電性

圧環境下では利用できない．そこで，紫外線と粒子を上向きの静電場と紫外線照射によって帯

静電場を併用すると，気体の有無に関係なく付電・浮揚させる実験を行った．また，光電子雲

着・堆積粒子の帯電と運動制御を同時に行うこによって複雑に変化する電場について理論的考とが可能となる．すなわち，紫外線照射による察を行い，粒子の帯電と挙動を解明した．

光電効果を利用して粒子を帯電させ（Sickafoose

研

et al., 2000, 2001; Yokota et al., 2005），外部電場

究

方

法

によるクーロン力で，流体抵抗や機械的外力を
図 1 に示すように，網と平板で構成される平用いずに帯電粒子の運動を遠隔で制御できる

行電極間に上向きの静電場（200 kV/m）を形成（Shoyama and Matsusaka, 2021）．
光電効果による粒子帯電は，月面や小惑星表

させ，下部電極上面に設置した誘電体プレート

面を覆う砂塵に見られる自然現象である．これ

上の堆積粒子（高さ：1 mm）に紫外線（波長：らの環境では大気がほとんど無いので，太陽光240 〜 400 nm）を網電極の上部近傍から照射しに曝される昼側の砂塵は，光電子を放出して正た．高倍率ズームレンズを備えた高速度カメラに帯電する．これにより，砂塵間に静電反発力を用いて堆積粒子層から浮揚する帯電粒子を水が作用し，付着が軽減されると考えられる．ま平方向から撮影し，電場解析および粒子の運動

た，放出された光電子はクーロン力によって帯解析によって浮揚粒子の帯電量を求め，電場の電した砂塵に引き戻されるが，光電子の持続的構造を明らかにした．また，吸引式ファラデー

放出により，定常状態において上空には光電子

カップを用いて網電極より上方に到達した粒子雲が形成される．その結果，帯電した砂塵群との比電荷を測定した．
UV light source

Suction-type
Faraday cage

Condenser
lensUpper mesh electrodeHigh-speed camera

Particles
Electrometer

Power supply
Fig. 1

Controller
Lower electrode

Insulator

ComputerExperimental setup. Reprinted with permission from Ref. (Shoyama M., et al., 2022). Copyright: (2022) IEEE.

– 37 –

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 36–40

1 mm

2s

3s

4s

5s

60
40
20
0

0.05

Particle charge, qp (pC)

80

0

5

10

Irradiation time, t (s)試料粒子として，120°C で 12 時間以上乾燥させたガラスビーズ（粒子径：61 μm，粒子密度：
ρp = 2300 kg/m3，仕事関数：W = 4.7 eV）を用いた．紫外線（3.1 〜 5.0 eV）は空気分子（イオン化エネルギー：12 〜 16 eV）をイオン化せず，粒子のみを帯電させられる．

研

究

成

0.03
0.02

果

図 2 に示すように，電場中で紫外線を堆積粒

Fig. 4

qp = mp g/Eex

0.01
0

15

Flux of levitated particles as a function of elapsed
time. Reprinted with permission from Ref.
(Shoyama M., et al., 2022). Copyright: (2022)
IEEE.

Upward motion
Upward and downward motion

0.04

0

10

20

30

Elapsed time, t (ms)4050Particle charge as a function of elapsed time.
Reprinted with permission from Ref. (Shoyama M.,
et al., 2022). Copyright: (2022) IEEE.

Average time differential ofparticle charge, <dqp/dt> (pC/s)

Fig. 31s

Particles levitated from top layer. Reprinted with permission from Ref. (Shoyama M., et al., 2022). Copyright:(2022) IEEE.

Flux of levitated particles,
J (1/(mm2·s))

Fig. 20s

300

Sample size: 300

200
100
0
− 100
− 200
− 300

0

0.5

1

1.5

Particle height, hp (mm)22.5

Fig. 5 Time differential of average particle charge as afunction of particle height. Reprinted withpermission from Ref. (Shoyama M., et al., 2022).
Copyright: (2022) IEEE.

子層に照射すると，光電効果によって正に帯電した粒子層表面の粒子が浮揚する様子が観察さこれは，照射された最上層の粒子が帯電・浮揚

れた．浮揚した粒子のフラックス J を計測する

した後，帯電していない下層の粒子が表面に現と，数秒間隔で変動することが分かった（図 3）．

れて帯電・浮揚する現象が繰り返されるためと– 38 –

Research Grant Report

Flux of levitated particles,
J (1/(mm2·s))

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 36–40

UV
Motion of a particle witha large positive charge

Negativecharge cloudParticle cluster
Motion of a particle witha small positive charge

EexParticle layers

Fig. 6

Mechanism of particle motion and the variationof particle charge. Reprinted with permission from
Ref. (Shoyama M., et al., 2022). Copyright: (2022)
IEEE.

Fig. 7

120
100
80
60
40
20
0

0

4

2

6

8

Time of electric field application, t (s)10Flux of levitated particles as a function of timethat electric field was applied after UV irradiation.
Reprinted with permission from Ref. (Shoyama M.,
et al., 2022). Copyright: (2022) IEEE.

考えられる．
堆積層から浮揚した粒子の 40% は，浮揚直場合，粒子層表面は光電効果によって正に帯電後に降下した．図 4 に，粒子の運動から帯電量して粒子は継続的に浮揚したが，上空に形成さqp の変化を推定した結果を示す．浮揚から降下に転じた粒子の正電荷は，時間とともに大きく減少した．
図 5 に，浮揚粒子の電荷の時間変化 <dqp/dt>と浮揚高さ hp の関係を示す．電荷の時間変化
は，浮揚高さが 0.8 mm 以下および 1.3 〜 1.8 mmの範囲でマイナスとなり，2 mm 以上でプラスとなった．図 6 に示すように，堆積粒子層から放出された光電子に加え，浮揚した粒子群から放出された光電子がそれぞれ電子雲を形成し，浮揚粒子の電荷量を変化させたと考えられる．
さらに，外部電場のない状態で粒子層に紫外線照射を行った後，上向きの電場（200 kV/m）を印加すると，浮揚直後に降下する粒子は観察されなかった．図 7 に，浮揚粒子のフラックス
J を示す．浮揚直後のフラックスは図 3 で示しれた光電子雲によって帯電量が変化し，40%が浮揚直後に降下した．一方，紫外線照射後に電場を印加した場合，光電子雲が形成されないので，全ての粒子が途中で降下することなく浮揚した．また，粒子の帯電量の増加によって，より多くの粒子が浮揚したが，継続的な浮揚はみられなかった．本研究において，光電子雲の存在を考慮した複雑な電場中における粒子の帯電と挙動を解明することができた．本技術によって，流体や機械的外力を利用せず，紫外線と静電場のみで気相中の付着堆積粒子を遠隔操作することが可能となり，気体の有無に関係なく粒子を帯電できるので，多くの真空プロセスでの応用に加え，宇宙開発などの特殊な分野での利用が期待される．

た値よりも高いが，時間と共に減少し 8 秒後に謝辞

はゼロになった．これは，最上層の粒子が紫外本研究をご支援いただいたホソカワ粉体工学

線照射によって十分帯電し，より多くの粒子が浮揚したが，下層の粒子は帯電しておらず，粒振興財団に心より感謝申し上げます．

子は継続的に浮揚できなかったためと考えられ

参考文献

る．

Colwell J.E., Robertson S.R., Horányi M., Wang X., Poppe A.,

まとめ

Wheeler P., Lunar dust levitation, Journal of Aerospace
Engineering, 22 (2009) 2–9. 

本研究では，波長領域が 240 〜 400 nm の紫https://doi.org/10.1061/(ASCE)0893-1321(2009)22:

外線を上向きの電場中で堆積粒子層に照射する実験を行った．電場と紫外線を同時に適用した

1(2)Senshu H., Kimura H., Yamamoto T., Wada K., Kobayashi– 39 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 36–40

Research Grant ReportM., Namiki N., Matsui T., Photoelectric dust levitation

Sickafoose A.A., Colwell J.E., Horányi M., Robertson S.,

around airless bodies revised using realistic photoelec-

Photoelectric charging of dust particles in vacuum,tron velocity distributions, Planetary and Space Sci-

Physical review letters, 84 (2000) 6034–6037. 
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.6034

ence, 116 (2015) 18–29. 

Sickafoose A.A., Colwell J.E., Horányi M., Robertson S.,

https://doi.org/10.1016/j.pss.2015.03.009
Shoyama M., Matsusaka S., Agglomeration and dispersion

Experimental investigations on photoelectric and tri-

related to particle charging in electric fields, KONA

boelectric charging of dust, Journal of Geophysical Re-

Powder and Particle Journal, 38 (2021) 82–93. search: Space Physics, 106 (2001) 8343–8356. 
https://doi.org/10.1029/2000JA000364

https://doi.org/10.14356/kona.2021016
Shoyama M., Yoshioka H., Matsusaka S., Charging and levi-

Yokota T., Sato N., Ando A., Control experiment of positively

tation of particles using UV irradiation and electriccharged fine particles at the atmospheric pressure, AIP

field, IEEE Transactions on Industry Applications, 58

Conference Proceedings, American Institute of Physics,(2022) 776–782. 

799 (2005) 530–533. https://doi.org/10.1063/1.2134682

https://doi.org/10.1109/TIA.2021.3123930

外部発表成果March, 2019），PE325．
2. 菅谷 太輝，吉岡 寛展，庄山 瑞季，松坂 修二，

論文発表

粒子の紫外線照射による帯電と電場中の運動 解 析 ， 化 学 工 学 会 第 85 年 会（Osaka,
March, 2020），PD328．

1. Shoyama M., Yoshioka H., Matsusaka S.,
Charging and levitation of particles using UV ir-

3. 菅谷 太輝，吉岡 寛展，庄山 瑞季，松坂 修二，radiation and electric field, IEEE Transactions

粒子の紫外線照射による帯電と電場中の運on Industry Applications, 58 (2022) 776–782.

動 制 御 ， 化 学 工 学 会 第 51 回 秋 季 大 会

https://doi.org/10.1109/TIA.2021.3123930（Online, March, 2020），R207．
4. Shoyama M., Yoshioka H., Matsusaka S.,

口頭・ポスター発表“Particle charging and levitation using UV irradiation and electrostatic field”, 2020 IEEE

1. 吉岡 寛展，庄山 瑞季，松坂 修二， 誘電性

Industry Applications Society Annual Meeting,

粒子層への紫外線照射による粒子の帯電とIEEE, (Detroit, Michigan, USA, October, 2020).

浮 揚 ， 化 学 工 学 会 第 84 年 会（Tokyo,

https://doi.org/10.1109/IAS44978.2020.9334829– 40 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 41–46 /https://doi.org/10.14356/hptf.19104

19104

レーザーと凝集粒子の相互作用に起因する諸現象の解明
Understanding of the Physical Phenomena Caused by Interactions
between Laser and Agglomerated Particles
研究代表者 Research leader:瀬戸

章文

Takafumi SETO

金沢大学理工研究域

教授

Institute of Science and Engineering, Kanazawa University, Professor
E-mail: t.seto@staff.kanazawa-u.ac.jp

抄

録

光と粉体の相互作用は，粒子径分布の計測や，光散乱現象，レーザーアブレーションによる粉体合成など，幅広い対象において重要な研究課題である．特に近年進展がみられるナノ粒子の分野では，製造法としてだけでなく，粒子のハンドリング法としての光の利用が注目されている．本研究では，
これらのレーザーと粉体の相互作用のうち，特にナノ粒子凝集体の分散と光散乱現象（表面増強ラマン散乱）に着目し，その基礎現象の解明に取り組んだ．表面増強ラマン散乱は，逆に粒子の凝集状態（ナノ粒子間のコンタクト）の制御が特異な光散乱現象において重要となる．そこで，濃度を調整した銀ナノ粒子懸濁液の噴霧乾燥により得られるエアロゾルを静電分級装置により分級して凝集状態を制御した．得られる凝集体を基板上に沈着（積層）させ，表面増強ラマン特性を評価した
ところ，粒子間の結合が極めて高いラマン散乱増幅効果を発現することを明らかとなった．

ABSTRACT
Surface-enhanced Raman scattering (SERS) is a phenomenon in which Raman scattered light of molecules
adsorbed on noble metal nanoparticles with a diameter of about 50 to 100 nm is greatly amplified by surface
plasmon resonance on the metal surface. Since it is possible to detect trace components, it is expected to be
applied to ultra-sensitive analysis in a wide range of fields such as the medical field and the biological field.
In SERS, it is known that when particles form a dimer or a further aggregate, an extremely strong
electromagnetic field called a hot spot is formed between these particles. Since the target molecule isselectively adsorbed between such particles, the SERS effect is expected to be further amplified in theaggregated particles due to the synergistic effect of these two. However, the relationship between theaggregation state of such particles and the surface enhancement effect has not been completely elucidated. In
this study, we fabricated a nanoparticle multilayer film by atomizer and verified the SERS effect due to theaggregate structure of the particles. The SERS effect was obtained with the nanoparticle accumulated film that
prepared by 70-nm Ag nanoparticles with colloid concentration of 4.3 × 1012 particles mL–1.

– 41 –
Copyright © 2022 The Author. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article
under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 41–46

研究背景と目的にすることを目的とし，そのためのアプローチ
として，噴霧乾燥法を用いて，凝集構造を制御

表面増強ラマン散乱（SERS）は，直径 50 かしたナノ粒子堆積膜を作製した．

ら 100 nm 程度の貴金属ナノ粒子に吸着した分研子のラマン散乱光が，金属表面での表面プラズ
モン共鳴により大幅に増幅する現象である

．

究

方

法

[1]

1．Ag ナノ粒子積層膜の作製

SERS は単一分子レベルの微量成分の検出が可能であることから，医療分野や生物分野などの具体的な対象物質として，貴金属ナノ粒子は幅広い分野での超高感度分析への応用が期待さ

一次粒子の平均粒子径 35 nm の銀粒子，検出分れている．SERS では，図 1 に示すように粒子

子は色素分子であるローダミンを用いた．図 2が二量体や，さらなる凝集体を構成したときに，に実験系を示す．液中濃度を 4.3 × 1011 個 mL–1

極めて高い電磁場の増強効果が得られる，いわおよび 4.3 × 1012 個 mL–1 となるよう調整した

ゆるホットスポットが形成することが知られて

銀ナノ粒子懸濁液をシリンジポンプにより定量いる．このホットスポットには，毛管作用によ供給し，二流体アトマイザに 0.3 MPa の加圧窒

りターゲット分子が選択的に吸着するために，素ガスを導入して噴霧を行った．生成した液滴

この両者の複合的作用によって，非常に高感度をヒーターで 150°C に加熱することで乾燥さの分子分析やセンサ技術への展開が期待され

せ，凝集状態の異なるエアロゾルを生成し，イる．しかし，このような粒子の凝集状態と表面ンパクタにより銅基板上に捕集した．

増強効果の関係は完全には解明されていない．

得られたナノ粒子積層膜の形態を走査型電子

そこで本研究では，ナノ粒子の凝集状態が表面顕微鏡（SEM）で観察するとともに，噴霧乾増強ラマン散乱に与える影響を実験的に明らか燥過程で生成したナノ粒子凝集体のみかけの直径 を 求 め た． さ ら に コ ロ イ ド 溶 液 に 10–10 〜
10–6 M のローダミンを検出分子として添加し，Raman signal

噴霧乾燥過程においてナノ粒子凝集体と複合化

Laser

Singlet

させることで，凝集体間のホットスポットに検Coagulation

Coagulation

出分子を誘導した．得られたナノ粒子／ローダ
ミ ン 複 合 体 に 対 し て， 励 起 レ ー ザ ー 波 長

Doublet532 nm の顕微ラマン散乱装置により，表面増Agglomerate

強ラマン散乱効果を検証した．

Target molecule

Fig. 1

Surface enhanced Raman spectroscopy.
Atomizer

Heater 150 °C

FilterMFC

aerosol

N2 Gas
0.3 MPa

Impactor
Drain

Syringe pump
0.25 mL min-1

UPW

Pump
17 L min-1

Fig. 2

Experimental setup.

– 42 –

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 41–46

研

究

成

果

る液滴が多く存在することが分かる．実際には数十個以上のナノ粒子からなる球形凝集体が生1．ナノ粒子積層膜の評価成しているので，おそらく数ミクロン以上の液

図 3 は，得られたナノ粒子積層膜の SEM 像を示す．それぞれ（a）が 4.3 × 1011 個 mL–1，（b）(a) 4.3×1011 mL-1

が 4.3 × 1012 個 mL–1 のコロイド濃度条件で発(b) 4.3×1012 mL-1

生させた粒子である．基板上の粒子同士の重なりによって少し分かりづらいが，（a）はほぼ孤立状態で粒子が積層しているのに対して，（b）
では，球形の凝集粒子が明らかに多く発生して100 nm

100 nmいることがわかる．また，（b）の凝集体は数十から数百個の一次粒子で構成されている．

Fig. 3

これらの SEM 像から，（a）の条件では一つ

SEM images of generated Ag agglomerates.

一つの一次粒子径を，また（b）の条件では，
5

図 4 のようになる．
（a）では，平均径が 48 nm と，

4

dn/dlogDp [-]球形凝集体の直径を計測して，分布にすると，
ほぼ「コロイドの」一次粒子径と同じ程度であるのに対して，（b）の条件では，凝集により，218 nm まで大きくなっていることが確認でき

3
2
1
0
10

た．
このような噴霧乾燥における凝集体の形成過程を解析するために，図 5 に噴霧直後の液滴径(a) Dpg＝48 nm

2dn/dlogDp [-]て発生した液滴の幾何平均径は 200 nm，幾何標準偏差は 2.2 である．液滴に銀粒子が均一に分散されているとして，統計的に一液滴あたりに含まれるナノ粒子数を解析すると，（a）の条

Fig. 4

2

2

4

6 8

100

2

Dp [nm]dN/dlogDd[particles mL-gas-1]

Fig. 542
4 5 6 78

102

2

3

4 5 6 78

Dd [nm]103

2

3

4 5 6 78

104

Droplet size distribution and the predicted number of nanoparticles in each droplet.

– 43 –

1000

Size distribution of (a) primary particles and (b)agglomerates.

6

3

6 8

1

1, 2, 3, 4, 5, 10 particle/droplet

2

4

1000

2

8

0
101

6 8

3

4.3×1012 mL-1
10×1064(b) Dpg＝218 nm

対し，（b）の条件では図 5 中の破線で示したよ
うに，一液滴あたり複数個の Ag 粒子が含まれ

100

4

0
10

件では，ほとんどが 1 個／液滴以下であるのに

6 8

Dp [nm]5分布を示す．本研究で用いたアトマイザによっ4Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 41–46

1650

Intensity [a.u.]

Rh B 10-6M

10000② Dpg = 218 nm① Dpg = 48 nm
without Ag
800

1000

Intensity [a.u.]

Fig. 6

Intensity [a.u.]

1800

2000

Raman spectra of single particles and agglomerates.

Rh B 10-8M

1650② Dpg = 218 nm

500① Dpg = 48 nm
without Ag
800

1000

1200

1400

Rh B 10-10M② Dpg = 218 nm

1600

1800

2000

200

1650

① Dpg = 48 nm
without Ag
800

Fig. 7

1200
1400
1600
Raman shift [cm-1]

1000

1200
1400
1600
Raman shift [cm-1]

1800

2000

Raman spectra of Rhodamine B with concentration of 10–8 and 10–10 M.

滴がおもに SEM 像で確認されたと考えられる．

クが高いことが分かる．

以上より，懸濁液濃度を変えることで，乾燥後さらに，ローダミン濃度 10–8 M，10–10 M にの粒子の凝集状態を任意に制御できることが確

対するラマン散乱スペクトルを図 7 に示す．ま

認された．

ず，ローダミンの濃度 10–8 M では，②の凝集体では若干のピークが見られたが，①の単一粒

2．表面増強ラマン散乱子では明確なピークは見られなかった．また，つぎに Ag ナノ粒子の凝集状態が SERS に与ローダミン濃度 10–10 M では両者ともラマンシえる影響を評価した．図 6 は，ローダミンの濃グナルは検出されなかった．以上より，少なく度が 10 M となるように調整したナノ粒子懸とも Ag ナノ粒子の凝集構造が SERS 効果に影

濁液を噴霧乾燥によって生成したナノ粒子積層

響を与えていることが，明らかになったため，膜のラマン散乱スペクトルを示す．ローダミン

つぎに気中凝集体の静電分級により，さらに凝B の特徴的なピークは，1650 cm 付近に現れ集構造の制御を試みた．

–6–1

る．まず，銀粒子を積層しないときには，一番実験には図 2 と同様の経路を用い，Ag ナノ

下の線で示すように全くラマン散乱シグナルが粒子懸濁液の濃度は 4.3 × 1012 個 mL–1 とした．

見られないことが確認できる．つぎに図中の①

噴霧乾燥後の凝集体を気中浮遊状態のまま，静で示す粒子濃度が 4.3 × 10 個 mL の単一粒電分級装置（DMA）によって，70 nm に分級子（48 nm） と， ② で 示 す 粒 子 濃 度 が 4.3 ×

した．このとき凝集体を構成する一次粒子数は，10 個 mL の凝集体（218 nm）ともに，ロー

およそ 11 個となった．分級後の粒子は，インダ ミ ン の 明 確 な ピ ー ク が 見 ら れ， 両 者 と もパクタによって捕集し，SEM による観察およ

SERS 効果が発現していると言える．また②のび顕微ラマン散乱分光分析を行った．

11

12

–1

–1

凝集体のほうが，①の単一粒子よりも若干ピー– 44 –

図 8 に分級後の粒子の SEM 像と粒子径分布

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 41–46

を示す．分級径とは若干異なるが，幾何平均径

表面に存在する粒子の割合を凝集体の直径に対86 nm 近傍の粒子が選択的に積層できているこ

してプロットしたものである．凝集体が大きくとがわかる．

なるにつれて，図中の赤丸で示す，SERS にあ

ローダミン濃度 10 M と 10

M に対するラ

まり関与しない内部に存在する粒子が増加し，

マン散乱スペクトルを図 9 に示す．10 M で表面粒子割合は減少していく．また，図 10 には粒子を分級することで，明らかに強い SERS

示すように，直径が 218 nm での粗大な凝集体

効 果 が 得 ら れ た こ と が 確 認 さ れ た． さ ら にでは表面の粒子間距離が大きいものもあり，

M においても分級を行った方がわずかにホットスポットを形成していない粒子も存在す

ピークが検出されおり，分級により強い SERS

ると考えられる．一方で Ag 粒子がおよそ 11

効果が得られたといえる．

個含まれる，直径が 86 nm の凝集体（分級粒子

–8

–10

–8

–10

10

図 10 は，凝集体が球形であると仮定して，に相当）においては表面銀粒子の割合が多く，
そのほとんどが多くのホットスポットを形成し，効率的に SERS 効果を発現していると考えClassified (70nm)

られる．

1.0

Dpg＝86 nm

4
3
2
1
0
10

2

4

6 8

2

100

4

Dp [nm]

outer

0.9

inner

0.8
0.7
0.6

Dpg = 86 nm
Dpg = 218 nm
Dpg = 48 nm

0.5

6 8

1000

0.4

0

50

100

Fig. 10

Intensity [a.u.]

500

Classified
Polydisperse
without Ag
1000

1200

1400

Rh B 10-10M
Classified

1600

1800

2000
200

1650

Polydisperse
without Ag
800

Fig. 9

1000

200

250

Ratio of particles at surface.

1650
Rh B 10-8M

800

150

Agglomerate diameter [nm]SEM image and size distribution of the classified
agglomerates.

Intensity [a.u.]

dn/dlogDp [-]5

Fig. 8

Ratio of particles at surface [-]100 nm

1200
1400
1600
Raman shift [cm-1]

1800

2000

Raman spectra of Rhodamine B after size classification.

– 45 –

300

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 41–46

Research Grant Report

合わせることで，レーザーと微粒子の相互作用

3．まとめ
噴霧乾燥法によって，凝集構造を制御したナノ粒子積層膜を作製し，ラマン分光法に適用すに関する様々な研究に展開することが期待される．

ることで，表面増強ラマン散乱に対する凝集構

参考文献

造の影響を評価した．分級によってナノ粒子が適度な割合で表面に配置された凝集体を調整することにより，電磁場が増幅される Hot Spot
が効率的に形成され，極めて高い表面増強ラマン散乱シグナルが得られた．将来的には，本研[1]

Nie S., Emory S.R., Probing single molecules and single nanoparticles by surface-enhanced raman scattering,
Science, 275 (1997) 1102–1106. 
https://doi.org/10.1126/science.275.5303.1102

究成果と分子動力学計算などの理論計算を組み

外部発表成果3. Ichihara F., Lee K., Sakamoto M., Higashi H.,
Seto T., Aerosolization of colloidal nanoparticles

論文発表

by a residual-free atomizer, Aerosol Science andTechnology, 54 (2020) 1223–1230. 

1. El-Aal M.A., Seto T., Surface-enhanced Raman

https://doi.org/10.1080/02786826.2020.1770197

scattering and catalytic activity studies over

4. Tamadate T., Higashi H., Hogan C.J., Seto T.,

nanostructured Au–Pd alloy films prepared by

The charge reduction rate for multiply charged

DC magnetron sputtering, Research on Chemical

polymer ions via ion–ion recombination at atmo-

Intermediates, 46 (2020) 3741–3756. 

spheric pressure, Physical Chemistry Chemical

https://doi.org/10.1007/s11164-020-04172-1

Physics, 22 (2020) 25215–25226. 

2. El-Aal M.A., Seto T., Matsuki A., The effects ofhttps://doi.org/10.1039/d0cp03989f

operating parameters on the morphology, and the

5. Ito E., Tamadate T., Inomata Y., Seto T., Water-

SERS of Cu NPs prepared by spark discharge

based particle size magnifier for wet sampling ofdeposition, Applied Physics A, 126 (2020) 572

aerosol particles, Aerosol Science and(12 pages). 

Technology, 55 (2021) 1239–1248. 

https://doi.org/10.1007/s00339-020-03762-5

https://doi.org/10.1080/02786826.2021.1940828– 46 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 47–50 /https://doi.org/10.14356/hptf.19105

19105

ワンポット型粉体加工装置による医薬品の個別化製造
Personalized Manufacturing of Pharmaceuticals Using One-Pot
Powder Processing Equipment
研究代表者 Research leader:田原耕平

岐阜薬科大学

Kohei TAHARA
教授

Gifu Pharmaceutical University, Professor
E-mail: tahara@gifu-pu.ac.jp

抄録

錠剤など固形製剤生産において，晶析と造粒を同一系内で同時に行う球形晶析法は，医薬品生産プ
ロセスにおけるダウンストリームを融合できるため，医薬品製造の高効率化が可能となる．一方で，晶析後のろ過・乾燥・製剤化などのプロセス強化が課題であった．この課題を解決するため，我々はろ過・乾燥機能に加え粉体加工操作をハイブリッド化したワンポット型加工装置を開発した．卓
上サイズの本装置は，ろ過・乾燥・粉体混合・湿式造粒の全工程を一括処理できる高機能回転式球体チャンバーを有する．本研究では，球形晶析法により調製したフェノフィブラート顆粒の懸濁液
が，ワンポット型粉体加工装置により処理できることを確認した．また，本装置内のスプレーノズ
ルからバインダーを噴霧することで，アセトアミノフェン粉砕品の湿式造粒が可能であることを明らかにした．

ABSTRACTIn the production of pharmaceutical solid formulations such as tablet, the spherical crystallization method, inwhich crystallization and granulation are carried out simultaneously in the same system, can integrate thedownstream in the pharmaceutical production process, thus enabling high efficiency in pharmaceuticalmanufacturing. On the other hand, process enhancement such as filtration, drying, and formulation after
crystallization has been an issue. To solve this problem, we developed a one-pot processing system withhybridized powder processing operations in addition to filtration and drying functions. This desktop-sized
device has a highly functional rotating spherical chamber that can handle all the processes of filtration,
drying, powder mixing, and wet granulation at once. In this study, we confirmed that the suspension of
fenofibrate granules prepared by the spherical crystallization method can be processed by the one-pot powder
processing equipment. It was also found that the wet granulation of acetaminophen granules was possible byspraying binder from the spray nozzle in this apparatus.

– 47 –
Copyright © 2022 The Author. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article
under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 47–50

研究背景と目的

内部構成

原薬スラリー
添加剤投入口錠剤など固形製剤生産において，合成・晶析（精製分離）・ろ過・乾燥・混合・造粒・打錠な造粒用スプレーノズル

ど複数の工程が必要である．よって，現状のバッ

エアースクレーパーによる粉体払落しチ製造では生産コストが高く患者数が少ない稀
少疾病や小児薬剤の製造に対し，フレキシブルに対応することが難しい．また，オーダーメー

減圧回転乾燥
回転粉体混合ろ過ケーク解砕羽

ド医療（個別化医療）では患者に応じた医薬品

フィルターろ過の個別化製造が理想である．現在の薬物治療では，工場で生産された同一規格の医薬品を一律に投与するだけであるが，将来的には患者の体質や年齢，既往症などに併せて医薬品を設計しオンデマンドで製造し供給できることが望ましい．このような未来を想定した場合，グラム単位の少量多品種製造が必要である．

Fig. 1

我々は医薬品の連続球形晶析法の研究に取り組んできた（Tahara K. et al., 2018）．晶析と造粒を同一系内で同時に行う球形晶析法は，医薬品生産プロセスにおけるダウンストリームを融One-pot type powder processing equipment(filtration, drying, powder mixing, wetgranulation). The spherical chamber has a diameterof about 10 cm and a maximum capacity of1200 mL.

合できるため，医薬品製造の高効率化が可能となる．さらに球形晶析を連続プロセス化するこあるかを検討した．また，本装置ではバインダーとでスケールアップを回避でき，医薬品製造の噴霧による湿式造粒も可能である．アセトアミ

高効率化が期待できる．一方で，晶析後のろ過・ノフェンの粉砕品を用いて，ワンポット型粉体

乾燥・製剤化などのプロセス強化が課題であっ加工装置による湿式造粒の検討も実施した．

た．

研

この課題を解決するため，近年我々はろ過・乾燥機能に加え粉体加工操作をハイブリッド化

究

方

法

1．球形晶析法（エマルション溶媒拡散法）

したワンポット型加工装置のプロトタイプを開によるフェノフィブラート顆粒の調製発した（図 1）．ろ過・真空乾燥・粉体混合・湿式造粒の全工程を一括処理できる高機能回転

球形晶析法の一種であるエマルション溶媒拡式球体チャンバーを有する卓上サイズの本装置

散法により，フェノフィブラート顆粒を調製しは，グラム単位の原薬でもスラリーから一貫した．メタノール / ジクロロメタン（4/0.7）混合て加工できる．PAT（工程解析システム）によ液を用いてフェノフィブラート溶液を調製しる品質管理も可能であるため，医薬品の個別化

た．4.7 mL の薬物溶液（0.11 g/mL）を 100 mL

製造に対応できると考えているが，現状では医の蒸留水中（40°C）に添加し，マグネチック

薬品への適用事例が不十分である．

スターラーで 30 分間攪拌（500 rpm）すること

本研究ではまず，我々が検討してきた球形晶

で，フェノフィブラート顆粒の懸濁液を調製し析法により調製したフェノフィブラート顆粒のた．濾過後のフェノフィブラート顆粒を蒸留水懸濁液において，ワンポット型粉体加工装置にで洗浄し，30°C のオーブンで 24 時間乾燥させより，ろ過・減圧乾燥と粉体混合が実施可能でた後，デシケーターで保管した．フェノフィブ

– 48 –

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 47–50

ラート結晶の粒子径は，レーザー回折式粒度分

セルロース 10 g，フュームドシリカ 0.625 g を布測定装置を用いて測定した．粒子形状は走査投入した．球形チャンバーの傾きを 30 度に設型電子顕微鏡（SEM）により観察した．示差定し 60 rpm で 20 分間混合した．混合後，5%走査熱量計（DSC）及び粉末 X 線回折（PXRD）

HPC-L 水溶液を噴霧し湿式造粒を行った．

によりフェノフィブラートの結晶性を評価し研た．フェノフィブラート顆粒の粉体流動性を測

究

成

果

定するために，安息角，ハウスナー比，圧縮度をパウダテスタ（ホソカワミクロン）により評

1．エマルション溶媒拡散法により調製した

価した．

フェノフィブラート顆粒

2．ワンポット型粉体加工装置によるフェノ

エマルション溶媒拡散法において，メタノー

フィブラート顆粒の処理

ル / ジクロロメタン混合溶媒に溶解したフェノ

エマルション溶媒拡散法により調製したフェフィブラート溶液を蒸留水中に添加すること

ノフィブラート 5 g を含む顆粒懸濁液をワン

で，一時的に不安定な擬似エマルションが生成

ポット型粉体加工装置の球形チャンバーに投入する．溶媒が外水相中に拡散すると同時に，擬し，ろ過及び減圧乾燥を行った．乾燥後，乳糖

似エマルション滴内に水が入り込むことで，液10.5 g とコーンスターチ 4.5 g を投入し，球形

滴内のフェノフィブラートの溶解度が低下し，チャンバーを回転させることで粉体混合（1 分結晶化が誘起される．

〜 15 分間）を行った．なお混合度は近赤外分

未 処 理 の フ ェ ノ フ ィ ブ ラ ー ト の D50 は

光法 MicroNIR Pro v2.2（VIAVI 社）を用いて評12.95 μm であったのに対し，球形晶析法を適価を行った．

用したものは 296.9 μm であった．SEM 画像においても球形晶析法によりフェノフィブラート

3．アセトアミノフェン粉砕品を用いたワン顆 粒 が 調 製 で き た こ と を 確 認 し た（ 図 2）．

ポット型粉体加工装置の機能評価

DSC 及び PXRD による分析の結果から，晶析

モデル薬物としてアセトアミノフェン粉砕品

前後で結晶性に変化がないことが明らかとなっを 用 い た． ア セ ト ア ミ ノ フ ェ ン 懸 濁 液

た．フェノフィブラート顆粒の安息角，圧縮度，（12.8 g/400 mL）をワンポット型粉体加工装置

ハウスナー比を評価したところ未処理品よりもの球形チャンバーに投入し，ろ過・減圧乾燥を低下したことから，球形晶析による顆粒化によ行った．乾燥後，添加剤として乳糖 29 g，結晶り粉体流動性が改善できた．

a) Commercial materialb) Emulsion solvent diffusion method

100 μmFig. 2200 μm

SEM images of fenofibrate crystals. a) Commercially available material, b) Granules prepared by emulsion
solvent diﬀusion method. Adapted from Ref. (Tahara et al., 2018).

– 49 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 47–50

Research Grant Report

2．ワンポット型粉体加工装置によるフェノ

回転させることで粉体混合を行い，バインダー

フィブラート顆粒の処理

溶液のスプレーにより湿式造粒を実施した．造

ワンポット型粉体加工装置の球形チャンバー
内に，フェノフィブラート顆粒と乳糖，コーン
スターチを投入し 90 rpm で粉体混合を試みた．
MicroNIR により測定した混合度の予測値は，時間の経過とともにバラツキが少なくなり，また一定の値に収束していることから，経時的に粒におけるダマや塊の発生もなく，流動性の高いアセトアミノフェン顆粒粉末を調製することができた．スプレーノズルや噴霧方式を工夫することで，均一にバインダーを噴霧できたことに起因すると考えられた．造粒後の粉末をサンプリングし，サンプル中に含まれるアセトアミ

粉体混合が進んでいることが確認できた．

ノフェン含量を HPLC により定量した．その3．アセトアミノフェン粉砕品を用いたワン

い 12.8% の薬物が含まれていることを確認しポット型粉体加工装置によるろ過，乾燥，粉た．SEM 画像からも造粒物を確認することが体混合，湿式造粒評価できたが，微粉量も多く造粒が完全に進行して結果，顆粒中には理論値（15.3%）に比較的近蒸留水に分散したアセトアミノフェン懸濁液
を球形チャンバー内に投入し，真空ポンプを利用した吸引ろ過を行ったところ 30 秒ほどで水いない可能性も示唆された．今後はバインダー
量やプロセスの最適化が必要であると考えている．

分はほぼ無くなったことから，医薬品懸濁液の参考文献

ろ過を問題なく実施できることを明らかにした．引き続き，チャンバー内の温度を上げ減圧

Tahara K., Kono Y., Myerson A.S., Takeuchi H., Develop-

乾燥を行ったところ，約 15 分程度で乾燥が完

ment of continuous spherical crystallization to prepare

了することを確認した．チャンバー内のエアス
クレーパーにより塊状のアセトアミノフェン乾
燥物を解砕することで粉状とした．
次に各種添加剤を投入し，球形チャンバーを

外部発表成果fenofibrate agglomerates with impurity complexation
using mixed-suspension, mixed-product removal crystallizer, Crystal Growth & Design, 18 (2018) 6448–
6454. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.8b00426

式ナノコーティング法による医薬品原末の粉体特性改善 ，第 26 回 流動化・粒子プロ

論文発表

セッシングシンポジウム（Nov. 26, 2020）．
2. 松波 絢大，伊藤 貴章，田原 耕平， 溶媒リ

1. Tahara K., Pharmaceutical formulation and

サイクルシステムを導入したイブプロフェ

manufacturing using particle/powder technology

ン連続球形晶析法の開発 ，日本薬剤学会第for personalized medicines, Advanced Powder

36 年会（May 13, 2021）．
3. 田原 耕平， MCS における粒子設計と将来

Technology, 31 (2020) 387–392.

展 望 ， 日 本 薬 剤 学 会 第 36 年 会（May 14,

https://doi.org/10.1016/j.apt.2019.10.031

2021）．
口頭・ポスター発表
1. 山田 大暉，伊藤 貴章，田原 耕平， 連続乾– 50 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 51–55 /https://doi.org/10.14356/hptf.19106

19106

自己推進性発現のための光触媒微粒子の形状異方化Morphology Control of Photocatalytic Particles for
Their Self-Propelled Motion
研究代表者 Research leader:

長尾

大輔

Daisuke NAGAO

東北大学大学院工学研究科

長尾

大輔

教授

Graduate School of Engineering, Tohoku University, Professor
E-mail: dnagao@tohoku.ac.jp
共同研究者 Co-researcher:

長澤明

Akira NAGASAWA

東北大学大学院工学研究科

博士後期課程Graduate School of Engineering, Tohoku University, PhD Student
E-mail: akira.nagasawa.q5@dc.tohoku.ac.jp

抄

録

液中に分散する粒子の形状がその自己推進性に及ぼす影響を検討した．粒子形状としては球状粒子，
球状粒子が 2 個連なったような構造のダンベル型粒子，大きさの異なる球状粒子が 2 個連なったよ
うな雪だるま型粒子の 3 種の自己推進性を調べた．駆動力となる反応を触媒するナノ粒子の分布に偏りがあると，球状（形状異方性のない粒子）であっても自己推進性が発現するため，触媒ナノ粒子の分布が均一な形状異方性粒子を合成した．酸化鉄ナノ粒子を均一担持した 2 種の形状異方性粒
子と球状粒子，計 3 種の自己推進性を液中における異相系 Fenton 反応（過酸化水素の分解反応）で調べたところ，雪だるま型の粒子において他の 2 種粒子よりも自己推進性が強く現れる傾向が見られ，自己推進性粒子の開発においては粒子表面の化学組成だけでなく，粒子形状の精密制御も求められることを明らかにした．

ABSTRACT
Effect of particle shapes on self-propelled motion of the particles suspended in solution was studied with threedifferent shapes of polymer particles including spherical, dumbbell-shaped, and snowman-shaped particles.
Iron oxide nanoparticles (NPs) with a catalytic activity to decompose hydrogen peroxide were
homogeneously heterocoagulated with the differently shaped particles to examine the shape effect on the selfpropelled motion without considering inhomogeneity in catalytic reaction caused by the NP distribution on
polymer surfaces. Heterogeneous Fenton reaction to decompose hydrogen peroxide in the presence of
ascorbic acid used as a reduction promotor was applied to the polymer particles supporting iron oxide NPs.
Mean square displacements of particles in in the Fenton reaction system were measured to evaluate the self-– 51 –
Copyright © 2022 The Authors. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 51–55

Research Grant Report

propelled motion. The snowman-shaped particles supporting the NPs exhibited self-propelled motion morestrongly than the other particles, indicating that both particle shape and catalytic distribution on particle
surface should be precisely controlled for further development of particles with a strong self-propelled
motion.

研究背景と目的

自己推進性粒子の中でも，図 1(a) に示すような表面化学組成の異なるヤヌス型粒子が近年外部刺激に応じて自発的に運動する自己推進

広く研究されている（Marschelke C. et al. 2020;性物質が注目されている．注入電子を動力源と

Ye Y. et al., 2019）．触媒活性を有する表面と不するナノカーのように分子サイズ領域で発現す活性表面を組み合わせた粒子の場合，一方の粒る自己推進性もあれば，一部の大腸菌に見られ子表面のみが化学反応に寄与することで生成物る運動も自己推進と見なすことができる．コロ（あるいは反応物）に濃度勾配が生じ，自己推イドの分野でも注目されており，特定空間への進運動を発現する．

物質輸送や選択的な反応場としての利用が期待

もう一つの異方性として，図 1(b) に示すよされている．コロイド領域で発現する自己推進

うな触媒粒子の形状異方性も考えることができ性は主に，外部エネルギーの運動エネルギーへる（Shklyaev S, et al., 2014; Michelin S. et al.,の変換によりもたらされる．特異な運動を示す

2015）．粒子の表面組成が均一であっても，粒自己推進性粒子も報告されており，医療・バイ子形状が異方的な粒子の周囲には空間的に不均

オ，環境，ロボティクスなど広範な分野におい一な反応が生じ，この場合も生成物（あるいはて，物質輸送やセンサーとしての応用も期待さ反応物）の濃度勾配が生じる．しかしながら，れ て い る（Parmar J. et al., 2018; Wu Z. et al.,

これまで検討されてきた形状異方性を有する自2019）．

己推進性粒子は，いずれも大きさや形状が不揃

粒子状物質の表面組成や形状に異方性を与えいであった（Bao J. et al., 2014; Parmar J. et al.,

ると，外部からの刺激に対して異方的な応答を2017）．

示すことが可能となり，自己推進性が発現する

本研究では，単分散かつ表面組成が均一な自ようになる．例えば，異方的な表面組成を有す

己推進性粒子として，形状異方性を有するポリる触媒粒子に化学反応が生じた場合には，触媒マー粒子に着目した．触媒作用のある酸化鉄ナ

成分の分布に応じた濃度勾配が触媒粒子の周囲ノ粒子を担持した雪ダルマ型粒子を対象とし，に形成される．この濃度勾配形成にともない浸

過酸化水素（H2O2）の分解反応を駆動力とす

透圧流が生じ，粒子運動が誘発される．

る自己推進性粒子を合成した．さらにその液中運動を定量評価するとともに，粒子形状と粒子

Non-catalytic
surface

Catalytic
surfaceの運動性の関係を検討した．なお，担持させる
酸化鉄ナノ粒子には，光触媒反応（Fenton 反応
および Photo-Fenton 反応）によって H2O2 を分解する作用があり，光照射下においては過酸化(a) An example ofspherical particles
with an anisotropic
surface composition

Fig. 1(b) An example ofanisotropic-shaped particles
with a homogeneous
surface composition

水素の分解が促進されることを確認している．

Examples of anisotropic particles.

– 52 –

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 51–55

Polymethylmethacrylate(PMMA)

Coating with crosslinked polymer

SiO2
particles

SiO2＠PMMA particles

Protrusion of PSt
polymer

Iron oxide (Fe3O4)
nanoparticles

Fe3O4-supporred
SiO2＠PMMA/PSt
particles
Fig. 2

研Electrostatic
heterocoagulation

Polystyrene(PSt)

SiO2＠PMMA/PSt
particles

Synthetic process for polymer composite particles supporting Fe3O4 nanoparticles.

究

方

法

液に水酸化ナトリウム（NaOH），アスコルビン酸（AA），H2O2 を所定濃度となるように添

1．形状異方性ポリマー粒子の合成加した．NaOH は pH 調整剤，AA は H2O2 の分

ポリマー粒子の異形化には，架橋ポリマーか解促進剤として添加した．各試薬を加えた粒子

らの異種ポリマーの突出を利用した．図 2 に，分散液をガラス基板に滴下し，光学顕微鏡を用

酸化鉄ナノ粒子担持異方性ポリマー粒子の合成

いて液中での運動を観察した．光学顕微鏡像のプロセスを示す．初めにシリカ（SiO2）粒子をtimelapse 像を取得し，粒子の移動軌跡をトラッ

架 橋 ポ リ マ ー（ ポ リ メ タ ク リ ル 酸 メ チ ル，

キングすることでその運動を評価した．なお，

PMMA）で被覆する．その後，コア−シェル

粒子のトラッキングには Python のパッケージ

粒子の架橋 PMMA シェル部分をスチレン（St）

である Trackpy（Allan D., et al., 2019）を用いた．

で膨潤させ，昇温および重合を行うことで異方トラッキングにより得られた二次元座標デー性ポリマー粒子を合成した．出発物質となる

タから式（1）を用いて平均二乗変位（Mean

SiO2 粒子としては，粒径の異なるもの（平均Square Displacement, MSD）を求めた．

粒径 316 nm または 712 nm）を用い，それを架MSD
橋 PMMA で被覆することで，雪ダルマ状とダンベル状の粒子をそれぞれ合成した．これらの

1
N

N

Δ
τ





r Δ  nτ  ri nτΔ n 1 i
τ

2

(1)

粒子に対して，あらかじめ合成した酸化鉄ナノ

ここで Δ は時間差分，N はタイムラプスの粒子（主成分はマグネタイト）を静電ヘテロ凝

総フレーム数，τ は 1 フレームあたりの時間，
 (1)
ri は粒子 i の位置ベクトルである．

集によって担持させた．静電ヘテロ凝集では，正に帯電した酸化鉄ナノ粒子と負に帯電した異研

方性ポリマー粒子を混合した．酸化鉄ナノ粒子
は中性 pH でも正に帯電するように，第 4 級アンモニウムカチオンを含むシランカップリング

成

果

[31]
1．形状異方性ポリマー粒子の合成剤で表面修飾しておいた．

2．合成した粒子の液中運動性評価

究

合成した形状異方性ポリマー粒子の電子顕微
鏡像（左図：SEM 像，右図：TEM 像）を図 3に示す．雪だるま型粒子の頭部（シリカ粒子を

酸化鉄ナノ粒子を担持させた各種粒子の分散内包した部位）の大きさ（DH）は約 570 nm，– 53 –

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 51–55

Snowman-shaped particles supporting
Fe3O4nanoparticles

Snowman-shaped particles

1.0 μm

100 nm

500 nmDumbbell-shaped particles

Dumbbell-shaped particles supporting
Fe3O4nanoparticles

1.0 μmFig. 3 Electron microscope images of polymer
composite particles with snowman and dumbbell
shapes.

胴体部の大きさ（DB）は約 910 nm であり，頭500 nm

100 nmFig. 4 Electron microscope images of polymer
composite particles with snowman and dumbbell
shapes.

部に対する胴体部のサイズ比（DB/DH）が約 1.6の雪だるま粒子を合成することができた．コア−シェル粒子（図 2 の右上）の表面からポリスチレン相を突出させるのに必要な PMMA 相の厚さは約 10 nm であり，その厚さは，出発物質

AA conc.
[mol/m3]と し て 用 い る SiO2 粒 子 の 粒 径 に は 依 存 し な

0

かった．

1.0

一方，ダンベル型粒子の頭部と胴体部はとも5.0に約 790 nm となり，サイズ比（DB/DH）が約 1.0

10のダンベル型粒子が得られた．図 3 に示す電子1520

顕微鏡像の比較からわかるように，粒径の異なる球状シリカ粒子を出発物質とすることで，雪だるま型とダンベル型のポリマー複合粒子を作Fig. 5

り分けることができた．
静電ヘテロ凝集操作を行った後の形状異方性
ポリマーの走査型電子顕微鏡像を図 4 に示す．
カチオン性ナノ粒子と，アニオン性ポリマー間に生じる静電相互作用を利用することで，いずMSD plots for snowman-shaped particles
observed at [H2O2] = 5 wt%.

2．液中における形状異方性ポリマー粒子の運動性

れの異方性粒子に対しても均一に酸化鉄ナノ粒

異なるアスコルビン酸（AA）濃度で観察し子を担持させることに成功した．酸化鉄の担持

た雪だるま型粒子の MSD プロットを図 5 に示

密度はいずれの異方性粒子においても 20 mg/m2

す． 高 い AA 濃 度 域 で 時 間 差 分 Δ に 対 す る

内外であり，担体形状に依らずほぼ同等の酸化MSD の増分が強く現れる傾向が見られた．

鉄ナノ粒子を担持させることができた．

そこで MSD プロットに累乗近似を適用し，その累乗項 γ（MSD プロットにおける傾き）を– 54 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 51–55

比較することにより評価することにした．液中の粒子がブラウン運動する場合は γ が 1 となり，

Research Grant Reportalytic mobile nanorobot, IEEE Transactions on Robotics, 30 (2014) 33–39. 
https://doi.org/10.1109/TRO.2013.2291618

自己推進的な運動を示す場合 γ は 1 より大きく

Marschelke C., Fery A., Synytska A., Janus particles: fromなり 2 に近づくことになる．図 5 における各concepts to environmentally friendly materials and sus-

AA 濃度における，累乗項 γ を比較したところ，

tainable applications, Colloid and Polymer Science,
298 (2020) 841–865. 

累乗項 γ が 1 より大きく AA 濃度が 10 mol/m3

https://doi.org/10.1007/s00396-020-04601-y

以上に存在することが明らかになった．一方，Michelin S., Lauga E., Autophoretic locomotion from geo-

ダンベル型や球状のポリマー粒子においては，累乗項 γ が顕著に 1 を超える AA 濃度域が観察

metric asymmetry, The European Physical Journal E,
38 (2015) 7. 
https://doi.org/10.1140/epje/i2015-15007-6

されなかった．

Parmar J., Villa K., Vilela D., Sánchez S., Platinum-free co-以上のような粒子の運動性評価により，自己

balt ferrite based micromotors for antibiotic removal,

推進性粒子の開発においては，粒子表面上にどApplied Materials Today, 9 (2017) 605–611. のように触媒成分を配置させるか（触媒成分のhttps://doi.org/10.1016/j.apmt.2017.11.002

分布）だけでなく，自己推進性を与える粒子のParmar J., Vilela D., Villa K., Wang J., Sánchez S., Microand nanomotors as active environmental microcleaners

形状異方性も重要となることが実験的に明らか

and sensors, Journal of the American Chemical Society,になった．今後は，自己推進性粒子に対して精140 (2018) 9317–9331. 

密な運動制御が求められる用途，例えば生体内

https://doi.org/10.1021/jacs.8b05762の腫瘍部位を腫瘍マーカー等で迅速かつ正確にShklyaev S., Brady J. F., Córdova-Figueroa U. M.,

検知する応用等を想定した場合には，自己推進

Non-spherical osmotic motor: chemical sailing, Journalof Fluid Mechanics, 748 (2014) 488–520. 

させる粒子の大きさ，形状，表面組成のいずれhttps://doi.org/10.1017/jfm.2014.177

も精密に制御することが必要となり，自己推進

Wu Z., Li L., Yang Y., Hu P., Li Y., Yang S.-Y., Wang L.V.,

性粒子のさらなる精密合成プロセスの開発が求Gao W., A microrobotic system guided by photoacoustic computed tomography for targeted navigation in in-

められる．

testines in vivo, Science Robotics, 4 (2019) eaax0613.
https://doi.org/doi:10.1126/scirobotics.aax0613

参考文献

Ye Y., Luan J., Wang M., Chen Y., Wilson D.A., Peng F., Tu
Y., Fabrication of self-propelled micro- and nanomotors

Allan D.B., Caswell T., Keim N., van der Wel C., Soft-matter/based on Janus structures, Chemistry – A European

trackpy: Trackpy v0.4.2, 2019.

Journal, 25 (2019) 8663–8680. 

https://doi.org/10.5281/ZENODO.3492186

https://doi.org/10.1002/chem.201900840

Bao J., Yang Z., Nakajima M., Shen Y., Takeuchi M., Huang
Q., Fukuda T., Self-actuating asymmetric platinum cat-

外部発表成果コ ロ イ ド お よ び 界 面 化 学 討 論 会（Online,
Sept. 14–16, 2020）D-44．

口頭・ポスター発表

2. 長澤 明，渡部 花奈子，菅 恵嗣，長尾 大輔，
光触媒複合粒子の形状異方化が粒子の液中

1. 長澤 明，渡部 花奈子，菅 恵嗣，長尾 大輔，

運動と光触媒特性に及ぼす影響 ，化学工学

高濃度塩添加系におけるソープフリー乳化

会 第 51 回 秋 季 大 会（Online, Sept. 24–26,

重合によるポリマー微粒子合成 ，第 71 回

2020）SY-83 190．

– 55 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 56–61 /https://doi.org/10.14356/hptf.19107

19107

ポリドーパミン粒子集積層による接着機能の向上
Improvement of Adhesion Ability Employing Polydopamine Particle
Accumulation Layer
研究代表者 Research leader:

長嶺信輔

Shinsuke NAGAMINE

京都大学大学院工学研究科

准教授

Graduate School of Engineering, Kyoto University, Associate Professor
E-mail: nagamine.shinsuke.2z@kyoto-u.ac.jp

抄録

ポリドーパミン（PDA）の接着性，金属イオン還元性を利用したプラスチックへの無電解めっき技術の開発に取り組んだ．予備修飾として基材であるポリプロピレン（PP）板表面に，ドーパミンの重合により PDA 薄膜を形成させた．さらに，ドーパミンのアンモニア触媒下での重合によりサブミクロン径の PDA 球状粒子を作製し，ディップコーティングにより上記の予備修飾を施した試
料板への積層を試みた．試料板への PDA 粒子付着量を引き上げ速度，溶媒により制御することができた．また，粒子層の強化を目的として付着した粒子間にグルタルアルデヒド（GTA）による結合を形成させた．粒子付着後の試料板に無電解ニッケル–リン（Ni–P）めっきを施し，金属被膜と試料板の接着力を評価したところ，PDA 粒子付着量の増大および粒子間の結合形成により接着力を向上させられる可能性が示された．しかし接着力はまだ実用的な観点からは不十分であり，さらなる検討が必要である．

ABSTRACT
We attempted to develop the electroless plating technique on plastic substrate employing polydopamine(PDA), which showed the adhesive ability to various solid and reducing ability of metal cation. Polypropylene(PP) plate was preliminarily coated with PDA thin film via polymerization of dopamine. We prepared
spherical submicron PDA particles by polymerization of dopamine catalyzed by ammonia, and attempted tointegrate the prepared particles on the pretreated PP plate by dip-coating. The adhered amount of PDA particle
was controllable by withdrawal rate and solvent of particle dispersion. The inter-particle bonding was formedby adding glutaraldehyde (GTA) for the purpose of strengthening particle layer. Electroless Ni–P plating was
conducted on the sample plates coated with PDA particles and the adhesive force between metal plate andeach sample plate was measured by peeling test. The results of peeling tests demonstrated the possibility for
improving the adhesive force of metal plate by increasing the amount of adhered PAD particle and forming
the interparticle bonding. However, the adhesive force of metal plate is not sufficiently strong for practical use
and further investigation is needed.

– 56 –
Copyright © 2022 The Author. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article
under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 56–61

研究背景と目的

着能，還元能がめっきの前処理である貴金属触媒担持に応用でき，プロセスの簡略化の観点か

プラスチックへの金属調加飾技術の一種であらも有意義であると考えられる．

る無電解めっきは，触媒粒子を担持したプラス

研

チック基材を金属イオン，還元剤を含有するめっき液に浸漬し，基材表面での還元反応によ

究

方

法

1．PDA 粒子の作製

り金属イオンを金属被膜として析出させる技術
であり，導電性を持たないプラスチックに導電エ タ ノ ー ル（8 mL） ／ NH3 水 溶 液（0.10–性，耐食性，装飾性を付与することを可能とす

0.30 wt%, 20 mL）混合溶液にドーパミン塩酸塩

る．従来のプラスチックへの無電解めっきプロ（0.10 g）を溶解させ，室温で 24 h 撹拌し PDA

セスでは，基材表面をエッチングにより粗化し，粒 子 を 生 成 さ せ た [2]． 反 応 後 の 溶 液 に 対 し

金属めっき膜とプラスチック基材の複合構造の10,000G で 2 min 遠心分離を行い，上澄み液を形成により接着性を発現させるのが通例であ除去して PDA 粒子を回収した．蒸留水添加，る．この工程においてクロム酸–硫酸浴などの遠心分離による洗浄操作を 2 回繰り返した後，強酸の使用が無電解めっきプロセスの環境負荷

上澄み液と同量の蒸留水を添加し PDA 粒子をを高めている．

再 分 散 さ せ た． 粒 子 径 を 走 査 型 電 子 顕 微 鏡

申請者はポリドーパミン（PDA）を用いたプ（SEM）観察および動的光散乱（DLS）測定に

ラスチック表面への無電解めっき技術の開発に取り組んでいる[1]

より評価した．

．PDA はムール貝の接着タ2．ポリプロピレン基板への PDA 粒子のコー

ンパク質を模倣した高分子であり，有機，無機

ティング

を問わず様々な固体に対し接着性を示すことか
ら，固体の表面改質や異種固体間の接合などへ乾燥させたポリプロピレン（PP）を加熱圧の応用が進められている．本研究では，PDA

縮 成 形（30 MPa, 190°C） に よ り 15 mm ×

粒子をプラスチック表面上に集積し，多孔質層50 mm × 2 mm の板状に成形した．予備修飾とを形成する．これにより金属と PDA 層の接着

してドーパミン塩酸塩（0.050 g）をトリス緩衝

面積を増大させ，高い接着力を有する金属めっ液（10 mM, pH 8.5, 50 mL）に溶解させた溶液

き膜の作製を試みる（図 1）．基板表面に形成に 上 記 の PP 板 を 40°C，24 h 浸 漬 し，PDA 被させた PDA 多孔質層が金属との複合構造の形

膜を形成させた．

成を担うため，環境負荷の高い強酸処理工程をアンモニア水溶液濃度を 0.1 wt% に固定し，必要としない．また PDA の持つ金属イオン吸粒子生成，洗浄後に蒸留水の添加量を調整して

HO

OH

HO

HN
NH2
Dopamine

Fig. 1OH

HO

HN

Metal plating filmOHnPolydopamine(PDA)

Plastic substrate

PDA
particles

Formation scheme of polydopamine (PDA) and schematic image of metal plating using PDA particle layer.

– 57 –

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 56–61

NH3 0.1 wt%

0.2 wt%

0.3 wt%

1 μm

Fig. 2

1 μm

1 μm

SEM images of PDA particles prepared with different NH3 concentrations.
1000

粒子濃度を 8 倍に濃縮した PDA 粒子分散液を

PDA particle diameter [nm]SEM調製した．同様の手順で溶媒をエタノールとした PDA 粒子分散液も調製した．これらの PDA
粒子分散液をコーティング液に用い，予備修飾を施した試料板に対し様々な引き上げ速度（0.01–10 mm/s）でディップコーティングを行った．粒子間の結合を促進するために，ディップ
コーティングにグルタルアルデヒド（GTA）水

800

DLS

600
400
200

溶液（5.0 wt%）に浸漬し 24 h 反応させた試料0板も作製した．

0

0.1

0.2

0.3

0.4

NH3 concentration [wt%]Fig. 3

3．無電解めっきによる金属被膜の形成
PdCl2（0.01 g） を 塩 酸（0.01 M, 100 mL） に

PDA particle diameters estimated by SEM andDLS as functions of NH3 concentration.

研

溶解させ，触媒溶液を調製した．この溶液に試料板を室温で 1 min 浸漬し，Pd 触媒を担持した．

究

成

果

1．PDA 粒子の作製

触媒担持後の試料板を HMB-MLF 6 mL，HMB1LF 2.5 mL，蒸留水 41.5 mL から成るニッケル作製した PDA 粒子の SEM 像を図 2 に示す．

–リン（Ni–P）めっき液に 70°C，30 min 撹拌下サブミクロン径の球状粒子の生成が確認できで浸漬し，無電解めっきを行った．錆止め液にる．図 3 に SEM の画像解析により算出した平浸漬した後，蒸留水，エタノールで洗浄し乾燥

均粒子径と NH3 濃度の関係を示す．NH3 濃度させた．

の 増 加 に 伴 い 粒 子 径 が 増 大 し た． 分 散 液 の

無 電 解 Ni–P め っ き 後 の 試 料 板 に 硫 酸 銅

DLS 測定より得られる粒子径を併せて示す．

（5.1 wt%）／硫酸（2.7 wt%）水溶液をめっき

SEM より求めた粒子径と同様の NH3 濃度依存

液とし，0.5 A で 30 min 電解銅めっきを施し，性が見られ，NH3 濃度により粒子径の制御が可金属被膜を厚膜化した．電解めっき後の金属被能であることが示された．

膜に幅 1 cm の切込みを入れ，引張速度 1.0 mm/
min で剥離試験を行い，被膜の接着強度を評価

2．ポリプロピレン基板への PDA 粒子のコー
ティング

した．

試 料 板 に 対 し PDA 粒 子 分 散 液 の デ ィ ッ プ
コーティングを行い，試料板表面への粒子層の形成を試みた．引き上げ速度 1 mm/s における– 58 –

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 56–61

ディップコーティング後の試料板の表面のでは比較的多数の粒子の付着，層の形成が見らSEM 像を図 4 に示す．PP 板表面には PDA 粒

れるが，0.1 mm/s では粒子の付着量は極めて小子の付着がほとんど見られない．これは，PDAさくなった．さらに引き上げ速度を 1 mm/s，

粒子分散液の溶媒に水を用いているため，疎水10 mm/s と増加させると，それに伴い粒子の付性の PP 板の分散液に対する濡れ性が低いこと

着量が増大する傾向が見られた．ディップコー

が原因である．そこで表面の疎水性を低減する

ティングにおいて，引き上げ速度 V が大きいために PP 板表面を PDA 薄膜で予備修飾した

場合には塗布液膜の厚さは V2/3 に比例すること

試 料 板 を 作 製 し た． 予 備 修 飾 し た 試 料 板 にが知られている [3]．粒子の付着量もその傾向にディップコーティングを行ったところ，PP 板

従っているものと考えられる．一方，引き上げと比較して大幅な PDA 粒子の付着量の増大が

速度 V が小さい場合には，粒子は固液界面の確認できた．

メニスカスにおける溶媒蒸発によって生じる流予備修飾を施した試料板に対し，引き上げ速

れにより先端に運ばれ集積する．このときの粒度を変化させてディップコーティングを行っ

子層の厚さについて V に反比例する式が提案た．試料板表面の SEM 像を図 5 に示す．いず

されている [4]．以上より，粒子層厚さは引き上れ の 試 料 板 に お い て も， 表 面 全 体 を 見 る とげ速度に対し極小値を持つことが予想される．

PDA 粒子の付着状態は不均一であり，粒子層

これは本研究で引き上げ速度 0.1 mm/s においが形成されている部分と粒子が付着していないて粒子付着量が小さくなったことに対応してい部分が混在している．引き上げ速度 0.01 mm/s

る．
ここまでの検討では PDA 粒子分散液の溶媒

PPとして水を用いてきた．試料板への粒子の付着

Pre-modified PP

量，状態は溶媒への濡れ性により影響を受けると予想される．そこでより試料板への親和性が高く，表面張力が小さい溶媒としてエタノールを用いた分散液を調製し，ディップコーティン

2 μm

Fig. 4グを行った．図 6 にエタノール，水を分散液溶

2 μm媒として用いて作製した試料板表面の SEM 像

SEM images of PDA particles dip-coated on PP
and pre-modifies PP plates.

を示す．全体に均一な粒子層の形成には至らなかったが，エタノールを用いることで水よりもV = 0.01 mm/s

粒子の付着量が増加し，部分的にではあるが多0.1 mm/s

層の粒子層の形成も観察できた．
ここまでディップコーティングによる PDA
5 μm

1 mm/s

5 μm

Fig. 55 μm

10 mm/s

Ethanol

5 μm

Water

2 μm

SEM images of PDA particles dip-coated on premodified PP surface with different withdrawal
rates.

Fig. 6– 59 –

2 μm

SEM images of PDA particles dip-coated on premodified PP using PDA dispersions with different
solvents. (V = 0.01 mm/s)

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粒子層の形成について検討してきた．ここで，所が見られた．ディップコーティングにより

PDA 粒子–粒子間，および粒子–予備修飾被膜

めっき被膜と基板の密着性が向上することを期間に結合を形成させることにより，粒子層を擬待したが，試料板 2–5 では外観の改善は確認で似的な多孔構造に変換し，強度を向上させるこきなかった．

とを試みた．PDA のアミノ基とアルデヒド基

これらの試料板に電解銅めっきを施し，剥離との架橋反応を期待して，2 価アルデヒドであ試験を行った．試料板 1 の試験結果を例としてる GTA を架橋剤として用いた．ディップコー

図 9 に示す．剥離応力は一定にならず，数ヶ所

ティング後の試料板を GTA 水溶液に浸漬した．

強いピークが見られた．これは接着強度の強い

浸 漬 前 後 の 試 料 板 の SEM 像 を 図 7 に 示 す．

箇所と弱い箇所が混在しているためであると考GTA により PDA 粒子間に結合が形成されていえられる．各試料板について剥離応力の平均値

ることが確認できる．この粒子間の結合によりおよび最大値をまとめたものを図 10 に示す．

めっき金属被膜と基板の間の接着力の強化が期

水をディップコーティングの PDA 粒子分散液

待される．

溶媒に用いた試料板 2，3 では，GTA 架橋の有無に関わらず予備修飾のみの試料板 1 と比較し3．無電解めっきによる金属被膜の形成て剥離応力の向上は見られなかった．PDA 粒

各種試料板に無電解 Ni–P めっきを行った．

子の付着量が少なく，十分な効果が発揮できな

PDA 予備修飾を施していない PP 板には金属被かったものと考えられる．一方，エタノールを膜が形成されなかった．予備修飾および PDA

溶媒に用いた試料 4 では最大剥離応力が増大し粒子ディップコーティングを施した各試料（表た．粒子付着量の増加，粒子多層の形成が局所

1）の無電解めっき後の外観を図 8 に示す．い

的な接着力の向上につながったものと考えられずれの試料板においても金属被膜が形成されてる．また，GTA による PDA 粒子の架橋を行っおり，PDA により触媒担持，めっき反応が進た試料板 5 において，最大剥離応力のさらなる行したことが確認できた．予備修飾のみを行っ増大が見られ，PDA 粒子間の結合形成がめった試料板 1 には被膜が部分的に剥離している箇

き被膜の接着強度の改善に有効である可能性がBefore crosslinking

Crosslinked by GTA

2 μm

Fig. 7
Table 12 μm

SEM images of PDA particle layers before and after crosslinking by GTA. (Solvent: ethanol, V = 0.01 mm/s)
無電解めっき用試料板の作製条件 .

試料板番号

ディップコーティング

引き上げ速度溶媒

GTA 架橋1

予備修飾のみ

―

―

―

2

あり

0.01 mm/s

水

なし

3

あり

0.01 mm/s

水

あり

4

あり

0.01 mm/s

エタノール

なし

5

あり

0.01 mm/s

エタノール

あり

– 60 –

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Sample 1

Sample 2

Sample 3

Sample 4

Sample 5

Fig. 8 Appearances of samples after electroless Ni-P plating.
2.5

2.5

2

2

Peeling stress [N/cm]

Stress [N/cm]

Average [N/cm]

1.5
1
0.5
0

0

5

10

1.5
1
0.5
0

15

Maximum [N/cm]

1

Fig. 92

3

4

5

Sample No.

Distance [mm]Fig. 10 Average and maximum peeling stress of eachsample.

Result of peeling test on Sample 1.

示された．ただし，本研究で得られためっき被膜の接着強度は実用的な観点からは不十分であN-doped carbon sub-micrometer spheres with a tunable

り，基板表面全体への均一な粒子層の形成など，

size: a versatile platform for highly efficient oxygen-re-

さらなる改善の必要があると考えている．

duction catalysts, Advanced Materials, 25 (2013) 998–
1003. https://doi.org/10.1002/adma.201203923
[3]

参考文献
[1]

(1965) 33–37. 

Wakatsuki Y., Nagamine S., Ohshima M., Electrolessplating on polypropylene with surface modification by
polydopamine, The 18th Asian Workshop on Polymer

https://doi.org/10.1016/0009-2509(65)80041-0[4]Berteloot G., Daerr A., Lequeux F., Limat L., Dip coating with colloids and evaporation, Chemical Engineer-

Processing (AWPP 2019), Beijing, China, 28th–31st,

ing and Processing: Process Intensification, 68 (2013)

October, 2019.
[2]

White D.A., Tallmadge J.A., Theory of drag out of liquids on flat plates, Chemical Engineering Science, 20

Ai K., Liu Y., Ruan C., Lu L., Lu G., Sp2 C-dominant– 61 –

69–73. https://doi.org/10.1016/j.cep.2012.09.001

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19108

スラリーの乾燥により作製される多孔質膜の性能制御
Control of Porous Structure in Membrane Manufactured
by Drying of Slurry
研究代表者 Research leader:

弘中

秀至

Shuji HIRONAKA

九州大学大学院工学研究院

助教

Graduate School of Engineering, Kyushu University, Assistant Professor
E-mail: shironaka@chem-eng.kyushu-u.ac.jp

抄

録

本研究は，多孔質膜を湿式プロセスで成膜する場合に，プロセスの条件と乾燥後の多孔質膜の性能の関係に関する知見を得ることを目的に実施した．比表面積が異なる二種類のカーボンブラック（XC-72r および Li-100）を用いて多孔質膜を作製した．プロセスの条件として，カーボンブラック
を分散させるための超音波攪拌時間およびウェット膜を乾燥させるための加熱温度を変更させた．
得られた多孔質膜に対して，膜厚，透過率および表面粗さに基づき多孔質構造の評価を試みた．透過率は Li-100 の膜では膜厚とともに増加したのに対して，XC-72r の膜ではほぼ一定となった．表面粗さは膜厚に対して明瞭な傾向は確認できなかったものの，分散質の粒径分布が bi-modal なス
ラリーから成膜した膜ではカーボンブラックの種類によらず大きくなった．これらの膜厚に対する透過率および表面粗さの傾向は，カーボンブラックの形状およびスラリー中の粒径分布から説明可能であることを示した．

ABSTRACTThis study was conducted to reveal the relationship between properties of porous membrane and process
conditions, when membrane is manufactured via wetting process. Membrane in this study was manufactured
using two kind of carbon black (XC-72r and Li-100) which have different specific surface area. Time ofultrasonic dispersion to disperse carbon black and heating temperature to evaporate medium were process
conditions to be changed. The thickness, permeability and surface roughness were measured for obtained
membrane. As a result, permeability increased to the thickness in the case used Li-100. On the contrast, it wasalmost constant to the thickness for the case of XC-72r. Although the surface roughness did not depend on the
thickness obviously, it became larger for the membrane used the slurry of bi-modal particle distribution for
carbon black than used the slurry mono-modal. Consequently, it was revealed that the tendency of
permeability and surface roughness to the membrane was understood by the morphology and particle
distribution in slurry of carbon black.

– 62 –
Copyright © 2022 The Author. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article
under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 62–67

研究背景と目的

研

究

方

法

固体高分子形燃料電池（PEFC）の触媒層や比表面積が異なる分散質として，カーボンブ

リチウムイオン電池のセパレータなど，膜材料

ラ ッ ク（CB） で あ る Vulcan XC-72r（XC-72r）の粒子を含むスラリーを基板上に塗布したのおよび Denka Black Li-100（Li-100）を用いた．

ち，分散媒を乾燥することで作製される多孔質

基板は，多孔質基板である Sigracet GDL 28BC

膜の例は多い．湿式プロセスで作製される膜のを用いた．表 1 に各分散質の二次粒子径および多孔質構造は，スラリー中の粒子の分散状態，

比 表 面 積 を 示 す（Maeno S., 2006; Liu et al.,

塗布条件，乾燥速度などに影響されると考えら2010）れるものの，成膜条件が多孔質構造におよぼす

図 2 にスラリーの調製から成膜後の膜の測定

影響はいまだ明らかではない．既存の製造プロまでの手順を示す．まず，バインダーと分散質

セスでは，成膜条件は経験的に決められているを超音波攪拌で混合した後，さらに分散媒を加場合が多いため，不均質な多孔質構造が乾燥後えることで CB を含むスラリーを調製した．この膜に発生する場合がある（図 1）．このようのとき，分散質およびバインダーの濃度はそれな背景から，本研究は湿式プロセスの成膜条件

ぞれ 5 wt.%，10 wt.% となるように調整した．

が多孔質膜の構造に及ぼす影響を明らかにする

スラリーの粒径分布を測定した後，図 3 に示すことを目的に実施しているものの，膜の多孔質ようにドクターブレードを 50 mm/s で移動させ構造を成膜条件によって劇的に変えることは困ることでスラリーを基板上に塗布した．膜厚を難である．本研究では，様々な種類のカーボン変更するために基板とブレードの間隔 H をブラック（CB）から得られる膜を対象として，

365 μm から 665 μm まで 150 μm 間隔で調節し成膜条件に対する膜の多孔質構造の感度を検討た．成膜後のウェット膜は基板側から温度 Th

した．多孔質構造に関連した膜の物性として，で加熱した．乾燥させて得られた多孔質膜に対透過率および表面粗さを評価した．
Table 1 Aggregate diameter and specific surface area.
Aggregate diameter[nm]

Specific surface
area [m2/g]

XC-72r500

201

Li-100300

62Binder,dispersed solid

MediumUltrasonic mixing
Ultrasonic mixing
Homogenizing
Measurementof particle distribution
Coating

Fig. 1

Non-uniform structure in the catalyst layer ofPEFC. Adapted with permission from Ref. (Inoue,
G. and Kawase, M., 2016). Copyright: (2016)
Elsevier B.V.

– 63 –

Measurementof membranethickness, roughness
and permeability

Fig. 2

Flow of experiment.

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して，膜厚，表面粗さおよび透過率を測定した．

pressure によって粒子同士の間隔が広がって亀膜厚は得られた CB 膜の一部を削り取った付近裂が発生する前に粒子同士が固着したためと考の高低差として測定した．表面粗さは大学が所えられる．本検討の結果，以後の実験では Th =有するレーザー顕微鏡 OLS 4500 による表面形

80°C で乾燥させた．
図 4 に調製したスラリーの粒径分布を示す．

状の測定結果から，透過率はガスフロー法による圧力と流量の関係からそれぞれ求めた．

本研究では，図 2 に示した実験手順における超音波攪拌の時間によって，スラリー中の CB の

研

究

成

果

粒径分布を Bimodal および Monomdal に制御し分散質として XC-72r，分散媒としてエタノー

Table 2 Summary of process conditions to manufacture
the crack-free membrane.

ル（Ethanol 沸点 Tb = 80°C），ノルマルプロパノー
ル（Tb = 97°C）およびノルマルブタノール（n-BA(a) Ethanol

Tb = 120°C）を用いて，クラックフリーの成膜Th条件を検討した．クラックの成因は例えば宍戸らによる研究成果によって明らかにされてはい

H

365

515

665

(None)

̶

Crack

Crack

40

̶

Crack

Crack

80

Crack

Crack-freeCrack

るものの，実際にクラックフリーで成膜可能な条件は用いる材料ごとに検討する必要がある(b) n-PA（Shishido I., 1987）．表 2 に，クラックフリーの

H

Th

365

515

665

(None)

Crack

̶

Crack

ラックフリーの膜が得られた．この結果は，分

40

Crack

̶

Crack

散 媒 の 蒸 発 速 度 が 速 い た め，Osmotic suction

80

Crack-free

Crack-free

Crack-free

成膜条件の検討結果を示す．すべての分散媒で，Th = 80°C で速やかに乾燥させる場合のみにク(c) n-BA
H

Th
Coating blade
H

515

665

(None)

Crack

̶

Crack

40

Crack

̶

Crack

80

Crack-free

Crack

Crack

Schematic of coating process.
40 XC-72r of monomdal

XC-72r of bimodal

30

Volume fraction [%]Fig. 3

Wetting film
Substrate
Heater

365

20
10
0
40 Li-100 of monomdal

Li-100 of bimodal

30
20
10
0
10-1

100

Diameter [μm]Fig. 4101 10-1

100

Diameter [μm]Distribution of CB diameter in slurry.

– 64 –

101

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Monomodal

BimodalAggregates
XC-72r200 µm200 µm200 µm200 µm

Li-100Fig. 5

Snapshots of surface for manufactured membrane.
100.0

た．Monomodal なスラリーでは，
10–1 μm のオー

80.0

なスラリーでは 100 μm のオーダーの粒子も存在している．
図 5 に膜表面の光学画像を示す．Monomdal

δm [μm]

ダーのみのピークを持つのに対して，Bimodal

XC-72r
Li-10060.0
40.0

な粒径分布のスラリーから得られた膜の表面は20.0

CB の種類によらず均質である．Bimodal なス

0.0
300

ラリーから得られた膜のうち，XC-72r による膜の表面には，丸で示すように凝集体がみられFig. 6たのに対して，Li-100 による膜のクラックは抑制できなかった．

Monomodal Bimodal

400

500

H [μm]

600

700

Dependence of membrane thickness on the gap
between coating blade and substrate.

図 6 に基板とブレードの間隔 H と膜厚 δm との関係を示す．同一の H に対して，δm にはば

Li-100 を用いた膜の km は δm とともに増加す

らつきが見られるものの，同一の H に対してるのに対して，XC-72r を用いた膜の km は，Li-

Li-100 の膜の δm は XC-72r の膜より大きくなっ

100 の場合ほど δm に対して明瞭に増加しなかった．H が大きくなると，XC-72r の膜の δm はほ

た．すなわち，XC-72r を用いた膜では，km は

ぼ一定となるのに対して，Li-100 の膜の δm は

H に影響されなかったのに対して，Li-100 を用

H とともに増大した．スラリーの粒径分布がい た 膜 で は H と と も に 増 加 し た．Li-100 のδm に与える影響は小さい．

Bimodal な粒径分布を示すスラリーから得た膜

図 7 および 8 に表面粗さ Sa およびガス透過率 km について，δm 依存性をそれぞれ示す．Saにはき裂が存在するため，km が大きい．
分散質の種類で H に対する δm および km そは分散質の種類によらず，ほぼ 0.3 ± 0.1 μm

れぞれの傾向が異なる要因として，分散質のア程度の範囲に集中した．Bimodal な粒径分布をスペクト比の違いが挙げられる．比表面積が異示したスラリーから成膜した場合，凝集体の影なる 2 種類の分散質のうち，比表面積が小さな

響によって Sa は大きくなった．

分散質の形状は相対的に球形に近い．図 9 に凹

– 65 –

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 62–67

1.0
XC-72r
Li-100Sa [μm]0.8

す．本研究では多孔質基板を用いているため，
図 9 では多孔質基板の表面の凹凸を考慮した．

0.6

膜厚方向に堆積する分散質の粒子数の増加とと0.4

もに，アスペクト比が大きな分散質（XC-72r）

0.2

は薄く堆積するのに対して，アスペクト比が小0.0

Fig. 7

さい分散質（Li-100）は厚く堆積する．また，
0

20

40

60

δm [μm]80

粒子層の空隙は，アスペクト比が小さな分散質100からなる層の方が大きいため，Li-100 の膜のDependence of surface roughness on membranethickness.

5.0

km × 1015 [m2]凸のある基板上に堆積した分散質を模式的に示Monomodal Bimodal

4.0

XC-72r
Li-100km は XC-72r の 膜 よ り も 大 き く な っ た．
Bimodal なスラリーから得られた膜では，凝集体によって表面の凹凸が大きくなったため，Sa

Monomodal Bimodal

が大きくなった．

3.0

参考文献

2.0

Inoue G., Kawase M., Understanding formation mechanismof heterogeneous porous structure of catalyst layer in

1.0
0.0

Fig. 8polymer electrolyte fuel cell, International Journal of
0

20

40

60

δm [μm]80

Hydrogen Energy, 41 (2016) 21352–21365. 

100https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.08.029
Liu Z.Y., Zhang J.L., Yu P.T., Zhang J.X., Makharia R., MoreK.L., Stach E.A., Transmission electron microscopy

Dependence of permeability on membranethickness.

observation of corrosion behaviors of platinized carbon

XC-72r

Li-100

Dispersoid

Substrate

Thin

Thick

Thin

Thick

Monomodal

Bimodal

Agglomerate

Monomodal
Fig. 9BimodalSchematic of carbon black deposited on porous substrate.

– 66 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 62–67

Research Grant Reporthttps://doi.org/10.7209/tanso.2006.140

blacks under thermal and electrochemical conditions,

Shishido I., Maruyame T., Funaki M., Ohtani S., On the dry-

Journal of The Electrochemical Society, 157 (2010)

ing mechanism of shrinkage material, KAGAKU

B906. https://doi.org/10.1149/1.3391737
Maeno S., The structure and characteristics of conductive

KOGAKU RONBUNSHU, 13 (1987) 78–85. carbon black “KETJENBLACK EC”, TANSO, 222

https://doi.org/10.1252/kakoronbunshu.13.78(2006) 140–146. 

外部発表成果の性質に及ぼす影響 ，化学工学会第 52 回
秋季大会，LF320，2021.09．
4. 弘中 秀至 ，上野 陸太郎 ，藤井 孝成 ，永尾口頭・ポスター発表

幸子 ，木村 洸輔 ，井上 元 ，深井 潤， 乾燥過程における多孔質膜内不均質構造の形

1. 弘中 秀至，上野 陸太郎，藤井 孝成，井上 元，

成過程に関する研究―透過率および表面粗

深井 潤， 乾燥過程における多孔質膜内不さに基づく多孔質構造の評価― ，第 58 回

均質構造の形成過程に関する研究―透過率

日本伝熱シンポジウム，D233，2021.05．

に基づくき裂分布の評価― ，第 57 回日本

5. 藤井 孝成，弘中 秀至，井上 元，深井 潤， 成

伝熱シンポジウム，I223，2020.05．

膜条件に対する多孔質膜構造の評価法 ，化2. 永尾 幸子，弘中 秀至，井上 元，深井 潤， 異学工学会第 51 回秋季大会，J122，2020.09．

なる分散質から得られる機能性多孔質膜の6. 上野 陸太朗，弘中 秀至，井上 元，深井 潤，

構造制御 ，化学工学会第 52 回秋季大会，

多孔質膜の成膜条件と表面粗さの関係 ，

LF309，2021.09．

化 学 工 学 会 九 州 支 部 オ ン ラ イ ン 発 表 会，

3. 木村 洸輔，弘中 秀至，井上 元，深井 潤， ス

2020.12．

ラリー中のバインダーの分散性が多孔質膜– 67 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 68–72 /https://doi.org/10.14356/hptf.19109

19109

振動流動層中における微粉体の凝集・破壊挙動の解析
Analysis of Formation and Destruction Behavior of Agglomeratesof Fine Powder in Vibrating Fluidized Bed研究代表者 Research leader:深澤智典

Tomonori FUKASAWA

広島大学大学院先進理工系科学研究科

助教

Graduate School of Advanced Science and Engineering, Hiroshima University,
Assistant Professor
E-mail: fukasawa@hiroshima-u.ac.jp

抄録

粉体状廃棄物のリサイクルや再利用は，持続可能な環境を確保するためだけでなく，廃棄物処理費用の低減のためにも重要性を増している．これまでに，各成分（粒子）の凝集特性の違いに着目し，振動流動層を用いた成分分離を検討してきた．この分離法を幅広く適用するためには，流動層内での微粒子の凝集体形成と破壊に関する知見が不可欠となる．本研究では，試験粉体として TiO2
rutile，TiO2 anatase および ZnO の粉体を用い，振動流動層中における凝集体の形成および破壊に及
ぼす粒子特性の影響を検討した．粉体層高さの変化と圧力損失を測定し，それらをもとに Ergun の式を用いて凝集体サイズの変化を算出し，凝集体の形成と破壊を評価した．

ABSTRACT
Recycling and reutilization of powdery/dust waste are becoming increasingly important not only for ensuring
a sustainable environment, but also for decreasing the cost of waste disposal. In this regard, we have been
examining component separation using a vibrating fluidized bed, based on the differences in the
agglomeration properties of the particles in each component. In the proposed separation method, theknowledge of the agglomerate formation and destruction of fine particles in the fluidized bed is essential. In
this study, the effects of particle properties on the agglomerate formation and destruction in the vibrating
fluidized bed were investigated using custom-made apparatus. TiO2 rutile, TiO2 anatase, and ZnO powder
were used as tested powders. Changes in powder layer height and pressure loss were measured. Based on theobtained results, changes in agglomerate size were calculated using Ergun equation, and agglomerate
formation and destruction was evaluated.

– 68 –
Copyright © 2022 The Author. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article
under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 68–72

研究背景と目的入法で測定した．付着力は ZnO が最も大きく凝集性が高いと予想される．一方で，安息角は粉体状廃棄物の処理費用の低減や有価物の回

TiO2 rutile が最も小さく流動性が高かった．

収を目的とした，特定成分を濃縮・分離する低
コスト・低環境負荷な技術が求められている．

2．振動流動実験

これまでに，粉体種（成分）に応じて凝集性が振動流動装置の概略を図 1 に示す．

異なる点に着目し，振動流動層を用いて凝集体

内径 1.6 cm のガラス管に，層高さ 3 cm にてを形成することで 2 成分混合粉体から特定成分試験粉体を充填し粉体層を形成した．ガラス管を濃縮分離できることを報告しており下部より乾燥窒素ガスを供給し（平均断面流速（Fukasawa T. et al., 2018），亜鉛含有ダストから

0.04 m/s），加振機を用いて水平方向に振動を与の亜鉛成分の回収にも成功している．しかしなえた．振動周波数は 20 Hz とし，振幅を操作しがら，微粉体の振動流動層中での挙動（凝集・た（1.6 〜 3.2 mm）．ハイスピードカメラを用

破 壊 ） は 未 だ に 不 明 な 点 も 多 い（Geldart D.,

いて層高さの経時変化を，デジタル圧力計を用

1973; Kono H.O. et al., 1987; Wang X.S. et al.,

いて圧力損失の経時変化を測定した．

2007）．今後，この濃縮分離技術を様々な粉体に適用するためには，各粉体の物性値に基づき，3．見かけ上の凝集体サイズの経時変化
各測定結果と以下の Ergun 式を用いて凝集体

振動流動層中における凝集体の形成・破壊挙動

サイズの経時変化（凝集の進行度）を評価した．

を予測する工学モデルが必要となる．
本研究では，凝集体の形成・破壊挙動に影響

2ΔP1  ε μu
1  ε ρu 2を及ぼすと考えられる粉体の物性値として，付
 150

1.75
L
ε 3d a 2
ε 3d a
着力および安息角に着目した．種々の粉体層の層高さや圧力損失の経時変化から，Ergun 式に基づく解析により凝集体サイズの経時変化を求(1)Glass tube

め，凝集体の形成・破壊挙動を評価した．

研

究

方

Stand
Vibrator

法

1．試験粉体Powderlayer(30 mm)High-speed
camera

試験粉体には TiO2 rutile，TiO2 anatase，ZnOを用いた．表 1 に粉体毎の物性値を示す．粉体

FilterFlow controller

N2の付着力は，試験粉体に荷重を加えペレットをPressure
gauge

作成し，ペレットの崩壊荷重より Rumpf の式を用いて算出した．安息角は自由落下による注
Table 1

Fig. 1 Vibrating fluidized bed apparatus.

Physical properties of teste powder.
Median diameter [μm]–3

RutileAnatase

ZnO

0.64

0.53

0.73

Density [g cm ]4.2

Adhesion force [N]

6.3 × 10

Angle of repose [°]43.5– 69 –

3.9
–8

5.6

4.9 × 10

7.9 × 10–8

44.8

45.9

–8

(1)

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 68–72

Research Grant Report

ΔP は圧力損失［Pa］，L は粉体層高さ［m］，値を示した．これは凝集体の形成にともなう粉ε は 空 間 率［–］，u は 流 体 の 流 速［m/s］，ρ は体層内の空気抵抗の減少に起因していると考え流体の密度［kg/m ］，μ は流体の粘度［Pa·s］，

られる．一方，粉体層高さ（膨張率）は時間経

da は Ergun 式における見かけ上の凝集体サイズ

過にともない単調に減少していった．これは，［m］である．ここで，形成される凝集体はす

粉体層全体の圧縮を意味している．これら圧力

べて同じサイズであることを仮定している．

損失と粉体層高さの経時変化から，Ergun 式を3用いて算出された見かけ上の凝集体サイズの経

研

究

成

果

時変化を図 2(b) に示す．凝集体サイズの増加
は 凝 集 の 進 行 を 示 す． 今 回 の 実 験 条 件 で は1．圧力損失・粉体層高さの経時変化と15 min まで凝集の進行が見られ，その後は凝Ergun 式を用いた凝集体サイズの算出

集体サイズが一定値に漸近していった．15 min
以降においては凝集体の形成に加えて破壊も顕

試験粉体 TiO2 rutile について振幅 2.4 mm に

著となることにより凝集体サイズが平衡に達しおける圧力損失と層膨張率の経時変化を一例とたと考えられる．

して図 2(a) に示す．圧力損失は時間経過にともない急激に減少し，15 min 以降はほぼ一定
60

TiO2 rutile，TiO2 anatase，ZnO それぞれにつ

1.1

1
40
30

0.9

20
0.8
10

いて，見かけ上の凝集体サイズの経時変化を図3 に示す．

Bed expansion ratio [-]Pressure drop
Bed expansion ratio

50

Pressure drop [Pa]2．凝集体サイズの経時変化

TiO2 rutile に つ い て， 低 振 幅 条 件（1.6 mm）
では凝集体サイズの増大は緩やかであったものの，全ての振幅において凝集体サイズが時間経
過 と と も に 増 大 し て い っ た． こ れ は，TiO2
rutile の流動性が高い（安息角が小さい）ため，
低振幅においても十分に粉体層が流動化し凝集

(a)

0
80

体の形成が進行したためと考えられる．なお，

0.7

振幅を大きくし過ぎると 30 min 経過後の平衡
時凝集体サイズは減少した．平衡時凝集体サイ

Agglomerate size [m](b)ズと振幅の関係については後ほどまとめて示

60

す．
TiO2 anatase では，低振幅条件（1.6, 2.0 mm）

40において凝集体サイズの増大がほぼ見られな
かった．これは，TiO2 anatase の流動性が低い（安息角が大きい）ため，低振幅では十分に粉体層20が流動化せず，凝集体の形成が生じなかったた
0

0

10

20

30

めと考えられる．中振幅条件（2.4, 2.6 mm）で40

は，凝集体サイズの増大が見られたが，TiO2

Time [min]Fig. 2

Changes in (a) the pressure drop, the bed
expansion ratio, and (b) the estimated agglomerate
size with treatment time (TiO2 rutile, Amplitude
2.4 mm).

– 70 –

rutile と比較すると凝集体サイズが増大し始めるまでに時間を要した．こちらも，流動性が低
いために流動場の形成に時間を要したことが原因 だ と 考 え ら れ る． 一 方， 高 振 幅 条 件（2.9,

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 68–72

80

80

1.6 mm
2.0 mm
2.4 mm
2.6 mm
2.9 mm
3.2 mmRutileEquilibrium
agglomerate size [m]60

Rutile40

Agglomerate size [m]

20
80

40

2

2.5

3

3.5

4

Amplitude [mm]1.6 mm
2.0 mm
2.4 mm
2.6 mm
2.9 mm
3.2 mm

60

ZnO

60

20
1.5

Fig. 4

Relationship between equilibrium agglomerate
size and amplitude.

て，凝集体サイズの増大が見られた．なお，高振幅条件（2.9, 3.2 mm）ではガラス内壁面への40

ZnO の付着量が増大したため，層高さが評価できなかった．

Anatase2080

3．平衡時凝集体サイズ
1.6 mm
2.0 mm
2.4 mm
2.6 mm70

見かけ上の凝集体サイズの経時変化から，

ZnO

30 min 経過後の平衡時凝集体サイズと振幅の関係を図 4 にまとめた．いずれの粉体種におい60ても振幅の増加にともない平衡時凝集体サイズ

50は増加していき，ある振幅以降に減少に転じた．
これは，振幅の増加により，粉体層の流動が激40

しくなり凝集体の形成には有利になるが，振動3020による凝集体の破壊も生じるためである．詳細
0

10

20

30

なメカニズムの解明には流動性のみならず付着40

力も考慮した検討が必要である．

Time [min]Fig. 3

AnataseChanges in the estimated agglomerate size withtreatment time for various tested powder andamplitude.

各振幅における平衡時凝集体サイズやその最大値をとる振幅は粉体種ごとに異なっており，
これらの性質を活用した成分分離法の更なる性能向上が期待される．

3.2 mm）では TiO2 rutile と同様に平衡時凝集体
サイズが著しく減少した．
ZnO について，その結果は TiO2 anatase と概参考文献
Fukasawa T., Toda H., Huang S.-Y., Hiraiwa R., Huang A.-N.,

ね一致していた．すなわち，低振幅条件（1.6,

Kuo H.-P., Fukui K., Component separation in a vibrating fluidized bed based on differences in agglomeration

2.0 mm）においては凝集体サイズの増大がほ

properties of particles, Journal of Chemical Engineer-

ぼ見られず，中振幅条件（2.4, 2.6 mm）におい

ing of Japan, 51 (2018) 576-583. – 71 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 68–72

Research Grant Report

der mixtures during fluidization, Powder Technology,

https://doi.org/10.1252/jcej.17we318

53 (1987) 163–168. 

Geldart D., Types of gas fluidization, Powder Technology, 7

https://doi.org/10.1016/0032-5910(87)80090-6(1973) 285-292. 

Wang X.S., Rahman F., Rhodes M.J., Nanoparticle fluidiza-

https://doi.org/10.1016/0032-5910(73)80037-3
Kono H.O., Huang C.C., Morimoto E., Nakayama T.,tion and Geldart’s classification, Chemical Engineering

Hikosaka T., Segregation and agglomeration of Type C

Science, 62 (2007) 3455–3461. 

powders from homogeneously aerated Type A–C pow-https://doi.org/10.1016/J.CES.2007.02.051

外部発表成果差異に着目した混合粉体からの成分分離 ，
国際粉体工業展東京 2020 アカデミックコー

口頭・ポスター発表

ナー（Tokyo, Nov. 19, 2020）．
3. Junji Izumi, Tomonori Fukasawa, Toru Ishigami,

1. 泉 淳之，深澤 智典，石神 徹，福井 国博， 粉Kunihiro Fukui, “Component separation from

体種毎の凝集性の違いに着目した混合粉体

binary powder mixture in a vibrating fluidized

からの成分分離 ，粉体工学会 秋期研究発

bed based on differences in agglomeration prop-

表会（Tokyo, Nov. 17, 2020）．

erties”, The 8th Asian Particle Technology

2. 深澤 智典， 粉体種毎の凝集・流動特性のSymposium (Osaka, Oct. 13, 2021).

– 72 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 73–77 /https://doi.org/10.14356/hptf.19110

19110

粉体バルク挙動に着目した DEM 手法の開発
Discrete Element Method for Bulk Powder Flows
研究代表者 Research leader:

鷲野公彰

Kimiaki WASHINO

大阪大学大学院工学研究科

講師

Graduate School of Engineering, Osaka University, Senior Lecturer
E-mail: washino.k@mech.eng.osaka-u.ac.jp

抄録

離散要素法（DEM）では，オリジナル粒子より剛性を低減させたモデル粒子を使用することで時間刻みを大きくとり，シミュレーションにかかる計算コストを下げることが一般的である．また，付着性粒子のシミュレーションにおいては，接触時間の増加に伴う過剰なエネルギー消散を防ぐため，粒子剛性の低減に合わせて付着力をスケーリングする手法が近年提案されている．この手法は粉体がバルク体として流動化している動的な系に対しては非常に有効であるが，接触中における瞬時の力の釣り合いが崩れることから，凝集や付着といった相対的静止状態を模擬することが難しい．
本研究では，剛性を低減したモデル粒子に対して，付着力の代わりに粘性減衰係数をスケーリング
する手法を提案した．また，提案手法を回転ドラムのシミュレーションへと適用し，壁面への粒子の付着といった静的な状態と動的安息角といった粉体バルク挙動を同時に模擬可能であることを確認した．

ABSTRACTIn Discrete Element Method (DEM), it is common to reduce the particle stiffness artificially from the original
material property to employ a large time step and reduce the computational cost. When simulating cohesive
particles, however, the reduction of the particle stiffness can cause excessive energy dissipation due to theprolonged contact duration, which can make the particles become more cohesive than the original ones.
Recently, several scaling laws for attraction force are proposed to overcome this problem. Although these
scaling laws are effective for dynamic systems where particles are fully fluidized as a bulk body, they are notapplicable to relatively static systems since the instantaneous force balance is not maintained. In the present
work, a new approach to reduce the viscous damping coefficient instead of the attraction force is proposed.
The proposed model is applied to simulate cohesive particles in a rotary drum, and it is confirmed that thestatic phenomena such as the particles sticking on the drum wall as well as the dynamic phenomena such as
the dynamic angle of repose are well replicated at the same time, which is difficult to achieve with theconventional method.

– 73 –
Copyright © 2022 The Author. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article
under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 73–77

研究背景と目的

ダッシュポットで表現する．粒子間に付着力が働かない場合は反発係数が一定となるように粘近年，粉粒体の数値シミュレーションには離性減衰係数が決定される [10]．このときの反発

散 要 素 法（DEM）[1] が 広 く 用 い ら れ て い る．

係数を ein とすると，線形ばねモデルを用いた

DEM は個々の粒子運動を Lagrange 的に追跡す場合のダッシュポットによる力 Fd は以下で定る手法である．連続体的手法とは異なり粒子を式化される [11]．

離散的に取り扱うため，粒子間相互作用力を直Fd  ηv r

接評価することが可能であり，特に近年では付着性粒子の解析等にも適用されてきていη(1)

る [2]–[5]．一方，DEM は非常に計算負荷が大きく，
いかに効率よくシミュレーションを行うかが重要な課題となる．

(1)

4m*k
 π 
1 

 ln ein 2(2)

ここで，η は粘性減衰係数，vr は相対速度，k

DEM における計算負荷低減方法の一つとして，オリジナル粒子より剛性を低減させたモデはばね定数，m*は換算質量である．粒子間に(2)付着力が働く場合も，粘性減衰係数の計算にはル粒子を使用する方法がある．本報ではこれを式（2）が用いられることが一般的である．本

粒子剛性低減法と呼ぶ．これにより，安定な計研究で運動方程式を無次元化することにより，算に必要な時間刻みを大きくすることが可能と粒子接触によるエネルギー消散量は ein と，以なり，計算負荷が低減される．しかし，付着性下で定義される無次元化付着力のみの関数とな粒子のシミュレーションでは，粒子剛性の低減

ることがわかった．

により接触時間が増加し，過剰なエネルギー消F̂A  FA / vi m*k

散が発生する．これを防ぐため，粒子剛性の低(3)減に合わせて付着力をスケーリングする手法がここで，FA は付着力の大きさ，vi は衝突速度．粒子剛性低減法に(3)の大きさである．本研究では簡単のため，FA

近年提案されている[6]–[9]おける付着力スケーリングは粉体がバルク体とが一定値の場合のみを対象とする．

して流動化している動的な系に対しては非常に

2．付着力スケーリングと Bond 数

有効である．一方，接触中における瞬時の力の釣り合いが崩れることから，凝集や付着といっ

粒子剛性低減法においてオリジナル粒子の挙た相対的静止状態を模擬することが難しい．

動を模擬するために，以下 2 つの条件を満足さ

本研究では，粒子剛性低減法において，付着せることを考える．

力の代わりに粘性減衰係数をスケーリングする

A．粒子衝突による反発係数を一定に保つ．

手法を提案する．これにより，モデル粒子を用

B．重力と付着力の比（Bond 数）を一定にいてオリジナル粒子の静的・動的な状態を同時保つ．

に模擬できることが期待される．また，提案手

これまでに提案されている付着力スケーリン

法を回転ドラムのシミュレーションへと適用

グは上記 A を満足させることが知られていし，その有効性を検証する．

る [6],[7]．一方で，付着力を低減することにより，Bond 数はオリジナル粒子の場合に比べて小さ

研

究

方

法

くなる．

3．粘性減衰係数スケーリング

1．接触力とエネルギー消散

本研究では，付着力の代わりに粘性減衰係数

DEM では粒子間接触時のエネルギー消散ををスケーリングさせる方法を提案する．この方– 74 –

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 73–77

研法であれば前節 A と B の条件を同時に満足さ

究

成

果

せることが期待できる．まず，粒子が 2 体衝突
するシミュレーションを行い，反発係数と ein
および無次元化付着力 F̂A の関係を調べた．結果を図 1 に示す．
図中の等値線は衝突後の反発係数である．こ(11)
れらの結果をフィッティングすることで，粒子衝突時の反発係数を予測する式を以下のように提案した．

1
 0.525ein 1.62

 ln FˆAC  1  FˆA e  ein  ln FˆAC  1 


1．2 体衝突シミュレーション
はじめに，ばね定数を 1/100 に低減し，かつ式（6）の粘性減衰係数スケーリングを適用した 2 体衝突シミュレーションを行った．得られた反発係数と ein および無次元化付着力 F̂A との関係を図 2 に示す．

図 1 と比較して，等高線の間隔がせまく勾配(11)の大きな領域では少しゆがみが見られるが，オ(4)

リジナル粒子の全体的な衝突・反発挙動を良好に再現できている．本研究ではフィッティング

0.468ein
FˆAC 
(5)
1  ein(4)
これらの式より，eO = eR となるように einR をス

ケーリングする．ここで，上付き添字
O およ(5)
び R はそれぞれオリジナル（Original）粒子，(12)
剛性を低減（Reduced）したモデル粒子を表す．
理論的に einR を導出することは難しいため，以下のようにフィッティングを行った．
R  C 1e O(12)
 1 C  einC

einR 

R 
einC
(6)





2
 FˆAR   FˆAR

変更することで結果が改善する可能性があり，今後の検討課題である．

2．回転ドラム内付着性粒子のシミュレーション
次に，回転ドラム内付着性粒子のシミュレー
ションを行った．計算条件を表 1 に示す．粒子3eO 1  1

関数の形を式（6）で与えているが，この形をFˆAR   0.876
2

0.438


C exp 5.8 exp 0.26FˆAR   1

(6)−壁面間付着力は粒子−粒子間付着力の 10 倍(7)ナル粒子の 1/100 に低減しており，Washino ら [7](8)（6）の粘性減衰係数スケーリングを適用した場とした．また，モデル粒子のばね定数はオリジによる付着力スケーリングを適用した場合，式合，スケーリングを行わずにばね定数のみを低

(7)
(8)

1

Coefficient of restitution ein [-]

0.9
0.8
0.7

%%%%%%%%%%%%%%%%%%
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

10−3

10−1

1

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
10−3

0.001
10−2

10−1

1

10

Dimensionless attraction force F̂A [-]Coefficient of restitution as a function of ein and

Fig. 2

F̂A .

(21)

0.7

10

Dimensionless attraction force F̂A [-]Fig. 1

0.8

0

0.001

10−2

0.9

Coefficient of restitution ein [-]1

Coefficient of restitution as a function of ein andF̂A using reduced particle stiffness and scaled
viscous damping coefficient.

(21)– 75 –

Research Grant Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 73–77

Table 1 Simulation conditions of cohesive particles in arotary drum.
Particle density [kg/m ]

2700

0.007

ein [–]

0.81

0.006

Poisson’s ratio [–]0.25

Original spring constant [N/m]245925

Reduced spring constant [N/m]2459.25

Sliding friction coefficient [–]0.38

Number of particles [–]4500

Attraction force (particle-particle) [N]

0.01

0.001

Attraction force (particle-wall) [N]0.1

0Particle diameter [mm]3

Total kinetic energy [J]3Original
Reduced particle stiffness (with attraction force scaling)
Reduced particle stiffness (with damping coefficient scaling)
Reduced particle stiffness (without scaling)

Fig. 4

0.005
0.004
0.003
0.002

0

0.2

0.4

0.6

Time [s]0.81Total kinetic energy of cohesive particles inrotary drum.

因である．一方，ばね定数のみを低減した場合
は粒子の付着性が上がることで流動性が悪くな(a) Original particle

り，粒子がドラムと一緒に剛体回転するような(b) Reduced particle stiffness(With attraction force scaling)

挙動が見られた．粘性減衰係数スケーリングを適用した結果は，粒子の壁面への付着の様子および動的安息角がオリジナル粒子の結果と定性的に良い一致を見せており，オリジナル粒子の静的・動的な状態を同時に模擬できていることがわかる．
図 4 に粒子の全運動エネルギーの変化を示
す．オリジナル粒子の結果を見ると，ドラムが(d) Reduced particle stiffness(c) Reduced particle stiffness(With damping coefficient scaling)(Without scaling)

Fig. 3

回転を開始してから粒子が崩落するときにエネ
ルギーのピークがあり，約 0.6 秒で定常状態にSnapshots of cohesive particles in rotary drum.

なっていることがわかる．粘性減衰係数スケー
リングを適用した場合も同様の時間応答とピー

減した場合の 3 種類で計算を行った．
図 3 に各シミュレーション結果のスナップクが見られ，定常状態での運動エネルギーもオショットを示す．粒子−壁面間付着力が強いた

リジナル粒子の結果と定量的に一致している．

め，オリジナル粒子がドラム壁面に付着していこれらの結果より，提案する粘性減衰係数スる様子が見て取れる．Washino ら

ケーリングの有効性が確認できた．

[7]

による付着

力スケーリングを適用した場合は，動的安息角
はオリジナル粒子のものと良い一致を見せてい3．まとめるが，壁面へ粒子の付着は見られない．これは，本研究では DEM の計算負荷低減のため，粒付着力を低減することで Bond 数がオリジナル

子剛性を低減する際にダッシュポットの粘性減粒子の場合に比べて小さくなっていることが原衰係数をスケーリングする方法を提案した．ス

– 76 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 73–77

ケーリング則はフィッティングにより導出し，(2013) 80–90. 
https://doi.org/10.1016/j.powtec.2012.08.017

オリジナル粒子の全体的な衝突・反発挙動を良[6]好に再現することができた．また，提案されたGroup A particles using a dynamic adhesion force mod-

し，壁面への粒子の付着といった静的な状態と

el, Powder Technology, 248 (2013) 143–152. 
https://doi.org/10.1016/j.powtec.2013.02.028

動的安息角といった粉体バルク挙動を同時に模[7]

擬できることを確認した．

ogy, 325 (2018) 202–208. 
https://doi.org/10.1016/j.powtec.2017.11.024[8]

Cundall P.A., Strack O.D.L., A discrete numerical mod-JKR contact and rolling models for reduced particle

47–65. https://doi.org/10.1680/geot.1979.29.1.47

stiffness discrete element simulations, Powder Technol-

Washino K., Miyazaki K., Tsuji T., Tanaka T., A newogy, 319 (2017) 472–482. 

contact liquid dispersion model for discrete particle
simulation, Chemical Engineering Research and Design, 110 (2016) 123–130. 

https://doi.org/10.1016/j.powtec.2017.07.006[9]Engineering Science, 193 (2019) 336–345. 

Liu P.Y., Yang R.Y., Yu A.B., DEM study of the transverse mixing of wet particles in rotating drums, Chemical Engineering Science, 86 (2013) 99–107. 

https://doi.org/10.1016/j.ces.2018.09.026[10] Tsuji Y., Tanaka T., Ishida T., Lagrangian numericalsimulation of plug flow of cohesionless particles in a

https://doi.org/10.1016/j.ces.2012.06.015

horizontal pipe, Powder Technology, 71 (1992) 239–

Thornton C., Interparticle sliding in the presence of ad-

250. https://doi.org/10.1016/0032-5910(92)88030-L

hesion, Journal of Physics D: Applied Physics, 24[11] Tsuji Y., Kawaguchi T., Tanaka T., Discrete particle(1991) 1942–1946. simulation of two-dimensional fluidized bed, Powder

https://doi.org/10.1088/0022-3727/24/11/007[5]

Chen S., Liu W., Li S., A fast adhesive discrete element
method for random packings of fine particles, Chemical

https://doi.org/10.1016/j.cherd.2016.02.022[4]Hærvig J., Kleinhans U., Wieland C., Spliethoff H.,
Jensen A.L., Sørensen K., Condra T.J., On the adhesive

el for granular assemblies, Géotechnique, 29 (1979)[3]

Washino K., Chan E.L., Tanaka T., DEM with attraction
forces using reduced particle stiffness, Powder Technol-

参考文献

[2]

Kobayashi T., Tanaka T., Shimada N., Kawaguchi T.,
DEM–CFD analysis of fluidization behavior of Geldart

手法を回転ドラムのシミュレーションへと適用[1]

Research Grant Report

Technology, 77 (1993) 79–87. Pasha M., Hare C., Hassanpour A., Ghadiri M., Analy-

https://doi.org/10.1016/0032-5910(93)85010-7

sis of ball indentation on cohesive powder beds using
distinct element modelling, Powder Technology, 233

外部発表成果May 2019）．
2. Yamagami R., Washino K., Chan E.L., Tsuji T.,

口頭・ポスター発表

Tanaka T., “Reduction of particle stiffness in
DEM simulation considering attraction force”,

1. 山神 遼介，鷲野 公彰，辻 拓也，田中 敏嗣，2019 Asian Pacific Confederation of Chemical

付着力を考慮した離散要素シミュレーショEngineering Congress (Sapporo, Sept. 2019).

ンにおける粒子剛性低減手法の検討 ，粉体

http://www3.scej.org/meeting/apcche2019/abst/

工 学 会 2019 年 度 春 期 研 究 発 表 会（Tokyo,

abstracts-2.html– 77 –

4-2 令和2年度
研究者育成のための援助成果報告– 78 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 79–82 /https://doi.org/10.14356/hptf.20501

20501

銀交換ゼオライトを用いた吸着剤兼積算型線量計の創製
Development of Passive Type Dosimeter Exhibits
Adsorption Property by Using Ag-exchanged Zeolites
援助対象者 Scholarship Student: 川本

弘樹

川本

弘樹

Hiroki KAWAMOTO

東北大学大学院工学研究科

博士課程後期 2 年

Graduate school of Engineering, Tohoku University, PhD Student (D2)E-mail: hiroki.kawamoto.q5@dc.tohoku.ac.jp
研究指導者 Academic Leader:

浅井圭介

Keisuke ASAI教授，Professor
E-mail: asai@qpc.che.tohoku.ac.jp

抄録

福島原発事故により生じた汚染水や原発周辺の空気中に含まれる放射性 Cs や Sr の処理と放射線量の評価を簡便に行うために，銀交換ゼオライトを用いて放射性物質の吸着が可能な積算型線量計の創製を目指した．FAU-Y 及び LTA 型銀交換ゼオライトにおける放射線照射前後での蛍光スペクト
ルを測定し，放射線検出能を評価した．FAU-Y 及び LTA 型双方において，放射線照射量増大に伴う蛍光強度の増大が観測され，線量計への応用可能性が示された．

ABSTRACT
After the accident in Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant, evaluation of radioactive wastes inenvironment, such as Cs and Sr, is required extensively in Japan. Therefore, we aimed development of
dosimeter exhibits adsorption property by using Ag-exchanged zeolites. In this study, we investigatedemission property in Ag-exchanged FAU-Y and LTA zeolites before and after irradiation of ionizing radiation.
In Ag-exchanged FAU-Y and LTA zeolites, the emission intensity increased with increase in absorption dose.
This result indicates that Ag-exchanged FAU-Y and LTA zeolites are candidate for dosimeters.

成 果 の 概 要において汚染水に含まれる放射性 Cs 及び Sr の処理及び当該地域における放射線量の正確な把1．背景握が急務となった．Cs と比較して Sr の分析は福島第一原発での事故を契機として，我が国困難であり，2 週間程度要する（文部科学省，– 79 –
Copyright © 2022 The Authors. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Young Researcher Scholarship Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 79–822003）ため，多くの検体を分析することは難し

ゼオライトを加えて 24 時間攪拌した後に，遠い．それ故，より簡便かつ迅速な分析手法が求心分離及び吸引ろ過によって銀交換ゼオライト

められている．そこで我々は，放射性廃棄物ののスラリーを得た．これを 50°C で 24 時間か

吸着とその線量評価を同時に行えるデバイスのけて乾燥させることで銀交換ゼオライトの粉末創製を目指し，銀交換ゼオライトに着目した．

を得た．また，硝酸銀水溶液の濃度を，Na+ が銀交換ゼオライトは，多孔性のアルミノシリ

Ag+ に全交換される濃度（1Ag），その濃度のケートの一種であるゼオライトの陽イオンを

1/2（0.5Ag）及び 1/10（0.1Ag）となるように

Ag に置換したものであり，吸着能を有してい

調製し，銀交換量が異なる銀交換ゼオライトをる為，抗菌剤や消臭剤として市販されている．

得た．これらの試料に X 線を 0–1 Gy 照射し，また，様々な放射性核種に対しても吸着能を有各線量における励起波長 310 nm の蛍光スペク

し，Cs や Sr などの放射性廃棄物の吸着が報告

トルを測定した．また，X 線未照射，0.5 及びされており（Borai et al., 2009; Liang et al., 2020），

1.0 Gy 照射後試料を，450°C で 8 h 加熱するこ

福島第一原発の処理水廃棄場にはゼオライトをとで得た銀交換ゼオライトの焼成体についても利用した Cs 吸着剤 SARRY が実用化されてい同様の測定を行った．

+

る（Mimura, 2016）．吸着能に加えて，銀交換

3．結果と考察

ゼオライトの焼成により形成される銀クラス
ターが高効率な蛍光を呈することが報告されて

図 1 に焼成後及び X 線 1 Gy 照射前後の FAU-

おり（Altantzis et al., 2016; Grandjean et al., 2018;

Y:1Ag 及び LTA:1Ag における蛍光スペクトル

Yao et al., 2019），銀交換ゼオライトはレアアーを示す．FAU-Y:1Ag 及び LTA:1Ag ともに焼成

スフリーな蛍光体材料として着目されている．

と X 線照射によりそれぞれ 450–600 及び 500–成される（Grandjean et al., 2018; Yao et al., 2019）．

Intensity (Before irradiation,
After irradiation) [a.u.]

元即ち Ag+ による電子捕獲を始反応として形
放射線照射により生じる電子によって，焼成体と同様の銀クラスターが形成されるのであれ
ば，銀クラスターからの発光強度に基づく積算
線量の評価が可能である．上述の通り，ゼオラ
イトは放射性廃棄物に対する吸着能を有しているため，放射性物質を吸着しつつ，その吸着量あった計測が可能となり，より簡便な放射能評

Intensity (Before irradiation,
After irradiation) [a.u.]と線量の同時計測というこれまでには不可能で価が可能となることが予想される．
本研究では，銀交換 Faujasite Y 型及び Linde
Type A 型ゼオライト（FAU-Y:Ag 及び LTA:Ag）について，放射線照射による蛍光特性変化，蛍光特性の銀交換量依存性及び X 線照射後の焼成による蛍光特性変化を調査した．

Fig. 1

2．実験方法
硝酸銀水溶液中に FAU-Y 型及び LTA 型 Na

– 80 –

700
600

FAU-Y:Ag(a)

500

Before irradiation 1200
After irradaition
1000
After sintering

800

400

600

300

400

200

200

100
0
350

12
10

450

550

Wavelength [nm]650

LTA:Ag(b)

Before irradiation
After irradiation
After sintering

8

0

120
100
80

6

60

4

40

2

20

0
350

450

550

650

Wavelength [nm]7500Intensity (After sintering) [a.u.]

反応及び骨格からの酸素脱離に伴う Ag+ の還Intensity (After sintering) [a.u.]

これらの銀クラスターは，加熱による水の酸化

Emission spectra in (a) FAU-Y:1Ag and (b)LTA:1Ag before and after X-ray irradiation andsintering.

Young Researcher Scholarship Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 79–82

600 nm の蛍光強度が増大した．既報に基づく

更なる高感度化を目指して，銀クラスター形と，FAU-Y:Ag 焼 結 体 に お け る 450–600 nm の成の始反応に着目した．銀クラスター形成はゼ

蛍 光 は Ag3

オライト骨格からの酸素解放時もしくは水和水

n+に（Grandjean et al., 2018），LTA:

Ag 焼結体における 500–650 nm の蛍光は Ag4n+の酸素への酸化反応時に生じる電子による Ag+に帰属されている（Altanyzis et al., 2016）．従っの還元が始反応であるため，加熱前の放射線照て，X 線照射によって FAU-Y:Ag 中に Ag3 が，射により予め Ag0 を形成しておくことで，加LTA:Ag 中に Ag4n+ が形成されることが示され熱中の銀クラスター形成が促進されると考えた．

た．そこで，X 線を 0.5 及び 1.0 Gy 照射した銀n+

LTA:Ag における 500–600 nm の蛍光強度変化

性 変 化 を 調 査 し た． 図 3 に FAU-Y:Ag 及 びの 銀 交 換 量 依 存 性 を 示 す． 図 2(a) を 見 る と

LTA:Ag における X 線照射後の加熱による蛍光FAU-Y:1Ag に お い て 0.1–1.0 Gy 照 射 時，FAU-

スペクトル変化を示す．線量増大に伴い，加熱

Y:0.5Ag で は 0.1–0.7 Gy 照 射 時， そ し て FAU-

後の FAU-Y:Ag 及び LTA:Ag においてそれぞれ

Y:0.1Ag では 0.1 Gy 照射時に蛍光強度の増大が450–600 及び 500–600 nm の蛍光強度が増大し観測された．これらの結果から，測定可能な線

た．この結果から，X 線照射による加熱時の量範囲が銀交換量に依存することが分かった．

FAU-Y:Ag 中 の Ag3n+ 形 成 及 び LTA:Ag 中 の

図 2(b) を 見 る と，LTA:1Ag 及 び 0.1Ag に お い

Ag4n+ 形 成 の 促 進 が 示 さ れ た． 図 4 に FAU-て 0.1–1.0 Gy 照射時に，LTA:0.5Ag においては

Y:Ag 及び LTA:Ag における蛍光強度変化の線

0.1–0.7 Gy 照射時に蛍光強度の増大が観測され量依存性を示す．線形近似式の傾きを加熱前後た．線形近似式の傾きを比較すると，0.1Ag <で比較すると，X 線照射後の加熱によって，FAU-

0.5Ag < 1.0Ag の順であり，銀交換量増大に伴

Y:Ag 及び LTA:Ag において X 感度がそれぞれ

う高感度化が示された．

約 100 倍及び 48 倍向上したことが分かった．

25000

y = 33297x
R2 = 0.8975

y = 47624x
R2 = 0.9651

20000
15000
10000
5000
0

0

2500

0.2

(b)

2000

0.4

0.6

Dose [Gy]0.8

1

LTA:Agy = 2076.7x
R2 = 0.9033

1Ag
0.5Ag
0.1Ag

1500
1000

y = 662.88x
R2 = 0.9163

500
0

0

0.2

0.4

0.6

Dose [Gy]0.81

y = 234.64x
R2 = 0.7004

Dose dependence of increase in emission intensityin (a) FAU-Y:Ag and (b) LTA:Ag.

2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
350

250

400

450

500

550

Wavelength [nm]LTA:Ag(b)

50

After heating, 1 Gy
After heating, 0.5 Gy 45
After heating, 0 Gy
40
Before heating, 1 Gy
35
Before heating, 0.5 Gy
Before heating, 0 Gy 30

600

650

25
20
15
10
5
0
700

150

14
After heating, 1 Gy
After heating, 0.5 Gy
12After heating, 0 Gy
Before heating, 1 Gy
Before heating, 0.5 Gy 10
Before heating, 0 Gy

100

6

200

Fig. 3– 81 –FAU-Y:Ag

(a)

8
4

50
0
350

2
450

550

650

Wavlenegth [nm]7500Intensity (Before heating) [a.u.]

30000

FAU-Y:Ag

1Ag
0.5Ag
0.1Ag

Intensity (After heating) [a.u.](a)Intensity (After heating) [a.u.]

Increase in emission intensity
at 500–600 nm [a.u.]

Fig. 235000

Intensity (Before heating) [a.u.]

交換ゼオライトについて，加熱前後での蛍光特

Increase in emission intensity
at 450–600 nm[a.u.]

図 2 に FAU-Y:Ag に お け る 450–600 nm 及 びEmission spectra with excitation wavelength of
310 nm in (a) FAU-Y: Ag and (b) LTA:Ag.

Fig. 4

FAU-Y:Ag

(a)

3000
2500

2000002000

y = 220185x
R2 = 0.9956

150000100000
90000
80000
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0

1000

After heating
Before heating

50000
0

1500

y = 2631.7x
R2 = 0.9253

1000000

0.5
Dose [Gy]

500
1

4000

y = 92879x
R2 = 0.8355

3500
2500

2000
y = 3361.3x2
R = 0.8652 1500
1000

After heating
Before heating
0.2

0.4
0.6
Dose [Gy]waste using natural and impregnated zeolite minerals,
Journal of Hazardous Materials, 172 (2009) 416–422.
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.07.033
Grandjean D., Coutiño-Gonzalez E., Cuong N.T., Fron E.,
Baekelant W., Aghakhani S., Schlexer P., D’Acapito F.,
Banerjee D., Roeffaers M.B.J., Nguyen M.T., Hofkens
J., Lievens P., Origin of the bright photoluminescenceof few-atom silver clusters confined in LTA zeolites,

3000

0

moval of cesium from low-level radioactive liquid

Science, 361 (2018) 686–690. 

LTA:Ag(b)0Young Researcher Scholarship Report

Borai E.H., Harjula R., malinen L., Paajanen A., Efficient re-

Increase in emission intensity
at450–600 nm (Before heating) [a.u.]

250000

0.8

500
1

0

Increase in emission intensity
at 500–600 nm (Before heating) [a.u.]

Increase in emission intensity
at 500–600 nm (After heating) [a.u.]

Increase in emission intensity
at 450–600 nm (After heating) [a.u.]

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 79–82

https://doi.org/10.1126/science.aaq1308
Liang J., Li J., Li X., Liu K., Wu L., Shan G., The sorption
behavior of CHA-type zeolite for removing radioactive
strontium from aqueous solutions, Separation and Purification Technology, 230 (2020) 115874. 
https://doi.org/10.1016/j.seppur.2019.115874
Mimura H., Selective decontamination and stable solidification of radioactive nuclides in high-activity-level-contaminated water, RADIOISOTOPES, 65 (2016) 451–

Dose dependence of increase in emission intensityin (a) FAU-Y:Ag and (b) LTA:Ag.

467. https://doi.org/10.3769/radioisotopes.65.451
文部科学省

科学技術・学術政策局

原子力安全課防災環境対策室， 放射能測定法シリーズ

放射性ストロンチウム分析法 ，2003．
https://www.kankyo-hoshano.go.jp/wp-content/

参考文献
Altantzis T., Coutino-Gonzalez E., Baekelant W., Martinez
G.T., Abakumov A.M., Tendeloo G.V., Roeffaers
M.B.J., Bals S., Hofkens J., Direct observation of luminescent silver clusters confined in faujasite zeolites,
ACS Nano, 10 (2016) 7604–7611. 

uploads/2020/12/No2.pdf
Yao D., Xu S., Wang Y., Li H., White-emitting phosphorswith high color-rendering index based on silver cluster-loaded zeolites and their application to near-UV
LED-based white LEDs, Materials Chemistry Frontiers,
3 (2019) 1080–1084. 
https://doi.org/10.1039/c9qm00050jhttps://doi.org/10.1021/acsnano.6b02834

外部発表成果2. 川本 弘樹，越水 正典，藤本 裕，浅井 圭介，
X 線照射による FAU-Y 及び LTA 型銀交換

口頭・ポスター発表

ゼオライトの蛍光特性変化 ，応用物理学会
極限的励起状態の形成と量子エネルギー変

1. 川本 弘樹，越水 正典，藤本 裕，浅井 圭介，換研究グループ 第四回研究会（および第 20

銀交換ゼオライトにおける X 線照射後の回次世代先端光科学研究会）（Beppu, Online,

加熱による蛍光中心形成 ，第 82 回応用物

Nov. 1–2, 2021）．

理学会秋季学術講演会（Online, Sept. 21–23,

https://annex.jsap.or.jp/radiation-luminescence/2021）．

k004.htm

https://confit.atlas.jp/guide/event/jsap2021a/
subject/21p-P01-17/advanced?eventCode=jsap2021a– 82 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 83–87 /https://doi.org/10.14356/hptf.20502

20502

層状複水酸化物作製のためのニューラルネットワークモデルを用いた連続晶析装置の開発
Development of Continuous Crystallizer for Layered Double
Hydroxide by Neural Network Model
援助対象者 Scholarship Student: 木村

太一

木村

太一

Taichi KIMURA

同志社大学大学院理工学研究科

博士課程後期 2 年

Graduate school of Science and Engineering, Doshisha University, PhD Student(D2)
E-mail: cyjf1702@mail4.doshisha.ac.jp
研究指導者 Academic Leader:

白川

善幸

Yoshiyuki SHIRAKAWA

教授，Professor
E-mail: yshiraka@mail.doshisha.ac.jp

抄録

海水資源の有効利用プロセスの一つとして，製塩工場から排出される濃縮海水中に溶存する Ca の回収法の開発が求められている．本研究では，テイラーボルテックス晶析装置を用いたハイドロカ
ルマイト（HC）の連続晶析によって，濃縮海水中の Ca を回収する手法を検討した．また，多層ニュー
ラルネットワークを用いた回帰モデルを構築することで，操作条件が生成する HC 粒子の粉体特性に与える影響を予測した．

ABSTRACTAs effective utilization of seawater resources, a development of the recovery method of Ca dissolved inconcentrated seawater discharged from the salt manufacturing process is desired. In this study, a recovery
method of Ca in the concentrated seawater by continuous crystallization of hydrocalumite (HC) using a
Taylor vortex crystallizer was investigated. Furthermore, effects of the operation parameters during thecontinuous crystallization on the powder properties of HC particles was predicted by constructing a regression
model using deep neural network.

– 83 –
Copyright © 2022 The Authors. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 83–87

成 果 の 概 要

Young Researcher Scholarship Report

合成に着目した．本稿では，物質移動の促進と規則的な濃度場を実現できるテイラーボルテッ

1．緒言

クス（TV）を用いて，HC の連続晶析を検討し日本の製塩プロセスでは，海水を電気透析おた．さらに，晶析時の実験条件が HC の粉体特

よび蒸発晶析により濃縮することで NaCl を製性である粒子径および Al 比に与える影響を予造 し て い る（Kimura T. et al., 2019）． ま た，

測するために，DNN モデルを構築し，その妥

NaCl の製造にともない排出される濃縮海水中

当性および予測性能を評価した．

には，Ca・Mg などの資源が高濃度に溶存しており，海水溶存資源の有効利用や環境負荷の軽2．実験および計算方法

減の観点から，これらの新規回収・高品位化法の 開 発 が 必 要 と さ れ て い る（Kimura T. et al.,2.1 HC の連続晶析
濃 度（C） が 0.10–1.0 mol/L の CaCl2 水 溶 液2020）．Ca・Mg の効果的な分離回収法として，

中に AlCl3 を添加した原料溶液，および濃度

溶液 pH を変化させることによる，水酸化物塩

1.0 mol/L の NaOH 水 溶 液 を TV 晶 析 装 置（ 徳として回収する手法が考えられる（Matsumoto

寿工作所製）に供給し，HC を反応晶析させた．

M. et al., 2020）．特に，二価の金属水酸化物中

原料溶液中の Al/Ca 比は 0.50 に設定し，TV 晶の二価の金属陽イオンが，三価の金属陽イオン

析 装 置 に お け る 内 筒 回 転 速 度（ω） は 500–に固溶置換し，陰イオンを担持した構造を有す

4000 min–1 の範囲で変化させた．原料溶液の供る層状複水酸化物（Layered Double Hydroxide;

給速度は 60 mL/min とし，晶析装置出口におけLDH）は，陰イオン交換能を有することから，る溶液 pH は 11.5 の一定に保った．晶析後，結医薬品や吸着材，触媒などとして利用されてお晶懸濁液を遠心分離機により固液分離し，蒸留り，粒子径や組成などの粉体特性を制御するこ

水で洗浄後 373 K で乾燥させた．固相生成物はとで，各用途における所望の効果が期待できる

XRD により同定した．また，SEM を用いて粒（Ishiba T. et al., 2020）．

子を観察し，画像解析ソフトにより作成した粒

しかし，粒子作製プロセスにおいて，粉体特子径分布から，個数平均径（D）を算出した．

性は実験条件に依存しており，その相関関係は

また，HC 粒子中の Al 比（x）は，HC 粒子を複雑であるため，得られる粉体特性にばらつき

希塩酸で溶解させた後の ICP 分析により，Ca2+が生じる．新規プロセスの開発や，プロセスのと Al3+ の濃度比から決定した．

最適化を実施するにあたり，これらのばらつき
複雑な相関関係を有するデータを解析する手法

2.2 DNN モデルの構築および評価
実験条件（C, ω）を説明変数，粉体特性（D, x）

として，多層ニューラルネットワーク（DNN）

を目的変数とした．DNN の最適化では，活性が着目されており，環境や農業，医療などの分化関数，中間層数（NH.L.），ニューロン数（NNeur.），野で研究が進められている（Aydin F., 2021）．

および学習回数（NL.T.）を変化させた．モデル

DNN は，機械学習モデルを構築する代表的な構築には，全 15 データからランダムに選択し手法の一つであり，モデル内におけるパラメー

た 10 データ（トレーニングデータ）を用い，タの調整により学習を行うことで，複雑な相関構築されたモデルの予測性能は，残りの 5 デー

関係を予測できる．

タ（テストデータ）により検討した．モデルのを含めた相関を明らかにしなければならない．

本研究では，Mg 回収後の濃縮海水からの Ca

妥当性は決定係数（R2），予測性能は予測係数回収法として，LDH 中の二価の金属陽イオン（Q2）により評価した．R2 および Q2 は，式（1），で あ る Ca2+ が， 三 価 の 金 属 陽 イ オ ン で あ る（2）により表され，1 に近いほど高い精度を示

Al に置換したハイドロカルマイト（HC）のす．

3+– 84 –

Young Researcher Scholarship Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 83–87ni = 1  y calc.  yi n2i = 1  y mean  yi 

0.60

2

i = 1  y ipred.  yi 
n

a)

(1)

i

0.40

2

Q2 = 1  n(1)D [µm]

R2 = 1 (2)

 y mean  yi  2
i= 1

C [mol/L]
0.10▲ 0.50
■ 1.0

0.20

●

ここで，yi，yicalc.，yipred. はそれぞれ i 番目における実測値，トレーニングデータでの計算値(2)およびテストデータでの予測値を示し，ymean

0
0.30

b)

は実測値の平均値を示す．また，比較として，最小二乗法（LSM）を用いたモデルについて

0.25

x [-]

も構築し，その妥当性および予測性能を評価した．

3．結果および考察

0.20
C [mol/L]
0.10▲ 0.50
■ 1.0
●

0.15

3.1 実験結果
原料溶液中の Al/Ca 比が 0.50，晶析中の装置

0.10

出 口 に お け る 溶 液 pH が 11.5 に お い て，C を
0.10–1.0 mol/L，ω を 500–4,000 min–1 の 範 囲 でFig. 1

変化させた結果，いずれの実験条件下において

0

1,000

2,000

ω [min-1]

3,000

4,000

Relationship between ω and a) D and b) x at
various C conditions.

も HC が得られた．図 1a) に C および ω を変化させた場合の D の変化を示す．C が一定の動が促進されたことにより，核化が生じる領域

条件下で，ω を変化させた場合，ω の増加にとの近傍における溶液 pH が，バルクの pH よりもない，D が減少する傾向がみられた．また，も高くなったことに起因すると考えられる．

ω が一定の条件下で，C を変化させた場合にお4,000 min–1 における D は 0.31 μm で，本実験下

3.2 計算結果
DNN モデルの構築において，活性化関数，
NH.L.，NNeur.，および NL.T. を変化させ R2 を比較

では最小になった．TV の導入は，物質移動をした．本研究では最適な DNN モデルとして活促進することが知られている．したがって，C性化関数を tanh 関数，NH.L. を 6 層，NNeur. を 6 個，および ω の増加にともなう D の減少は，C お

NL.T. を 1,500 回に設定した．図 2 に D の実測値

よび ω の増加にともない過飽和度が増加したと a) モデルによる計算値，および b) モデルにことに起因すると考えられる．

よる予測値の関係を示す．また，x の実測値といても，C の増加にともない，D が減少する傾向 が 見 ら れ，C が 1.0 mol/L お よ び ω が

各 C 条件下で ω を変化させた場合の HC 中

モデルによる計算値，およびモデルによる予測の x を図 1b) に示す．C に関わらず，ω の増加

値の関係を図 3a), b) にそれぞれ示す．比較とにともない x が減少する傾向がみられた．一般

して，LSM を用いて構築したモデルの結果もに HC 中の x は，溶液の pH と Ca および Al 水示す．

酸化物の溶解度の関係によって決定されること

図中の y = x の破線に近いほど，R2 および Q2から，pH の増加にともない x は減少すると考の値が 1 に近くなり，モデルの妥当性および予えられる．したがって，ω の増加にともなう x

測性能が高いことを示している．DNN を用いの減少は，ω の増加にともない OH の物質移て構築したモデルの R2 値および Q2 値を，LSM–– 85 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 83–87

Calculated x value [-]

0.40
0.35
0.30
0.25
0.45

Predicted D value [µm]

0.26

a)

DNN
● LSM
●

b)

0.40
0.35

0.25
0.25

DNN
● LSM
●

0.24
0.23

0.30

0.35

0.40

●

0.25
0.24
0.23
0.22
0.22

0.45

Fig. 3

Relationship between experimental value and a)
calculated, b) predicted value of D.

を用いて構築した場合の値と比較すると，D に
お い て R2 値 は 0.791 か ら 0.996 に 増 加 し，Q2
値は 0.549 から 0.894 に増加した．また，x においては，R2 値は 0.492 から 0.988 に増加し，

DNN
LSM

b)

●
●

Actual D value [µm]Fig. 2

0.25

0.22
0.26

0.30

a)

●

Predicted x value [-]Calculated D value [µm]0.45Young Researcher Scholarship Report

0.23

0.24

0.25

Actual x value [-]

DNN
LSM
0.26

Relationship between experimental value and a)
calculated, b) predicted value of x.

Ishiba T., Masaki S., Yoshida M., Matsumoto M., Shirakawa
Y., Synthesis of layered double hydroxides from de-K
bittern and their anion exchange properties, Journal ofChemical Engineering of Japan, 53 (2020) 585–591.
https://doi.org/10.1252/jcej.19we225
Kimura T., Masaoka K., Mineo H., Wada Y., Hiaki T., Matsu-

Q 値は –0.0264 から 0.958 に増加した．したがっ2

moto M., Removing sulfate ions from ED brine by re-て，DNN を用いて構築したモデルは，LSM を

active crystallization of calcium sulfate with adding

用いて構築したモデルに比べ，モデルの妥当性

calcium chloride, Bulletin of the Society of Sea Water

および予測性能が，D および x いずれの場合にScience, Japan, 73 (2019) 24–29. 

おいても高いことを示している．よって，LSM

https://doi.org/10.11457/swsj.73.1_24
Kimura T., Wada Y., Kamei S., Shirakawa Y., Hiaki T.,

によるモデル構築と比較して，DNN によるモデル構築により，実験条件と HC の粉体特性との相関を良好に予測できたと考えられる．

Matsumoto M., Synthesis of CaMg(CO3)2 from concentrated brine by CO2fine bubble injection and conversion to inorganic phosphor, Journal of Chemical Engineering of Japan, 53 (2020) 555–561. 

参考文献

https://doi.org/10.1252/jcej.20we034
Matsumoto M., Wada Y., Takashima Y., Kimura T., Kamei S.,

Aydin F., The investigation of the effect of particle size on

Masaoka K., Hiaki T., Controlling production regions

wear performance of AA7075/Al2O3 composites usingof Ca and Mg carbonates obtained by CO2 fine bubble

statistical analysis and different machine learning meth-injection into concentrated brine, Bulletin of the Soci-ods, Advanced Powder Technology, 32 (2021) 445–463.

ety of Sea Water Science, Japan, 74 (2020) 36–43.

https://doi.org/10.1016/j.apt.2020.12.024

https://doi.org/10.11457/swsj.74.1_36– 86 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 83–87

外部発表成果Young Researcher Scholarship Report

The 8th Asian Particle Technology Symposium(Osaka, Oct. 11–14, 2021).

口頭・ポスター発表

3. Fuji H., Kimura T., Yoshida M., Harada R.,
Tanimoto H., Shirakawa Y., “Synthesis of hydro-

1. 木村 太一，吉田 幹生，松本 真和，白川 善幸，

calumite particles using a Taylor vortex crystal-

製塩 ED 濃縮海水からのハイドロカルマイ

lizer and their anion exchange properties”, Theトの合成とそのリン酸イオン交換特性の評

8 th Asian Particle Technology Symposium

価 ， 化 学 工 学 会 第 86 年 会（Online, Mar.

(Osaka, Oct. 11–14, 2021).

20–22, 2021）．

4. 藤井 耀梨，木村 太一，吉田 幹生，原田 諒，

2. Kimura T., Yoshida M., Matsumoto M.,

谷本 秀斗，白川 善幸， 苦汁を原料とする

Shirakawa Y., “Relationship between operation

複合水酸化物の連続合成と陰イオン交換能

parameters and particle properties of hydrocalu-の検討 ，化学工学会関西大会 2021（Online,

mite synthesized from concentrated seawater”,

Dec. 14–15, 2021）．

– 87 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 88–91 /https://doi.org/10.14356/hptf.20503

20503

異形粒子の気相中ダイナミクスと肺内挙動の解析
Analysis of Non-spherical Particles Behavior in Gas Phase
援助対象者 Scholarship Student: 三谷亮介

Ryosuke MITANI

大阪府立大学（現大阪公立大学）大学院工学研究科

三谷亮介

博士課程後期 2 年
Graduate school of Engineering, Osaka Prefecture University (Currently: Osaka
Metropolitan University), PhD Student (D2)E-mail: rmitani@chemeng.osakafu-u.ac.jp
研究指導者 Academic Leader:綿野哲

Satoru WATANO

教授，Professor
E-mail: watano@chemeng.osakafu-u.ac.jp

抄録

肺に吸入される粒子は気流と共に肺内に侵入するため，肺吸入粒子が人体に及ぼす影響を調べるには，粒子がどのようなメカニズムで気流と共に肺内に到達するのかを解析する必要がある．しかしこれらの粒子の形状は球形とは異なり，形状によって流体抗力が異なることから，肺到達メカニズ
ムの解明が困難となっている．本研究では異形粒子の抗力モデルを用いて，数値シミュレーションから異形粒子の気相中における運動挙動を解析した．

ABSTRACTIn human respiratory system, ﬂuid behavior is complicated and drug particle behavior is unknown, since drug
particle shape is irregular and its drag force is different from sphere particle. In this study, behavior of
irregular shape particles in cascade impactor throat was analyzed by using DEM–CFD. Drag force model ofirregular shape particle was applied for DEM–CFD. Based on the numerical simulation, drag force model
suggested by Bagheri and Bonadonna agreed well with the experimental results. Also, it was found that many
particles remained at inlet of cascade impactor throat due to the recirculation vortex.

成 果 の 概 要

代表される高分子薬物などの人体に薬となる粒
子 [1],[2] と粉塵やアレルゲン，化学物質，環境

1. 目的

汚染物質などのような，人体に有害な粒子の 2

肺に吸入される粒子は大きく分けて，喘息の種類が存在する．いずれの粒子も呼吸によって治療に使用される吸入製剤や蛋白質製剤などに肺内に侵入するので，これらの粒子が人体に及– 88 –
Copyright © 2022 The Authors. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Young Researcher Scholarship Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 88–91

に乗って，肺に到達するかという気相中におけρ    ρu  0
t

る粒子のダイナミクスを理解する必要がある．

また本研究では粒子に働く流体抗力として

実際に肺内における粒子の運動を追跡することは困難であることから，数値シミュレーション[3]
Ganser(4) が 提 唱 し た モ デ ル ，Hölzer とSommerfeld が提唱したモデル [4] および Bagheriによる解析が近年，注目されている．しかし肺と Bonadonna が提唱したモデル [5] の 3 つのモに吸入される粒子は必ずしも球形ではなく，粒デルを比較して，その妥当性を検証した．

ぼす影響を調べるには，どのような粒子が気流子に働く抗力が球形と異なることから，従来の(4)3. 結果および考察

球形粒子の抗力モデルでは粒子の肺内における運動挙動の予測が困難となる．そこで本研究で気相中における粒子の運動挙動としてカス

は，異形粒子の抗力モデルを適用した数値シケードインパクターのスロート部における炭酸

ミュレーションを用いることで異形粒子の気相

カルシウム立方体粒子の運動挙動を解析した．

中におけるダイナミクスの解明を試みた．

3 つのモデルの妥当性を検証するために立方体
粒子のスロートにおける残留割合について実2. 数値シミュレーション手法

験 [6] とシミュレーションの結果を比較した．
図 1 にスロート部位での付着量とシミュレー

本数値シミュレーションには粒子の並進と回転の運動方程式（式（1）および（2））を解く
ことで粒子の運動を追跡する離散要素法

50

Ratio of residual particles [%]（DEM） を Navier–Stokes 式（ 式（3）） と 連 続の式（式（4））を解いて流体の運動を解く数値
流体力学（CFD）を連成させる DEM–CFD を用いて解析を行った．粒子 – 流体間の相互作用
は運動量の交換のみを行う，one-way で計算を
行った．
mp

l

d 2 xp
dt2

d ωp

(1)

 Fc  mp g  Vpp  Ff

T

dt
(1)

 ρu     ρuu  p  μ 2u  ρg  f i
t
(2)
(3)

0.005 s

30

20

10

0

(2)
(3)

40

Fig. 1(a)(b)

Velocity [m/s]0Fig. 22.75

4.5

Behavior of cuboid shape particles in cascade impactor throat.

– 89 –(d)Ratio of residual cuboid shape particles in cascade
impactor throat; (a) experimental result, (b) Bagheriand Bonadonna model (c) Ganser model and (d)Hölzer and Sommerfeld model.
0.10 s

0.040 s(c)Young Researcher Scholarship Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 88–91

(a)

(b)

Velocity [m/s]0.0
Fig. 3

Z-Fluid Drag Force Fdz [N]7.0(a) Velocity contour of ﬂuid and (b) velocity vector of ﬂuid at inlet in cascade impactor throat.

[×10-9]Fig. 4

3.5

度コンター図より，入口の壁面近傍の速度が中removal particle
residual particle

1

心に比べてはるかに小さいことが確認された．
また図 3(b) の速度ベクトル図に着目すると，その壁面近傍では渦の流れが確認され，これが0粒子の滞留に影響を与えることが考えられる．
粒子がこの渦の影響を受けているかを解析す

-1

0

0.001

0.002

0.003

time [s]0.004

るために，残留する粒子および放出される粒子

0.005の 2 つの粒子に着目して，その粒子の垂直方向

Fluid drag force on removal and residual particles
in cascade impactor throat. Red line was removal
particle and blue line was residual particle.

の流体抗力を算出した．図 4 に放出された粒子および残留した粒子の流体抗力を示す．この図より放出された粒子はあまり垂直方向の力を受けずにそのまま放出されたことが分かった．一

ションでのスロートでの残留量を示す．その結方で，残留した粒子は Z 方向の流体抗力を大果から本研究では粒子に働く抗力モデルとしきく受けており，これにより粒子は上下に運動て，Bagheri と Bonadonna の提唱したモデルがし，スロート内での滞留が生じることが確認さ

最も実験と一致することを確認した．以上よりれた．

以降の検討では Bagheri と Bonadonna が提唱した抗力モデルを用いて行った．

4. まとめ図 2 にスロート内における立方体粒子の運動

カスケードインパクターのスロート部におけ挙動のスナップショットを示す．この図から，る異形粒子の運動挙動において，3 つの抗力モ

粒子は初期において広がりながらスロート内をデルを用いて実験と比較し，その妥当性を検証

拡散していき，屈曲部に侵入した粒子は速い速した．その結果，Bagheri と Bonadonna が提唱

度で屈曲部を通過することを確認した．また，した抗力モデルが最も実験と一致することを確

この時，入口近傍において粒子が最も滞留して認した．また，スロート内の粒子はスロート内いることを確認した．この現象を解析するための渦の流れに従って，残留することを確認した．

に，入口近傍における流体挙動を解析した．図
3 にスロート内の流体速度コンター図および入口近傍の速度ベクトル図を示す．図 3(a) の速– 90 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 88–91

参考文献
[1]

gy, 77 (1993) 143–152. 
https://doi.org/10.1016/0032-5910(93)80051-B[4]

Sanders M., Inhalation therapy: an historical review,https://doi.org/10.3132/pcrj.2007.00017

Powder Technology, 184 (2008) 361–365. 

Laube B.L., Janssens H.M., de Jongh F.H.C., Devada-

https://doi.org/10.1016/j.powtec.2007.08.021[5]son S.G., Dhand R., Diot P., Everard M.L., Horvath I.,

Bagheri G., Bonadonna C., On the drag of freely falling
non-spherical particles, Powder Technology, 301 (2016)

Navalesi P., Voshaar T., Chrystyn H., What the pulmo-

526–544. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2016.06.015

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therapies, European Respiratory Journal, 37 (2011)[3]

Hölzer A., Sommerfeld M., New simple correlation formula for the drag coefficient of non-spherical particles,

Primary Care Respiratory Journal, 16 (2007) 71–81.
[2]Young Researcher Scholarship Report[6]

Hassan M.S., Lau R., Effect of particle formulation on

1308–1417. 

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10 (2009) 1252–1262. Ganser G.H., A rational approach to drag prediction of

https://doi.org/10.1208/s12249-009-9313-3

spherical and nonspherical particles, Powder Technolo-

外部発表成果S., “Precursor Dependence of Formation of FeS2
films via Electro-spraying and Sulfuration

口頭・ポスター発表

Annealing”, The 8th Asia Particle Technology
Symposium APT 2021 (Osaka, Japan, Oct.11–

1. 三谷 亮介，大崎 修司，仲村 英也，綿野 哲，

14, 2021).

円筒パイプ内における異形粒子の運動挙動

3. 三谷 亮介，大崎 修司，仲村 英也，綿野 哲，に及ぼす粒子形状の影響の解析 ，化学工学

カスケードインパクターを用いた異形粒子会第 86 年会（Online, Mar. 2021）．

の沈着現象の解析 ，化学工学会第 87 年会

2. Mitani R., Ohsaki S., Nakamura H. and Watano– 91 –（Kobe, Mar. 2022）．

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 92–96 /https://doi.org/10.14356/hptf.20504

20504

粉体シミュレーションの産業応用に関する研究
Industrial Application of Numerical Simulation for
the Granular Flow
援助対象者 Scholarship Student: 森

勇稀森Yuki MORI

東京大学大学院工学系研究科

勇稀

博士後期課程 3 年

School of engineering, the University of Tokyo, PhD Student (D3)E-mail: yuki_mori@dem.t.u-tokyo.ac.jp
研究指導者 Academic Leader:酒井幹夫

Mikio SAKAI

准教授，Associate Professor
E-mail: mikio_sakai@n.t.u-tokyo.ac.jp

抄録

混合などの粉体プロセスにおけるメカニズム解明のため，粒子の詳細な挙動を把握することができるシミュレーションの応用が期待されている．粉体シミュレーションを産業用装置に応用するには，
複雑壁面の存在する体系において粒子の非球形性を考慮した解析を行うことが課題となっていた．
本研究では符号付距離関数による壁面モデルを非球形粒子に応用することで，非球形粒子を用いた任意形状壁面を持つ体系の数値解析を行った．

ABSTRACT
In order to reveal the mechanism of powder processes, the application of numerical simulation is required
because it can provide a detailed information of particle behavior. To apply numerical simulation to industrial
systems, it is essential to take into account the non-sphericity of the particles and the complex wall boundary.
In this study, we developed a new numerical simulation method for the system with arbitrarily shaped
boundaries and non-spherical particles by applying the wall model based on the signed distance function to
non-spherical particles.

成 果 の 概 要

める．粉体混合においては，実験中の内部状態を把握することは非常に困難なため，数値解析

1．序論の応用が研究されている．粉体の数値解析には粉体を扱うプロセスの中でも，粉体混合プロ

離散要素法（Cundall and Strack, 1979）（Discrete

セスは製品製造において非常に重要な位置を占Element Method，以下 DEM と記す）が広く用– 92 –
Copyright © 2022 The Authors. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 92–96

Young Researcher Scholarship Report

い ら れ て い る．DEM は 粒 子 を 追 跡 す る法における接触点計算の詳細な図を図 1 に示

Lagrange 的手法であり，様々な体系で妥当性がす．ψi，ψj はそれぞれ楕円粒子の形状を示す関確認されている（Mori and Sakai, 2021; Tsugeno

数である．ci = (x1, y1, z1) は粒子 j 上かつ粒子 i

et al., 2021）．しかし，産業プロセスで実際に扱に最も深く埋まっている点であり，以下の最小

われる粉体の形状は非球形であるのに対して，化問題の解として計算される．

DEM では非球形粒子の数値解析が非常に困難

minimize: ψ i  x , such that: ψ j  x  0

なため，数値解析では粒子形状を球形に近似し(3)て解析を行うことがほとんどであった．粉体混

本研究では，壁面モデルに SDF を用いた．

合を非球形粒子によって解析した例はほとんど

SDF(3) は壁面からの距離に壁面の内外によって存 在 せ ず， 数 少 な い 先 行 研 究（Ma and Zhao,

符号がつけられた関数であり，

2017）も混合機形状を非常に単純化した体系で

  x  s  x d  x

数値解析が行われており，産業用混合機のよう(4)な複雑形状壁面を伴う体系での非球形粒子によs(x) および d(x) は，のように定義される．ここで，る数値解析の応用は行われていなかった．近年，それぞれ，壁面の中であれば負，外であれば正(4)

符号付距離関数（Signed Distance Function，以となる符号関数および壁面との最小距離であ下 SDF と 記 す ） を 用 い た 壁 面 形 状 モ デ ル

る．SDF は壁面形状を示すポテンシャル関数（Shigeto and Sakai, 2013）が開発され，DEM にであるとみなせるため，粒子−粒子間の接触判

おいて任意形状の壁面を効率的にモデル化する

定アルゴリズムと同様にポテンシャル法を用いことが可能になった．そこで本研究では，符号ることができる．粒子−壁面間の接触判定は以付距離関数を用いた壁面形状モデルを楕円粒子下の最小化問題を解くことによって行われる．

による数値解析と組み合わせることにより，こminimize:   x , such that: ψ  x  0

れまで解析が非常に困難だった，複雑な壁面を(5)持つ混合機の一つであるリボンミキサーにおける非球形粒子の混合シミュレーションを初めて(5)行い，粒子形状が混合度に与える影響の評価を行った．
ψi(x,y,z)=02．数値解析手法

ψj(x,y,z)=0

Pi

本研究では，楕円体粒子を用いた DEM により数値解析を行った．支配方程式は並進および回転運動に対する運動方程式で，

dv
m
dt

Ci
Cj

 F  mg

(1)

Pj

δ

d  Iω
T
(2)
dt
(1)
である．ここで，m，v，t，F，g，I，ω，T は，それぞれ，粒子質量，速度，時間，接触力，重(2)
力加速度，慣性テンソル，回転速度およびトル
クである．本研究では粒子間接触力を Potential
法（Ting, 1992） に よ っ て 計 算 し た．Potential

Fig. 1 The illustration of contact detection in the potential
algorithm between particles. Reprinted withpermission from Ref. (Mori and Sakai, 2022) under
the terms of the CC-BY 4.0 license. Copyright:(2022) The Authors, published by Elsevier V.B.

– 93 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 92–96

Young Researcher Scholarship Report

数値解析結果の混合度を定量的に評価するた

m3，0.9 お よ び 0.3 と し た． バ ネ 定 数 はめ，本研究では Lacey index（Lacey, 2007）を用

10,000 N/m とした．粒子形状は各軸方向の半径

いた．Lacey index M は

比が 3 : 1 : 1（長球），2 : 1 : 1（長球），1 : 1 : 1（球），2 : 2 : 1（扁球），および 3 : 3 : 1（扁球）とした

σ2 σ2M  02σ 0  σ r2(6)

三種類の粒子を用いた．球形粒子の粒子径はのように定義される．ここで σ0 ，σ ，σr は，積を持つように粒子径を設定した．粒子数はそれぞれ，完全分離した状態での分散，評価時(6)点での分散および完全に混合された状態での分

70,000 とした．

2

2

2

3.6 mm であり，楕円粒子は球形粒子と同じ体

4．数値解析結果

散である．本研究では Lacey index の解析に使

図 3 に数値解析結果のスナップショットを示用するセルサイズを粒子等価直径の 4 倍とした．

す．粒子は初期状態において回転軸の左右で色分けしている．複雑な形状を持つミキサーのブ

3．計算条件レードを符号付距離関数によって正確にモデル

本研究では 250 mm × 135 mm × 130 mm の
リボンミキサーを使用した（図 2）．ミキサー

化でき，粉体の混合が進む様子を数値解析に
よって明らかにすることができた．

の回転速度は 40 RPM であり，粒子の密度，反次 に， 混 合 度 の 定 量 的 な 評 価 を 行 っ た．

発係数および摩擦係数は，それぞれ，2,500 kg/

Lacey index の時間変化を図 4 に示す．10.0 s に(a) Schematic diagram and initial position(b) Scalar field of the SDF

Fig. 2

Schematic diagram of ribbon mixer. Reprinted with permission from Ref. (Mori and Sakai, 2022) under the termsof the CC-BY 4.0 license. Copyright: (2022) The Authors, published by Elsevier V.B.

– 94 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 92–96

Particle shape

Fig. 3Young Researcher Scholarship Report

Numerical simulation result

Snapshot of numerical simulation. Reprinted with permission from Ref. (Mori and Sakai, 2022) under the terms of
the CC-BY 4.0 license. Copyright: (2022) The Authors, published by Elsevier V.B.

おける Lacey index を評価したところ，球粒子（Case 3）の Lacey index が長球および扁球粒子

5．結論に比べてわずかに高いことが分かった．このこ

本研究では SDF による壁面モデルを非球形とから，非球形粒子を用いた混合では球粒子を粒子の数値解析に適用することで，複雑形状壁

使用した場合と比較してわずかに混合が進行し面を伴うリボンミキサーにおいて粒子形状が混にくいということが分かった．

合度に与える影響の評価を数値解析によって初– 95 –

Mixing index [-]Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 92–96

1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.0

Young Researcher Scholarship Reporthttps://doi.org/10.1002/jctb.5010040504
Ma H., Zhao Y., Modelling of the flow of ellipsoidal particles
in a horizontal rotating drum based on DEM simulation, Chemical Engineering Science, 172 (2017) 636–
651. https://doi.org/10.1016/j.ces.2017.07.017
Mori Y., Sakai M., Development of a robust Eulerian–Lagrangian model for the simulation of an industrial solid–fluid system, Chemical Engineering Journal, 406(2021) 126841. 
2.0

4.0

6.0

Time [s]Fig. 48.0

10.0

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126841
Mori Y., Sakai M., Advanced DEM simulation on powder
mixing for ellipsoidal particles in an industrial mixer,

Mixing index.

Chemical Engineering Journal, 429 (2022) 132415.

めて行った．その結果，粒子形状による混合度の差異は僅かであるが，球形粒子と比較して非

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132415
Shigeto Y., Sakai M., Arbitrary-shaped wall boundary modeling based on signed distance functions for granular flow

球形粒子の混合が進行しにくいということが分

simulations, Chemical Engineering Journal, 231 (2013)
464–476. https://doi.org/10.1016/j.cej.2013.07.073

かった．

Ting J.M., A robust algorithm for ellipse-based discrete element modelling of granular materials, Computers and

参考文献

Geotechnics, 13 (1992) 175–186. 
https://doi.org/10.1016/0266-352X(92)90003-C

Cundall P.A., Strack O.D.L., A discrete numerical model for

Tsugeno Y., Sakai M., Yamazaki S., Nishinomiya T., DEM

granular assemblies, Géotechnique, 29 (1979) 47–65.

simulation for optimal design of powder mixing in a

https://doi.org/10.1680/geot.1979.29.1.47
Lacey P.M.C., Developments in the theory of particle mixing,
Journal of Applied Chemistry, 4 (1954) 257–268.

ribbon mixer, Advanced Powder Technology, 32 (2021)
1735–1749. https://doi.org/10.1016/j.apt.2021.03.026

外部発表成果

口頭発表

論文発表

1. 森 勇稀，酒井 幹夫， 非球形粒子を対象とした粉末金型充填における気流の影響 ，化

1. 森 勇稀，酒井 幹夫，セラミックス粉体成形学 工 学 会 第 52 回 秋 季 大 会，（Online, Sept.
22–24, 2021），VI124．

加工プロセスのサイバーフィジカルシステ
ム構築に向けた粉体シミュレーション技術，
セラミックス，56 (2021) 694–699.

2. Mori Y., Sakai M., “Development and applicationof the FELMI for the simulation of industrial

2. Mori Y., Sakai M., Advanced DEM simulation

powder systems”, 8th Asian Particle Technology

on powder mixing for ellipsoidal particles in an

Symposium APT2021, (Online, Oct. 11–14,

industrial mixer, Chemical Engineering Journal,2021), 2[HC]03.

429 (2022) 132415. 
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132415– 96 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 97–100 /https://doi.org/10.14356/hptf.20505

20505

全固体電池への応用に向けた付着性粒子の塑性圧縮理論の構築
The Effect of Particle Cohesiveness and Plastic Deformabilityon the Powder Compression Process
援助対象者 Scholarship Student: 矢野

武尊

Takeru YANO

大阪府立大学（現大阪公立大学）大学院工学研究科

矢野

武尊

博士後期課程 1 年

Graduate school of Engineering, Osaka Prefecture University (Currently: Osaka
Metropolitan University), Ph.D. Student (D1)E-mail: takeru.yano@omu.ac.jp
研究指導者 Academic Leader:綿野哲

Satoru WATANO

教授，Professor
E-mail: watano@omu.ac.jp

抄録エネルギー問題への関心が高まる中，次世代型車載用バッテリーとして全固体電池が盛んに研究されている．本研究では，全固体電池の製造プロセスの一つである粉体圧縮について数値計算による解析を行った．電池材料の特徴的な粉体特性である塑性変形性の影響を検討したところ，いずれの塑性変形条件においても小粒子添加により高密度化すること，異種材料の添加効果が空隙率において顕著にみられることが明らかとなった．

ABSTRACT
All-solid-state lithium-ion batteries are expected as next-generation batteries for electric vehicles due to highenergy densities and high safety. Approaches to a further improvement of energy densities include theanalysis of electrode structure. In this study, DEM simulations were performed to calculate under compression
process. The effect of the particle size ratio and plasticity ratio on the packing property was investigated.

成 果 の 概 要の有機電解液を用いるリチウムイオン電池は液漏れや発火が危惧されており，有機電解液の代

1．緒言

わりに不燃性の無機固体電解質を用いた全固体

近年，エネルギー問題や環境問題の観点からリチウムイオン電池が世界中で注目されていガソリン・ディーゼル車に代わり，電気自動車

る．全固体電池は，すべての電池材料が粉体で．しかし，従来構成された電池であるため液漏れの危険性がなの開発が盛んに行われている[1]– 97 –
Copyright © 2022 The Authors. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 97–100

Young Researcher Scholarship Report

い代わりに，粒子間の接触が良好に形成しにく

Table 1 Conditions of Compression Simulation.

く従来の液系に比べて容量が低いことが問題とParticle size ratio

̶

1, 4

なっている．そこで，本研究では粉体工学の知

Total particle volume

mm3

0.201

見を活かした全固体電池の高容量化を目指す．

The inner diameter of the cylinder

mm

0.9

電池材料の特徴的な粉体物性として，微粉体でCylinder volume

mm3

0.636

Diameter of coarse particleμm

50Particle density

g/cm3

4.750

Poisson’s ratio

̶

0.25

Young’s modulus

GPa

71

あることに由来する付着性と硫化物系固体電解
質の高い塑性変形性が挙げられる．しかし，これらの粉体特性は計算負荷が高いことや系が複雑となるために，これらの粉体特性が圧縮成型体の構造に与える影響について十分に検討されていないのが現状である．そこで，本研究では粒子情報が保存される離散要素法を用いて粒子（粒径比 1）とした．粒子数は全ての条件におの塑性変形性と粒度分布を変化させた場合の粉いて粒径比 4，小粒子体積混合分率 0.5 のとき

体圧縮シミュレーションを行い，圧縮成型後の10 万個となる粒子体積と等しくなるように設成型体構造を評価した．

定した．粒子物性には代表的な正極活物質である NCM（LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2）の値 [3] を用い，

2．計算方法

ヤング率は計算負荷を低減させるために値を半離散要素法（Discrete Element Method;

減させた．ナノインデンテーション試験によるDEM）
数 値 解 析 に は 離 散 要 素 法（Discrete Element

報告例 [3],[4] より塑性変形性 λp を算出したとこ

Method; DEM）を用いた．DEM は，ニュート

化 物 系 固 体 電 解 質 で あ る Li3PS4 は λp = 0.7[5]ンの運動方程式に基づいて粒子の運動挙動を微だった．そこで，小粒子添加条件では粒子の塑

小時間刻みで逐次的に求める計算手法である．

性変形性を λp = 0，0.38，0.7 とし，弾塑性混合

DEM 計 算 に は 市 販 の ソ フ ト ウ ェ ア で あ る

粉体では弾性粒子を λp = 0.38，塑性粒子を λp =EDEM 2019（Altair 社）を使用した．接触モデ

0.7 とした．

2.1

ろ，正極活物質である NCM は λp = 0.38[4]，硫

ルには付着性粒子の弾塑性変形挙動を計算する

まず，容器上部に粒子ファクトリーを設定し，ことが可能な接触モデルである Edinburgh Elasto-

ファクトリー内部にてランダムに粒子を生成さ

Plastic Adhesion モデル（EEPA モデル）を用いせて自然充填させた．その後，上杵を移動速度た ．EEPA モデルでは粒子間に働く法線接触力

25 mm/s で降下させ，粉体層を圧縮した．上杵は初期加重の式，塑性変形に基づく式，付着力

圧力が 400 MPa に達した位置で 0.02 s キープしの式の 3 つの式で表現され，条件により働く接た．その後，上杵上昇速度 25 mm/s で除荷を行

触力を決定することで弾塑性変形を表現する．

い，粉体層が安定したところを評価した．充填[2]構造評価には粉体層の直径および高さの 0.8 倍

2.2 計算条件
本研究では，異なる塑性変形性を有する粉体の円筒で表される判定領域内部における空隙率への小粒子添加効果と弾塑性混合粉体について

域内に中心がある粒子の総体積を判定領域体積検討を行った．シミュレーション条件を表 1 にで割った値である．

を EDEM Analyst により評価した．空隙率は領示す．ここで，粒径比は小粒子粗大粒子の粒径
dc を微小粒子 df で割った値であり，小粒子添3．結果と考察

加効果について粒径比 1，4 を検討し，弾塑性

3.1 小粒子添加効果
数値計算により得られた成型体のスナップ混合粉体では弾性粒子と塑性粒子は同じ粒子径– 98 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 97–100

(a)Fig. 1(b)Young Researcher Scholarship Report(c)Snapshots of compacts under the different conditions. (a) dc/df = 1 and λp = 0, (b) dc/df = 1 and λp = 0.38, (c) dc/df= 4 and λp = 0.38. Gray and purple particles are coarse and fine particles, respectively.
0.5

忠実な大粒子が空隙を有する小粒子群に置換さλp = 0λp = 0.38
λp = 0.70

れるため，体積混合割合 0.3 以上では空隙率が増加する．塑性変形性が高い粉体（λp = 0.7）

Void fraction [-]0.4の場合，小粒子体積混合割合 0.5 で最も低い空隙率を示した．これは空隙を有する小粒子群が塑性変形によって十分緻密な構造を示すからだ

0.3と考えられる．

3.2 弾塑性混合粉体
数値計算により得られた成型体のスナップ

0.2

ショットを図 3 に示す．ここで，弾性粒子を赤
0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

色，塑性粒子を青色で示しており，VH，VS は0.5

Mixing ratio of fine particles [-]Fig. 2それぞれ弾性粒子と塑性粒子の体積混合割合でRelationship between the mixing ratio of fineparticles and void fraction.

ある．塑性粒子の増加に伴い，粉体が緻密化してることが見て取れる．塑性変形性の異なる粉体の混合物を圧縮して得られた空隙率の変化をショットを図 1 に示す．ここで，大粒子，小粒

図 4 に示す．VH が増加すると，下に凸の挙動で高子をそれぞれ灰色，紫色で示している．塑性変

密度化していることがわかる．特に VH = 0–0.25

形性を考慮することで高密度化すること，小粒

では，ほかの範囲に比べて空隙率が大きく低下

子添加によってさらに緻密化していることがわしており，塑性粒子を少量添加するだけで成形

かる．得られた小粒子体積混合割合と空隙率の体の構造に大きく影響を与えることがわかる．

関係を図 2 に示す．弾性条件において，小粒子4．結言を添加することで大粒子間隙に小粒子が入り込
み高密度化する．さらに小粒子が増加すると，
VH:VS = 100:0

Fig. 3

VH:VS = 75:25

離散要素法による粉体圧縮シミュレーション

VH:VS = 50:50

VH:VS = 25:75

VH:VS = 0:100

Snapshots of compacts under the different conditions of mixing ratio. Red and blue particles are elastic and plastic
particles, respectively.

– 99 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 97–100

0.40

Young Researcher Scholarship Reportに，伝導率の影響を加味して適切な混合割合を検討する．

Void fraction [-]

参考文献
[1]

0.35

Zhao Q., Stalin S., Zhao C.-Z., Archer L.A., Designingsolid-state electrolytes for safe, energy-dense batteries,
Nature Reviews Materials, 5 (2020) 229–252. 
https://doi.org/10.1038/s41578-019-0165-5[2]Morrissey J.P., Thakur S.C., Ooi J., EDEM contact
model: adhesive elasto-plastic model, Granul Matter, 16

0.30(2014) 383–400. 
https://doi.org/10.1007/s10035-014-0506-4
0Fig. 4

0.2

0.4

0.6

0.8

[3]

1.0

Sangrós Giménez C., Finke B., Schilde C., Froböse L.,

Mixing Ratio of Hard Particles, VH[-]

Kwade A., Numerical simulation of the behavior of

Relationship between the mixing ratio of plastic
particles and void fraction.

process via the discrete element method, Powder Tech-を行い，異なる塑性変形性を有する粉体への小lithium-ion battery electrodes during the calendaring
nology, 349 (2019) 1–11. 
https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.03.020[4]J., Sakamoto J., Mechanical and physical properties of

粒子添加効果および弾塑性混合粉体の混合割合

LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2 (NMC), Journal of theの影響を検討した．まず，小粒子添加効果につEuropean Ceramic Society, 37 (2017) 3213–3217. 

いて，いずれの塑性変形条件においても小粒子
添加によって高密度化することが明らかとなっ

Cheng E.J., Hong K., Taylor N.J., Choe H., Wolfenstine

https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.03.048[5]Baranowski L.L., Heveran C.M., Ferguson V.L., Stoldt
C.R., Multi-scale mechanical behavior of the Li3PS4

た．弾塑性混合粉体では，異種材料を添加した

solid-phase electrolyte, ACS Applied Materials &際の影響は空隙率において顕著にみられることInterfaces, 8 (2016) 29573–29579. がわかった．今後は全固体電池へ適用するため

https://doi.org/10.1021/acsami.6b06612

外部発表成果“Numerical analysis of compression properties
of elasto-plastic cohesive particles for all solid-

論文発表

state batteries”, The 8th Asian Particle Technology

Yano T., Ohsaki S., Nakamura H., Watano S.,
Numerical study on compression processes ofSymposium (Poster, Oct. 11–14, 2021).
矢野 武尊， 付着性粉体の弾塑性圧縮挙動の数
値解析 ，2021 年度粉体操作に伴う諸現象

cohesive bimodal particles and their packing

に関する勉強会，一般社団法人粉体工学会

structure, Adv. Powder Technol., 32 (2021)
1362–1368.

（口頭発表，Aug. 5–6, 2021）．
矢野 武尊，大崎 修司，仲村 英也，綿野 哲， 微

https://doi.org/10.1016/j.apt.2021.02.040

粉体の圧縮プロセスにおける弾塑性変形挙動の解析 ，化学工学会第 52 回秋季大会，

口頭・ポスター発表

化学工学会（口頭発表，プレゼンテーショ

Yano T., Ohsaki S., Nakamura N., Watano S.,– 100 –

ン賞受賞，Sept. 22–24, 2021）．

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 101–105 /https://doi.org/10.14356/hptf.20506

20506

濡れた粉体系の力学的応答・特性の微視的解明
Microscopic Investigation on Mechanical Response of
Wet Granular Materials
援助対象者 Scholarship Student: 吉井

究

Kiwamu YOSHII大阪大学大学院基礎工学研究科

吉井

究

博士後期課程 2 年

Graduate School of Engineering Science, Osaka University, PhD Student (D2)E-mail: k_yoshii@fm.me.es.osaka-u.ac.jp
研究指導者 Academic Leader:

大槻道夫

Michio OTSUKI

准教授，Associate Professor
E-mail: m.otsuki.es@osaka-u.ac.jp

抄録

濡れた粉体のレオロジー特性を離散要素法により調べた．濡れた系の剛性率・圧力は乾いた系の転移点より低い充填率でも有限の値を示すことを確認した．また圧力に関しては，乾いた粉体系の理論を拡張した近似式とシミュレーションの結果が定量的に一致することを示した．一方で，乾いた系と濡れた系で二体分布関数の振る舞いが異なることを確認した．

ABSTRACT
We numerically investigate the rheological property of wet granular materials. We show that wet granularmaterials behave like solids even below the jamming point of dry grains. For the pressure, the extended
theory of dry granular materials and the simulation are in good agreement. On the other hand, it is confirmedthat the behavior of the pair correlation distribution function was different between the dry and wet granularmaterials.

成 果 の 概 要には剛性が発生し系は固体的に振る舞うジャミ
ング転移を示す [1],[2]．特に，粒子間に接触によ

1．研究背景る反発相互作用だけが働く乾いた粉体系の転移

粉体は，熱揺らぎがその重心運動に影響を及

点近傍の振る舞いについては，多くのことが明ぼさないマクロな粒子多体系である．このようらかになっている．例えば，粒子間摩擦がないな粒子系は，充填率が転移点 ϕJ 以下の場合に場合，ジャミング密度近傍で接触点数 Z，圧力は系は流体的に振る舞う一方，ϕJ 以上の場合

P，剛性率 G が充填率 ϕ に依存し，– 101 –
Copyright © 2022 The Authors. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Young Researcher Scholarship Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 101–105

cap

力 Fij は，Z  Z c   J 1/2 ,
ΔP   J  ,Δ 1/2G   J (1)2πγS Dij cos θ[23]  2πγS Dij cos θFijcap 
2
1  1.05sˆij  2.5sˆijという臨界スケーリングが知られている [3]．こ
0
(1)
こで，Z
c はジャミング転移点での接触点数，ΔΔ ij  0 ,d C  Δ ij  0 ,(2)otherwise

は粒子間接触力を特徴付ける指数で，2 次元円と表される [7]．ここで Dij = 2didj/(di + dj)，ŝij =盤なら Δ = 1，3 次元球なら Δ = 3/2 となる．

1/2
sij(D
(2)ijVb) ，sij = –Δij とした．また θ は液体架橋

ところが，現実の粉体は濡れを伴う場合が多と粒子表面との接触角，γS は表面張力係数，dC

く，そのような系で乾いた粉体の挙動がそのまは液体架橋の破断する距離，Vb は粒子間に含ま観測されるかは不明である．実際，粉体は少まれている水分量とした．また履歴の引力に関量の水を加えるだけで，そのレオロジーが大きしては，粒子同士が十分に離れて接触していなく変化することが知られている

い時は，粒子間に液体架橋が形成されず Fij =0 とする．その状態から粒子間距離が狭まり，[4]．これは粒子

間に入り込んだ液体が表面張力によって架橋を形成し，実行的な引力相互作用を与えるためで

cap．従来の粉体の研究では，そのようなΔij ≥ 0 となって粒子同士が接触すると液体が粒[23]子間に架橋を形成し，–dC > Δij となって架橋が濡れによる引力がレオロジー特性にどのような再び切れるまで Fij は式（2）で与えられる．

影響を与えるかはほとんど調べられていない．

図 1 に Fij と Fij の和の振る舞いを示した．
したがって，粒子 i の運動方程式は
[23]

ある

[5],[6]

そこで本研究では，濡れによる依存した引力を取り入れた粒子を一定体積容器中に封入しせん

cap

n,el

断を加えるシミュレーションを行い，そのレオmi

ロジー特性を調べた．

cap

[23]
d 2[28]ri Fijn,tot nij
2
dt
j i

(3)

と書ける．ここで mi は粒子の質量である．

2．研究手法
本研究では，濡れた摩擦のない 3 次元粉体粒系の初期状態は，目標の充填率より低い充填(3)率 ϕini = 0.450 のランダムな配置を用意した．そ子の離散要素法によるシミュレーションを行っの後，系の充填率を Δϕ ずつ段階的に増加させ，た．N = 3000 個の単分散の粒子を長さ L，体積各段階で力学的に安定な状態に緩和させ，目標

V の立方体に充填率 ϕ で封入した．各々の粒子の充填率まで系を圧縮する [8]．粉体温度を Tの質量密度は一定とした．

≡ (∑imi|vi|2/3)/N として，T < Tth を満たしたとき
n,tot

を力学的安定状態と定義した．ここで，Δϕ =粒子 i, j 間の法線方向の力 Fij は，反発によcapnる 力 Fij と 濡 れ に よ る 引 力 Fij に よ っ て

0.00005，Tth  10 8 k n d 02 と し た． ま た Lees-

Fijn  Fijcap と与えられる． Fijn は弾性の寄

Edwards 境界条件と SLLOD 法を用いることで，

Fijn,tot


[21]





n,el
n,dissη n v ij  nij
与 Fij  k n δij と 粘 性 の 寄 与 Fij[23][22] n,elFijn (Fij  Fijn,diss )Θ Δ ij と表される．ここ
から
[22]
n
n

 

[29]
Fijn,el + Fijcap

で，法線方向の弾性定数を k ，粘性係数を η
[25]
[26]
[24]
として nij = rij/|rij|，rij ≡ ri – rj，rij = |rij|，Δij = dij[27]– rij，dij ≡ (di + dj)/2，vij ≡ (vi – vj)nij と し た．

dc

ri，vi，di は粒子 i の位置，速度，直径である．
Θ(x) は，ヘヴィサイドの階段関数であり，x ≥− 2πγsDij cos θ

0 で Θ(x) = 1，それ以外の時は，Θ(x) = 0 をとる．
液体架橋が形成されている場合の濡れによる引

Δ ij

Fig. 1– 102 –

Interparticle interactions of wet particles.

Young Researcher Scholarship Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 101–105

せん断速度 γ tで特徴づけられる一様せん断状の剛性率と圧力の充填率の依存性を示した．ま態を実現する ．せん断は周期的なものを用い，た，せん断応力 S，圧力 P は以下の式[9]γ(t) = γ0{cos θ0 – cos(θ0 + ωt)} と し た． こ こ で[30]
γ0，θ0，ω は各々歪み振幅，初期位相，角周波1S t 
 3  rij, x Fij, y  rij, y Fij, x  ,2L i i  j

数であり，θ0 = π/2 とした．また，シミュレーショ
ンに用いたパラメタは θ = π/9，γS = 3.0×10–2 kn，P

7.5  10d 03 , ω = 0.0001(m/(4)

dc = 5.0 × 10 d0，V
b
–6

n 1/2

k)

と設定した．

また，粒子の時間発展は，位置をアダムス・[31]
モルトン法の 2 段法，速度をアダムス・バッシュ
ホ ー ス 法 の 2 段 法， 時 間 刻 み は Δt =1
rij・Fij
L3 i i  j

(5)

n,tot
から求めた [10]．ただし， Fij  Fij nij とした．
γ0 = 1.0 × 10–5 の歪
また剛性率の測定は，振幅(5)

みを 100 回加え，最後の 1 周期において，以下[32]の式

0.005(m/kn)1/2 を用い計算した．
G  

3．研究結果図 2，3 に乾いた系（DRY）と濡れた系（WET）

(4)

2π

ω ω
dt S t cos ωt  θ / γ0
π 0

(6)

から求めた．本シミュレーション系において，摩(6)擦のない乾いた系でのジャミング密度はJ  0.639 と見積もられる．また乾いた系においては，剛性率・圧力ともに，式（1）で示した関係式を満たしている．一方，濡れた系では[33]
乾いた系でのジャミング転移点以下でも有限の剛性・圧力を示した．この結果は，引力の働く粒子系の先行研究と定性的に一致する [11],[12]．
特に乾いた系の圧力については，先行研究により二体分布関数を用いて近似的に導けることが示されている [13]．その近似式を濡れた系に拡張すると，Fig. 2

Shear modulus G' of dry and wet particles against
volume fraction ϕ.

P





d0
d0  dc
SD ρ2g r  drr 3 F n,el r  
drr 3 F cap r
0
0
2
(7)

と書くことができる．ここで ρ は数密度，SD(7) Dは 次元単位球の表面積である．またに二体
分布関数は

g r

1
1
δ r  rij 1
DS D r n N i j i(8)とかける [14]．式（7）から求めた濡れた系の圧力を図(8) 3 に示した．濡れた系においても二体分
布関数を用いた圧力が定量的に一致することを示した．さらに二体分布関数を図 4 に示した．
Fig. 3Pressure P of dry and wet particles against volume
fraction ϕ.

乾いた系と濡れた系で，二体分布関数の振る舞いが異なることがわかる．二体分布関数の振る– 103 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 101–105

Young Researcher Scholarship Reportming at zero temperature and zero applied stress: theepitome of disorder, Physical Review E, 68 (2003)
011306. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.68.011306[4]

Herminghaus S., Wet granular matter: a truly complex
fluid, World Scientific, 2013, ISBN: 981441770X.

[5]

Lian G., Thornton C., Adams M.J., A theoretical studyof the liquid bridge forces between two rigid sphericalbodies, Journal of Colloid and Interface Science, 161(1993) 138–147. https://doi.org/10.1006/jcis.1993.1452[6]

Willett C.D., Adams M.J., Johnson S.A., Seville J.P.K.,
Capillary bridges between two spherical bodies, Lang-

Fig. 4

Pair correlation function g(r) of dry (opensymbols) and wet (filled symbols) particles withvarying volume fraction ϕ.

muir, 16 (2000) 9396–9405. 
https://doi.org/10.1021/la000657y[7]

sheared wet granular media, Physical Review E, 98(2018) 052906. 

舞いは異なるが，二体分布関数を用いた式（7）から得られる圧力については一致する．これは，https://doi.org/10.1103/PhysRevE.98.052906[8]引力系においては，乾いた系ではとることので

Physical Review E, 95 (2017) 062902. 
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.95.062902[9]

Press, 2008, ISBN: 9780521857918.

本研究では，濡れた粉体系の剛性率・圧力に[10] Doi M., Edwards S.F., Edwards S.F., The Theory ofPolymer Dynamics, Oxford University Press, 1988,

ついて離散要素法により調べた．特に圧力においては，乾いた系で示されている理論を拡張した圧力と定量的に一致することを示した．一方

ISBN: 0198520336.
[11] Koeze D.J., Hong L., Kumar A., Tighe B.P., Elasticity of
jammed packings of sticky disks, Physical Review
Research, 2 (2020) 032047. 

で，乾いた系と濡れた系では粒子配置に関連する二体分布関数の振る舞いが異なることを確認した．今後は，構造に関して詳細な解析を行う．

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.032047[12] Gu Y., Chialvo S., Sundaresan S., Rheology of cohesive
granular materials across multiple dense-flow regimes,

また，臨界スケーリングについても詳細な議論を行う．

Physical Review E, 90 (2014) 032206. 
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.90.032206[13] Otsuki M., Hayakawa H., Critical behaviors of sheared
frictionless granular materials near the jamming transi-

参考文献

tion, Physical Review E, 80 (2009) 011308. 

van Hecke M., Jamming of soft particles: geometry,mechanics, scaling and isostaticity, Journal of Physics:

https://doi.org/10.1103/PhysRevE.80.011308[14] Hansen J.-P., McDonald I.R., Theory Of Simple Liquids: With Applications to Soft Matter, Academic Press,

Condensed Matter, 22 (2009) 033101. 

4th ed., 2013, ISBN: 012387033X.

https://doi.org/10.1088/0953-8984/22/3/033101[2]

Liu A.J., Nagel S.R., Jamming is not just cool any more,[15] Zheng W., Liu H., Xu N., Shear-induced solidification

Nature, 396 (1998) 21–22. https://doi.org/10.1038/23819[3]

Evans D.J., Morriss G.P., Statistical Mechanics of Nonequilibrium Liquids, 2nd ed., Cambridge University

4．まとめと展望[1]

Otsuki M., Hayakawa H., Discontinuous change ofshear modulus for frictional jammed granular materials,

きない特異的な粒子配置の構造を取ることと関連していると考えられる [15]．

Roy S., Luding S., Weinhart T., Liquid redistribution in

O’Hern C.S., Silbert L.E., Liu A.J., Nagel S.R., Jam-

– 104 –of athermal systems with weak attraction, PhysicalReview E, 94 (2016) 062608. 
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.94.062608

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 101–105

外部発表成果Young Researcher Scholarship Report

ンライン開催，March 14, 2021）．
2. Kiwamu Yoshii, Michio Otsuki, “Rheology of

論文・プロシーディング論文

wet granular materials under quasi-static shear”,
APS March Meeting 2021 (Online, Mar. 17,

1. Kiwamu

Yoshii,

MichioOtsuki,2021).

History-

dependent rheological property of wet granular

3. 吉井 究，大槻 道夫， 引力せん断粉体系に

materials, Proceedings of the Symposium on

おける剛性率 ，日本物理学会 2021 年秋季

Simulation of Traffic, 27 (2021) 11.

大会（オンライン開催，Sept. 21, 2021）．

2. Kojiro Otoguro, Kiwamu Yoshii, Yutaka Sumino,

4. 吉井 究，大槻 道夫， 定常せん断下での濡Pattern transition of injected fluid into a granular

れた高密度粉体系のレオロジー特性 ，日本

bed of highly-swelling gel particles, Proceedings

物理学会 2022 年年次大会（オンライン開催，of the Symposium on Simulation of Traffic, 27

Mar. 15, 2022）．
5. 乙黒 康次郎，吉井 究，住野 豊， 高吸水性(2021) 7.

ゲル粒子への液体注入における流動パター

口頭発表

ン遷移 ，日本物理学会 2022 年年次大会（オ1. 吉井 究，大槻 道夫， 濡れた粉体系の弾性
応答 ，日本物理学会 2021 年年次大会（オ– 105 –

ンライン開催，Mar. 17, 2022）．

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 106–112 /https://doi.org/10.14356/hptf.20507

20507

噴霧乾燥法を用いたリグニンからの球形カーボン微粒子の合成と高比表面積化
Controllable Synthesis of Spherical Carbon Particles withHigh Specific Surface Area Derived from Kraft Lignin throughSpray Drying Method

Kiet Le Anh CAO

援助対象者 Scholarship Student: Kiet Le Anh CAO

広島大学大学院先進理工系科学研究科

博士後期課程 3 年

Graduate school of Advanced Science and Engineering, Hiroshima University, PhD
Student (D3)E-mail: caoleanhkiet@hiroshima-u.ac.jp
研究指導者 Academic Leader:

荻崇Takashi OGI教授，Professor
E-mail: ogit@hiroshima-u.ac.jp

抄録

持続可能な社会の構築へ向けてバイオマスから炭素ベース材料を合成することは重要である．本研
究では，クラフトリグニンと水酸化カリウム（KOH）を原料に用い，噴霧乾燥法と炭化プロセス
によって球状炭素粒子の合成を検討した．球状の炭素粒子は，KOH 濃度を変えることにより，中実な粒子から中空の粒子まで正確に制御できることを明らかにした．また，合成された炭素粒子のキャパシター電極としての性能を評価した．

ABSTRACTThe production of carbon-based materials with controllable shapes and structures from biomass in accordancewith sustainable development goals is of high interest and encouraged. In this work, the carbon spheres weresuccessfully fabricated via a spray drying method followed by the carbonization process, using Kraft lignin as
the carbon source and potassium hydroxide (KOH) as the activation agent. The spherical carbon particles
could be precisely controlled from dense to hollow sphere by varying the KOH concentration. In addition, theproduced carbon has a high specific surface area (2424.8 m2 g–1) and could be used as active electrodematerials for supercapacitors.

– 106 –
Copyright © 2022 The Authors. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 106–112

成 果 の 概 要

Young Researcher Scholarship Reportfrom some drawbacks such as the spherical structure
destruction during the carbonization process, high

1. Backgroundcost of templates, low yield, time-consuming, andIn recent years, the rational design and synthesis ofcomplicated manufacturing process, which may

nanostructured particulate materials with favorable

limit economically sustainable and large-scalemorphologies have been attracted tremendous

practical applications. In comparison to the otherinterests.

spherical

strategies, spray drying is the most promising methodmorphology are an important class of carbon

for controlling particle morphology as a versatile,

nanomaterial and have received a great deal ofcontinuous, and rapid process[3]. The particles/interest due to their remarkable physical properties,

colloids prepared by this process has adaptable forsuch as good fluidity, smooth surfaces, and goodlarge-scale production, narrow size distribution andpacking[1]. These

good spherical shape, which can be adjusted by

Carbonparticles

withaoutstanding characteristics makethem good candidates for use as electrodes in energy

altering the spray parameters.

of

Although lignin has been used as a carbon source

sustainability, lignin as the second-largest abundant

to prepare carbon materials, reports on the successful

renewable natural biopolymer after cellulose and theconversion of CSs derived from lignin-based material

most dominant aromatic polymer on earth has beenusing spray drying are still limited. Spray drying

applications[2].

technique has become an established method in

Therefore, lignin can be considered as a potential

several research fields, however, the capability ofsustainable material for preparing carbon spheres

spray drying has not been fully exploited and(CSs) because it possesses a number of distinct

reported yet, particularly in examining the formation

properties, such as high carbon content (>60 wt.%),mechanism of lignin and lignin composites (e.g.,high thermal stability, extensively crosslinked

lignin/KOH composites) and controlling the structurestoragedevices.

From

the

perspective

increasing attention for numerous

Severalof the finally obtained carbon by adjusting the KOH

techniques for preparation of colloidal carbon

concentration. Aiming at the problems mentioned

particles based on lignin or lignin derivatives have

above, the objectives of this present study are (i) tobeen reported. However, these approaches still suffer

synthesize spherical carbon particles with highpolyphenolic structure, and low

Fig. 1

cost[2].

Schematic representation for the preparation of carbon sphere particles derived from Kraft lignin, which has been
published by our group[4],[5].

– 107 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 106–112

Young Researcher Scholarship Reportspecific surface area (SSA) through a spray drying
method followed by carbonization process using
Kraft lignin as the carbon source and KOH as anactivation agent, (ii) to demonstrate the effect of
KOH concentration on particle morphology andstructure, (iii) to provide an in-depth understandingof the formation mechanism of lignin/KOH
composites in spray drying, and (iv) to explore
these

CSs

as

activeelectrodematerials

insupercapacitors[4],[5].

2. Experimental
The preparation of carbon particles consists ofthree steps as shown in Fig. 1. Kraft lignin was
dissolved in distilled water with different amounts of
KOH to form a homogeneous solution, and then thissolution was stirred at room temperature (RT) for
30 min. The solution was spray-dried through a twofluid nozzle system at inlet temperature of 200°C
using hot air as carrier gas with a flow rate of 10 L/
min and precursor feed rate of 2.5 mL/min to obtainthe spherical lignin/KOH composites particles. The
composites particles were carbonized in a horizontal
tube furnace from RT to 700–900°C under a flow of
N2 atmosphere (1.0 L/min) with a heating rate of
5°C/min and maintained at the designed temperaturefor 2 h. The carbonized samples were cooled down
to RT and washed with an aqueous hydrochloric acid
(10 wt.% HCl) solution to eliminate KOH and othercontaminants. The resulting black solid powder wascentrifuged and washed several times with distilled

Fig. 2water until the wash water had a neutral pH. The
final carbon particles were dried in a vacuum oven at
105°C for 12 h and marked as KLC-X-Y, where X
represents the mass ratio of KOH to lignin (X = 0.17,
0.33, 0.67, 1.00, and 1.33), and Y denotes theSEM (left) and TEM (right) images of carbon
particles in the case of (a) without KOH and withdifferent KOH/lignin mass ratios of (b) 0.17, (c)0.33, (d) 0.67, (e) 1.00, (f) 1.33. These results havebeen published by our group[4],[5].

carbonization temperature (Y = 700, 800, and 900°C).

3. Results and discussion

For comparison study, the carbon sample without

3.1 Synthesis of spherical carbon particles

KOH denoted as LC-700 was prepared through thederived from Kraft lignin
The morphology and internal structure of carbon

same procedure as described above at a carbonization
temperature of 700°C.

particles in the case of without KOH (LC-700) and– 108 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 106–112

Fig. 3Young Researcher Scholarship Report(a) Nitrogen adsorption/desorption isotherms, and pore size distributions as determined by the (b) HK and (c) BJH
methods for the carbon particles derived from Kraft lignin.

with different KOH/lignin mass ratios (KLC-X-700)
were studied through the SEM and TEM images as

Table 1 Textural properties of LC-700 and KLC-X-700(X = 0.33, 0.67, 1.00, 1.33) samples.

shown in Fig. 2. In the absence of KOH, spherical

Sample namestructures were not produced after carbonization

SSA

VtotalVmicropore Vmesopore[m2 g–1][cm3 g–1][cm3 g–1] [cm3 g–1]

process as confirmed by SEM observations (Fig. 2(a-LC-700

471.9

0.233

0.179

0.058

1)). This image demonstrates that the majority of the

KLC-0.33-700

936.0

0.418

0.361

0.063

particles exhibited a non-spherical shape with

KLC-0.67-700 1536.5

0.750

0.596

0.091

wrinkled surfaces. In contrast, when KOH was

KLC-1.00-700 1779.4

0.929

0.699

0.177

present in this reaction system, the particles with

KLC-1.33-700 1996.2

1.206

0.774

0.253

highly uniform spherical shapes and smooth outersurfaces were successfully generated, as shown in
Fig. 2(b-1–f-1). This result indicates that the shape ofbe easily controlled from dense to hollow structure.

the particles could be adjusted by controlling the

A plausible particle formation mechanism in spraypresence of KOH. The TEM images indicate an

drying at different KOH concentrations has beeninteresting effect in which changing the KOH/lignin

explained in detail in our publication[4].

mass ratio in the synthesis solution modified thestructure of carbon particles. In particular, in the

3.2 Material characterizations of carbon particles

absence of KOH, the hollow non-spherical structuresderived from Kraft lignin

were formed (Fig. 2(a-2)), whereas the KOH/lignin

The textural properties of these carbon particles

mass ratio increased, the structure of carbon particles

were further assessed by N2 adsorption/desorp-

changed from dense to hollow sphere (Fig.

tion analysis, as depicted in Fig. 3(a–c). The2(b-2–f-2)). The dense structure was produced at low

corresponding structural parameters including SSA

KOH/lignin mass ratios of 0.17 and 0.33 as shown inand pore characteristics are summarized in Table 1.

Fig. 2(b-2) and 2(c-2), respectively. The continued

As illustrated in Fig. 3(a), the isothermals for LC-

addition of more KOH to the reaction system until

700 and KLC-0.33-700 samples demonstrated

the KOH/lignin mass ratio reached 1.33 resulted intypical type I isotherms, which is attributed to thehollow spherical structures (Fig. 2(d-2–f-2)). These

predominantly microporous structures. On the otherobservation results reveal that by varying the KOH

hand, the isotherm curves of KLC-0.67-700, KLC-

concentration, the structure of carbon particles could

1.00-700, and KLC-1.33-700 belong to type IV with– 109 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 106–112

Fig. 4Young Researcher Scholarship Report

SEM (up) and TEM (down) images of carbon particles derived from Kraft lignin at carbonization temperatures of(a) 700°C, (b) 800°C, and (c) 900°C; (d) nitrogen adsorption/desorption isotherms, and pore size distributions as
determined by the (e) HK and (f) BJH methods for the KLC-1.33-Y series.

clear hysteresis loops, indicating that each one had aporous structure composed of micro- and mesopores.

Table 2 Textural properties of the KLC-1.33-Y (Y = 700,
800, 900°C) samples.
Sample name

These results are consistent with the pore size
distribution curves shown in Fig. 3(b) and 3(c). The
SSA and total pore volume of LC-700 were
determined to be 471.9 m2 g–1 and 0.233 cm3 g–1,
respectively. As expected, with increasing amount of

SSA

VtotalVmicropore Vmesopore[m2 g–1] [cm3 g–1] [cm3 g–1] [cm3 g–1]

KLC-1.33-700 1996.2

1.206

0.774

0.253

KLC-1.33-800 2207.3

1.341

0.904

0.276

KLC-1.33-900 2424.8

1.566

0.934

0.467

KOH, the resulting carbon particles in the samples
from KLC-0.33-700 to KLC-1.33-700 exhibited

indicates that the textural properties of these carbon

both an increase in SSA and total pore volume,particles could be optimized by altering the KOH/

demonstrating the importance of KOH activation inlignin mass ratio. The optimal KOH/lignin massachieving well-developed porosity. The KLC-1.33-

ratio of 1.33 was found to be the most effective for

700 sample showed a large SSA of 1996.2 m2 g–1

achieving the best SSA and pore texture.

and high total pore volume of 1.206 cm3 g–1, both of

The effect of carbonization temperature on thewhich were higher than the other samples. This result

final structure of KLC-1.33 particles was investigated– 110 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 106–112

Young Researcher Scholarship Reportby applying temperatures ranging from 700 to

KOH solution as the electrolyte. The galvanostatic

900°C. The SEM and TEM images in Fig. 4(a-1–c-1)

charge–discharge (GCD) curves obtained from theand 4(a-2–c-2), respectively, show that the resulting

KLC-1.33-Y samples are displayed in Fig. 5(a).

carbon particles retained their structural integrity andEach of these data plots is close to linear, indicating

spherical shape with hollow structure. The N2

that these materials behaved as ideal electrical

adsorption/desorption isotherms and pore size

double-layer capacitors with good diffusion of the

distributions of carbon particles prepared using aelectrolyte inside the pores. The gravimetric specific

KOH/lignin mass ratio of 1.33 at different

capacitance values of KLC-1.33-700, KLC-1.33-

carbonization temperatures are shown in Fig. 4(d–f),

800, and KLC-1.33-900 specimens at a current

while details of the surface textural characteristics

density of 0.2 A g–1 were calculated to be 29.4, 31.1,

for all samples are provided in Table 2. As illustrated

and 31.8 F g–1, respectively, all of which are higher

in Fig. 4(d), the isothermals for all samples reveal

than that of the commercial activated carbon Kuraraytypical type IV adsorption/desorption isotherms,

YP-50F (29.2 F g–1). The electrochemical impedance

which correspond to micro-mesoporous structures.

spectroscopy (EIS) spectra and Nyquist plots of

The SSA and total pore volumes were graduallythese KLC-1.33-Y electrodes are shown in Fig. 5(b).

increased as the carbonization temperature was

It is apparent from Fig. 5(b) that the KLC-1.33-900

increased from 700 to 900°C. The KLC-1.33-900

electrode exhibited a straight line at 90° and no

had the highest SSA and total pore volume inobvious semicircle in the spectra, which characterize

comparison to the other two samples, with values ofthe feature of low resistance between the electrolyte

2424.8 m2 g–1 and 1.566 cm3 g–1, respectively. Theseand electrode with a high double layer capacitance.

results demonstrate that increasing the carbonization

These results indicate that the KLC-1.33-900

temperature greatly enhanced pore development

electrode had a better pore structure as well as aduring the activation process. This effect is also

suitable pore size distribution and good connectivity

evident in the pore size distribution curves presentedof pores. These characteristics would promote rapid

in Fig. 4(e) and 4(f).

diffusion of ions between the electrode and electrolyte
interface, which in turn could enhance the

3.3 Electrochemical evaluation of carbon spheres

capacitance.

derived from Kraft lignin
The electrochemical measurements are conducted

4. Conclusions

in a two-electrode system using an aqueous 6 M

Fig. 5The spherical carbon particles derived from Kraft(a) GCD curves acquired at a current density of 0.2 A g–1 and (b) Nyquist plots for the KLC-1.33-Y samples. These
results have been explained in detail and published by our group[5].

– 111 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 106–112

lignin have been synthesized via a spray drying

spheres as nanoreactors for sustainable energy applications, Advanced Materials, 31 (2019) 1903886. approach followed by the carbonization process. The
carbon particles generated in this study could beobtained with spherical morphologies and it could behttps://doi.org/10.1002/adma.201903886[2]high SSA (2424.8 m2 g–1) with micro-mesoporous

Fuels, 1 (2017) 1265–1281. 
https://doi.org/10.1039/C7SE00099E[3]

for the fabrication of porous particles with tunable struc-to-lignin mass ratio (below 1.5), which was incarbon particles have applications as electrode

Nandiyanto A.B.D., Ogi T., Wang W.N., Gradon L.,
Okuyama K., Template-assisted spray-drying method

structure of hollow CSs was achieved at a low KOHaccordance with green chemistry principles. These

Lu H., Zhao X.S., Biomass-derived carbon electrodematerials for supercapacitors, Sustainable Energy andprecisely controlled from dense to hollow sphere byaltering the KOH concentration. In addition, theYoung Researcher Scholarship Reporttures, Advanced Powder Technology, 30 (2019) 2908–
2924. https://doi.org/10.1016/j.apt.2019.08.037[4]

Cao K.L.A., Rahmatika A.M., Kitamoto Y., Nguyen
M.T.T., Ogi T., Controllable synthesis of spherical car-materials in supercapacitors for energy storage

bon particles transition from dense to hollow structuredevices. These results suggest that our approach will

derived from Kraft lignin, Journal of Colloid and Inter-

open up opportunities for the development offace Science, 589 (2021) 252–263. 

advanced carbon materials and high value-added

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2020.12.077

utilization of Kraft lignin as a promising material for[5]able porous hollow carbon spheres with high specificpotential applications.

surface area derived from Kraft lignin, Advanced Powder Technology, 32 (2021) 2064–2073. 

参考文献
[1]

Cao K.L.A., Kitamoto Y., Iskandar F., Ogi T., Sustain-

https://doi.org/10.1016/j.apt.2021.04.012

Tian H., Liang J., Liu J., Nanoengineering carbon

外部発表成果口頭・ポスター発表

論文発表

1. Cao K.L.A., Ogi T., “Formation of well-defined
spherical porous carbon particles transition from

1. Cao K.L.A., Rahmatika A.M., Kitamoto Y.,

dense to hollow structure derived from Kraft

Nguyen M.T.T., Ogi T., Controllable synthesis oflignin”, The 8th Asian Particle Technology

spherical carbon particles transition from dense

Symposium (Osaka, Japan, Oct. 11–14, 2021).

to hollow structure derived from Kraft lignin,

2. Cao K.L.A., Ogi T., “Sustainable porous carbon

Journal of Colloid and Interface Science, 589

spheres with precisely tailored from dense(2021) 252–263. 

to hollow structure derived from Kraft lignin”,

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2020.12.077

PACIFICHEM 2021, International Chemical

2. Cao K.L.A., Kitamoto Y., Iskandar F., Ogi T.,
Sustainable porous hollow carbon spheres withhigh specific surface area derived from Kraft lignin, Advanced Powder Technology, 32 (2021)
2064–2073. 
https://doi.org/10.1016/j.apt.2021.04.012– 112 –

Congress of Pacific Basin Societies (Online,
Honolulu, Hawaii, USA, Dec. 16–20, 2021).

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 113–117 /https://doi.org/10.14356/hptf.20508

20508

アルミニウム表面への微粒子吸着材層の形成と蒸気吸着
Formation of Adsorbent Particles Layer on Aluminum andIts Water Vapor Adsorption Properties
援助対象者 Scholarship Student: Suppanat CHUMNANWAT

金沢大学大学院自然科学研究科

博士後期課程 3 年

Suppanat
CHUMNANWAT

Graduate School of Natural Science and Technology, Kanazawa University, Ph.D.
Student (D3)E-mail: sooppnant@gmail.com
研究指導者 Academic Leader:

汲田幹夫

Mikio KUMITA教授，Professor
E-mail: kumita@se.kanazawa-u.ac.jp

ABSTRACTIn this work, the aluminum surface was modified with different characteristics by anodizing and etching
techniques. Two-type of modified surface aluminum of oxide film type and spike type were introduced as analuminum substrate with various preparation conditions. Then, the modified surface aluminum was coatedwith a synthesized zeolite particle using silane as a coupling agent and became a composite adsorbent with
25–200 μm of layer thickness. The adsorption isotherms of the aluminum composites were investigated at
30°C.

成 果 ・ 概 要

promote the adsorption chiller cooling performance.

1. Background

Even though, this method yields the benefit in terms

The adsorption cooling technology has becomeof heat and mass transfer on the other hand thisan alternative system to substitute with vapor

process reduces the adsorption capacities of coatedcompression cycle in environmental aspect. The

adsorbents. Moreover, the peeling strength of theimportant parameters that influenced the performance

adsorbent coated layer is weak compared to otherof the adsorption chiller performance are bed

techniques. In a previous study, silane was used as aconfiguration and adsorbent layer thickness. For the

coupling agent to coat the adsorbent such as zeolite,

bed configuration, one of the selective techniques ismesoporous silica, and silica gel on the aluminum

coating due to low mass transfer resistance and highsubstrate by dip coating. However, the amount ofthermal conductivity[1]. These characteristics canwater vapor adsorption is decreased because the– 113 –
Copyright © 2022 The Authors. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 113–117

coupling agent replaces water vapor in the adsorbent

Young Researcher Scholarship Report

3.1 Composite preparation

pores. To enhance the adsorption capacity, theThe aluminum sheet with 12 mm × 30 mm × 0.

aluminum surface was modified before performing

3 mm was prepared as a substrate. The aluminum

adsorbent coating by anodizing and etching method.

substrate was cleaned by using sulfuric acid andIn this work, the aluminum substrate will be

sodium hydroxide for removing a contaminant andmodified into the oxide film type and spike type togrease[2]. The first type, the oxide film was formed byenhance adsorption ability and peeling strength. The

the anodizing method. The aluminum substrate waszeolite was used as an adsorbent because of theinstalled as an anode and stainless steel for a cathodelargest amount of water vapor adsorption under the

supplied direct current in electrolyte solution atreal operating condition of the adsorption chiller.

20°C. The electrolyte solution composition was
0.5 M of H3BO3 and 0.05M of Na2B4O7·10H2O.

2. Materials

After the anodizing process, the aluminum oxide

Zeolite (AQSOA-Z01, Mitsubishi Chemical,

barrier film was detected by scanning electronJapan) was used as an adsorbent. The physicalmicroscope (SEM) represented in Fig. 2(a). For

properties of zeolite particles have shown in the

spike type, the preparation methods were anodizing

table.

and etching. The anodizing process was performed

3-Trimethoxysilylpropyl Chloride (Purity 97%,by using oxalic acid with 0.3 M of concentration as

Tokyo chemical industry Co., Ltd.) was mixed as aan electrolyte at 21°C and providing constant directcomponent in silane solution to bound the zeolite

current at 200 A/cm2. The aluminum substrateparticle attached with aluminum substrate. The

surface turns into a porous structure (Fig. 2(b)) after

chemical structure of the coupling agent shows in

ending the anodizing process[3]. Then, the anodized

Fig. 1.

aluminum was soaked into the phosphoric acid 3%wt
at 40°C to transform the porous structure to spike

3. Experimental

presented in Fig. 2(c).

The experiments were divided into two parts. The

The next step is the zeolite coating process. The

first part introduces composite preparation. The

silane solution was mixed by ethanol 90%, watersecond part represents the adsorption investigation

5%, and silane coupling agent 5% and stirred forprinciple and method.

24 h for homogenous mixing. Then, the modified
aluminum substrates were dipped into the silane

Table 1solution and dried in an electric heater at 80°C for

Physical properties of zeolite AQSOA-Z01.

Mean pore diameter, Dp

0.72 nmSpecific surface area, SBET

240 m2/g

Pore volume, Vp

0.18 cm3/g

Particle diameter, D

3.9 μm24 h to obtain the silane bonding layer on themodified aluminum substrates surface. After that, thezeolite particles were mixed with the silane solution
as 1:3 of mass ratio of zeolite and coupling agent andbecame a zeolite suspended solution. The dried
modified surface aluminum with silane bonding
layer was dipped in the zeolite suspended solution
and dried once again at 80°C for 30 min to obtain thezeolite-coated layer. This process could be repeatedFig. 1

Chemical structure of 3-Trimethoxysilylpropyl
chloride (TMPS).

to increase the zeolite-coated layer thickness. The
peeling strength was evaluated by a residual ratio– 114 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 113–117

Young Researcher Scholarship Report

(a)

(b)

(c)

500 nmFig. 220 µm

SEM images of modified aluminum surface morphologies (a) oxide film type; (b) porous structure; (c) spike type.

Apparatuses

operating condition of the adsorption chiller.

Pressure gauge P

The composite aluminum was installed in theadsorption chamber with copper jigs upon the

V1

Water

V3

constant heat sink temperature at 30°C controlled by

Vapor
reservoira thermostatic oil bath. The adsorption was analyzed
based on the volumetric principle[4]. The amount ofV2
Datalogger

Thermocouple

adsorbed was calculated by ideal gas law.
Gate
valve

PV 
mRT

Sorptionchamber
Thermostat bath

Thermo oil bath

(2)

4.(2)
Results and Discussion

Heat sink

The results were introduced into 2 parts the first

Fig. 3 Apparatuses and schematic diagram for adsorption
investigation.

part will represent the characteristic of surface
modification and adsorption investigation for thesecond part.

based on JIS K5400. The equation to calculate theresidual ratio is presented below.

Residual ratio  mf / mi

4.1 Surface modification(1)

where mi is coated layer mass before peeling and mf

Firstly, the oxide film barrier layer thickness ofmodified aluminum substrate could be controlled byanodizing time and voltage as presented in Fig. 4.

is (1)
coated layer mass after peelingAn increase in anodizing time promotes oxide film
barrier layer thickness. The anodizing voltage at

3.2 Adsorption investigation

100 V represents the thick oxide film barrier layer

The adsorption apparatuses and schematic diagram

than 150 V. However, the thin barrier layer iswere presented in Fig. 3. The adsorption investigationpreferred to apply for the adsorption chiller system

was performed under 30°C refer to the generalbecause the thick oxide layer will increase the– 115 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 113–117

Young Researcher Scholarship Report

thermal resistance of the aluminum composite.

The residual ratio was calculated to indicate the

Therefore, the suitable conditions to produce thepeeling strength of the composites with differentoxide film barrier of the composite are 150 V ofsurface modifications presented in Fig. 6. The oxide

supplied voltage for 2 min.

film type of surface modification showed the

The spike characteristics could be controlled bystrongest peeling strength compared to anotheranodizing and etching time as shown in Fig. 5. The

surface modification. It seems that the oxide film canspike height decreases with an increase in etchingenhance the peeling strength of zeolite coated layer

time due to corrosion by phosphoric acid. The

due to the oxy-group upon the aluminum surface.

minimum etching time to create spike aluminum is
2 h regarding sample A8 and represents the highest

4.2 Adsorption investigation

spike height at 122 μm. The short anodizing time led

The adsorption investigation was performed to

to a short spike length observed from sample A4 due

examine the amount of water vapor adsorbed byto the shallow pore of the porous structure. The

composite

secondary axis demonstrates the spike height andadsorption isotherms of composite have shown inpore depth of porous structure after anodizing as a

Fig. 7. The water vapor adsorption increases withratio. Sample A4 is significantly affected by the

relative pressure for every sample. The water vapor

etching method, it means that the sample with a shortis significantly adsorbed during 0.16 to 0.25 ofanodizing time is more sensitive compared to therelative pressure due to the porous characteristics ofsample anodized for a long time.

zeolite particles. When the relative pressure is higher

variouscharacteristics.

The

than 0.25, the amount of adsorbed are constant for

1.4

Oxide film thickness [µm]withsample O200, O25, and original zeolite particles. For

100 Volt
150 Volt

1.2

the sample with spike surface modification (S30 and

1.0S200), the amount of water vapor adsorbed increases

0.8

continuously because of the effect of the spike

0.6
0.4

structure. The sample with spike surface modification

0.2

represents

0.0

0

5

10

15

20

the

effective

adsorption

behavior

compared to oxide film type for both thick and thin25

coated layer and original zeolite especially sample

Anodizing time [min]Fig. 4 The effect of direct current applied voltage andanodizing time on the oxide film barrier layer.

0.90

0.8

160

0.6

120

0.4

80
A8 (Anodized for 8h)
A6
A4

40
0

1

2

3

4

0.2
5

Etching time [h]

6

7

0.0
8

Residual ratio [-]Spike height, Hs [µm]

1.0

200

Spike height/Pore depth, Hs/HP [-]

0.85
240

0.80

0.75

0.70

0.65

Non-modified

Spike type

Barrier layer-type

Aluminum surface typeFig. 5 The effect of anodizing and etching time on spikecharacteristics.

Fig. 6 The peeling strength of composite with different
surface modification.

– 116 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 113–117

Young Researcher Scholarship Report

performed under 30°C. The zeolite coated layer
thickness had an effect on the amount of water vapor
adsorption for only spike surface modification. For
the oxide film type, there was little difference in theamount of water vapor adsorbed per unit mass
between the 200 µm and 25 µm coated layers.
参考文献
[1]

Fig. 7 Water vapor adsorption isotherms of aluminumcomposites and original zeolite particle.

Kumita M., Meiwa M., Watanabe K., Kodama A.,
Preparation of calcium chloride-anodized aluminumcomposite for water vapor sorption, Applied ThermalEngineering, 50 (2013) 1564–1569. 

S30. The thin coated layer represents the highest
amount of water adsorbed per unit mass of coatedhttps://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2012.04.010[2]C.M., Adsorption heat pumps for heating applications,layer, indicating that the spikes significantly enhanceRenewable and Sustainable Energy Reviews, 122

water vapor adsorption onto the aluminum composite.
While the zeolite coated layer thickness of oxide film
type surface modification does not affect the amount

Pinheiro J.M., Salústio S., Rocha J., Valente A.A., Silva(2020) 109528. 
https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109528[3]

Chumnanwat S., Watanabe Y., Taniguchi N., Higashi H.,
Kodama A., Seto T., Otani Y., Kumita M., Pore structureof water vapor uptake.

control of anodized alumina film and sorption propertiesof water vapor on CaCl2-aluminum composites, Energy,

5. Conclusion

208 (2020) 118370. 

Oxide film layer thickness could be controlled byanodizing time. For the spike type, both anodizing

https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.118370[4]

Kumita M., Yamawaki N., Shinohara K., Higashi H.,
Kodama A., Kobayashi N., Seto T., Otani Y., Methanol

and etching times affected the spike height of theadsorption behaviors of compression-molded activatedmodified surface. The composite aluminum withcarbon fiber with PTFE, International Journal of Refrigeration, 94 (2018) 127–135. 

spike surface modification promoted the water vapor

https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2018.07.036

adsorption amount throughout adsorption isotherms

外部発表成果aluminum composite adsorbent by anodizing
technique

口頭・ポスター発表

foradsorption

chiller”,

2021

International Sorption Heat Pump Conference(Berlin, Germany, Aug. 22–25, 2021) #96.

1. Chumnanwat S., Ota S., Kodama A., Kumita M.,

3. Chumnanwat S., Okada H., Ota S., Kodama A.,“Water vapor adsorption dynamics of zeolite-

Takiguchi N., Kumita M., “Preparation of spike

coated aluminum plates for adsorption cooling”,

aluminum composite adsorbents by anodizing

2021 58th National Heat Transfer Symposium ofand etching for adsorption cooling”, 2021 The

Japan (Online, May 25–27, 2021) D132.

Society of Chemical Engineers, Japan Regional

2. Chumnanwat S., Ota S., Tanaka T., Okada H.,
Kodama A., Kumita M., “The Preparation of an– 117 –

Meeting in Kansai 2021 (Online, Dec. 14–15,
2021) D117.

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 118–121 /https://doi.org/10.14356/hptf.20509

20509

二酸化チタンベースの複合光触媒の調製と性能分析
Preparation and Properties of Titanium Dioxide-Based Composite
Photocatalytic Materials
Xinxin JIANG

援助対象者 Scholarship Student: Xinxin JIANG

名古屋工業大学大学院工学研究科

博士課程後期 3 年

Graduate school of Engineering, Nagoya Institute of Technology, PhD Student (D3)E-mail: x.jiang.663@stn.nitech.ac.jp
研究指導者 Academic Leader:

藤正督

Masayoshi FUJI

教授，Professor
E-mail: fuji@nitech.ac.jp

抄録

非貴金属の Cu2O と Cu を担持された水素化黒色 TiO2 ナノ粒子を調製し，UV 光下での水素発生性能について研究した．その結果，最適化された水素化 TiO2/Cu2O/Cu（TC6-350）サンプルは，純粋な TiO2 の約 47 倍の光触媒水素発生性能を示した．水素化 TiO2/Cu2O ハイブリッドは n-n 半導体システムを示した．水素化 TiO2/Cu2O ヘテロ接合と金属銅粒子の相乗効果により，銅を担持された水素化 TiO2 は，光吸収範囲を拡大するだけでなく，キャリアの分離効率を向上させ，最終的に光触媒水素発生能力を向上させます．さらに，良好な光安定性を示した．したがって，水素化 TiO2/
Cu2O/Cu は，UV 照射下で魅力的な光触媒です．

ABSTRACT
Non-precious Cu2O and Cu loaded hydrogenated black TiO2 nanoparticles were prepared, and the H2evolution and the removal of a water based organic pollutant under UV light were studied. The results
revealed that the B-TiO2/Cu2O/Cu (TC6-350) sample exhibited an improved photocatalytic hydrogen
evolution performance, about 47 times higher than that of the TiO2, and photocatalytic degradation of the
Rhodamine B aqueous solution about 2.2 times faster than the TiO2. The enhanced photocatalytic activity canbe attributed to the integration of energy band alignment, effective carrier separation, and low charge transfer
resistance. In addition, the constructed B-TiO2/Cu2O/Cu nanocomposite exhibited light stability, making it along-term competitive photocatalyst for H 2 evolution. Therefore, the B-TiO 2/Cu2O photocatalyst is apromising candidate for a variety of photocatalytic applications.

– 118 –
Copyright © 2022 The Authors. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 118–121

成 果 の 概 要

Young Researcher Scholarship Report

界の作用下で，その光生成された電子−正孔対が分離され，水素発生の最大の性能が得られま

1．緒言

す．

光触媒技術は，ますます深刻化するエネル
ギーの枯渇や環境悪化を解決し，将来のエネル

2．実験方法

ギーの拡大に重要な役割を果たすと期待されて

B-TiO2/Cu2O/Cu 複合材料は，その場での光堆いる．先端材料の重要な分野として，TiO2 ベー積と水素化処理の 2 つのステップによって合成

スの光触媒においてもまだ常にホットスポット

されました．簡単に説明すると，市販の P25として研究されてきた．二酸化チタン自体が紫（TiO2）を 8 ml の無水エタノールを含む試験管

外線領域で光触媒活性を持っています．しかし，に分散させ，2 ml のメタノールを加えてよく

実験段階にあります．多数の光生成電子と正孔混合しました．規定量の CuCl2 を加え，室温でが容易に再結合するため，レドックス反応を起10 分間撹拌しました．Ar ガスを 30 分間溶液

こす可能性のある活性種が減少し，TiO2 光触に通し，溶液に 1 時間紫外線を照射しました．

媒性能を妨げています．助触媒複合光触媒は，

こ こ で 吸 着 し た Cu2+ は，TiO2 粒 子 の 表 面 でこの問題を解決する効果的な方法です．助触媒

Cu1+ と Cu0 に 変 化 し ま す． こ れ に よ り TiO2/の中には，コストが低く，合成方法が簡単なだ

Cu2O/Cu ナノ粒子が得られました．この TiO2/

けでなく，複合材料に内部電子移動チャネルを

Cu2O/Cu 粉 末 を NaBH4 粉 末 と 1 : 1 で 混 合 し，構築し，光触媒の電荷移動を促進し，水素発生

混合物を 0.5 時間軽く粉砕した後，N2 雰囲気

能力を向上させるものもあります．この研究で下の管状炉で 350°C で 1 時間加熱しました．続は，多欠陥二酸化チタン材料に金属または金属

いて，加熱した粉末を脱イオン水で pH 値が 7

酸化物を配合するための 2 段階の合成方法を提に達するまで洗浄し，次に 80°C で 10 時間乾

案します．まず，光堆積法を使用して，二酸化燥させて，最後に，水素化された TiO2/Cu2O/

チタン粒子で金属銅粒子を担持されています．

Cu 粉末を得ました．

次に，NaBH4 高温焼成により，より多くの欠陥が増加します．これにより複合二酸化チタン

3．結果および考察

粒子のエネルギーバンドが調整します．欠陥の銅ナノ粒子が TiO2 材料の表面に正常にロー導入により，二酸化チタンのエネルギーバンド

ドされたことを証明するために，図 1 に示すよが変化し，最大の水素発生エネルギーが生成さ

うに，SEM および TEM を介して準備されたれます．最も光生成されたキャリアである二酸

B-TiO2/Cu2O/Cu サンプルの表面形態と微細構化チタンは，銅粒子が担持された局所的な強電造を観察しました．図 1(a) Cu2O/Cu ナノ粒子をFig. 1

SEM and TEM for morphology observation of the B-TiO2/Cu2O/Cu photocatalysts.

– 119 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 118–121

Young Researcher Scholarship Report

TiO2 の表面にロードした場合，複合サンプル

金属銅粒子に光還元されました．サンプルを空の形態は，深刻な凝集がなく，TiO2 の形態と気にさらし，水洗ステップにかけると，ほとん同じです．これは，調製プロセス中に，銅前駆どの銅粒子が酸化されて Cu2O になりました．

体が TiO2 の表面に均一に吸着し，その場で還水素化ステップの後，Cu2O の一部は還元され元され，B-TiO2 の表面に Cu2O/Cu ナノ粒子がて金属 Cu に戻ります．これは，B-TiO2/Cu2O/

均一に分布することを示しています．図 1(b)Cu サンプルでは，Cu が単体とイオンとして同の TEM 画像では，TiO2 粒子の表面にダークス

時に存在することを示しています．

ポットが均一に分布しているように見えます．

SEM，TEM，XRD の結果を統合することで，これは，銅ナノ粒子の存在と均一な分布を示し

Cu2O と Cu の 存 在 が 証 明 さ れ ま す．B-TiO2/ている．銅ナノ粒子のサイズは 3 〜 5 nm です

Cu2O/Cu 光触媒は，その場吸着光蒸着と水素化が，P25（アナターゼおよびルチルナノ結晶を処理の 2 段階合成法によって正常に調製されま

含 む ） は 約 20 〜 40 nm で す． こ れ は，Cu2O/

した．

Cu ナノ粒子が TiO2 表面に正常にロードされ，均一に分布していることを示しています．

調製したサンプルの光触媒活性を水素発生試
験により評価した．図 3 に示すように，純粋なTiO2 と Cu2O の結晶構造を決定するために，

TiO2 と B-TiO2 は，UV 照射下での水分解に対

図 2 に示すように，X 線回折測定を各サンプルでテストしました．図 2 では，（101）面と（200）面に対応する 25.5°（2θ°）と 48°（2θ°）に多数のルチル相ピークが見られます（JCPDS-PDF:
01-075-2552）． 弱 い ア ナ タ ー ゼ 相 の ピ ー ク（JCPDS-PDF: 01-078-1510） は，（110） 面 に 対応する 27.4（2θ°）にあります．Cu2O 回折ピー
ク（JCPDS-PDF: 01-078-2076） は 42.3 °（2θ °）
で検出されます．これは（002）結晶面に起因する可能性があります．Cu 回折ピーク（JCPDSPDF: 01-089-2838）は 43.3°（2θ°）で検出されました．これは（111）面に起因する可能性があります．調製プロセス中に，Cu2+ 前駆体はFig. 3Fig. 2

XRD patterns
photocatalysts.

of

the

B-TiO2/Cu2O/Cu

Photocatalytic activity tests for H2 evolution by the as-prepared samples under UV light.

– 120 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 118–121

Young Researcher Scholarship Report

して不十分な光触媒活性を示しました．TC6 サ

ング温度が上昇すると，バルク欠陥の濃度が上ンプルと BTC6 サンプルを比較すると，水素化

昇し，それによってサンプルの触媒性能が低下

処理後の TiO2 の比表面積の減少により，光堆します．この現象は，以前の文献でも報告され積中に TiO2 の表面に吸着された銅前駆体が減ています [3]．

少することがわかります．その結果，BTC サ
ンプルの実際の銅含有量は TC6 サンプルのそ

4．結言

れよりもはるかに低く，最終的に水素発生性能

本研究では，B-TiO2/Cu2O/Cu 複合材料は，その低下につながります．Cu2O/Cu 粒子が TiO2の場での光堆積と水素化処理の 2 つのステップの表面に堆積すると，TiO2/Cu2O/Cu の光触媒によって合成していた．B-TiO2/Cu2O/Cu 材料

水素脱離能力が向上します．銅の負荷が 6% にの 結 晶 相 と 化 学 組 成 が 検 証 さ れ て い た．

達すると，TC6 サンプルの水素発生効率が最大

B-TiO2/Cu2O/Cu 材料は，8.5 mmol h–1 g–1（AQE

値に達します．水素化処理後，B-TiO2/Cu2O/Cu= 16.4%）の水素生成率で，優れた光触媒水素

サンプルの光触媒水素脱着能力がさらに向上し生成性能を示していた．

ました．UV 光下での TC6-350 の最大放出量は

参考文献

約 8.5 mmol h–1 g–1 であり，これは純粋な TiO2の水素発生速度の 40 倍です．水素化温度の上昇に伴い，B-TiO2/Cu2O/Cu サンプルの光触媒[1]E., Chang W.J., Lee K.-S., Kim J.H., Cho S.-P., Kim H.,

活性は最初に上昇し，次に低下しました．アニー

Nam K.T., Hyeon T., Reversible and cooperative photo-

リング温度の上昇に伴う性能の低下は，2 つのactivation of single-atom Cu/TiO2 photocatalysts, Na-ture Materials, 18 (2019) 620–626. 

側面に起因する可能性があります．（1）比表面積が減少します．結果は，サンプルの比表面積が小さいほど，その触媒性能に大きな影響を与https://doi.org/10.1038/s41563-019-0344-1[2]S., Synthesis of TixOy nanocrystals in mild synthesis
conditions for the degradation of pollutants under solar

中が増加します．二酸化チタンには，バルク欠

light, Applied Catalysis B: Environmental, 241 (2019)

陥と表面欠陥の 2 種類の欠陥があります．表面
材料に移動させ，光生成された電子と正孔の分

Hamad H., Bailón-García E., Maldonado-Hódar F.J.,
Pérez-Cadenas A.F., Carrasco-Marín F., Morales-Torres

えることを示しています [1]．（2）体の欠陥の集欠陥は，電荷キャリアをトラップして表面吸着

Lee B.-H., Park S., Kim M., Sinha A.K., Lee S.C., Jung

385–392. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.09.016[3]

Ariyanti D., Mills L., Dong J., Yao Y., Gao W., NaBH4
modified TiO2: defect site enhancement related to its
photocatalytic activity, Materials Chemistry and Phys-

離を促進します．多数の欠陥がキャリアをトics, 199 (2017) 571–576. ラップし，それらを再結合します [2]．アニーリ

https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2017.07.054

外部発表成果MoP as cocatalyst coupled with TiO2 for highly
efficient photocatalytic H2 production, Catalysis

論文発表

Letters, (2022). 

1. Jiang X., Fuji M., In-Situ photodeposition ofhighly dispersed MoSx as a co-catalyst on TiO2

https://doi.org/10.1007/s10562-021-03888-y
3. Jiang X., Fuji M., In-situ preparation of black

nanoparticles for efficient and stable photocatalytic H2 evolution, Catalysis Letters, (2021).
https://doi.org/10.1007/s10562-021-03807-1
2. Jiang X., Fuji M., Facile preparation of nanosized– 121 –

TiO2/Cu2O/Cu composites as an efficient photocatalyst for degradation pollutants and hydrogenproduction, Catalysis Letters, (2022). 
https://doi.org/10.1007/s10562-021-03894-0

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 122–126 /https://doi.org/10.14356/hptf.20510

20510

多イオン共存系におけるメソ孔を有する Fe0-Fe3O4 ナノ材料を用いたヒ素除去技術の検討
Preparation of Mesoporous Zerovalent Iron-Magnetite
Nanocomposite for Arsenic Removal

援助対象者 Scholarship Student: ズバイアー ユスフ オラレカン

早稲田大学大学院創造理工学研究科

Yusuf Olalekan
ZUBAIR

Yusuf Olalekan ZUBAIR
博士課程後期 2 年

Graduate school of Engineering, Waseda University, PhD Student (D2)E-mail: yozubair@akane.waseda.jp
研究指導者 Academic Leader:

所

千晴

Chiharu TOKORO

教授，Professor
E-mail: tokoro@waseda.jp

抄

録

本研究では廃水中に含まれる主要な陰イオン共存下において，メソ孔を有する合成 Fe0-Fe3O4 ナノ材料による 5 価ヒ素（As(V)）除去について速度論的に解析し，その機構と除去能への影響を評価した．様々な条件で実験を行った結果，各種陰イオンを共存させた場合でも，ヒ素濃度は 10 ppb
以下となることが確認された．これは材料表面において As(V) は化学的に安定な内圏錯体を，他陰イオンは外圏錯体を形成するためだと考えられる．また，合成した材料を複数回使用しても As(V)の除去量の著しく低下しなかったことから，再利用可能なヒ素除去環境材料であると言える．

ABSTRACT
Mesoporous zerovalent iron-magnetite nanocomposites were synthesized for the removal of arsenic frommulti-component solution. Based on the findings, the As(V) was reduced to < 10 ppb and the coexisting ions
had no significant effect on As(V) removal because their removal mechanism is considered to be outer-spherecomplexes formation whereas As(V) was predominantly inhibited through inner-sphere complex formation.
The adsorbent has strong potential for reuse since the removal performance of As(V) after fourth cycle was> 94%. The adsorbent was stable after As(V) removal and the overall results confirmed that the adsorbent issuitable for removal of arsenic in actual wastewater.

– 122 –
Copyright © 2022 The Authors. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 122–126

成 果 の 概 要

Young Researcher Scholarship Reportstructure and phase composition of the pristine andAs(V)-loaded adsorbents. The measurement was

1. Introduction

conducted on a high-resolution diffractometer

Arsenic (As) contamination is a serious problem(SmartLab, Rigaku Corporation, Japan) with Co-Kα.

that concerns the global environment. The common

The scan range (2θ) of 10–100° was considered forpractice for arsenic remediation is by adsorption or

the samples using an X-ray source operating at 40 kV

coprecipitation with ferrihydrite. The precipitate ofand 40 mA. Scanning electron microscope (FE-ferrihydrite possesses poor solid-liquid separation

SEM) (JSM-6500F, JEOL, Japan) was used toand could change to more crystalline ironobserve the morphology of the pristine and As(V)-oxyhydroxide such as goethite over time which thenloaded adsorbent.

releases arsenic into the environment (Nazari et al.,2017). Besides, coexisting ions could also affect

3. Results and discussion

arsenic removal (Jain and Leoppert, 2000). Therefore,

3.1 Adsorbent characterization

the development of alternative material in terms of

The parameters of XRD for pristine and As(V)-high removal efficiency in the presence of coexisting

loaded adsorbent are presented in Table 1. The

ions, good solid-liquid separation, and reusability

2-theta (2θ) obtained for both pristine and used

potential is essential.

adsorbents correspond to magnetite structure, which

Herein, the practical performance of mesoporous

mineral phase was detected aside magnetite, we

nanocomposites (ZVI-MNCs) was systematicallysuggested that there was no oxidation of magnetite

investigated for As(V) removal behavior through theafter As(V) removal. The atomic spacing of theinfluence of co-existing ions, multi-component

adsorbent showed no noticeable difference after

sorption, and recycling of used adsorbent.

adsorbing As(V). However, an increase in crystallite

iron(Fe0)-magnetite

can be indexed to PDF #88-0866. Since no other(Fe3O4)zerovalentsize occurred after As(V) adsorption especially on

2. Experimental methods{111} and {422} plane of magnetite. Previous

Nanocomposites were prepared through an in-situ

studies have shown that arsenic (HAsO4–) could

reduction method (Zubair et al., 2020). The ZVI-

form an inner-sphere complex on {111} surface of

MNCs was synthesized by reduction of Fe2+ to Fe0

magnetite through ligand exchange with a hydroxyl

using sodium dithionite (Na2S2O4) under argon gas

group (OH–) on the magnetite surface. Therefore, thein the presence of Fe3O4. Batch kinetic experiments

increase in the crystallite size can be attributed to thewere conducted by adding 0.25 g L–1 of ZVI-MNCs
into 1.6 mg L–1 As(V) solution containing 5 mg L–1
or 50 mg L–1 of co-existing anions including
chloride,sulfate,carbonate,andTable 1

phosphate.

Recycling performance of the nanocomposites was
examined by mixing the As(V)-loaded ZVI-MNCs
with 0.1 N NaOH solutions. After 6 hours ofagitation, the adsorbent was collected with an
external magnet, washed, and immediately reusedfor As(V) removal. X-ray diffraction (XRD)
measurement was performed to examine the crystal– 123 –

Parameters of XRD measurement.
size (Å)2θ
(deg)

spacing(Å)

before

after

Plane
(hkl)

21.3

4.82

69.5

92.6

111

35.3

2.96

74.4

78.0

220

41.6

2.53

81.4

82.8

311

50.7

2.09

94.9

94.1

400

63.2

1.71

59.4

82.6

422

67.5

1.61

72.0

77.4

511

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 122–126

Young Researcher Scholarship Report

replacement of smaller OH– (ionic radius 1.1 Å) withsuccessfully immobilized by ZVI-MNCs and similarlarger HAsO42– (ionic radius > 2.4 Å) (Mondal et al.,to results obtained from XRD2014).
Fig. 1a and b show the FE-SEM image of the

3.2 Arsenic removal

pristine and As(V)-loaded adsorbent, respectively.

Fig. 2 shows that As(V) removal in the absence of

The FE-SEM image of the pristine disclosed that thecoexisting ions was initially fast, approximately 98%

particles experienced slight self-aggregation withof the initial concentration of As(V) (1.6 mg L–1)

abundant pores suitable for adsorption. FE-SEM

was immobilized after 60 min and afterward

image of the As(V)-loaded sample showed an

decreased below the acceptance limit (0.01 mg L–1)

increase in particle size and a change in the surface

after 90 min. However, equilibrium was attained

morphology of the adsorbent compared to theafter 120 min and thus, removal kinetics of arsenic

pristine. These findings indicate that As(V) wasby ZVI-MNCs was rapid.
The influence of some interfering anions on arsenic
removal is reported in Fig. 2a–d. The removal
efficiency of As(V) decreased by 7.9, 2.5, 7.3, and29.5% in the presence of 5 mg L–1 chloride, sulfate,carbonate, and phosphate, respectively. Increasing
the concentration of these anions to 50 mg L–1 leads

Fig. 1

SEM image of (a) before, and (b) after As(V)removal.

to a decrease in the rate of As(V) removal by 1.7,
10.1, 7.3, and 48.8%. Previous studies have shown

Fig. 2 Arsenic(V) removal kinetics in the presence or absence of coexisting ions (a) chloride, (b) sulfate, (c) carbonate,and (d) phosphate.

– 124 –

Young Researcher Scholarship Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 122–126

that sulfate and carbonate can form stable complexes

because these anions are bind on the adsorbent

with iron oxides and chloride can be attracted to thethrough the outer-sphere mechanism whereas As(V)protonated surface of the adsorbent (Xu et al., 2013).

inhibition occurred on adsorbent through the

For these reasons, a slight decrease in As(V) removal

formation of inner-sphere complex (Fig. 4). Besides,

was detected. In contrast, the presence of phosphate

the effect of multi-interfering anions on As(V)notably affected arsenic removal especially when theremoval is far less than that of single-interfering

concentration was increased to 50 mg L–1. The As(V)anion due to the mutual effect that exists within theseremoval mechanism is similar to that of phosphate,anions, which in turn subsides their effect on arsenic

thus, competition for adsorption sites occurs

removal.

whenever both As(V) and phosphate coexist in

3.3 Recycling performancesolution leading to a decrease in As(V) removal.
The practical use of the adsorbent was further

To evaluate the sustainable application of theinvestigated in a simulated multi-component arsenic

adsorbent, regeneration studies were conducted forsolution (As(V) = 1.6 mg L–1, chloride = 100 mg L–1,

the retention of arsenic. As shown in Fig. 5, thenitrate = 10 mg L–1, sulfate = 200 mg L–1, carbonate

removal efficiency slightly decreased after each=

50 mg L–1,

shown inregeneration cycle. However, it is remarkable toFig. 3, the removal rate of arsenic in the multi-

mention that the removal efficiency decreased bycomponent solution was 5% greater than that of theapproximately 6% after the fourth regenerationarsenic-spiked solution in the first 15 min and nearly

cycle. As a result, ZVI-MNCs can be regarded as a

the same after 25 min. This higher removal of arsenic

sustainable material for the treatment of arsenic-in the multi-component solution at the early

polluted water.

silicate =10 mg L–1). As

adsorption stage was due to concurrent outer-sphere

Outer-spherecomplexes formed by the co-existing anion.

Cl-

However, the removal efficiency of arsenic in thearsenic-spiked solution became slightly higher thanHthat in the multi-component solution after 40 min
and slightly decreased by 4% after 120 min.

showed no significant effect on arsenic removal

O
Fe

Summarily, ubiquitous interfering anions such as
nitrate, chloride, sulfate, silicate, and carbonate(+)

Fig. 4

Fig. 3 Arsenic(V) removal from multi-component solution.

– 125 –

SO42H

H

(+)
O
Fe

CO32-

H H (+) H

Inner-sphere
H2PO4-

O

Fe

OH-

Fe

OH-

H2AsO4Fe

Removal mechanism of As(V) and coexistinganions.

Fig. 5

Recycling of ZVI-MNCs for As(V) removal.

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 122–126

4. Conclusion

Young Researcher Scholarship Report

sorption of arsenate and arsenite by ferrihydrite, Journalof Environmental Quality, 29 (2000) 1422–1430. 

Mesoporous ZVI-MNCs was synthesized via in

https://doi.org/10.2134/jeq2000.00472425002900050008x

situ reduction method and its adsorptive performance

Mondal P., Tran A.T.K., Van der Bruggen B., Removal offor As(V) was investigated. Based on the findings,

As(V) from simulated groundwater using forward osmosis: effect of competing and coexisting solutes, De-

As(V) removal in the presence of several co-existinganionswasappealingastheconcentration was decreased below the Japan effluent
limit(0.1 mg L–1). Thissalination, 348 (2014) 33–38. 

initial As(V)

https://doi.org/10.1016/j.desal.2014.06.001
Nazari A.M., Radzinski R., Ghahreman A., Review of arsenic

adsorbent possesses good

metallurgy: treatment of arsenical minerals and the immobilization of arsenic, Hydrometallurgy, 174 (2017)

regeneration and reusability potential as more than

258–281. 

94% of initial As(V) concentration was immobilized

https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2016.10.011

after the fourth cycle of regeneration and reuse.

Xu W., Wang J., Wang L., Sheng G., Liu J., Yu H., Huang

Besides, the synergistic effect of Fe0 and Fe3O4 in the

X.-J., Enhanced arsenic removal from water by hierarchically porous CeO2–ZrO2 nanospheres: role of sur-adsorbent actually contributed to the fast removal of

face- and structure-dependent properties, Journal of

As(V), inhibit sludge generation, and suppressed

Hazardous Materials, 260 (2013) 498–507. magnetite oxidation in the air-water interface. Thus,

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2013.06.010

this adsorbent can be considered appropriate for

Zubair Y.O., Fuchida S., Tokoro C., Insight into the mecha-

efficient removal of arsenic from contaminatednism of arsenic(III/V) uptake on mesoporous zerovalentiron–magnetite nanocomposites: adsorption and micro-

water.

scopic studies, ACS Applied Materials & Interfaces, 12(2020) 49755–49767. 

References

https://doi.org/10.1021/acsami.0c14088

Jain A., Loeppert R.H., Effect of competing anions on the ad-

外部発表成果based adsorbent, 日本地球化学会第 68 回年会（Sept. 6–8, 2021），PR0025.
論文発表

2. Yusuf O. Zubair, Mauricio Córdova-Udaeta,
Shigeshi Fuchida, Chiharu Tokoro, Quantitative

1. Zubair Y.O., Fuchida S., Tokoro C., Insight into

study of pH effect on the kinetics of arsenate

the mechanism of arsenic(III/V) uptake on meso-

surface complexation on magnetic mesoporous

porous zerovalent iron–magnetite nanocomposites:

nanocomposites , 第 18 回「資源・素材・環

adsorption and microscopic studies, ACS Applied境 」 技 術 と 研 究 の 交 流 会（ オ ン ラ イ ン，Materials & Interfaces, 12 (2020) 49755–49767.

Aug. 2–6, 2021）

https://doi.org/10.1021/acsami.0c14088

3. Yusuf O. Zubair, Shigeshi Fuchida, Chiharu
Tokoro, Practical performance of arsenate

口頭・ポスター発表(As(V)) removal using mesoporous zerovalentiron-magnetite nanocomposites (ZVI-MNCs)”,

1. Yusuf O. Zubair, Shigeshi Fuchida, Chiharu

Goldschmidt2021（オンライン，July 4–9, 2021），

Tokoro, Mauricio Cordova-Udaeta, Under-

Room 07.

standing the anions effect on the selectivity andhttps://doi.org/10.7185/gold2021.4172

surface complexation kinetics of arsenic to iron-– 126 –

4-3 令和2年度 シンポジウム等の開催援助成果報告– 127 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 128–131 /https://doi.org/10.14356/hptf.20001

20001

第 8 回アジア粉体工学シンポジウム（APT2021）
The 8th Asian Particle Technology Symposium APT2021
開催期間

Date: 2021 年 10 月 11 日（月）–14 日（木） Monday–Thursday, October 11–14, 2021

開催場所

Place: コングレコンベンションセンター（大阪市北区大深町 3-1）
Capital Congrès Convention Center (3-1 Ofuka-cho, Kita-ku, Osaka530-0011, Japan)

主催者代表 Organizer representative:

綿野哲

Satoru WATANO

大阪公立大学

工学研究科長・教授

Dean, Professor, Graduate School of Engineering, Osaka Metropolitan
University, Japan
E-mail: watano@omu.ac.jp

開 催 の 目 的

第 8 回 ア ジ ア 粉 体 工 学 シ ン ポ ジ ウ ム（The8th Asian Particle Technology Symposium:

Asian Particle Technology Symposium（アジアAPT2021） が，2021 年 10 月 11 日（ 月 ） か ら

粉体工学シンポジウム：APT と略称）は，ア

14 日（木）までの 4 日間，グランフロント大ジア地域での粉体工学分野の発展と研究者の交阪にあるコングレコンベンションセンターにて流および情報交換を促進することを目的として開催された．シンポジウムの概要を下記に示す．

設立されたものである．APT2021 は第 8 回目

Asian Particle Technology Symposium（アジアのシンポジウムとなり，日本で初めての開催と粉体工学シンポジウム：APT と略称）は，ア

なる．

ジア地域での粉体工学分野の発展と研究者の交流および情報交換を促進することを目的としてシンポジウムの規模，参加者数，内容等設立された．APT は，各国を代表する粉体関連の研究者から構成される IOC（International

講演総数 329 件：

Organization Committee：国際組織委員会）によ・基調講演 7 件

り運営されており，筆者（綿野）が IOC の代・招待講演 29 件

表を務めている．表 1 に示すように，第 1 回の・一般口頭発表 153 件

シンポジウムが，2000 年 12 月にタイの首都バ・ポスター発表 140 件

ンコクで開催され，その後，約 3 年周期で開催

参加者総数 416 名：されてきた．日本での開催は今回が初めてであ・国内 306 名る．

・海外 110 名

2017 年に台湾で開催された第 7 回シンポジ– 128 –
Copyright © 2022 The Author. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open access article
under the CC BY 2.1 JP license (http://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

Conference Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 128–131

表1 APTの開催履歴
Table 1 History of previous APT.
APT

Year of Symposium

City, Country of Venue

Chairperson(s)1st APT Symposium (APT 2000)

2000

Bangkok, Thailand

Wiwut Tanthapanichakoon

2nd APT Symposium (APT 2003)

2003

Penang, Malaysia

Wan Ramli Wan Daud

3rd APT Symposium (APT 2007)

2007

Beijing, China

Fei Wei

4th APT Symposium (APT 2009)2009

New Delhi, India

Pradip5th APT Symposium (APT 2012)

2012

Singapore, Singapore

Reginal B.H. Tan
Chi-Hwa Wang

6th APT Symposium (APT 2015)

2015

Seoul, Korea

Hee Chan Cho
Kyo-Seon Kim
Hee Dong Jang
Hyun Kak Han

7th APT Symposium (APT 2017)2017

Taoyuan, Taiwan

Hsiu-Po Kuo

8th APT Symposium (APT2021)

2021

Osaka, Japan

Satoru Watano

ウムにて，2021 年に第 8 回シンポジウムが日企画・運営の全ての作業を行うことにした．

本で開催することが決定された．この当時は，シンポジウムは会場での講演とオンラインを

新型コロナウイルスが世界規模でパンデミック

併用するハイブリッド形式を採用した．また，を引き起こすことなど夢にも想像できず，従来

オンラインであっても，全ての講演は録画では通りの対面式の国際会議を想定して準備がス

なく，講演者がその時間帯にリアルタイムで講タートした．その後，2019 年に新型コロナウ

演するライブ形式で行った．特に海外からの講

イルス（COVID-19）が中国武漢市で発見され，演者の場合は，日本との時差を考慮し，現地で瞬く間に全世界に感染拡大したことは周知のとの発表が可能な時間帯（多くは日本の早朝・夕おりである．それ以降は，現在に至るまで，新方）に発表時間を設定するなどの工夫を行った．

型コロナウイルスの急速な拡大と収束が繰り返

シンポジウムは，実行委員長である筆者の開され，会議の開催・延期・中止の判断ができな

会宣言の後（写真 1），大阪大学・内藤牧男教

い状況が続いた．さらに，開催の約 2 か月前に授の Plenary Lecture から開始された．会期中のは，会場として予定していた大阪国際会議場が，4 日間，5 つの会場を使ったパラレルセッショ

新型コロナウイルスの大規模接種会場として使ン形式を採用し，遅い日は午後 6 時過ぎまで講用されることが急遽決定され，会場が使用でき

演と研究発表が行われた．質疑応答も会場だけないトラブルが発生した．開催直前になってもでなくオンラインも併用し，活発な議論が行わ

会場が決まらず，さらに新型コロナウイルスのれた（写真 2）．さらに，ポスターセッション

動向も予測できず，完全にの状態

では，会場での参加者も各自の PC を用いて発となった．詳細は省略するが，幸運にも，グラ

表者と積極的なディスカッションが行われた．

ンフロント大阪にあるコングレコンベンション

最終的に，基調講演 7 件，招待講演 29 件をセンターを当初の予定通りの会期で会場として含め，16 か国から講演総数 329 件（うちポスター

使用できることになった．新型コロナウイルス

発 表 は 140 件 ）， 参 加 者 総 数 416 名 と な り，の影響で，学外関係者とは対面の会議が難しい

APT の歴史の中では最大の講演数および参加状況であったため，筆者の研究室に所属する仲者数となった（図 1）．また，海外からは 16 か村英也准教授と大﨑修司准教授と筆者の 3 名で国から総計 110 名の参加者があった（表 2）．

四面楚歌– 129 –

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 128–131

Conference Report

写真1 開会式
Photo 1 Opening Ceremony.

写真2 会議風景
Photo 2 Symposium scenery.

なお，APT Excellent Poster Award には国内外

演会場に足を運んで頂いた．結果的には，ハイの 14 名が，粉体工学会の BP（ベストポスター）

ブリッド形式でありながら，全ての講演をライ賞には 4 名が，さらにホソカワ粉体工学振興財

ブ形式としたことで，従来の対面式の講演会と団の Young KONA Award には 6 名がそれぞれ選

遜色のない活発な講演会が開催されたと自負しばれ，最終日の Closing Ceremony において，授ている．これまで全く経験のないコロナ禍での賞式が対面とオンラインの併用で実施された

開催は，予測できないトラブルが多数発生し，（写真 3）．

苦労の連続であったが，APT を日本で開催し開催直前の 9 月末に国内の緊急事態宣言が全た意義は大きいと考えている．次回は，3 年後面解除され，恐々ながら約 120 名の参加者が講の 2024 年にオーストラリアのブリスベンで開– 130 –

Conference Report

Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT No.29(2021) 128–131

基調講演（7件）
ポスター発表（140件）

招待講演（29件）

表2 国別参加者
Table 2 APT2021 Participants by country.

一般口頭発表（153件）

図1 講演種類の内訳
Fig. 1 Breakdown of lecture types.

催されることが決定した．Chair はニューサウ
スウェールズ大学（オーストラリア）の Prof.
Yansong Shen，Co-Chair は カ ン タ ベ リ ー 大 学（ニュージーランド）の Prof. Alex Yip である．
次回の APT2024 では，新型コロナ禍が収束していると推測しているが，アフターコロナでの開催に期待したい．
最後に，本シンポジウムの開催にあたり，ご支援いただいたホソカワ粉体工学振興財団に深謝いたします．

Country

Number

Japan

306

China

17

UK

17

Australia

16

Germany

12

Taiwan

8

Korea

8

New Zealand

8

USA

7

Thailand6

Indonesia

4

Mongolia

2

Italy

1

Netherland

1

Singapore

1

Russia1Vietnam

1

Total

416

Overseas110

写真3 表彰式
Photo 3 Award ceremony.

– 131 –

ホソカワ粉体工学振興財団年報
Hosokawa Powder Technology Foundation ANNUAL REPORT
令和3年度 (2021) No.29

発行日

2022年5月25日

Publication Date

May 25th, 2022

発行者

公益財団法人ホソカワ粉体工学振興財団

Publisher

Hosokawa Powder Technology Foundation

発行責任者

奥山 喜久夫

Editor in Chief

Kikuo Okuyama

事務局長

横山 豊和

Secretary General

Toyokazu Yokoyama

公益財団法人 ホソカワ粉体工学振興財団〒573-1132 大阪府枚方市招提田近1丁目9番地（ホソカワミクロン株式会社 内）

Hosokawa Powder Technology Foundation
1-9, Shodaitajika, Hirakata-shi, Osaka 573-1132, Japan(within Hosokawa Micron Corporation)

TEL: +81 (72) 867-1686, FAX: +81 (72) 867-1658
E-mail: contact_zainfo@hmc.hosokawa.com
URL: http://www.kona.or.jp