粉体の固結の機構・因子・評価・対策

固体塊を砕いたり、溶液を乾燥させたりして細かい粒子の集合である粉体にするのは取扱上、使用上、都合のよいことがでてくるからである.例えば、溶かしやすく、分けやすく、運びやすく、混ぜやすくなる.しかし、同時に都合の悪いこともでてくる.例えば、嵩高くなり、飛散しやすくなり、付着・凝集しやすくなる.さらに付着・凝集したものが強固に固まり、岩おこしのような団塊になることもある. 　この団塊となる現象を固結 (Caking) および/または焼結 (Sintering) と呼ぶ.固結は主に液体の存在や温度変動が原因で起る.焼結は主に融点近くの温度での加熱が原因で起り、ある意味では固結の一部とも言える.制御された固結は造粒および乾燥操作、管理された焼結は粉末冶金の操作であり、どちらも広い分野で工業利用されているものである.しかし、自然に起る固結の機構は複雑で、明確でないことが多い. 　固結対策を図るにはまず、その原因を特定することが重要である。これにより対策を検討できる.しかし、固結は粉体トラブル対策に関する成書で必ず取り上げられるが、その内容は基本的な説明のみのものが多く、十分に対策を図る資料にはならないことが多い. 　そこで本セミナーにおいては近年、多く発表されている糖類などの固結に関する研究論文、および固結に関する公開特許をベースとして、数百℃での焼結は除いた固結の機構、因子、評価、対策について解説する。

1. なぜ粉体は固結するのか?
   1. 水による固結
      1. 凝縮/溶解/蒸発の繰返しによる固結
      2. ガラス転移による固結
      3. 水和反応による固結
   2. 熱による固結
      1. 溶融/固化による固結
      2. ガラス転移による固結
      3. 化学反応による固結
      4. 熱分解による固結
2. どのような因子が関係しているのか?
   1. 粉体特性の影響
      1. 形状の影響
      2. 充填率の影響
      3. 含水量の影響
      4. 大きさの影響
      5. 配合の影響
         • 高吸湿性粉体
         • 低融点物質
         • アモルファスなど
   2. 環境条件の影響
      1. 温度の影響
      2. 湿度の影響
      3. 粉体圧の影響
      4. 保存時間の影響
      5. 繰返しの影響
3. どのように固結性を評価するのか?
   1. 粉体特性の評価
      1. 平衡水分測定、水蒸気吸着等温線のモデル化
      2. 臨界相対湿度、エルダの仮説とは?
      3. ガラス転移温度の測定、アモルファス含有量の推定
      4. スティッキポイント温度とは?
   2. 固結度合の評価
      1. 一軸圧縮強度の測定
      2. 解砕度の測定
      3. 貫入度の測定
4. どうすれば固結は防げるのか?
   1. 原料の対策
      1. 粉体特性を改善する
         • 粒子形状
         • 粒子大きさ
         • 含水量
         • アモルファス量 等
      2. 表面特性を改善する
         • 粒子を被覆する
         • 予め固結させる
      3. 固結防止剤を添加する
         • 粒子間距離増加する材料
         • 保水剤
         • 高ガラス転移温度材料 等
      4. 配合の変更
   2. 装置・構造の対策
      1. 滞留しない構造とする
      2. 維持管理が容易な構造とする
      3. シール性のよい構造とする
   3. 運転・操作条件の対策
      1. 高温原料の貯蔵、包装は冷却後にする
      2. 反応原料の貯蔵、包装は反応完了後にする
      3. 温度差のある原料を混合しない
   4. 保存条件の対策
      1. 適当な包装材で外気を遮断する
      2. 貯蔵粒子を定期的に再配列させる
      3. 貯蔵粒子に乾燥空気を送る
      4. 過剰な粉体圧を加えない
5. どのような固結対策が特許にはあるのか?
   1. 原料の対策例
   2. プロセスの対策例
   3. 複数の対策の併用例