JP4423500B2 - アニュラー型ビーズミル、該ビーズミルを備える顔料分散システム、及び該顔料分散システムを用いた顔料分散方法 - Google Patents

Description

本発明は、円筒状のローターを有するアニュラー型のビーズミルに係り、特に、塗料、インクの分散工程において分散されるべきペーストに配合（予備混合）されている顔料、即ち二次粒子からなる顔料の凝集体を一次粒子に解砕してペースト中に分散させ、顔料が均一で微細に分散された分散ペーストを得るためのビーズミルに関する。

従来のビーズミルにおいては、顔料を分散処理した顔料ペーストと分散メジア（いわゆるビーズ）とを分離する機構として、ギャップセパレータ或いは分離スクリーンが一般に知られている。

また、これらのギャップセパレータや分離スクリーンに代えて遠心分離装置を設け、遠心分離装置によって分散メジアを排出口から遠ざけるように構成したアニュラー型ビーズミルが知られている（例えば、特許文献１等参照）。
特開２００２−３０６９４０号公報

近年、より微細な顔料分散への要求が高まっている。より微細な顔料分散を得るには、ビーズミルに収容されている分散メジアの粒径をより小さくする方法と、ビーズミルを攪拌機と循環接続し、その循環流量を高める方法とが考えられる。

しかしながら、従来の分離スクリーンのみ或いはギャップセパレータのみを用いたビーズミルでは分散メジアの粒径を小さくするには限界がある。

即ち、ローターとベセルに固定されたステーターとのクリアランスによって顔料ペーストと分散メジアとを分離するギャップセパレータでは、ローターの回転軸が熱膨張により伸縮するため、クリアランスは０．１ｍｍが限界であり、従って、直径０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの分散メジアが使用できる限界である。しかも、粘度の比較的高い塗料、インキ等の顔料ペーストでは、ギャップセパレータのローターとステーターとの間のクリアランスを小さくすると圧力損失が大きくなるため直径０．５ｍｍのメジアが使用限界である。

また、分離スクリーンは、ギャップセパレータに比べて開口面積（総面積）が大きく採れるが、液の流動がギャップセパレータに比べて悪いため、クリアランスは０．１ｍｍ程度が限界であり、直径０．３ｍｍの分散メジアが限界である。特に、構造粘性の大きい顔料ペーストでは圧力損失が大きくなる欠点がある。さらに、分散顔料による目詰まりの問題も生じ易い。

さらに、上記従来のビーズミルを攪拌機と循環接続した場合、循環流量を高めると、分離スクリーン及びギャップスクリーンに目詰まりを起こしてしまうという問題もあった。また、循環流量が少なくても、分散ペーストの粘度が高い場合には、前記目詰まりが生じ易いという問題がった。

一方、分離スクリーン及びギャップセパレータに代えて遠心分離装置を採用することにより上記問題を解消したアニュラー型ビーズミルは、構造上、特に高粘度の顔料ペーストを処理した後の洗浄時間が長くなり、洗浄性にやや問題があった。

即ち、従来の遠心分離装置を採用したアニュラー型ビーズミルでは、図５に示すように、ベセル４０内で分散処理された顔料ペーストは、遠心分離装置４１を構成する回転羽根体の上部から、ローター４２の中空回転軸４２ａ内壁と回転駆動軸４１ａとの隙間Ｇ１を通り、中空回転軸４２ａに形成された通孔４２ｂを通って、更に、中空回転軸４２ａと外管４３との隙間Ｇ２を通って、排出口４４へ導かれる。

一般に、この種のビーズミルでは、色替え毎に洗浄液又は洗浄水を通して洗浄するが、斯かる構成を有する従来のビーズミルでは、隙間Ｇ１、Ｇ２、特に隙間Ｇ１における通孔４２ａの上部、及び、Ｇ２における排出口４４の上部の隙間は、洗浄液又は洗浄水が行き届きにくいために洗浄性が良くなく、しかもこの隙間を構造上無くすことが技術的に困難であった。

そこで、本発明は、分散メジアによる目詰まりを生じることなく、微小粒径の分散メジアが使用可能で、しかも、洗浄時間を短縮し得る顔料分散用アニュラー型ビーズミルを提供することを目的とする。

また、本発明は、斯かるビーズミルを攪拌機と循環接続することにより、高粘度の顔料ペーストであっても大流量循環分散を可能とする顔料分散システム及び分散方法を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、上部に供給口が形成され、底部に排出口が形成された円筒状のベセルと、前記ベセル内に該ベセル内壁との間に顔料分散を行うための環状隙間を形成するように配置されるとともに分散メジアの通過し得る循環用開口部が形成された周壁と、回転駆動軸に支持された上壁とを有し、且つ、下部開口とされ円筒状のローターと、前記ローター内に配置され、前記排出口と連通して前記ベセルの底部に支持された分離スクリーン又はギャップセパレータと、遠心作用によって顔料ペースト中の分散メジアを前記ローター内から前記循環用開口部を通して前記環状隙間に送り出すように、前記分離スクリーン又はギャップセパレータの周囲を囲む回転羽根が形成された遠心分離装置と、を有し、前記ローターの回転駆動軸を中空軸とし、該ローターの回転駆動軸の中空内に前記回転羽根の回転駆動軸を挿通したことを特徴とするアニュラー型ビーズミルにより達成される。

また、本発明の上記目的は、前記ビーズミルと回転軸により回転駆動する平パドル翼を内部に備える攪拌機とを循環用ポンプを介して循環ラインによって接続したことを特徴とする顔料分散システムによっても達成される。前記平パドル翼は、前記回転軸の底部から側方に延在する底部平パドル翼部と、該底部平パドル翼部の両側端上部から上方に伸びる矩形状をした上部平パドル翼部とを有することが好ましい。

また、本発明の上記目的は、前記顔料分散処理システムを用いた顔料分散方法であって、粘度が０．３〜１０Ｐａ・ｓの顔料ペーストを、循環流量を６００〜９００ｋｇ／時として分散処理することを特徴とする顔料分散方法によって達成される。

本発明によれば、上記構成を採用したことにより、遠心分離装置によって分離スクリーン又はギャップセパレータから顔料ペースト中の分散メジアが引き離されるように作用するので、従来の分離スクリーンやギャップセパレータのみのビーズミルに比べて、より小径の分散メジアを使用することができ、しかも、攪拌機と循環接続した場合に高粘度の顔料ペーストであっても大流量循環分散が可能であることに加え、洗浄水又は洗浄液の行き届きにくい箇所を無くすことができるので、洗浄性を向上させることができる。

本発明に係るビーズミルの好ましい実施形態について以下に図面を参照して説明する。なお、全図を通し、同様の構成部分には同符号を付した。

図１はビーズミルの縦断面図、図２は図１のII−II断面図である。図１に示すように、ビーズミル１は、分散されるべきペーストを供給する供給口２が上部に形成されるとともに分散された顔料ペーストを排出する排出口３が底部に形成された円筒状のベセル４内に、外周面が円筒状のローター５が内装されている。

ベセル４の内壁とローター５の周壁との間には、顔料をペースト中に分散させるための環状隙間Ｘが形成されている。ローター５は、上壁５ａが回転駆動軸５ｂによって支持されている。回転駆動軸５ｂは、ベセル４の上壁に形成された開口部４ａから突き出ている。回転駆動軸５ｂは、ベセル４に固定された外管４ｂ内に収容されている。外管４ｂ及び開口部４ａと回転駆動軸５ｂとの隙間は、メカニカルシール（メカシールとも言う）６によって液密的に封じされている。メカニカルシール６は、洗浄時の洗浄液滞留部を無くすために、外管４ｂ内の下端部に配置することが好ましい。

ローター５は、下面開口の略吊り鐘形状をしている。ローター５の下端とベセル４の底内壁と間には、分散メジア及び顔料ペーストの通過し得る間隙Ｙが設けられている。ローター５の回転駆動軸５ｂは中空軸となっている。ローター５の周壁には、分散メジアの通過し得る循環用開口部５ｃが形成され、循環用開口部５ｃは、図示例では縦方向に平行に延びる複数本のスリットによって形成されている。

ローター５の内側には分離スクリーン７が配置され、分離スクリーン７は、ベセル４の底部中央に支持体８によって支持されている。支持体８には、分離スクリーン７の内部と連通する排出口３が形成されている。

ベセル４の内底部略中央にステーター９を固定することができ、支持体８は、ステーター９を貫通して取り付けられる。ステーター９とローター５との間に形成された隙間によって顔料ペーストのための流路が形成されている。ステーター９は、ローター５の内側とステーター９の外壁との間の隙間によって速度差を与え、ローター５の外周と同様に分散を行う役割も果たす。ステーター９は、図示の例では、円柱体で形成されているが、円錐形等の種々の形状のものを採用することができる。

ローター５の内側には、更に、分離スクリーン７を囲んで遠心分離装置１０が配置されている。遠心分離装置１０は、回転駆動軸５ｂの中空内を通り回転駆動する回転駆動軸１０ａと、回転駆動軸１０ａによって支持された回転羽根１０ｂとを有している。回転駆動軸１０ａと回転駆動軸５ｂとの間の隙間は、メカニカルシール１１によって液封されている。メカニカルシール１１は、洗浄時に洗浄液が行き届きにくいような凹所又は洗浄液滞留部を無くすために、回転駆動軸５ｂ内の下端部に配置することが好ましい。

図示例において回転羽根１０ｂは、分離スクリーン７を囲む筒状部に縦長のスリットを径向き又は径方向に対して傾斜面を持たせて形成することによって構成されている。回転羽根１０ｂは、平羽根、矢羽根、捻り羽根等の種々の遠心羽根を採用することができ、羽根の中心部において吸い込み、周方向に押し出す作用、即ち遠心ポンプとしての作用を有する。勿論、回転羽根１０ｂは、筒状部にスリットを形成するのではなく、羽根部品を個別に取り付けることによって形成しても良い。回転羽根１０ｂの羽根間の間隔は、分散メジアが通過するのに十分な幅とされる。

ベセル４には、冷却液循環路４ｃが形成され、冷却液循環路４ｃ内に冷却液供給部４ｄより冷却水等の冷却液が導入され、冷却液排出部４ｅより排出され、ベセル４内の温度上昇を防止するようになっている。また、ステーター９の内部にも同様に冷却液循環路９ａが形成され、ベセル４内の温度上昇を防止するようになっている。

上記構成を有するビーズミルの作用効果について、以下に説明する。

分散されるべき顔料ペースト（顔料、ワニス、溶剤の予備混合物）は、図示しない攪拌機で攪拌された後、図外のポンプ作用で供給口２よりベセル４内に圧送される。ビーズミル１のベセル４内には、予め分散メジア（不図示）が収容されている。

顔料ペーストをビーズミル１に送る前記ポンプ作用により、供給口２から供給された顔料ペーストは、環状間隙Ｘ、間隙Ｙ、ローター５の内側を通り、分離スクリーン７を通って排出口３から排出される。

顔料ペーストは、環状間隙Ｘから分離スクリーンに至る迄の間に、ローター５の回転により、分散メジアとともに攪拌され、分散メジアによって顔料の凝集体が一次粒子に分散される。ローター５の回転速度は、約１０００〜１６００ｒｐｍとすることができる。

遠心分離装置１０は、環状間隙Ｘからローター５内に顔料ペーストと共に送られてくる分散メジア（不図示）に遠心力を付与する。この場合、回転羽根１０ｂの回転速度は、約１６００〜２０００ｒｐｍとすることができる。

顔料ペーストに比べて比重の大きい分散メジアは、遠心力によって回転羽根１０ｂの外側に押しやり、ローター５に形成された循環用開口部５ｃを通過し、再び環状間隙Ｘに戻される。斯かる作用によって、分散メジアは、環状間隙Ｘとローター５内を循環する。

また、遠心分離装置１０は、分散メジアを分離スクリーン７から遠ざけるので、分離スクリーン７の目詰まりが防がれる。そのため、クリアランスが０．１ｍｍの分離スクリーン７を使用して、直径０．１ｍｍの小径分散メジアを使用することが可能となる。このような小径分散メジアを使用することにより、従来達成し得なかった微細な顔料分散が可能となるのである。分散メジアとしては、例えば、ジルコニアメジア等の公知の分散メジアを使用できる。

また、分散ペーストが、例えば、５Ｐａ・ｓ程度の高粘度であっても、遠心分離装置１０の遠心分離作用により、分散メジアが分離スクリーン７から離反されるので、分離スクリーン７が目詰まりすることなく、分散処理することができる。

上記のようにして、分散メジアは、環状隙間Ｘから分離スクリーン７へ、顔料ペーストの流動により移動し、回転羽根１０ｂにより循環用開口部５ｃを通じて元に戻る循環を繰り返す。この間、ペースト中に配合された顔料の凝集粒子体（二次粒子）は、ベセル４内壁とローター５外壁との間の環状隙間Ｘにおいて分散メジアとの衝突により生じる剪断作用により一次粒子に分散される。

上記構成を有するビーズミル１は、供給口２から洗浄液又は洗浄水を圧入して排出口から排出することにより洗浄されるが、洗浄液又は洗浄水が従来のような隙間Ｇ１、Ｇ２（図５参照）を通過しないので、洗浄液の滞留箇所を無くすことができ、洗浄性が向上する。

なお、上記実施形態では、分離スクリーンを備える例について説明したが、図３に示すように、分離スクリーンに代えて、ギャップセパレータ２０を採用したビーズミル１’とすることもできる。この場合、顔料ペーストは、ギャップ２０ａを通じて排出口３から排出され、分散メジアは遠心分離装置１０によってギャップ２０ａから遠ざけられるので、０．１ｍｍのギャップであっても、直径０．１ｍｍの分散メジアを使用することが可能となる。なお、図示便宜上、ギャップ２０ａは、拡大して描いてある。

本発明に係るビーズミルは、攪拌機と循環用ポンプを介して循環接続した顔料分散システムとすることにより、より高い分散効果を発揮することができる。以下に、顔料分散システムについて、図４を参照しつつ説明する。

顔料分散システムは、図４に示すように、ビーズミル１が循環用ポンプ３０を介して循環用配管３１により攪拌機３２と循環接続されている。ビーズミル１は、上記第１実施形態のものと同様の物を使用している。

攪拌機３２は、上部に処理液供給口３３を備え底部に処理液取出口３４を備え周囲が円筒状をした攪拌槽３５と、攪拌槽３５の内部に垂設された回転軸３６と、回転軸３６に取り付けられた平パドル翼３７と、を有している。処理液供給口３３は、ビーズミル１の排出口３と接続され、処理液取出口３４は、ビーズミル１の供給口２と接続されている。

平パドル翼３７は、回転軸３６の底部から側方に延在する底部平パドル翼部３７ａと、底部平パドル翼部３７ａの両側端上部から上方に伸びる矩形状をした上部平パドル翼部３７ｂとを有している。

攪拌機３２は、攪拌槽の内径（ａ）と底部平パドル翼部３７ａの翼径（ｂ）との寸法比（ｂ／ａ）を０．６〜０．９、好ましくは０．６〜０．８の範囲内となるように設計されている。寸法比（ｂ／ａ）が０．６未満になると、攪拌槽３５の内径に比して翼径が小さくなりすぎるために槽壁面に滞留する顔料ペーストが多くなり、一方、寸法比（ｂ／ａ）が０．９を超えると、攪拌槽３５の内径に比して翼径が大きくなり過ぎるために顔料ペーストの短絡が生じ易くなるからである。

平パドル翼４は、底部平パドル翼部３７ａの高さ（ｃ）と上部平パドル翼部３７ｂの高さ（ｄ）との寸法比（ｄ／ｃ）が１〜４、好ましくは１〜３の範囲内に設計されている。この高さの寸法比（ｄ／ｃ）が、１未満、つまり上部平パドル翼部３７ｂの高さ（ｄ）が底部平パドル翼部３７ａの高さ（ｃ）に比して低くなり過ぎると、攪拌時の所要動力が大きくなるため、製品のコストが高くなったり、機械に負担がかかるため老朽を早めたり、また顔料ペーストの短絡も起こり易くなるといった欠点があり、一方、寸法比（ｄ／ｃ）が４を超えると、つまり上部平パドル翼部３７ｂの高さ（ｄ）が底部平パドル翼部３７ａの高さ（ｃ）に比して高くなり過ぎると、槽内で顔料ペーストが均一に混合できないといった欠点があるからである。

上記構成を有する顔料分散システムによれば、分散メジアとして直径０．１ｍｍのジルコニアメジアを使用し、約０．３〜１０Ｐａ・ｓ程度の顔料ペーストであれば、循環流量を約６００〜９００ｋｇ／時で分散することが好適である。

循環流量は大きいほど好ましいが、顔料ペーストの粘度が１０Ｐａ・ｓを越えると粘性抵抗により遠心分離装置１０（図１参照）及び循環用ポンプ３０への負荷が大きくなるため６００ｋｇ／時程度迄とすることが好ましく、粘度が０．３Ｐａ・ｓより小さい場合は、循環流量を９００ｋｇ／ｈより大きくすると、遠心分離装置１０への負担が大きくなるため好ましくないからである。

本発明に係るビーズミルの好ましい実施形態を示す縦断面図である。 図１のII−II断面図である。 本発明に係るビーズミルの他の実施形態を示す縦断面図である。 本発明に係る顔料分散システムを概略的に示すシステム図である。 従来のビーズミルを示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＶ−ＩＶ断面図である。

符号の説明

１ ビーズミル
２ 供給口
３ 排出口
４ ベセル
５ ローター
５ｂ 回転駆動軸
５ｃ 循環用開口部
６ メカシール
７ 分離スクリーン
８ 支持体
９ ステーター
１０ 遠心分離装置
３２ 攪拌機
３７ 平パドル翼
３７ａ 底部平パドル翼部
３７ｂ 上部平パドル翼部

Claims (4)

1. 上部に供給口が形成され、底部に排出口が形成された円筒状のベセルと、
   前記ベセル内に該ベセル内壁との間に顔料分散を行うための環状隙間を形成するように配置されるとともに、分散メジアの通過し得る循環用開口部が形成された周壁と、回転駆動軸に支持された上壁とを有し、且つ、下部開口とされた円筒状のローターと、
   前記ローター内に配置され、前記排出口と連通して前記ベセルの底部に支持された分離スクリーン又はギャップセパレータと、
   遠心作用によって顔料ペースト中の前記分散メジアを前記ローター内から前記循環用開口部を通して前記環状隙間に送り出すように、前記分離スクリーン又はギャップセパレータの周囲を囲む回転羽根が形成された遠心分離装置と、を有し、
   前記ローターの回転駆動軸が中空軸とされ、該ローターの回転駆動軸の中空内に前記回転羽根の回転駆動軸が挿通されていることを特徴とするアニュラー型ビーズミル。
2. 請求項１記載のビーズミルと回転軸により回転駆動する平パドル翼を内部に備える攪拌機とを循環用ポンプを介して循環ラインによって接続したことを特徴とする顔料分散システム。
3. 前記平パドル翼は、前記回転軸の底部から側方に延在する底部平パドル翼部と、該底部平パドル翼部の両側端上部から上方に伸びる矩形状をした上部平パドル翼部とを有することを特徴とする請求項２に記載の顔料分散システム。
4. 請求項２又は３に記載の顔料分散処理システムを用いた顔料分散方法であって、粘度が０．３〜１０Ｐａ・ｓの顔料ペーストを、循環流量を６００〜９００ｋｇ／時として分散処理することを特徴とする顔料分散方法。

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