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Apr 02, 2023

細長い粒子の添加により細粒の直線的な流れを強化

Rapporti scientifici Volume 5,

Scientific Reports volume 5、記事番号: 16071 (2015) この記事を引用

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砂時計は流量が一定であるため、何千年もの間、時間を記録するために使用されてきました。 しかし、現在では、その重大な科学的重要性と広範な産業上の応用により注目を集めています。 二成分粒状系に細長い粒子が存在すると、その形状が流れに対する大きな抵抗を意味するため、望ましくない流れが生じると考えられています。 しかし、私たちの実験では、細長い粒子を添加すると、細粒の流れの変動が大幅に減少し、砂時計のような安定した直線的な流れが得られることが実証されました。 実験データと流れ力学の以前の報告に基づいて、我々は、線形の流れが、流れの配向、凝集の減少、局所的な摂動などの「針状粒子効果」によって駆動されることを観察しました。 この現象は、細粒や細長い二次粒子を含むいくつかの二成分粒状系で観察されており、この単純な方法が産業における粒状流の正確な測定に広く適用できることを示しています。

砂時計は、砂の一定の流れに依存する計時装置です1。 これらのデバイスは何千年も研究されており、粒状流の挙動に関する基本的な科学的問題について具体的な洞察を得る便利なシステムを提供します。 「一粒の砂の中に世界を見る…」2という詩の通り、粒状物質はさまざまなプロセスにおいて重要であり、多くの固有の固有現象を示します3、4、5、6。 過去 2 世紀にわたる粒状研究の過程において、古典的な現象 7,8 と典型的な実験研究 9,10 は主に、直径が数百マイクロメートルを超える粗くて凝集性のない粒子に関連していました。 しかし、増え続ける証拠 11 は、私たちの生活のほぼすべての側面における細粒剤の広範な適用にもっと注意を払う必要があることを示しています。 たとえば、砂時計のような細かい粒状の直線流は、食品生産、化学工学、医薬品製造において、得られる製品の品質を直接制御するために使用されます。

それにもかかわらず、粒状流は依然として複雑な科学的問題です。 多数の未解決の流れメカニズムについては、広範な調査が必要です12、13、14。 砂の砂時計で報告されている振動現象は、実験と数値シミュレーションによって確認されており、空気と固体の相互作用と自発的な砂の組織化に起因すると考えられています。 空隙率、配位数、速度の大きさ、応力などの流れパラメータに関連する流れ変動17は、2D離散モデルを使用して定量的に研究されており、砂時計内の3つの領域18が粒状排出に対する間質液の影響に関する研究から得られています。 Vivanco et al.19 は、速度変動は断続的なアーチのネットワークと強力な力の連鎖に起因すると考えています。 強い粒子間力は、自然に糸状の力の連鎖の不均一な分布を形成します 20,21。 さらに、一連の粒子に沿って伝播する力の連鎖は、一定の圧力に抵抗して固体の動きを妨げるアーチを形成する可能性があります 22,23。 粒状システムのジャミング遷移に関して、Majmudar 24 と Valverde 25 は、応力と体積分率の間のべき乗則挙動を観察し、出口直径と粒子サイズの比が増加するにつれて粒状ジャミング確率が減少することを報告しました 26。

通気と振動27は、細粒流を改善することが実証されています。 一般に信じられているのは、針状の形状は高い移動抵抗係数を示すため、二成分粒状混合物中に針状の粒子が存在すると、流動性に悪影響を与える可能性があるということです。 この手紙では、針状粒子を微粉末に添加すると、砂時計の流れに似た直線的な流れが生じることを報告します。 また、その移行メカニズムを体系的に解明します。 この直観に反する結果は、私たちにこの分野で先駆的な研究を行う機会を与えてくれます。

異なる二成分顆粒系について、重量損失曲線は伸長粒子の質量分率（w）の関数として図1a、c、eにプロットされています。 w の増加に伴って曲線の形状は徐々にテラス状から直線状に移行し、約 10 ～ 15 wt% で最良の直線状の流れが観察されます。 不連続な流れの発生は、流れの中に周期的な時間が存在することを示します。 アーチ状の状態に対応する多くの場合、ゼロ速度点が存在します1。 流体の場合とは対照的に、流量は最後の数センチメートルを除いて層の高さに依存しません。 針状粒子の添加により、排出プロセス全体における重量減少曲線の直線性が向上します。 w が増加すると、振動振幅と逐次周期性が減少します (図 1b)。 図1の変動流量の時系列を見ると、wが増加するにつれて、振幅の小さい変動速度と直線的な無重力曲線が得られることがわかります。 図2aでは、粒状流の直線性度（δ）は稲わらの添加により急速に減少します。これは、無重力曲線に対応する不安定な流れから連続的な流れへの移行に対応します。 また、変動強度（I）の傾向はδと同様であり、いずれも最小値は10～15％程度の範囲にあります。 この結果は、添加量を最適化した場合の粒状の流れが、時間の経過を計測する方法としてよく使われる砂時計の粒状の流れに類似していることを意味します。 変動の減少は、粒状流が安定していることも示しています。

D0 = 32 mm の開口部からのさまざまな二成分粒状システムの流れ挙動曲線。

(a) ガラスビーズと柱状粒子の混合物の減量曲線、(b) ガラスビーズと柱状粒子の混合物の変動速度、(c) 石炭と柱状粒子の混合物の減量曲線、(d) 石炭と柱状粒子の混合物の変動速度石炭と柱状粒子のブレンド、(e) 石炭と稲わらのブレンドの減量曲線、(f) 石炭と稲わらのブレンドの変動速度。

針状粒子の質量分率の関数としての変動パラメータ。

(a) δ 対 w、(b) I 対 w。

興味深いことに、この現象がいくつかのバイナリ粒状システムで観察され、構成関係を抽出できることがわかりました。 詳細な比較により、凝集性粉末に針状粒子を添加すると線形流動力学が強化されることが実証されています。 この観察は普遍的な現象である可能性があります。

細長い粒子を微粉末に添加すると、微粒子の直線的な流れにプラスの影響があり、細長い粒子の含有量が約 10 ～ 15 wt% のときに最良の直線的な流れが観察されます。 この現象は、二次粒子の形状が針状であることから「針粒子効果」と呼ばれています。 微視的な粒状系から巨視的な粒状系まで、凝集の減少、針状粒子の配向、巨視的な流れパターンに基づいて針状粒子効果のメカニズムを理論的および実験的に解析します。

wを大きくすると粒子間力により微粒子が針状粒子に付着します（図3）。 大きな粒子が形成されると粒子間の凝集力が低下し、その結果、接触力が低下します。 一方、針状粒子は機械的相互作用によるアーチを避け、ホッパー出口付近の流れ方向に沿って均一な垂直方向に流れます（図4）。 微視的レベルでは、凝集性粉末の流れの変動は主に断続的なアーチのネットワークと複雑な力の連鎖によって制御されます28。 アスペクト比と配向が大きいため、針状粒子には摂動長があり、その前後の振動により応力の伝達がより均一になる可能性があります21。 私たちは、応力の伝達は均一な配向と効果的なパッキングの組み合わせによって生じると主張します。 針状の形状のため、粒子は二元粒状系全体に広く広がる繊維のように振る舞います。 それぞれの針状粒子は、応力方向が似ているため、より多くの微粒子を引き寄せる応力磁石に似ています。 したがって、微粉末システムにおける針状粒子の役割は、交通渋滞に対処する警察官の役割に似ています。

凝集・付着状態の画像。

(a) 微粉炭、(b) 稲わら表面に微粉炭が付着、(c) ガラスビーズ、(d) 柱状粒子に微粒子ガラスビーズが付着。

粒状流パターンの進化における針状粒子の配向。

(a) 静止状態、(b) 0.5 秒後の流動状態。

私たちの研究により、別の驚くべき観察結果が明らかになりました。流量は範囲 で強化されます。ここで、b は針状粒子の幅、d はホスト粒子の直径です。 針の粒径が小さくなると、摂動面が減少し、複雑な力の連鎖が強化されるため、流れ抵抗力が増加します。 大きな針状粒子の場合、寸法効果のため、フロー顆粒システムは基準 (D はホッパーの内径、D0 は出口の直径) に適合する必要があります。

流れパターンの遷移を定量的に特徴付けるために、クラスタリングの程度を示す凝集強度 (σp) が導入されます。 σp は次のように定義されます。ここで、ε は粒状システムの空隙率、F は粒子間力、d は石炭粒子直径です。 なお、dは垂直配向かつ針状粒子の数が少ないため、付着後の粒径である。 私たちの以前の研究では、次の方程式を導き出しました: ここで、c は FT-4 粉末レオメーターを使用して測定できる凝集強度、A は水平断面の断面積です。 したがって、σp は次のように表すことができます。 ここで、σp の減少は主に細長い粒子の侵入と付着に起因します。 質量分率が特定の値を超えると、機械的相互作用が増加するため、凝集力と直径の両方が増加します。 したがって、複合効果により σp に小さな変化が生じます。 図 5 の定量的な結果は、流れの挙動に関する以前の議論と一致しています。

w の関数としての σp。

凝集性粉末の不安定な排出を引き起こす主なメカニズムは、複数の代替アーチング段階とブレークアーチング段階です。 つまり、振動流の存在は不安定アーチによって生成されます。 図 6 にこの現象の概要を示します。 微粉末は粒子間結合が強いため、ホッパー出口付近でアーチを形成しやすく、このアーチが一定の応力に耐えることがあります。 このアーチは、その重量と上にある粒子からの応力によって壊れる可能性があります。 振動プロセスは、流量が不安定になる直接の理由であり、図 6a17、19 の結果に対応します。 針状粒子を追加すると、力の強度が効果的に減少し、それによってアーチが粉砕されて連続的な流れが生成されます。 針状粒子の濃度が高い場合、機械的相互作用が粒状流に抵抗する大きな役割を果たす可能性があります。

さまざまなサンプルのアーチ流と連続流の比較。

(a) 微粉炭、(b) 石炭と稲わらのブレンド (15 wt% の稲わら)。

この研究結果は、針状粒子はアスペクト比が大きいため機械的影響をもたらすため、望ましくない流動挙動を引き起こすという従来の考えに矛盾します。 興味深いことに、針状粒子の添加を最適化すると、微粉末の流れ挙動が効果的に改善され、ホッパー内で直線的な流れが得られます。 参考文献に記載されているように。 3 分間の圧力変動により、砂時計の流れが一時的に停止する可能性があります。 非密閉型ホッパーでは、細粒の直線的な流れによって、凝集強度の低下と流れの向きが制御される可能性があると予想されます。 微粒子の付着と針状粒子の垂直配向により小さな凝集力が生じ、アーチ現象やジャミング現象が起こりにくくなります。 針状粒子が高密度の凝集性粉末に侵入すると、不安定なアーチがさらに破壊され、安定した流れが得られる可能性があります。 凝集強度の低下は、断続的な流れから連続的な流れへの移行の直感的な証拠を提供します。 したがって、我々の結果と文献 27 に示されている証拠を考慮すると、針状粒子の添加により細粒の流れの直線性が効果的に改善できると結論付けます。 これまでの研究から、針状二次粒子のwが適切な範囲を超えると、強い機械的影響により流動特性が悪化することがわかっています。 したがって、必要な流動挙動を得るには、適度な量の二次粒子を追加する必要があります。

要約すると、少量の針状粒子を凝集性粉末に添加すると、砂時計の場合と同様に直線的な流れが改善されます。 実用的な観点から見ると、粒状流の普及と流動性の重要性により、この研究は生産用途に広く使用できる可能性があります。 断続的な流れから連続的な流れへの移行について、支配的なメカニズムを明らかにしました。 エアレーションや機械的方法ではなく、二次粒子の添加により化学変換に対する不活性性が向上し、安定した流れが向上します。 最も重要なことは、このアプローチは正確な測定が要求される医薬品の製造に適用でき、詳細な理論的枠組みを完成させるための新しいアプローチが開かれる可能性があることです。

針粒子効果を確認するために、微粉炭、微細ガラスビーズ、稲わら、PVC製カラムを選択しました。 石炭およびガラスビーズのザウター径は、それぞれ２２．１μｍおよび１７．９μｍであった。 稲わらと柱のアスペクト比はそれぞれ 4.31 と 5.39、幅は 325 μm と 395 μm であった。 水分含有量は粉末の流動特性に影響を与える重要な要素であるため、実験材料の水分含有量は、MA150 赤外線水分計で測定して 2% 未満に制御されました。

実験システム（図7）は、透明なホッパー、重量センサーシステム、高速カメラで構成されています。 実験は粒状流が安定かつ連続的であるという前提で行われました。 前回の研究では、ホッパーが重力排出の調査を通じて実験基準を満たすことが証明されました。 その構造パラメータは以下の通りである：カラム直径１５０ｍｍ、半開き角１５°の円錐、出口直径３２ｍｍ、高さ２２０ｍｍ。 明確な針状粒子の配向を捉えるために、2 次元ホッパー (幅 1.5 cm) と高速度カメラが使用されました。 ホッパーの幅は針状粒子の最長の長さの 5 倍であり、寸法効果により粒子の垂直配向が回避されました。 排出量の安定性を分析するために、オンライン動的重量システムを使用してホッパー重量の変化を記録しました。 このデータは、質量変化曲線を構築するために使用できます。 接着の発生を確認するために、走査型電子顕微鏡でブレンドの顕微鏡画像を収集した。

実験システムの概略図。

粒状流の変動を正確に定量化するには、平均流量を と書くことができます。ここで、m はサンプルの総重量、t は流動時間です。 直線性の度合い (δ) は次のように定義されます。ここで、Δmmax は瞬間質量と線形質量の間の最大偏差です。 瞬間速度 (Wt) は次のように定義されます。ここで mi と ti はそれぞれ瞬間質量と時間です。 変動速度（W'）は で計算できます。 流れの安定性を定量化するには、変動強度 (I) を次のように表すことができます。

凝集力 (c) は、せん断応力軸上の降伏軌跡の切片に対応し、多くの場合、顆粒の相互噛み合いによる抵抗と、凝縮とコロイドの結合効果で構成されます。 せん断試験後に得られます。

この記事を引用する方法: Guo, Z. et al. 細長い粒子の添加により細粒の直線的な流れを強化します。 科学。 議員 5、16071; 土井: 10.1038/srep16071 (2015)。

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著者らは、国家主要技術研究開発プログラム (2012BAA09B02)、大学における新世紀優秀人材プログラム (NCET-12-0854) に感謝します。

教育省石炭ガス化およびエネルギー化学工学の主要研究室、華東科学技術大学、私書箱 272、上海、200237、中国

Zhiguo Guo、Xueli Chen、Yang Xu、Haifeng Liu

上海工程石炭ガス化研究センター、華東科技大学、私書箱 272、上海、200237、中華人民共和国

Zhiguo Guo、Xueli Chen、Yang Xu、Haifeng Liu

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HFL と XLC は実験を考案し、設計しました。 ZGG と YX はほとんどの実験を実行し、データを分析しました。 著者全員が結果の議論と原稿の執筆に貢献しました。

著者らは、競合する経済的利害関係を宣言していません。

この作品は、クリエイティブ コモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされています。 この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、クレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれています。 素材がクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれていない場合、ユーザーは素材を複製するためにライセンス所有者から許可を得る必要があります。 このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

Guo、Z.、Chen、X.、Xu、Y. 他。 細長い粒子の添加により細粒の直線的な流れを強化します。 Sci Rep 5、16071 (2015)。 https://doi.org/10.1038/srep16071

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受信日: 2014 年 11 月 19 日

受理日: 2015 年 10 月 6 日

公開日: 2015 年 11 月 9 日

DOI: https://doi.org/10.1038/srep16071

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