粉体

粉体 粉体とは。粉体のフレコンバッグでの輸送や粉塵爆発対策について

粉体とは

粉体とは

粉体とは、流動・閉塞・凝集などの性質を持つ固体粒子と媒体の混在した集合体であり、各粒子の間に適当な相互作用力が働いている状態のものを指します。工学上では粉のことを粉体、砂状のサラサラしたものは粒体と区別しています。粉体と粒体を合わせて粉粒体と呼ぶこともあります。粉体という用語は、物理学者の寺田寅彦が1993年に自著において初めて使用したと言われており、比較的新しい言葉です。粉体を構成する粒子は個体微粒子の集合物ですが、液体のように流動したり、気体の中に存在して飛散する性質もあります。液体・気体・固体とも異なる粉体の物理的特性や測定方法・操作方法を研究する学問を粉体工学といいます。粉体工学は粉粒体工学、微粒子工学と扱う粒子の大きさによって区別します。粉体は、ベビーパウダーなどの製品の完成形として、また製品の原料として様々な業界で古くから使用されています。

粉体の性質

粉体の流動性 flowability

固体である個々の粒子が集合した粉体は気体や液体のように流れる性質があります。流動するためには重力、機械的振動、流体を投下させるなど外部からの力が働く必要があります。粉体の流れやすさは流動性と呼び、粉体の粒子径や形状、密度、個々の粒子の相対的な位置の変化など様々な要因が関係する特性です。粉体の流動性は貯蔵・排出・供給・搬送・攪拌・充填・分散など粉体を用いる非常に多くの工程に影響があります。
流動性を表す指標の例
限界口径(重力流動・振動流動)、攪拌抵抗(機械式強制流動)、
圧縮度(圧縮流動)、通気抵抗(流動化流動)

粉体の流動性を測る安息角(傾斜角)

安息角

安息角(流動性) 安息角は粉体の流動性を最も簡単に測ることができる指標です。安息角とは、粉体を平らなところに山状に堆積させ、山の稜線と平板との間の角度のことを指します。。平面に堆積させる場合、粉体を連続的に注ぐ場合とゆっくり注ぐ場合では安息角は変化します。通常、流れやすい粉体は安息角が小さくなります。粒径が小さく付着力が大きい粉体は安息角が大きくなり、流動性が低いです。粒子の大きさと粒子の角の丸みによって安息角は変化します。安息角は注入法・排出法・傾斜法によって計測し、最もよく使われるのが注入方です。注入法は、自然落下の形成粉体層角度で求めます。排出法は、円筒容器底部オリフィスからの粉体排出時形成層角度で求めます。傾斜角法は、粉体を入れた回転円筒容器中で表面が滑り始めたときの傾斜角で求めます。
安息角は平面と、ホッパーなどの円筒容器内では異なる結果になります。

粉体の付着力

粉体付着力

粉体を構成している個々の粒子の間には付着と呼ばれる相互に及ぼしあう力が働いています。例えば、粒子が小さいと粒子が持つ重力よりも壁などに対する粒子の付着力のほうが大きくなるため、粒子は壁に付着した状態を保ち落下しません。このように粒子と壁などの平面間や、種類の異なる粒子間での場合を付着、種類が同じ粒子の場合を凝集と読んで区別することもあります。また単一粒子が他の粒子間を付着、複数の粒子間に生じる場合を凝集とよぶこともあります。またどちらも区別せずに付着性や付着凝集性と呼ぶことも多いです。付着力という特性は、粉体機械のトラブルの原因にもなり、粉体を扱う上では非常に重要なポイントです。

ファンデアワールス力
ファンデアワールス力とはロンドン分散力により2粒子間に働く基本的な相互作用力で、原子同士の引力相互作用を指します。球形の粒子同士だと、粒子表面間距離の2乗に反比例します。粉体の粒子は分子の集合体であり、粒子を構成するそれぞれの分子が引き合い付着が生じます。電子雲が瞬間的に分極し、無極性分子間でも引力が発生します。ファンデアワールス力は、粒子径・接触状態・粒子の組成などの要因で変化します。数10μm以下の粒子では自重より大きくなります。相互作用の大きさはハマーカー定数で特徴づけます。
静電気力
粒子の表面・内部では電子の移動がしづらく、2粒子間の摩擦や衝突、それに伴う粉砕などで粒子の表面から内部に電子の蓄積が発生します。そして表面の過剰電荷のクローン相互作用によって付着が起きます。帯電力によって静電気力は変化し、湿度が低い場合には大きく作用します。粒子を除電することで静電気力は抑えることができます。外部電場がない場合に帯電粒子に作用する静電気力として、帯電粒子間ではクローン力、帯電粒子と無体電粒子では影像力や誘起力が働き、帯電粒子群の空間導電による静電気力が働きます。
液架橋力
液架橋とは気相中の液体が2粒子間の接触部分の空隙に保持されることで、引力が生じる現象です。液架橋力はその付着力を表す言葉です。湿度が高いと液架橋力は大きくなります。親水性粒子では液架橋の現象が発生しやすく、疎水性の場合は発生しづらいです。粒子の表面の密度や、吸着水性状によっても変化します。
液架橋力は、ファンデルワールス力より大きいです。3つの付着力の中で液架橋力が最も作用が大きく、粉体を扱う場合は湿度のコントロールが重要視されます。

粉体の充填とフレコンバッグでの輸送

かさ密度・かさ比重 粉体のフレコンバッグによる輸送

かさ比重

かさ比重は物の質量を空間や隙間を含んだ容積で割って求めます。粉体だけではなく、繊維などを充てんする場合にも用いる指標です。見かけ密度(かさ密度)は、かさ比重と同様に粒子間の空間も含めた密度です。粉体層には空間や隙間が含まれています。そのため、かさ密度=粉体層の質量÷粉体層の体積となります。
この場合の粉体層体積には粒子間の空間、粒子内の空間の両方を含みます。その点で多孔粒子の質量を粒子の体積で割って求めるみかけ粒子密度と区別できます。粒子充填層単位体積あたりの質量は、粒子のみの実質的な質量ではなくかさ密度になるため、同じ粉体であっても充填によって差異が生じます。そのため、粉体をフレコンバッグなどの容器に充てんする場合は、かさ比重やかさ密度で考える必要があります。

粉体輸送パレット
粉体輸送容器

粉体の輸送や保管にはフレコンバッグやパレットを使用します。株式会社ウインテックスのホリキューブは特殊な内部の構造で粉体充てん後も正方形を維持し、傾かず正方形を維持します。それによりデッドスペースを削減し、コンテナ輸送費などを大幅にコストダウン可能です。
またフレコンバッグとセットで使用するパレットは、ホリコンパレットがおすすめです。ネスティングにより、11段積み状態では木製パレットの8割もスペースを削減します。
粉体の輸送コストを削減したい方はぜひ以下のパンフレットをご覧ください。


ホリコンパレットの資料は、こちらからすぐにダウンロード可能です。
資料ボタンをクリックしてご覧下さい。

ホリキューブの資料は、こちらからすぐにダウンロード可能です。
資料ボタンをクリックしてご覧下さい。

充填率と空間率

粉体充てん

粉体粒子をある空間に詰める操作を充てんといいます。充填性とは、充てんした粒子の集合組織構造の作りやすさを示す特性です。粉体の充てん性は、粉体を容器に貯蔵・輸送したりするときのみに使う指標ではありません。粉体成形のうちの圧縮成形法は、粒子の初期充填性が成形体の特性に影響するため特に注意が必要です。粒子の充填構造は、粉体層の内部の粒子の配列を表し、等しい粒子配列の繰り返しを規則充填、配列が異なるものの組み合わせをランダム充填と区別します。粒子の充填状態を示す指標には様々なものがあります。例えば、充填率は粉体層のかさ体積に対する粉体の実質的な体積の比率を指します。充填率+空隙率=1となります。
空間率は最も簡易に充填構造を表現できる指標です。粉粒体層のかさ体積V内の空間の割合を空間率εと呼びε=1-M/(V×ρP)で求めます。Mは粉粒体層に充填された粒子の総質量で、ρPは粒子密度です。充填の密度が高い程、空間率は低くなります。空間率は粒子の集合体の平均値で、個々の配列を示す指標ではありません。

粉塵爆発対策

粉塵爆発とは

粉じん爆発とは、粉体が空気中に浮遊している状態で発火源が発生し急激に温度が上昇して大きな圧力が発生する現象です。小麦粉は一か所にまとまった状態ではマッチを近づけてもなかなか火はつきません。これが空気中に飛散し舞い上がると燃焼速度が著しく急速になり爆発する危険性があります。小麦粉以外のふつうでは爆発性がない可燃物も粉体になることにより表面積が増大し、粉塵として舞い上がることで爆発するリスクを持ちます。アルミニウムや石炭、エポキシ樹脂のような高分子粒子も粉塵爆発の要因になります。粉塵爆発の事故件数としては、金属の粉体の粉砕・集塵・乾燥・輸送などの過程におけるものが特に多いです。

粉塵爆発の条件は、火気と粉塵濃度(酸素)と可燃物による粉塵雲の形成があります。粉塵雲とは、粉体が空気中に一定の濃度で浮遊して広がり雲状になる現象です。粒径が細かいほど粉塵雲は発生しやすくなります。可燃物とは、小麦粉や米粉・ポリエチレン・エポキシ樹脂・アクリル樹脂・コショウなどが挙げられます。金属粉は完全に酸化している場合は粉塵爆発は発生しません。
火気・着火源にはマッチなどの人為的な火だけではなく、乾燥した季節に自然発生する静電気も含まれます。その他、摩擦や衝撃、研磨・電気設備による火花も危険です。粉塵濃度が一定以上になると爆発性を持ちますが、濃度がより高くなると最終的には爆発の危険性はなくなります。これは燃焼に必要な酸素が不足するためだと言われています。

粉塵爆発対策

粉体の飛散防止
水と反応しない粉体の場合、粉体そのものを加湿することで飛散防止になります。
不燃・不活性化
爆発には可燃物・酸素・発火点以上の温度の3つの条件が必要です。不燃材の使用や不活性ガスによる酸素濃度の削減も効果的です。
静電気対策
粉塵爆発の静電気対策には、静電気の抑制・導体の接地・不導体の帯電防止・作業者の帯電防止・放電防止・爆発性雰囲気の形成抑制・安全教育があります。現場の加湿も粉塵爆発対策には効果的です。
可燃物の削減
火気使用時の養生や、ダストの定期排出および火気使用前の排出など現場管理を徹底します。

上の表が粉塵爆発対策の代表例です。フレコンバッグ投入作業時と粉体の摩擦で静電気が発生し粉塵爆発が発生した事例があります。このような場合の対策としては、フレコンバッグは帯電性のタイプCかタイプDを使用する・床を導電性にするなどがあります。株式会社ウインテックスでは様々な用途に適合したフレコンバッグをご用意しております。お気軽にお申し付けください。

粉塵爆発対策

弊社では粉塵爆発のリスクがある製品のための安全関連の分析や機械指令に従ったハザード評価とその結果としての保護装置を備えた全自動フレコン充填機「エムデ」も取り扱っています。エムデは、空気圧を使った袋膨らまし装置による充填口接続で粉の飛散を防止するため粉体がフレコン外部にもれません。
過去の粉塵爆発事故では金属異物混入による摩擦火花で木粉に着火し爆発した例がありました。エムデは、充填口クリップ止めシステムで充填後は自動で投入口を縛り異物混入も防止します。フレコン充填を自動化するエムデの詳細は以下から資料や動画をご覧ください。

自動充填機EMDE

エムデの資料は、こちらからすぐにダウンロード可能です。
資料ボタンをクリックしてご覧下さい。

★エムデやフレコンバッグの導入を検討されている方、詳細情報をご希望の方はお問い合わせフォームよりお気軽にお申し付け下さい。
→フレコンバッグ詳細ページ
→エムデ詳細ページ

ページ上部へ戻る