ボールミルおよび振動ミルによる粉末粒子の物理化学的性質に及ぼす乾式摩砕の効果(I) : NiO粉末粒子の構造
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(2) . VO I .24 .I , No. i i I A) lof Hokka ido Univer i Journa t t t on(Sec on l s y of Educa. oc t ober l973. ボール ミ ルおよ び振動 ミ ルによ る粉 末粒 子. の物理化学的性質に及ぼす乾式摩砕の効果 〔1 〕 Nio 粉末 粒 子の構 造. 清. 清. 水. 北海道教育大学函館分校物理学教室. 貞. 広. 嘉. 和. 函館工業高等専門学校. E任ects o i f Dry Gr i ind i es caI Propert co ‐Chemi ng on the Phys d l l l l l b P f b h l I d h V i i ル l P i B N 1 i t t t t ow ra ng i er ar c es y e a o an e. 1 ) onthe Structure of Nio Powder Particle ( Ki yoshi SHIMIZU Depar i i i ido Univer tmentof Phys t t e s on c s y of Educa , Hakodat , Hokka Yoshikazu SADAHIRO Hakoda l i I Co l t t e e Techn ca ege , Hakoda. Abstract The e昼ects o l l fdry ball mill ing and vibrat ion mi ing on the structure of NiO powder l i d d b i ] 圧 d i x d h i i t ty and the t t e t a r c s r e s we u e a rac on me o , and both the apparent dens ray p y n -. f repose of the ground powder were measured by a static method. angle o. lowing The fol. ined: t resul s have been obta io of i 1 ing the early stage of grinding, both the cristall te dimensi ) Dur ( on and the rat b l h d B i integrated count decrease d d h i i t t u ose take , an t e apparent ensty ncreases cons era y. l l l l h b The c anges in vi rat ion mi ing inding. a most constant va ues in the further stage of gr. l mi l l i dl i th those in bal Increase r ng ap n comparison wi y and abundantly at a remarkable rate i . ion increases during t he ealry stage of grinding. ln the further 2 ) The lattice distort ( ly in l l b ing, but i d k l i i i i ion mi t increases gradual f i t t t t s age o gr n ng, t a es consan va ues n v rat. ion are l l l l ion mi i bal l mi l l i i t t stort e in comParison ng ng on the lattice di . The e昼ects of vibrat l l l l mi i th those in ba ng wi .. 3 ) The lattice distortion has a critical value of about 5・10‐8~6・10 ( l l mi l l l l i i ng mi ng and ba .. ion for both vibrat. ine substance are 4 ) The ( se facts show that both the lattice distortion and a noルcrystall. l l ion mi ing. Then i i he surface o f a crystall te part e by vibrat ructural cl produced only on t , a st l h l l l o h i i h d l l di d i i i f t h t t n e o er an ,i sor erng i n ba n t e nteror o a crysta te par ce occurs scarce y. i te f a structural disordering occurs from the surface of a crystall l l i mi ng ,a gradualincrease o l l he interior as the grinding proceeds. The e托ects of vibration mi i i cle towards t ng on the part. fba l l mi l l face o i i f a crystalli te part cl e de sur n compression. The e昼ects o ng pend on an action i (48).
(3) . 北海道教育大学紀要 (第 n 部 A). 第24巻 第1号. 昭和48年10月. l ior of a crystal i i te part on the int er ress cle depend on a shear st .. SI . 緒 さ き に, 筆 者 らは乾 式 ボ ー ル ミ ル 摩 砕 に よ る Zno, Nio, Mgo お よ び CaC03 粉末粒子の物理. ー 6 ) その結果 ボールミルによる摩砕は歪力と圧力の両者に 化学的性質の変化について報告した1 , . よ ってなされ, 結晶構造の変化および結晶構造の変化に起因する粒状・分光吸収・活性化エネルギ などの変化がきわめて明瞭に生 ずるにもかかわ らず, その変化の過程が必ず しも明確ではなく, ) そこで 本報では振動ミ またその変化は歪力による構造変化やクリ【プを含むことを指摘した6 , . ルとポールミルとによる摩砕過程を比較して, 圧力による構造変化について測定した結果の検討を 行 な っ た.. S2 . 実 2ユ. 試. 験. 方. 法. 料. 原試料は和光純薬1級酸化ニッ ケル粉末であって, 硝酸ニッ ケルに重炭酸アンモニウム を反応さ せて得た塩基性炭酸ニッ ケルをよく水洗, 乾燥した後 80 C で3時間加熱したものである 原試 . 料の蛍光 X 線分析による不純元素の検出では, Ca ,Co が微量に検出されたが, 無視できる量であ る, ま た X 線 回 析 に よ る Ni (OH) 2 , NiC03 の含有検査では全くそれが含まれて いない. また摩砕 された Nio 試 料 に つ い て, ミ ル の 摩 耗 に よ る α-A1 203 の発生は, X 線回析で行なった分析の範. 囲 で は 見 られ な か っ た, した が っ て X 線回析による分析の範囲では , きわめて 純度の高い試料で あ る. 22. 摩. 砕. 方. 法. ポー ル ミ ル 摩 砕 に は, 日 本 化 学陶 業 製 ポ ッ トミ ル (内 径 75 mm ア ルミ ナ 容 器 , , アル ミナポー. )と同じである 振動ミル摩砕には 平工製 作製 ル) を用いた, 摩砕効果に対する最適条付は既報2 . , モ デ ル TI-1 型 振 動 ミ ル (内 容 積 1occ , 2 個 架, ア ル ミ ナ 容 器, アル ミ ナ ロ ッ ト) を用 い た, 摩. ) 摩砕のふんい気は常温大気 中の乾式 砕効果に対する最適条付は本器に指定されたものによった7 . で ある, 23. 測. 定. 方. 法. )と同じである 摩砕 に よ る Nio 粉末粒子の物性変化の測定装置は既報2. . X 線回析装置には島津. ) に よ り 徴 結 晶 粒 径 およ び 格 子 不 整 を 決 定 した デフ ラ ク トメ ー タ 【 VD-1 型 を用 い, 旦α” の 式8 . 200 また最強回析線である ( ) の積分強度を各試料 について求めて S と し, デ フ ラ ク トメ 【 タ ーの. 試料板に対する圧密度を M として ( S S /M)(Mo / )を結晶量の変化に対応する積分強度比とした o , S こ こ で, Mo , o はそれぞれ原試料の値である. 結晶構造の変化によって生ずる粒状の巨視的変化 ) と同じ方法で安息角と みかけ密度の測定 を行なった を知るために, 既報5 . S3 。 実. 験. 結. 果. 3ユ 微 結 晶 粒 径 ポー ル ミ ル 摩 砕 お よ び振 動 ミ ル 摩 砕 に よ る Nio の徴結晶粒径の変化を Fi g .1 に示す, ポール. ミルでは, 摩砕開始後約20時間までは, 微結晶粒径が急激に減少するが, その後はゆっくり減少 して約 350A 程度になる. (49).
(4) . VOI .24,No .I. lof Hokka ido Univer i ion(Sec i 工 A) Journa ty of Educa t t s on l. 振動ミルでは, 摩砕開始後約5分 間 で o. ・. 350A に 達 し,. そ の‘ 後. 約. o. , x- o. 約 1 時 間 で 約 250A に. o. T i fg i d i h meo r } n n r g( 1 2. oc t obe r l973. 3. 2 0 ×1. 3. 3 ×1 0. なる, 振動ミルによる微結晶の微細化速度は きわめて大きい. 32. 格. 子. 不. 整. ポールミル摩砕および振動ミル摩砕による Nio の格子不整の時間的変化を F i g .2 に示. す. ポールミルでは, 摩砕開始後約90時 間 までは, 格子不整 が急激に増加し, その後数 百時間は徐々に増加する. 振 動ミルでは, 摩砕開始後約20分までに は, 格 子 不 整 が 6xlo‐3 の程度になるが, そ. の後はほとんど変化しない. 摩砕初期におけ る格子不整の増加速度が, 振動ミルではボー. 0. l l Fig.1 i imens t t - a ed lon of ground Nio a . Crys inding ins i tthet ・ neof gr ga . l l Curve l: Vibra ing ・ t ni . Curve 2: Ba l l mi l l . 3 ‐ ×1 0. ルミルに比べて著 しく大きいにもかかわ らず 摩砕時間に対する格子不整の全量は小さい. 33. 結. 晶. 量. ボールミル摩砕および振動ミル摩砕による Nio の積分強度比の変化 を Fig. 3 に示す .. ポールミルでは, 摩砕開始後約2 0時間 まで. に急激に減少するが, その後長時間にわたっ てほとんど一定である. 振動ミルでは, 摩砕開始後約5分間までに 急激に減少するが, その後はほとんど一定で ある. 減少の程度および摩砕初期に おける結 晶量減少速度は, 振動ミル摩砕による方がき わめて大きい,. 3 4 安息角とみかけ密度 . 安息角とみかけ密度の摩砕によ る 変 化 を. Fi g .4 に示す, ポールミル摩砕では, 摩砕開. 始後約 20時間までに, みかけ密度は急 激に. 増加する. その後, 僅かに増加を示すが, ほ とんど一定である. 振動ミル摩砕では, 摩砕 開始後約5 分間までに, 急激に増加するが, その後僅かに減少を示すが, ほとんど一定で ある, 振動ミル摩砕によるみかけ密度の増加. 1. d h fg i i ) T i eo r n n r m g( 2. 3. 2 ×1 0. 3. 3 ×1 0. 沼 」. 0. 1. 2 i dmg( ) T i fg s e c eo r n m. Fig.2 i t t t t ce di s or ・ on of ground iH) . La ins ime of gr inding tthet aga . Curve l: Vi bra ing n iu. t ・ Curve 2: Ba l l mi l l . T i i d fg i h ) meo n r n r g( 一 仁 コ o o b ① 一 幅 」 如 ① - こ 伽 一 oo □ r 餌 ー 氏. 0. 増加速度は, ボールミル摩砕に比 べてきわめ 息安角については, ポールミル摩砕では, 摩砕開始後約20 時間までに減 少 し, その後. 0. ( に ≦ 〉 招 き Q … ) こ o = 5 溺 石墨. の程度および摩砕初期におけるみかけ密度の て 大 き い.. 1 2 i i d l T fg ) n n s e c meo r g(. 2 1 d i T fg i ) i s e c 「 n n meo g(. 3. 3 ×1 0. f i indingondi任rac Fig,3 tofthet t ・ neofgr ed ec . Ef i i io. ty of ground ト 1nt ens i l l Curve l: r ibra ing1 t 1 l . l Curve 2: Ba l mi l l ,. (50).
(5) . 第24巻 第1号. 北海道教育大学紀要 (第 n 部 A). 昭和48年10月. T d i fg i i h ) eo r n m n r g(. 4 0も 3 0畳. g. 0. ー 2 3 T im i d i fg ) eo r n n s e c g(. 2 0O 一 喜 コ o q a x- o. Fig.4 i t sof apparentdens th e of repo se wi y and angl . Change ime of gr inding thet , Angl ing mi l l e ofrepos e; Curve l: Vibra , Curve 4: Ba l l mi l l , Apparent dens i ing mi l l ty; Curvt t e 3: Vibra , Curve 5: Ba l l mi l l .. 増大するが, 原試料の安息角の程度までは回復しない. 振動ミル摩砕では, 摩砕開始後約5分間ま でに減少するが, その後増大して, 原試料よりも大きな安息角を示す 振動ミル摩砕では, 試料の . 安息角の大きさも, その増減の速度も, ともにポールミル摩砕による試料に比べきわめて大きい , S4.. 考. 察. ‐ 振 動 ミ ル と ボ ー ル ミ ル と で は, 摩 砕 に よ る N io の結晶構造に与える効果が著しく異なる F g ,1 . i. に示すように, 振動ミルでは非常な短時間で徴結晶粒径が微細化する これはポールミルでは, ボ . ールの衝撃力がほとんど重力に等 しく, またその衝撃力が歪力と圧力の両者によって摩砕エネルギ. ーに転化され, 微細化が圧力によって行なわれるために, 微細化が一定の限界内に 止まって しまう )において も ポール )においても Nio の 破 壊 過 程3 ことを示す. 酸化亜鉛の微結晶の破壊過程9 , , ミル摩砕では, 摩砕時間が約 200~300 時間で約 300~600A の範囲の微結晶限界粒径に達 し, 一. 定となる, これに対し, 振動ミルでは, 衝撃力が重力の10数倍にも達するばかりでなく, 衝撃力 の大部分が圧力と して試料に作用することによって微結晶粒の破壊が進行するために微細化速度が Fi. 大 きく な る. ま た, g .2 に示すように, 振動ミルによる摩砕初期の格子不整の増加速度が非常に 大きい, それにもかかわらず, 約 350A の徴結晶粒の有する格子不整が, ポールミル摩 砕 で は 14・m‐3 であるのに対し 振動ミル摩砕では僅かに 5・10-8 の程度にすぎない すなわち ボール , . ,. ミでは, ミルの回転運動のために, 破壊エネルギーの一部は歪力となって微結晶粒のクリー プや硬 ) 単に衝撃力が振動ミルの場合よりも小さいためではないことを示す 化のエネルギーに消費され6 , . このことは振動ミル摩砕における破壊エネルギーの大部分が徴結晶粒の微細化に消費され, 格子不 整を生成するための消費エネルギーが少ないことを示す, さ らに, Fi g .2 によれば, 格子不整の生成過程も, 振動ミルとポールミルとでは著 しく異なる,.
(6) . 1 VO ,24 ,I , No. I A) i ion l ido Univer i lof Hokka t t ty of Educa Journa on(Sec s. oc t r l973 obe. 振動ミル摩砕では, 試料の微細化と格子不整の増加は比例しており, 格子不整は徴結晶 の破壊面に 生成 して, 微結晶粒内にはほとんど生成 していない. すなわち, ボールミル摩砕 では, 微結晶粒径 が摩砕後期においてほとんど一定であるにもかかわらず, 格子不整 がなお増加 しているが, この格. 子不整の増加は微結晶内部において生 じていることになる. したがって, ポールミル摩砕では歪力 に よ るク リ ー プ, 硬 化 お よ び全 体 の 構 造 が 徐 々 に 進 行 して い る と 考 え る こ と が で き る.. このようにポールミル摩砕では, 徴結晶粒子内部に構造の変化 が強く現われるのに対 し, 振動ミ ル摩砕では徴結晶粒の幾何学的微細化 が鋭く, その微細化の程度も, 本実験の範囲では限界粒径に. 達 したとは思われない. さらに, その構造変化も, 振動ミル摩砕では, 新に生成された微結晶粒 の i 表面が形成される時に, その表面層に格子不整を生ずると考えることができる. また, F g ,3 によ れば, 結晶量の減少の程度が振動ミル摩砕の場合に大きい. これは発熱による影響もあろぅ が, ボ ールミル摩砕において, 摩砕後期に格子不整 が増大しているにもかかわ らず, 結晶量の変化は小さ い か ら, 主 と して 表 面 層 に お い て 生 じた も の で あ ろ う.. 振動ミ ル摩砕において, 摩砕効果が徴結晶表面層に生 じているならば, ボールミル摩砕において 全構造の変化が生 じている試料に比べて, 安息角やみかけ密度のように, 粒子表面の性状 が強く影 響する巨視 的物性にも変化 が生ずる. F i g .4 によれば, みかけ密 度は摩砕初期において増加 し, 摩砕後期においてほとんど一定 になる傾向を示 し, 振動ミルとポールミルによる傾向の差はない.. 摩砕初期における増加は, 微結晶粒径の減少にも, また格子不整の増加にも, あるいは結晶量の減 少にも対応 すると考えてよい. しかし, ポールミル摩砕では, 摩砕後期に格子不整 がなお増加して. いるにもかかわ らず, みかけ密度はほとんど一定である. この摩砕後期におけ る格子不整の増加は 微結晶粒の内部に生 じているのであるか ら, みかけ密度の増大は微結晶粒の表面層に生 じた格子不 整に対応する. 微結晶粒径の減少の傾向は, みかけ密度の増加の傾向に対応する。 微結晶粒径の減 0 ) したがって Fi 少とともに, 粒子間の接触点数が増加 して, みかけ密度が増大する1 .1 に示す , g . ように, 振動ミル摩砕による微結晶粒径の減 少が, ボールミル摩 砕によるそれよりも著 しいごと から, みかけ密度の増加量 が振動ミルにおいて著しいことが理解できる. また, 徴結晶粒径の減少 とともに粒 子表面層の格子不整の増大のみな らず, 結晶量の減少も, 振動ミル摩砕の初期において. 著 しく, その後期においてほとんど変化 しないから. 振動ミル摩砕によるみかけ密度の増加量は, 主と して表面層に生 じた格子不整と結晶の無 定形化によって生 じたものである. すなわち, 微結晶 粒の凝集性が直接に巨視的なみかけ密度に現われたと考 え る こ と が で き る.. 徴結晶粒の凝集性が, その表面層の構造変化によって 増大するならば, 安息角もまた著 しい変化を示すことに. - 8 81 6. 幸耀層罷業 も 会議も 覆翻そ 翻身. す. この鏡映的対称性については, 微結晶粒 が凝集して 一次凝集粒子を形成 し, その一次粒子がさ らに二次粒子. を形成するという点から別の機会に論ずる. ここで明瞭 な事実は, 摩砕された徴結晶粒子の表面層の構造変化に る 摩 砕 効 果 が, ポ ー ル ミ ル に 比 べ て 著 しい こ と で あ る.. しか し, 振 動 ミ ル に お い て は, 摩 砕 後期 に 格 子 不 整, 結. 晶性に著しい変化は見 られず, 僅 か に 微 結 晶 粒 径 の 減 少 (52). の. 2 ぢー q. L i i i t t t a t c ed s o r o n A b i i ( t t ) r a n r r yu. i i t on energy Fi va g . Change of act .5 i i t t hlat t s or on ce di t wi ..
(7) . 1 部 A) 北海道教育大学紀要 (第 1. 第24巻 第1号. 0月 昭和48年1. が生ずるにすぎない. しかるに, 振動ミル摩砕による安息角は, 摩砕後期に著 しく増加する. この ことは, 摩砕方法の違いによ らず, また摩砕時間の長さによ らず, 微結晶表面に生ず る格子不整が 3~6・ ‐ 3の程度において それまでの摩砕過程とそれ以後の摩砕過程 が異なるのではない 10- 10 約 5・ , ) 5 か と 推 定 さ れ る Fi ポ に ル ミ ル 摩 砕 に よ る Nio の格子不整と活性化エネルギーの関係7 ー g , ,. ,. を示す. 格子不整の 6・10-8 を変曲点として活性化エネルギーは減少から増加へ転換する, このこ とから安息角, みかけ密度と粒子表面の過剰イ オン濃度や結晶場の変化とは関連 があり, 摩砕過程. の初期と後期ではさらに複雑な物性変化の差が存在するものと思われる. この点については, 振動. ミ ル に よ る Nio 粉末粒子の摩砕効果を, 分光吸収および活性化エネルギー試験によって検討し報. 告する予定である.. 旨五. 緒. S5.. 振 動 ミ ル お よ びポ ー ル ミ ル を用 い て, Nio 粉末粒子を摩砕 し その構造変化を測 定した, その , 結果次の結論を得た. 1 ) 振動ミルによる摩砕効果は, 微結晶粒径の減少, 結晶量の減少, 安息角の増減およびみかけ ( 密度の増加において, ポールミルに比べて短時間に多量に現われる.. 2 ( ) 振動ミルによる摩砕効果は, 主として圧力に起因し, 徴結晶粒子の表面層に生ずる, ポ ール ミルによる摩砕効果は, 圧力および歪力に起因し, 徴結晶粒子の表面層および内部に徐々に生ずる. 3 ( ) 振 動 ミ ル お よ び ポ ー ル ミ ル の い ず れに よ っ て も, 格 子 不 整 が 5・10-3~6・104 の近傍に摩砕. 過程の変曲点が存在し, その前後の摩砕過程が異なる, 文 1 ) 2 ) 3 ) 4 ) 5 ). 献. 196 8 75 )p 貞広嘉和, 清水清: 材料, 17( .4 , 1( 96 8 1 374 )p 貞広嘉和, 清水清: 工化, 7 . .1 9 196 71 )p 貞広嘉和, 清水清: 材料, 18( ,4 , 1971 0( )p 貞広嘉和: 材料, 2 .728 , 19 72 )p 貞広嘉和: 材料, 21( ,520 .. 972 1 )p ) 貞広嘉和, 清水清:北海道教育大学紀要(第二部 A) 第23巻第1号( 9 .20 .. 1973 int )in pr s oc 7 ed ) Shimizu, K.and s.Sadahiro:J . Res , As , Powder Tech . . ,10( 1941 l l )p 8 ) Ha .741 . .Soc , , Phys , A62( , W, H,: Proc H d K T B l l C h i 1967 9 t )p ) Takahashi a n s u s u m u e m : , ,Soc .Japan . , ,542 , , ,40(. 19 19 6 7 1 0 )p ) 荒川正文: 材料, 16( .3 ,. (53).
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