粉体の特徴と粒子径計測

はじめに～粉は魔物・粉は生きている

粉体取り扱い業界では先達者達から「粉体は、世に出るまでの仮姿」とか、「粉は魔物」、「粉は生きている」などといわれており、なかなか経験則を数式化することができていません。
『寺田寅彦[1]随筆集第四巻』（岩波文庫2003年第69刷）によれば「粉状物質の堆積は、ガスでも、液でも、弾性体でもない別種のもので、これに対して「粉体工学」があるはずである。近ごろ、土壌の力学に関連してだいぶこの方面が理論的にも実験的にも発達してきたようではあるが、それはしかしほとんど皆静力学的なものであって、「粉体の運動」に関する研究は皆無といっても過言ではない」と、1933（昭和8）年2月に述べられており、これをもってわが国の「粉体工学」の嚆矢（こうし）とされています。
ここに述べられているように「連続体」であるガス体、固体（弾性体）、液体に比べ、現在の表現を借りれば、粉体は「離散体」であり、粉体層を形成する固体微粒子同志が、どのような力で関係づけられているか（つながっているか）ということを無視して議論することはできません。
さらに、粉体のその粒径に関しては「分布」があり、環境である気体の状態によっては静電気を蓄え、液体の存在によっては「液架橋現象」という、固結、付着・閉塞といったプロセス上のトラブルを起こします。はたまた、その膨大な表面積により、有機物の粉体ばかりではなく、金属の粉体も、劇的な爆裂反応を引き起こし、人間社会に多くの災害をもたらしてきました。
この記事では「粉、粉体、粉体層」、それも付加価値を与えられた機能性粒子の集まりである粉体の取り扱い例を示し、一般社会には知られていない世界を解説します。関係する業界は医薬品はじめ食品や化粧品、触媒、飼料、肥料、樹脂、セラミックス、繊維、種子ほか、近年開発途上の３Dプリンター粉体積層法の業界など、私たちの生活に大きな関わりを持つ分野です。

表1. 粒体を扱う業界（粉と粒の不思議：三輪茂雄著に筆者加筆）

なぜ、粉体が問題なのか

産業用に使われる機能性粉体といえば、有用に働く粉体群のことを指しますが、一般に発生する粉は必ずしも有用なものばかりではありません。春の花粉症を引き起こす「スギ花粉」や、雪解けの道路で巻き上がる道路コンクリ―粉塵（ふんじん）、西の大陸から飛ばされてくる「黄砂」も粉体です。ここでは「いかに有用な価値ある粉体を創製して目的にあった粒子とするか」という「産業に用いられる粉体プロセスの問題点」を以下に解説いたします。

粉体粒子径の計測方法

粉体の物性を理解するためには、その粒子径を把握しておくことが極めて大切ですから、古来から目的に応じて様さまざま測定方法が「商品の仕様を表示する方法」として開発されてきました。
このような背景から、業界により慣習的に用いられる粒子径の表現が異なっています。例えば食品業界では「メッシュ表示」、セメント業界は「比表面積表示」など、直接ミリメートルや、ミクロンメートルなどの「寸法」を表す表示ではないこともあり、その業界で粉を扱う歴史的な経緯が、その呼び方に表れているといえます。
　以下に代表的な測定方法を記載いたします。粉体粒子径表示には必ず測定方法を付記するのが、業界の決まりです（原理の異なる測定手法では、同じ粉体でも、表示される「相当径」が異なるケースがある事は、粉体業界では良く知られています）。

「篩分け手法」

最も一般的な表示方法ですが、確実に異物や粗大粒子を取り除くには、最も確実な手法です。各地域によって若干基準が異なりますが、わが国では「JIS z 8801」で規格化されています。古くは「タイラー篩（ふるい）」と呼ばれる、タイラー社の篩が広く使われており、1インチ角の中に、いくつの「網の目開き孔」があるかで表示数値：メッシュが決まっていました。
網の線径が決まれば、おのずから目開き孔の数と、その目開き寸法が決定します。この手法でも用いられた篩のメッシュ数で、粉の仕様を表示します。粉体エンジニアはこの目開き孔の寸法数字を、数か所、以下の様に暗記しているのです。

• 16メッシュ：1000μｍ（ﾐｸﾛﾝ・ﾒｰﾀｰ：1/1000mm）
• 32メッシュ：500μm
• 100メッシュ：149μm
• 200メッシュ：74μm

この業界ではこれら4つを暗記しているのが常識ですが、食品業界では篩を食材の前処理として常時用いるので、篩の目開き：メッシュ数を聞けば、粉体の物性が感覚的にイメージされます。例えば米粉は100メッシュアンダー品ですが、小麦粉は200メッシュのアンダー品であることが、おいしい団子やおいしいパンを製造するために必須の条件となります。
この方法は球形に近い粒子であれば問題ありませんが、縦横比の大きい長い粒や、繊維のような長い円柱状粉には縦抜けと呼ばれる現象が発生し、正確に対象物の物性を表さないことがあります。

顕微鏡などの画像を対象に、面積や体積で求める「幾何学手法」

この場合、その代表数値を円形や球形に換算した「相当径」で表すため、扁平な粒子やエッジのある粒子は、同じ相当粒子径でもその物性（流れやすさなど）は異なり注意が必要です。しかしながら最近の画像処理技術の進歩に伴い、オンライン・リアルタイム測定によって一瞬に粒径と粒度分布が測定できるようになりましたので、比較指標としての利用価値が、増大してきています。

沈降速度や拡散速度の違いで測定する「動力学的物理量」

粒子径を直接測定するのではなく、流体中を一定の速さで沈降する速度が、ニュートンの式やストークスの式で代表されるように、粒子密度と流体の密度差、および粒子の断面積に比例することから、粒子相当径を求める手法です。
この場合は、粒子密度をあらかじめ計測しておくことが求められます。密度差が小さい時には遠心力を用いる場合もあります。

散乱光強度や、遮蔽光量など、粒子と「光の相互作用量」によって粒子相当径を求める手法

レーザー解析法と呼ばれる一連の装置が業界では良く使用されていて、その範囲は３ｍｍから0.1μmといわれています。あくまでも「球相当径」として結果が表示されます。レーザー光線は微粒子の存在によりさまざまな角度の散乱させられ、それをレンズの検出で測定し、回折理論によって粒子相当径とその分布を計算します。

比表面積・細孔分布測定法

ガス吸着法や水銀圧入法によって比表面積を計算します。一般的にBET法と呼ばれる手法は、単位質量当たりのガス分子が吸着する面積を表し、この値が大きいほど粒子径が小さいか、形状的に表面凹凸があります。同じ形態の粉体であれば、細かい粉体であるほどこの値が大きいと評価されます。表面の活性が大切であるセメント業界では、セメントの粒子の機能を知る一つの指標として、この比表面積値をもって製品の評価を行っています。

表1 粒子計測方法の一般的分類と特徴