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技術コラム

【粉体】Vol39.粉体操作編：粉体の混合操作のメカニズムとは？（混合①）

2025年07月02日

粉体の操作の中で、特にご相談を頂く機会が多いのが【混合】操作になります。
混合操作としては、粉体を扱う上ではどうしても避けては通れない操作になるかと思います。
実際、業界関わらず、多くの方からご相談を頂いているテーマと認識しています。
メカニズムや装置、加えて、粉体シミュレーションとしての有効活用が可能な部分について混合プロセスに特化した内容を解説していきます！

混合とは？

そもそも混合とはどのような操作なのでしょうか。
粉体工学用語辞典（https://www.sptj.jp/powderpedia/words/10739/）によると、
「粉粒体の混合は，主として固体の状態にある二種類あるいはそれ以上の異なった性質の材料を，乾いた状態あるいはごく少量の液体成分が入った状態でそのまま混ぜ合わせて，組成について一様均質な状態を得ることの総括をさす。」とのことです。
この言葉の通り

・複数種類の材料を、
・運動により混ぜ合わせ、
・一様な均質状態を得る

という操作になるかと思います。
均質化することが目的になりますが、延長線上には混練、コーティング、反応など、他プロセスにつなげるような操作（前処理）という意味合いも持つことが多いかと思います。言い換えると、同じ”混合”という操作だとしても、何に使うための混合なのかは大きく異なることが多いため、混合の精度や粉体へのダメージなど、注目するポイントが変わってくることがあります。

混合のメカニズム

混合のメカニズムとしては、大きく3つの方法に分けられると言われています。
① 移動混合（対流混合）
混合容器の回転やパドル、回転翼の回転、気流等により、粉体を移動させることによる装置内での循環流れを形成し、重ね合わせや折りたたみが繰り返し行われるような混合機構になります。
② せん断混合
粉体粒子の速度分布の差による混合機構となります。容器壁面（底面）と撹拌翼の間で粉体がせん断を受けることにより混合が進んで行くような形式です。
③ 拡散混合
いわゆる粒子の酔歩（Random walk）の作用による混合機構になります。近接した粒子の位置交換により、局所的に発生する混合となり、粒子の大きさや形状、充填状態、流れ方向などのような不規則性を孕む要素に起因しています。

混合の評価：ミキシングインデックス

混合の評価を行う際、どのような指標で評価を行っているでしょうか。実験で混合の評価を行う場合、ある場所のサンプリングが主な方法になってくるかと思います。サンプリングの場合、一度装置を止めないといけないという制約や、時間的にスポットでしか評価ができないような状況かと思います。
より詳細に混合状態を評価したい場合に、シミュレーションが一つの手段になることが多いです。シミュレーションでは、粒子1つひとつの位置情報が時系列データとして全て保存されているため、より多くの粒子データを統計的に処理することに秀でています。実際、指標としてもミキシングインデックス（https://www.sbd.jp/column/powder_vol14_mixing-index.html）と呼ばれる指標が一般的に使用されています。

【さいごに】

今回は、粉体混合に着目した解説を行いました。そもそも混合という操作とは？という内容に加え、メカニズム、評価方法についても触れました。
今後、粉体プロセスの各操作に焦点を当てた解説を行っていく予定です。ただし、粉体操作編は本コラムの数回に1回の予定で、別シリーズも並行して進める予定です。次回もお楽しみに！

[From S. Kato]

参考資料

・粉体工学用語辞典
https://www.sptj.jp/powderpedia/
・ポイント解説粉粒体装置　伊藤光弘著　東京電機大学出版局
https://www.tdupress.jp/book/b350305.html

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