Development of a new simulation method analyzing the grinding behavior under wet ball milling

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湿式ボールミルにはナノレベルの粒子径まで粉砕することが望まれているが、いまだその実現には至っていない。これは、粉砕限界および再凝集といった粒子スケールの現象を実験から解析することは難しいためである。そこで本研究では、湿式ボールミル中の粒子スケールの現象を解析可能とする新規シミュレーション手法の開発を行っている。今年度は、その第一段階として、既存のシミュレーション手法を調査し、ベースとして適当なシミュレーション手法を検討した。本研究では、粉砕限界のような粒子の粉砕挙動に関する現象と、再凝集のような粒子の分散・凝集挙動に関する現象の二つを同時に扱う必要がある。湿式ボールミル中の粒子の粉砕挙動は、粒子の強度および粒子の変形・破壊挙動に加え、それら現象が液中で起こることも加えて考慮する必要がある。こうした粒子挙動を表現可能なモデルとしては、我々が独自に開発したAdvanced discrete element method coupling with computational fluid dynamics (ADEM-CFD)モデルがある。このモデルは一つの粒子を微小な一次粒子で構成される集合体とみなし、それら一次粒子同士を連結ばねで接続することで粒子の変形・破壊挙動を、連結ばねのばね定数により粒子の強度をそれぞれモデル化し、さらに、粒子・流体間相互作用をDEM-CFDカップリングモデルに基づき与えることで、液体中での粒子の粉砕挙動を表現可能とする。一方、粒子の分散・凝集挙動は、DLVO理論に基づく分散・凝集力とし、静電気力とvan der Waals力をそれぞれ考慮することで表現可能と考えられた。したがって、これら分散・凝集力をADEM-CFDモデルで表現される粒子間に作用させることで、湿式ボールミル中で起こる粉砕限界、再凝集現象を解析可能にできることがわかった。