【スラリーとは？】

スラリーとは、固体粒子が液体中に分散した状態のことです。電池電極、セラミックス成形、塗工材料、インク、触媒、食品まで、分野を問わずものづくりの初期段階に登場します。特別な材料というより、製造プロセスの入口に現れる「状態」と捉えることができます。

【見た目は液体、中身は粉体】

スラリーは、見た目には液体です。容器に入れれば流れ、ポンプで送ることもできます。しかしその内部では、無数の粒子が互いに作用し合い、局所的な構造を形成しています。スラリーは「液体でもあり、粉体集合体でもある」という二面性を持っています。この二面性こそが、スラリーを扱いづらくしている本質です。
流体の専門家はスラリーをレオロジーで語ります。粘度、せん断依存性、チキソトロピー、降伏応力――いずれも重要な指標です。一方、粉体の専門家は粒子間力とネットワーク構造に目を向けます。どちらの視点も正しく、現象を異なる角度から捉えています。
スラリーの乾燥という現象は、その両方が同時に、かつ連続的に変化していく過程です。流体力学だけでも、粉体力学だけでも、全体を記述することはできません。粉体シミュレーションを専門とする私たちがスラリーに向き合う理由は、まさにこの「境界領域」にあります。

【条件によって支配する物理が変わる】

流動中のスラリーを支配するのは、流体としての挙動です。しかし流動が止まった瞬間、支配的な物理は切り替わります。粒子間距離が固定され、接触・凝集・ネットワーク構造が前面に出てきます。スラリーは、条件によって支配する物理が切り替わる材料系です。この切り替えを意識しないまま「よく混ざった液体」として扱い続ける限り、乾燥後に現れる問題の本質には近づけません。

【スケールが大きく異なる】

スラリーのもう一つの特徴は、スケールの多様性です。粒子径はナノ〜マイクロメートル、装置スケールはセンチ〜メートル。時間スケールも、撹拌は秒、沈降は分、乾燥は時間〜日単位と大きく異なります。空間的にも時間的にもスケールが分離しており、単一の視点では全体を捉えきれません。スラリーは典型的なマルチスケール系です。このマルチスケール性は、乾燥工程で一気に顕在化します。

【問題は「乾く前」に決まっている】

乾燥とは、単に溶媒が蒸発する現象ではありません。溶媒が失われることで粒子間距離が縮まり、接触が生じ、力が発生し、最終的には構造が固定されます。流体だったスラリーが、不可逆的に粉体構造体へと変わっていく過程です。ここで重要なのは、乾燥後に観察される問題の多くが、乾燥中ではなくその前段階のスラリー状態に起因しているという点です。

電池電極の塗工ムラ、セラミックスの焼結クラック、塗料の光沢不均一――これらは乾燥後の検査や次工程ではじめて発見されます。しかし原因を辿ると、スラリーの初期構造、すなわち粒子サイズ分布・分散状態・凝集構造・局所濃度のばらつきに行き着くことがほとんどです。同じ乾燥条件でも結果が変わるのは、スラリーの初期状態が異なるためです。乾いてから調整することはできません。
問題の発見が後工程になるほど、手戻りのコストは跳ね上がります。スラリー状態への理解を深めることは、品質管理の観点からも、コスト削減の観点からも、後工程での手戻りを未然に防ぐことが重要です。

【次回予告】

本シリーズでは、スラリーの基礎から乾燥中の粒子挙動、そして粉体シミュレーションによるアプローチまでを、複数回にわたって紹介していきます。次回は、乾燥中に粒子スケールで何が起きているのかを、もう一段深く掘り下げます。