氷粒子とドライアイス粒子の粘弾性とその利用技術

(a)アイスブラスト（氷粒子）による汚れた面の洗浄

前掲写真のように半導体表面の氷粒子による洗浄は、微細な氷粒子を空気ノズルからの高圧空気により混合加速して、半導体表面に吹き付けることで行われます。図７に示しますように、氷粒子式洗浄は、スプレーノズルにより微細噴霧された純水を液体窒素と直接接触熱交換により、微細氷粒子粒径(30μm～300μm)を生成します。この微細氷群をガス噴射ガンにより加速して、洗浄対称面に噴霧衝突させて、対象物表面上の汚れを除去します。純水の冷却速度、スプレーノズル径および水量を調整することで、任意の氷粒子径や氷の硬さを得ることができます⁴⁾。

図７ アイスブラスト（氷粒子）装置

図８は、半導体などの基盤上にある有機膜の氷粒子による除去の概要を示したものです。まず、氷粒子の有機液膜の衝突による衝撃力により、有機膜に窪みを形成すると同時に、低温による有機膜の縮小・凝固作用により、有機膜の剥離が起こります。この剥離した膜を次の氷粒子の衝突により基板から除去することになります。また、氷粒子は洗浄後に水となり排出されるので洗浄対象面へ不純物を残さないことになります。また、サブミクロレベルの微細付着粒子の基板からの除去は、微細な氷粒子や融解水滴群が基盤表面を滑走しながら基板上に付着している不純物を絡め捕りながら流れることで除去することになります。このような氷粒子洗浄法は、半導体の汚れ除去以外に、無公害な洗浄法として、精密部品・治具そしてレンズ表面やガラス面の洗浄などへの応用も期待されます⁴⁾。

その他に氷粒子・雪塊の利用に関して、寒冷地において高速で走行する鉄道車両から付着した氷塊が高速で落下衝突して軌道を保持するバラスト（砕石など）の飛散・バラストネットの破損や枕木固定アンカーの緩み状況を再現する試験装置があります。この場合は、氷粒子や雪塊を高圧空気発射ガンで噴射（速度250km/h程度）させて、その衝突による砕石群の飛散・バラストネットの破損や枕木固定アンカーの緩み状態などのデータから、車両付着氷粒子や雪塊の落下飛散による被害の対処方法が検討されています。

図８ 有機膜のアイスブラスト（氷粒子）による除去機構

(b)ドライアイスブラスト（粒子）による洗浄

サンドブラスト（砂粒子）やショットブラスト（鋼球など）は、洗浄対象物の表面まで削って表面にある汚れや錆などを除去し、対象物が金属の場合には光沢が出るまで錆落としが可能となります。一方、ドライアイス粒子洗浄は、その硬度がモース硬度^＊4で２程度（石膏程度）と低くさらに噴射速度を制限することで、洗浄対象物の表面を傷つけないように工夫されています。

ドライアイスブラストによる洗浄の原理は、次のようです。まず、高圧空気ノズルにドライアイス粒子（0.3mm～3ｍｍ）を吸引・混合して、洗浄対象物の表面に衝突させます。洗浄対象物にドライアイス粒子群が衝突すると洗浄対象物表面にある汚れ層に微細な亀裂が発生し、後続のドライアイス粒子の衝突やドライアイスの昇華蒸発による膨張エネルギー（ドライアイス昇華ガスは、ドライアイス固体の700倍以上に膨張）により、汚れを除去することになります。この際に、ドライアイスは昇華・拡散し、洗浄対象物に残留しませんが、周期環境の炭酸ガス濃度が上昇しますので換気対策が必要となります。

ドライアイスブラスト洗浄は、錆びた金属表面を洗浄したり、スプレーなどによる金属物体への落書きなどに対して母材表面を傷つけることなく落とすことができます。その他に、ビルやトンネルの壁面などの洗浄、機械加工品の洗浄や医療機器の洗浄・殺菌など様々分野で利用されています。

＊4：モース硬度は、引っかいたときの硬さで、「モース硬度」という基準が用いられています。これは基準の硬さの鉱物により、硬度を1～10までの10段階に分けて、被検査物質を基準の鉱物で引っかき、その傷の比較により硬度を決めるものです。

(c)ドライアイス発射ガンによる難加工材の加工

ファインセラミックや超硬合金などは難加工剤といわれ、非常に加工しづらい材料です。このような難加工材の特性や加工法開発などに、高圧発射ガンによるドライアイス塊（弾）が利用されています。

図９は、ドライアイス弾発射ガンの概要を示したものです。300気圧程度に高圧コンプレッサーで加圧した窒素又はヘリウムを蓄圧部に貯留後、ドライアイス弾保持部からドライアイス弾（直径10cm×長さ12cm）を発射速度700m/s（窒素ガス）、100m/s（ヘリウムガス）で噴射し、発射ガン噴射口に設けたセラミック板に衝突して加工します。この場合、ドライアイス弾はコンクリート並みの硬さで、1トンの自動車が時速90kmで衝突するエネルギーを有すると試算されています。

このようなドライアイス弾は、大砲の実射訓練用に検討されたこともあります。大砲の実射訓練（反動力などの体験）においては、発射されたドライアイス弾は空中で昇華消滅することから、金属製砲弾の目標への衝突後の飛散問題や回収作業を回避できるメリットがあります。

図９ ドライアイス高圧発射ガンの概要

(d)ドライアイスビーズと液体窒素による難削材などの粉砕

ビーズミルは、回転デスクの撹拌作用でビーズ間の衝突やせん断などの力学的相互作用により、被粉砕物である粒子をマイクサイズやナノサイズに迄微細化する、微粉砕・分散機です。通常の湿式ビーズミルには、溶媒（液体）とジルコニアビーズなどを用いて、被粉砕物を微細化します。回収物はスラリー状となることから、最終的には乾燥して微細化した被粉砕没を分離回収します。この分離回収の際にジルコニアなどが微細化してコンタミ（不純物）となる恐れがあります。

図10に示す乾式ビーズミルには、ビーズにドライアイス粒子そして媒体に液体窒素を用いて、被粉砕物をドライアイス粒子間の力学的相互作用で粉砕・分散します。液体窒素とドライアイスは常温で昇華蒸発するために回収時に無くなり、微細化した（パウダー状）被粉砕物のみを回収できます。また、超低温での粉砕は被粉砕物の低温脆性も起こり、粉砕しやすくなります。被粉砕可能な物質には、セラミックやカーボンなどの無機物そして高分子材料や医薬品などの有機物があります。なお、液体窒素は、空気中の窒素を原料として、冷凍サイクル（圧縮された気体を低圧にすると、温度が下がる断熱膨張（ジュール・トムソン効果）の利用）で窒素の液化温度である-196℃以下に冷却して製造します。

図10 ドライアイスビーズ粉砕装置

(e)ドライアイスブラストによるジーンズ製品などの脱色

デニムなどからなるジーンズ製品は、着古した感じが好まれるために、新品のものでも、その染色を色抜きする場合があります。通常は、微細な砕石やプラスチックなどのサンドブラスト材をジーンズ材に吹き付けて脱色する物理的方法が採用されています。この方法では、ブラスト材の粉塵化による環境悪化やその回収の非効率性などが問題となっています。このような問題を解決するためにドライアイスブラストをジーンズ製品に吹き付けて、染料を生地から剥離して脱色します。ドライアイスは脱色作業後昇華蒸発するので作業環境の悪化とはならないようです。

図11は、ドライアイスブラストで、ジーンズのズボンを縞模様に脱色したものです。ドライアイスの噴射速度を変えることで色抜きの程度を調節することが可能で、星形などのマスキングで、様々な形状の色抜きが可能です⁵⁾。

図11 ドライアイスブラストによるジーンズズボンの脱色

(f)ドライアイスペレットの打撃音によるコンクリート壁の健全性診断

老朽化したコンクリート構造物の健全性診断は、非破壊検査法により行われています。この非破壊検査法には、打音、超音波、振動や電磁波などの利用があります。現場での簡便な方法としてハンマーでコンクリート壁を打撃し、その反響音を耳で聞いて欠陥の有無を判断しています。

一方において、ハンマーによる打音による方法以外の自動化が進んでおります。その方法の一つがドライアイスペレットを利用した方法で、健全性診断後ドライアイスペレットが昇華蒸発して消滅するなどのメリットがあります。図12はその概要を示したもので、ドライアイスペレット（直径９mm×長さ25mm程度）を空気圧発射ガンから噴射し、対象コンクリート壁に衝突した際に発生する反射音波を指向性マイクロフォンで収集して、コンクリート壁の健全性を診断するものです。様々な欠陥状態にあるコンクリート壁にドライアイスペレットを衝突させて、発生した音波のスペクトル分析結果との比較から、対象コンクリート壁の診断を行うことになります⁶⁾。

図12 ドライアイスペレットの打撃音によるコンクリート壁健診弾装置

参考文献

• 1)対馬勝年：氷物理学、富山大学理学部出版、頁46
• 2)前野紀一：氷の科学、北海道出版会（2006）、頁65
• 3)同上頁55
• 4)福迫彰一郎、稲葉英男：低温環境下に伝熱現象とその応用、養賢堂、頁430
• 5)特許：「ドライアイス・ブラストによるジーンズ製品の脱色法」 特許流通フェア2005　in 岡山 特許流通シーズプレゼンテーション ㈱グリンテック山陽
• 6)田中秀典：「ドライアイスを用いた打撃音によるコンクリート壁面の健全性診断システム」、平成28年度北海道開発技術研究発表会新技術セッション