コーティング配合における超音波

コーティング剤や塗料の配合には、顔料、充填剤、化学添加剤、架橋剤、レオロジー調整剤など、さまざまな成分が用いられます。超音波は、コーティング剤中のこうした成分の分散、乳化、解凝集、粉砕に有効な手段です。

コーティング剤の配合において、超音波は次の用途に使用されます。

コーティング剤は、水系と溶剤系の樹脂およびコーティング剤に大別されます。それぞれに固有の課題があります。VOC 削減を求める方針と溶剤価格の高騰が、水系樹脂コーティング技術の成長を促しています。超音波処理を利用することで、こうした環境に配慮した系の性能を向上させることができます。

超音波処理によるコーティング配合の改善

超音波は、建築用、工業用、自動車用、木材用コーティング剤の配合設計者が、着色力、耐傷性、耐亀裂性、耐紫外線性、導電性などのコーティング特性を向上させるうえで役立ちます。こうしたコーティング特性の一部は、例えば金属酸化物（TiO₂、シリカ、セリア、ZnO、…）などのナノサイズ材料を添加することで実現されます。

超音波はさらに、高粘度製品の消泡（巻き込まれた気泡の除去）と脱ガス（溶存ガスの除去）にも役立ちます。液体の超音波脱気と脱ガスについて詳しくはこちら！

超音波分散技術は、実験室、ベンチトップ、工業生産の各規模で使用でき、10トン/時を超える処理量に対応できるため、研究開発段階と商業生産に適用されています。プロセスの結果は、容易かつ線形にスケールアップできます。

Hielscher の超音波装置は、エネルギー効率が非常に高い装置です。これらの装置は、電気入力電力の約 80–90% を液体中の機械的作用に変換します。これにより、処理コストが大幅に低下します。

以下のリンクから、次の用途における高性能超音波の利用について詳しくご覧いただけます。

超音波処理を用いた乳化重合

従来のコーティング配合には、基本的な高分子化学が用いられています。水系コーティング技術への移行は、原材料の選択、特性、配合方法に影響を及ぼします。

例えば水系コーティング剤に用いられる従来の乳化重合では、粒子は中心から表面に向かって形成されます。速度論的要因が、粒子の均質性と形態に影響します。

超音波処理は、ポリマーエマルションを生成するために、次の二つの方法で利用できます。

トップダウン: 乳化/分散によって大きなポリマー粒子を微細化し、より小さな粒子を生成する方法
ボトムアップ：粒子の重合前または重合中に超音波を使用する方法

この動画では、パージ可能なキャビネットに収めた、インライン運転用の2キロワット超音波システムをご紹介します。Hielscherは、化学、製薬、化粧品、石油化学プロセス、溶媒抽出プロセスなど、ほぼすべての産業分野に超音波装置を供給しています。このパージ可能なステンレス製キャビネットは、危険場所での運転に対応するよう設計されています。そのため、お客様が密閉されたキャビネット内を窒素または新鮮な空気でパージすることで、可燃性ガスや蒸気の侵入を防止できます。

ミニエマルション中のナノ粒子状ポリマー

ミニエマルション中で粒子を重合することで、粒子径を良好に制御しながら、分散したポリマー粒子を製造できます。K. Landfester（2001）が示した、ミニエマルション（ナノリアクターとも呼ばれます）中でのナノ粒子状ポリマー粒子の合成は、ポリマーナノ粒子を形成する優れた方法です。この手法では、エマルション中の多数の小さなナノ区画（分散相）をナノリアクターとして使用します。これらの内部では、個々の閉じ込められた液滴中で、粒子が高度に並列的に合成されます。Landfester（2001）は論文の中で、ほぼ均一なサイズで極めて同一性の高い粒子を生成するための、非常に完成度の高いナノリアクター内重合を紹介しています。上の画像は、ミニエマルション中で超音波支援による重付加を行って得られた粒子を示しています。

高いせん断（超音波処理）を加えることで生成され、安定化剤（乳化剤）で安定化された小さな液滴は、その後の重合によって硬化させることができます。また、低温で溶融する材料の場合は、温度を下げることで硬化させることができます。超音波処理は、バッチプロセスと生産プロセスで、ほぼ均一なサイズの非常に小さな液滴を生成できるため、最終的な粒子径を良好に制御できます。ナノ粒子の重合では、親水性モノマーを有機相中に、疎水性モノマーを水中に乳化させることができます。

粒子径を小さくすると、同時に粒子の総表面積が増加します。左の図は、球形粒子の場合の粒子径と表面積の関係を示しています。そのため、エマルションの安定化に必要な界面活性剤の量は、粒子の総表面積に対してほぼ線形に増加します。界面活性剤の種類と量は、液滴径に影響します。アニオン性またはカチオン性界面活性剤を使用すると、30–200nmの液滴を得ることができます。

コーティング剤中の顔料

有機顔料と無機顔料は、コーティング配合の重要な成分です。顔料の性能を最大限に引き出すには、粒子径を良好に制御する必要があります。顔料粉末を水系、溶剤系、エポキシ系に添加すると、個々の顔料粒子は大きな凝集体を形成する傾向があります。こうした凝集体を破壊し、個々の顔料粒子を粉砕するために、従来はローター・ステーターミキサーや撹拌式ビーズミルなどの高せん断機構が使用されています。超音波処理は、コーティング剤の製造におけるこの工程で、極めて有効な代替手段となります。

下のグラフは、パール光沢顔料の粒子径に超音波処理が及ぼす影響を示しています。超音波は、粒子間の高速衝突によって個々の顔料粒子を粉砕します。超音波処理の際立った利点は、キャビテーションによるせん断力の作用が大きく、粉砕媒体（例えばビーズや球状媒体）が不要になることです。粒子は最大1000km/hrの極めて高速な液体ジェットで加速されるため、激しく衝突し、小さな破片に砕けます。粒子の摩耗によって、超音波で粉砕された粒子の表面は滑らかになります。全体として、超音波による粉砕と分散は、微細で均一な粒子分布をもたらします。

パール光沢顔料の超音波粉砕と分散。赤のグラフは超音波処理前の粒子径分布、緑の曲線は超音波処理中の粒子径分布、青の曲線は超音波分散後の最終的な顔料を示しています。

超音波による粉砕と分散は、すべての粒子をより均一に処理できるため、高速ミキサーや媒体ミルを上回ることがよくあります。一般に、超音波処理によって、より小さな粒子径と狭い粒子径分布が得られます（顔料粉砕曲線）。大きな粒子は通常、加工性、光沢、耐性、光学的外観を損なうため、これによって顔料分散液の全体的な品質が向上します。

粒子の粉砕と摩砕は、超音波キャビテーションによって生じる粒子間衝突に基づいているため、超音波リアクターはかなり高い固形分濃度（例えばマスターバッチ）でも処理でき、なおかつ良好な微細化効果を得られます。下の表は、TiO2の湿式粉砕の画像を示しています。

超音波で粉砕した二酸化チタンTiO2粒子は、直径が大幅に減少し、狭い粒子径分布を示します。

ボールミルで粉砕したTiO2の超音波粉砕前後

超音波粉砕後の二酸化チタンTiO2粒子は、直径が大幅に減少し、狭い粒子径分布を示します。

噴霧乾燥したTiO2の超音波粉砕前後

下のグラフは、超音波処理によってDegussaのアナターゼ型二酸化チタンを解凝集した際の粒子径分布曲線を示しています。超音波処理後の曲線の幅が狭いことは、超音波処理の典型的な特徴です。

超音波で分散したTiO2（Degussaのアナターゼ型）は、狭い粒子径分布を示します。

高性能コーティング剤中のナノサイズ材料

ナノテクノロジーは、多くの産業に普及しつつある新興技術です。ナノ材料やナノ複合材料は、例えば耐摩耗性、耐傷性、紫外線安定性を向上させるために、コーティング配合に使用されています。コーティングへの適用における最大の課題は、透明性、明澄性、光沢の維持です。そのため、光の可視スペクトルへの干渉を避けるには、ナノ粒子を非常に小さくする必要があります。多くの用途では、その粒子径は100nmを大幅に下回ります。

高性能成分をナノメートル域まで湿式粉砕することは、ナノ技術を用いたコーティング剤の配合において極めて重要な工程となります。可視光に干渉する粒子は、いずれも曇りと透明性の低下を引き起こします。そのため、非常に狭い粒子径分布が必要です。超音波処理は、固体の微粉砕に非常に有効な手段です。液体中の超音波／音響キャビテーションは、粒子間の高速衝突を引き起こします。従来のビーズミルやペブルミルとは異なり、粒子自体が互いを粉砕するため、粉砕媒体が不要になります。

例えば、 Panadur（ドイツ）などの企業は、インモールドコーティング剤中のナノ材料の分散と解凝集に Hielscher の超音波処理装置を使用しています。インモールドコーティング剤の超音波分散について詳しくはこちら！

危険環境で可燃性液体や溶剤を超音波処理するために、ATEX認証を取得した処理装置が用意されています。 Atex 認証を取得した超音波処理装置 UIP1000-Exd について詳しくはこちら！