高性能接着剤の配合 – 超音波分散による改善

高性能接着剤は、エポキシ、シリコーン、ポリウレタン、ポリスルフィド、またはアクリル系材料に各種の（ナノ）充填材や添加剤を配合して構成されており、これらが接着強度、軽量性、耐久性、耐熱性、持続可能性などの特別な性能を接着剤に付与します。高性能接着剤の配合には、効率的で信頼性の高い混合が必要です。超音波分散と乳化を用いることで、さまざまな成分を均一に組み合わせ、均質な接着剤混合物を形成します。インライン超音波処理は、高粘度材料やナノ充填材の高配合量にも対応し、信頼性と有効性の高い混合によって優れた接着剤を製造します。

高性能接着剤の分散に用いる超音波の高せん断力

高性能接着剤は、並外れた接着強度、耐久性、軽量性を備えています。最終用途に応じて、精緻な配合処方に従い、ポリマー、コポリマー、複数の添加剤を配合します。

接着剤用のエポキシ、シリコーン、ポリウレタン、アクリル系材料は、配合設計者によって製造されます。配合設計者は、粘着付与剤、無機充填材（タルク、シリカ、アルミナなど）、柔軟性付与剤、減粘剤、着色剤、増粘剤、促進剤、接着促進剤などを添加し、接着剤の基材を改質します。これらの改質は、性能や加工の利便性の向上、あるいはコストの削減など、複数の目的に役立ちます。超音波高せん断分散機は、各種エポキシ系材料をインラインで配合するのに最適で、特定の用途の要件に合わせた接着剤を柔軟に製造できます。

要求の厳しい分散・乳化用途に対応する超音波高せん断ミキサー

高性能超音波処理装置は、高せん断ミキサーのように機能します。極めて高いせん断力は超音波／音響キャビテーションによって発生し、バッチおよびインラインでの乳化、分散、粉砕、解凝集、均質化の用途に最適です。超音波インライン分散機を用いると、低濃度から高濃度の固形分、および低粘度から高粘度の材料を容易に処理できます。

接着剤中のナノ材料の超音波高せん断混合

カーボンナノチューブ（CNTs）、金属ナノ粒子、ナノシリカ、ナノクレイ、ナノファイバー、その他多くのナノサイズ粒子などのナノ材料は、ナノ強化ポリマー（ナノコンポジット）の製造に用いられます。ナノ粒子には、熱硬化性ポリマー接着剤の機械的特性（剛性、弾性など）、電気的特性（導電性など）、機能的特性（透過性、ガラス転移温度、弾性率など）、破壊性能を変化させる能力があることがよく知られています。ナノ材料は、接着強度、耐久性、conduciveness、弾性、耐熱性などの特別な高性能特性を付与するだけでなく、ナノ構造粒子の添加によってポリマーのバリア特性も改善できます。
超音波によって発生する音響キャビテーションの高せん断力は、ナノ粒子を解凝集・分散し、さらに一次粒子を破砕する（すなわち超音波粉砕を行う）能力があることでよく知られています。これらの超音波の力を、ナノ粒子やその他の充填材を含むポリマー系に加えると、非常に均一な配合物が得られます。超音波分散はエネルギー効率の高い方法であり、高せん断ブレードミキサー、インペラーミキサー、粉砕機などの従来のせん断混合法と比べて、エネルギー消費が少なくなります。

この動画では、超音波ホモジナイザー（UP400St、Hielscher Ultrasonics）を使用して、250mLのエポキシ樹脂（Toolcraft L）に黒鉛を超音波で混合・分散する様子をご紹介します。Hielscher Ultrasonicsは、研究室や大量生産工程で、黒鉛、グラフェン、カーボンナノチューブ、ナノワイヤー、充填材を分散させる装置を製造しています。代表的な用途には、機能化工程におけるナノ材料やマイクロ材料の分散、および樹脂やポリマーへの分散があります。

Kaboori et al. (2013)は、超音波処理がモンモリロナイト（MMT）の層状構造を分散させ、MMT強化PVA接着剤を開発するための有効な方法であることを実証しました。超音波処理は、低配合量（1%および2%）と高配合量（4%）のいずれにおいても、PVA中のナノクレイを信頼性高く効率的に分散できることが示されました。
研究チームは、次のように述べています。「超音波技術は、高速せん断ミキサーとは異なり、特に高配合量でナノクレイを分散させるのに非常に効率的です。高速混合は、低配合量の場合にのみPVA中にナノクレイを分散させることができ、さまざまな条件でPVAの接着強度を向上させました。高速混合には、PVAエマルションを損傷する可能性（混合中に用いる強いせん断力によるもの）、高いコスト、高いエネルギー消費という欠点があります。これに対し、超音波処理技術はPVAエマルションへの悪影響が最小限です。さらに、超音波混合はPVAの製造前に実施でき、ナノクレイを含む溶液を製造工程中にPVAへ添加できるため、超音波処理技術は経済的です。本論文と私たちの過去の研究で得られた結果、および高速混合に対する超音波処理技術の利点を考慮すると、工業規模でPVAにナノクレイを添加することは実現可能と考えられ、木材用接着剤メーカーに推奨できます。」（Kaboori et al., 2013）

接着剤製造における超音波脱ガス効果

配合結果を大幅に改善する超音波処理のもう一つの利点は、その脱ガス効果です。高速の機械的撹拌（高せん断ブレードミキサーなど）は混合物中に大量の気泡を発生させ、その結果、混合物の色が明るくなることで気泡の存在に気付く場合もあります。超音波高せん断混合には、接着剤の配合物中に気体を取り込まないという大きな利点があります。代わりに、超音波が既存の気泡を合一させて液面に浮上させ、そこから気体を容易に除去できます。このように、超音波処理は液体や接着剤配合物の脱ガスと脱気を促進します。（Shadlou et al., 2014参照）

工業用接着剤の配合に対応する高性能超音波分散機

Hielscher Ultrasonicsは、高性能接着剤、高充填樹脂、ナノコンポジットの製造など、負荷の大きい用途向けの高性能超音波分散機を設計、製造、販売しています。Hielscherの超音波処理装置は、ポリマー、樹脂、コーティング材、その他の高性能材料にナノ材料を分散させるために世界中で使用されています。
Hielscherの超音波分散機には、複数の供給流を通じて材料を供給でき、制御された流動条件下で各種材料をキャビテーション混合領域に添加できます。超音波分散機は、低粘度から高粘度までの材料を信頼性高く効率的に処理します。原材料や粒径低減の目標に応じて、超音波強度を精密に調整できます。
粘性の高いポリマーペースト、ナノ材料、高固形分濃度の材料を処理するには、超音波分散機が高振幅を連続的に発生できる必要があります。Hielscher Ultrasonicsの工業用超音波処理装置は、全負荷での連続運転中に非常に高い振幅を提供できます。最大200µmの振幅で、24/7運転を容易に行えます。高振幅で超音波分散機を運転し、振幅を精密に調整できることは、高性能接着剤、ナノ強化ポリマー混合物、ナノコンポジットの配合に超音波処理条件を適合させるために必要です。
超音波振幅に加えて、圧力も非常に重要なプロセスパラメータです。圧力を高めると、超音波キャビテーションの強度とそのせん断力が増大します。Hielscherの超音波リアクターは加圧でき、それによって強化された超音波処理結果が得られます。
プロセスの監視とデータ記録は、継続的なプロセスの標準化と製品品質にとって重要です。着脱式の圧力・温度センサーを超音波発振器に配線接続することで、超音波分散プロセスを監視・制御します。超音波エネルギー（正味 + 総量）、温度、圧力、時間など、重要な処理パラメータはすべて自動的に記録され、内蔵SDカードに保存されます。自動記録されたプロセスデータにアクセスすることで、過去の超音波処理運転を見直し、プロセス結果を評価できます。
当社のデジタル超音波システムのもう一つの使いやすい機能は、ブラウザーによる遠隔制御です。ブラウザーからの遠隔制御により、どこからでも超音波処理装置を遠隔で起動、停止、調整、監視できます。
当社の高性能超音波分散機と、高性能接着剤およびコーティング材の製造における用途について詳しく知りたい方は、今すぐお問い合わせください！
以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示しています。

---

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。