ワニスにナノフィラーを混合する方法

ワニスの製造には、配合物中に均一に分散させる必要があるナノ粒子や顔料を扱える強力な混合装置が必要です。超音波ホモジナイザーは、ポリマー中にナノ粒子を均一に分布させる、効率と信頼性に優れた分散技術です。

高性能超音波ミキサーによるワニスの製造

ワニスとは、樹脂（例：アクリル、ポリウレタン、アルキド、シェラック）、乾性油、金属系乾燥剤、揮発性溶剤（例：ナフサ、ミネラルスピリット、シンナー）を配合した、無色透明で硬質の保護コーティングまたは塗膜です。ワニスが乾燥すると、含まれる溶剤が蒸発し、残りの成分が酸化または重合して、耐久性のある透明な塗膜を形成します。ワニスは主に木材表面、絵画、各種装飾品の保護コーティングとして使用されます。一方、UV硬化型ワニスは、自動車用コーティング、化粧品、食品、科学などの分野で使用されます。

ワニス中へのナノシリカの超音波分散

超音波分散の一般的な例として、コロイダルシリカの配合があります。コロイダルシリカは通常、ワニスにチキソトロピー性を付与するために添加されます。
例えば、ナノシリカを充填したポリエーテルイミドワニスは、標準的なワニスと比較して寿命が最大三十倍に延びます。ナノシリカは、導電性、直流および交流での絶縁耐力、接着強度など、ワニスの特性を向上させます。そのため、超音波分散装置は導電性コーティングの製造に広く使用されています。
その他のケイ酸塩鉱物であるウォラストナイト、タルク、マイカ、カオリン、長石、霞石閃長岩は安価なフィラーであり、いわゆる体質顔料として広く使用されています。これらは、コーティングのレオロジー（粘度）、沈降安定性、塗膜強度を調整するために添加されます。

研究で実証されたナノフィラー分散における超音波装置の優位性

Monteiro et al. (2014)は、一般的な分散技術 – ローター・ステーターミキサー、Cowlesインペラー、プローブ型超音波分散装置 – を、二酸化チタン（TiO2、アナターゼ）の分散効率について比較しました。従来のNa-PAA高分子電解質を使用してナノ粒子を水中に分散させる場合、超音波処理が最も効率的であり、ローター・ステーターまたはCowlesインペラーによる混合を大幅に上回ることが明らかになりました。
研究の詳細：十分に解凝集されたナノTiO2水性懸濁液を作製するうえで最も効果的な方法を特定するため、さまざまな分散技術を比較しました。TiO2水性分散液用として産業界で従来から使用されているポリアクリル酸ナトリウム塩（Na-PAA）を、基準となる分散剤として使用しました。図1は、Cowles分散装置（2000 rpmで30 min）、ローター・ステーターミキサー（14,000 rpmで30 min）、およびプローブ型超音波処理（Hielscher UIP1000hdT、振幅50%で2 min）で得られた体積基準の粒度分布（PSD）を示しています。「Cowles分散装置を使用した場合、粒子径は40–100 nm、350–1000 nm、1200–4000 nmという三つの異なる範囲に分布していました。大きな凝集体が明らかに分布の大部分を占めており、この技術が非効率的であることを示しています。ローター・ステーターも、ナノ粒子を一度に添加した場合でも、混合中に徐々に添加した場合でも、満足のいく結果を得られませんでした。Cowlesの結果で観察された主な違いは、中央のピークが粒子径の大きい側へ移動し、最も右側のピークと部分的に重なったことです。一方、超音波を使用すると、0.1 nmを中心とする狭いピークと、150–280 nmおよび380–800 nmの範囲にある二つのはるかに小さいピークが得られ、結果は大幅に改善しました。」

異なる分散技術で調製したナノTiO2水性分散液（10mgmL−1、pH = 9）の粒度分布。超音波処理により、最も小さいTiO2ナノ粒子と、最も狭い粒子径減少曲線が得られます。分散剤（Na-PAA）を使用した場合、ナノTiO2に対する比率は1:1でした。
（研究および図：© Monteiro et al., 2014）

超音波粉砕前後の噴霧乾燥したTiO2

この結果は、水中へのナノサイズのTiO2粒子の分散において、超音波処理が他の技術よりも良好な結果をもたらすと報告したSato et al. (2008)の研究と一致しています。音響／超音波キャビテーションによって発生する衝撃波は、非常に激しい粒子間衝突を引き起こし、粒子を効率的に粉砕・解凝集して、均一なナノスケールの断片にします。
（参照：Monteiro et al., 2014）

ワニス製造用の高性能超音波ホモジナイザー

ワニスやコーティングの製造などの工業的な製造工程でナノ粒子やナノフィラーを使用する場合、乾燥粉末を液相中に均一に混合する必要があります。ナノ粒子の分散には、ナノスケールの粒子の特性を引き出すために、凝集体を壊すのに十分なエネルギーを加える、信頼性が高く効果的な混合技術が必要です。超音波装置は強力で信頼性の高い分散装置としてよく知られており、シリカ、ナノチューブ、グラフェン、鉱物をはじめとするさまざまな材料を解凝集し、樹脂、エポキシ、顔料マスターバッチなどの液相中に均一に分布させるために使用されています。Hielscher Ultrasonicsは、あらゆる種類の均質化および解凝集用途に向けた高性能超音波分散装置を設計、製造、販売しています。
ナノ分散液の製造では、高性能な製品を得るために、超音波処理の精密な制御と、ナノ粒子懸濁液の信頼性の高い超音波処理が不可欠です。Hielscher Ultrasonicsの処理装置では、投入エネルギー、超音波強度、振幅、圧力、温度、滞留時間など、すべての重要な処理パラメーターを完全に制御できます。これにより、パラメーターを最適な条件に調整でき、ナノシリカやナノTiO2のスラリーなど、高品質なナノ分散液を得られます。

あらゆる容量／処理能力に対応： Hielscherは、超音波装置と幅広いアクセサリーを提供しています。これにより、用途と生産能力に最適な超音波システムを構成できます。数ミリリットルを収容する小型バイアルから、毎時数千ガロンの大流量まで、Hielscherはお客様のプロセスに適した超音波ソリューションを提供します。
高粘度： 超音波インラインシステムは、顔料マスターバッチなどのペースト状の配合物を容易に処理できます。顔料マスターバッチでは、可塑剤、モノマー、ポリマーの混合物中に、高い粒子充填量で顔料を均一に混合します。
堅牢性： 当社の超音波システムは堅牢で信頼性に優れています。Hielscherのすべての超音波装置は、24/7/365の連続運転に対応するように製造されており、必要なメンテナンスはごくわずかです。
使いやすさ： 当社の超音波装置に搭載された高度なソフトウェアでは、超音波処理の設定をあらかじめ選択して保存できるため、簡単で信頼性の高い超音波処理を実施できます。直感的なメニューには、デジタルカラータッチディスプレイから簡単にアクセスできます。ブラウザーによるリモート制御で、任意のインターネットブラウザーから操作と監視を行えます。自動データ記録機能は、各超音波処理のプロセスパラメーターを内蔵SDカードに保存します。
優れたエネルギー効率： 他の分散技術と比較して、Hielscherの超音波装置は、卓越したエネルギー効率と、粒度分布における優れた結果を実現します。
高品質と堅牢性： Hielscherの超音波装置は、品質、信頼性、堅牢性が高く評価されています。Hielscher UltrasonicsはISO認証企業であり、最先端技術と使いやすさを備えた高性能超音波装置に特に力を入れています。もちろん、Hielscherの超音波装置はCEに適合し、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。