分散・粉砕のための超音波：塗料と顔料

高出力超音波は、強力で精密に制御できる粉砕・分散作用でよく知られています。このため、超音波ホモジナイザーは顔料ペーストや塗料配合物の製造に最適です。産業用超音波処理装置は、マイクロメートル領域とナノ領域で極めて均一な粒度分布を実現します。Hielscherの超音波処理装置で高粘度の大容量流を処理し、均一な湿潤、分散、解凝集、粉砕を実現してください！

超音波による塗料製造

超音波処理で塗料、色材、コーティングを改善：

• 配合： 高粘度、高粒子含有量、水系、溶剤系のいずれでも – Hielscherの産業用インライン超音波処理装置なら、あらゆる配合物を処理できます。
• マイクロメートル・ナノサイズ： 音響キャビテーションが生み出す高いせん断力は、粒子を微小な粒径まで縮小し、均一な分散を実現します。粒子や配合の要件に合わせて超音波処理パラメータを調整することで、ナノサイズの顔料を確実に製造できます。
• 光学特性： 適切な光学特性を得るには、顔料の粒径を制御する必要があります。通常、不透明度は粒径と相関し、粒径が小さいほど不透明度が高くなります。例えば、TiO2は特に0.20–0.3マイクロメートルの粒径に加工されます。これは光の波長の約半分に相当します。超音波処理はTiO2顔料を最適なサイズまで縮小し、最高の隠蔽力を実現します。
• 高性能粒子： 粒径を小さくすると、彩度、色の一貫性、安定性が向上します。強力でありながら精密に制御できる超音波の力により、被覆粒子、SWNTs、MWCNTs、コアシェル粒子など、改質・機能化されたナノ粒子を製造できます。こうした粒子は独自の特性を示し、塗料やコーティングの配合物の品質と機能性を新たな水準へと高めます（例えば、耐紫外線性、耐傷性、強度、接着性、高い耐熱性、赤外線および太陽光の反射性）。
• 改質粒子： 表面改質された顔料は、高い顔料含有量でも非常に低い粘度（固形分10%で2.5cP）、優れた懸濁安定性、高純度を示します。超音波を利用した粒子の機能化により、特別な特性を持つ高性能顔料を容易に合成できます。

超音波キャビテーションと高いせん断力を用いて粉砕・分散された顔料ペーストは、大幅な粒径の縮小と均一な分布を示します。上のグラフは、超音波エネルギーの増加に伴って粒径の縮小が進むことを示しています。

塗料を製造するには、顔料、結合剤／皮膜形成剤、希釈剤／溶剤、樹脂、充填剤、添加剤などの成分を混合し、均一な配合物にする必要があります。顔料は、塗料の色を決定する成分です。最も重要な白色顔料はTiO2であり、所望の白色度、明るさ、不透明度、および非常に高い屈折率を示すには、直径0.2–0.3マイクロメートルの最適な粒径まで粉砕する必要があります。超音波のせん断力は、TiO2粒子の解凝集と分散に非常に効果的で、エネルギー効率にも優れています（下の画像を参照）。

固形分濃度の異なる、超音波で分散させたTiO2ナノ粒子懸濁液のTEM像。超音波処理は 超音波処理装置UIP1000hdTを使用して行いました。
左：超音波エネルギー投入量1.8 × 10⁵ J/L – 右：超音波エネルギー投入量 5.4 × 10⁵ J/L
（研究および画像：©Fasaki et al., 2012）

 
超音波による粉砕と分散は、着色力、密度、粉砕の細かさ、分散、レオロジーを改善し、塗料の品質を高めます。

超音波による分散・粉砕の条件

塗料やコーティングの品質は、顔料の均一な分散に依存します。Hielscher Ultrasonicsは、塗料の分散、特に顔料含有量の高い配合物に有効な粉砕装置を提供しています。粉砕、解凝集、分散用途における超音波分散装置の作用機構は、主に超音波キャビテーションが生み出すせん断作用に基づいています。粒子の分離に必要なキャビテーションのせん断力は、大きな圧力差、局所的な高温部、液体ジェットによって生じ、粒子間の衝突による粒子の破砕を引き起こします。
超音波プローブあたり16,000ワットのUIP16000hdTなどの産業用超音波分散装置は、塗料やコーティングの大容量流を処理する能力を備えています。

グラインドメーター上の超音波処理されたチョークペイントは、顔料の完全に均一な解凝集と粒度分布を示しています

ナノ粒子の分散

超音波による粉砕と分散は、ナノ粒子を効率的に処理して個々に分散した一次粒子を得るための唯一の方法であることが多くあります。一次粒子の粒径が小さいと表面積が大きくなり、粒子特有の特性や機能の発現と相関します。同時に、粒径が小さいほど表面エネルギーが高くなり、凝集の程度や反応性が高まるため、ナノ粒子を配合物中に均一に分散させるには、強力な超音波分散力が必要です。
さらに、超音波による表面処理でナノ粒子を改質することにより、分散性、分散安定性、疎水性などの特性を向上させることができます。
研究者らは、ナノ粒子の分散に望ましい方法として超音波分散法を推奨しています。その理由は、 「超音波法で分散された材料は、ビーズミルで製造された材料よりもはるかに純度が高いためです。」 [Kim et al. 2010].

超音波分散技術には、三本ロールミル、ボールミル、メディアミルなどの従来の粉砕技術と比較して、多くの利点があります。

マスターバッチや塗料配合物に用いる顔料・着色剤の超音波による均質化と分散について、詳しくお読みください！

文献／参考資料

• FactSheet Ultrasonic Inkjet Dispersion – Hielscher Ultrasonics
• I. Fasaki, K. Siamos, M. Arin, P. Lommens, I. Van Driessche, S.C. Hopkins, B.A. Glowacki, I. Arabatzis (2012): Ultrasound assisted preparation of stable water-based nanocrystalline TiO2 suspensions for photocatalytic applications of inkjet-printed films. Applied Catalysis A: General, Volumes 411–412, 2012. 60-69.
• Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment & Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS₄ with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue 1. January 9, 2020.
• Kim, Moojoon; Kim, Jungsoon; Jo, Misun; Ha, Kanglyeo (2010): Dispersion effect of nano particle according to ultrasound exposure by using focused ultrasonic field. Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics 6-8 December, 2010. 31, 2010. 549-550.
• Pekarovicov, Alexandra; Pekarovic, Jan (2009): Emerging Pigment Dispersion Technologies. Industry insight Pira International 2009.