JP2005334808A

JP2005334808A - 超音波分散装置

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Publication number: JP2005334808A
Application number: JP2004159328A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Naoe; 康司直江
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2005-12-08
Also published as: US20050265120A1

Abstract

【課題】ナノからサブミクロンの平均一次粒径を持つ粉体を溶媒又は溶液中に分散させ、沈降物がなく、分散安定性が高い液を作製でき、かつ量産性に優れた調液装置を提供する。
【解決手段】超音波振動子１４と液槽１２とを備えたバッチ式の超音波分散装置１０。超音波振動子１４の発振周波数が２０ｋＨｚ以下であり、超音波振動子が液槽１２に固定されており、超音波振動子が処理液と接触できる構造である。
【選択図】図１

Description

本発明は超音波分散装置に係り、特に、ナノからサブミクロンの平均一次粒径を持つ粉体を溶媒又は溶液中に分散させ、沈降物がなく、分散安定性が高い液を作製でき、かつ量産性に優れた超音波分散装置に関する。

ナノからサブミクロンの平均一次粒径を持つ微粒子粉末を分散させる技術は、機能性膜の製造、具体的には、写真感光材料や磁気記録媒体の製造、光学補償フィルム、反射防止フィルム、防眩性フィルム等の光学フィルムの製造等において重要になってきている。特に、微粒子粉末の分散技術は、より均一で欠陥のない膜を形成したり、高分散時の液ハンドリング（液粘度抑制）の観点で重要である。

従来より、一般的に、微粒子粉末を有する溶液を分散させる方法としては、以下に列挙する方法が挙げられる。

１）小径ビーズを使用したビーズミル分散法。

２）高圧で液を衝突させるジェットミル分散法。

３）ホモミクサー等のローター／ステータ間隙における高速回転でのせん断力で凝集粒子を解砕する方法。

４）ロールミルや各種混練機でのせん断力で凝集粒子を解砕する方法。

このうち、１）のビーズミル分散法では、ビーズの径、装置内へのビーズの充填率、装置内での処理液の滞留時間、処理液の粒子体積比率、粒子表面の結合剤等の吸着状態等を適切に制御すれば、微粒子粉末からなる溶液を均一に分散させることができる。したがって、分散方法としては優れているといえる。しかしながら、液処理中の粒子解砕が進むと、再凝集を生じ、液粘度が上昇してしまい、これにより生産性が低下するという問題点がある。

このため、ビーズミル分散法の単独では、ナノからサブミクロンの平均一次粒径を持つ粉体を溶媒又は溶液中に分散させることができるとともに、量産性に優れた分散システムを構築することが難しかった。

２）のジェットミル分散法は、高圧で液体と液体とを衝突させる機構を持つため、装置が大掛かりになる。また、洗浄性やメンテナンス等の観点で、量産用の生産機として分散システムを構築することが難しかった。

３）のホモミクサー等を使用する方法は、ローター／ステータ間隙において高速回転での粒子解粋は起きるが、ナノからサブミクロンの平均一次粒径を持つ微粒子粉末を溶媒に入れて処理した場合に、沈降物のない分散液を作ることができなかった。この理由として、粒子解砕が局所的で、かつ解砕エネルギーが低く、旋回流による凝集粒子の循環が不十分なため、沈降物のない分散液を作ることができなかったことが考えられる。

４）のロールミルや各種混練機を使用する方法は、微粒子粉末を一次粒子レベルで解砕し、結合剤等の樹脂成分を高せん断力で吸着させる効果は高いものの、不均一の混合部（凝集粒子）が強い力で圧縮されることにより、その後、ビーズミル分散処理を併用しても、凝集粒子を解砕できないという問題を生じたり、ビーズミル分散の処理時間が長くなったりし、生産性が低下するという問題を生じる。

上記の１）〜４）に列挙した問題は、微粒子粉末の粒径が小さくなる程、顕著になる傾向にある。一般的に微粒子粉末は、微粒化に伴い粉体表面積の増大が起きるので、二次凝集径も大きく、粉体のハンドリングの観点からも、粉体メーカーにおいて二次凝集径を小さくする取り組みが難しい状況にある。

一方、上記の１）〜４）以外に、微粒子粉末を有する液体を分散させる方法として、超音波分散方法がある。そして、このための各種超音波分散装置が市販されている。これらの装置としては、分散の均一化や処理液の高温対策（要冷却）の観点より、一般的に周波数が２０ｋＨｚ以下の循環型超音波分散装置（超音波ホモジナイザー）が採用されている。

一方、バッチ式の超音波分散装置は、超音波照射部への液循環の問題（超音波が均一に当たらない）等の理由より、実験レベルや粒度分布測定の前処理用途などの少量調液用途にのみ適用されており、量産性を有する生産装置としての適用が難しかった。

また、処理液を前述の循環型分散装置（ビーズミル分散機、超音波ホモジナイザー、等）で処理するためには、微粒子粉末からなる処理液において、沈降物がなく、かつ循環型分散処理に至る迄の保存経時において、再凝集や分散性の低下等がない液処理が必要である。

この課題に対処すべく、本発明者は、超音波分散を使った調液技術を提案しており、所定の効果が得られることが確認されている（特許文献１、２参照。）。すなわち、この技術は、強磁性粉末と溶剤とからなる液Ａと、結合剤の溶液Ｂとを含んだ磁性塗料の処理方法であって、液Ａと溶液Ｂとを超音波印加により混合し、その後に分散処理がなされるものである。そして、強磁性粉末の凝集粒子の解砕ができるとともに、強磁性粉末の凝集が防げるので結合剤の吸着が均一となる強磁性粉末の液が得られ、低ノイズの高密度塗布型磁気記録媒体に好適な磁性塗料が得られるものである。
特開２００４−３０７６２号公報特開２００４−３０７６３号公報

しかしながら、特許文献１、２の方法では、大量の液処理が難しく、量産化という課題に対応しきれていないという問題が残る。

また、市販されている超音波分散装置（たとえば、日本精機製作所製の超音波分散装置、型番：ＵＳＤＳ−１型、発振周波数：２０ｋＨｚ）は、攪拌機付きで、タンク上蓋に超音波振動子が備えられているものであるが、タンクの内径がタンクの深さより大きい浅型のタンク構造であり、処理液量も３Ｌであり、量産化に対応した装置ではない。

このように、現状においては、ナノからサブミクロンの平均一次粒径を持つ粉体を溶媒又は溶液中に分散させ、沈降物がなく、分散安定性が高い液を作製でき、かつ量産性に優れた調液装置が望まれていたものの、このような調液装置は皆無であった。

本発明は、上記従来の課題を解決し、ナノからサブミクロンの平均一次粒径を持つ粉体を溶媒又は溶液中に分散させ、沈降物がなく、分散安定性が高い液を作製でき、かつ量産性に優れた調液装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、超音波振動子と液槽とを備えたバッチ式の超音波分散装置において、前記超音波振動子の発振周波数が２０ｋＨｚ以下であり、該超音波振動子が前記液槽に固定されており、該超音波振動子が処理液と接触できる構造となっていることを特徴とする超音波分散装置を提供する。

本発明によれば、超音波振動子の発振周波数が２０ｋＨｚ以下であり、かつ、超音波振動子が処理液と接触できる構造となっているので、ナノからサブミクロンの平均一次粒径を持つ粉体の解砕能力が高く、沈降物がなく、分散安定性が高い液を作製でき、また量産性にも優れている。

すなわち、超音波振動子の発振周波数が２０ｋＨｚ以下であるので、ナノからサブミクロンの平均一次粒径を持つ粉体の解砕能力が高く、また、従来のバッチ式超音波洗浄機等と異なり、超音波振動子が処理液と直接接触できる構造となっているので、従来見られなかった高い分散性能が発揮できる。

本発明において、前記超音波振動子が、ワンタッチ継手により前記液槽に固定されていることが好ましい。このように、超音波振動子が、ワンタッチ継手により固定されるのであれば、超音波振動子の配置構造を変えることが容易であり、処理液の容量等の変更に柔軟に対応でき、生産装置として望ましい。なお、ワンタッチ継手としては、ヘルール継手等、公知の各種継手が使用できる。

また、本発明において、攪拌装置を備えてなることが好ましい。このように、超音波振動子と攪拌装置とが併用されるのであれば、高い分散性能が発揮できる。なお、攪拌装置としては、スターラー等、公知の各種装置が使用できる。

以上説明したように、本発明によれば、ナノからサブミクロンの平均一次粒径を持つ粉体の解砕能力が高く、沈降物がなく、分散安定性が高い液を作製でき、また量産性にも優れている。

以下、添付図面に従って本発明に係る超音波分散装置の好ましい形態について詳説する。図１は、超音波分散装置１０の断面図である。

図１に示されるように、バッチ式の超音波分散装置１０は、液槽１２と超音波振動子１４、１４とスターラ１６等より構成される。このうち、液槽１２は、液槽本体１２Ａと蓋１２Ｂとよりなる。これに使用される各種構成部材は、公知の各種部材が使用できる。ただし、処理する被分散液の性質より、コンタミネーションを生じず、腐食が生じない材質のものを採用することが好ましい。

この液槽本体１２Ａは、内径Ｄをたとえば、好ましくは５００ｍｍ以下、より好ましくは３００ｍｍ以下のものとすることができる。内径Ｄを３００ｍｍとし、槽深さｈを２００ｍｍとした場合、液槽本体１２Ａの内容量は、約１５Ｌになる。

この液槽本体１２Ａの側面及び底面は、二重構造となっており、冷却ジャケット１８、１８…が形成され、この内部を冷却水が循環できる構造となっている。

また、この液槽本体１２Ａの側面には、液槽本体１２Ａを貫通して超音波振動子１４が２箇所に固定されている。この超音波振動子１４は、出力が６００Ｗであり、発振周波数が２０ｋＨｚであり、振幅が３０μｍのものである。この超音波振動子１４による超音波の照射面積は、１個あたり１０．１８ｃｍ²になる。

この超音波振動子１４の配置は、上下方向では、液槽本体１２Ａの内部底面より、その中心が５０ｍｍの高さｈ’となるようにされている。この高さｈ’前後とすることにより、被処理液に有効に超音波を照射することができる。

また、超音波振動子１４は、円周方向では、１８０度の間隔で２個配されている。すなわち、超音波振動子１４を複数個設ける場合には、スターラ１６の攪拌軸に対して均等に配置することが好ましい。たとえば、超音波振動子１４を２個設ける場合には、図１のように円周方向に１８０度の間隔で配し、超音波振動子１４を４個設ける場合には、円周方向に９０度の間隔で配することが好ましい。

超音波振動子１４の液槽本体１２Ａへの固定方法は、ヘルール継手２０、２０によりなされている。このヘルール継手２０のようなワンタッチ式の継手を使用することにより、超音波振動子１４の着脱が非常に容易に行える。なお、ヘルール継手２０以外のワンタッチ式の継手を使用することも可能である。

超音波振動子１４の先端面は、液槽本体１２Ａの内壁と面一となるように固定されている。また、超音波振動子１４の先端面（照射面）には、ジルコニア（ＺｒＯ₂）を主体とした厚さ４ｍｍのセラミックスのコート層が形成されている。このようなコート層が形成されることにより、超音波振動（キャビテーション）による先端面（照射面）の浸食が抑制できるようになっている。

液槽本体１２Ａの底面には液排出孔となる貫通孔２２が設けられている。そして、この貫通孔２２に配管２４が接続され、配管２４にストップバルブ２６が接続されている。したがって、ストップバルブ２６の操作により、被処理液の排出が容易にできるようになっている。

図１に示されるように、液槽１２において、液槽本体１２Ａの上方より蓋１２Ｂを貫通してスターラ１６が液槽本体１２Ａ内部に挿入されており、被処理液の攪拌ができるようになっている。

スターラ１６の下端部には攪拌羽根１６Ａが固定されている。この攪拌羽根１６Ａの上下位置は、液槽本体１２Ａの中央部内底面から１５ｍｍの高さに、中心が位置するように配されている。この攪拌羽根１６Ａは、ディゾルバー型で、外径ｄが８０ｍｍのものである。

この攪拌羽根１６Ａの外径ｄと液槽本体１２Ａの内径Ｄとの比ｄ／Ｄは、０．１〜０．６の範囲が好ましい。これ以外の比ｄ／Ｄでは、攪拌効率が低下することが確認されているからである。

攪拌羽根１６Ａの形状は、ディゾルバー型、パドル型などが好ましい。また、攪拌羽根１６Ａの形状は、液槽本体１２Ａの内底面を、スクレーパのように掬いながら攪拌できる形状のものが最も好ましい。

本発明に係る超音波分散装置１０において、スターラ１６による攪拌流によって液槽本体１２Ａの内底部の被処理液中の凝集粒子を、液槽本体１２Ａの側面下部の超音波振動子１４（超音波照射部）付近に運ぶことと、スターラ１６による攪拌によって発生する液槽本体１２Ａの内側面への液圧を抑制することがポイントになる。

したがって、超音波印加時の粒子解砕効率を高めるために、液槽本体１２Ａの容量（内径、深さ）に対応して攪拌羽根１６Ａの形状や外径を適宜に設定することが好ましい。これによって、結合剤を使用しない被処理液でも、数日間、沈降の発生しない状態にすることができるようになる。

次に、超音波分散装置１０の他の構成部分について説明する。

蓋１２Ｂには、原料投入口３０が設けられており、この蓋部３０Ａを開くことにより、原料の投入ができるようになっている。液槽１２の上方にはモータ３２が設けられており、スターラ１６の回転駆動ができるようになっている。このモータ３２は、ステー３４、３４を介して図示しない躯体に固定されている。

蓋１２Ｂの上部には、モータ３２とスターラ１６とを連結する中間軸３６が軸受３８、３８により回動自在に支持されている。そして、スターラ１６と中間軸３６とはフランジ継手４０により、モータ３２の軸と中間軸３６とはカップリング４２により、それぞれ連結されている。モータ３２を制御することにより、スターラ１６の回転数を、たとえば０〜１７００ＲＰＭの範囲で可変とできる。

攪拌羽根１６Ａの形状、外径ｄ、及び液槽本体１２Ａの内径Ｄ等により、スターラ１６の回転数は適宜変更することが好ましい。

以上に説明した構成は、超音波分散装置１０の１例であるが、これ以外の態様も採用できる。たとえば、被処理液量が増加した場合、液槽１２の中央部深さｈを５００ｍｍ以上とすることもできる。この場合には、超音波振動子１４、１４の設置位置ｈ’を適宜高さ方向で変え、超音波の照射部位を変更することが好ましい。

超音波振動子１４の発振周波数は、粒子解砕能力の高さから１０〜２０ｋＨｚとすることが好ましい。また、超音波振動子１４の個数は、被処理液の液量が増加した場合、粒子解砕能力が低下するため、この場合には増やすことが好ましい。超音波振動子１４の個数を増やさない場合には、処理時間を長くすることにより粒子解砕能力の低下を補うことができる。

本発明の超音波分散装置１０は、超音波振動子１４がヘルール継手２０によって液槽１２に固定される形態をとっている。このように、超音波振動子１４の固定が極めて容易であることより、被処理液の液量に対応させて、超音波振動子１４を容量の違う液槽１２に取り付けて、超音波分散処理することもできる。これにより、量産性が良好であるのみならず、フレキシビリティも備えた分散装置となる。

次に、超音波分散装置１０の運転方法について説明する。

液槽１２に所定液量の被処理液を投入する。そして、スターラ１６を所定回転数に駆動して被処理液を攪拌する。この際、被処理液の液温を制御すべく、冷却ジャケット１８、１８…の内部に所定温度に制御された冷却水を循環させておく。そして、超音波振動子１４を起動させて超音波分散処理を行う。

これにより、超音波照射部での発熱を被処理液の攪拌により効率よく冷やすことが可能となる。その結果、被処理液の液温上昇による溶媒の粘度低下等を抑制することができ、粒子の沈降速度をより遅くすることができる。

この観点より、超音波処理中の被処理液の液温は６０°Ｃ以下とするのが好ましく、４５°Ｃ以下とするのがより好ましい。特に、バッチ式の超音波処理では、被処理液の液温が４５°Ｃを超えないよう、冷却水温及び冷却水量を設定したり、超音波印加を入れたり切ったりする形態で断続処理することが好ましい。また、超音波分散処理後の被処理液の保存は液温を３０°Ｃ以下にして実施することが好ましい。

本装置を使用し、超音波分散処理を行う際には、被処理液を以下のように設定することにより、一層効果が得られる。

被処理液中の微粒粉末を、球形単分散であると仮定して、被処理液中に分散させた時の粒子の体積濃度Ｖと平均粒子間距離ｈ（単位：ｎｍ）との関係を、粒子径をｄｐ（単位：
ｎｍ）として、以下の式（１）で表すことができる。

［数１］
ｈ＝ｄｐ〔（１／（３πＶ＋５／６）^1/2−１〕・・・式（１）
この場合、被処理液における粒子の体積濃度は、超音波処理により、殆どの粒子が一次粒径サイズまで解砕が進むことから、平均粒子間距離ｈと粒子径ｄｐとの比であるｈ／ｄｐが０．１〜５になるように粒子体積濃度を設定することが好ましい。

更に、超音波印加による粒子解砕効率の向上と液の分散安定性確保の観点より、ｈ／ｄｐが０．５〜１．５になるよう設定することが、より好ましい。

ｈ／ｄｐの値が０．１未満では、粒子の体積濃度が上がることにより超音波印加による粒子解砕ができても、粒子接触による再凝集が起きることにより液の分散安定性が確保できなくなるので好ましくない。一方、ｈ／ｄｐの値が５を超えると、粒子の体積濃度の低下に伴い、超音波印加によるキャビティの破壊における衝撃力が粒子に当たる確率が下がり、未解砕物が残るようになるので好ましくない。

このｈ／ｄｐの値を上限付近で設定する場合には、バッチ式超音波分散処理における処理時間を長くしたり、スターラ１６の攪拌回転数を上げたり、攪拌羽根１６Ａの径を大きくしたりすることにより、粒子解砕効率の低下を補うことができる。

超音波振動や、キャビティの減衰や、超音波処理後の粉体表面の改質（メカノケミカル反応が起きると考えられる）による結合剤等の吸着反応を向上させる観点より、被処理液においては、溶媒中に粉体のみを入れて分散処理し、その後、粒子解砕が進行した段階において、結合剤溶液を添加することが好ましい。

また、被処理液の樹脂含有量が多い場合には、粒子解砕が十分に進まないので、粉体に対する樹脂量を少なく設定したり、液濃度を下げて設定したりすることが必要となる。

被処理液の溶媒中に粉体のみを入れて分散処理した場合、粉体の種類によっては、処理時間が長くなると、過分散により再凝集が起きる場合がある。したがって、粉体の種類や表面処理条件が違う場合には、液濃度を考慮して処理時間を最適化するか、前述のように結合剤溶液を添加して分散安定性を確保することが好ましい。

以上、本発明に係る超音波分散装置の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。

たとえば、本実施形態では、超音波振動子１４が２個対向して設けられているが、既述したように、超音波振動子１４の個数、配置等はこの例に限定されるものではない。液槽本体１２Ａの槽深さｈが大きい場合には、上下方向に複数個超音波振動子１４を並べて配してもよく、液槽本体１２Ａの内径Ｄが大きい場合には、円周方向に複数個超音波振動子１４を配してもよい。

また、スターラ１６の形式や、攪拌羽根１６Ａのタイプも、図１の例に限定されるものではなく、各種の方式、構成のものを採用できる。

本発明に係る超音波分散装置の断面図

符号の説明

１０…超音波分散装置、１２…液槽、１２Ａ…液槽本体、１２Ｂ…蓋、１４…超音波振動子、１６…スターラ、１８…冷却ジャケット、２０…ヘルール継手

Claims

超音波振動子と液槽とを備えたバッチ式の超音波分散装置において、
前記超音波振動子の発振周波数が２０ｋＨｚ以下であり、該超音波振動子が前記液槽に固定されており、該超音波振動子が処理液と接触できる構造となっていることを特徴とする超音波分散装置。
前記超音波振動子が、ワンタッチ継手により前記液槽に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波分散装置。
攪拌装置を備えてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波分散装置。