JP2005254124A - 液滴分散液の製法 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】 液体２を液体１中にノズルからパルス状に吐出することにより、液体１中に液体２から成る液滴が分散した分散液を製造する方法であって、該ノズルの径が１〜５０μｍであって、０．００１〜２０ｐｌ／個の液体２の液滴を１００〜１００００個／秒の速度で吐出することを特徴とする、液滴分散液の製法
【選択図】 なし

Description

この発明は液体の中に別種の液体を噴出させて液体の分散液を製造する方法に関する。

食品や医薬品等に用いられているエマルジョンは粒径が不均一であると不安定化するという問題がある。
エマルジョンを作る方法として、径が0.1〜20μm程度の単分散の液滴を液中に形成する方法として膜乳化技術が考案されている（特許文献１、非特許文献１等）。この方法では、機械的撹拌による剪断と異なり、液滴が細孔を通過することによる界面張力により分散相が自発的に剪断され、液滴の粒径と均一性が達成される。
一方、インクジェットによる微小液滴の噴射技術は、印刷に留まらず半導体チップ間の微小金属配線形成、DNA合成、微細塗装などものづくりに広く応用されている（非特許文献２）。しかし、これらはいずれも微小ノズルから気体中に液滴を射出するものである。

特許第3089285号 刈米他編,乳化・分散プロセスの機能と応用技術,サイエンスフォーラム,(1995),p.91 朝日新聞,2003年3月8日夕刊,p.5

本発明は、均一な径の液滴が分散した分散液を製造する方法を提供することを目的とする。このような分散液は、乳化技術の高度化、マイクロカプセル製造（オレオサイエンス第1巻第9号 949-954 (2001)）、リポソーム・ベシクル製造など、化学・食品工業、農薬・医薬・化粧品工業へ幅広く応用することができる。

本発明者らは、インクジェットの技術等を利用して、液体の中に別種の液体を噴出させることにより、上記課題を解決できることを見出した。
本発明者らは、サーマルインクジェット（TIJ）ノズルを用いて有機液体中に水を噴射する実験を行ったところ、液滴を高速で連続的に繰り返し噴射することを確認し、サイズが均一な液滴が分散した分散液を形成することができることを見出し、本発明を完成させるに至った。本発明者らは、更に、液滴形成過程、滴速度、飛距離、滴径分布などの基本的挙動について検討した。

即ち、本発明は、液体２を液体１中にノズルからパルス状に吐出することにより、液体１中に液体２から成る液滴が分散した分散液を製造する方法であって、該ノズルの径が１〜５０μｍであって、０．００１〜２０ｐｌ／個の液体２の液滴を１００〜１００００個／秒の速度で吐出することを特徴とする、液滴分散液の製法である。

本発明の方法を用いて、例えば、30μmの液滴を10,000Hzで並列に並んだ100個の独立したノズルから一斉噴射すれば、約1分で合計1mlの液滴を分散させることができる。本発明の方法にインクジェット技術を利用すれば、生産速度の飛躍的向上やマイクロカプセル製造法の高度化などへの展開が期待される。

本発明は、ノズルから液体１中に液体２をパルス状に吐出する。
ノズルの径（断面形状が円の場合は直径、円以外の断面形状の場合には面積の等しい等価円の直径をいう。）は１〜５０μｍ、好ましくは１０〜５０μｍ、より好ましくは１０〜２０μｍである。ノズルから吐出される液滴の径はこのノズル径に依存する。例えば、ノズル径が１０〜５０μｍ程度の場合には液滴の径もこのサイズ程度である。
本発明の方法においては、０．００１〜２０ｐｌ／個、好ましくは０．１〜２０ｐｌ／個の液体２の液滴を、１００〜１００００個／秒、好ましくは１０００〜１００００個／秒の速度で吐出する。

液体２を吐出する方法はインクジェット方式であることが好ましい。インクジェット方式は通常印字装置に用いられているものが好適である（特開2000-168090、特開2003-182083等）。インクジェット方式には種々の方法がある。例えば、図１に示すように、インクの通路の途中に加熱装置が備えられ、加熱により通路の液体が気化し、その結果ノズルの先端からインクを押出し、また加熱を止めることにより気化した液体が液化し、ノズルの先端にある液体が内側に戻ることにより、先にノズルから吐出された液体が単離する。これを繰り返すことにより、ノズルから液滴がパルス状に吐出される。別の方法として、インクの通路の途中に圧電素子などの機械的に通路を遮断する装置が備えられ、通路の遮断と連通を繰り返すことにより、同様にノズルから液滴がパルス状に吐出される。これらは原理が同じであればいかなる名称（例えば、バブルジェット（Ｒ）等）で呼ばれていてもよい。

液体１（即ち、液滴が分散される媒体）と液体２（即ち、分散する細粒）とは液体１と液体２とはいかなる液体であってもよいが、互いに混じり合わないことを要する。
液体１及び液体２の一方が水又は水溶液であり、他方が油又は有機溶剤若しくはその溶液であってもよい。
また、液体１及び液体２は、用途に応じて適宜、界面活性剤、高分子、アルコール、塩類、糖類、香料、粉体、防腐剤、酸化防止剤、pH調整剤等を含んでもよい。
分散液の形成を効果的にするために液体１及び液体２の少なくとも一方に界面活性剤を含ませることが好ましい。

また、リン脂質などの膜形成可能な界面活性剤やゼラチン等のゲル化する高分子等を液体２に含ませておけば、膜を有する液滴、例えばマイクロカプセルの分散液を得ることができる。更に、液体２に適当な薬剤、タンパク質、ポリヌクレオチド、組換えベクター等を含ませておけば、これらのマイクロカプセルの分散液を得ることができる。更に液体２を O/W型乳化物とし、油中に吐出することにより、O/W/O型複合エマルションを得ることができ、逆に、W/O型乳化物を水中に吐出することにより、W/O/W型複合エマルションを得ることができる。

液体２の液滴が液体１の媒体に吐出される際に、この媒体全体又は少なくとも液体２が吐出された部分を撹拌すると、液滴同士の結合を防ぐことができるので好ましい。
また、液体２の液滴が液体１の媒体に吐出される際に、径の大きな主滴の背後に径の小さな副滴が形成される。副滴の形成は溶液１と２の組成や粘度を変えることにより減少させることも可能であるが、ノズルの噴射角度を変化させて主滴と副滴を分離させることもできる。その結果、より均一な径の液滴からなる分散液を得ることが可能である。

以下、実施例にて本発明を例証するが本発明を限定することを意図するものではない。

本実施例で用いた装置の概略を図２に示し、サーマルインクジェット(TIJ)のノズル断面の模式図を図３に示す。
ヒータは厚さ0.45μｍのPo1y-Siであり、絶縁膜として厚さ０．１５μｍのSiN、保護層として厚さ０．５μｍのＴａが被覆されている。また、ノズル部はＳｉ基板と厚さ２０μｍのポリイミド製の流路形成層からなり、ノズル径は２０μｍである。
この装置は、液を満たした高さ約20μmの三角断面を持つマイクロ流路内のPoly-Si製微小薄膜ヒータ（約20×130μm^２）を矩形パルス信号を増幅して通電加熱し、発生する急速沸騰気泡の膨張によりノズル先端から液体が噴射される構造になっている。
本実施例では、蒸留水を充填したノズルの先端を下向きにし、ガラス小容器に深さ約10mmまで満たした常温の有機液体（デカン）の液面に接触させ、印刷時と同様の発熱量４W、加熱時間2.5μsでヒータをパルス加熱してデカン中への水の噴射の様相を観察した。

図４と図５にヒータをパルス加熱した際のノズル出口付近の様相を示す。
図４はパルス１回の場合のパルス印可直後の様相を示す。tはパルス加熱開始後の経過時間を表す。水はノズル出口から鉛直下方に大きく伸張した後、中程で細いくびれを生じ、分裂して径が約30μmの液滴（主滴、14 pl／個）と数μm程度の小滴（副滴、0.37 pl／個）となり下方へ移動していく。分裂直後の主滴の速度（約2m/s）は空気中に噴射した場合の約20％程度と小さいが、いずれの場合も液中へ高速で液滴を射出できることがわかる。

図５は周波数100Hzで10回繰り返しパルス加熱した場合と、周波数7200Hz（即ち、吐出速度7200個/秒に相当し、このノズルをプリンタ印刷に使用する時と同じ条件である。）で715回繰り返しパルス加熱した場合の、最終パルス印可直後の様相を示す。先に噴射された主滴のいくつかは下流で互いに合体しているものの、パルス毎の噴射によりほぼ同一径の液滴が形成し、そのままバルク液中を落下する。特に印刷時と同じ高周波数でも液滴が連続的に生成すること、ノズル出口付近に停滞し合体して液塊になることがないことは、実用上重要である。

図６は単滴及び繰り返しパルス噴射最終滴のノズル出口からの距離の時間変化を示し、図７は液滴速度の飛距離による変化を示す。
液中に1〜10滴程度噴射した場合、空気中噴射と異なり、バルク液から受ける大きな抵抗力のためにノズル出口から僅か200μｍの間に急速に減速する。一方7200Hz、第715滴の場合、急減速後も小さな速度を保ちながら緩やかに下方に移動していく。
これは、多数滴の噴射により下方に向かってバルク液流れが誘起されるためと考えられる。この流れはノズル付近での滴の滞留や合体を回避する作用をもつと推察される。

ノズルから吐出された液滴の運動を予測するための運動方程式（式(1)）を図８に示す。左辺は慣性項、右辺第1項は液体２からなる液滴が液体１から受ける抵抗力Fdragで、Fdragは抵抗係数CDと滴速度（dx/dt)の関数として図のように表される。また右辺第２項は液滴に作用する重力Fgを表す。抵抗係数はStokes則の場合(Case(a))と定常流れにおける球の実験式(Case(b))の場合のレイノルズ数Reに関する依存性を二通り仮定し、実験で測定された初期液滴速度並びに液滴形成位置からの液滴の運動について式(1)を数値計算で解いた結果が図６、図７にそれぞれ実線と点線で記されている。図から一滴噴射の場合はStokes則を仮定した場合に近い運動となることがわかる。

図９は写真（図５）で捉えた液滴について、直径を0.2μmきざみで分類したときの個数分布を示す。平均が約30μm、約37μm、約9μmの三つのピークがある。約30μmは主滴、約9μmは副滴、約37μmは主滴が2個合体した球の径に相当する。主滴径の標準偏差は平均径の約2％、副滴では約9％であった。
ノズル径より小さな滴が小分散で形成することは興味深い。噴射角度を調整することにより主滴と副滴の流下する方向を変えれば、両者の分離も可能である。

加熱型のインクジェット方式の模式図である。 実施例で用いた装置の概略図である。 実施例で用いたノズル断面の模式図である。 パルス1回の場合のノズル出口付近の様相を示す図である。tはパルス加熱開始後の経過時間を表す。 繰り返しパルス加熱した場合の最終パルス印可直後のノズル出口付近の様相を示す図である。tはパルス加熱開始後の経過時間を表す。 単滴及び繰り返しパルス噴射最終滴のノズル出口からの距離の時間変化を示す図である。 液滴速度の飛距離による変化を示す図である。 液滴の運動を解析する計算式を示す図である。Case(a)はStokes則による液滴の抵抗係数、Case(b)は定常流れにおける液滴の抵抗係数を示す。 写真（図５）で捉えた液滴について、直径を0.2μmきざみで分類したときの個数分布を示す図である。

Claims (8)

1. 液体２を液体１中にノズルからパルス状に吐出することにより、液体１中に液体２から成る液滴が分散した分散液を製造する方法であって、該ノズルの径が１〜５０μｍであって、０．００１〜２０ｐｌ／個の液体２の液滴を１００〜１００００個／秒の速度で吐出することを特徴とする液滴分散液の製法。
2. 前記液体２をインクジェット方式により吐出する請求項１に記載の製法。
3. 液体１の少なくとも液体２が吐出された部分を撹拌する請求項１又は２に記載の製法。
4. 液体１及び液体２の一方が水又は水溶液であり、他方が油又は有機溶剤若しくはその溶液である請求項１〜３のいずれか一項に記載の製法。
5. 液体１及び液体２の少なくとも一方に界面活性剤を含ませた請求項１〜４のいずれか一項に記載の製法。
6. 液体２が膜形成可能な界面活性剤及び所望の薬剤を含有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の製法。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の製法において、ノズルの噴射角度を変化させて主滴と副滴を分離することからなる、均一な径の液滴からなる分散液の製法。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の製法により製造された液滴分散液。