JP2007302824A

JP2007302824A - 樹脂微粒子の球形化方法

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Publication number: JP2007302824A
Application number: JP2006134180A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Kabasawa; 一弘樺澤
Original assignee: Tokyo Printing Ink Mfg Co Ltd
Current assignee: Tokyo Printing Ink Mfg Co Ltd
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2007-11-22

Abstract

【課題】極めて簡便にかつ温和な条件で樹脂微粒子を球形化する方法を提供する。
【解決手段】樹脂微粒子を周速度１０ｍ／ｓｅｃ以上の層流で撹拌する撹拌機を用い、該樹脂微粒子の軟化点以下で撹拌することを特徴とする樹脂微粒子の球形化方法。また、上記の樹脂微粒子の樹脂成分が熱可塑性樹脂であることを特徴とする樹脂微粒子の球形化方法。さらに、上記熱可塑性樹脂が５０〜２５０℃のガラス転移温度を有することを特徴とする樹脂微粒子の球形化方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、樹脂微粒子の球形化方法に関する。

電子写真、静電記録、静電印刷等における静電荷像を現像するためのトナーに用いる樹脂微粒子は、一般的に熱可塑性樹脂に着色剤及び必要に応じて種々の添加剤を添加した混合物を溶融混練した後、粉砕することによって製造されるが、この粉砕法と呼ばれる樹脂微粒子の製造方法では、微粒子の粒度分布が広いため必要とする大きさの樹脂微粒子を得ようとする場合は、別途分級処理が必要となる。また、その形状が不定形なため、嵩比重が小さく、表面状態が粗で流動性が悪い。これらの欠点を解消するためには、球形化処理が必要であるが、この場合は生産性が低下しコストアップとなる。

また、ビニルモノマーと着色剤等を含む混合液を水中で懸濁重合することにより樹脂球形微粒子を形成し、この粒子を水と分離して乾燥し、そのまま粉砕することなしに、この球形微粒子をトナーとして使用することも提案されているが、この様な懸濁重合による樹脂球形微粒子の製造方法も、複雑な重合反応操作を行わなければならないという根本的な手数がかかり、しかも使用できるビニルモノマーや重合条件が極めて限定されるとともに、その粒子を所望の粒径にコントロールすること及び狭い粒度分布にすることも困難である。

そこで、特許文献１には、有機溶媒中で樹脂及び着色剤等を溶融混合させ、該有機溶媒中で微粒子化させた後、該有機溶媒を除去することによって樹脂球形微粒子を製造する方法が開示されているが、有機溶媒の回収が必要であるうえ、有機溶媒の環境への影響が危惧されるなどの問題がある。

粉体塗料は、塗膜形成用樹脂を主成分とした樹脂組成物を微粒子化した後、静電粉体塗装や流動浸漬塗装などの方法により塗布され、焼付けられることによって塗膜を形成する。そこでは、塗膜の平滑性を良くするために粉体塗料の粒径をできるだけ小さくすることが求められているが、粒径を小さくすることによって粉体塗料の流動性が低下する結果、粉体塗装作業性が低下する。そこで、特許文献２には、流動性を向上させるため粉砕によって得られた非球状の粉体塗料を熱気流と接触させることによって球状化させる方法が開示されているが、熱気流の発生装置、熱気流を均一に樹脂粒子に吹きつける装置、得られた粉体塗料を回収する装置が必要になるなど複雑で大掛かりな設備となる。

また、ラピッドプロトタイピングとよばれる成形方法では、樹脂粉体を使用する場合、均一にかつ密に積層するには、用いる樹脂粉体の流動性を向上させる必要があり、樹脂粉体微粒子の球形化が有用である。

さらに、特許文献３では、結晶性セルロース等の球形粒子の表面を薬剤で被覆し、それをさらにｐＨ非依存性の材料で被覆する徐放性製剤の製造法が開示されているが、結晶性セルロース等の表面に均一に薬剤などを被覆し、そこからの薬剤の徐放性をコントロールするには球状であることが必要である。

特許文献４には、ナイロン、アクリル系樹脂、ポリエチレン、結晶セルロース等の球状粉体を必須成分とした化粧品が開示されている。このような球状粉体を使用することによって、化粧の仕上がりの自然さを高めると同時に、少ない化粧動作で仕上がりを素早く作り出す作用を有するとしている。

特開平８−１９９０７４号公報特開平９−２０８８５５号公報特開平５−２１３７４０号公報特開平１１−２０９２４０号公報

上記で示したように特許文献１の球形微粒子の製造方法は、有機溶媒を使用することによる問題の他に、３つの複雑な工程を要するといった問題がある。また、特許文献２の球形化方法は、設備が大掛かりになることの他に、熱による樹脂の劣化の危険性及び粉体塗料で一般的に用いられている熱硬化性樹脂の場合には、塗装前に熱で硬化してしまう危険性がある。

また、医薬製剤及び化粧品等の分野においては、特許文献３及び４で示されているように球形微粒子が有用とされているが、簡単な装置でかつ温和な条件で樹脂球形微粒子を製造する方法は知られていなかった。

本発明は、上記課題を解決することに鑑みてなされたものであり、極めて簡便にかつ温和な条件で樹脂微粒子を球形化する方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、樹脂微粒子を周速度１０ｍ／ｓｅｃ以上の層流で撹拌する撹拌機を用い、該樹脂微粒子の軟化点以下で撹拌することを特徴とする樹脂微粒子の球形化方法である。

請求項２に係る発明は、樹脂微粒子の樹脂成分が熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１記載の樹脂微粒子の球形化方法である。

請求項３に係る発明は、熱可塑性樹脂が０〜２５０℃のガラス転移温度を有することを特徴とする請求項２に記載の樹脂微粒子の球形化方法である。

請求項４に係る発明は、熱可塑性樹脂が結晶性セルロースであることを特徴とする請求項２又は３に記載の樹脂微粒子の球形化方法である。

本発明によると、樹脂の特性劣化を抑制しながら、粉砕などで得られた不均一で角張った樹脂微粒子を極めて単純な装置を用いて、短時間で球形化することが可能となる。

本発明に係わる樹脂微粒子の球形化方法について説明する。なお、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更実施の形態が可能である。

本発明で用いる樹脂微粒子は、樹脂そのものか樹脂を主成分とした樹脂組成物である。例えば、熱可塑性樹脂及びその組成物の粉砕物が挙げられる。より具体的には、トナー用樹脂組成物、粉体塗料などがある。なお、本発明の熱可塑性樹脂は、熱又は光硬化性樹脂であっても硬化前で熱可塑性を有しているものであれば、これらも含まれる。

当該樹脂微粒子のガラス転移温度は、０〜２５０℃が好ましい。この範囲のガラス転移温度を有する樹脂としては、ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレンコポリマー、ポリエチレンテレフタレート及びポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリメチルメタアクリレート、ポリエステル−エポキシコポリマー、変成ポリフェニレンエーテル、ポリカーボネート並びに結晶性セルロース等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

本発明で用いる樹脂微粒子の大きさは、０．１〜５００μｍの粒径が好ましく、より好ましくは１〜３００μｍである。０．１μｍ未満では樹脂微粒子の凝集が起こりやすくなり、５００μｍを越えると球形化と同時に粉砕が進むことがある。また、用いる樹脂の種類によっては、樹脂微粒子の球形化と同時に樹脂微粒子の粉砕及び樹脂微粒子同士の合一が起こり、粒度分布が狭くなって粒度の揃った球形樹脂微粒子を得ることができる。その際、助剤としてエタノール、メタノール等のアルコール類、水等を加えてもよい。

なお、本発明において粒子が丸くなったかどうかの指標として本発明者が開発した丸み度を用いた。即ち、1個の粒子の周囲長を粒径で割った値が、円周率であるπ（３．１４）に近いほど丸くなっていると仮定した。実際には、顕微鏡写真から任意の粒子を選びその面積を測定し、その面積を円に相当させた場合の直径を計算し、その直径で粒子の周囲長を割った値を求める。それを顕微鏡写真中に見える任意の数の粒子に適用して、その平均を求め、その値が処理前より３．１４に近ければ丸くなっているとした。

本発明において、樹脂微粒子は周速度１０ｍ／ｓｅｃ以上の層流で撹拌される。層流は乱流と対比されるものである。乱流が樹脂微粒子の流れを多方向にすることによって樹脂微粒子に多様な力をかけようとするのに対し、層流は樹脂微粒子の流れを一定方向に抑えながら樹脂微粒子に規則的で均一な力をかけようとするもので、キャビティとして円筒形状の内部空間が用いられる場合、樹脂微粒子は全体的には、同心円状に移動し径方向には殆ど移動しない状態で定義され、その状態は目視により確認することができる。

図１に本発明の実施形態に係る撹拌装置を用いて層流での樹脂微粒子の動きを矢印で模式的に示した。図１の上図はその装置を蓋部側から見た図であるが、キャビティ２中に羽根１ａと１ｂを設置した円柱状の回転軸体１が設置され、羽根１ａと１ｂの回転で作られた遠心力によってキャビティ２側面に押付けられた樹脂微粒子３が、反発してキャビティの内側に戻ろうとするが羽根によって再びキャビティ２の側面に押付けられ、これを繰り返す様子を示している。また、下図は円柱状回転軸体の側面を平面に展開した図であるが、樹脂微粒子３が傾斜をつけられた羽根の上側から次の羽根の下側へと移動しながら羽根から力を受けている様子が示されている。これらの図からわかるように、層流によると樹脂微粒子にはいつも規則的で均一な力がかかるため樹脂微粒子の球形化が効率的で、微細な粒子は合一され、粗大粒子は粉砕され、そして球形化されるため粒度の揃った球形樹脂微粒子が得られる。当該撹拌装置では羽根の先端周速が１０ｍ／ｓｅｃ未満では層流の状態とならないため、先端周速は１０ｍ／ｓｅｃ以上が好ましく、より好ましくは２０ｍ／ｓｅｃ以上である。

樹脂微粒子を効率よく球形化するには、樹脂微粒子と羽根、樹脂微粒子とキャビティ内面、樹脂微粒子同士の衝突の頻度を高めなければならないが、この頻度は羽根が作る遠心力によって樹脂微粒子が円筒状キャビティの内面に押し付けられた結果できるドーナツ状の空間の中に含まれる樹脂微粒子の体積の割合に依存する。

層流のキャビティ直径方向の厚みは、樹脂微粒子の密度、羽根の先端周速度、羽根の設置角度、羽根とキャビティ内面の間隙などによって決まり、目視によっても測定できる。層流の体積は、この層流の直径方向の厚みとキャビティの高さから計算できる。層流中の樹脂微粒子の割合が大きいほど樹脂微粒子同士の衝突の頻度が増大するため球形化は効率的になるが、衝突により発生する摩擦熱により樹脂微粒子が溶融したり、熱劣化を受けたりすることがあるので、羽根の先端周速度、羽根の設置角度、羽根とキャビティ内面の間隙及び層流中の樹脂微粒子の割合などを調整したり、場合によっては冷却したりする必要がある。

次に、本発明の実施形態に係る撹拌装置について図を用いて説明する。

図２は、図１にドーナツ状の層流を追加して表現した図である。上図は蓋部側から見た図で、キャビティ２中に羽根１ａと１ｂを設置した円柱状の回転軸体１が設置され、ドーナツ状の層流の中に小さな円で示されている樹脂微粒子３が押し込められている様子を示している。下図はその回転軸体１の側面を平面に展開した図である。羽根１ａと１ｂは互いに円周方向では１８０度ずらされた位置で、軸方向では別の位置に、１ａの羽根は回転方向に向かって後部が回転面からθの角度で上がり、１ｂは同角度で下がって設置されている。

なお、層流とするためには、羽根１ａと羽根１ｂの軸方向での重なりがないことが必要である。重なりがあると羽根１ａの上面に当たった樹脂微粒子が、１ｂの前端部に当たったり、それより蓋部側に上がったりするため、乱流となってしまう。羽根１ａの上端と羽根１ｂの下端の軸方向での距離は、層流を維持するように羽根の傾き及び羽根先端の周速度を考慮して設定される。また、底部側にある羽根１ａが底部材のできるだけ近くで、蓋部側にある羽根１ｂが蓋部材のできるだけ近くに設置されていることが好ましく、回転の精度にもよるが実用レベルの大型機では、その隙間は１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。１ａと底部材及び１ｂと蓋部材の間の隙間が大きいとその隙間では樹脂微粒子に十分な力がかからないため分散不良になることがある。

羽根の設置角度θは９０度以下で、好ましくは５度から４５度である。羽根先端周速度など他の条件にもよるが、大きいと層流が維持できないことがある。

羽根の形状は、層流を乱すことがないような形状が好ましい。蓋部側から見たところでは図５に示すような形状が挙げられるが、層流を維持できればこれらに限定されるものではない。層流を乱さないため羽根には角張ったところがないことも重要である。また、羽根の先端はキャビティの内面とほぼ平行であることが好ましい。

羽根先端とキャビティの円筒状内面との間隙については、特に制限はなく、その間隙、羽根角度、周速度などを調整することにより、羽根先端が樹脂微粒子に与える力を調節することが可能であるが、樹脂微粒子物と羽根及びキャビティ円筒状内面との衝撃力、摩擦熱による樹脂微粒子の特性劣化を防ぐためには１ｍｍ以上であることが好ましい。

図３は、図２の装置を回転面方向に繰り返したものである。上図は蓋部側から見た図で、下図はその回転軸体１の側面を平面に展開した図である。羽根は１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの４枚となり、回転軸体の円周方向では９０度ずつずらされ、軸方向では各々１ａと１ｃ、１ｂと１ｄが同じ位置にあり、羽根１ａと１ｂ及び羽根１ｃと１ｄの軸方向での重なりがない。

図４は、図２の装置を回転軸方向に繰り返したものである。羽根は１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの４枚となり、１ａと１ｃが円周方向で同じ側、そこから１８０度ずらされて１ｂと１ｄが設置されている。軸方向には各々の羽根が異なった位置に設置され、１ａと１ｂ及び１ｃと１ｄの軸方向での重なりはない。

上記で説明したように、図３及び図４において、最も底部近くにある羽根１ａが底部材のできるだけ近くで、最も蓋部近くにある羽根１ｄが蓋部材のできるだけ近くに設置されていることが好ましく、回転の精度にもよるが実用レベルの大型機では、その隙間は１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。１ａと底部材及び１ｄと蓋部材の間の隙間が大きいとその隙間では樹脂微粒子に十分な力がかからないため球形化が不十分になることがある。

同様に図２の装置をさらに回転軸方向及び／または回転面方向に繰り返すことができる。この繰り返しの数に制限はなく、この繰り返しの数を増やすことによって容易に装置の大型化可能になる。

上記で説明したように、本発明の撹拌装置は、２枚羽根の基本構造を繰り返した単純な構造となっているため、切替時の洗浄が容易で多品種の球形化にも適している。

また、本発明の撹拌装置には、球形化で発生する摩擦熱による樹脂微粒子の熱劣化を抑制するため、底部材、円筒形状の壁部材及び蓋部材からなる容器部材、回転軸体及び／または羽根内部に冷却用に水などの冷媒を通すことのできる構造を設置することが好ましい。

回転軸体を回転させるためには、回転軸体に直接モーターを直結しても、モーターからベルトなどを介しても回転させることもできる。また、上記では回転軸体が地面に垂直なもののように説明してきたが、本発明の装置は一定速度の層流が得られるものであれば設置の仕方に制限はない。回転軸体の回転方向が地面に平行でも垂直でも或いは斜めにも設置可能である。

樹脂微粒子をキャビティ内に投入するには、蓋部を開いてそこから投入するようにしてもよいし、キャビティにホッパーなどの樹脂微粒子を投入するための装置を設置するなどしてもよい。また、球形化が終了した後、球形化樹脂微粒子を取り出すには蓋部を開けて取り出したり、底部に取り出し口を設けたりすることができる。

さらに、本発明の装置には、樹脂微粒子に含まれている水分やガスを除くために減圧装置を付属することができる。また、樹脂微粒子の劣化を抑えるため窒素ガスなどの不活性ガスを通すこともできる。

本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれら具体例には限定されるものではない。

「試験方法」
＜粒子径及び粒度分布＞
樹脂粉体の平均粒径（体積平均粒子径）はレーザー式粒度分布測定機である日機装株式会社製マイクロトラックを用いて測定した。また、粒度分布の指標として式１で計算される標準偏差を用いた。
ＳＤ＝〔Σ｛（Ｄ−Ｘ）2｝／ｎ〕1/2 （式１）
（式中、ＳＤは粒度分布の標準偏差、Ｄは個々の粒子の粒径、Ｘは体積平均粒子径、ｎはデータ数を表す。）

＜ガラス転移温度＞
ＲＥＯＬＯＧＩＣＡＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ社製ＤｙＮａＡｌｙｚｅｒＤＡＲ−１００を用い、ＪＩＳＫ７２４４１０に準じて測定した。

＜球形化の指標：丸み度＞
顕微鏡写真からある１個の粒子を取り、その粒子面積を円に相当させ、その円の直径で粒子の周囲長を割った値を求めた。これを任意の１０個の粒子に適用してその平均値を求め、その値が円周率３．１４に近いほど球形であるとした。

実施例１
平均粒径１８２μｍのアクリロニトリル−スチレンコポリマー（テクノポリマー社製：ＳＡＮ−Ｃ１００ガラス転移温度１１０℃）を本発明の実施形態に係る撹拌装置に投入し、装置を水冷しながら周速度２７ｍ／ｓｅｃで１０分間撹拌した後、得られた樹脂粉末を取り出した。処理前後の樹脂粉末の顕微鏡写真をそれぞれ図６ａ及び図６ｂに、また、粒子径データ等の試験データを表１に記載した。

実施例２
平均粒径１３３μｍのポリスチレン粉末（日本ポリスチレン社製：Ｇ４４０Ｋガラス転移温度１０５℃）を実施例１と同じ条件で処理して表1記載の結果を得た。

実施例３
平均粒径１４９μｍのポリエチレンテレフタレート（イーストマン社製Ｃ−ＰＥＴ：９９２１ガラス転移温度８０℃）を実施例１と同じ条件で処理して表1記載の結果を得た。

実施例４
平均粒径２４２μｍのポリエチレンテレフタレート（イーストマン社製Ａ−ＰＥＴ：５４４５ガラス転移温度７５℃）を実施例１と同じ条件で処理して表1記載の結果を得た。

実施例５
平均粒径６５μｍのポリブチレンテレフタレート（ウィンテックポリマー社製：５００ＦＰガラス転移温度２５℃）を実施例１と同じ条件で処理して表1記載の結果を得た。

実施例６
平均粒径２２０μｍのポリメチルメタアクリレート（クラレ社製：パラペット-G ガラス転移温度１１０℃）を実施例１と同じ条件で処理して表1記載の結果を得た。

実施例７
平均粒径５５μｍの結晶性セルロース（旭化成ケミカルズ社製：セルフィアＳＣＰ−１００ガラス転移温度は加熱により褐変するため測定不能）及びその３０％相当の水を添加し、実施例１と同じ条件で処理して表1記載の結果を得た。また、処理前後の樹脂粉末の顕微鏡写真をそれぞれ図７ａ及び図７ｂに載せた。

実施例８
平均粒径４５μｍのポリカーボネート（三菱エンジニアリングプラスチックス社製：ユーピロンＳ−３０００ガラス転移温度１４５℃）にその３０％相当の水を加え、実施例１と同じ条件で処理して表1記載の結果を得た。

実施例９
平均粒径３０μｍのポリフェニレンエーテル（三菱エンジニアリングプラスチックス社製：ユピエースＰＸ−１００Ｆガラス転移温度１９５℃）を実施例１と同じ条件で処理して表1記載の結果を得た。また、処理前後の樹脂粉末の顕微鏡写真をそれぞれ図８ａ及び図８ｂに載せた。顕微鏡写真から球形化と同時に粉砕が進んでいることが確認できる。

比較例１
平均粒径１１８μｍの低密度ポリエチレン（宇部ポリエチレン社製：Ｆ５２２Ｎガラス転移温度−１２０℃）を実施例１と同じ条件で処理して表1記載の結果を得た。

比較例２
平均粒径１４３μｍのポリプロピレン（出光石油化学社製：Ｊ２０００ＧＰガラス転移温度−２０℃）を実施例１と同じ条件で処理して表1記載の結果を得た。

本発明に係る分散装置の蓋部側から見た図（上図）及び回転軸体側面の平面展開図（下図）並びに被分散物の動き（矢印）図１に層流の状態を付記した図図1を回転軸体の回転面方向に繰返した図図1を回転軸の軸方向に繰返した図蓋部側から見た回転軸体と羽根の形状本発明に係る樹脂微粒子の顕微鏡写真本発明に係る樹脂微粒子の顕微鏡写真本発明に係る樹脂微粒子の顕微鏡写真本発明に係る樹脂微粒子の顕微鏡写真本発明に係る樹脂微粒子の顕微鏡写真本発明に係る樹脂微粒子の顕微鏡写真

符号の説明

１回転軸体
１ａ羽根
１ｂ羽根
１ｃ羽根
１ｄ羽根
２キャビティ
３被分散物

Claims

樹脂微粒子を周速度１０ｍ／ｓｅｃ以上の層流で撹拌する撹拌機を用い、該樹脂微粒子の軟化点以下で撹拌することを特徴とする樹脂微粒子の球形化方法。
樹脂微粒子の樹脂成分が熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１記載の樹脂微粒子の球形化方法。
熱可塑性樹脂が０〜２５０℃のガラス転移温度を有することを特徴とする請求項２に記載の樹脂微粒子の球形化方法。
熱可塑性樹脂が結晶性セルロースであることを特徴とする請求項２に記載の樹脂微粒子の球形化方法。