JP2011213768A

JP2011213768A - 微粒子製造装置

Info

Publication number: JP2011213768A
Application number: JP2010080593A
Authority: JP
Inventors: Hideki Jinno; 英毅神野; Tomoe Komoriya; 友絵小森谷; Hiroshi Nemoto; 浩史根本; Tadao Itabashi; 忠生板橋
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-27

Abstract

【課題】ナノオーダーの粒子径で、粒度分布が狭い均一な微粒子を製造する装置を提供すること。
【解決手段】縦型円筒状の反応槽内中心部に攪拌軸を設け、該攪拌軸に固定外刃と回転内刃とから成るジェネレータを配置し、ジェネレータの周りには反応管内で二重流路を形成するバッフル管を設置し、該ジェネレータの外刃の周りには、仕切り板を設け、該仕切り板はジェネレータにより微砕された液を上方に流すことができ、ジェネレータの周りに設けたバッフル管外を下方流とし、反応槽内底部からバッフル管内で上方流を形成することを特徴とする微粒子形成装置を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、化学工業、医薬・診断薬工業、食品工業、電子材料工業等において用いられる、ナノオーダーの粒子径で、粒度分布が狭い均一な微粒子を製造する装置に関する。

化学、医療、診断、食品、電子材料分野などに使用されるナノオーダーの粒子径で粒径の揃ったエマルションの製造、ラテックス微粒子や高分子微粒子等の微粒子製造は従来から行われている。そこでは、ミキサー、ホモジナイザー等を使用して粒径を制御する方法が一般的である。液体中に液体粒子がコロイド粒子あるいはそれより大きい粒子として分散して乳状になったエマルションの形成において攪拌、分散の操作は重要なものであるが、従来の装置を用いた操作では、ナノオーダーの粒子径で粒径の揃ったエマルションや微粒子を安定して、効率的に製造することは困難であった。

また、ラテックス粒子の合成装置としては、各種重合法が用いられている。中でも懸濁重合法が知られているが、この方法では、攪拌機を備えた反応槽に分散安定剤を溶解させた水性媒体を仕込み、攪拌しながらあらかじめ重合開始剤を溶解させた重合性単量体を投入し、加熱することにより球状の高分子粒子を得ることができる。得られた粒子は粒径分布が広く、粒径が揃ったものにするには、分級などの操作により必要な粒径のものだけを分別していた。そのため、均一な径の粒子を得るのには、必要のない粒径のものは廃棄しなければならず非常に効率が悪かった。

乳化重合法、シード重合法では、粒径のばらつきが小さいものが得られる。乳化重合、シード重合法においては水を分散媒体として界面活性剤や乳化安定剤の添加が必要となり、これらの添加は使用目的によっては様々な不都合を生じる。高分子粒子の表面に残る添加剤の洗浄除去工程が必要で、しかも洗浄除去してもわずかに高分子粒子表面に残ってしまい、クリーンな表面を持つ高分子粒子が作成できない。また、製造工程で環境への影響が懸念される場合も多い。

そこで、界面活性剤や乳化安定剤を使用しないソープフリー乳化重合法も知られている。ソープフリー乳化重合法によれば、クリーンケミストリー指向で粒子表面が清浄なナノオーダーの粒子径で、粒度分布が狭い高分子粒子が合成できるが、界面活性剤や乳化安定剤が存在しない条件下で行われるから、重合安定性が劣るという欠点がある。

従来からこれらの問題を解決させるべく、乳化剤や分散剤を使用せずにミクロンレベルのポリマー微粒子の製造として、ベローズの伸縮、又はピストンの往復動を用い被重合物質を振動させ、被重合物質の攪拌、混合させて重合させる装置（特許文献１）が提案されている。しかし、ミクロンレベルの粒子を重合するものであって、かつ単分散の粒子が製造できないという問題点がある。

単分散の高分子微粒子重合装置として、連続層を流すマイクロチャンネルと、交差するように設けられた分散相を流すマイクロチャンネルと、連続層を流すための送液機構、分散相としての重合性モノマー溶液を送液するための機構と、重合性モノマー溶液を重合させるための機構を設け、連続層の流量により粒径の制御が可能とした装置（特許文献２）、重合させる際に、液滴に超音波照射等により均一なせん断力を加える高単分散微粒子の製造（特許文献３）が提案されているが、いずれもマイクロチャンネルを用いたマイクロリアクター装置であり、工業的規模とすることが難しく、又粒径はミクロンオーダーであり、かつ均一径のモノマー滴を作るのが難しいという問題点がある。

一方、工業的規模で、エマルション、微粒子の製造、又ラテックス粒子を合成する装置としては、攪拌翼、邪魔板を備えた攪拌式装置が用いられている。例えば、図９に示す上下２段の翼１３、１４、邪魔板１６を備えた攪拌槽１１を用いて、エマルションの形成、懸濁重合、乳化重合等を行っている。不純物、ポリマー凝集物、いわゆるスケールが発生し装置内付着し、重合体収率の低下のみならず、エマルション粒子への付着など品質低下の問題が発生しており、これを防ぐための装置として、乳化重合に適した攪拌装置（特許文献４）が提案されている。しかし、攪拌、乳化、分散等の効率を良くでき、スケール発生が抑えられるものの、重合槽内に上下２段の攪拌翼、槽壁面に邪魔板を備えた攪拌装置であり、上部液面近傍のせん断力が低減しスケール発生、混合不良を抑えているものの、均一な単分散の微粒子の製造には不十分であるという問題点がある。

従来のエマルションの形成、微粒子製造、ラテックス微粒子の合成装置においては、工業的規模で、粒径分布が非常に狭く、すなわち単分散で、かつナノオーダーの微粒子、高分子微粒子を、均一に効率よく製造できず、又そのための微粒子製造ないしソープフリー乳化重合に適したラテックス粒子合成装置は提供されていなかった。

特開平５−２３０１０５号公報特開２００４−６７９５３号公報特開２００８−３１４１９号公報特開２００１−１７０４６７号公報

本発明は、エマルションの形成、微粒子の製造装置として、また、ラテックス粒子の合成装置として、工業的規模で、粒径分布が非常に狭く、すなわち単分散で、かつナノオーダーの微粒子を製造でき、また、ラテックス粒子製造に適した、更に乳化重合に用いる界面活性剤や乳化分散剤を使用せずにクリーンな表面をした微粒子を均一に多量に効率よく製造できる装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、縦型に長く遮蔽物が少ない管状容器中にバッフル管を浮いた状態で設置した反応槽に、バッフル管の中央に溶液を一方向に流し、高速回転により強い剪断力を与えることができるジェネレータを装備する微粒子製造装置、また、ラテックス粒子の合成装置とすることで、上記課題を解決できることを見出した。

本発明の微粒子合成装置をソープフリー乳化重合に用いると、粒径分布が非常に狭く、すなわち単分散で、かつナノオーダーの粒子であり、かつ乳化重合に用いる界面活性剤や乳化分散剤を使用せずにクリーンな表面をした微粒子を均一に多量に効率よく製造できることを見出した。

即ち、本発明は、
[１] 縦型円筒状の反応槽内中心部に攪拌軸を設け、該攪拌軸に固定外刃と回転内刃とから成るジェネレータを設置し、ジェネレータの周りには反応管内で二重流路を形成するバッフル管を設置してバッフル管の内外側に液体流路を形成し、該固定外刃の周りには仕切り板を設け、該仕切り板はジェネレータにより微砕された液体を上方に流すことができ、バッフル管外側の流路を下方流とし、反応槽内底部からバッフル管内側の流路を上方流とすることを特徴とする微粒子形成装置。
[２] 上記仕切り板が、お椀型、カップ型、コーン型のいずれかであることを特徴とする前記[１]に記載の微粒子形成装置。
[３] 縦型円筒状の反応槽内中心部に攪拌軸を設け、該攪拌軸に固定外刃と回転内刃とから成るジェネレータを設置し、ジェネレータの周りには反応管内で二重流路を形成するバッフル管を設置してバッフル管の内外側に反応液流路を形成し、該固定外刃の周りには、仕切り板を設け、該仕切り板はジェネレータにより微砕された反応液を上方に流すことができ、バッフル管外側の流路を下方流とし、反応槽内底部からバッフル管内側の流路を上方流とすることを特徴とするラテックス粒子合成装置。
[４] 上記仕切り板が、お椀型、カップ型、コーン型のいずれかであることを特徴とする前記[３]に記載のラテックス粒子合成装置。
[５] 前記[３]または[４]に記載の装置を用いたソープフリー乳化重合用ラテックス粒子合成装置。
更に、バッフル管内外の流れを層流とすることが好ましい。

本発明の微粒子製造装置は、工業的規模での生産に適し、かつ粒径分布が非常に狭く、すなわち単分散で、かつナノオーダーの微粒子を、又は高分子微粒子を、均一に効率よく製造できる。更に、ソープフリー乳化重合に適した重合装置であって、ソープフリーであるので、界面活性剤や乳化安定剤などの微粒子表面付着といった問題がなく、また重合後の洗浄処理も容易で、かつ廃液が環境に与える影響も少なくクリーンケミストリーな装置である。

本発明微粒子製造装置の模式図本発明微粒子製造装置の反応槽内の拡大図本発明微粒子製造装置のジェネレータ要部の拡大図実施例１のジェネレータの回転数とエマルション滴径図実施例２の処理時間とエマルション滴径図実施例３のポリスチレン微粒子のレーザー回折散乱法による粒子径測定図実施例３のポリスチレン微粒子の原子間力顕微鏡写真図比較例１のポリスチレン微粒子の原子間力顕微鏡写真図従来の攪拌式装置図

本発明の装置について、図面を用いて本発明のラテックス粒子合成装置の実施形態を示すが、本発明は、ラテックス粒子合成装置にとらわれず、微粒子製造装置にも関する。図１は、本発明による合成装置の一実施形態を示す模式図である。

反応槽１は、縦に長く槽内壁面には邪魔板がない構造で、ジェネレータ２が反応槽１の中心部で回転できるようにシャフト軸を介して駆動装置３に連結されている。反応槽の周りは、反応槽自体を恒温とするためのジャケット４に覆われている。反応槽１の内部中央にはバッフル管５が設けられ、バッフル管の中央にはジェネレータ２が配置されている。反応槽１の内部中央に設けられたバッフル管５により、反応槽内は二重流路を形成している。即ち、バッフル管５により、バッフル管５の内外側に流路を形成し、反応溶液はバッフル管５外側の流路を下方流とし、反応槽１内底部からバッフル管５内側の流路を上方流として循環させることができる。

バッフル管５は、反応槽１の底部に反応溶液の循環を妨げないように設置部材で固定されている。またバッフル管５の上部は、必要に応じて反応槽の上部で溶液の循環を妨げないような支持部材により支持してもよいが、設置部材により固定するだけの方が溶液の循環が妨げられず好ましい。即ち、反応槽１の内部で溶液の循環を妨げないような形で設けられていれば良く、又設置部材、支持部材は、ステンレン、樹脂などにより作製し、反応槽内での溶液の攪拌、混合作用にも耐えるものであればよい。なお、反応槽、ジェネレータ、及びバッフル管の材質は、従来から反応槽として用いられている材料が使用できる。

ジェネレータ２は、溶液に高い剪断力を与えることができ、ある程度の対流能力を備え、渦ができない流れを形成することができるものならば如何なるでも用いることができる。例えば、タービン型、スクリュウ型、羽根型等のミキサー、ホモジナイザー、回転切刃型ホモジナイザーなどを用いることができる。なかでも、回転刃式高速ホモジナイザーを用いるのが好ましい。回転刃式高速ホモジナイザーとしては、15,000rpm以上、更には20,000rpm以上の高速回転可能なものがより好ましい。また、ジェネレータ２は、バッフル管５外側の流路の溶液のレイノルズ数Ｒｅが5,000以下の流れを形成することができる位置であれば如何なる位置にでも設置できる。しかし反応管の縦方向軸に対して略中央部から、上部の溶液内に浸かる位置であって、溶液のバッフル管内での上方流が形成できる位置に配置される必要がある。

図２は反応槽の内部拡大図、図３はジェネレータ２の要部拡大状態を示す。ジェネレータ２は、下向きにテーパーの付いた固定外刃７とその内側で固定外刃７に対応し回転軸に直結された回転内刃８とにより、ジェネレータ内の溶液は遠心力により固定外刃７に開けられた窓から放射状に噴射する。回転内刃８により粗砕され、回転内刃８と固定外刃７の窓を通って放出される直前に回転内刃８と固定外刃７の間で微砕が行われる。両刃間のクリアランスは狭いほど、また、移動速度が大きいほど剪断力も大きくなる。クリアランスとしては５０μｍ程度が好ましい。

更に、固定外刃７の周りには、仕切り板６を設けることで微砕された溶液は上方に一方向で流れる。仕切り板６の形状としては、お椀型、カップ型、コーン型など微砕された溶液を一方向で上方への流れを形成できる形ならばいかなるものでもよい。該仕切り板６はジェネレータ２により微砕された溶液を上方に流すことができ、バッフル管５の上部からバッフル管５外側の流路を下方流とし、反応槽１内底部からバッフル管５内側の流路を上方流とすることができ、更にジェネレータ２までの上方流および下方流はレイノルズ数Ｒｅが5,000以下、更に好ましくは層流であるのがよい。

反応槽内の流れにおいてレイノルズ数Ｒｅが5,000以下とは、その状況下にある流体は適度な拡散性を保持しつつ、その流線が常にバッフル管の管軸と平行なものをいい、その環境下にある微粒子はそれぞれの接触頻度が低減される。これにより核粒子が同じ割合で合体し、微粒子が粒子表面の電気的または立体障害的反発力により分散安定性を保ち、合体しなくなるまで成長することができる。さらに層流では微粒子の接触による合体が極めて起こりにくくなり、得られる微粒子粒径の単一分散性を維持することができる。層流は、流体の流れの状態を示す代表的なパラメーターであるレイノルズ数Ｒｅにおいて、一般にこの数値が2100以下のときに層流になるとされている。レイノルズ数Ｒｅは下記の数式で定義される。
Ｒｅ＝ＲＶ／ν
ただし、動粘性係数ν（ｍ²/Ｓ）、管径Ｒ（ｍ）、流速Ｖ（ｍ/ｓ）を表わす。

本発明の微粒子製造装置において、ラテックス合成用のスチレンモノマーを用いてラテックス合成を行い反応槽内の反応液の流れを調べた。バッフル管径：８ｃｍ、反応槽径：１５ｃｍ、バッフル管内径：３．５ｃｍ、対流管長：４６ｃｍで、ジェネレータの回転数5,000rpm時の反応液流速からバッフル管外のレイノルズ指数を求めると、ジェネレータの回転数5,000rpmにて合成開始時では3,100、さらに合成が進行し固形分が５％程度含まれる反応液は粘度が増して、その動粘性係数νは1.4×10^-6程度を示し、レイノルズ指数は2,100以下の層流であると推測される。

本発明のラテックス粒子合成装置は、各種重合方法に、用いることができる。懸濁重合法、乳化重合法、分散重合法には、それぞれ長所、短所を持ち、得られる粒径、粒度分布、分子量、更には表面状態等に特徴がある。例えば、懸濁重合法はモノマーと溶媒の水とを機械的に攪拌し、懸濁させて行う重合方法であり、微細な粒子が形成できるが粒径分布に幅ができる。乳化重合法は、速い速度で高重合度のポリマー粒子を比較的粒径分布が少なく簡単に得られる。微粒子の粒子径としては、１００ｎｍ〜１μｍの範囲のものが容易に製造できる。

本発明は、何れの重合方法にも使用できるが上記重合法では、分散剤や乳化剤を使用するため粒子表面にこれら処理剤が付着してしまい、洗浄処理しても完全に除去することは難しい。そこで、これら分散剤や乳化剤を使用しないソープフリー乳化重合法が知られている。分散剤や乳化剤としての界面活性剤を使用しないので、重合された粒子表面にはこれらの付着がない清浄な表面をした粒子が形成できる。ソープフリー乳化重合法は廃液の問題などが生ぜず環境にも優しい重合法であるが、重合安定性に劣るという短所がある。本発明では、微粒子形成装置をラテックス粒子合成装置として使用でき、特にソープフリー乳化重合用に用いると安定して重合できるというメリットがある。

本発明のラテックス粒子合成製造において、適用できる重合性モノマーとしては、既知のものが使用される。例えば、ビニル芳香族単量体、アクリル系単量体、ビニルエステル系単量体、ビニルエーテル系単量体、ジオレフィン系単量体、モノオレフィン系単量体等である。溶媒中、重合開始剤の存在下で重合性モノマーを重合させるものであるが、モノマー粒子核を形成する核形成工程、粒子成長重合工程に、本発明の装置が使用できる。

モノビニル芳香族単量体としては、例えばスチレン、α−メチルスチレン、ビニルトルエン、α−クロロスチレン、ｏ−、ｍ−、ｐ−クロロスチレン、ジビニルベンゼンの単独または二種以上の組み合わせを挙げることができる。アクリル系単量体としては、例えばアクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸−２−エチルヘキシル、アクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸ヘキシル、メタクリル酸−２−エチルヘキシル、β−ヒドロキシアクリル酸エチル、γ−ヒドロキシアクリル酸プロピル、δ−ヒドロキシアクリル酸ブチル、β−ヒドロキシメタアクリル酸エチル、エチレングリコールジメタクリル酸エステル、テトラエチレングリコールジメタクリル酸エステル等が挙げられる。ビニルエステル系単量体としては、例えば、ギ酸ビニル、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル等が挙げられる。ビニルエーテル系単量体としては、例えば、ビニルメチルエーテル、ビニルエチルエーテル、ビニル−ｎ−ブチルエーテル、ビニルフェニルエーテル、ビニルシクロヘキシルエーテル等が挙げられる。ジオレフィン系単量体としては、例えば、ブタジエン、イソブレン、クロロプレン等が挙げられる。モノオレフィン系単量体としては、例えば、エチレン、プロピレン、イソブチレン、ブテン−１、ペンテン−１、４−メチルペンテン−１等が挙げられる。

本発明のラテックス合成微粒子を得るために使用される分散媒は、特に制限はないが水が好適であり、メタノール、アセトン等の水溶性有機溶媒、さらにはリン酸塩、炭酸塩、アンモニア塩等の無機塩緩衝剤、トリスヒドロキシメチルアミノメタン、2−（4−（2-ヒドロキシエチル）−1−ピペラジニル）エタンスルホン酸等の有機塩緩衝剤をｐＨ緩衝剤として共存させてもよい。水としては、イオン交換水、純水、超純水等を用いることができる。

本発明のラテックス合成微粒子を得るために使用される乳化剤は、特に制限はなく、例えば、アルキルベンゼンスルホン酸塩類、アルキル硫酸塩類、ポリオキシエチレンアルキルフェニルスルホン酸塩類、ジアルキルスルホコハク酸塩類の塩類等のアニオン乳化剤；ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレンブロック共重合体等のノニオン乳化剤等を挙げることができる。
また、ビニルスルホン酸塩類、アクリル酸ポリオキシエチレン硫酸塩類、メタクリル酸ポリオキシエチレンスルホン酸塩類、ポリオキシエチレンアルケニルフェニルスルホン酸塩類、ポリオキシエチレンアルケニルフェニル硫酸塩類、ナトリウムアリルアルキルスルホコハク酸塩類、メタクリル酸ポリオキシプロピレンスルホン酸塩類等のアニオン系反応性乳化剤；ポリオキシエチレンアルケニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンメタクリロイルエーテル等のノニオン系反応性乳化剤などの反応性乳化剤も用いることができる。これらの乳化剤は、複数種用いることも可能である。

本発明において使用する分散剤は、特に制限はなく、例えば水溶性高分子としてゼラチン、ポリビニールアルコール、デンプン、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸系の塩類、あるいはカルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース等のセルロースエーテル類を用いることができる。また、難溶性の微粉末状の無機化合物としての硫酸バリウム、硫酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、リン酸カルシウム、タルク、珪藻土等を用いることができる。

重合反応時に用いる重合開始剤としては、特に制限はなく、例えば過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム等の過硫酸塩系重合開始剤、２，２’−アゾビス（Ｎ−（２−カルボキシエチル）−２―メチル−プロピオンアミジン）、２，２’−アゾビス（２−メチル−Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）プロピオンアミド、４，４’−アゾビス（４−シアノ吉草酸）等のアゾ系重合開始剤、過酸化水素、コハク酸パーオキサイド等の過酸化物系重合開始剤を使用することができる。また、本発明においては、重合に影響を与えない範囲においてその他の添加剤を添加してもよい。

ソープフリー乳化重合では、乳化剤、分散剤を用いないで重合するので、重合反応の安定性が欠けるが、本発明のラテックス合成装置を使用すると、初期乳化としてのモノマー核の均一形成、粒子成長段階としての重合反応時にモノマー核が媒体中に均一に、分散しながら高分子化が安定して起こる。また、反応槽中のバッフル管の中央に反応溶液を一方向に流し、高速回転により強い剪断力を与えることができるジェネレータを装備するラテックス粒子合成装置により、粒径分布が非常に狭く、すなわち単分散で、かつナノオーダーの粒子のラテックス分散液が得られ、また、洗浄乾燥することで微粒子を得ることができる。

本発明の微粒子製造装置によれば、液体の乳化、懸濁、分散が良好で、形成されるエマルション、微粒子の粒径分布が非常に狭く、すなわち単分散で、かつナノオーダーの微粒子を製造できる。また、ラテックス粒子の合成装置として、粒径分布が非常に狭く、すなわち単分散で、かつナノオーダーの微粒子を製造でき、特に、ソープフリー乳化重合では、乳化重合に用いる界面活性剤や乳化分散剤を使用せずにクリーンな表面をした微粒子を均一に多量に効率よく製造できる。

本発明により製造される微粒子は、化学工業、医薬・診断薬、食品工業におけるエマルション形成等各種微粒子、ラテックス微粒子として用いることができる。なかでもソープフリー乳化重合によるラテックス微粒子は、医薬・診断薬の分野で、特にイムノクロマト用の担体、診断薬用ラテックスに有用である。

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はそれに限定されるものではない。

［実施例１］
図１に示す反応槽として、２００ｍｌ用ガラス製反応槽内中心部に、ジェネレータとして株式会社マイクロテック・ニチオン製のヒスコトロンNS-310E及びジェネレータシャフトとして株式会社マイクロテック・ニチオン製のNS-7を用い、仕切り板は、固定外刃の周囲を覆うコーン型として行った。
この微粒子製造装置を用いて、スチレンモノマーの乳化・分散性を調べた。ジェネレータの各回転数と得られたスチレンモノマーの乳化および分散性能を比較するために、乳化後のＯ／Ｗ系にあるスチレンエマルション滴径を測定した。脱気した二重イオン交換水（ＤＤＩ水）２００ｍｌに１８ｍｌのスチレンモノマーを加え５分間、指定の速度でジェネレータを作動させ乳化、分散した。得られた分散液は直ちに光子相関法粒径測定装置であるＮ５(Beckman Coulter, USA)にて、スチレンエマルション滴径および分散度を測定した。その結果を図４に示す。ジェネレータの回転数が高いほど平均滴径は小さくなり、同回転での滴径の変動も狭まる傾向を示した。滴径は28,000rpmまでは大きく変動したが、28,000〜36,000rpm間はおよそ３００ｎｍでプラトーになり変動は少なかった。
［実施例２］
図１に示す反応槽として、反応槽容積６Ｌ用を用い、反応槽内中心部に、ジェネレータとして株式会社マイクロテック・ニチオン製のヒスコトロンNS-56及びジェネレータシャフトとして株式会社マイクロテック・ニチオン製のNS20を用い、微粒子製造装置とした。仕切り板は、図３に示す固定外刃の周囲を覆うコーン型とした。
この微粒子製造装置を用いて、実施例１と同じエマルション形成を行った。超純水６Ｌに安定剤としてラウリル硫酸ナトリウム（和光純薬製、特級）７ｇおよび２５０ｍｌのスチレンモノマーを加えジェネレータを15,000rpmで１５分間作動させ乳化させた。その後レイノルズ指数を5000以下に落とすため5,000rpmに減速し、更に１５分間作動させた。所定の時間に採取した分散液は直ちに光子相関法粒径測定装置であるＮ５(Beckman Coulter, USA)にて、スチレンエマルション平均滴径および分散度を測定した。その結果を図５に示す。ジェネレータの作動時間が長いほど平均滴径は小さくなり、特に２０分してからは滴径の変動が狭まる傾向を示した。滴径は１５分の間は大きく変動したが、２０分経過後ではおよそ２１０〜２２０ｎｍでプラトーになり、その変動は少なかった。

［実施例３］
実施例２の反応槽を用い、反応槽は恒温槽中にセットした。モノマーとしてスチレンモノマー（和光純薬製、特級）４５０g、分散媒として脱気した二重イオン交換水（ＤＤＩ水）６Ｌ、開始剤として過硫酸カリウム（和光純薬製、１級）６ｇ、安定剤としてラウリル硫酸ナトリウム（和光純薬製、特級）８ｇを用い、反応槽内に分散媒と安定剤を供給し窒素置換した後、モノマーを供給し、４０℃にしてジェネレータを15,000rpmで３０分間作動させた。その後６０℃に昇温し、開始剤を添加し核形成反応を１時間行った。１時間経過後反応槽内の二重流路内を層流とするためジェネレータを5,000rpmに減速し、粒子成長反応を６時間行った。その後空冷により反応を停止し、イオン交換水で洗浄し４０日間透析により精製した。レーザー回折散乱法による粒子径分布測定装置（LA-950V2、堀場製作所製）を用いてスチレン微粒子の粒子径を測定した結果を図６に示す。その結果、粒子径２３５ｎｍ、粒子の粒度分布を示す分散度指数（P.I.)値は、０．０２０の単分散ポリスチレン微粒子であった。原子間力顕微鏡（日本電子製、JSPM-5200）によるAC-AFMモードで測定した写真を図７に示す。

［実施例４］
ポリスチレンのソープフリー乳化重合を反応槽として２００ｍｌ用ガラス製、ジェネレータとして株式会社マイクロテック・ニチオン製のヒスコトロンNS-310E及びジェネレータシャフトとして株式会社マイクロテック・ニチオン製のNS-7を用い、仕切り板は、固定外刃の周囲を覆うコーン型として行った。スチレンモノマー（和光純薬製、特級）１６．３ｇ、分散媒として脱気した二重イオン交換水（ＤＤＩ水）１８０ｍｌ、開始剤としてチオ硫酸ナトリウム（和光純薬製、特級）０．３３ｇ、過硫酸カリウム（和光純薬製、１級）０．２２ｇを用い、窒素雰囲気下４０℃でスチレンモノマーとイオン交換水を23,000rpmでジェネレータを５分間作動させ分散させ、次に1時間経過後開始剤を添加し８０℃に昇温して400rpmで６時間反応させた。その後３％ヒドロキノン水溶液を１ｍｌ加えて反応を停止し、イオン交換水で洗浄し４０日間透析精製した。その結果、光子相関法粒径測定装置であるＮ５(Beckman Coulter, USA)の単分散モード解析にて測定した粒子の粒子径は３５８ｎｍ、粒子の粒度分布を示す分散度指数（P.I.)値は、０．０９４の単分散ポリスチレン微粒子（ＰＳ）が得られた。

［実施例５］
実施例４において、スチレンモノマー（和光純薬製、特級）８．２ｇ、分散媒として脱気した二重イオン交換水（ＤＤＩ水）１８０ｍｌを用い、４０℃に昇温して23,000rpmでジェネレータを作動させ、スチレンモノマーを微分散させたのち、開始剤としてチオ硫酸ナトリウム（和光純薬製、特級）０．１３ｇ、過硫酸カリウム（和光純薬製、１級）０．２２ｇを用い重合を開始した。反応開始後１時間経過時点でクロロメチルスチレン（Fluka製）を４．３ｇ滴下し、400rpmで攪拌して６０℃、６時間重合を行った。その後所定時間後３％ヒドロキノン水溶液を１ｍｌ加えて反応を停止し、イオン交換水で洗浄し４０日透析精製した。その結果、Ｎ５粒子径４６９ｎｍ、粒子の粒度分布を示す分散度指数（P.I.)値は、０．０８５の単分散クロロメチル基修飾ポリスチレン微粒子（ＣＭＳ）が得られた。

［実施例６］
実施例４において、スチレンモノマー（和光純薬製、特級）１６．３ｇ、分散媒として脱気した二重イオン交換水（ＤＤＩ水）１８０ｍｌを用い、４０℃に昇温して23,000rpmでジェネレータを作動させ、スチレンモノマーを微分散させたのち、開始剤としてチオ硫酸ナトリウム（和光純薬製、特級）０．０６５ｇ、過硫酸カリウム（和光純薬製、１級）０．１１ｇを用い重合を開始した。反応開始後１時間経過時点でメタクリル酸（和光純薬製、特級）を０．８ｇ滴下し、400rpmで攪拌して７０℃で８時間重合を行った。その後所定時間後３％ヒドロキノン水溶液を１ｍｌ加えて反応を停止し、イオン交換水で洗浄し４０日透析精製した。その結果、Ｎ５粒子径２３９ｎｍ、粒子の粒度分布を示す分散度指数（P.I.)値は、０．１６８の単分散カルボキシル基修飾ポリスチレン微粒子（ＰＭＡＡ）が得られた。

［実施例７］
実施例４において、スチレンモノマー（和光純薬製、特級）１６．３ｇ、分散媒として脱気した二重イオン交換水（ＤＤＩ水）１８０ｍｌを用い、４０℃に昇温して23,000rpmでジェネレータを作動させ、スチレンモノマーを微分散させたのち、開始剤として４，４-アゾビス（４シアノ吉草酸）（ACPA)（和光純薬製、特級）０．６ｇを使用し重合を開始した。反応開始後１時間経過時点でメタクリル酸グリシジル（Fluka製）を８．６ｇ滴下し、攪拌して６０℃で６時間重合を行った。その後所定時間後３％ヒドロキノン水溶液を１ｍｌを加えて反応を停止し、イオン交換水で洗浄し４０日透析精製した。その結果、Ｎ５粒子径３５４ｎｍ、粒子の粒度分布を示す分散度指数（P.I.)値は、０．０１０の単分散グリシジル基修飾ポリスチレン微粒子（ＧＭＡ）が得られた。

実施例４〜７で得られた微粒子の物性値を表1に示す。表1において、実施例４の微粒子を（ＰＳ）、実施例５の微粒子を（ＣＭＳ）、実施例６の微粒子を（ＰＭＡＡ）、実施例７の微粒子を（ＧＭＡ）とする。微粒子の粒径は、石英製全面透過セルを用いて、光子相関法粒径測定装置（Ｎ５ Beckman Coulter, USA)にて測定した。ラテックス粒子のゼータ電位は、１ｍＭＫＣｌを分散媒としてラテックス粒子を極微量分散させて、顕微鏡電気泳動法(ZEECOM ZC-2000、マイクロテック・ニチオン)により測定した。粒子表面電荷密度は電導度測定（CM-30ET、TOA）により求めた。いずれも、ナノオーダーの粒径で、分散度指数（P.I.)値は非常に低いものであり、単分散であることがわかる。

[比較例１]
従来の攪拌装置を用いて、実施例３と同じ条件でポリスチレンの合成を行った。光子相関法粒径測定装置であるＮ５(Beckman Coulter, USA)を用いてスチレン微粒子の粒子径を測定したところ粒子径１１６ｎｍ、粒子の粒度分布を示す分散度指数（P.I.)値は、１．１０７とP.I.値が１以上であり、不均一なポリスチレン微粒子であった。

[比較例２]
実施例４において、仕切り板をつけない装置で実施例３と同じ条件でポリスチレンの合成を行った。光子相関法粒径測定装置であるＮ５(Beckman Coulter, USA)を用いてスチレン微粒子の粒子径を測定したところ粒子径４６１ｎｍ、粒子の粒度分布を示す分散度指数（P.I.)値は、０．５８２とP.I.値が０．３以上であり、多分散なポリスチレン微粒子であった。原子間力顕微鏡（日本電子製、SPM-5200）によるAC-AFMモードで測定した写真を図８に示す。

本発明のエマルションの形成、微粒子の製造装置は、また、ラテックス粒子の合成装置は、粒径分布が非常に狭く、すなわち単分散で、かつナノオーダーの微粒子を製造でき、また、乳化重合に用いる界面活性剤や乳化分散剤を使用しないソープフリー乳化重合装置としてクリーンな表面をした微粒子を均一に多量に効率よく製造できる。ナノオーダーで単分散の微粒子製造装置として様々な分野に使用できる。

１：反応槽
２：ジェネレータ
３：駆動装置
４：ジャケット
５：バッフル管
６：仕切り板
７：固定外刃
８：回転内刃
１１：攪拌槽
１２：回転軸
１３：下段翼
１４：上段翼
１５：フィン
１６：邪魔板
２２：ポンプ

Claims

縦型円筒状の反応槽内中心部に攪拌軸を設け、該攪拌軸に固定外刃と回転内刃とから成るジェネレータを設置し、ジェネレータの周りには反応管内で二重流路を形成するバッフル管を設置してバッフル管の内外側に液体流路を形成し、該固定外刃の周りには仕切り板を設け、該仕切り板はジェネレータにより微砕された液体を上方に流すことができ、バッフル管外側の流路を下方流とし、反応槽内底部からバッフル管内側の流路を上方流とすることを特徴とする微粒子形成装置。
上記仕切り板が、お椀型、カップ型、コーン型のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の微粒子形成装置。
縦型円筒状の反応槽内中心部に攪拌軸を設け、該攪拌軸に固定外刃と回転内刃とから成るジェネレータを設置し、ジェネレータの周りには反応管内で二重流路を形成するバッフル管を設置してバッフル管の内外側に反応液流路を形成し、該固定外刃の周りには、仕切り板を設け、該仕切り板はジェネレータにより微砕された反応液を上方に流すことができ、バッフル管外側の流路を下方流とし、反応槽内底部からバッフル管内側の流路を上方流とすることを特徴とするラテックス粒子合成装置。
上記仕切り板が、お椀型、カップ型、コーン型のいずれかであることを特徴とする請求項３に記載のラテックス粒子合成装置。
上記請求項３または請求項４に記載の装置を用いたソープフリー乳化重合用ラテックス粒子合成装置。