JP4628231B2

JP4628231B2 - 超音波式分散方法及び超音波式分散装置

Info

Publication number: JP4628231B2
Application number: JP2005274879A
Authority: JP
Inventors: 雄一古川; 説勇早川; 英士入船
Original assignee: Toyota Motor Corp; MEC International Co Ltd
Current assignee: Toyota Motor Corp; MEC International Co Ltd
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2025-09-22
Also published as: JP2007083160A

Description

本発明は、超音波を用いて、分散媒である液体に、分散質である液体又は固体を均一に分散させて、混合液又は乳濁液を得る技術に関する。

従来、超音波エネルギーを利用して、分散媒である液体に分散質である液体を分散させ、分散媒と分散質とを混合又は乳化して混合液又は乳濁液を得たり、分散媒である液体に分散質である固体（粉粒体）を分散させて混合液を得たりする技術が知られている。

例えば、特許文献１では、超音波振動子を備えて超音波を発生する超音波ホーンを、容器に保持された分散媒と分散質を混合させた混合液に浸漬させ、超音波による液体に発生するキャビテーションによって、分散媒に分散質を乳化させた乳濁液を生成する技術が記載されている。

また、例えば、特許文献２では、液体の分散媒を保持する容器に超音波振動子を備えて、分散媒に超音波を伝播し、この分散媒中に分散質である液体を含有する薄膜を浸漬して、分散媒に分散質を乳化させた乳濁液を生成する技術が記載されている。

ところで、鋳造などに使用される金型には、金型から製品を容易に離型できるように、金型に離型剤が塗布される。
使用される離型剤は、乳濁液（エマルジョン）であるが、一般に、市販されている離型剤原料は、粉粒状のものとペースト状のものとが存在する。
粉粒状の離型剤原料は、予め該離型剤原料に液体（水）を加えて希釈してペースト状とする。そして、ペースト状の離型剤原料と、乳化剤や防腐剤などの添加剤とを、上記のような超音波を利用した乳化方法を利用して、液体（水）中に分散させて乳濁液とし、離型剤として供する。
特開昭６２−５７３７４号公報特開平７−６８１４４号公報

上記特許文献のように、超音波ホーンを分散媒と分散質から成る液体に浸漬させる場合や、分散媒と分散質から成る液体を保持する容器を超音波にて振動させる場合には、液体中にキャビテーションが発生し、水分子の摩擦熱やホーン自体の発熱により液温が上昇してしまう。液体の温度が上昇すると、より分散質の粒子が凝集し易い状況を形成することとなり、分散質の分散の進行が阻害され、また、乳濁液が安定して乳化状態を維持することが難しくなる。

また、超音波ホーンや超音波振動子などの超音波発生手段により液体に超音波が与えられても、分散媒への分散質の分散は、主に、超音波発生手段と液体が接している近傍にて発生する。しかし、超音波が与えられた液体中にはキャビテーションが発生するため、分散質の粒子が大きい状態で分散媒と混合して液体中を粒子が対流したり、比重の軽い分散質の粒子が液体中を上昇して液面に浮上したりして、超音波の作用が行き渡らない場所に多くの分散質が存在することとなる。このため、分散に時間がかかったり、分散しても分散質の粒子が大きく、乳濁液が安定しなかったりという不具合があった。

特に、超音波ホーンを分散媒と分散質から成る液体に浸漬させる場合には、分散媒又は分散質が反応性の物質であると、超音波ホーンとこの反応性の物質とが反応して、液体の成分を変化させてしまうことがあった。さらに、超音波ホーンに分散質が付着・固化したりして、メンテナンスが煩雑となることがあった。

また、離型剤原料を乳化液状として離型剤としたものを長期に保存すると、液中の分散質粒子の比重と分散媒の比重との間に差があるため、分散質は沈降（又は浮上）して、液体が分離してしまう。そこで、離型剤に乳化剤を添加したり、使用の度に離型剤原料を乳化させて離型剤を生成したりしている。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、液体である分散媒の液面に、該分散媒に分散させる液体又は固体である分散質を浮かばせた液体を容器にて保持し、超音波発生手段にて、前記容器に保持された液体の液面から離れた位置より超音波を発振し、気体を介して前記液面に超音波を伝播させて、前記分散媒に前記分散質を分散させる超音波式分散方法である。

請求項２においては、液体である分散媒と、該分散媒の液面に浮かんだ液体又は固体である分散質とから成る液体を保持する容器と、前記容器に保持された液体の液面から離れた位置にて超音波を発振し、気体を介して前記液面に超音波を伝播させる超音波発生手段とを備える超音波式分散装置である。

請求項３においては、前記超音波発生手段にて発振する超音波の振幅の腹の位置が、前記容器に保持された液体の液面となるように、前記超音波発生手段と前記液面との相対位置を定めるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１及び請求項２においては、超音波のエネルギーを利用して分散質を分散媒に分散させ、均一な混合液又は乳濁液を得ることができる。
また、分散媒及び分散質を含む液体に、超音波によるキャビテーションが発生しないので、該液体が攪拌されることによって分散質が微細粒子となるまえに分散媒に分散されることが抑制され、分散質の殆どを微細粒子として分散媒に分散させることができるので、得られた混合液又は乳濁液における分散質の分散性が良好となり、分散媒中に分散質の微粒子が分散した状態が安定して保持される。
さらに、超音波発生手段と、分散媒又は分散質とは非接触であるので、分散媒又は分散質の温度上昇を抑制し、超音波発生手段への分散媒又は分散質の付着を防止し、超音波発生手段と分散媒又は分散質との反応を防止することができる。

請求項３においては、超音波発生手段にて発生させた超音波を、効果的に容器に保持された液体の液面に伝播させることができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明に係る超音波式分散装置の構成を示した図、図２は分散相が連続相に分散する様子を説明する図である。

まず、本発明に係る超音波式分散装置について説明する。
この超音波式分散装置は、本発明に係る超音波式分散方法を実現することのできる装置であって、該超音波式分散装置及び超音波式分散方法を用いて、液体である分散媒に、液体の分散質を分散させて、混合液を得たり、均一に分散させて乳化し乳濁液を得たりすることができる。また、超音波式分散装置及び超音波式分散方法を用いて、液体である分散媒に、粉粒体（固体）の分散質を分散させて混合液を得ることができる。

図１に示すように、超音波式分散装置１０は、主に、液体を保持する容器１１と、超音波振動する振動部を、前記容器１１に保持される液体の液面Ｈより上方に設けた超音波発生手段１５とで構成される。

前記容器１１は、液体である分散媒１２と、該分散媒１２に分散させる分散質１３を保持する容器である。
前記分散質１３は、液体、固体（粉粒体）であって、液体の連続相である分散媒１２とは異なる分散相を構成するものである。

分散質１３は分散媒１２と比較して、比重が小さく、容器１１に分散媒１２と分散質１３とを保持させた状態において、分散質１３は分散媒１２の液面に浮かぶこととなる。
従って、容器１１に保持された、分散媒１２、又は、分散媒１２及び分散質１３から成る液体の液面Ｈには、該分散質１３が現れる。
厳密に言えば、分散質１３が液体である場合には、容器１１に保持される液体は分散媒１２と分散質１３とから成り、この液体の液面Ｈには分散質１３が現れる。また、分散質１３が固体である場合には、容器１１に保持される液体は分散媒１２であり、この液体の液面Ｈには分散質１３が現れる。
この分散質１３は、容器１１に保持される液面Ｈの一部を構成することも、また、液面Ｈに層を成す場合もある。

前記超音波発生手段１５は、上述のように容器１１に保持された液体の液面Ｈに向けて超音波を発振するものである。
超音波発生手段１５としては、例えば、従来から存在するホーン型超音波発振装置を採用することができ、該発振装置の振動部を構成する超音波ホーンは、容器１１に保持される液体には浸漬されず、非接触状態に設けられる。

前記超音波発生手段１５には少なくとも超音波振動子が備えられ、該超音波振動子にて発生した超音波振動が、超音波ホーン等の振動部から気体（空気）中へ発振され、該気体を介して液面Ｈに伝播する。

なお、超音波発生手段１５より発振される超音波の周波数、振幅、波長は、容器１１に保持される液体の量や粘度、分散媒１２に対する分散質１３の分散度合、分散媒１２と分散質１３の性質などに応じて、適宜調整される。

また、超音波発生手段１５より発振される超音波の波の変位が最大値（腹）となる位置に、容器１１に保持される液体の液面Ｈが存在するように、該超音波発生手段１５と液面Ｈとの相対位置が定められる。
但し、超音波の腹と液面Ｈとを位置合わせすることにより、同一のエネルギーでより大きく液面Ｈを振動させることができて、より効果的に超音波を液面Ｈに伝播させることができるので望ましいが、超音波の腹以外と液面Ｈとを位置合わせしても構わない。

そして、超音波発生手段１５から発振される超音波のエネルギーは、気体中を伝播するうちに減衰するため、発振されてからなるべく早い周期の腹を、液面Ｈと位置合わせすることが、より大きなエネルギーを液体に伝達することができるので望ましい。
なお、超音波発生手段１５から発振される超音波の第一周期の腹（振幅のピーク）と液面Ｈとを位置合わせした場合に、該液面Ｈで反射した超音波と超音波発生手段１５より発振された超音波とが干渉して波を弱めることがある。多くの場合で、超音波発生手段１５から発振される超音波の第二周期の腹を液面Ｈと位置合わせすると、液面Ｈに超音波を効率よく伝播させることができることが、発明者により確認されている。

上述のように構成した超音波式分散装置１０において、分散媒１２に分散質１３が分散する様子を、図２を用いて説明する。
超音波発生手段１５にて発振された超音波は、気体を介して、容器１１に保持された液体の液面Ｈに伝播される。これにより、液面Ｈ近傍に存在する分散媒１２の粒子と分散質１３の粒子が超音波エネルギーを受けて振動する（ステップＳ１）。
分散媒１２の粒子と分散質１３の粒子が振動すると、分散質１３の粒子が分散媒１２に拡散する（ステップＳ２）。
分散媒１２に分散質１３が拡散すれば、その部分の分散媒１２の比重が分散質１３によって大きくなるため、分散質１３が拡散した分散媒１２が液体中を下方へ移動する（ステップＳ３）。逆に、分散質１３が拡散していない分散媒１２は、液体中を上昇することとなり、循環流が形成される。

容器１１に保持された液体の液面Ｈへの超音波の伝播が継続されるかぎり、上記ステップＳ１〜Ｓ３が液面Ｈの彼方此方で繰り返され、分散質１３が分散媒１２に分散される。そして、このようにして、分散質１３が分散媒１２に均一に分散されて、乳濁液（エマルジョン）や均一混合液が生成される。

上記超音波式分散方法によれば、超音波発生手段１５と、分散媒１２及び分散質１３を含む液体と直接接触しないので、該液体の温度上昇を抑制して、温度上昇による分散質が凝集し易い状態の発生を防止することができる。
また、該超音波発生手段１５に液体が付着・固化する虞がなく、メンテナンスが容易である。
さらに、超音波発生手段１５と液体とが反応する虞がなく、液体の成分を不本意に変化させることがない。

上記超音波式分散方法によれば、超音波発生手段１５より液体に伝播された超音波に起因して、該液体にキャビテーションが発生しないので、キャビテーションにより液体が攪拌される虞がなく、分散質１３の粒子が適当に微細化されない状態で分散媒１２中に分散する現象が抑制される。これにより、分散媒１２に分散質１３を分散させて得られた液体では、殆どの分散質１３が適当に微細化された状態で分散媒１２中に分散されて、特に、乳濁液とする場合には安定して乳化状態が維持される。

続いて、上記超音波式分散装置１０を用いて超音波式分散方法を実施する一例として、離型剤を生成する場合について、説明する

本実施例においては、分散媒１２は水であり、分散質１３は固体粉粒体状の離型剤原料と、乳化剤や防腐剤や消泡剤などの各種添加剤である。なお、分散媒１２は、分散質１３の２５０倍の重量とする。

超音波式分散装置１０の容器１１に分散媒１２を入れて、ここに分散質１３を添加する。これにより、容器１１に保持された分散媒１２で成る液体の液面Ｈには、分散質１３が浮いた状態となる。なお、容器１１の大きさと分散質１３の量との関係によれば液面Ｈに分散質１３の層が形成されることもある。

そして、容器１１に保持された液体の液面Ｈの上方に配置した超音波発生手段１５において超音波を発振させ、該液面Ｈに超音波を伝播させると、やがて、分散質１３の微粒子が分散媒１２に均一に分散した分散した混合液（離型剤）が生成される。

なお、上記例では、分散質１３に含まれる離型剤原料は固体粉粒状としているが、ペースト状のものとすることもできる。この場合、分散質１３の微粒子が分散媒１２に均一に分散した分散した乳濁液（離型剤）が生成されることとなる。

上述のように、離型剤を生成するに当たって、離型剤原料は、固体粉粒状とも、ペースト状ともすることができる。従来は、離型剤原料と分散媒１２である水との濡れを良くして分散を促進するために、固体粉粒体状の離型剤原料を水等で希釈してペースト状としてから使用していたが、本発明を採用すれば、固体粉粒体状の離型剤原料を分散質１３としてそのまま用いても分散媒１２である水に分散することが、発明者により確認されている。

よって、従来は、固体粉粒体状の離型剤原料を用いる場合には、従来の超音波式分散装置と、離型剤原料をペースト状とするための希釈混合装置が必要となっていたが、本発明では、超音波式分散装置のみを備えれば足り、空間とコストの削減に寄与することができる。また、ペースト状の離型剤原料は固体粉粒体状のものと比較して、希釈剤のぶんだけ重量が大きく、固体粉粒体状をそのまま採用できることで、搬送コストや保存空間の削減にも寄与することができる。

また、上記実施例では、添加物として乳化剤を加えているが、本発明を採用すれば、従来と比較して、分散質１３がキャビテーションによって大きな粒子の状態で液体中に分散することが抑制され、殆どが微粒子となって分散されるので、従来と比較して分散質１３の分散性が良好であって該分散質１３の微粒子が分散された状態の安定性（乳化の安定性）が高く、乳化剤を不要とすることができる。乳化剤が不要となれば、該乳化剤により離型剤を変質させる虞がなく、また、乳化剤に係るコストを削減することができる。

本発明に係る超音波式分散装置及び超音波式分散方法は、化粧品、医薬、農薬、食品、合成樹脂の乳化重合、塗料、各種油類の乳化、アスファルトの乳化などに利用することができる。

本発明に係る超音波式分散装置の構成を示した図。分散相が連続相に分散する様子を説明する図。

符号の説明

１０超音波式分散装置
１１容器
１２連続相
１３分散相
１５超音波発生手段

Claims

液体である分散媒の液面に、該分散媒に分散させる液体又は固体である分散質を浮かばせた液体を容器にて保持し、
超音波発生手段にて、前記容器に保持された液体の液面から離れた位置より超音波を発振し、気体を介して前記液面に超音波を伝播させて、
前記分散媒に前記分散質を分散させることを特徴とする、
超音波式分散方法。
液体である分散媒と、該分散媒の液面に浮かんだ液体又は固体である分散質とから成る液体を保持する容器と、
前記容器に保持された液体の液面から離れた位置にて超音波を発振し、気体を介して前記液面に超音波を伝播させる超音波発生手段とを備えることを特徴とする、
超音波式分散装置。
前記超音波発生手段にて発振する超音波の振幅の腹の位置が、前記容器に保持された液体の液面となるように、前記超音波発生手段と前記液面との相対位置を定めることを特徴とする、
請求項２に記載の超音波式分散装置。