JP5851755B2 - 微粒子分散方法及び分散物 - Google Patents
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Description
さらには、一層の高分散を目的として、プラズマによる分散だけでなく、機械的分散処理を併用して、微粒子の凝集物を解す能力を高めて、より効率の良い分散方法を提供する。
<参考例1>
<分散質としての微粒子>
微粒子酸化チタン0.1g(テイカ株式会社製MT−500B、平均一次粒子径35nm(カタログ値))
<分散媒>イオン交換水1リットル
<液面プラズマ条件>
電源:インバーター式ネオン変圧器(60Hz)
水面上部電極:タングステン(針状、直径1mm)
水中に浸漬した対向電極:アルミテープ(平板状)
水面上部電極と水面間の距離:5mm
印加電圧:3kV
貯留槽:1リットルビーカー(ガラス製)
なお、微粒子が反応中に容器底に溜まるのを防ぐため、穏やかにマグネティックスターラーにて撹拌した。
<分散処理時間>液面プラズマ処理1時間
液面プラズマ処理を行わないこと以外は参考例1と同様にし、マグネティックスターラーのみで撹拌した。
参考例1及び比較例1で得られた分散液を、ポリ栓付セントチューブ(株式会社マルエム製STS−2)に採取し、24時間静置後に分散状態を目視で観察した。
マグネティックスターラーのみで処理した比較例1はセントチューブ底に凝集物が観察されたのに対し、本発明の液面プラズマ処理した分散液である参考例1は、微粒子酸化チタンの凝集物は観察されず、分散は良好であった。
<参考例2>
(比較例2)
液面プラズマ処理を行わないこと以外は参考例2と同様にし、マグネティックスターラーのみで撹拌した。
<結果>
参考例1と同様の方法で評価した結果、比較例2で凝集物が観察されたのに対し、参考例2は凝集物は観察されず、分散は良好であった。
<参考例3>
(比較例3)
液面プラズマ処理を行わないこと以外は参考例3と同様にし、マグネティックスターラーのみで撹拌した。
<結果>
参考例1と同様の方法で評価した結果、参考例3と比較例3は共に、セントチューブ底に沈降するものと、沈降せずに水中に分散しているものの両方が観察されたが、比較例3は凝集物の塊がある状態で沈降しているのに対し、参考例3は凝集物の塊は無く、振とうによる再分散性が高いことが認められた。また、電子顕微鏡観察においても、参考例3は針状の微粒子が凝集することなく拡がって観察されたのに対し、比較例3は視野内に凝集物が多く観察された(電子顕微鏡観察は、試料台の上に分散液を微量とり105℃で5分間乾燥させ金蒸着して観察した。)。
<参考例4>
(比較例4)
液面プラズマ処理を行わないこと以外は参考例4と同様にし、マグネティックスターラーのみで撹拌した。
<結果>
比較例4は、セントチューブに試料を採取する前に、ビーカーの水面上に殆どのナイロン末が浮いているのに対し、参考例4はナイロン末が水中に分散した状態であり、ビーカー中の分散液の透明性が低下して、良好な分散状態を示した。
<参考例5>
(比較例5)
液面プラズマ処理を行わないこと以外は参考例5と同様にし、マグネティックスターラーのみで撹拌した。
<結果>
セントチューブに試料を採取する前に、ビーカー中の分散液の状態が異なっていた。比較例5では、カーボンブラックの凝集物が浮遊又は沈殿したままで分散液が透明に近いものであったが、参考例5ではカーボンブラックが水中に分散していた。
非特許文献1において、水中プラズマ方式によるカーボンナノチューブの分散方法が記載されている(図8)。このため、非特許文献1に記載の該分散装置を作製し、参考例5と同じカーボンブラックを用いて分散性能を比較した。
<非特許文献1の再現装置条件>
電源:巻線式ネオン変圧器(60Hz)
ワイヤー電極:タングステン(直径1mm)
平板電極:クロムモリブデン鋼(SCM440、30mm×30mm×3mm)
放電部の幅:16mm
電極間距離:2mm
本発明の分散方法は、上記のように低い印加電圧でもプラズマを発生させることができるのが特徴である。このため、電極の溶出による分散液へのコンタミネーションが少ないことが予想された。そこで、参考例5で分散処理を1時間行った分散液を20ml採取し、ICP発光分光分析法により分散液中のタングステン電極の溶出量を測定した。その結果、タングステンは検出限界以下であり、コンタミネーションが無いことを確認した。
<参考例6>
液面プラズマ処理を行わないこと以外は実施例1と同様にし、超音波浴のみで分散処理を行った。
実施例1及び比較例6において、評価用試料として、処理を開始してから1時間後、2時間後、3時間後、4時間後(予備分散時間は除く)の分散液をポリ栓付セントチューブ(株式会社マルエム製STS−2)に採取した。これらの試料を24時間静置後に微粒子酸化チタンの分散状態を目視で観察した。
図2は、各処理時間に採取した試料について、24時間静置した時の分散状態を比較した写真である。左側が超音波浴を併用した液面プラズマ処理を施した微粒子酸化チタンの分散物(実施例1)であり、右側が超音波処理のみの分散物(比較例6)である。明らかに、実施例1の各処理時間の試料は、微粒子酸化チタンの沈降は無く青白い反射光を呈しており、分散は良好であった。一方、比較例6の各試料は、全て微粒子酸化チタンの沈降が見られた。さらには、この実施例1の4時間処理した微粒子酸化チタンの水中分散物を、静置1週間後に遠心分離装置にて3000rpm、30分間の遠心分離を行ったが、沈降は見られず安定な分散物であることを確認した。
参考例1の分散液と実施例1の1時間処理の分散物を経時観察した。実施例1の分散液は前期のように24時間以上沈降が見られず、良好な分散状態を示すものであるが、3日間静置したところわずかに沈降が観察された。それに対し、実施例1の1時間処理分散物は3日間静置しても沈降が見られなかった。このことから、実施例1の試料は、より細かく微粒子酸化チタンが分散していると考えられ、超音波処理併用の有用性が確認できた。なお、参考例1の3日間静置後の分散物は、僅かに沈降は観察されたが、振とう程度の弱い撹拌で再分散が可能なものであった。
本発明の液面プラズマ方式による微粒子酸化チタン分散物の機能評価として、実施例1と比較例6の4時間処理品について紫外線遮断能を比較した。測定は、下記の条件にて、各試料を軽く振とうした後、セルに充填して行った。
(測定条件)
測定器:島津製作所製 分光光度計UV−160A
セル:短光路セル 光路長0.1mm
測定波長範囲:280〜800nm
実施例1においても電極の溶出によるコンタミネーションの有無をICP発光分光測定により確認した。なお、測定は実施例1の2時間処理品を用いた。
(比較例7)
実施例1の液面プラズマを特許文献3の液中プラズマ(液中で一対の電極の両方を水中に浸してプラズマを発生させる方式)に替えて、その他は実施例1と同条件で微粒子酸化チタンの分散を行った。なお、ICP発光分光測定の試料は、上記実施例1と同様に2時間処理品を用い、液中プラズマによる分散は下記条件で行った。
電源:インバーター式ネオン変圧器(60Hz)
水中電極(一対):タングステン(直径1mm)
電極間距離:約1mm
印加電圧:8.8kV
貯留槽:1リットルビーカー(ガラス製)
超音波浴:超音波周波数40kHz、出力55Wの超音波洗浄機
<分散対象の微粒子>
試験例3−1:テイカ株式会社製MT−150W、平均一次粒子径15nm(カタログ値)
試験例3−2:テイカ株式会社製MT−600B、平均一次粒子径50nm(カタログ値)
試験例3−3:テイカ株式会社製MT−700B、平均一次粒子径80nm(カタログ値)
実施例1と同様の超音波浴を併用する分散方法で、上記の各微粒子酸化チタン0.1gをイオン交換水1リットルに分散した。分散処理時間は2時間とし、実施例1と同様に分散状態を観察した。
試験例3−1から3−3まで、いずれの微粒子酸化チタンも、分散処理後に24時間静置しても、セントチューブ内で沈降はなく良好な分散が得られた。また、紫外線遮断効果を実施例1と同様の方法で評価した。試験例3−1から3−3の全てにおいて、紫外領域での高い遮断能を示し、特に試験例3−3は、UV−A領域である320〜380nm付近の長波長側で良好な吸収を示した。
実施例1と同様に、ポリ栓付セントチューブに採取した試料を24時間静置した後、微粒子酸化チタンの分散状態を目視で観察した。その結果、微粒子酸化チタンの沈降はなく良好な分散状態であった。このことから、アルゴンガス導入下でも、液面プラズマの作用により良好な分散が得られることを確認した。
一般に、微粒子酸化チタンは、粒子表面が親水的であるために水に馴染んで、一見して分散しているかのように見える。しかし、ナノ粒子と呼ばれる領域の100nm以下の微粒子は、たとえ表面が親水的であっても表面エネルギーが高いことに由来して、極めて凝集性が高い。このため、通常の分散方法で分散した微粒子酸化チタンは水中で沈降を示す。さらには、紫外線防御効果も、分散状態が良いほど高い効果を示すが、凝集物が生じては紫外線防御効果も失われる。従って、微粒子酸化チタンを良好に分散できる本発明は、もともと表面が親水的であるが実際には凝集しやすい金属酸化物、さらに、これらの混合物や複合物等に対して、良好な分散方法である。
2 分散媒へ分散質を分散させた分散液
3 電源
4 水面上部の気中に設置した電極
5 水中に浸された又は水に接触した対向電極
6 セラミックス管
7 液面プラズマ(水面プラズマ)
Claims (3)
- 一対の電極のうち、一方は水中に浸す又は水面に接触させ、他方は水面上部の気中に配置して、両電極間に電圧を加えてプラズマを発生させながら、超音波分散処理を併用することで、親水性の表面を有する金属酸化物微粒子(水性分散媒表面に浮遊するものを除く)を水中へ分散させる分散方法。
- 水面と水面上部の気中に配置した電極間の距離が、0mmよりも大きく、50mm以下であることを特徴とする請求項1記載の分散方法。
- 水中へ分散させる、表面が親水性の金属酸化物微粒子の一次粒子径が100nm以下であることを特徴とする請求項1又は2記載の分散方法。
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