JPH05256A - 均一径の液滴形成のための分散板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 粒径分布の狭い、できるだけ小さい液滴を形
成させるための、大型、大量生産に使用できる強度が大
でかつ製作が容易な分散板。 【構成】 ＳＵＳ製破砕型金属粗粉を焼結した多孔質板
の片面にアトマイズ法で製造し、それに分級したＳＵＳ
金属微粉を焼結し、その面を研磨して支持多孔質板を得
た。この研磨面にニッケル−リンを無電解メッキして金
属薄膜を形成し、これをフォトリソグラフィー法により
多数の微細孔を穿孔した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体を高圧にて分散媒
中に微細孔より噴出させ、できるだけ均一な粒径の液滴
を発生させるための分散板に関する。

【０００２】この分散板は重合性モノマーを分散媒中へ
噴出し、均一な粒径のモノマー液滴を生成させ、該分散
媒をあらかじめ加熱するか、または分散させた後加熱
し、これを重合させることにより狭い粒径分布を持つポ
リマービーズの製造に有効に使用することができる。

【０００３】この分散板を用いて製造されるポリマービ
ーズは粒径が極めて小さいうえ、粒径分布が狭く、また
ビーズ形状が球状のものであるため液体クロマトグラフ
ィー用充填材、静電複写機などのトナー原料等に有効で
ある。

【０００４】

【従来の技術】一般的なポリマービーズの製造法として
は、重合性モノマーを分散媒中に入れ、これを撹拌羽根
等による機械撹拌により分散媒中へ微細なモノマー液滴
として分散させ、これを加熱重合することによりポリマ
ービーズを得ている。粒径のコントロールは撹拌羽根の
回転数や回転時間によって決定されるが、粒度分布は必
然的にブロードな分布となり、目的とする粒径のポリマ
ービーズを得るためにはこれを分級する必要がある。そ
の際、必要とする粒径を狭いものにすればするほど、目
的とする粒径のポリマービーズの収率が下がり分級のコ
ストも高くなる。また、ふるい分けられた目的とする以
外の粒径のポリマービーズの処分も大きな問題となる。
そこで目的とする狭い粒径分布のポリマービーズの製造
方法の開発を強く望まれていた。

【０００５】狭い粒径分布を目的とするポリマービーズ
の製造方法は各種提案されている。例えば特開昭５７−
１０２９０５号、５７−７３００２号、６１−１１５９
０２号ではモノマー組成物流をピストン部材により振動
的に励起して砕き、細粒とし、これを加熱重合して分布
の狭い粒径のポリマービーズを得ている。また特開昭６
１−１１５９０２号では振動している細管からモノマー
組成液を分散媒中に噴出し、均一な粒径の液滴とした後
重合し、分布の狭い粒径のポリマービーズを得ている。

【０００６】しかしながら、これら公知の技術による製
造法ではポリマービーズの生産性も低く、更に粒径は数
百μｍ以上であり、液体クロマトグラフィー用充填材と
して要求されている粒径４〜１００μｍ程度のポリマー
ビーズ用の製造技術とはなりえない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】１００μｍ以下の粒径
の均一な液滴を発生させるには、噴出用微細孔の孔径を
小さくしていけばよいが、孔径が小さくなるに従い、分
散される液体中に存在するゴミ等の固体微粒子が微細孔
を閉塞する危険度は飛躍的に増大すると共に、液体を噴
出させるための圧力も急激に増大する。例えば、金属板
に微細孔を開け分散板とした場合、微細孔の孔径の縮小
に伴う圧力の上昇により分散板は変形したり、破損した
りして使用には耐えられなくなる。

【０００８】分散板を厚くしていけば強度的には強くな
るが、分散板厚みに比例して噴出するための圧力も増大
するので耐変形性の対策としては効率的でない。また分
散板が厚くなるにつれ、技術的に均一な孔径の微細孔を
開けることが困難となる。耐圧性のある厚さの金属板に
できるだけ孔径の小さい微細孔を開けるには分散板に可
能な限り小さな微細孔を多数開け、その片面にメッキを
施して孔径を減少させることにより製造することもでき
るが、多数の孔径は分布を持つようになり、均一孔径と
することは困難である。

【０００９】したがってこのようにして作成された分散
板から噴出されたモノマー液滴も孔径に応じた粒径とな
るので分布を持つことになる。

【００１０】また粒径の小さいポリマービーズの大量の
生産が必要とされる時には必然的に分散板の微細孔径は
小さく、かつモノマー組成物を噴出させる微細孔数も飛
躍的に多くなり、これにともない分散板の面積が大きく
なるのは明らかである。

【００１１】分散板はこの噴出圧力に強度的に耐え、か
つ均一な微細孔を所定の間隔で多数開けていることが要
求される。

【００１２】本発明は、ゴミ等による閉塞の危険性が少
なく、高圧で液体を噴出させても変形したり破損したり
しない、また製作が容易で微細孔径も均一に穿孔できる
液体分散板の開発を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、金属微粒子を
焼結した多孔質板の片面に金属薄膜を形成させ、該薄膜
に微細孔を設けたことを特徴とする均一径の液滴形成の
ための分散板を開発することにより前記の目的を達成し
た。さらに、多孔質板が金属粗粉および微粒子金属微粉
の二層からなる多孔質板であり、その金属微粉層側に金
属薄膜を形成させ、該薄膜に微細孔を設けたことを特徴
とする均一径の液滴形成のための分散板を開発すること
により、より目塞りの少ない分散板の開発に成功した。

【００１４】本発明において金属微粒子を焼結した多孔
質板とは、金属微粉をプレス成形し、焼結した多孔質体
であり、焼結金属フィルターとして濾過用に広く用いら
れているものでもよい。この焼結金属フィルターの片面
を研磨し、できるだけ平滑面とした後、この面に金属メ
ッキまたは金属蒸着などの操作により厚さ数十ミクロン
の金属薄膜を形成させ、しかるのちこの金属薄膜にレー
ザー加工、写真食刻（フォトリソグラフィー）法などに
よるエッチング加工により均一な孔径の微細孔を多数開
け、閉塞性の少ない、強度のある分散板とする。微細孔
の深さは少なくとも金属薄膜を貫通し、金属微粉の多孔
質板まで達する必要はあるが、更にある程度多孔質板の
中まで通っていても構わない。

【００１５】焼結金属フィルターの物性、形状（サイズ
も含め）、材質、金属粒子径、ポーラス度などは必要に
応じ任意のものが選択できる。大面積で強度を要求され
る時は材質は硬質のもの（メッキ材との適合性も考慮す
る必要があり、価格、入手性、強度、ハンドリング性な
どからステンレススチールが普通用いられる。）が選ば
れ、また厚さを大きくすることにより対応できるが、焼
結金属フィルターとして各種のものが市販されているの
で入手も可能であり、また金属微粒子を購入して製作す
ることもできる。

【００１６】ゴミによる目塞りの心配がない時は多孔質
板のポーラス度はメッキ性のみを考慮すればよいが、目
塞り防止のためにはポーラス度を細かくすることで達成
できる。

【００１７】次の工程として多孔質板の片面の研磨であ
るがフィルターが平滑面である時は省略できる。研磨の
目的はメッキの厚さを薄くするためである。フィルター
面に凹凸があると、薄いメッキでは多孔質板の細孔部ま
でなかなか閉塞することができず、メッキ層を厚くする
ことが必要になるだけでなく、例えばメッキ層厚さを６
０μｍ以上必要なるときは、無電解メッキではヒビ割れ
する可能性が高くなるのでできるだけ平滑にすることが
好ましい。

【００１８】平滑度を増すために原料金属微粒子の粒度
を細かく、かつ均一にすることが有効であるが、このよ
うに粒径が細かくその粒度分布の狭い金属微粉は極めて
高価であるので、このような金属微粉のみでフィルター
を製造することは困難である。

【００１９】かかる時は多孔質板の厚さの８０〜９０％
を市販の通常の破砕型金属粗粉（平均粒径５０μｍまた
はそれ以上が普通であって、これを分級して細かいもの
を選択することがよい。）で構成し、残りの厚さの１０
〜２０％を金属微粉（粒径１０μｍ程度のアトマイズ粉
末等で、これを分級すれば一層好ましいが極めて高価に
なる。）で構成する時はメッキ面におけるポアの径もほ
ぼ均一であり、メッキ層も薄くてすむだけでなく、全体
として強度もあり目塞りの少ない分散板となるメリット
がある。

【００２０】金属薄膜は無電解メッキ法によることが簡
単であり、厚さ６０ミクロン以下で充分使用できる。材
質としてはニッケル、クロム、銅等任意のものを選ぶこ
とができるが、通常は強度的にニッケルが用いられる。
厚さは多孔質板の表面を完全に被覆できればよい。

【００２１】この金属薄膜に微細孔を設けるには数が少
ない時はレーザー加工などを利用し、微細孔の数が多
く、また製造個数が多い時はフォトリソグラフィー法に
よることが有利であろう。孔径は目的とするポリマービ
ーズの粒径に合わせて決定すればよく、ピッチ（間隔）
は孔径の２０〜１００倍が望ましい。

【００２２】ピッチがあまり狭いと分散媒中に液体を噴
射しているとき、液流同士の衝突、液体粒子同士の衝
突、凝集あるいは金属薄膜表面で付着した液体の表面張
力による液滴の成長などがあって、微細液滴の生成およ
び均一径の液滴の形成の障害になる。一方、あまりピッ
チを大きくすると、分散板単位面積あたりの開口微細孔
数が減少し、液体の噴出量が減少するため、生産性が低
下することになる。

【００２３】

【作用】金属微粒子を焼結した多孔質板はそれ自体強度
は大きいものであるが、更に厚さを大とすることで液体
の通過抵抗をさほど大とせず耐変形強度を大きくするこ
とができる利点がある。またこの多孔質板（ステンレス
スチール製）に無電解メッキによるニッケル−リン薄膜
を接着させた時の剥離強度は約４０００Ｋｇ／ｃｍ² 程
度の強さがあって、焼結多孔質板の引張強度の７００Ｋ
ｇ／ｃｍ² よりはるかに大きく通常の使用状態では剥離
する危険はないことである。

【００２４】金属薄膜は強度大な多孔質板に強固に密着
しているので噴出圧を大にしてもその厚さは薄くてもよ
いことになり、金属薄膜を穿孔する困難性は低圧の場合
とさほど変わらないで済むことが理解されよう。

【００２５】次に、本発明を更に詳細に説明する。焼結
金属フィルターに用いられる金属微粉の形状、粒径、材
質は各種グレードのものが市販されているが、微細であ
ると焼結金属自体の圧力損失が大きく、粗いと圧力損失
は小さいが表面が研磨した後でも凹部が存在し、この部
分に金属が析出せず封止できなくなる。

【００２６】そのためメッキ処理する多孔質板の焼結金
属表面は均一であることが求められ、従って焼結金属微
粉はできるだけ均一粒径であり、かつ球状であることが
望ましい。これは市販のアトマイズ粉のごとき金属球状
微粉を精密分級することにより入手することができる。

【００２７】微粉材質は強度の点でステンレススチール
粉末が望ましく、粒径は３μｍから２０μｍ位で分級
し、粒径が均一であることが好ましい。しかしながら金
属の均一粒径微粒子は非常に高価であり、微粒子である
とフィルター自体の圧力が損失が大きくなるので焼結金
属フィルター上部に金属微粒子として破砕型の粗粉の金
属粒子を入れ、メッキ金属と接触する面に均一粒径の金
属微粒子を入れ粒径の異なる二層で一枚の焼結金属フィ
ルターを製作すれば変形強度が強く閉塞の少ない分散板
にすることができる。

【００２８】分級した金属微粒子の均一な表面を持つ部
分は焼結金属フィルター厚みの１０％〜２０％程度で充
分であり、焼結金属フィルターは金属粗粉と分級した金
属微粉の二層となるが、同一材質の粒子であれば強固に
焼結し、粒径の異なる面で剥離することはない。

【００２９】焼結金属フィルターの厚み、径については
任意のものが製作でき、要求される噴出圧力、モノマー
噴出処理量によって決めればよい。

【００３０】このように製作した均一粒径微粉を持つフ
ィルター片面を研磨した後、この表面にメッキまたは蒸
着により金属薄膜を形成する。金属層の厚みは焼結金属
フィルターの微細孔を封止できればよく、２０μｍ〜５
０μｍが望ましい。

【００３１】次にこの金属薄膜面にレーザー加工、エッ
チング加工等により穿孔加工を施す。孔径は目的とする
ポリマービーズの粒径に合わせて決定すればよく、経験
的にはポリマービーズ径の約１／３程度となる。

【００３２】微細孔の深さについては少なくとも金属薄
膜層を貫通して下部の多孔質部である焼結金属微粉層ま
で到達させる必要がある。

【００３３】微細孔数については単位時間のモノマー噴
出処理量によって決めればよく、分散板の面積について
も同様である。

【００３４】分散板の面積を大きくすると、強度を保つ
ため、必然的に分散板は厚くなり、大型化し、コスト的
に高いものとなるので微細孔径とピッチは適切に選ぶこ
とが必要である。

【００３５】分散板からの噴出圧力は金属表面の微細孔
径と金属薄膜の厚さおよび焼結金属自体の圧力損失によ
り異なるが、微細孔径に応じた最適の噴出圧力があり、
圧力が高すぎるとモノマー液滴は均一とはならず、分布
を持つようになる。また噴出圧力が低過ぎるとモノマー
は分散板上に付着し、大きな液滴となったり、大きな粒
子の多い粒度分布となり、均一粒径のポリマービーズを
得ることはできない。

【００３６】

【実施例】

（実施例１）精密分級した１２．５μｍ〜１５μｍ範囲
のＳＵＳ球状微粉を型に入れ、プレス後焼結し、２８ｍ
ｍφ×３．５ｍｍｔの焼結金属フィルターを製作した。
この焼結金属フィルターの片面を研磨した後、この面に
無電解メッキを施し４０μｍ厚さにニッケル−リンの金
属薄膜を成膜した。この金属薄膜で片面を封止した焼結
金属フィルターを２枚のテフロンパッキングではさみ、
ポンプで圧力を１００Ｋｇ／ｃｍ² かけ、液漏れや金属
の剥離のないことを確認した後レーザー加工により金属
面に中心から１０ｍｍの範囲に孔径２０μｍ、ピッチ１
ｍｍで孔数３５０個の微細孔加工を施し、分散板を製作
した。

【００３７】この分散板を微細振動を与えるためのバイ
ブレーターを取りつけた分散装置下部に固定する。該分
散板は３リットルビーカーに水２リットルにポリビニル
アルコール２０ｇを水２リットルに溶解した分散媒の中
に浸漬した。無脈動ポンプによりモノマー混合物（ジビ
ニルベンゼン１６０ｇ、塩化パラフィン２４０ｇ、触媒
４ｇ）を３５ｍｌ／ｍｉｎの流速にて分散装置へ送り込
んだ。

【００３８】分散装置に送り込まれるモノマー混合物に
より圧力は上昇し、分散装置下部の分散板微細孔よりモ
ノマー混合物は分散媒中へ噴出されてくる。噴出圧力は
５Ｋｇ／ｃｍ² で平衡となり１１分間噴出させた後分散
媒を９０℃に加熱し、４時間重合を行った。重合終了
後、ポリマービーズを水洗し、分級して粒度分布を求め
たところ次のとおりであった。 ７４μｍ以上 ７％ ７４〜５３μｍ ９２％ ５３μｍ以下 １％

【００３９】（実施例２）破砕形の８０〜１００μｍ範
囲のＳＵＳ微粉を型に入れ、プレス後焼結し、２８ｍｍ
φ×３．０ｍｍｔの焼結金属フィルターを作り、更にこ
の上に精密分級した１０〜１２．５μｍ範囲のＳＵＳ球
状微粉を載せ、型に入れプレス後焼結して２８ｍｍφ×
３．５ｍｍｔの焼結金属フィルターを製作した。この分
級微粉側の面を研磨した後、この面に無電解メッキを施
し、４０μｍ厚さにニッケル−リンの金属薄膜を調整し
た。

【００４０】この金属薄膜で片面を封止した焼結金属フ
ィルターを２枚のテフロンパッキングではさみポンプで
圧力を１００Ｋｇ／ｃｍ² かけ液漏れや金属の剥離のな
いことを確認した後、レーザー加工により金属面に中心
から１０ｍｍの範囲に孔径１０μｍ、ピッチ１ｍｍで孔
数３５０個の微細孔加工を施し、分散板を製作した。こ
の分散板を実施例１で用いた分散装置下部に固定する。
分散板は３リットルビーカーに水２リットルにポリビニ
ルアルコール２０ｇ溶解した分散媒の中に入っている無
脈動ポンプよりモノマー混合物（ジビニルベンゼン８０
ｇ、塩化パラフィン１２０ｇ、触媒２ｇ）を９ｍｌ／ｍ
ｉｎの流速にて分散装置へ送り込んだ。

【００４１】分散装置に送り込まれるモノマー混合物に
より圧力は上昇し、分散装置下部の分散板微細孔よりモ
ノマー混合物は分散媒中へ噴出されてくる。噴出された
モノマー混合物は微細な液滴となり霧状に分散媒中へ広
がる。噴出圧力は７Ｋｇ／ｃｍ² で平衡となり、２２分
間噴出させた後分散媒を９０℃に加熱し、４時間重合を
行った。重合終了後ポリマービーズを水洗し、分級して
粒度を求めたところ、次のとおりであった。 ４４μｍ以上 ９％ ４４〜２５μｍ ９０％ ２５μｍ以下 １％

【００４２】

【発明の効果】粒径が均一なポリマービーズを得るため
に、モノマー混合液をノズルや分散板から一定の条件で
分散媒中へ噴出分散し、分散された粒径のまま重合する
技術は数多く提案されているが、１００μｍ以下の粒径
の均一微粒子を得る技術はまだ確立していない。

【００４３】微粒子を得ようとすれば噴出孔径は必然的
に小さくなり、ミクロン単位の微細孔となってゴミ等に
よる閉塞の対策は別としても噴出するための圧力は極め
て高くなり、単なる金属板で作られた分散板では強度的
に耐えられず、変形を起こしたり破損したりして実用的
にはならなかった。更に大量にポリマービーズを得よう
とすれば分散板面積を大きくすることが必要で、その問
題は更に大きくなった。

【００４４】本発明は焼結金属フィルターを支持母材と
して用い、ここに強固に結合した金属薄膜を支持させ、
この金属薄膜に微細孔加工を施した分散板を製作するこ
とによりこの問題を解決した。金属薄膜と焼結金属フィ
ルター金属微粒子との結合は極めて強固で焼結金属の引
張強度を上回っており剥離することはない。

【００４５】本発明においては工業的に大量のポリマー
ビーズを得るためモノマー混合物の噴出処理量が増加し
た場合でも大面積の分散板の製作は容易であり、噴出面
積に比例するように分散板厚みを増加させ、強度を保た
せることは簡単にできる。またこの場合金属薄膜は噴出
圧力とは無関係にほぼ一定の厚さにすることができるの
で微細孔加工も困難性が増すことはない。噴出板自体の
圧力損失が大きくなる場合には分散板の焼結金属を粗粉
と微粉の二層とし、微粉側に金属薄膜を形成すれば圧力
損失の小さい分散板が製作できる。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属微粒子を焼結した多孔質板の片面に
   金属薄膜を形成させ、該薄膜に微細孔を設けたことを特
   徴とする均一径の液滴形成のための分散板。
2. 【請求項２】 多孔質板が金属粗粉および微粒子金属微
   粉の二層からなる多孔質板であり、その金属微粉層側に
   金属薄膜を形成させた請求項１記載の均一径の液滴形成
   のための分散板。
3. 【請求項３】 微細孔は分散板の金属薄膜を垂直に貫通
   し、多孔質層まで到達している請求項１記載の均一径の
   液滴形成のための分散板。
4. 【請求項４】 金属微粒子を焼結して多孔質の支持板と
   し、この片面を研磨して平滑とし、該研磨面に無電解メ
   ッキ法により金属薄膜を形成させ多孔質支持板のポアを
   完全に閉鎖した後、該金属薄膜に微細孔を穿孔すること
   からなる分散板の製造方法。
5. 【請求項５】 金属微粒子として破砕型金属粗粉を焼結
   し、その片面に分級した微粒子金属微粉を焼結して多孔
   質支持板とし、該研磨面に無電解メッキ法により金属薄
   膜を形成させ多孔質支持板のポアを完全に閉鎖した後、
   該金属薄膜に微細孔を穿孔することからなる分散板の製
   造方法。