(57)【要約】【課題】界面活性剤に代えて薄膜グラファイト等を乳化剤に用いた乳化分散液を提供する。【解決手段】乳化分散液が、媒体液と、媒体液に溶解しない乳化分散材料と、薄膜グラファイトと、カーボンナノチューブとを含み、この乳化分散材料は、薄膜グラファイトで囲まれた状態で媒体液中に分散し、薄膜グラファイトの表面にカーボンナノチューブが付着する。また、乳化分散液が、媒体液と、媒体液に溶解しない乳化分散材料と、カーボンナノチューブとを含み、乳化分散材料は、カーボンナノチューブで囲まれた状態で媒体液中に分散する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体液と、
前記媒体液に溶解しない乳化分散材料と、
薄膜グラファイトと、
カーボンナノチューブと、を含む乳化分散液であって、
前記乳化分散材料は、前記薄膜グラファイトで囲まれた状態で前記媒体液中に分散し、前記薄膜グラファイトの表面に前記カーボンナノチューブが付着したことを特徴とする乳化分散液。
【請求項２】
媒体液と、
前記媒体液に溶解しない乳化分散材料と、
カーボンナノチューブと、を含む乳化分散液であって、
前記乳化分散材料は、前記カーボンナノチューブで囲まれた状態で前記媒体液中に分散したことを特徴とする乳化分散液。
【請求項３】
さらに増粘剤を含む、請求項１または２に記載の乳化分散液。
【請求項４】
前記増粘剤は、水溶性高分子であることを特徴とする請求項３に記載の乳化分散液。
【請求項５】
前記乳化分散材料は、油、または親油性の物質を含む油であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の乳化分散液。
【請求項６】
前記油は、鉱物油または流動パラフィンであることを特徴とする請求項５に記載の乳化分散液。
【請求項７】
前記油の融点は、前記薄膜グラファイトおよび／または前記カーボンナノチューブの融点より低いことを特徴とする請求項５に記載の乳化分散液。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乳化分散液に関し、特に、薄膜グラファイトを乳化剤に用いた乳化分散液に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体または固体の乳化分散材料を媒体液中に乳化または分散させて乳化分散液を製造する場合、一般に乳化剤として界面活性剤が用いられる。例えば、界面活性剤を用いることにより、水の中に油を乳化分散できることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、乳化分散液が人体と接触する可能性がある場合、例えば乳化分散液が化粧品や食品である場合、界面活性剤が人体にとって有害なことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−８３７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これに対して、人体に有毒な場合がある界面活性剤に代えて、グラフェン等の薄膜グラファイトを乳化剤として用いて乳化分散液を作製することを検討した。しかしながら、乳化分散材料を乳化または分散させて乳化分散液を作製しても、時間の経過と共に薄膜グラファイト同士が凝集し、安定した乳化分散液が得られないという問題があった。
【０００６】
そこで、発明者は鋭意研究の結果、薄膜グラファイトを乳化剤として用いると共に、更にカーボンナノチューブを加えることで、薄膜グラファイト同士の凝集を防止できることを見出し、本発明を完成した。
【０００７】
即ち、本発明は、界面活性剤に代えて薄膜グラファイト等を乳化剤に用いた乳化分散液の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、媒体液と、媒体液に溶解しない乳化分散材料と、薄膜グラファイトと、カーボンナノチューブと、を含む乳化分散液であって、乳化分散材料は、薄膜グラファイトで囲まれた状態で媒体液中に分散し、薄膜グラファイトの表面にカーボンナノチューブが付着したことを特徴とする乳化分散液である。
【０００９】
また、本発明は、媒体液と、媒体液に溶解しない乳化分散材料と、カーボンナノチューブと、を含む乳化分散液であって、乳化分散材料は、カーボンナノチューブで囲まれた状態で媒体液中に分散したことを特徴とする乳化分散液でもある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明にかかる乳化分散液では、界面活性剤に代えて薄膜グラファイトやカーボンナノチューブを乳化剤として用いることにより、人体と接触しても安全な乳化分散液を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態にかかる油粒子の乳化状態を説明する概略図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる乳化分散液の概略図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる乳化分散液を、ドラッグ／マテリアルデリバリーシステムに用いた場合の概略図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる乳化分散液製造システムのシステム構成図である。
【図５】図４示す乳化分散液製造システムを構成する第１、第２乳化分散装置の構成を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態にかかる乳化工程を示す概略図である。
【図７】図４に示す乳化分散液製造システムを構成する多段圧力温度制御装置の構成を示す模式図である。
【図８】多段圧力温度制御装置内での乳化分散液の位置的な圧力変化の態様を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態にかかる乳化分散液の顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施の形態にかかる乳化分散液は、媒体液と、媒体液に溶解しない乳化分散材料と、薄膜グラファイトと、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）とを基本構成とする乳化分散液であって、図１に示すように、乳化分散材料（例えば油粒子）は、薄層化、微細化した薄膜グラファイト（黒鉛）で囲まれ、薄膜グラファイトの表面に解繊されたカーボンナノチューブが付着した状態で媒体液中に分散している。
【００１３】
媒体液としては、例えば水、メタノール、エタノール等が用いられ、乳化分散材料には、鉱物油または流動パラフィンのような油が用いられる。油は、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）等の他の物質を含んでも良い。このように親油性の物質を加えることにより、この物質の分配液としても使用できる。なお、乳化分散材料の融点は、薄膜グラファイトおよびカーボンナノチューブの融点より低いことが好ましい。
【００１４】
図３は、本発明の実施の形態にかかる乳化分散液を、ドラッグ／マテリアルデリバリーシステムに用いた場合の概略図である。乳化分散材料（例えば油）に親油性の薬物や疎水性の物質を混ぜることにより、これらの薬物や物質を保持、分配することができる。例えば、酸化シリコンを混ぜることにより、電池の電極材料への応用が可能となる。
【００１５】
グラフェン等の薄膜グラファイトは、親油性、疎水性を有する。このために、乳化分散液が薄膜グラファイトを含むことにより、乳化分散材料の表面に、これを囲むように薄膜グラファイトが付着し、この状態で媒体液中に分散させることができる。即ち、薄膜グラファイトは界面活性剤の代わりに乳化剤として機能する。
【００１６】
一方で、薄膜グラファイトは凝集しやすいという性質を有するため、乳化分散材料の表面を覆う薄膜グラファイト同士が凝集する。本発明の実施の形態では、図２に示すように、乳化分散液が解繊されたカーボンナノチューブを含み、このカーボンナノチューブは薄膜グラファイトの表面に付着する。そして薄膜グラファイトにカーボンナノチューブが付着することにより、これがスペーサとして機能して、乳化分散材料を囲む薄膜グラファイト同士が接触することを妨げ、薄膜グラファイト同士の凝集が防止できる。
【００１７】
なお、薄膜グラファイトは、グラファイトが剥離され、球状の乳化分散材料の表面を囲むことができる程度に薄膜になったグラファイトであり、例えば、単層〜数十層、好ましくは単層から数層のグラファイトである。例えば、長さが１０〜２０μｍで、４〜３０層程度のグラファイトである。
【００１８】
また、カーボンナノチューブは、解繊されたシングルカーボンナノチューブまたはマルチカーボンナノチューブであり、グラファイトの表面に容易に付着する程度に解繊され、分断されていることが好ましい。
【００１９】
乳化分散液は、さらに、カルボキシメチルセルロースナトリウム（ＣＭＣ）、キサンタンガム等の増粘剤（分散剤）を含むことが好ましい。媒体液が水の場合、増粘剤には水溶性高分子が用いられる。このような増粘剤を用いることにより、カーボンナノチューブ同士の凝集を抑制し、グラファイトの表面上に均一にカーボンナノチューブを付着させることができる。
【００２０】
また、本発明の実施の形態にかかる乳化分散液は、媒体液と、媒体液に溶解しない乳化分散材料と、カーボンナノチューブとを含む乳化分散液であって、乳化分散材料は、カーボンナノチューブで囲まれた状態で媒体液中に分散したものでも良い。
【００２１】
この場合においても、乳化分散液は、さらに、カルボキシメチルセルロースナトリウム（ＣＭＣ）、キサンタンガム等の増粘剤（分散剤）を含むことが好ましい。増粘剤を含むことにより、カーボンナノチューブ同士の凝集を抑制することができる。
【００２２】
このように、本発明の実施の形態にかかる乳化分散液では、界面活性剤に代えて薄膜グラファイトを乳化剤として用いることにより、薄膜グラファイトが乳化分散材料の回りを囲み、乳化分散材料を媒体液中に分散または乳化させることができる。さらに、カーボンナノチューブが薄膜グラファイトの表面に付着することで、これがスペーサとして機能し、乳化分散材料の周囲を覆う薄膜グラファイト同士が凝集するのを防止できる。これにより人体と接触しても安全で、かつ安定した乳化分散液を提供できる。
【００２３】
また、カーボンナノチューブを乳化剤として用いた場合も、カーボンナノチューブが乳化分散材料の回りを囲み、乳化分散材料を媒体液中に分散または乳化させることができる。これにより人体と接触しても安全で、かつ安定した乳化分散液を提供できる。
【００２４】
本発明の実施の形態にかかる乳化分散液は、人体と接触する化粧品や食品の他、機械用の潤滑剤、電池材料等にも使用できる。特に、機械加工の潤滑剤としては、従来から潤滑油を乳化して水に分散させた水溶性潤滑剤が用いられるが、高い廃棄コストが問題となっている。これに本発明の実施の形態にかかる乳化分散液では、界面活性剤を使用しないため廃棄コストが安価になる。
【００２５】
続いて、本発明の実施の形態にかかる乳化分散液の製造方法について、図４〜９を参照しながら説明する。なお、乳化分散液の製造に使用する装置および方法は、同一出願人の特許第５７９１１４２号および特許第５９７２４３４号に詳しく記載されている。
【００２６】
図４は、全体がＳで表される、本発明の実施の形態にかかる乳化分散液の製造に使用する乳化分散液製造システムの構成図である。図４に示すように、乳化分散液製造システムＳでは、原料である混合液又は製品である乳化分散液の流れ方向に対して、上流側から下流側に向かって順に、混合液供給タンク１と、混合液圧送ポンプ２と、熱交換器３と、混合液加圧ポンプ４と、第１乳化分散装置５と、第１添加剤供給ポート６と、第２乳化分散装置７と、第２添加剤供給ポート８と、多段圧力温度制御装置９とが直列に配設されている。
【００２７】
混合液供給タンク１内には、媒体液と、媒体液に溶解しない乳化分散材料とを含む混合液が貯留されている。ここでは、
媒体液：      水  １２５ｇ
乳化分散材料：流動パラフィン  ５ｇ
乳化剤：      薄膜グラファイト  ０．３ｇ
多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）  ０．６ｇ
増粘剤：      カルボキシメチルセルロースナトリウム（ＣＭＣ）  ０．３ｇ
を混合液として混合液供給タンク１内に貯留する。
【００２８】
混合液供給タンク１内には攪拌機（図示せず）が付設され、この攪拌機は、媒体液中に乳化分散材料が巨視的にはほぼ均一に分布するように、混合液を常時攪拌している。なお、ここで「乳化分散材料」は、媒体液中に乳化又は分散させるべき材料を意味する。
【００２９】
混合液供給タンク１内の混合液は、混合液圧送ポンプ２により、所定の流量で、熱交換器３を経由して混合液加圧ポンプ４に供給される。熱交換器３は、適当な伝熱媒体、例えばスチーム、高温の水（例えば８０〜１００℃）、高温の鉱油（例えば、１００〜５００℃）等を用いて、混合液を、乳化分散材料が水の中で乳化分散するのに適した所定の温度となるように加熱する。熱交換器３としては、例えば、２重管式熱交換器、コイル式熱交換器、プレート式熱交換器等を用いることができる。また、場合によっては、混合液を加熱するのではなく、冷却することもある。この場合は、伝熱媒体として、例えば低温の水（例えば０〜５℃）、低温の冷媒（例えば−２０〜０℃）等を用いればよい。なお、混合液の温度を調節する必要がなければ、熱交換器３を省いてもよい。
【００３０】
混合液加圧ポンプ４は、混合液圧送ポンプ２から熱交換器３を経由して供給される混合液を、例えば３０〜３００ＭＰａ（３００〜３０００バール）に加圧して下流側に吐出する。ここでは、１００ＭＰａに加圧する。そして、混合液加圧ポンプ４から吐出された高圧の混合液は、この高圧を維持しつつ、まず第１乳化分散装置５に供給される。第１乳化分散装置５は、後で詳しく説明するように、ジェット流による液・液せん断により、乳化分散材料、薄膜グラファイト、および多層カーボンナノチューブを媒体液中に乳化分散させて乳化分散液を生成し、これを下流側に排出する。乳化分散材料等の一部が媒体液中に乳化分散しなかった場合、この乳化分散材料等は、後で説明する第２乳化分散装置７により乳化分散させられる。なお、ここで「乳化分散液」は、乳化させるべき材料及び／又は分散させるべき材料が媒体液中に乳化又は分散している液体（例えば、エマルジョン、サスペンション等）を意味する。
【００３１】
このように、乳化分散材料、薄膜グラファイト、および多層カーボンナノチューブを、第１乳化分散装置５を通過させることにより、乳化分散材料は、薄層化、微細化した薄膜グラファイトに囲まれ、薄膜グラファイトの表面に解繊されたカーボンナノチューブが付着した状態で媒体液中に分散し、乳化分散液となる。
【００３２】
第１乳化分散装置５から排出された乳化分散液は、第１添加剤供給ポート６を通って第２乳化分散装置７に供給される。第２乳化分散装置７は、第１乳化分散装置５によって生成された乳化分散液中に乳化分散していない乳化分散材料等が存在する場合、この乳化分散材料を、基本的には第１乳化分散装置５と同様の液・液せん断により媒体液中に乳化分散させ、乳化分散材料が完全に乳化分散している乳化分散液を生成し、これを下流側に排出する。なお、乳化分散材料が第１乳化分散装置５によって十分に乳化分散する場合は、第２乳化分散装置７を省いてもよい。
【００３３】
第２乳化分散装置７から排出された乳化分散液は、第２添加剤供給ポート８を経由して多段圧力温度制御装置９に供給される。なお、本発明の実施の形態にかかる乳化分散液の作製には、第１添加剤供給ポート６および第２添加剤供給ポート８から、添加剤は加えない。
【００３４】
多段圧力温度制御装置９は、後で詳しく説明するように、第２乳化分散装置７内の乳化分散液と第１乳化分散装置５内の乳化分散液とに対して所定の背圧をかけ、第１、第２乳化分散装置５、７の内部におけるバブリングの発生を防止するとともに、生成された乳化分散液の圧力を段階的ないしは漸次的に減圧し、多段圧力温度制御装置９の出口部における乳化分散液の圧力を、乳化分散液を大気圧下に解放してもバブリングが発生しない程度の圧力、例えば大気圧にまで低下させる。
【００３５】
図５は、第１乳化分散装置５の構造を模式的に示す図である。なお、第２乳化分散装置７の構造及び機能は、図５に示す第１乳化分散装置５と実質的には同様であるので、説明の重複を避けるため、以下では第１乳化分散装置５の構成及び機能を中心に説明する。図５に示すように、第１乳化分散装置５は、互いに直列に接続された、ノズル部材１１と、円筒形の通路部材１２と、略円柱形の本体部１３とを備えている。
【００３６】
ここで、ノズル部材１１と通路部材１２と本体部１３とは、これらの中心軸が一直線となるように、すなわち同軸状となるように配置されている。本体部１３は、混合液ないしは乳化分散液の流れ方向（図５中の位置関係では右向き）に関して、上流側から下流側に向かって順に並ぶ第１〜第３細孔部材１４〜１６を備えている。第１〜第３細孔部材１４〜１６は、それぞれ、該第１〜第３細孔部材１４〜１６をその中心軸方向に貫通する円柱形の第１〜第３細孔１７〜１９を有している。なお、第１〜第３細孔部材１４〜１６は、リング状のシール部材２０を介して相互に接続されている。
【００３７】
ここで、第１〜第３細孔部材１４〜１６の第１〜第３細孔１７〜１９の内直径をそれぞれｄ１、ｄ２、ｄ３とすれば、各内直径ｄ１、ｄ２、ｄ３は、ｄ２＞ｄ１＞ｄ３の関係を満たすように設定されている。ここで、円筒形の通路部材１２の内直径は、ｄ２より大きい値に設定されている。なお、通路部材１２の内直径はｄ２と同一であってもよい。また、各シール部材２０の内直径はｄ２より大きい値に設定されている。なお、第１〜第３細孔部材１４〜１６の内直径は、混合液ないしは乳化分散液の性状に応じて、例えば０．４〜４ｍｍの範囲内で好ましく設定され、その長さは例えば４〜４０ｍｍの範囲内で好ましく設定される。また、ノズル部材１１の内直径は、混合液ないしは乳化分散液の性状に応じて、例えば０．１〜０．５ｍｍの範囲内で好ましく設定され、ノズル長さは例えば１〜４ｍｍの範囲内で好ましく設定される。シール部材２０の内直径は、例えば２〜８ｍｍの範囲内で好ましく設定される。
【００３８】
第１乳化分散装置５においては、比較的小径の第１細孔部材１４ないしは第１細孔１７は、比較的大径の通路部材１２内の混合液に対して所定の背圧をかける。また、最も小径の第３細孔部材１６ないしは第３細孔１９は、最も大径の第２細孔部材１５ないしは第２細孔１８内の混合液ないしは乳化分散液に対して所定の背圧をかける。前記のとおり、リング状のシール部材２０の内直径は、最も大径の第２細孔部材１５ないしは第２細孔１８の内直径ｄ２より大きいので、混合液ないしは乳化分散液の圧力を瞬間的に緩和することにより、第１〜第３細孔部材１４〜１６が、それぞれ独立した減圧作用を生じさせることを可能にする。
【００３９】
第１乳化分散装置５においては、最も強いせん断が生ずる通路部材１２に対して、この強いせん断によって生じようとするバブリングを防止するのに十分な背圧をかけることができる。また、最も小径の第３細孔部材１６ないしは第３細孔１９は、最も大径の第２細孔部材１５による圧力緩和に対して、この圧力緩和によりバブリングが生じない背圧をかける。なお、第３細孔部材１６の下流側でこれと連通する、第１添加原料供給ポート６への円筒形の接続部材２１の内直径は、第３細孔部材１６ないしは第３細孔１９の内直径ｄ３に対して十分に大きくなっている。
【００４０】
かくして、混合液加圧ポンプ４によって、例えば３０〜３００ＭＰａ（３００〜３０００バール）、ここでは１００ＭＰａの高い圧力に加圧された混合液は、ノズル部材１１により、高速のジェット流に変換されて通路部材１２内に噴出する。通路部材１２内に噴出したジェット流は、周囲に存在する混合液に強いせん断力を加えて乳化分散材料の乳化分散、多層グラファイトの剥離、カーボンナノチューブの解繊を起こす。そして、混合液のジェット流自体は、その運動エネルギを失いつつ第１〜第３細孔部材１４〜１６内に流入し、第１〜第３細孔部材１４〜１６内に存在する混合液にせん断力を加え、同じく乳化分散材料等の乳化分散を生じさせて乳化分散液を生成する。これにより、周囲を薄膜グラファイトに囲まれ、その表面にカーボンナノチューブが付着した鉱物油が水の中に乳化分散する。
【００４１】
なお、第１〜第３細孔部材１４〜１６は、軸心部を通過する混合液のジェット流と、その周囲に存在する混合液との間における液・液せん断により、ジェット流の運動エネルギがせん断エネルギや熱エネルギに変換され、その運動エネルギが次第に失われる小径の細孔を有するものである。第１〜第３細孔部材１４〜１６ないしは第１〜第３細孔１７〜１９の内直径及び段数の設定は、バブリングを発生させることなく強力な乳化分散作用を生じさせる上で極めて重要な要素である。
【００４２】
このように、第１、第２乳化分散装置５、７には、混合液加圧ポンプ４によって混合液に高圧がかけられるので、第１、第２乳化分散装置５、７内で混合液に強いせん断力を加えることができ、乳化分散材料、グラファイト、カーボンナノチューブを十分に微粒化、剥離、解繊することができる。また、後で説明する多段圧力温度制御装置９によって第１、第２乳化分散装置５、７に背圧がかけられるので、第１、第２乳化分散装置５、７内におけるバブリングの発生を防止することができる。
【００４３】
図６に、２１、第２乳化分散装置５、７内で混合液にせん断力を加えた場合の油、ＣＮＴ、およびグラファイトの変化を示す。乳化分散材料である油（例えば流動パラフィン）は、微細化されて油粒子となる。多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）は、解繊されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）となる。また、乳化剤であるグラファイトは、剥離されて薄膜グラファイトとなる。この場合、カーボンナノチューブは、グラファイトの層間に侵入し、グラファイトの剥離剤としても機能する。
【００４４】
なお、図５に示す第１〜第３細孔部材１４〜１６は、それぞれ、内直径が互いに異なる単一の円筒部材で構成されている。しかしながら、第１〜第３細孔部材１４〜１６を、それぞれ、複数（例えば２〜３個）の円筒部材で構成してもよい。この場合、各細孔部材１４〜１６において、各円筒部材間にはシール部材２０を介設するのが好ましい。
【００４５】
図７は、多段圧力温度制御装置９の構造を模式的に示す図である。多段圧力温度制御装置９は、第２乳化分散装置７から第２添加原料供給ポート８を経由して供給される乳化分散液を受け入れ、乳化分散液の圧力を段階的ないしは漸次的に低下させるととともに、第１、第２乳化分散装置５、７内の乳化分散液に背圧をかける。また、多段圧力温度制御装置９は、せん断力による乳化分散により高温となった乳化分散液を、所定の温度、例えば室温（２０〜３０℃）まで冷却する。また、乳化分散液の温度ひいては粘度を制御することにより、補助的に圧力低下を制御する。
【００４６】
図７に示すように、多段圧力温度制御装置９は、乳化分散液の流れ方向（図７中の位置関係では右向き）に関して上流側から下流側に向かって順に直列に接続された第１〜第３制御部２３〜２５を備えている。ここで、第１制御部２３は、その内部を冷却水（伝熱媒体）が流通する第１外套２６と、この第１外套２６の内部に配置されその内部を乳化分散液が流通する第１伝熱管２９とを有している。第２制御部２４は、その内部を冷却水が流通する第２外套２７と、この第２外套２７の内部に配置されその内部を乳化分散液が流通する第２伝熱管３０とを有している。第３制御部２５は、その内部を冷却水が流通する第３外套２８と、この第３外套２８の内部に配置されその内部を乳化分散液が流通する第３伝熱管３１とを有している。
【００４７】
多段圧力温度制御装置９においては、第１〜第３伝熱管２９〜３１は、いずれもその横断面が円形であり、連通部材３５を介して互いに直列に接続されている。なお、乳化分散液の流れ方向に関して、第１伝熱管２９の上流側の端部及び第３伝熱管３１の下流側の端部は、それぞれ連通部材３５を介して、これらの上流側及び下流側の配管に接続されている。
【００４８】
多段圧力温度制御装置９において、第１〜第３伝熱管２９〜３１の内直径、全長及び全体的形状ないしは配管形状（パイピング、コンフィギュレーション）は、第１〜第３伝熱管２９〜３１の圧力低下をそれぞれΔＰ１〜ΔＰ３とすれば、第１〜第３伝熱管２９〜３１内を流れる乳化分散液の流速、密度及び粘度等の物性を考慮した上で、ΔＰ１＞ΔＰ３＞ΔＰ２の関係を満たすように設定されている。すなわち、所定の物性ないしは組成の乳化分散液が得られるように、第１〜第３伝熱管２９〜３１内を流れる乳化分散液の温度、流速、密度及び粘度を好ましく設定した上で、ΔＰ１＞ΔＰ３＞ΔＰ２の関係を満たすように、第１〜第３伝熱管２９〜３１の内直径、全長及び全体的形状ないしは配管形状を決定する。
【００４９】
なお、このように多段圧力温度制御装置９の第１〜第３伝熱管２９〜３１の圧力低下ΔＰ１〜ΔＰ３を、ΔＰ１＞ΔＰ３＞ΔＰ２の関係を満たすように設定するのは、本願発明者が、多段圧力温度制御装置９の第１〜第３伝熱管２９〜３１における圧力低下の種々の組合せについてバブリングの発生の有無を実験により確認した結果に基づくものである。この実験により、バブリングが発生しない圧力低下の組合せは、上記条件を満たす場合のみであり、この条件を満たさない組合せではバブリングが発生することが判明した。
【００５０】
前記のとおり、第１〜第３伝熱管２９〜３１の内直径、全長及び全体的形状ないしは配管形態は、乳化分散液の流速、密度及び粘度等の物性に応じて、ΔＰ１＞ΔＰ３＞ΔＰ２の関係を満たすように設定されるが、第１〜第３伝熱管２９〜３１における圧力低下量ΔＰ１〜ΔＰ３は、以下で説明する手法により算出ないしは推算することができる。
【００５１】
＜乳化分散液が層流の場合＞
まず、第１〜第３伝熱管２９〜３１内を乳化分散液が層流で流れる場合の圧力低下量ΔＰ１〜ΔＰ３の算出手法を説明する。この場合は、第１〜第３伝熱管２９〜３１の内直径をそれぞれＤ１〜Ｄ３とし、第１〜第３伝熱管２９〜３１の相当長さをそれぞれＬｅ１〜Ｌｅ３とし、第１〜第３伝熱管２９〜３１内の乳化分散液の流速をそれぞれＵ１〜Ｕ３とし、第１〜第３伝熱管２９〜３１内の乳化分散液の粘度をそれぞれμ１〜μ３とし、重力換算係数をｇ（9.8kg・m/Kg・sec2）とすれば、圧力低下量ΔＰ１〜ΔＰ３は、それぞれ、下記の式１〜３、すなわちハーゲン・ポアズイユ（Hagen-Poiseuille）の式により算出することができる。
ΔＰ１＝32・U1・Le1・μ1／（g・D1２）・・・・・・・・・・・・・・・式１
ΔＰ２＝32・U2・Le2・μ2／（g・D2２）・・・・・・・・・・・・・・・式２
ΔＰ３＝32・U3・Le3・μ3／（g・D3２）・・・・・・・・・・・・・・・式３
【００５２】
なお、ここで「相当長さＬｅ」は、種々の形態の実際の伝熱管の圧力低下ないしは圧力損失と同一の圧力低下ないしは圧力損失を生じさせる、上記伝熱管と内直径が同一の直管の長さを意味する（乳化分散液が乱流で流れる後記の場合も同様）。つまり、本発明では、種々の管継ぎ手等を有しかつ種々の全体形状をもつ種々の伝熱管を、同一の圧力低下を生じさせる直管に置き換える（同一視する）ことにより、ハーゲン・ポアズイユの式を利用することができるようにしている。なお、種々の形態の管ないしは管継ぎ手の「相当長さ」の算出方法は、当業者にはよく知られているので、その詳しい説明は省略する。第１〜第３伝熱管２９〜３１の断面が円形でない場合、例えば楕円、正方形、矩形等である場合は、上記内直径Ｄ１〜Ｄ３に代えて「相当直径（４×管断面積／浸辺長）」を用いればよい（乳化分散液が乱流で流れる後記の場合も同様）。
【００５３】
このように、第１〜第３伝熱管２９〜３１内の乳化分散液の流れが層流である場合、すなわちレイノルズ（Reynolds）数がおおむね２３００以下である場合、第１〜第３伝熱管２９〜３１における圧力低下ないしは圧力損失は、第１〜第３伝熱管の内面の粗面度にかかわらず、それぞれ上記式１〜式３、すなわちハーゲン・ポアズイユの式で算出することができる。なお、例えば、乳化分散液の粘度μが３．６ｋｇ／ｍ・ｈｒ（１センチポイズ）であり、密度ρが１０００ｋｇ／ｍ３であり、流速Ｕが１８００ｍ／ｈｒ（０．５ｍ／秒）である場合において、伝熱管の内直径Ｄを０．００２ｍ（２ｍｍ）とすれば、伝熱管内の乳化分散液の流れのレイノルズ数は下記のとおり１０００であり、したがって乳化分散液の流れは層流である。
Ｒｅ＝Ｄ・Ｕ・ρ／μ＝0.002×1800×1000／3.6＝1000
【００５４】
かくして、第１〜第３伝熱管２９〜３１内に乳化分散液を層流で流す場合は、まず第１〜第３伝熱管２９〜３１内を流れる乳化分散液の温度、流速、密度及び粘度を設定した上で、上記式１〜式３を利用して第１〜第３伝熱管２９〜３１の圧力低下量ΔＰ１〜ΔＰ３がΔＰ１＞ΔＰ３＞ΔＰ２の関係を満たすように、第１〜第３伝熱管２９〜３１の内直径、全長及び全体的形状ないしは配管形状を決定すればよい。
【００５５】
＜乳化分散液が層流の場合＞
次に、第１〜第３伝熱管２９〜３１内を乳化分散液が乱流で流れる場合の圧力低下量ΔＰ１〜ΔＰ３の算出手法を説明する。この場合、第１〜第３伝熱管２９〜３１が平滑管であれば、第１〜第３伝熱管２９〜３１における圧力低下ΔＰ１〜ΔＰ３は、それぞれ、下記の式４〜６、すなわちカルマン・ニクラーゼ（Karman-Nikuradse）の式により算出することができる。なお、この乳化分散液製造システムＳでは、第１〜第３伝熱管２９〜３１にはすべて平滑管、例えば内壁面の粗度がガラス管の粗度と同程度である平滑なステンレススチール管、銅管等を用いている。
【００５６】
ΔＰ１＝4・f1・[(ρ1・U12／(2・g)]・(Le1／D1)・・・・・・・・・・・式４
但し  1／f10.5＝4・log[(D1・U1・ρ1／μ1)・f10.5]−0.4
ΔＰ２＝4・f2・[(ρ2・U22／(2・g)]・(Le2／D2)・・・・・・・・・・・式５
但し  1／f20.5＝4・log[(D2・U2・ρ2／μ2)・f20.5]−0.4
ΔＰ３＝4・f3・[(ρ3・U32／(2・g)]・(Le3／D3)・・・・・・・・・・・式６
但し  1／f30.5＝4・log[(D3・U3・ρ3／μ3)・f30.5]−0.4
【００５７】
なお、式４〜式６において、ρ１〜ρ３は、それぞれ、第１〜第３伝熱管２９〜３１内を流れる乳化分散液の密度である。また、ｆ１〜ｆ３は、第１〜第３伝熱管２９〜３１の管摩擦係数であり、第１〜第３伝熱管２９〜３１が平滑管であるので、レイノルズ数のみの関数である。その他の記号の意味は、乳化分散液が層流で流れる場合と同一である。
【００５８】
このように、第１〜第３伝熱管２９〜３１内の乳化分散液の流れが乱流である場合、すなわちレイノルズ（Reynolds）数がおおむね２３００を超える場合、第１〜第３伝熱管２９〜３１における圧力低下ないしは圧力損失は、第１〜第３伝熱管２９〜３１が平滑管であれば、それぞれ上記式４〜式６、すなわちカルマン・ニクラーゼの式で算出することができる。なお、例えば、乳化分散液の粘度μが３．６ｋｇ／ｍ・ｈｒ（１センチポイズ）であり、密度ρが１０００ｋｇ／ｍ３であり、流速Ｕが３６００ｍ／ｈｒ（１ｍ／秒）である場合において、伝熱管の内直径Ｄを０．００３ｍ（３ｍｍ）とすれば、伝熱管内の乳化分散液の流れのレイノルズ数は下記のとおり３０００であり、したがって乳化分散液の流れは乱流である。
Ｒｅ＝Ｄ・Ｕ・ρ／μ＝0.003×3600×1000／3.6＝3000
【００５９】
かくして、第１〜第３伝熱管２９〜３１内に乳化分散液を乱流で流す場合は、まず第１〜第３伝熱管２９〜３１内を流れる乳化分散液の温度、流速、密度及び粘度を設定した上で、上記式４〜式６を利用して第１〜第３伝熱管２９〜３１の圧力低下量ΔＰ１〜ΔＰ３がΔＰ１＞ΔＰ３＞ΔＰ２の関係を満たすように、第１〜第３伝熱管２９〜３１の内直径、全長及び全体的形状ないしは配管形状を決定すればよい。
【００６０】
前記のとおり、多段圧力温度制御装置９においては、第１〜第３伝熱管２９〜３１の内直径、全長及び全体的形状ないしは配管形状は、乳化分散液の粘度及び密度を考慮しつつ、第１〜第３伝熱管２９〜３１の圧力低下ΔＰ１〜ΔＰ３がΔＰ１＞ΔＰ３＞ΔＰ２の関係を満たすように好ましく決定されるが、この実施形態では、第１伝熱管２９及び第２伝熱管３０はコイル状の管（蛇管）である。
【００６１】
そして、第１伝熱管２９では、その圧力低下量ΔＰ１を最大にするために、内直径は比較的小さく、管全長は比較的長く、コイル直径は比較的小さく、コイルピッチは比較的小さく設定されている。すなわち、第１伝熱管２９は、コイル直径が小さい、密に巻かれたコイル状の管である。他方、第２伝熱管３０では、その圧力低下量ΔＰ２を最小にするために、内直径は比較的大きく、管全長は比較的短く、コイル直径は比較的小さく、コイルピッチは比較的小さく設定されている。すなわち、第２伝熱管３０は、コイル直径が大きい、疎に巻かれたコイル状の管である。
【００６２】
また、第３伝熱管３１は、全体的形状ないしは配管形状が矩形波の形状の管、すなわち矩形の凹凸を繰り返す形状の管である。そして、この第３伝熱管３１は、図４中にその一部を拡大して示しているように、複数の直管３７が各折れ曲がり部でそれぞれ９０°エルボ３８を用いて接続された組立体構造のものである。ここで、第３伝熱管３１の全長、直管３７の内直径、９０°エルボ３８の形状は、該第３伝熱管３１における圧力低下量ΔＰ３が、第１伝熱管２９の圧力低下量ΔＰ１より小さく、かつ第２伝熱管３０の圧力低下量ΔＰ２より大きくなるように好ましく設定されている。なお、第３伝熱管３１は、分解してその内部を容易に清掃することができる。
【００６３】
第１〜第３伝熱管２９〜３１の寸法ないしは全体的形状の一例を以下に示す。
＜第１伝熱管＞
内直径Ｄ１      １ｍｍ
管全長Ｌ１      ５ｍ
相当長さＬｅ１  ６ｍ
全体的形状      コイル状（蛇管）
コイル直径：５０ｍｍ
コイルピッチ：１５ｍｍ
【００６４】
＜第２伝熱管＞
内直径Ｄ２      ３ｍｍ
管全長Ｌ２      ３ｍ
相当長さＬｅ２  ３．５ｍ
全体的形状      コイル状（蛇管）
コイル直径：１００ｍｍ
コイルピッチ：３０ｍｍ
【００６５】
＜第３伝熱管＞
内直径Ｄ３      ２ｍｍ
管全長Ｌ３      ４ｍ
相当長さＬｅ３  ４．５ｍ
全体的形状      矩形波状
１つの矩形の幅：１０ｍｍ
１つの矩形の長さ：２０ｍｍ
【００６６】
図８に、多段圧力温度制御装置９の第１〜第３制御部２３〜２５（第１〜第３伝熱管２９〜３１）における乳化分散液の位置的な圧力変化の一例を示す。図５に示すように、多段圧力温度制御装置９内では、乳化分散液の圧力は段階的ないしは漸次的に低下し、第３制御部２５（第３伝熱管３１）の出口部では、大気圧ないしはほぼ大気圧となっている。このように、多段圧力温度制御装置９内では、乳化分散液の圧力が段階的ないしは漸次的に低下させられ急激ないしは瞬時の圧力低下が起こらないので、乳化分散液が乳化分散液製造システムＳから外部に排出される際に、乳化分散液中にバブリングが発生しない。また、乳化分散液製造システムＳから外部に排出される乳化分散液の温度を好ましく制御することができる。このため、実質的に界面活性剤を用いることなく、乳化分散液の製品としての品質を高めることができ、かつ、エネルギの損失を低減してエネルギ効率を高めることができる。
【００６７】
多段圧力温度制御装置９は、第１、第２乳化分散装置５、７に対して必要な背圧、すなわちバブリングの発生を防止することができる背圧を設定することができる一方、この背圧を段階的ないしは漸次的に減圧して最終的には大気に解放してもバブリングが発生しない圧力まで低下させることができる。その際、第１〜第３伝熱管２９〜３１の内直径ないしは相当内直径と、全長（管長）ないしは相当長さと、全体的形状とを好ましく組み合せることにより、背圧あるいは背圧の減圧度に高い自由度でもって対応することができる。
【００６８】
なお、この乳化分散液製造システムＳにおいては、水あるいはその他の種々の媒体液（例えば、メタノール、エタノール、あるいはこれらの水溶液等）を用いることができるが、これらの媒体液を臨界状態として乳化分散材料を乳化分散させてもよい。例えば、媒体液が水であり、乳化分散材料がグリセロリン脂質であるレシチンある場合は、およそ次のような工程で乳化分散材料を乳化分散させればよい。
【００６９】
すなわち、まず混合液供給タンク１内に、所定量の水及びレシチン並びにその他の必要な添加剤を入れて攪拌機（図示せず）で攪拌し、巨視的ないしはマクロ的には媒体液である水の中にレシチン及び添加剤の微粒子がほぼ均一に分布している混合液を調製する。そして、この混合液を圧送ポンプ２により所定の流量で熱交換器３を経由して、混合液加圧ポンプ４に供給する。ここで、熱交換器３及び混合液加圧ポンプ４により、混合液を、媒体液である水の臨界温度である３７４.２℃以上の温度（例えば４００℃）に昇温するとともに、水の臨界圧力である２１８.４気圧以上の圧力（例えば１０００気圧）に昇圧して、混合液を臨界状態にする。
【００７０】
そして、臨界状態となっている混合液を、第１乳化分散装置５さらには第２乳化分散装置７に供給する。なお、必要であれば、第１、第２添加剤供給装置６、８から所定の添加剤を添加する。媒体液である水が臨界状態となっているので、レシチン等の非水溶性の乳化分散材料は水の中に乳化又は分散しやすい状態となっている。このような状態で、混合液が第１乳化分散装置５内に、さらには第２乳化分散装置７内に高速で噴射されるので、強いせん断力によってレシチン等の非水溶性の乳化分散材料の乳化分散が促進される。このため、界面活性剤を用いることなく、媒体液である水の中に、レシチン等の非水溶性の乳化分散材料を乳化分散させることができる。
【００７１】
その際、多段圧力温度制御装置９によって、第１、第２乳化分散装置５、７内の高温・高圧の混合液ないしは乳化分散液に背圧がかけられるので、第１、第２乳化分散装置５、７ではバブリングは発生しない。第２乳化分散装置７から排出された乳化分散液は、多段圧力温度制御装置９内で所定の温度（例えば室温）まで冷却され、かつ段階的ないしは漸次的に所定の圧力（例えば大気圧）まで減圧される。乳化分散液は、このように冷却されかつ段階的ないしは漸次的に減圧されるので、圧力温度制御装置９内あるいは圧力温度制御装置９から外部に排出されたときにバブリングは発生しない。かくして、臨界状態で混合液にせん断力をかけて乳化分散を行った後、良好な乳化分散状態を維持しながら、バブリングを発生させることなく、最終製品を得ることができる。
【００７２】
以上の工程により、本発明の実施の形態にかかる乳化分散液を得ることができる。図９は、乳化分散液製造システムＳで作製した乳化分散液の顕微鏡写真である。顕微鏡写真中、白丸部分が乳化分散材料である流動パラフィン（油粒子）であり、その周囲は黒色の薄膜グラファイトで囲まれている。ここでは流動パラフィンの直径は１〜１０μｍ程度である。薄膜グラファイトの周囲にはカーボンナノチューブが付着し、薄膜グラファイト同士の凝集を防止している。
【００７３】
本発明の実施の形態では、乳化分散液製造システムＳに混合液を１回通過させた場合について説明したが、必要に応じて複数回通過させても良い。複数回通過させることにより、乳化分散材料をより微細化することが可能となる。
【００７４】
また、ここでは、媒体液（水）、乳化分散材料（流動パラフィン）、乳化剤（グラファイト、多層カーボンナノチューブ、および増粘剤（ＣＭＣ）を混合液として混合液供給タンク１に入れたが、予め、乳化分散材料以外の、媒体液、乳化剤（グラファイト）、および多層カーボンナノチューブからなる混合液を乳化分散液製造システムＳに通した後に、乳化分散材料を加えて、上述の工程を行っても構わない。これにより予めグラファイトの剥離、多層カーボンナノチューブの解繊を行い、乳化分散工程を効率良く行うことができる。
【００７５】
なお、媒体液と、乳化分散材料と、カーボンナノチューブとを含む乳化分散液の場合も、これらの混合液を乳化分散液製造システムＳに通すことで、乳化分散材料がカーボンナノチューブで囲まれた状態で媒体液中に分散した乳化分散液が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明にかかる乳化分散液は、人体と接触する化粧品や食品の他、機械用の潤滑剤、電池材料等に利用できる。
【符号の説明】
【００７７】
Ｓ  乳化分散液製造システム、１  混合液供給タンク、２  圧送ポンプ、３  熱交換器、４  混合液加圧ポンプ、５  第１乳化分散装置、６  第１添加剤供給ポート、７  第２乳化分散装置、８  第２添加剤供給ポート、９  多段圧力温度制御装置、１１  ノズル部材、１２  通路部材、１３  本体部、１４  第１細孔部材、１５  第２細孔部材、１６  第３細孔部材、１７  第１細孔、１８  第２細孔、１９  第３細孔、２０  シール部材、２１  接続部材、２３  第１制御部、２４  第２制御部、２５  第３制御部、２６  第１外套、２７  第２外套、２８  第３外套、２９  第１伝熱管、３０  第２伝熱管、３１  第３伝熱管、３５  連通部材、３７  直管、３８  ９０°エルボ。
【図１】
2020028848.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020028848.tif 000009
【図８】
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【図９】
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