(57)【要約】【課題】  粒子形成材料の粘度が高い場合にあっても粒径が均一な粒子を大量に形成できる粒子形成方法等を提供する。【解決手段】  連続相と分散相とを１以上の開口を形成した分離膜を介して分離保持し、前記分離膜に形成した開口から前記分散相を前記連続相側に移動させ、前記分離膜近傍で剪断し分散相材料の粒子を形成する粒子形成方法において、前記分離膜に形成された開口の厚さ方向の断面が前記分散相側から前記連続相側に向かい狭くなった形状の開口を通して行うことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続相と分散相とを１以上の開口を形成した分離膜を介して分離保持し、前記分離膜に形成した開口から前記分散相を前記連続相側に移動させ、前記分離膜近傍で剪断し分散相材料の粒子を形成する粒子形成方法において、
前記分離膜に形成された開口の厚さ方向の断面が前記分散相側から前記連続相側に向かい狭くなった形状の開口を通して行うことを特徴とする粒子形成方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において用いる前記分離膜の開口の厚さ方向断面が前記分散相側から前記連続相側に向かい狭くなる割合が前記連続相側に向かうに従い小さくなるような開口を通して前記分散相の移動が行われることを特徴とする粒子形成方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の方法において前記連続相側から見た場合に円形以外の形状の開口をもつ分離膜を介して前記分散相の移動が行われることを特徴とする粒子形成方法。
【請求項４】
請求項１から３の何れか記載の方法において前記分離膜に設けられた２以上の等しい形状の開口を介して前記分散相の移動が行われることを特徴とする粒子形成方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において２以上の等しい形状の開口を同じ向きに形成した前記分離膜を用い、前記分散相を前記連続相側へ移動させ、かつ前記連続相と前記分離膜との間に一定の速度差を形成することを特徴とする粒子形成方法。
【請求項６】
請求項１から５の何れか記載の方法において前記分散相を一定速度で連続して前記連続相側へ移動させることを特徴とする粒子形成方法。
【請求項７】
請求項１から５の何れか記載の方法において前記分散相を一定周期の速度変動で前記連続相側へ移動させることを特徴とする粒子形成方法。
【請求項８】
請求項６または７記載の方法において前記分離膜の開口を一定時間間隔で開閉することを特徴とする粒子形成方法。
【請求項９】
請求項１から８の何れか記載の方法において前記分離膜に振動を付加することを特徴とする粒子形成方法。
【請求項１０】
請求項１から９の何れか記載の方法により作製された粒子。
【請求項１１】
請求項１から９の何れか記載の方法により得られた粒子が分散された連続相を第２の分散相とし、前記第２の分散相と互いに溶解しない第２の連続相とで請求項１から９の何れか記載の方法を行うことを特徴する多重粒子形成方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の方法により作成された多重粒子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペーサ、トナー、電子ペーパ用のマイクロカプセルなどの微粒子を形成するための粒子形成方法、粒子、多重粒子形成方法、多重粒子に関する。
【背景技術】
【０００２】
水と油のような本来混ざり合わないような物質でも一方の物質を微小な粒子として分散させることで、見かけ上混合した状態とすることができこの現象を乳化と呼んでいる。このような状態が保持されるためには分散している粒子の径が小さく比較的均一である必要があり、この現象を利用して粒径分布の小さい微粒子を得る方法として用いられている。
現在乳化方法として具体的には以下の手法が用いられていることは公知である。
【０００３】
（１）ホモジナイザーによる乳化（特許文献１等参照）
これは、連続相と呼ばれる液体に、微粒子化して分散させたい物質を投入し、機械的に攪拌を行うことでせん断力を繰り返し与え、乳化分散体を得るのであるが、分散相に与えられるせん断力が、乳化位置によって不均一であるために、広い粒径分布を持った微粒子が生成する。広い粒径分布を持った微粒子は生成後時間経過とともに互いに合体しやすいために一般に多量の界面活性剤を添加し粒子を安定化することでこれを回避する対処が行われている。しかしながら界面活性剤は本来粒子の機能として不要な場合が多く、時には悪影響を及ぼす場合もある。したがって通常は後工程で多くの水資源を投入して洗浄除去を行う必要がある。また、粒径分布に関しては攪拌時間を長く取ることである程度の抑制が可能であるがそのためには長い時間と多くのエネルギーが必要となる。
【０００４】
（２）多孔質ガラス膜を用いた乳化（特許文献２等参照）
分散相と連続相を多孔質ガラス膜により仕切り、分散相を連続相側へ押し出すことにより分散相が膜を通過し、連続相に接触し表面張力がせん断力となり最終的に分散相が微粒子化し、乳化分散体を得る方法である。ところが、多孔質ガラス膜の穴形状は比較的滑らかな連続した曲線で構成されており押し出された界面に働く表面張力が比較的均一に働くためになかなか剪断に至らず、得られる粒子径は開口に対して大きくなってしまう。また穴形状及び大きさも一定でないことから粒径分布は手法（１）に対しては狭いが比較的広くなってしまう。
【０００５】
（３）人工的に微小開口を形成した隔壁を用いた乳化（特許文献３等参照）
分散相と連続相とを非円形の同一形状の開口を半導体プロセスにより人工的に多数形成した隔壁で仕切りこの開口を通して分散相を連続相へ押し出し表面張力により剪断し微粒子を得る。このとき開口形状がスリット状など非円形であるために表面張力が不均一に働くことで容易に剪断させることができ粒径分布の小さな粒子が得られる。しかしながら開示されている隔壁の開口形状は隔壁の厚さ方向に対して断面形状の変わらない平行な貫通孔でありこの隔壁が厚いと開口径を小さくしたり、分散相として高粘度の材料を用いた際に連続相へ押し出すことが困難になると考えられる。逆に隔壁を薄くすると押し出しは比較的行いやすくなるが押し出す際に加わる圧力に対して隔壁が変形したり、破壊するなどの問題が考えられる。
【特許文献１】特許第３４７６２２３号公報
【特許文献２】特許第２７３３７２９号公報
【特許文献３】特許第３５１１２３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のような問題点から本発明においては特に粒子形成材料の粘度が高い場合にあっても粒径が均一な粒子を大量に形成できる粒子形成方法、粒子、多重粒子形成方法、多重粒子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明の態様は、連続相と分散相とを１以上の開口を形成した分離膜を介して分離保持し、前記分離膜に形成した開口から前記分散相を前記連続相側に移動させ、前記分離膜近傍で剪断し分散相材料の粒子を形成する粒子形成方法において、前記分離膜に形成された開口の厚さ方向の断面が前記分散相側から前記連続相側に向かい狭くなった形状の開口を通して行うものである。
この方法においては分離膜に形成された開口形状が分散相側から連続相側に向かいその断面が狭くなっているために分散相に高粘度の材料を用いた場合にも連続相側への移動が容易になり、その結果粘度によらず均一な大きさの粒子を形成することができる。
【０００８】
ここでこの方法において用いる前記分離膜の開口の厚さ方向断面が前記分散相側から前記連続相側に向かい狭くなる割合が前記連続相側に向かうに従い小さくなるような開口を通して前記分散相の移動が行われる。
この方法においては用いる分離膜の開口の断面形状の狭くなる割合が連続相に向かうに従い小さくなるような形状であるために、開口近傍においても分離膜に十分な厚みをもった構造となるために変形や破壊が生じることがなく均一な大きさの粒子を安定して形成することができる。
【０００９】
上記方法において前記連続相側から見た場合に円形以外の形状の開口をもつ分離膜を介して前記分散相の移動が行われる。
この方法においては連続相から見た開口形状が非円形であるために剪断力となる表面張力が不均一に作用するために開口の大きさに対して比較的小さい体積でその大きさが均一な粒子形成を行うことができる。
【００１０】
上記方法において前記分離膜に設けられた２以上の等しい形状の開口を介して前記分散相の移動が行われる。
この方法において複数の形状の等しい開口から粒子形成が行えるために同等の形状をなす粒子の生産性に優れる。
【００１１】
このときこの方法において２以上の等しい形状の開口を同じ向きに形成した前記分離膜を用い、前記分散相を前記連続相側へ移動させ、かつ前記連続相と前記分離膜との間に一定の速度差を形成する。
この方法においては形状の等しい同じ向きの複数開口より分散相が連続相へと移動し、かつ分離膜と連続相との間に一定の速度差が形成されているために表面張力に起因する剪断力と分離膜と連続相の速度差に起因する剪断力の両者が付加されかつそれらがどの開口からの分散相に対しても同様に作用するために均一な粒子の生産性に優れる。
【００１２】
上記方法において前記分散相を一定速度で連続して前記連続相側へ移動させる。
この方法においては分散相を一定速度で連続して分散相へと移動させているので一定速度で繰り返し粒子形成動作が行われるので連続して均一な粒子形成が可能になる。
【００１３】
また上記方法において前記分散相を一定周期の速度変動で前記連続相側へ移動させる。
上記方法においては一定周期の速度変動で連続して分散相を連続相側へ供給しているので一定体積の粒子形成を繰り返し行えるので連続して均一な粒子形成が可能となる。
【００１４】
このときこの方法において前記分離膜の開口を一定時間間隔で開閉する。
この方法においては分離膜を一定間隔で開閉するのでその開閉時間に応じた体積で分散相を粒子化することができるので均一な粒子形成が可能となる。
【００１５】
上記方法において前記分離膜に振動を付加する。
この方法においては分離膜に振動を付加しているので表面張力に起因する剪断力に分離膜に起因する剪断力が付加されより大きな剪断力を繰り返し与えることができる。
【００１６】
そして上記方法により作製された粒子は、均一な大きさでかつ不要な界面活性剤が排除されている高品質な粒子である。
【００１７】
本発明の他の態様は、上記方法により得られた粒子が分散された連続相を第２の分散相とし、前記第２の分散相と互いに溶解しない第２の連続相とで上記方法を行うことを特徴する多重粒子形成方法に関するものである。
この多重粒子形成方法は上述した方法で得た粒子が分散された連続相を第２の分散相として用い、上述した方法で多重粒子を形成しているので内部粒子および外殻粒子ともに均一な多重粒子を作製することが可能となる。
【００１８】
そしてこの方法により作成された多重粒子は、内部粒子、外殻粒子ともに均一な大きさで、不要な成分が排除された高品質なものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、特に粒子形成材料の粘度が高い場合にあっても粒径が均一な粒子を大量に形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は本実施形態による粒子作成方法の一実施例である。分散相として油を連続相として水を用いこれらが分離膜開口を介してのみ連通している。このような構成において図の例では分散相を空気など第三の物質により加圧することで連続相側に分離膜開口を通して移動させる。分離膜開口を通して連続相に入った分散相は表面張力により球形化しようとする。この際に生じる剪断力により分散相より離脱し粒子が形成される。得られる粒子径は分離膜開口の連続相側の面の形状、分散相の移動速度、分散相と連続相界面での表面張力などで制御することができる。
【００２２】
分離膜を通過する分散相の流量Ｑは、分離膜入口での圧力をｐ１、分離膜出口での圧力をｐ２、コンダクタンスをＣとすると
Ｑ＝Ｃ×（ｐ１−ｐ２）
で表される。
【００２３】
コンダクタンスＣは分離膜に形成された開口が円筒状であるときその半径をａ、粘性係数η、分離膜の厚さＬ、平均圧力ｐ＝（ｐ１−ｐ２）/２とすると
Ｃ ＝ （πａ4ｐ/８η）/Ｌ
で表され、これらをまとめると
Ｑ＝（πａ4ｐ/８η）/Ｌ×（ｐ１−ｐ２）
となる。
【００２４】
単位時間あたりに一定量の粒子を形成するために、その体積分Ｑを通過ささせようとするとこの式より分散相に粘度ηの大きな材料を用いようとすると分散相側の圧力ｐ１を大きくするか円筒形ａを大きくするか分離膜厚Ｌを薄くするのいずれかもしくはそれらの組み合わせを行う必要がある。しかしながらｐ１を大きくすることは装置不可の増大を招き、ａの拡大は生成粒子径を拡大させ、Ｌを小さくすることは分離膜の機械強度を下げることになる。これに対し本発明で提案しているように分離膜開口が分散相側でその開口が大きく連続相側にいくほど小さくなるような形状にすることでこれらの影響を軽減することができる。すなわち粒子の大きさを決める連続相に接した部分の開口径は同じでも分散相側の開口径が大きく見かけ上ａの値は実際よりも大きなものとなる。その結果としてｐ１の値も小さくても良い。このような形状の開口の断面として図３から５のような形状とすることでこれら効果が達成できる。
【００２５】
また、分散相を押し出す際に生じる分散相と開口壁面との応力の作用方向がその法線方向に働くことから特に図５に示すように開口断面が小さくなる割合が連続相側に行くに従い小さな形状とすることで分離膜の最も機械強度の弱い膜厚方向からずれた方向に作用させることができるので、機械強度の低下の影響も軽減することができる。
【００２６】
前述したように粒子のできる過程は連続相中に移動してきた分散相の表面張力を剪断力として分離することで粒子が形成される。同一体積であれば球形は最も表面積が小さくなり表面張力も最も小さくなる。その断面を考えた場合同様に同一断面積であれば円形が最もその周長が短く、表面張力も小さくなる。しかしながら、その断面が例えば図１２に示すように三角形などの非円形であると、円形の断面を形成しようとする力が作用する。特にその形状に明瞭な凹や凸の頂点を持つ場合にはその頂点近傍に大きな力が作用するためにその部分を剪断開始点として連続相との分離を生じさせることができる。その結果として比較的早期に常に安定した位置から剪断が生じるために得られる粒子の大きさとして揃ったものを得ることができる。
【００２７】
図２は分散相の移動に第三の物質を介在させることなくシリンジポンプなどを用い直接分散相を加圧している例を示す。このような構成にすることにより分散相へ第三の物質が溶け込むのを防ぐことができる。
【００２８】
図６は分離膜と連続相とに一定の速度差を形成する方法の一実施例である。円筒体の内部に分散相を入れこの円筒体の円筒面の少なくとも一部に開口が形成してあり分離膜として作用する。この円筒体の少なくとも分離膜となる部分は連続相中にあり、連続相は回転攪拌子などにより等速の回転流を形成する。このような配置で回転流の中心と分散相が入っている円筒対の中心とを一致させることで円筒体に形成された分離膜と連続相とは一定の速度を持つ状態が得られる。このような状態で分散相を分離膜を通して連続相に移動させることにより図７に示すように分離膜と連続相との移動速度差により一定方向への一定の剪断力が生じる。このとき分離膜部分に形成されている開口の向きを一定にしておくことで表面張力による剪断力の向きも一定になる。従って大きさの揃った粒子を形成することができる。このとき表面張力による剪断力が最も大きく働く部分を分離膜と連続相との移動速度に対して上流方向に位置するように配することでより効率的に剪断力を作用させることができる。このように剪断力を大きくすることで粒子の生成速度を向上させる効果も得られる。
【００２９】
図８は分離膜の開口部に開閉手段を設けこれを利用して粒子を形成する方法の説明図である。分散相は連続相への移動開始から一定時間経過後に一定の体積が連続相中に存在する。この状態で図に示すように開閉手段を移動させることにより連続相中の分散相を切り離し粒子形成することができる。その後開閉手段を移動させ開口をあけることにより続けて連続相中へ分散相は移動される。この動作を繰り返すことにより粒子は連続して形成される。この開閉のタイミングを一定量分散相が連続相内に移動してくるタイミングとあわせることにより一定体積すなわち大きさの揃った粒子を形成することができる。開閉手段は図８に示すように分離膜の連続相側に形成しても良いし、図９に示すように分散相側に形成しても良い。
【００３０】
また、分離膜に振動を与えることにより分散相に対して剪断力を付加することができる。これは一定の周期及び強度の振動でも良いし、粒子を形成したいタイミングにおいてパルス的に振動を与えても良い。
【００３１】
このようにして得られた粒子は、それらの大きさが均一になっている。大きさの揃った粒子同士は生成後連続相中で接触しても合体してさらに大きな粒子になりにくい。従って、安定な粒子状態を得るために通常分散相、連続相中に使用される界面活性剤の添加量を低減することが可能となる。界面活性剤は粒子本来の機能としては不要であることが多くさらには、悪影響を及ぼす場合があり粒子形成後に洗浄工程を付加し除去する必要があったが、本工法による粒子においてはこの工程を大幅に軽減することができる。
【００３２】
図１０は多重粒子を作製する方法についての説明図である。上記のような方法で予め粒子が形成、分散された連続相を第２の分散相として用い、第２の分散相を形成する際に用いた分離膜の開口より大きな開口を有する分離膜を通して第２の分散相を第２の連続相中へ移動させる。上記分散相を連続相へと移動させ粒子を形成する同じ方法を用いることで分散相材料よりなる粒子を内包する第２の分散相材料よりなる粒子を得ることができる。このとき分散相として水、連続相として油を用いた場合には第２の連続相としては水を用い、分散相として油を連続相として水を用いた場合には第２の連続相として油を用いることで多重粒子が形成できる。
【００３３】
本実施形態に用いている分散相側に対して連続相側の開口が小さくなっている分離膜の作製方法は図３に示すようにその開口断面が直線的に小さくなる形状は先端にテーパ角のついた回転工具による機械加工やプレス加工などで形成することが可能である。図４に示す形状は図１３に示すような等方性エッチングにより作製することができる。図１４は図１３の３）及び５）を平面視した図である。図１４の３）ハッチ部に示すように保護相に開口を形成しこの開口を通して等方性エッチングを行うことにより図１４の４）に示すような形状の開口を形成することができる。このときの断面は図１３の５）に示すように開口形状の大きさが変わったものが得られる。図５に示す形状は図１１に示すような電気めっき工法で作製することができる。図１２は図１１の３）及び５）を平面視したものである。導電性基板上に絶縁層を開口と相似形状でパターニングする。この後この基板に対して電気めっきを行うことでパターニングした絶縁膜と相似形状の開口をもつ分離膜が得られる。
【００３４】
これらいずれの方法においても分離膜として金属材料よりなるものを得ることができるので機械強度の高い分離膜を作製することができるので高粘度の分散相を使用し粒子を形成するに好適である。また、屈曲可能な厚さとすることも可能であり、平板上で形成した後に円筒体表面に屈曲して固定することも可能である。
【００３５】
なお、上述した形態は本発明を実施するための最良のものであるが、これに限定する主旨ではない。従って、本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明を適用した微粒子の製造装置の開発が望まれ、特に食品、化粧品などのエマルション及びその製造装置の開発が望まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施形態による粒子作成方法の一実施例である。
【図２】分散相の移動に第三の物質を介在させることなくシリンジポンプなどを用い直接分散相を加圧している例である。
【図３】分離膜開口の形状の断面の一つである。
【図４】分離膜開口の形状の断面の一つである。
【図５】分離膜開口の形状の断面の一つである。
【図６】分離膜と連続相とに一定の速度差を形成する方法の一実施例である。
【図７】図６の実施例に係る方法を実施して、分離膜と連続相との移動速度差により生じる剪断力に関する図である。
【図８】分離膜の開口部に開閉手段を設けこれを利用して粒子を形成する方法の説明図である。
【図９】分離膜の連続相側に開閉手段を設けこれを利用して粒子を形成する方法の説明図である。
【図１０】多重粒子を作製する方法についての説明図である。
【図１１】図５に示す分離膜開口の形状を電気めっき工法で作製するときの説明図である。
【図１２】図１１の３）及び５）を平面視したものである。
【図１３】図４に示す分離膜開口の形状を等方性エッチングで作製するときの説明図である。
【図１４】図１３の３）及び５）を平面視した図である。
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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