(57)【要約】【課題】同一の測定装置で、複数の測定条件を設定するだけで簡単に被測定粉体粒子の疎水化度、親水化度あるいは表面張力等の複数の表面特性を評価できる粉体粒子の表面特性評価方法を提供する。【解決手段】被測定粉体粒子について、窒素ガス吸着によるＢＥＴ比表面積を測定しておき、表面張力が既知の水蒸気及び少なくとも一種の有機溶剤蒸気吸着によるＢＥＴ比表面積を測定し、それらの比表面積の比率を算出することにより該粉体粒子の親水化度・疎水化度評価及び／又は表面張力を推定することを特徴とする粉体粒子の表面特性評価方法。粉体粒子表面をカップリング剤により疎水化した場合、カップリング剤の疎水基より大きい表面張力を持つ物質の蒸気の吸着によるＢＥＴ比表面積を比較することにより、疎水基の被覆割合を推定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定粉体粒子について、窒素ガス吸着によるＢＥＴ比表面積を測定しておき、表面張力が既知の水蒸気及び少なくとも一種の有機溶剤蒸気吸着によるＢＥＴ比表面積を測定し、それらの比表面積の比率を算出することにより該粉体粒子の親水化度・疎水化度評価及び／又は表面張力を推定することを特徴とする粉体粒子の表面特性評価方法。
【請求項２】
前記粉体粒子表面をカップリング剤により疎水化した場合、カップリング剤の疎水基より大きい表面張力を持つ物質の蒸気の吸着によるＢＥＴ比表面積を比較することにより、疎水基の被覆割合を推定することを特徴とする請求項１記載の粉体粒子の表面特性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、鉄道車両、産業機械等のブレーキに使用されるブレーキ用摩擦材、構造用接着剤、コンクリート等の建築用構造部材、プラスッチック等の成形材料及び食料品等の粉体粒子原料の表面特性を粉体の状態で評価する手法を提供する。更に詳しくは、粉体粒子の親水化度、疎水化度及び表面張力の推定方法を提供する。
【背景技術】
【０００２】
固体表面の親水・疎水化度及び表面張力は、表面張力が既知の液体と固体表面のぬれ性評価により求められる。一般的にぬれ性評価は、液体と固体表面の接触角を測定して評価する。この接触角は、固体の表面積により変動するため、測定試料の表面粗さを把握し、測定結果を補正する必要がある。また、一般的に用いられる液滴法では、滴下する液滴の体積が約１μｌであり、液滴の直径は約１・５ｍｍとなるため、固体試料の大きさは、１．５ｍｍ以上でなければならない。このことから、一般的に粉体の状態で評価することは困難であった。
【０００３】
一方、粉体粒子をゾル−ゲル法などで析出させて作成したセラミックス試料や、カップリング剤コーティング等の２次加工を施した粉体試料でぬれ性を評価する場合、液滴を滴下できるほど大きい試料を作製する必要がある。そのため、焼結体を作製する必要があるが、焼結する際の圧力と熱で表面化学成分が変化し、試料の正確な親水・疎水度及び表面張力を把握することはできない。
また、粉体のぬれ性を評価する手法として毛管法があるが、粉体充填層において仮定する毛細管半径の決定に任意性があることや粉体の均一充填が難しいことなど問題点が多い。
【０００４】
粉体粒子の比表面積を測定する方法としては、ＢＥＴ法が知られている。これは、基本的には被測定試料の入った試料セルに混合ガス（通常、窒素とヘリウム）を流し、試料セルを液体窒素温度に冷却すると、被測定粒子表面に窒素ガスだけが吸着する特性と、この試料セルを常温に戻すと被測定粒子が吸着した窒素ガスが脱離する性質とを利用したものである。窒素ガス吸着量又は脱離量は、熱伝導検出器等で検出し、表面積に換算する。
「特許文献１」では金属化合物粒子粉末の疎水化度として温度２５℃、相対温度９０％時の単位表面積あたりの水蒸気吸着量を使用している。しかし、機能性フィラーや強化繊維としての樹脂との接着性や材料分散性などを考察する場合、疎水化度だけでは、表面特性評価としては不十分である。
【特許文献１】特開２０００−３２７９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
粉末粒子の表面特性としては、疎水化度以外に、細孔分布、親水化度あるいは表面張力等の各種性質を総合的に把握しておくことが粉末粒子を複合材料の配合材として使用するときには重要である。
従って、本発明は、同一の測定装置を用い、複数の測定条件を設定するだけで簡単に被測定粉体粒子の疎水化度、親水化度あるいは表面張力を推定し得る粉体粒子の表面特性評価方法を得ることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の課題は、下記の手段により解決された。
（１）被測定粉体粒子について、窒素ガス吸着によるＢＥＴ比表面積を測定しておき、表面張力が既知の水蒸気及び少なくとも一種の有機溶剤蒸気吸着によるＢＥＴ比表面積を測定し、それらの比表面積の比率を算出することにより該粉体粒子の親水化度・疎水化度評価及び／又は表面張力を推定することを特徴とする粉体粒子の表面特性評価方法。
（２）前記粉体粒子表面をカップリング剤により疎水化した場合、カップリング剤の疎水基より大きい表面張力を持つ物質の蒸気の吸着によるＢＥＴ比表面積を比較することにより、疎水基の被覆割合を推定することを特徴とする上記（１）記載の粉体粒子の表面特性評価方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、粉体粒子の表面特性評価を粉体の状態で評価できる。また、吸着ガス分子のサイズが非常に小さいので、表面粗さの影響を無視できる。
更に、粉体粒子の２次加工を行った場合の表面化学特性の変化を知る手段として有効であり、被測定粉体粒子の疎水化度、親水化度あるいは表面張力等の粉体粒子の複数の表面特性項目を同一の測定装置により評価出来るので、分析に要する時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
通常、粉体粒子の表面積の測定は窒素吸着によるＢＥＴ法比表面積を測定することで、粉体粒子試料の比表面積を算出することにより行う。具体的には、窒素ガス分子の吸着断面積（ＡＣＳ）は０．１６ｎｍ２であるという基本的な数値から、固体試料１ｇあたりの比表面積を測定することが出来る。
一方、粉体及び多孔質材料の比表面積や細孔分布の測定技術及び測定装置の進歩は著しく、定容量法ガス吸着法により吸脱着等温線を自動測定し、簡単に比表面積（ＢＥＴ法等）あるいは細孔分布（マクロ気孔、メソ気孔等）を解析することが可能となった。又、比較的比表面積が小さい試料から多孔質の比表面積が大きな試料まで多種類の粉体材料の測定が可能である。
【０００９】
従って、本発明の表面特性評価方法で扱う粉体粒子の比表面積は、通常０．１〜５００ｍ２／ｇの範囲であれば推定評価の対象とすることができる。
吸着ガスとしては窒素ガスを使用する。吸着ガスとして他に一酸化炭素、二酸化炭素、ヘリウムあるいはアルゴン等の非腐食性ガスを使用することも考えられるが、前記した理由で窒素ガスを使用することが最適である。次いで、水あるいは有機溶剤の蒸気吸着により比表面積を測定するが、有機溶剤としてはメタノール、エタノール、メトキシエタノール、エチレングリコール、アセトン、ベンゼン、ペンタン、ヘキサン、ピリジン等が使用されるが、限定されるものではない。測定精度が高いなどの点からメタノールが好ましい。
【００１０】
被測定粉体粒子の表面は親水的であるか疎水的であるかによって、水及び有機溶剤蒸気の粒子表面に対する蒸気の吸着量は異なってくる。すなわち、表面が親水的な粒子を疎水化剤等で疎水化すると、疎水化度が大きくなるに従って水蒸気のＢＥＴ吸着比表面積は減少する。これとは異なり、疎水性の高い有機溶剤蒸気を粒子表面に吸着させる場合、粒子表面の疎水化度が大きくなるにつれても比表面積は変わらないが、疎水化度がある値を越えると、そこから比表面積は減少していく。比表面積は減少しはじめる疎水化度の値は有機溶剤の種類によって異なっている。水蒸気と有機溶剤蒸気では、粒子表面に対する疎水化度の変化に対し、両者の比表面積が互いに変化する態様を図１にモデル的に示した。
【００１１】
本発明による粉体粒子の表面特性評価方法の手順としては、最初に、窒素吸着による被測定粉体粒子のＢＥＴ比表面積を測定することで、粉体粒子試料の比表面積を算出する。次に、前記窒素ＢＥＴ比表面積と、表面張力が既知の水蒸気及び有機溶剤蒸気吸着によるＢＥＴ比表面積を測定して比較することによって、蒸気分子が粉体粒子表面に吸着できる割合（「比表面積割合」という）を算出する。有機溶剤の多くは表面張力が既知であり、例えば、水７２．２ｍＮ／ｍ、ベンゼン２８．９ｍＮ／ｍ、メタノール２２．６ｍＮ／ｍあるいはペンタン１６．０ｍＮ／ｍ等である。
【００１２】
その際、表面張力が異なる少なくとも二種類の蒸気を用いて蒸気分子が粉体粒子表面に吸着できる割合を比較すれば、表面張力を推定することが可能となる。
また、カップリング剤コーティング等の２次加工により粉体粒子表面を変化させ、疎水化した場合、カップリング剤の疎水基よりも大きい表面張力を持つ蒸気の吸着によるＢＥＴ比表面積と窒素ＢＥＴ比表面積を比較することで被覆割合を推定することができる。カップリング剤の疎水基よりも大きい表面張力を持つ物質としては、一般的に水が挙げられる。
【実施例】
【００１３】
以下に、具体例を挙げ本発明を更に詳細に説明するが、本発明の範囲は実施例に限定されるものではない。
試料Ａとして雲母、試料Ｂとして雲母をシランカップリング剤としてメチルトリメトキシシランを窒素雰囲気下でコーティング処理した試料を使用した。窒素ガス吸着及び水蒸気吸着、メタノール蒸気吸着等温線測定はガス・蒸気吸着装置ＢＥＬＳＯＲＰ（日本ベル（株）製）で行った。窒素吸着によるＢＥＴ比表面積と各種蒸気吸着によるＢＥＴ比表面積の割合を第１表に示す。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
比表面積の測定結果から、試料Ａは水蒸気吸着による比表面積の割合が９６％と窒素吸着による比表面積のほとんどを占めており、表面張力が水より大きいことを示している。
一方で試料Ｂは、水蒸気吸着による比表面積の割合が１１％で、窒素吸着による比表面積と比較して小さいのに対し、メタノール吸着による比表面積では窒素吸着による比表面積のほとんどを占めており、表面張カがメタノールより大きく、水より小さいことを示している。表面張力は水が７２．２ｍＮ／ｍであるのに対し、メチル基の表面張力は、２４ｍＮ／ｍである。
【００１６】
また、第１表から試料Ｂのカップリング剤被覆面積の割合は、約９０％であると推定できる。それ故、予め比表面積の割合とカップリング処理による疎水化度の相関から検量線を作成しておけば、カップリング剤の配合量から疎水化度を推定することもできる。
このことから、本発明の評価方法を用いることにより、粉体粒子の表面特性評価を粉体の状態で評価することが可能となる。また、室素ガス吸着によるＢＥＴ比表面積と、表面張力が既知の水及び有機溶剤の蒸気吸着によるＢＥＴ比表面積を比較することで、試料の表面張力を推定することができる。さらに、粉体粒子の２次加工を行つた場合の表面化学特性の変化を知る手段として有効である。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明の表面特性評価方法は、比表面積が小さい試料から多孔質の比表面積が大きな試料まで広範囲の粉体材料の測定に利用できるので、同一装置で短時間に、成形材料からその粉末状の配合原料まで分析評価することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】親水性の高い粒子を疎水化したとき、粒子表面に対する疎水化度の変化により水蒸気と有機溶剤蒸気では、両者の比表面積が互いに変化する態様をモデル的に示した図である。
【図１】
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