第1章

粒子分散液を作る
第 1.1 節粒子分散とは

第1章

粒子分散液を作る

Q 1-1
粒子分散とは何ですか。なぜ必要なのですか。

A1-1
粉体粒子を液体中で微細化させ、均一に分布させること、または分布している状態を、分散と呼びます。

分散された粉体粒子を含んだ、流動性のある液体を粒子分散液と呼びます。
粒子分散液は、使用される業界や液の流動状態によって、スラリー（slurry）とかペースト（paste）とも呼ばれます。厳密な定義はありませんが、スラリーは主成分がほとんど溶剤と粉体粒子で、流動性はサラサラとかサクサクといったイメージです。ペーストは、これに油脂や樹脂などが入って、流動性がヌルヌルとかベタベタ、ボテボテとしたものを指すことが多いようです。また、樹脂が溶解しているだけで粒子を含まないものも、ペーストと呼ばれることがあります。粒子分散液を総称してサスペンション（suspension）と呼ぶこともあります。
産業分野で、これら粒子分散液を作成する目的には、①異なる物性を持つ物
質の複合化による機能の創出、②物質の形状の変更・微細化・造形、③移送方法やハンドリングの改善・効率化、などが挙げられます（図 1-1）。
①には、塗料やインク、フィラー充填プラスチックなどが該当します。例えば、塗料では、マトリクス樹脂（バインダー樹脂）の耐久性や付着性、柔軟性と、顔料粒子の鮮やかな発色や光を散乱・吸収する能力、硬さが複合化されて、被塗物に付着するとともに劣化環境から保護し、色彩や美粧性を与えるという高度な機能が発現されます。フィラー充填プラスチックでも、マトリクス樹脂の性能を補完・向上させるために、球状や繊維状の粒子が複合化されます。
②には、金属粒子やセラミックス粒子のペースト・スラリーなどが該当します。金、銀、ニッケルなどを、地金や箔から直接、繊細な配線パターンにする2

第 1.1 節

粒子分散とは

塗料

物質の複合化インキ

フィラー充填プラスチック

粒子を分散する目的

金属ペースト
形状の変更
微細化・造形
セラミックスラリー

石炭スラリー
移送方法やハンドリングの改善
砥粒スラリー

図 1-1粒子を分散する目的ことは困難ですが、ペースト状にしておいてスクリーン印刷やディスペンサーを用いれば、簡単に希望のパターンや形状に加工することができます。また、岩石から直接、茶碗や皿を作ろうとすると大変ですが、土を水でこねて粘土状にし、型に嵌めたり、ろくろで捻ったりして、造形した後に焼成すれば簡単です。岩石や土というとピンと来ないのですが、陶器や磁器は古くから知られており、原料の粘土や長石などの主成分はシリカやアルミナなどの無機物で、セラミックスと総称されます。最近ではアルミナやジルコニアなどのセラミック
ス粒子をスラリーにして、鋳型に注入して精密な形状に造形することが行われています。
③には、石炭スラリーや砥粒スラリーなどの例があります。石炭は固体なのでハンドリングや貯蔵が面倒な上に、粉塵などの問題がありますが、石炭を微3

第1章

粒子分散液を作る

粉化して高濃度で水に分散させた CWM（Coal Water Mixture）とすることで、粉塵飛散がなくハンドリングしやすい流体とすることができます。砥粒スラリーはダイヤモンドやアルミナなどの研磨材微粉を、水や有機溶剤に分散させたもので、薄膜型磁気ヘッドの製造工程などで用いられます。
産業分野で用いられる粒子分散液は、その目的に応じて必要な性質が異なりますが、共通しているのは、粒子が凝集塊を形成せずに、分散液中に均一に存在することです。1 カ所に偏っていたり、直ぐに沈降分離したりするようでは使い物になりません。
また、粒子を分散させることで、粒子の持っている性質を最大限に発揮させることが可能となります。例えば①の塗料で、顔料がマトリクス樹脂を着色する能力は、顔料粒子の粒子径が小さい程、大きくなります。また②の金属粒子による配線パターンの形成でも、粒子が解凝集して 1 つ 1 つの粒子に分散されていることで、微細なパターンの形成が可能となります。
さらに、時間の経過や温度の変化などで、凝集や粘度上昇など、分散状態が変化しないことも、実用上では重要となります。
粒子を微細化し、微細化された状態を安定化させる分散は、重要な工業プロセスです。

4第 1.1 節

粒子分散とはQ 1-2
乾燥した粉体をスラリーやペーストにするにはどうすればよいですか。

A1-2
基本的には図 1-2 に示したように、前混合、分散、希釈・溶解という流れになります。

前混合（pre mix）

分散（dispersion）

希釈・溶解（let down）

・ダマをなくす・目的に応じた
材料選択
配合量・解凝集 or 破砕
・目的に応じた分散機
分散プロセス

・溶剤や樹脂の添加・希釈ショックや溶解ショックに注意

図 1-2

分散工程

前混合過程はプレミックス（pre mixing）過程とも呼ばれます。タンクなどの容器に溶剤を秤量し、分散剤やマトリクス樹脂（バインダー樹脂）など溶剤に溶解する配合成分を加えて十分に溶解させた後に、粉体を徐々に投入して、撹拌機などにより全体が均一になるようにします。粉体を投入する前の、溶剤に溶解性成分が溶けた液体をビヒクル（vehicle）と呼び、粉体が投入され十分に混合された状態のものをミルベース（mill base）と呼びます。
前混合過程では、いわゆるダマが残らないように注意する必要があります。
この段階でも、分散はある程度進みますが不十分です。低粘度ミルベースの前混合では一般的な高速せん断撹拌機やホモジナイザーが、中〜高粘度のミルベースではプラネタリーミキサーやニーダーなどが用いられます。
分散過程では、分散機を用いた粒子凝集体の解凝集（解砕；disruption）や、粉砕（crushing）を行い、目的とした粒子径まで微粒化します。どのような分散機を使うか、バッチ分散かパス分散か、それとも循環分散か、というプロセ
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第1章

粒子分散液を作るスの選択を行うことが重要です。前混合で使用される装置や分散機、分散プロセスの詳細については、第 7 節を参照ください。
希釈・溶解過程では、分散過程で得られた粒子分散液（これもミルベースと呼ばれる時があります。
）を、溶剤で希釈して粘度や乾燥速度を調整したり、バインダー樹脂や硬化剤、様々な添加剤を加えたりして、最終製品として必要な性能を整えます。この時に、加える成分と粒子分散液に含まれる成分との組み合わせや添加の方法が適切でないと、せっかく分散した粒子が再凝集してしまうことがあります。これを、希釈ショックとか溶解ショックと呼びます。
図 1-1 に示したように、粉体を分散してスラリーやペーストにする目的は様々です。したがって、スラリーやペーストが所持すべき性質も目的によって異なってきます。例えば、金属ペーストやセラミックスラリーのように、最終的には金属やセラミックスとしての性質や機能を発現させたい場合には、乾燥状態での有機物（分散剤やバインダー樹脂）の量は、できるだけ少ない方が好ましいので、分散剤の量は極小化する必要があります。
一方、塗料では、最終的に塗膜中の顔料粒子の濃度は、体積濃度で数％から数 10％で、残りは有機物のマトリクス樹脂ですから、分散液が持ち込む有機物の量そのものはあまり問題にはなりません。ただし、耐候性や密着性などの塗料性能に影響することは許されないので、耐候性が不良な分散剤や多量の分散剤（粒子に吸着するだけでなく、基材／塗膜界面にも吸着するので密着性を阻害することが多い）の使用は不可となります。分散機に関しては、ビーズミルのベッセルやアジテーターなど接液部の部材は通常ステンレス製です。使用するビーズの材質や周速などの運転条件によっては、摩耗によりステンレスの不純物が混入する可能性があります。ファインセラミックスをはじめとして、このような不純物を嫌う用途では、接液部がジルコニアなどで被覆処理された（高価な）ミルを選択する必要が出てきます。
このように、粒子を分散してスラリーやペーストにする際には、その使用目的に合わせた配合設計やプロセス選択を行う必要があります。ある意味、粒子の分散だけができればよいのであれば、話は簡単です。目的に応じた、限られた条件の中で粒子分散液を得る、というところに難しさがあります。
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