－新製品紹介－●無機顔料用高性能分散剤

T-AXシリーズ─────────────────────────────────────────────────────

アクリル事業部

１

はじめに高分子材料研究所

竹本 貴之

ルシウムを主体に用いることが多い。特に炭酸カルシウムは石灰乳から化学的に沈降させて得られる軽質炭酸カルシウム

原紙に白色顔料を塗工して作られる塗工紙は、その白色性(PCC)と、天然の石灰石を機械的に粉砕して得られる重質炭・平滑性・光沢性などにおいて多くの利点を有している。そ酸カルシウム(GCC)の２種に分類されるが、高白色度・高のため、様々な分野で幅広く利用されており、ここ数年の紙不透明度でありながら安価なためにコスト低減が可能である

1) 2)

需要の伸び率は中国を筆頭に目覚しいものがある(図１)。

ことから、近年ではGCCの使用が増加傾向にあり、GCCに塗工紙用白色顔料には主に無機顔料が用いられる。例えばカ対して良好な高性能分散剤を開発することは重要な意味を持

オリン・酸化チタン・炭酸カルシウム・タルク等が挙げられつ(図２)4)。

るが、これらの顔料は物性面や価格面で違いがあり、目的とGCCの汎用分散剤にポリアクリル酸ナトリウムを用いるする塗工紙品質に応じて使用する顔料の比率が調整されることは従来から広く知られている。これは、顔料粉砕工程で3)(表１) 。またこれら顔料粒子は、保存時や塗工時の扱いを発生する高温や高せん断力に対してポリアクリル酸ナトリウ容易にするために、高分子分散剤を添加して低粘度水性分散ムが安定であり、また工業的にも安価な為とされている5)。

体(スラリー)として使用することが多い。

当社でもT-50やT-60といったポリアクリル酸ナトリウムベ

近年では、より微細な粒子に分散されたスラリーや、よりースの対GCC汎用分散剤を上市している。しかし、これら高い顔料濃度のスラリーを用いることによる低コスト化や高に代表される従来のランダム直鎖状高分子では、今日望まれ白色度・高光沢度といった性能の向上が望まれており、使用ている微細粒子・高濃度の顔料スラリーに添加しても増粘抑される分散剤に対しても従来以上に分散性能の高いものが要制効果に乏しく、スラリーを安定に分散させることは難しい求されている。のが現状であった。

本稿では、このような要求を満たすべく当社が開発した高一般的に、顔料分散工程には「顔料の濡れ」、「機械的粉性能分散剤を紹介する。この分散剤は、上記に挙げた塗工紙砕」、「分散安定化」の３つが重要であることは良く知られて用顔料に対する分散性はもちろんのこと、その他の代表的ないるが、中でも特に分散剤が大きな影響を与えるのは「分散無機顔料に対しても良好な分散性能を示す。

安定化」である。

２

表１ 塗工紙用顔料の物性
コスト 白色度（隠蔽性） 屈折率（単価） 耐熱性 摺動性
カオリン
○
△
○
1.56
重質炭酸カルシウム◎○
1.56～1.65
軽質炭酸カルシウム△◎1.59
酸化チタン×
◎2.55
タルク
○
△1.57
評価：◎優れる、○やや優れる、△やや劣る、×劣る

従来の分散技術

顔料

前述の塗工紙用白色顔料群の中でも、白色度・不透明度等の光学特性、平滑性・インキ受理性等の印刷適性が良好であることから、現在の塗工紙塗料においてはカオリンや炭酸カ

16.0
12.010.0

日本
中国
インド
ASEAN
アジア合計

100%
80%

8.0

比率

生産量（千万トン）

14.0

6.0

60%
40%

4.0
20%

2.0

カオリン

0.0
1994

1999

2004

その他

0%

2006

1980

19972005
年
図２ 欧州塗工紙用填料消費推移

年
図１ アジアの紙・板紙生産量の推移

東亞合成グループ研究年報

GCC

23

TREND 2010

1990

第13号

つまり、従来のようなポリアクリル酸ナトリウムから更に測定を行なった。粘度の測定にはB型粘度計(ローターNo.４、高性能なGCC用分散剤を目指すためには、この「分散安定60rpm、25℃)を用い、25℃恒温室にて静置保管したGCCス化能」を向上させることが必要であり、それにはラリーの、初日(粉砕後１h静置)、１、５、７日経過時点の粘度①を測定した。粒子径測定にはレーザー回折／散乱式粒度分布

分散剤－顔料粒子間、分散剤－媒体間の各親和性を調測定装置［LA-920、堀場製作所製］を使用した。液圧測定

整することによる顔料粒子への吸着力向上②には沈降液圧式スラリー評価試験機［IKABUST JT-P、中央

粒子表面に吸着した分散剤が形成する電気二重層によ化工機製］を使用した。

る電気的斥力、分散剤鎖同士が重なり合う際に生じるエントロピー排斥効果(立体的斥力)による斥力向上③

GCCに対する分散性能

３.２

架橋凝集や枯渇凝集を起こしにくい樹脂構造設計といったアプローチが重要であると考えられる。

図３に、分散剤に当社GCC用汎用分散剤T-60(ポリアクリ

当社では、以前からこれらを考慮した高分子分散剤の研究

ル 酸 ナ ト リ ウ ム ) と T-AX を 、 そ れ ぞ れ GCC に 対 し て開発に着手し、分散性能をより効果的に発揮させる為の樹脂

0.47wt％使用して湿式粉砕した場合のスラリーの経時粘度変設計として、分岐変性・分極変性・グラフト変性等を施した化を示す。

6)

高分子分散剤の開発に注力してきた 。本稿で紹介するT-

T-60は全体的に増粘傾向が著しいが、T-AXは粉砕直後かAXは、これら技術の蓄積の上に開発した新たな高性能分散

ら粘度が低く、さらにその後長期にわたってスラリー粘度が剤である。

低く維持されていることが確認できる。このことから、TAXはT-60と比較して極めて良好な分散安定性を示すことがT-AXは、ポリアクリル酸ナトリウムを部分的に疎水変性分かる。

することによって顔料表面に対する親和性を高めている点に特に大きな特徴を持つ。これによって、GCC粒子に対する5000高い吸着力と電気的・立体的な斥力を高次元で両立させるこスラリー粘度（mPa・s)とが可能となり、結果として優れた分散安定化能の発現に繋がったものと推察している。

３

高性能高分子分散剤

T-AX

T-AXは、各種無機顔料、その中でもとりわけGCCに対して極めて良好な分散性を有する微粒グレード対応分散剤であ3000
2000
10000る。

0以下に、T-AXの諸物性について簡単に紹介する。

３.１

T-AX
T-60

4000

GCCの粉砕条件と評価条件

246経過日数（日）図３ GCC湿式粉砕後の経時粘度8

湿式粉砕は、粉砕機［サンドグラインダー、五十嵐機械

一方で、分散安定性を評価する指標の一つに、スラリーの製］に、GCCパウダー［重炭A、丸尾カルシウム製］900g、沈降・凝集に伴う経時液圧変化を比較する方法がある。図４

イオン交換水270g、及び粉砕効率を高める為のメディア［平に、沈降液圧式スラリー評価試験機の概要を示す。

均直径1.0mm(カタログ値)；アルミナビーズ］2970gを容器

ここでいう液圧変化とは、スラリー中のある任意の深さ位に充填し、粉砕機内の撹拌翼を1000rpmの回転速度にて60分置に液圧センサーを設置したときのセンサー先端部にかかる間行った。

液圧(水圧)のことを指す。液圧＝(液密度)×(重力加速度)×

分散剤は任意の量(0.28wt％～1.00wt％、対GCC)を初期(気液界面からセンサー先端部までの液高さ)であるから、セ及び任意のタイミングにて分割して添加した。イオン交換水

ンサー先端部の位置を固定すれば、経時で生じるスラリーのは湿式粉砕後の固形分が75wt％となるように粉砕過程時の摩密度変化そのものが液圧変化として検出されることになる。

擦熱による水分蒸発を考慮しつつ随時加えていった。

つまり、スラリーの分散安定性が悪い系ほど、系内で凝集・湿式粉砕終了後に、200メッシュのろ布を用いてメディア沈降が生じることによってセンサー先端部より上のスラリーとスラリーを分離して、目的のメジアン体積粒子径が0.6μmの見かけ密度が徐々に低下するため、スラリーの液圧も徐々の微粒GCCスラリーを得た。に低下していく傾向が観測される。
従ってスラリー間で液圧変化を測定すると、その低下幅の分散剤の性能評価として、静置保管したスラリーの経時的比較から分散安定性の優劣を判断できる。

な粘度変化、液圧変化のほか、スラリーの取得量についても

東亞合成グループ研究年報

24TREND 2010第13号

分散安定性良好

液圧センサ

スラリー粘度（mPa・s)

7000

大↑
液圧GCC
スラリー

↓T-AX
T-60

6000
5000
4000
3000
2000
1000
0

小0

分散安定性
不良
分散・浮遊した粒子
凝集・沈降した粒子

0.2

0.4
0.6
0.8
分散剤添加量(wt%)

11.2・固形分75％、体積メジアン粒子径0.6μmのスラリーで評価。
・分散剤添加量を0.28、0.47、0.74、1.00wt％と振って粉砕し、

図４ 沈降液圧式 ス ラリー評価試験機の概要

25℃下で１週間静置後の各スラリー粘度をプロットした。

図６ 分散剤添加量と粘度

9T-AX
T-60

800
T-AX700

8.6

T-60

610g
取得量（g）

液圧(kPa)8.88.48.2600500430g

4003008060120180時間(min)
図５ GCCスラリーの液圧変化

240200T-AX

T-60

図７ スラリー取得量の差
図５に、実際にT-60、T-AXそれぞれの分散剤を用いて分添加量を0.28wt％まで減らしてもT-60の低粘度領域と同程散したGCCスラリーの液圧測定結果を示した。
T-AXを用いて粉砕したスラリーはT-60を用いて粉砕した度の粘度を有し、逆に1.0wt％の高添加量領域における粘度スラリーよりも液圧変化が少ないことから、安定な分散状態の立ち上がりを見てもT-60ほどの増粘を示さないことから、を長く保つことが可能なスラリーであると考えられる。これ

幅広い分散剤濃度に対応できる分散剤であるといえる。

は、経時粘度変化の傾向とも一致する結果である。

３.４ スラリー取得量
３.３ 分散剤添加量と粘度

T-AXがT-60と比較して優位性を発揮するのは、上述のような分散性能だけではない。

分散剤は、その添加量が少なすぎると分散剤不足によってスラリーは増粘する。しかし、添加量が多すぎても、未吸着湿式粉砕後、メディアとスラリーを分離するために、ろ布分散剤の増加に伴う媒体粘度の増加、枯渇凝集作用、拡散電によるろ過を５分間行なっている。この時間内にろ布下の受気二重層の縮小などが起こることにより、これもまたスラリ器に溜まったスラリー重量を“スラリー取得量”と定義した

7) 8)

ー粘度としては増加につながる

場合、図７に示すように、T-AXではT-60を遥かに上回るス。

図６にT-60とT-AXの分散剤添加量を振って湿式粉砕したラリー取得量を示した。これにより、T-AXを用いると単位ときの、１週間静置後の各粘度をプロットした結果を示した。

時間当たりの取得量増加による生産性向上やコスト削減といT-60、T-AX共に低添加量、高添加量領域の両方において粘った付加価値が期待できる。

度が増加する傾向が見られる。しかし、T-AXはどの添加量領域で比較してもT-60と比較して粘度が低い。またT-AXは、東亞合成グループ研究年報

25

TREND 2010第13号

各種無機顔料に対する分散性

3000

無機顔料に対して高い分散性能が要求されているのは、なにも製紙業界だけの話ではない。
例えばシリカやアルミナは、その化学的・物理的性質から化粧品、塗料、セラミックスや耐火物等の窯業材料、CMP(ケミカルメカニカルポリッシング)など非常に幅広い分野で利用されている。CMPを例に挙げると、研磨効率を上げるために高濃度スラリーで使用できることが重要である。

スラリー粘度（mPa・s)

４T-AX
SD-10
2000

10000

しかし高濃度化によって分散安定性が低下し凝集したスラリ

0ーでは、CMP研磨液として使用した際に被研磨体に研磨傷を発生させる恐れがある。そこで凝集を抑制できる分散性能の良い分散剤が望まれている。

0.51
添加量（%）
図８ シリカ分散 添加量と粘度

1.51000

当社で各種検討を行った結果、T-AXはGCCだけでなくこスラリー粘度（mPa・s)のような無機顔料に対しても良好な分散性を示すことが明らかとなっている。ここでは、その一例としてシリカ微粒子、アルミナ微粒子に対する分散性について取り上げ、当社従来品とT-AXシリーズを比較した結果を紹介する。

４.１ シリカ微粒子に対する分散性
図８に、当社シリカ用分散剤SD-10(ノニオン性アクリル系重合体)を用いた時と、T-AXを用いた時の添加量とスラリ

800
600400200

T-AXA-30SL

0ー粘度の比較を示した。

00.4
0.60.8
添加量（%）
図９ アルミナ分散 添加量と粘度

分散条件は、シリカに東ソーシリカ製ニップシールHD-2を使用し、スラリー固形分を30wt％に調整後、4000rpm、５0.2

1分間ロボミックスにて攪拌した。粘度はB型粘度計(ロータり、コストの削減や高純度スラリーの取得といったメリットーNo.３又は４、60rpm)にて測定した。

が期待できる。

分散の結果、T-AXはどの添加量帯であってもSD-10より低い粘度を示し、特に低添加量領域においても増粘が抑制さ５れることが確認された。

４.2

アルミナ微粒子に対する分散性

おわりに

本稿では、良く使用される代表的な無機顔料に対して、良図９に、当社セラミックス用分散剤A-30SL(ポリアクリル好な分散性を示す新しい高性能分散剤を紹介した。もちろん、酸アンモニウム塩)を用いた時と、T-AXを用いた時の添加量

ここで取り上げた顔料以外にも様々な材質の顔料があらゆるとスラリー粘度の比較を示した。セラミックス分散では、ナ用途にて扱われており、さらに同じ顔料種でも粒子径の違いトリウム等の金属分の混入はセラミックスの持つ電気特性やや表面処理の有無まで考えると、その種類は非常に多岐に渡強度に悪影響を与える為にアンモニウム塩として用いることる。それぞれの顔料種に応じて最適な分散剤は異なり、またが一般的である。

今後更に微粒・高濃度・低粘度のスラリーに対する要求も増していくだろう。

従ってここでは、T-AXをA-30SL同様にアンモニウム塩にこうした要求に対していち早く対応するためにも、今回報調整したものを分散剤として用いた。
分散条件は、アルミナに昭和電工製AL-160SG-4を使用し、告した内容を一つの通過点とし、よりよいものづくりを目指していく所存である。

スラリー固形分を76wt％に調整後、4000rpm、５分間ロボミックスにて攪拌した。粘度はB型粘度計(ローターNo.３又は４、６60rpm)にて測定した。

参考文献

分散の結果、シリカ分散時と同様に、T-AXはより低添加量領域における分散性に優れることが確認された。これによ東亞合成グループ研究年報

１) 紙業タイムズ社監修,“紙パルプ産業と環境2008”，紙業

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タイムズ社 (2008) p.10.
２) 企画調査部, 紙・パルプ, 日本製紙連合会, 688, 11(2005).
３) 株式会社富士キメラ総研監修,“2007年微粉体市場の現状と将来展望”，株式会社富士キメラ総研 (2007) p.237.
４) 白石カルシウム株式会社. 重質炭酸カルシウム高機能な塗工顔料. http://www.shiraishi.co.jp/calcium/product/pa
per/reference/file/200610_01.pdf., (参照 2009-10-9).
５) 技術情報協会編, 山田英明,“最新『顔料分散』実務ノウハウ・事例集”，技術情報協会 (2005) p.454.
６) 林克洋, 東亞合成研究年報TREND, 8, 16 (2005).
７) 川口正美, 色材協会誌, 78, 6, 276 (2005).
８) 大島広行, 色材協会誌, 77, 7, 328 (2004).

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