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技術報文−1
エマルションの粘弾性に及ぼす有機溶剤の影響

エマルションの粘弾性に及ぼす有機溶剤の影響
Influence of Solvent on Viscoelastic
Behavior of Emulsion

技術本部

基礎研究第一部

Fundamental Research Laboratory 1st Division

要旨

佐野秀二

大柴雅紀

石原真興

Shuji SANO

Masaki OHSHIBA

Masaoki ISHIHARA

1. はじめに塗料に使用される粘弾性挙動の異なるエマルシ

近年のVOC規制に伴い、水系エマルション塗料

ョンと溶解性パラメーターの異なる有機溶剤を用い、の需要は高まっている。しかしながら、水系エマル

エマルション/有機溶剤系の粘弾性変化について検ション塗料の主溶媒である水は、有機溶剤系塗料に討した。その結果、強い粒子間相互作用を示すエマ使用される有機溶剤に比べ、比熱が大きい、蒸発潜ルションとほとんど相互作用を示さないエマルシ

熱が大きい、表面張力が大きいなどの特性を有してョンは、有機溶剤を添加しても粘弾性変化がほとん

おり、水系エマルション塗料の塗装作業性は有機溶ど認められなかった。一方、粒子間相互作用がこれ剤系塗料より劣る傾向にある1）。

らの間にあるエマルションは、有機溶剤の添加によ水の特性からくる欠点を補うために、エマルショり粘弾性変化が認められ、有機溶剤の溶解性パラメン組成や増粘剤による塗装作業性の改良が図られーターとの相関が見られた。ている。すなわち、水系エマルション塗料の塗装作業性では、エマルションと顔料および増粘剤の相互Abstract

作用力を制御することが重要であると考えられる。
エマルションが関与する相互作用の制御にはエマWe

examinedsolvent

viscoelastic

systems

viscoelastic

using

behavior

behavior

emulsionsandsolvents

ofemulsion/

withdifferent

withdifferent

solubility parameters. As a result, viscoelasticities of theemulsions that showed strong particle interaction or nonparticle interaction were not affected for the solubility
parameters of added solvents. On the other hand, thesolventsgavestronginfluence

totheviscoelastic

behavior of the emulsions, which particle interactions
were between them.

ルション表面組成や中和アミン 2）、増粘剤 3）の種類などのほかに、成膜を助長させるために添加する有機溶剤も大きな影響を与えるものと考えられる。
本報は、水系エマルション塗料に使用されるエマルションの相互作用に及ぼす有機溶剤の影響を動的粘弾性を用いて検討したので報告する。

32．実

験

大きく異なった。低歪み、低角周波数領域におけるＧ*の大小は、エマルション粒子間の相互作用力の2.1

試大小を示唆するものと考えられ、エマルションの粒料

定常流測定において粘弾性挙動の異なる5種類のエマルション（固形分45%）と溶解性パラメーター子間相互作用は、EM1が最も大きく、EM5が最も小さいものと考えられる。の異なる4種類の有機溶剤（3種類の疎水性有機溶剤
100

解性パラメーター（以下、SPと略す。）値および水への溶解度を表-1に、エマルションの粘度のズリ速度依存性を図-1に示した。
表-1 有機溶剤の特性値
溶解性パラメーター1/2SP/（cal/cm2）

水への溶解度8.76

non9.41

non10.08

0.2%

11.01

∞

疎水性有機溶剤
親水性有機溶剤

複素弾性率G*/Paと1種類の親水性有機溶剤）を用いた。有機溶剤の溶EM1EM2EM3EM4EM510

10.10.01
110100角周波数/rad・s-1

図-2 エマルションの複素弾性率の角周波数依存性
3.2

100

エマルションの動的粘弾性に与える有機溶剤の影響

EM1EM2EM3EM4EM5

粘度/Pa・s1013.2.1 複素弾性率からの考察
粒子間相互作用の異なる5種類のエマルションに
表-1に示したSP値の異なる4種類の有機溶剤をそれぞれエマルション固形分に対して10％の割合で添0.1加した。これらの複素弾性率Ｇ*の角周波数依存性
0.010.010.1

1101001000

ズリ速度/ｓ-1

図-1 エマルションの粘度とズリ速度の関係
2.2 測定をエマルション別に図-3〜7に示した。
その結果、粒子間相互作用が大きいEM1と粒子間相互作用が小さいEM5のＧ*に及ぼす有機溶剤種の影響は小さく、一方、EM2、3、4のＧ*に及ぼす有機溶剤種の影響は大きい傾向にあった。また後者におい

動的粘弾性測定装置（ARES：レオメトリック社）て、疎水性有機溶剤（SP：8.8、9.4、10.1）の添加では、を 用 い 、エ マ ル シ ョ ン の 角 周 波 数 依 存 性 1 〜

SP値が高いものほどＧ*が高い値を示す傾向にある-1100rad･s を20℃、歪み3%で測定した。

が、SP値が更に高い親水性有機溶剤（SP：11.0）の添加では逆に低いＧ*値を示した。これは、疎水性有機3. 結果と考察

溶剤においてSP値が高いものほど親水性が高く、エマルションと水の界面、すなわちエマルション表3.1 エマルションの動的粘弾性面に存在しやすくなり、エマルション表面の疎水化

5種類のエマルションの複素弾性率Ｇ*の角周波によって粒子間の疎水性相互作用が増加したため数依存性を図-2に示した。その結果、各エマルショと考えられる。それに対し、親水性有機溶剤は水中ンは異なる挙動を示し、特に低角周波数でのＧ*はに溶解することから、疎水性溶剤に比べエマルショ

技術報文−1
エマルションの粘弾性に及ぼす有機溶剤の影響

1000

水化が弱いために疎水性相互作用は疎水性溶剤添加時よりも小さくなったものと考えられる。

複素弾性率G*/Pa

1000

複素弾性率G*/Pa

ンと水の界面に存在し難く、エマルション表面の疎10添加した有機溶剤のSP値
8.89.410.111.011

図-6EM1にSP値の異なる有機溶剤添加時の複素弾性率の角周波数依存性

複素弾性率G*/Pa

1000

図-4複素弾性率G*/Pa

角周波数/rad・s100

添加した有機溶剤のSP値
8.89.410.111.01110角周波数/rad・s-1100EM2にSP値の異なる有機溶剤添加時の複素110角周波数/rad・s-1

100EM4にSP値の異なる有機溶剤添加時の複素図-7

添加した有機溶剤のSP値
8.89.410.1
11.01001010.1

100.1

11000-1

図-310弾性率の角周波数依存性

10010

添加した有機溶剤のSP値
8.89.410.1
11.01000.1

1000.1110角周波数/rad・s-1100EM5にSP値の異なる有機溶剤添加時の複素弾性率の角周波数依存性

3.2.2 クロスポイントからの考察
図-8には、貯蔵弾性率（Ｇ ）と損失弾性率（Ｇ ）の角周波数依存性の一例を示し、Ｇ とＧ の交点をク弾性率の角周波数依存性

ロスポイントと定義した。クロスポイントは、エマルション粒子間相互作用により系内に無限の粒子複素弾性率G*/Pa

41000のつながりが形成される点と考えられ、クロスポイ

100ントが低角周波数側にあるときには、粒子間相互作ものと考えられる。逆に、クロスポイントが高角周添加した有機溶剤のSP値
8.8
9.4
10.1
11.010.1

図-5

用が大きく、粒子のつながりが容易に形成され易い

10110角周波数/rad・s-1

100

EM3にSP値の異なる有機溶剤添加時の複素弾性率の角周波数依存性波数側にあるときには、粒子間相互作用が小さく、粒子のつながりが形成され難いものと考えられる。
各試料のクロスポイントを示す角周波数と添加した有機溶剤のSP値との関係を図-9に示した。ただし、測定を行った角周波数内(1〜100rad･s -1)にクロスポイントが存在しない場合は、測定領域におけるG とG の補外法からクロスポイントを求めた。
EM1はすべての有機溶剤でクロスポイントが1rad･s -1未満に算出され、EM5はすべての有機溶剤

貯蔵弾性G',損失弾性率Ｇ /Pa

51000

ルションと、EM3のように粒子間相互作用の変化がクロスポイント

100小さいエマルションに分けることができた。
ＧＧ

1010.110角周波数/rad・s-1

り、有機溶剤による粒子間相互作用の変化が理解し易く、さらにその変化をグループ分けすることによ

クロスポイントを示す角周波数1以上のように、クロスポイントを用いた解析により、水系エマルション塗料の塗装作業性向上に対する配合設計に役立つものと考えられる。

100

添加した有機溶剤のSP値／（cal/cm3）1/2

図-8 クロスポイントの定義

11EM1EM2EM3EM4
EM510984．まとめ
5種類のエマルションにSP値の異なる4種類の有機溶剤を各々添加した時の動的粘弾性から、エマルション粒子間相互作用に及ぼす有機溶剤の影響を考察し、エマルション粒子間相互作用の大小を示唆＜1110100 100＜
クロスポイントを示す角周波数/rad・s-1

するG とG の交点をクロスポイントとしてその変図-9 添加した有機溶剤のSP値とクロスポイントを化を解析した。クロスポイントが高角周波数側にあるときには粒子間相互作用が小さく、低周波数側に示す周波数の関係あるときは粒子間相互作用が大きいことを意味し-1でクロスポイントが100rad･s を越えて算出された。ており、添加したSP値の異なる有機溶剤によるエEM2、3、4では添加した有機溶剤によりクロスポイ

マルション粒子間相互作用の変化を以下の3つに大ントを示す角周波数が異なり、疎水性有機溶剤では別した。

SP値が大きくなるほどクロスポイントを示す角周有機溶剤種によらず常に粒子間相互作用が大き波数は小さくなる傾向が認められ、一方、親水性有いエマルション

機溶剤添加では、クロスポイントがすべて100rad･s-1

有機溶剤種によらず常に粒子間相互作用が小さを越えて算出された。これらの挙動は、3.2.1項で述いエマルション

べた有機溶剤のエマルション粒子間の相互作用に有機溶剤種により粒子間相互作用が変化するエ及ぼす影響を反映した結果となっている。

マルション

図-9に示すクロスポイントから、EM1〜5の5種類のまた、上記の有機溶剤種において、疎水性有機エマルションは3グループに大別できるものと考え

溶剤はSP値が高いものほどエマルション粒子間相られる。1つ目はEM1のように添加する有機溶剤種互作用を強める働きをするが、SP値が更に高い親によらず低角周波数側にクロスポイントを有し、粒水性有機溶剤は疎水性有機溶剤添加よりもエマル子間相互作用が常に強いエマルション、2つ目はション粒子間相互作用が弱いことが分かった。

EM5のように添加する有機溶剤種によらず高角周波数側にクロスポイントを有し、粒子間相互作用が常に弱いエマルション、3つ目はEM2、3、4のように有機溶剤種によりクロスポイントが変化し、粒子間相互作用の強弱が変化するエマルションである。また、3つ目のグループの中でも、EM2、4のように有機溶剤種により粒子間相互作用の変化が大きいエマ

文献

1）技術情報協会：水系塗料とコーティング技術,p.208（1992）
2）中村浩、舘和幸：トヨタ中央研究所R&Dレビュー,30, 2, p.69 (1995)
3）たとえば、高橋誠一：色材, 71, 9, p.580 (1998)