70％スラリー分散終点

ビーズミルによる最適な分散時間を 3つの測定手法から検討

チタン酸バリウム約70wt％の濃厚スラリーについて、分散終点を多角的に評価した事例です。

概要

ビーズミルで処理したチタン酸バリウムの濃厚スラリーについて、分散終点の探索を行いました。評価には、パルスNMR、動的粘弾性測定装置（レオメーター）、遠心式分散性・粒子径分布測定装置を用い、それぞれの測定結果を比較しました。

使用した評価装置

パルスNMR	MagnoMeter SED
動的粘弾性測定装置（レオメーター）	アントンパール社製 MCR302e
遠心式分散性・粒子径分布測定装置	LUMiSizer®

実験

分散機を用いて、チタン酸バリウム（固形分濃度：約70wt％）をトルエン・エタノール混合溶媒に分散させました。処理時間ごとに試料を採取し、以下の3つの評価装置で測定を行い、結果を検証しました。

1

パルスNMRを用いて、濃厚分散体の緩和時間を測定しました。

2

レオメーターを用いて、粘度・動的粘弾性測定を行い、過分散境界と分散性良好条件を判定しました。

3

遠心式分散性・粒子径分布測定装置を用いて、沈降速度分布を求めました。

パルスNMRを用いた評価

緩和時間と短成分の存在割合から、濃厚スラリーの分散状態を確認しました。

MagnoMeter SED を用いて、濃厚分散体の緩和時間を測定しました。緩和時間が短いほど比表面積が大きく、分散性が高いことを示します。

また、スラリー中に細孔粒子や、溶媒を囲い込むような凝集体が存在する場合、パルスNMR測定では非常に短い緩和時間を持つ成分（短成分）が現れます。

分散媒のみでは短成分は存在しませんでしたが、粒子を分散した系では、すべての分散体において短成分が確認されました。短成分の存在割合が多いほど、細孔や溶媒を囲い込むような凝集体が多いと考えられます。

測定結果では、滞留時間が長くなるほど緩和時間は短くなりました。しかし、緩和時間は粘性の影響も受けるため、緩和時間のみから分散終点を予測することは困難でした。

短成分の存在割合に着目すると、33.4min以降で短成分の割合が急激に増加しています。このことから、33.4min以降では、溶媒を囲い込むような凝集体が形成されていると予測されます。

異なる測定手法による検証

レオメーターと沈降速度分布測定により、パルスNMRで得られた結果を確認しました。

レオメーターによる評価

次に、動的粘弾性測定装置（レオメーター）を用いて、粘度・動的粘弾性測定を行いました。

分散時間8.4〜25.1minでは、ニュートニアン流体に近い結果が得られました。

一方、分散時間33.4〜83.5minでは、shear-thinning性が確認されました。 shear-thinning性は、凝集体の崩壊を示しています。

この結果から、過分散境界は25.1minであると考えられます。

実験協力： MSサイエンティフィック株式会社様

沈降速度分布による評価

遠心式分散性・粒子径分布測定装置 LUMiSizer® を用いて、沈降速度分布を求めました。

この結果から、滞留時間33.4min以降のサンプルには、粗大粒子が多く含まれていることが分かります。

また、25.1minのサンプルでは粗大粒子が少なく、ピークがシャープであることが分かります。

沈降速度分布による結果は、パルスNMRおよびレオメーターによる評価結果を裏付けるものとなりました。

実験協力： LUM JAPAN株式会社様

結果・考察

結果

緩和時間は、滞留時間が長くなるほど短く得られました。これは、粘性が高くなっていった影響を受けたものと考えられます。

一方、多成分解析による短成分の存在割合に着目すると、33.4min以降で短成分の割合が増加していることが確認されました。
この結果から、25.1minが最も分散性が良好であり、最適な分散時間であることが予測されました。

ただし、パルスNMRの結果のみでは確証を得ることはできませんでした。レオメーターによる測定では、過分散境界が25.1minと推測され、沈降速度分布測定では、33.4min以降に粗大粒子が多く含まれていることが確認されました。

考察

レオロジー特性評価および沈降速度分布測定により、パルスNMRによる緩和時間から得られた結果を裏付けることができ、滞留時間25.1minのサンプルが最も良い分散状態であることを確認できました。

多方面から評価することで、それぞれの評価結果を裏付け合うことができます。複雑な濃厚スラリーの分散性評価では、一つの原理・手法のみで判断するのではなく、原理の異なる手法により多角的に評価することが重要です。