二酸化チタン（Tio₂）は、高屈折率、強い隠れたパワー、良好な白さなど、優れた光学特性を備えた広く使用されている白色色素です。コーティング、プラスチック、紙、インク、化粧品など、さまざまな業界で広範な用途があります。ただし、Tio₂に関連する主要な課題の1つは、分散性が低いことです。不十分な分散性は、凝集などの問題につながる可能性があり、それが最終製品のパフォーマンスと品質に影響を与えます。この包括的な研究では、二酸化チタンの分散性に影響を与える要因を深く掘り下げ、それを改善するためのさまざまな戦略を探ります。
二酸化チタンの分散性は、色素自体に内因性と外因性の両方の複数の要因の影響を受けます。
Tio₂粒子のサイズと形状は、分散性を決定する上で重要な役割を果たします。一般に、粒子サイズが小さく、表面積と体積比が大きいため、分散性が向上する傾向があります。たとえば、二酸化チタンのナノ粒子（通常は1〜100 nmの範囲）は、より大きなミクロンサイズの粒子と比較して改善された分散性を提供する可能性があります。ただし、非常に小さなナノ粒子は、高い表面エネルギーのために凝集する傾向がある場合もあります。形状の点では、球形粒子は、不規則な形状の粒子と比較して、より良い流れと分散性の特性を持つと見なされることがよくあります。研究データによると、直径約20 nmの球状ティオナノ粒子は、類似のサイズ範囲の不規則な形状の粒子と比較して、水ベースのコーティングシステムで大幅に優れた分散性を示し、動的光散乱技術によって測定されるように凝集レベルが約30％減少することが示されています。
二酸化チタンの表面化学はもう1つの重要な要因です。 Tio₂粒子の表面には、ヒドロキシル基（-OH）などのさまざまな官能基を持つことができます。これらの表面グループは、周囲の培地や他の粒子と相互作用できます。多数のヒドロキシル基のために表面が非常に親水性である場合、水系ではよく分散する可能性がありますが、非水溶液の課題に直面する可能性があります。一方、表面が疎水性すぎる場合、水ベースの製剤では適切に分散しない場合があります。たとえば、主に親水性表面を持つ二酸化チタンは、水中で良好な初期分散性を示しましたが、少量の有機溶媒の添加時にすぐに凝集しました。表面のグラフトやコーティングなどの技術を通じて表面化学を変更すると、分散性が大幅に向上する可能性があります。研究により、疎水性ポリマーをTio₂ナノ粒子の表面に移植することにより、有機溶媒ベースのインクシステムでのそれらの分散性が強化され、顕微鏡下で観察される大きな凝集体の形成が50％以上減少することが実証されています。
静電相互作用は、Tio₂の分散性にも影響します。多くの場合、Tio₂粒子は、培地のpHに応じて表面電荷を取得できます。等電点（IEP）として知られる特定のpH値では、粒子の正味表面電荷はゼロです。 IEPの周りでは、粒子は有意な静電反発がないために凝集する可能性が高くなります。たとえば、二酸化チタンの一般的なタイプの等電点はpH 6前後です。分散培地のpHが6に近い場合、Tio₂粒子は一緒に凝集する傾向があります。ただし、pHをIEPからより酸性またはよりアルカリ性領域のいずれかに調整することにより、粒子間で静電反発を誘導することができ、それにより分散性が向上します。 Tio₂ベースの塗料製剤に関する研究では、pH 4（酸性領域）で分散のpHを維持することにより、Tio粒子の集積が大幅に減少し、pHがIEPに近いときと比較して、隠れパワーを備えたより滑らかな塗料フィルムにつながることがわかりました。
二酸化チタンを効果的に使用するための適切な分散性の重要性を考えると、いくつかの戦略が開発され、調査されています。
表面修飾は、Tio₂の分散性を改善するための強力なアプローチです。前述のように、表面化学を変更すると、粒子と周囲の培地の相互作用が変化する可能性があります。一般的な方法の1つは、ポリマーまたは他の官能分子がTio₂粒子の表面に共有共有結合されている表面移植です。たとえば、ポリエチレングリコール（PEG）鎖をTio₂ナノ粒子の表面に移植すると、それらをより親水性にし、水系の分散性を向上させることができます。別の手法は、異なる材料の薄い層がTio₂粒子の表面に堆積する表面コーティングです。プラスチックで使用される二酸化チタンの場合、シランカップリング剤で粒子をコーティングすると、プラスチックマトリックスとの互換性を高め、プラスチック内の分散性を向上させることができます。研究により、特定のシラン結合剤を備えたTio粒子をコーティングすることにより、Tio₂粒子の分散が改善されたため、得られたプラスチック複合材の引張強度が約20％増加し、複合材料の全体的な機械的特性が改善されました。
分散剤は、二酸化チタンなどの微粒子材料の分散性を改善するために特異的に設計された物質です。それらは、粒子と周囲の培地間の表面張力を減らし、立体的または静電的な安定化を提供することによって働きます。アニオン性、カチオン性、非イオン性分散剤など、さまざまな種類の分散剤が利用可能です。たとえば、アニオン性分散剤は、Tio -粒子に負の電荷を提供することにより機能し、静電反発により互いに反発します。 Tio₂を含むコーティング製剤では、アニオン分散剤の使用は、粒子サイズ分析で測定されたように、粒子の凝集を最大40％減らすことができました。一方、非イオン性分散剤は、主に立体障害を通じて機能します。それらは、ティオ粒子を囲み、互いに密接に接触するのを防ぐ長いポリマー鎖を持っています。 Tio₂ベースのインクシステムに関する研究では、非イオン性分散剤が、印刷プロセス中にTio粒子の分散性を維持するのに非常に効果的であることがわかったため、より一貫した活気のある印刷品質が生じました。
機械的分散は、二酸化チタンの凝集体を分解し、その分散性を改善する別の方法です。これには、高速ミキサー、ボールミル、超音波デバイスなどの機械装置の使用が含まれます。高速ミキサーは、大きな凝集体を小さな粒子に分解できる強いせん断力を提供できます。たとえば、Tio₂が組み込まれているプラスチックの複合プロセスでは、3000 rpmの回転速度で10分間高速ミキサーを使用すると、顕微鏡で測定された凝集体の平均サイズを約50％削減できました。ボールミルは、ボールなどの研削媒体と一緒に粒子を研磨することで働きます。一方、超音波デバイスは、超音波波を使用して、凝集体を分解できる激しい局所力を破裂させ、生成するキャビテーション気泡を作成します。 Tio₂を含む水ベースの塗料製剤に関する研究では、20 kHzの頻度で5分間の超音波処理は、肉眼で観察されたように、可視凝集体の数が約60％減少すると、Tio粒子の分散性を大幅に改善することができました。
上記の戦略の有効性をさらに説明するために、いくつかの実際のケーススタディを見てみましょう。
コーティング製造会社では、使用する二酸化チタンの分散性が低いため、白いコーティングの品質に問題に直面していました。 Tio₂粒子は凝集しており、コーティングされた表面で粗く不均一な仕上げにつながりました。この問題に対処するために、彼らは最初にtio粒子の表面化学を分析し、それらが比較的親水性であることを発見しました。彼らは、表面修飾と分散剤の組み合わせを使用することにしました。彼らは、コーティング樹脂との互換性を向上させるために、シランカップリング剤でTio₂粒子をコーティングし、分散性をさらに高めるために陰イオン分散剤を追加しました。これらの変更を実装した後、Tio粒子の凝集は大幅に減少しました。結果として得られるコーティングは、より滑らかな仕上げをしており、隠しパワーと光沢が改善されました。製品に対する顧客満足度も大幅に増加し、コーティング会社の市場シェアが増加しました。
プラスチック製造業者は、白色を実現するために、ポリエチレン（PE）製品に二酸化チタンを取り入れていました。しかし、彼らは、ティオ粒子が最終製品の機械的特性に影響を与えているプラスチックマトリックス内に均等に分散していないことに気付きました。この問題を解決するために、彼らは機械的分散を選択し、それに続く表面修飾を選択しました。彼らは最初に高速ミキサーを使用して、Tio₂粒子の凝集体を分解しました。次に、残りの粒子の表面にポリエチレングリコール（PEG）鎖を接ぎ木して、それらをより親水性にし、PEマトリックス内の分散性を向上させました。その結果、最終的なプラスチック製品の破損時の引張強度と伸長が改善されました。また、製品にはより均一な白色があり、顧客にとって非常に望ましいものでした。これにより、市場におけるプラスチック製造業者の競争力が向上しました。
インク製造業では、二酸化チタン色素の分散性が低いため、企業は白インクの印刷品質に問題がありました。 Tio₂粒子は、印刷プロセス中に凝集しており、印刷ヘッドと一貫性のない印刷色に詰まりました。この問題を克服するために、彼らは超音波治療とともに非イオン分散剤を使用しました。非イオン性分散剤をインク製剤に加えて、貯蔵および取り扱い中のTio粒子の分散性を維持しました。その後、超音波治療を印刷する直前に適用して、残りの凝集体をさらに分割しました。これらの測定を実装した後、白インクの印刷品質が大幅に改善されました。プリントヘッドは詰まったままで、色はより一貫性があり活気がありました。これにより、顧客満足度が向上し、インク会社のビジネスを繰り返しました。
二酸化チタンを組み込んだ高品質の製品の需要が拡大し続けるにつれて、この重要な顔料の分散性をさらに改善するための有望な研究開発領域がいくつかあります。
研究者は、新しい高度な表面修正技術を常に調査しています。たとえば、血漿処理を使用してTio₂粒子の表面を修正することは、積極的な研究の領域です。プラズマ処理は、従来の表面修飾方法と比較して、より制御された正確な方法で、粒子の表面にさまざまな官能基を導入できます。これは、さまざまなメディアでのより良い分散性につながる可能性があります。もう1つの新たな手法は、層ごとのアセンブリを使用して、Tio粒子に複雑な表面構造を構築することです。材料と堆積の順序を慎重に選択することにより、周囲の培地と最適な相互作用を持つ表面を作成し、それにより分散性を向上させることができます。予備研究では、層ごとのアセンブリを使用してTio₂ナノ粒子の表面を変更すると、水系と非水系の両方で凝集が大幅に減少する可能性があり、化粧品や電子機器などのさまざまな産業で潜在的な用途があることが示されています。
新規分散剤の発達は、もう1つの焦点の領域です。科学者は、さまざまなメディアとの互換性の向上、凝集の減少における効率の向上、長期的な安定性など、特性が強化された分散剤の作成に取り組んでいます。たとえば、バイオベースの分散剤は、従来の化学分散剤の代替として調査されています。これらのバイオベースの分散剤は、植物や微生物などの再生可能な供給源に由来することができます。彼らは、環境への影響の低下や生分解性の向上などの利点を提供する場合があります。最近の研究では、植物抽出物に由来するバイオベースの分散剤を、Tio₂ベースの塗料製剤でテストしました。結果は、バイオベースの分散剤がTio粒子の凝集を従来の化学分散剤と同様に減らすことができたが、長期的には環境に有益である可能性のある生分解性特性を示すことができることを示した。
将来的には、二酸化チタンの分散性を改善する最も効果的な方法は、複数の戦略の統合によって行われる可能性があります。たとえば、表面修飾と分散剤の使用と機械的分散を組み合わせることで、より包括的なソリューションを提供する可能性があります。最初にTio₂粒子の表面を変更し、分散剤を追加して分散性をさらに高め、最終的に機械的分散を使用して残りの凝集体を分解することにより、高度に分散した安定したTioシステムを達成できます。この統合アプローチは、いくつかの予備研究で効果的であることが示されています。たとえば、エレクトロニクスアプリケーション用のTio₂ベースの複合材料に関する研究では、表面修飾（シランカップリング剤を使用）、アニオン性分散剤の使用、および超音波処理（機械的分散）を統合することにより、Tio粒子の分散性が大幅に改善され、電子材料のパフォーマンスが発生します。
結論として、二酸化チタンの分散性は、さまざまな業界でのパフォーマンスと応用に影響を与える重要な要因です。不十分な分散性は、最終製品の品質の凝集とその後の劣化につながる可能性があります。粒子のサイズと形状、表面化学、静電相互作用など、Tio₂の分散性に影響を与える要因を調査しました。また、表面の修飾、分散剤の使用、機械的分散など、分散性を改善するためのさまざまな戦略についても議論しました。現実世界のケーススタディを通じて、これらの戦略の実際の実装と有効性が見られました。先を見据えて、高度な表面修正技術、新しい分散剤の開発、複数の戦略の統合などの将来の視点は、二酸化チタンの分散性をさらに改善するための有望な手段を提供します。この地域での継続的な研究開発は、この重要な色素を組み込んだ高品質の製品に対する需要の高まりを満たすために不可欠です。
