高せん断分散では材料の安定性を長期間維持することがなぜ難しいのでしょうか?

高せん断分散における材料の安定性維持の中心的な課題は、その物理的作用メカニズムと材料特性の相互作用にあります。これは具体的には以下のように現れます。

1. 機械的応力による粒子表面エネルギーの変化

高せん断分散中、粒子はステーターとローターの隙間で強いせん断、衝撃、そして遠心力による押し出しを受け、表面エネルギーが増加します。凝集体は速やかに破壊されますが、表面エネルギーの高い粒子はファンデルワールス力によって再吸着されやすく、二次凝集を引き起こします。例えば、HDPEマトリックスに分散されたナノ炭酸カルシウムは、初期には良好に分散しますが、表面活性の上昇により保管中に凝集が発生します。

2. 分散剤の破壊や相変化につながる熱の影響

高せん断プロセスにおける摩擦熱は、特にステーターとローターのギャップが狭い場合、50℃を超えることがあります。高温は分散剤分子の吸着層を破壊する可能性があります。例えば、ポリエステル系分散剤は加熱により脱着または分解し、安定化効果を失う可能性があります。さらに、高分子ポリマーなどの熱に弱い材料は架橋または分解し、システムのレオロジー特性を変化させる可能性があります。

3. 分散剤の不均一な分布と動的平衡の破壊

高速撹拌は分散剤の分布を不均一にする可能性があります。高分子分散剤は、せん断力によって鎖が切断され、安定化効果が失われる可能性があります。また、過剰な濃度は「ブリッジング効果」を引き起こし、凝集を促進する可能性があります。装置が停止すると、せん断力による動的平衡が崩れ、ブラウン運動による粒子の移動と凝集を引き起こします。

4. 粒子形態と界面特性の不可逆的な変化

高せん断は粒子に損傷を与え、表面粗さを増加させたり、結晶形態を変化させたりする可能性があります。例えば、高せん断によって粉砕されたタルク顔料は、その端に亀裂が生じ、表面積が増加して不純物の吸着が促進されます。また、シリコーンオイルベースの分散媒は、複数回のせん断を受けると粘弾性を失い、粒子を包み込む能力が低下します。

5. プロセスパラメータと装置設計の制限

ステーターとローターのギャップ、回転速度、せん断時間は分散に直接影響します。ギャップが狭すぎる場合や回転速度が速すぎる場合、粒子は急速に微細化されます。しかし、せん断速度が臨界値を超えると、乱流域での粒子衝突の可能性が高まります。例えば、ポリプロピレン/ポリスチレンブレンドの回転速度が720rpmを超えると、過度のせん断によって界面の結合強度が弱まり、衝撃靭性が低下します。