第五回 分散性に及ぼす粒子表面の水分子の存在

前々回、「分散性」と「凝集力」について粒子間ポテンシャルを基に説明した。

その中で、「分散性」のパラメータは粒子-溶媒間の界面エネルギーや濡れ性であり、粒子同士の「凝集力」と表裏一体の関係にある。と述べたが、今回は、この界面エネルギーや濡れ性を科学的に捉える前に留意すべき「水の影響」に関する共通の認識を紹介しよう。


凝集力(London-van der Waals力)が概ね10nm以下の距離で働くので、以下のお話は粒子表面から10nm以内の距離にある領域に関係する。

一般に粒子が空気中に存在するときは、たとえ乾粉であろうとも表面には少なからず水分子が吸着している。

とくに表面に水酸基などが存在すると水素結合により水分子は一層強く相互作用している。

この水分子の存在は、粉体原料を扱う上で非常に厄介な問題を引き起こす場合がある。

例えば、以下のようなことを経験されたことはおありだろうか?


・製品に季節変動がある、 

・晴れの日と雨の日で製品の品質が異なる

・粉体原料の製造後の経過時間によって、できた製品の品質が異なる

・使用している有機溶媒との馴染みが日々異なる

・調製したスラリーの寿命がロットによって異なる(ロットによっては粘度がすぐに高くなる)

・調製したスラリーがゲル化してしまうことがある(粘性が大きく異なる)

・原料の仕入れ先を変えると、歩留まりが下がった


もし、扱われている粉体原料で上記のうち二つ以上の経験をされておられると、その場合、表面の水分子が関係していると判断してまずは間違いない。


例えば、有機溶媒に粉を分散させるときに、水分子が表面に吸着していると、この水分子は吸着したままで溶媒の有機分子と置き換われないことがある。

その場合に、粉表面は有機溶媒への親和性が低いので、粉表面にある水分子同士が集まってくる。すなわち水分子を介して粒子が凝集することになる。

したがって、表面水酸基の単位面積当たりの密度が異なる場合には、吸着している水分子の数や強さが異なるので凝集の程度も自ずと異なってしまう。

有機溶媒の極性の程度を考慮して適切な溶媒を分散媒として選んだつもりでも、実際には有機溶媒分子と直接、接しているのではなく、界面に水分子が存在して、界面状態を大きく変えてしまっている場合があるので注意して頂きたい。


*水素結合:分子間力は、分子同士や高分子内の離れた部分の間に働く電磁気学的な力で、

力の強い順に並べると、イオン間相互作用>水素結合>双極子相互作用>ファンデルワールス力、とされている。

したがって、水分子が粒子表面に水素結合で吸着している場合には、この力よりも強いイオン間相互作用を使わないと、水分子と置換されない。

すなわち溶媒との親和性は低いままで分散が進まない状況が現れる。

アニオン性界面活性剤やカチオン性界面活性剤が良く使われる理由は、このイオン間相互作用が効力を発揮して、水分子の悪影響を簡単に取り除いてくれるからである。


ちなみに、上記の四つの力はいずれも静電気的相互作用に基づく引力である。

イオン間相互作用、水素結合、双極子相互作用は永続的な+と-との電気双極子により生じるが、ファンデルワールス力は電荷の誘導や量子力学的な揺らぎによって生じた一時的な電気双極子により生じる。

永続的な電荷により引き起こされる引力や斥力は古典的なクーロンの法則で示されるように距離の逆二乗と電荷の量により決定づけられる。

3者の相互作用の違いはおもに関与する電荷量の違いであり、イオン間相互作用は、整数量の電荷が関与するため最も強い。水素結合は電荷の一部だけが関与するため、1桁弱い。

双極子相互作用はさらに小さな電荷によるため、さらに1桁弱くなる。