DLVO理論と分散・凝集、相溶性の影響について

材料開発の現場において、多くの技術者を悩ませる「凝集」。
なぜ粒子は、私たちの意図に反して引き寄せ合い、固まってしまうのでしょうか。その答えは、ナノ・ミクロの世界に存在する「見えない力」の相互作用に隠されています。

この記事では、「フィラー分散技術」に関し、小長谷重次先生のご協力を賜り、分散の根底にある物理化学的なメカニズムを詳しく解説しております。

本記事は、全4回にわたる連載の第2回です。
第1回 <材料を知る>：フィラーの種類と特徴、無機フィラー・有機フィラーの分類
第2回 <理論を知る>：DLVO理論と分散・凝集、相溶性の影響について（本記事）
第3回 <装置を使う>：フィラー表面処理と分散剤の選び方、シランカップリング剤について
第4回 <結果の検証>：SEM観察など分散性評価手法・応用事例

今回のメインテーマは、分散状態を科学的にコントロールするための理論的背景です。
粒子の沈降を記述する「アインシュタイン–ストークスの式」から、静電気的な反発と引力のバランスを解き明かす「DLVO理論」、そして高分子による「立体障害効果」まで、分散の成否を分ける支配因子を網羅します。

経験や勘に頼りがちな分散工程を、「確かな論理」へとアップデートする。
本ページが、ナノ・ミクロ領域における現象の理解を深め、皆様の高度な材料設計とプロセス最適化における指針となれば幸いです。

スラリー中の微粒子は、図3.1に示すように、さまざまな凝集構造を形成しやすい。

図3.1　粒子間強さの異なる凝集構造

液体中では、弱い結合でまとまった粒子群、より強く結合した粒子群、さらに糸状あるいは網目状に集合した構造など、複数の凝集形態が存在する。これらの凝集体を一次粒子に近い状態まで分散させることが、分散操作の基本的な目的である。特に、強固に結合した凝集体は分散操作の主な対象となるため、その凝集力を低減する技術が重要となる。フィラーの分散・凝集状態を正しく理解し適切に制御することは、塗料、インク、化粧品、医薬品など多くの分野で製品品質と機能を左右する重要な要素である。
本章では、分散や凝集を支配する代表的な理論として、アインシュタイン–ストークスの式、DLVO理論、立体障害効果、相溶性を取り上げる。まず、アインシュタイン–ストークスの式では、粒子径、液体の粘度、密度差などが分散安定性に及ぼす影響を理解できる。次にDLVO理論では、粒子間に働くファンデルワールス引力と静電反発力のバランスから、粒子が分散するか凝集するかを説明する。さらに、分散剤や高分子の吸着によって生じる立体障害効果は、粒子同士の接近を抑制し、分散安定化に寄与する。加えて、粒子表面と媒体との相溶性は、界面エネルギーや分散安定性に大きな影響を与える。これらの考え方を組み合わせて理解することが、均一に分散した高機能材料の設計に不可欠である。
以上のように、フィラーの分散や凝集を左右する要因を理解し、適切に制御することは、材料特性の向上と新機能の付与に直結する。今後の高機能材料開発においても、これらの知識と技術は重要である。

3.1 アインシュタイン–ストークスの式に基づく分散安定性（表3.1、図3.2）

液体中の微粒子は、周囲の液体分子との衝突によって不規則に運動しており、この現象をブラウン運動という。ブラウン運動が活発であるほど、粒子は互いに凝集しにくく、分散状態を維持しやすい。すなわち、微粒子は液体中で常にランダムに動いており、この運動が粒子同士の接触・凝集を抑制する方向に働く。
粒子の拡散係数Dは、アインシュタイン–ストークスの式によって次のように表される。
D=（k_B・T）/（6πηr）
ここで、k_Bはボルツマン定数（1.38×10^-23 J/K）、Tは絶対温度（K）、ηは液体の粘度（Pa·s）、rは粒子の半径（m）である。
この式から、拡散係数Dは粒子半径rに反比例することが分かる。すなわち、粒子が小さいほど拡散係数は大きくなり、ブラウン運動はより活発になる。例えば、粒子径が10分の1になると拡散係数は10倍となる。このため、微粒子ほど液体中で移動しやすく、分散状態を維持しやすい。

一方で、液中での微粒子分散安定性は、ブラウン運動と重力沈降との競合によって決まる。粒子には重力による沈降力も作用する。ストークスの法則によれば、沈降速度vは次の式で表される。
v=（2/9）・（ρ_p−ρ_f）・g・r²/η
ここで、ρ_pは粒子の密度、ρ_fは液体の密度、gは重力加速度である。

沈降速度は粒子半径の2乗に比例するため、粒子が小さくなるほど重力沈降の影響は急速に小さくなる。したがって、微粒子ほど沈降しにくく、分散状態を維持しやすい。
これらの式から、例えば酸化チタン／水スラリーにおける分散安定性の指標を導くことができ、その結果を表3.1、図3.2に示す。

図3.2　酸化チタン粒子の水中分散安定性－粒子径と支配的な力の関係－

酸化チタン粒子径が約1μｍ以下（図3.2の交差点＝0.75μm）になると、ブラウン運動の寄与が重力沈降を上回り、分散状態は安定化しやすくなる。さらに、粒子径が100 nm以下のナノ粒子では、ブラウン運動が支配的となり、重力沈降の影響はほぼ無視できる。一方で、粒子径が極端に小さくなると凝集しやすくなるため、分散剤の添加や表面処理などの工夫が必要となる。熱エネルギーが粒子間引力や沈降の影響を上回ることも、分散状態の維持に寄与する。
また、微粒子の分散や凝集は粒子間に働く相互作用によって決まる。表3.2に示すファンデルワールス力、静電気相互作用、立体障害効果、架橋形成作用などが関係している。これらの理論については、次の項目で詳しく説明する。

3.2 DLVO理論に基づく分散安定性

1）DLVO理論の概要

DLVO理論は、コロイド粒子や微粒子が液体中で安定に分散するか、あるいは凝集するかを説明する代表的な理論である。粒子間に働く相互作用を定量的に扱える点が特徴である。
DLVO理論は、Derjaguin、Landau、Verwey、Overbeekによって提唱された。液体中の荷電粒子には、粒子同士を引き寄せるファンデルワールス引力と、同符号の電荷に由来する静電反発力が働く。分散の安定性は、この二つの力のバランスによって決まる。
分散系の安定性を評価するには、ファンデルワールス引力と静電反発力の大きさおよびその距離依存性を理解することが重要である。粒子径、表面電荷、液体のイオン強度などの条件によって、分散状態が安定か、あるいは凝集しやすいかを理論的に予測できる。粒子間の全相互作用エネルギーは、両者の和として表される。
\[ V_{\text{total}} = V_A + V_R \] ここで、V_Aはファンデルワールス引力エネルギー、V_Rは静電反発エネルギーである。

DLVO理論は、コロイド粒子の安定性や凝集挙動を理解するうえで基礎となる考え方であり、分散剤設計や表面処理の検討にも広く用いられている。

2）ファンデルワールス引力とその特徴

球形粒子（半径r）同士のファンデルワールス引力エネルギーは、粒子間距離hが粒子半径より十分小さい場合、次の式で近似できる。
\[ V_A = -\dfrac{A r}{12h} \] ここでAはハマカー定数と呼ばれる物質固有の定数であり、典型的には10^-20〜10^-19 Jである。
この式から、ファンデルワールス引力は粒子間距離が短いほど急激に大きくなり、粒子が大きいほど引力も大きくなることが分かる。

3）静電反発力と電気二重層（図3.3）

液体中の粒子表面は帯電していることが多い。例えば酸化物粒子は、水中でpHに応じて正または負に帯電する。同符号に帯電した粒子同士は反発し合う。また、粒子表面の周囲には反対符号のイオンが集まり、電気二重層が形成される。この電気二重層が重なり合うことで、静電反発力が生じる。
同じ球形粒子同士の静電反発エネルギーは、次の式で表すことができる。
\[ V_R = 2\pi \varepsilon r \psi_0^2 \exp(-\kappa h) \] ここで、ε：液体の誘電率、ψ₀：表面電位、κ：デバイ－ヒュッケルパラメータ（電気二重層の逆数的厚さ）、h：粒子間距離である。
なお、上記デバイ－ヒュッケルパラメータは次のように定義される。
\[ \kappa = \sqrt{\dfrac{2e^2 N_A z^2 I}{\varepsilon \, k_{\mathrm{B}} T}} \] e：電気素量、N_A：アボガドロ定数、z：イオンの価数、I：イオン強度、k_B：ボルツマン定数、T：絶対温度である。

イオン強度が高くなると電気二重層は圧縮され、反発力が及ぶ距離は短くなる。そのため、電解質濃度が高い系では静電反発力が弱まり、分散安定性は低下しやすい。
静電的な反発挙動は粒子径にも依存する。ナノ粒子では対イオンのサイズが粒子径に近づくため、粒子間から対イオンが拡散しやすくなり、結果として反発力が弱まりやすい。そのため、ナノ粒子は凝集しやすい傾向を示す（図3.3）。

図3.3　粒子間電荷反発（斥力）の粒子径依存性模式図

4）エネルギー障壁と分散安定性（図3.4）

二粒子間の全相互作用エネルギーVを粒子間距離Hの関数として表すと、特徴的なエネルギー曲線が得られる（図3.4）。

図3.4　DLVO理論に基づくエネルギー曲線

静電反発力が十分に大きい場合には、ある距離にエネルギー障壁（極大値）が現れる。この障壁が粒子の熱運動に由来するエネルギーより十分高い場合、粒子は容易に接近できず、分散状態が維持される。
このエネルギー曲線には、粒子が接触した位置に一次極小、やや離れた位置に二次極小が現れることがある。二次極小に対応する凝集は比較的弱く、可逆的なフロック形成として現れる。
粒子表面電位を直接測定することは難しいため、実際にはゼータ電位（ζ）がよく用いられる。一般に、ゼータ電位の絶対値が30 mV以上であれば、十分なエネルギー障壁が形成され、分散安定性は高いと判断される。

3.3 立体効果（立体障害効果）

1）立体安定化とは

立体安定化は、粒子表面に高分子鎖を直接結合させる、あるいは高分子鎖を含む界面活性剤や分散剤を粒子表面に吸着させることで、粒子同士の接近や凝集を抑制する方法である。これは、DLVO理論で説明される静電的反発とは異なり、塩濃度が高い系や水以外の有機溶媒中でも安定した分散状態を維持しやすい特徴を持つ。化粧品、塗料、医薬品、食品など幅広い分野で利用されている。

2）立体反発力が生じる過程

粒子間距離が十分に大きいとき、高分子鎖は自由に広がり、多様な配置をとることができる。この状態ではエントロピーが高く、系は安定である。乳液やエマルション系分散体は、高分子や界面活性剤の作用によって安定化される代表例である。
粒子が接近すると、高分子鎖同士が接触し始める。この段階では反発力はまだ小さいが、高分子鎖が重なり合うことで、粒子がさらに近づくことが抑制される。
粒子がさらに接近すると、高分子鎖は狭い空間に押し込められ、運動の自由度が制限される。このとき系の自由エネルギーは上昇し、高分子鎖は元の自由な状態へ回復しようとする。その結果、粒子同士を押し離す強い反発力が生じる。この現象は、乳液やインク分散体が長期間分離しにくい一因となる。こうした反発力には、主として次の二つのメカニズムが関与している。

3）反発力の二つのメカニズム（図3.5、図3.6）

立体反発力は、主として次の二つのメカニズムが同時に作用することで生じる。

① 浸透圧効果（混合効果）
高分子鎖が重なり合う領域では、高分子の局所濃度が上昇する。良溶媒中では、高分子は溶媒分子に囲まれた状態の方が安定であるため、高分子同士が接近すると元の安定状態へ戻ろうとして溶媒分子をその領域へ引き込む。この結果、生じた浸透圧が粒子を押し離す反発力として働く。この効果が十分に発現するには、溶媒が良溶媒であることが必要であり、貧溶媒では逆に粒子同士が接近・凝集しやすくなる。

② 弾性効果（エントロピー効果）
高分子鎖は自由な状態でエントロピーが高いが、圧縮されると自由度が低下し、エントロピーが減少する。したがって、圧縮された高分子鎖は元の自由な状態へ回復しようとする。この回復力が粒子同士を押し離す反発力として働く。圧縮されたばねが元に戻ろうとする挙動に近いと考えると理解しやすい。

③ 相乗作用
浸透圧効果と弾性効果が同時に働くことで、強い立体反発力が発現し、粒子は一定の距離を保ちやすくなる。その結果、分散状態は安定化する。立体安定化は、食品、化粧品、塗料、医薬品用分散剤など、さまざまな分野で活用されている。

図3.5　浸透圧効果、エントロピー効果と立体安定化のポイント

図3.6　高分子吸着に基づく立体安定化効果によるフィラー分散模式図

3.4 相溶性

フィラーの分散を安定化するためには、アインシュタイン–ストークスの式やDLVO理論、立体効果などの物理化学的要因に加えて、フィラー表面処理剤と媒体（溶媒やポリマー）との相溶性も重要である。相溶性が高い場合には界面エネルギーが低下し、フィラーは均一に分散しやすくなる。一方、相溶性が低い場合にはフィラーが再凝集しやすく、安定した分散状態を維持しにくい。ここでは、フィラー分散における相溶性の重要性を二つの観点から述べる。

1）相溶性の概念と分散安定性への影響

① 相溶性とは
相溶性とは、異なる物質どうしが均一に混和しやすい性質を指す。フィラー分散では、フィラー表面処理剤と媒体（溶媒やポリマー）の相溶性が高いと界面エネルギーが低下し、フィラーは凝集しにくく、均一に分散しやすくなる。

② 相溶性が低い場合の課題
一方、相溶性が低い場合には、フィラーと媒体の界面張力が高くなり、フィラーは再凝集しやすくなる。その結果、分散安定性が低下し、製品物性や品質の均一性が損なわれることがある。

2）溶解度パラメーターによる相溶性の評価

① 溶解度パラメーターの活用
相溶性を数値で評価するためには「溶解度パラメーター（SP: Solubility Parameter）」を使うことが多い。とくにハンセン溶解度パラメーター（HSP）は、分散力・双極子力・水素結合力の三つの要素で物質間の相溶性を判断できる指標である。これにより、フィラー表面処理剤と媒体の適合性を予測できる。

② 溶解度パラメーターと分散設計
フィラー表面処理剤と媒体の溶解度パラメーターが近いほど、両者は良好に親和し、分散は安定しやすくなる。逆に、パラメーター差が大きい場合には相溶性が低下し、分散は不安定になりやすい。そのため、溶解度パラメーターを用いて適切な組み合わせを選定することは、効率的な分散設計に有効である。

このように、フィラー分散の安定化には物理化学的理論だけでなく、フィラー表面処理剤と媒体との相溶性の理解が欠かせない。両者の適合性を事前に評価することで、分散安定性の向上と製品品質の均一化に役立てることができる。

3.5 分散安定化要因の比較（表3.3）

表3.3には、アインシュタイン–ストークスの式、DLVO理論、立体効果、相溶性という四つの分散安定化要因の特徴を比較して示した。アインシュタイン–ストークスの式は、粒子の物理的性質に基づいて拡散や沈降を説明する。DLVO理論は、粒子表面電荷とイオンに由来する静電相互作用のバランスから、水系分散の安定性を考える代表的な理論である。立体効果は、高分子や界面活性剤が粒子表面に吸着し、浸透圧効果やエントロピー効果によって粒子同士の接近を抑制する考え方であり、電解質濃度やpHの影響を受けにくい。相溶性は、フィラー表面と媒体との親和性や界面エネルギーの低減に基づいて分散安定性を考えるものであり、水系・有機系のいずれにも適用できる。実際には、電解質への耐性、pH依存性、温度依存性、用途などを考慮し、目的に応じて適切な分散安定化法を選択することが重要である。

4.1 フィラー特性の分散・凝集性への影響（表4.1、図4.1）

フィラーの分散性や凝集性は、フィラー自体の特性によって大きく左右される。フィラーの性質や構造を理解することは、分散プロセスを適切に設計し、材料性能を調整するうえで重要である。図3.1に示したように、フィラーの凝集構造では、アグロメレートと呼ばれる粒子集合体が比較的弱い力（ファンデルワールス力や静電相互作用など）で結合している。これらは機械的分散操作や分散剤の添加によって、より細かい一次粒子に近い状態まで解ほぐすことができる。したがって、実際の分散工程では、アグロメレートの解ほぐしが分散品質を大きく左右する。
フィラーの分散や凝集を制御するには、「組成」「形状」「大きさ」「L/D（長さ／直径比、アスペクト比）」「表面の性質」など、複数の物理化学的要素を総合的に考える必要がある（表4.1）。

※「大きさ」について：小粒径ではブラウン運動による分散促進効果と、比表面積増大による凝集促進効果が競合する。分散剤や表面修飾により凝集を抑制し、ブラウン運動の効果を活かすことが重要である。

図 4.1 　凝集構造の強さと分散の難易度模式図（Aggregates vs Agglomerates）

以下に、それぞれの要素について述べる。

1）組成

フィラーの組成は、ポリマーとの相溶性に大きく影響する。一般に、有機フィラーは有機性ポリマーと相溶しやすく、比較的均一に分散しやすい。一方、無機フィラーは多くの場合、ポリマーとの相溶性が低いため、分散しにくい傾向を示す。相溶性が低いと、フィラーはポリマー中で凝集しやすくなり、材料性能の低下につながることがある。しかし、フィラー表面を化学的に修飾したり、適切な分散剤を用いたりすることで界面親和性を高め、分散性を改善できる。したがって、用途に応じてフィラーの組成と表面処理方法を適切に選定することが重要である。

2）形状（表4.2）

フィラーの形状には、不定形、球状、繊維状、板状、中空状、多孔質状などがあり、形状によって材料の特性や用途が大きく異なる。例えば、粒状や球状のフィラーは比較的分散しやすく、多くの樹脂や塗料に適用しやすい。繊維状や針状のフィラーは強度や剛性の向上に有効であり、自動車部材や建築材料などに用いられる。板状フィラーは層状構造により、ガス遮断性、断熱性、絶縁性などの機能を付与しやすい。
中空状フィラーは軽量性と断熱性に優れ、多孔質状フィラーは高い吸着性を有するため、ろ過材や吸着材などに利用される。さらに、紡錘状、立方状、金平糖状などの特殊形状フィラーは、特定機能を持つ機能性材料や磁性材料などで重要な役割を果たす。
形状はフィラーの分散性にも大きく関わる。例えば、繊維状フィラーでは長さと太さの比（L/D）が大きいほど、粒子同士が絡みやすく、液体中で均一に分散しにくくなる傾向がある。
また、板状フィラーでは、材料によってはπ－πスタッキングなどの相互作用により再凝集しやすく、分散が難しくなる場合がある。
このように、フィラーの形状は用途や付与機能を左右するだけでなく、液体やポリマー中での分散性にも大きく影響する。形状の違いが用途と分散性の違いを生む点を理解することが重要である。

3）粒径・粒度分布（表4.3）

充填材用フィラーの粒径は、ミリメートル（mm）、マイクロメートル（μm）、ナノメートル（nm）まで広がっている。粒度分布としては、粒径に幅のある多分散体が一般的であるが、用途によっては粒径のそろった単分散体が求められる場合もある。フィラーの粒径と粒度分布は、機能発現だけでなく分散性にも大きく影響する。一般に、同一材料であれば粒子が大きいほど分散しやすく、小さいほど凝集しやすい。また、粒度分布の幅が広いほど凝集が起こりやすい傾向がある。
粒子が小さくなると比表面積が大きくなり、ファンデルワールス力や静電相互作用などの粒子間力が働きやすくなる。そのため、微粒子ほど粒子同士が凝集しやすい。一方、粒子が大きい場合は表面積が相対的に小さく、粒子間力の影響が弱くなるため、分散しやすい傾向を示す。
粒径のばらつきが大きい系では、小粒子が大粒子の隙間に入り込みやすく、結果として凝集が進みやすい。これに対し、単分散系では粒子間距離が比較的均一に保たれるため、再凝集しにくく、分散状態を維持しやすい。
以上のことから、粒径と粒度分布は分散性や凝集性に密接に関係するため、用途や材料設計に応じて適切な粒径・粒度分布を選定することが重要である。

4）表面性状（表4.4）

酸化物、金属塩、有機フィラーは、それぞれ異なる表面特性を持っており、その違いが分散性や表面処理方法の選定に影響する。
① 酸化物フィラーは表面に水酸基（-OH基）を多く持ち、一般に親水性が高い。そのため、水系や親水性ポリマー中では比較的分散しやすいが、疎水性ポリマー中では分散しにくい。
② 金属塩フィラーは表面がイオン性であることが多く、水中で分散しやすい一方、粒子間で静電相互作用が働きやすく、凝集が起こる場合がある。そのため、分散安定化には追加の工夫が必要となる。
③ 有機フィラーには疎水性と親水性の両方のものがあり、疎水性フィラーは油系ポリマーや疎水性樹脂に、親水性フィラーは水系や親水性樹脂に分散しやすい。ただし、実際の分散性はフィラーの化学構造や表面官能基によって異なる。
なお、フィラー表面の性質は、後述する表面処理によって調整することができる。

4.2 分散媒体（溶媒、ポリマー、樹脂など）

分散媒体は、フィラーの分散性や再凝集挙動に大きく関わる要素である。分散媒体の種類や性質によって、フィラー粒子がどの程度均一に広がり、その状態を維持できるかが変わる。そのため、材料設計や用途に応じて適切な分散媒体を選択することが重要である。

1）相溶性（表4.5）

フィラーを分散させる液体や樹脂では、分散媒体とフィラーとの相溶性が重要である。一般に、分散媒体とフィラーの性質が近いほど、フィラーは均一に分散しやすい。例えば、親水性フィラーは水や親水性樹脂に、疎水性フィラーは油系溶媒や疎水性樹脂に分散しやすい。そのため、まずフィラーと分散媒体の特徴を把握する必要がある。フィラーの親水性・疎水性は、主に次の観点から判断できる。
① フィラー表面の官能基：水酸基（–OH）やカルボキシ基（–COOH）が多い場合は親水性、メチル基（–CH₃）や長鎖炭化水素基が多い場合は疎水性を示しやすい。
② 接触角：水滴をフィラー表面に付与したとき、接触角が小さい場合は親水性が高く、大きい場合は疎水性が高いと判断できる。
③ 水への分散性：水中で均一に分散しやすい場合は親水性が高く、浮遊や沈降が起こりやすい場合は疎水性が高いと考えられる。
フィラーがどの分散媒体と適合しやすいかは、両者の性質から判断できる。したがって、フィラーの親水性・疎水性に応じて適切な分散媒体を選定することが必要である。
親水性フィラーは水や水系樹脂との親和性が高い。これらのフィラーは–OHや–COOHなどの親水性官能基を多く持つため、水系媒体中で比較的均一に分散しやすい。
一方、疎水性フィラーは油性溶媒や疎水性樹脂との相溶性が高い。これらのフィラーは–CH₃や長鎖炭化水素基を多く持つため、油系媒体中で再凝集や沈降が起こりにくく、均一に分散しやすい。
逆に、フィラーと分散媒体の相溶性が低い場合には、フィラーは媒体となじみにくく、凝集や沈降が起こりやすくなる。このような場合には、分散剤の添加や表面処理によって界面親和性を調整する必要がある。
このように、フィラーと分散媒体との適合性は、分散の成否を左右する重要な要因である。実際の材料設計では、両者の性質を十分に検討し、最適な組み合わせを選ぶことが求められる。

2）粘度

分散媒体の粘度は、フィラー粒子の移動性、沈降挙動、分散状態の維持に直接関係する。一般に、粘度が高い分散媒体では粒子の沈降速度が低下し、均一な分散状態を保持しやすい。これは、粘度の上昇によって粒子の運動が抑制されるためである。一方、粘度が低い場合には粒子が移動しやすく、重力の影響を受けて沈降や偏析が生じやすくなる。
また、粒子径も沈降挙動に大きく影響する。一般に、微細粒子はブラウン運動の寄与が大きく、分散状態を維持しやすいのに対し、粒径が大きい粒子は重力沈降の影響を受けやすい。そのため、大きなフィラー粒子を用いる場合には、分散媒体の粘度を適切に高めることで沈降を抑制し、均一な分散を実現しやすくなる。したがって、実際の材料設計では、フィラーの粒径、用途、加工性を考慮しながら、適切な粘度を持つ分散媒体を選定することが重要である。

3）極性

分散媒体の極性は、フィラー表面との相互作用や相溶性に大きく関わる。ここでいう極性とは、水のように極性が高く親水性を示す性質と、油のように極性が低く疎水性を示す性質を指す。一般に、フィラーと分散媒体の極性が近いほど界面親和性が高まり、粒子は均一に分散しやすい。逆に、極性差が大きい場合には界面エネルギーが高くなり、凝集や再凝集が起こりやすくなる。したがって、フィラーの表面特性に応じて適切な極性を持つ分散媒体を選択することが重要である。

4）分子構造および官能基

分散媒体の分子構造や含有官能基は、フィラー表面との相互作用に影響する。例えば、水酸基やカルボキシ基などを持つ分散媒体は、フィラー表面の親水性官能基と水素結合や極性相互作用を形成しやすい。その結果、界面親和性が高まり、分散安定性の向上につながる。したがって、フィラー表面の化学構造や官能基に応じて、それと親和性の高い分子構造を持つ分散媒体を選ぶことが有効である。

5）pHおよびイオン強度

水系分散では、pHやイオン強度（電解質濃度）がフィラーの表面電荷や電気二重層の状態に大きく影響する。適切なpHやイオン強度に調整することで、粒子間の静電反発力を高め、均一な分散状態を維持しやすくなる。一方、pHが等電点付近に近づいたり、イオン強度が過度に高くなったりすると、電気二重層が圧縮されて反発力が低下し、凝集が起こりやすくなる。したがって、水系分散ではフィラーの種類に応じてpHとイオン強度を適切に制御することが重要である。

執筆者：（公財）名古屋産業科学研究所　研究部
上席研究員（名古屋大学名誉教授）小長谷重次

第2回では、目に見えないナノ・ミクロの世界で粒子をバラバラに保つための「科学的なルール」を学びました。
しかし、現場にはもう一つの壁があります。「理論上は安定するはずなのに、なぜか凝集してしまう」「装置のパラメーターが多すぎて、どこから手をつければいいかわからない」といった、実装の課題です。

次回の第3回は、「装置・実践編」です。シランカップリング剤や分散剤をどのように使い分けるのか。そして、ビーズミル、ホモジナイザー、三本ロールミルといった「物理的な破壊力」をどうコントロールし、スケールアップの壁を乗り越えるのか。

理論を高品質な製品へと昇華させるための具体的な方法を詳しく解説します。モノづくりの手応えが最も感じられる実践パート、ぜひご期待ください。

1）森山登『分散・凝集の化学』産業図書，1995年
2）粉体工学会編『粉体工学ハンドブック』朝倉書店，2014年
3）技術情報協会企画編集『樹脂／フィラー複合材料の界面制御と評価』技術情報協会，2022年