界面活性剤入門４（分散剤）

三洋化成では様々な機能を発揮する「界面活性剤」を取り扱っています。機能別に７本のショートムービー構成で紹介しています。   

界面活性剤の機能紹介動画の構成
0:00　界面活性剤の機能紹介 　
0:21　パート①　洗浄性（布の洗浄実験） 　
1:05　パート②　浸透性（疎水性繊維への浸透性付与の実験、不織布への浸透性付与の実験）
2:15　パート③　分散性（無機顔料の分散実験）　
3:00　パート④　起泡性（起泡剤添加の実験）　
3:25　パート⑤　消泡性（消泡剤添加の実験）　
3:44　パート⑥　平滑性（シートベルトの平滑性テスト）
4:25　パート⑦　抗菌性（抗菌剤添加の実験）   

分散剤による粒子への吸着と分散安定化作用

分散剤は、固体粒子と液体の両方に親和性のある化学構造を有し、粒子表面に吸着する官能基をもっています。
この吸着により、粒子表面は荷電をもった分散剤の吸着層で覆われ、粒子同士の静電反発力が大きくなり、分散安定化します。

例えば、下図に示すように、水に分散している粒子(A)の電荷と反対符号のイオン性基をもつ界面活性剤を添加すると、(B)のように親水部を粒子に向け反対側が親油部になる吸着層を形成するため、粒子は疎水性(親油性)となります。 これに各種の界面活性剤を加えると、それぞれ親油部が吸着層に、親水基を外側にした吸着が起こり、(C)(D)(E)のように粒子全体が親水化され、水にぬれやすくなると同時に静電反発が高まり、分散安定化します。

また、高分子型分散剤の場合には、この静電反発力に加え、高分子鎖の立体障害による反発力が加わるため、分散性はさらに向上します。

図　荷電粒子への界面活性剤の吸着

分散剤は、①高分子型分散剤、②界面活性剤型分散剤、③無機型分散剤（ポリリン酸など）の3つのタイプに分けられます。
各分散剤の特徴を下表にまとめます。

図　分散剤の作用機構モデル

分散剤は、分散しようとする粒子の性質(親水性の高い表面、疎水性の高い表面)や、分散媒の種類(水に分散、油に分散)によって多種多様の化合物が さまざまな分野で用いられています。

水が分散媒のときに重要なポイント

・水に溶け、分散させる粒子に吸着しやすい分散剤を選ぶ。 
・粒子径が細かくなるほど、凝集力が高まり難分散となるため、界面エネルギ 一を低下させるぬれ性に富んだ界面活性剤を併用するほうがよい。 
・粒子濃度が高い場合、立体障害による反発力が期待できる髙分子型が有効。

液体中に分散している粒子には、一般に2つの力が作用します。 

・粒子表面の電荷に基づく静電反発力
・ファン・デル・ワールスカ（凝集力）

粒子どうしが分散するか凝集するかは、この2つの力の兼ね合いによって決まります。表面の電荷が大きく、反発力が大きい場合には、分散状態は安定ですが、逆に凝集力が大きいと粒子は凝集し、粒子と分散媒の比重差で沈降し分離してしまいます。 

分散剤を選択する有用な方法として、HLB(Hydrophile-Lipophile Balance) があります。

これは界面活性剤の親水性/親油性の程度を表す数値であり、被分散物と分散剤の親和性を親水性-親油性(疎水性)のバランスからみるものです。すなわち、分散剤として被分散物のHLBに近いものを使用すれば、分散性がよい場合が多くなります。

特に、有機系顔料分散剤の選定には有用です。HLB の一例を下表に示します。HLBが低いほど親油性(疎水性)が強く、高いほど親水性が強い傾向にあります。 

高分子型分散剤は、顔料粒子表面に高分子が吸着し、保護コロイド効果と電荷によって、顔料等を安定に分散させることができます。

高分子型分散剤を選定するときは、その化学構造に加えて分子量にも注意が必要となります。
分子量が数十万を超えると凝集が起こりやすくなります。また分子量分布も分散効果に影響を与えることが知られています。

塗料の分類

塗料は、水系塗料(水性塗料)と非水系塗料に大別でき、それぞれ無機顔料系と有機顔料系に分類できます。
自動車、建築、船舶、機械、木工などの塗料として使用されますが、一般的に非水系は、耐水性や光沢性が要求される分野に使われます。

水系塗料は、樹脂エマルションと無機顔料が主成分であり、分散工程では分散剤、分散剤の働きを助けるための増粘剤、たれ防止剤、消泡剤など、また、 配合工程では防腐剤、消泡剤などの添加剤を加え塗料化されています。無機顔料は、 粒径0.01〜数μmの微粒子が数個〜数十個集まった凝集体(2次粒子)から成っています。

まず分散工程でこの無機顔料の凝集体は微粒子(1次粒子)に分散され、この後、混合工程を経て、塗料が出来上がります。塗料の鮮やかな色は、顔料粒子が微粒子となって分散しているからです。

もしも塗料製造工程で、分散剤を添加しないとどうなる？ 

第1に、機械による顔料の分散効率が落ちるため、分散に長時間を要し、機械への負荷も大となります。
第2に、分散された微粒子が再凝集するため、塗料の色がくすんでしまいます。また、凝集粒子の沈殿のため、塗料が分離する問題も出てきます。 
これらを防ぐために、塗料用分散剤が使用されています。 

水系塗料には、炭酸カルシウム、酸化チタン、クレーなど親水性の高い無機系顔料が使用されています。
これらの顔料を水に分散させるためには、親水性表面となじみやすい構造をもつ分散剤、特に高分子型分散剤が効果を発揮します。

水系塗料用無機分散剤の代表例

・ポリアクリル酸ナトリウム（低起泡性で多くの顔料の分散性に優れる）
・ジイソブチレンとマレイン酸のコポリマー(樹脂エマルションとの相溶性がよく、塗料のたれ防止性に優れる)
・縮合ナフタレンスルホン酸

これらの分散剤は、ぬれ性に優れる低起泡性の非イオン界面活性剤と併用される場合もあります。
タルクなどの比較的水にぬれにくい表面をもつ顔料の場合には、分子鎖中に低い極性を示す部分と水になじみやすい部分とを併せもつポリスチレンスルホン酸型ポリマーが良好な分散効果を発揮します。 

非水系塗料の場合には、塗料の樹脂成分に分散剤の働きをもたせたり、あるいは顔料にその表面を改質して分散させやすくするため、分散剤が使用されることは少なくなります。

しかし、塗料自体が、多くの成分からなる複雑な配合系であるため、他の機能、例えば増粘性、たれ防止性、色別れ性、あるいはレべリング性などの機能をねらった一種の分散剤として、アルキレンポリアミン型界面活性剤や金属石けん類などが使用されます。 

分散剤の組成とその効果の関係をひと言で表すことは困難ですが、基本的には、分散剤の顔料粒子表面への吸着が種々の塗料性能を決定しています。 顔料分散剤の効果を工程別にまとめると下表の通りとなります。 

印刷物の対象は、紙をはじめ金属、繊維、セラミックス、プラスチックなど多岐に渡ります。そして、それぞれの印刷は、印刷物の用途、目的に応じた印刷インキ、印刷方法によって多種多様に行われています。

印刷方式の種類を、版の形式によって分類すると凸版、凹 版、平版、孔版の4種に大別することができます(下図)。
また、版の種類ごとに異なった印刷方式があり、その主要なものを下表に示します。 

図　版の種類（引用文献：関善三『印刷ガイド』p9、誠文堂新光社(1971)）

印刷インキの基本的な組成は、①顔料、②被印刷物に顔料を転移させ、固着させるビヒクル、③ビヒクルの機能を助ける助剤から構成され、分散剤もこの助剤の一種です。印刷インキを構成する原材料を下表に示します。 

印刷インキの必要粘度

印刷インキは、印刷しやすくするために顔料を低粘度になるように分散する必要があります。印刷方式によって必要な粘度が異なります。 
・グラビアインキの場合：インキが版の網セルの中に入りやすくするため1Pa･s以下の低粘度液が必要
・平版インキの場合：多くのローラー間でインキの転写が行われるため、少し高めの1Pa･s-100Pa･sの粘度液が必要


また、後加工方式や印刷機による差などで印刷適性は左右され、これらの条件下で最適化される必要があります。したがって、それぞれの印刷方式に応じて、その粘度やぬれ性などを調整して最適化するため、顔料、ビヒクル、助剤の選択と配合が必要となります。 

オフセット印刷は、近年、画像の再現性向上、高速化が進み、また簡単な操作で低コストかつ高品質の印刷物が短時間で製造できるようになってきました。オフセットインキはインキの中でも最も薄い膜厚で印刷されるので、インキは着色力の強い顔料を高濃度で使用できることが必要となります。 

オフセット印刷の原理

オフセット印刷は、凹凸のない平らな印刷版を使用する印刷で、親油性の画線部と親水性の非画線部からできています。
まず、版面に湿し水が供給され、親水性の非画線部が湿し水の膜で覆われます。 次に油性インキが供給されます。
このとき、非画線部の湿し水の膜のためインキは反発、非画線部にはインキが付着せず、親油性の画線部のみにインキが付着するため画像が再現されます。

オフセットインキの必要要件

オフセット印刷は、湿し水の膜厚が適性であること、インキ表面への湿し水の付着がないこと、また、湿し水中へのインキの溶出がないことなど、インキと湿し水の最適化が重要なポイントとなっています。

オフセットインキの場合は分散剤を使用するというケースは少なく、樹脂成分(バインダー)に分散剤としての働きをもたせたり、顔料を表面処理して分散性向上を図っている場合が多くなります。オフセット印刷における顔料分散は、樹脂の適度な極性で顔料をぬらし、これを多量に配合し、高分子の立体障害劫果で分散安定を図っています。 

バインダーに使用する主な樹脂

・変性アルキド樹脂（高極性）
・ロジン変性フェノール樹脂（乾燥性や乳化性に優れる）

グラビア印刷は、凹版印刷の1つで、雑誌、ポスターなどの出版物、食品包装、壁紙、化粧板などの建材用に使用されており、鮮明な色調が得られ、重厚な印刷物が得られます。インキに低沸点溶剤が使用されているため、速乾性であることが特長であり、紙だけでなく、プラスチック、金属、複合シートなど広い分野で使用されています。

グラビア印刷の原理

①銅メッキを施したシリンダーに写真などを焼き付け、腐食、あるいは彫刻して作製した版胴をインキパンに浸せきしながら回転させる。
②汲み上げたインキをドクターブレードでかき落とすと、インキは画線のくぼみに残る。
③このインキが圧胴の助けによって被印刷体に転移され、画像が再現される。 

グラビアインキの必要要件

グラビア印刷は、オフセット印刷のように印圧だけで被印刷体に転移されるのではなく、版胴と被印刷体に生じる毛管作用によってインキが吸い上げられる作用が強く寄与します。したがって、版胴への密着度と被印刷体の平滑性や柔軟性がインキ転移のポイントとなります。 

この場合は、助剤として界面活性剤が顔料の分散性向上を目的に使用される場合が多くあります。すなわち、界面活性剤は顔料表面に吸着し、界面エネルギーを低下させ、顔料表面を有機溶剤でぬれやすくする作用があります。特に、有機顔料は、ぬれの悪いものが多いので、ぬれ性に富む界面活性剤を併用したほうが良好な分散性が得られます。

グラビアインキに適する界面活性剤

・多価アルコールの脂肪酸エステル
・ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンブロックポリマーなど

紙は新聞紙、ティッシュペーパー、コピー用紙など、多種多様の用途に使われており、毎日の生活に欠くことのできないものとなっています。 ここでは、特に分散となじみの深い塗工紙について取り上げます。 

紙は、顕微鏡で見ると繊維が重なり合って凸凹した表面になっています。紙の表面に塗料を塗って化粧したのが塗工紙で、コート紙とも呼ばれています。表面は塗料で覆われきれいな表面になっています。カラー印刷のチラシ、ポスター、 本のカバー、写真誌などにはいずれも塗工紙が使われています。 

塗工紙は印刷技術の発展とともに近年急速に発展し、よりきれいな印刷物を得るため、表面がより平滑でインキの乗りのよい紙が指向されています。 

紙に塗った塗料の量で、塗工紙は下表のように分類されています。

印刷用紙として使用される塗工紙は、紙の表面にコーティングカラーと呼ばれる顔料分散液を塗布したものであり、顔料分散液は一種の塗料といえるものです。顔料としてはクレーや炭酸カルシウムが主として使用され、その他、二酸化チタン、サチンホワイトなども使用されます。 

塗工液の製造手順

①あらかじめ適量の分散剤を溶解させた水に分散機でかくはんしながら所定量の顔料を加える。
②かくはんを続けながら、デンプンのような水溶性バインダー、さらにSBラテックスのような合成ラテックスを添加する。
③耐水化剤、滑剤、消泡剤、防腐剤などを加える。

出来上がった塗工液は、ろ過して塗工ステーションへ送り、紙に着液後、表面をならし、乾燥後、スーパーカレンダーと呼ばれる表面仕上げ機で処理を行って仕上げられます。 

塗工液用分散剤

分散剤としては、顔料の種類にも影響されますが、古くはカゼインやアラビアゴムなどの天然高分子、ヘキサメタリン酸ナトリウムなどの複合リン酸塩が使用されてきました。現在は、分散効果の大きいポリカルボン酸系高分子（ポリアクリル酸塩など）が最も多く使用されています。

この高分子は、平均分子量、中和塩の種類、他のモノマーとの共重合比などを変えることによって多様な分散剤のニーズに適応しています。最近の動きとしては、生産性向上の観点から高速塗工化への移行があります。塗工液をさらに高濃度化するため、粘度を下げることができる分散剤の要望が高まってきており、その開発が続けられています。 

なお、塗工液に用いられる顔料は、あらかじめ分散剤で顔料スラリーの状態にして投入されることが多くあります。この場合も塗工液と同様、髙速塗工を可能にするため、顔料スラリーをさらに高濃度化でき、しかも低粘度化できる分散剤の要望が強まっています。 

メーキャップ化粧品の種類と原料を下表に示します。 

まず、化粧品製造時にこれらの顔料を細かく一次粒子化し分散媒に均一に分散させることがポイントとなります。凝集が起こると色がくすんだり、色むらができたりします。次に経時安定性が重要となります。安定性が悪いと色分かれが生じたり、顔料の沈降やゲル化が生じたりする場合もあります。そのためには、次の点を考慮する必要があります。 

化粧品製造時の分散に関する考慮すべき事柄

①化粧品の配合を行う前、または配合中に顔料の粒径を小さくし、かつ、シャープな粒度分布にする。 

②分散媒の比重に近い顔料を選択する。または、顔料の比重に近い分散媒を選択する。
（このとき、ポリマーや膨潤性粘度物質を加え、分散媒の粘度を上げる方法もある） 

③イオン性界面活性剤を併用して顔料表面に吸着層をつくり、表面電位を高め、 反発力を大きくする。
顔料の分散媒でのぬれがよくなる界面活性剤を併用する。

④セルロース誘導体のようなポリマーを顔料に吸着させ、保護コロイド層をつくる。

顔料を水系に分散させた化粧品として代表的なものに水おしろい、アイライナーなどがあります。分散剤としては、非イオン界面活性剤、特にエステル系界面活性剤が有効です。 

顔料を非水系に分散させた化粧品として口紅、油性ファンデーション、アイブローペンシル、ネイルエナメルなどがあります。口紅などは熱をかけ溶融状態で分散させ、型に入れ、冷却して固める場合が多くあります。顔料表面を疎水性にして、溶媒の極性に近づけることがポイントとなります。分散剤として、顔料のコロイド粒子と反対イオンの界面活性剤を使用することで、単分子膜を顔料表面に形成させれば顔料は親油性(疎水性)になります。 

分散剤としてはアニオン界面活性剤、スルホサクシネートタイプが良好です。そのほかに、分散安定化させる方法として天然系のロウ系ワックスを併用する方法、また、顔料を表面処理することによって親水性から疎水性に変える方法があります。 

コンクリートは砂や砂利などの充てん剤をセメントという一種の無機系接着剤で結合させた材料です。 

コンクリート成分の中で、重要な役割を果たすセメントは、石灰岩、粘土、 石こうなどを約1,500℃で焼成してつくられます。このようにして得られたセメン卜は、水と反応して硬化し、同時に混和されていた砂や砂利どうしをつなぎ合わせる接着剤として働き、コンクリートとなります。一般的なポルトランドセメン卜の組成と水との反応生成物を下表に示します。

セメント分散剤（減水剤） の役割

コンクリートの強度は、水の配合量が多くなるほど低下する傾向にあります。しかし、水の量を減らすほどコンクリートの流動性が悪くなり、作業性が悪化します。セメントが水和して固化するために必要な理論水量は、通常セメント質量 に対し20-25%といわれています。一方、実際に作業ができる程度にコンクリー 卜を練ろうとすれば、セメント質量に対し40-60%の水が必要です。 

そこで登場するのが、セメントー水混和物系に添加され、水の中でのセメン卜粒子の分散をよくし、少量の水でも流動性を与え、作業性とコンクリート強度向上に貢献する分散剤(減水剤)です。

また、工場でコンクリート配合物を練った後、施工現場で使用されるまでに数時間以上かかる場合があります。このようなとき、時間の経過とともにコンクリートスラリーの粘度が高くなり、取り扱いが困難となり、極端な場合、作業ができなくなる場合もあります。特に、道路事情が悪く、交通渋滞の多い都市では大きな問題となります。

ここでも初期の流動性を維持することができる分散剤(流動化剤)が必要となります。生コンの製造と使用におけるセメント分散剤の役割について下表に示します。 

セメント用分散剤は、使用目的によって減水剤と流動化剤に分類できます。強いコンクリート強度をもつ構築物をつくるためには、混練する水の使用量をできるだけ減らさなければなりません。そこで、生コンの製造工場やコンクリート製品の製造工場では、セメント用分散剤である減水剤を使用します。 

高性能減水剤

コンクリート製品(ポール、パイル、ヒューム管)、護岸用コンクリートブロック、まくら木などは、汎用のコンクリート構築物よりさらに高いコンクリート強度が必要です。これらの用途に使用される場合、気泡を抜いてさらに密度を上げたり、水の量をさらに減らす必要があります。この場合、より減水効果が高く、かつ気泡を抜く分散剤を使用する必要があります。この減水剤は、特に高性能減水剤と呼ばれています。 

AE減水剤

AE(Air Entraining)性とは、空気連行性ともいわれ、生コンの中に気泡を抱きこませる性質を示します。コンクリート構築物の内部に取り残された水が冬季に凍結したり、融解したりし、これが繰り返されると、コンクリートにひび割れが生じ強度が著しく低下しますが、生コンの中に気泡を入れておくと、それを防ぐ効果があります。気泡が入り過ぎると強度低下するため、 通常4%程度が最適といわれています。 

リグニンスルホン酸系

最も古くから使用されている分散剤で、これは亜硫酸パルプの製造工程で発生するリグニンスルホン酸を変性してつくられます。添加する水の量を減らす効果はそれほど大きくありませんが、安価なこと、AE性を兼ねていることなどから、一般のコンクリート構築物をつくる際のAE減水剤として多く使用されています。 

ナフタレンスルホン酸系、メラミンスルホン酸系

これらの減水剤は、 リグニンスルホン酸系に比べ減水効果が大きいため、髙性能減水剤として使用されています。また、少量の添加でコンクリートの流動性が改善されることから、 流動化剤としても使用されます。特にメラミンスルホン酸系は、仕上がった製品の肌が美しいという効果があるため、美観を重視する構造物などの用途にも使用されます。 

ポリカルボン酸系

上記の減水剤に比べ減水効果はそれほど大きくありませんが、 コンクリートペースト粘度の上昇を比較的長時間抑制できるという特長をもっています。したがって、流動化剤としては最適で、他の減水剤や高性能減水剤と併用される場合が多くあります。 

一般に、分散剤としては、高分子のほうが低分子界面活性剤よりも有利ですが、最適分子量があり、例えば、ナフタレンスルホン酸系は分子量2,000〜3,000、ポリカルボン酸系は分子量5,000〜10,000程度のものが好適です。 

分子量が大きくなり過ぎると、セメント表面に吸着された分子が長い鎖をぶらさげた形となり、互いの鎖が絡みあって分散粘度を上昇させ、流れ性が悪化します。また、分子量が極度に大きくなると分散よりも凝集効果が優先するようになります。

農薬粒剤用分散剤

分散剤の使用量は1〜3 %と少ないですが、 粒剤の崩壊拡展性に重要な役割を果たしています。 
・ポリアクリル酸ナトリウムのようなポリアクリル酸型高分子は、これらの中では最も優れた分散性能を有します。
・リグニンスルホン酸ナトリウムは、安価であるため、それほど分散性が要求されない場合に多く使用されます。
・ナフタレンスルホン酸ナトリウムのホルマリン縮合物は、水の硬度やpHの影變を あまり受けないというメリットがあります。

このようにして製造された粒剤は、一般に水田1,000m2当たり数kgの割合で散布されています。最近、3kg粒剤の有効成分含量を約3倍にし粒径をやや大きめにして、飛散距離がでるようにした1kg粒剤が主流になりつつあります。 

農薬粒剤用分散剤の役割は、主として農薬原体を吸着させた無機質担体を水中へ分散させることにあります。以前は、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウムのような低分子アニオン型界面活性剤が分散剤として使用されていましたが、近年、ポリアクリル酸ナトリウムのような水溶性高分子が主流となっています。この理由としては、担体への結合力が強く、また安定な保護コロイドを形成するので、分散性が向上するためといわれています。 

水溶性高分子を使用した粒剤の水中での分散状態を下図に示します。 

図　農薬粒剤の水中での状態

顔料による染色と染料による染色の異なる点は、顔料が1次もしくは2次粒子の状態で繊維の表面にバインダーで固着されて発色するのに対し、染料では、繊維を構成する髙分子鎖の非晶部分に染料が分子レベルで拡散して繊維と反応、もしくは定着して発色することです。 

木綿やレーヨンなどセルロースで構成されている繊維は水酸基を、ナイロンやウールはアミノ基など、親水性でしかも反応しやすい官能基を有しており、これらの官能基と反応性をもった水溶性の染料で染色できますが、ポリエステル繊維のように親油性(疎水性)が強く、官能基をもたない繊維は、水に難溶性の分散染料を用いて染色します。そのため、染料を水中で均一に分散させる分散剤が必要になってきます。

市販の分散染料中には、色素のほかにイオン性の分散剤が約半分ほど含まれています。ポリエステル繊維を浸染法(染料の水分散系で 単一色に染色する方法)で染める場合、分散染料の分散液を循環させて行うことが多くあります。このとき、常温から120~130°Cに至る温度範囲で染料粒子が安定に分散されていることが必要です。分散安定性が悪くなると、染色むらができたり、色がくすんだりしてしまうことから、分散剤の選択が重要となります。 

分散剤の組み合わせについて

一般的には、常温から高温(120〜130℃)領域まで分散性が良好である分散剤はほとんどなく、併用使用される場合が多くあります。
例えば、ナフタレンスルホン酸ナトリウムのホルマリン縮合物(NSF)は、常温付近では優れた分散性を示しますが、50°Cを超えると分散性が低下する傾向にあります。NSFは分子中に染料と相互作用する官能基をもっておらず、単に物理吸着して分散性を与えており、 50°C以上になると分散性が低下します。 

一方、メタクレゾールスルホン酸ナトリウムのホルマリン縮合物(CSF)は、フェノール性水酸基をもつため、染料表面の-NH2(アミノ基)、 >C=O(ケトン)、-COOH(カルボキシル基)などの官能基とイオン的な相互作用で吸着し高温で優れた分散性を示します。したがって、NSFとCSFの併用系で低温から高温領域まで安定な分散性が得られるようになります。

しかし、これらの分散剤だけでは、染料の分散が不十分であることが多く、 界面活性剤が併用される場合が多くあります。
・非イオン界面活性剤の働き：染色の色むらをなくし、均一に染める
・アニオン界面活性剤の働き：染料の分散性を向上させる

ポリエステル染色用分散均染剤

実際には、これら各種の界面活性剤をバランスよく配合したポリエステル染色用分散均染剤が使用されるのが一般的です。 近年、ポリエステル繊維の染色は、染色液をジェットノズルから噴射して、染色布に接触させて布を移動させる液流染色機が普及し、分散染料の分散性の向上に加えて泡立ちが問題になることが多く、低起泡性の分散剤が要求されています。 

ポリエステルの染色方法

ポリエステル繊維の工業的な染色方法としては、①髙温髙圧染色法、②キャリヤー染色法、③サーモゾル染色法の3種があります。 
いずれの場合も下図のように、ポリエステルの分子鎖を緩め(結晶構造をルーズにして)染色しています。 

①髙温髙圧染色法

分子運動が温度を上げるほど活発になることを利用したもので、染色温度 を120〜130°Cにし、繊維の結晶構造を緩めてすき間を大きくし、染料分子を繊維内に送り込む方法です。 

②キャリヤー染色法

キャリヤーという薬品を併用し、染色温度が100°Cでも、繊維の非晶部領域のすき間を膨張させてむりやり広げ、染料が入りやすくする方法です。 

③サーモゾル染色法

少量ののり剤を混ぜた染料の分散液にパッドした後、一度乾燥して生地の表面に均一に染料を乗せておき、この状態で180～200℃の熱を30-60秒間 かけて瞬間的に染料を昇華させて繊維の中に送り込む方法です。 

図　ポリエステル繊維の染色モデル

分散染科の染色過程を下図に示します。分散染料に界面活性剤を併用した場合、 水溶液中での様子は下図のような状態変化を示します。 
この状態で温度を上げると、ほんのわずか溶解している染料が、水ですき間を広げられたポリエステル繊維の非晶領域に入り込み、染浴中には、溶解した染料がなくなる。この段階では、繊維に色がうっすらとつく程度です。 

次に、浴液への溶解度に相当する染料(1Lにつき5〜10mg程度)が、下図に示すように分散した染料の部分から溶け出してきます。そして、この溶けた染料がまた非晶部に入り込み、染色されます。これを繰り返し、分散染料の染色が進んでいきます。 

図　分散染料による染料の模式図

内部着色：原料または成形段階で染料や顔料をプラスチックに練り込み、内部まで均一着色する
表面着色：塗装や印刷など表面を着色

一般にプラスチックの着色といえば、内部着色を指すケースが多いです。 

顔料は加熱しても溶融せず、一般の有機溶剤にも溶解しません。また、プラスチックの性質や組成と大きく異なるため、なじみの悪いことが多くあります。そのため、顔料をそのまま再凝集させることなく、プラスチック中に混和することは困難です。この問題を解決するのがプラスチック着色助剤と呼ばれる分散剤です。 

プラスチックを着色させる方法として次のような方法があります。 

ドライカラー法

顔料の表面を、相手の樹脂になじみやすいように、界面活性剤や金属石けんなどのプラスチック着色助剤で表面処理した微粉末として樹脂に加える方法です。 ほとんどの熱可塑性樹脂に使用されていますが、ドライパウダーであるため飛散汚染性が激しく、原料樹脂とのブレンド条件によっては発色性が異なるなどの欠点があります。 

リキッドカラー、ペーストカラー

顔料を、あらかじめ可塑剤や溶媒中にプラスチック着色助剤とともに細かく高濃度に分散させておき、分散液としてから樹脂に加える方法です。 発色状態が不安定で、長期保存で可塑剤や溶媒の揮散により、顔料が凝集したり沈降する場合があります。 

マスターバッチ

被着色樹脂もしくはこれと相溶する樹脂を用い、この中にプラスチック着色助剤とともに顔料を高濃度に分散させた マスターバッチをつくり、これを樹脂に加える方法です。近年普及してきており、物性面への悪影響や汚染性もなく、また、 顔料の分散性も良好です。その一方で、相手の樹脂にうまく溶け込むことができるような分散媒用の樹脂が必要となってきます。  

プラスチック着色剤を使う一般的なフローシートを下図に示します。 

図　プラスチック着色剤を使う一般的な製造フロー

マスターバッチは上述のとおり、樹脂中に顔料を高濃度に分散させた着色剤で、形状としてはペレット状、板状、フレーク状などがあります。顔料の含有率は通常30-70%です。 

最終のプラスチック製品に必要な顔料の量は、例えば、ポリオレフィンの場合で、一般に0.5質量％ (対樹脂)程度です。したがって、このマスターバ ッチを60～140倍の樹脂に混ぜることとなります。一般に着色する樹脂と同種の樹脂を使用するため、物性面での問題もなく、また分散性も良好です。 

特にマスターバッチは、ナチュラル樹脂(着色される元の樹脂)への希釈倍率が大きくなる(添加量が少ない)と色むらが発生しやすいので、成形機の混 練能力に見合った希釈倍率となるようにマスターバッチの顔料濃度を決める必要があります。

合成ワックス系のプラスチック着色助剤

代表的なプラスチック着色助剤として、古くから、石油を精製して得られるバラフィンワックスが使用されてきましたが、近年、顔料の分散性に優れる合成ワックス系に変わってきました。  

・ポリエチレンワックスやポリプロピレンワックスなどの合成ワックス
ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィンやポリ塩化ビニルなどの着色に使用

・低分子量ポリスチレン
ポリスチレンやABS樹脂などのスチレン系樹脂の着色に使用

・変性オレフィン系オリゴマー
ポリエチレンやポリプロピレンの着色に使用 

顔料の1次粒子の大きさは数μmですが、実際に使用する際には静電気などで集まり、凝集して数十μmにもなっていることがあります。この顔料を用いてマスターバッチをつくると、顔料は再び1次粒子またはこれに近い状態となります。
 
これをナチュラル樹脂に混ぜると、微粒子となった顔料がプラスチック着色助剤とともに相手の樹脂の中に移行し、均一に分散されたことになります。 マスターバッチを使った樹脂の着色の様子を下図に示します。 

プラスチック着色助剤が、ナチュラル樹脂に比べ顔料が均一に分散しやすい理由としては、溶融粘度が低い、また顔料との親和性が髙くなっていることが挙げられます。

図　プラスチック着色助剤によるマスターバッチを使った樹脂の着色