新指標で塗料の性能向上へ！粒子間距離が凝集に影響を与える研究

新たな塗料設計指針の発見

東京都立大学大学院の研究グループが、塗料や接着剤に用いられるフィラー粒子の凝集に関する新たな指標を発見しました。この研究は、エポキシ樹脂とアミン硬化剤を使い、硬化過程におけるフィラー粒子の挙動を明らかにするもので、点滴用の共焦点蛍光顕微鏡を用いた三次元観察に基づいています。

研究の背景

塗料、インク、接着剤などは、特定の機能を持つ材料として広く使われており、その性能にはフィラー粒子が大きく影響します。フィラーは微細な粒子で、導電性、強度、抗菌性を向上させる役割を担っています。多くの場合、これらの材料が硬化する過程で、粒子がどのように配置され、どのように凝集するかが性能に直結します。しかし、凝集メカニズムについての知見は薄く、粒子濃度だけでは説明がつかないケースも多かったのです。

研究の進展

古田祐二朗氏（東京大学、当時：東京都立大学大学院）と栗田玲教授の研究チームは、エポキシ樹脂とアミン硬化剤の硬化系を対象に、蛍光ポリスチレン粒子を用いてその挙動を観察しました。研究者は、硬化前後のフィラー粒子の三次元配置を明確に可視化することに成功しました。この結果、硬化が進むにつれてフィラー粒子が凝集することが確認されたのです。

実験では、あらかじめ選定された幾つかの粒子サイズと体積分率の組み合わせを使用し、粒子の凝集の程度を評価しました。この評価により、単に体積分率を見るだけでなく、粒子同士の平均的な距離、「平均粒子間距離 H」にも着目する必要があることが分かりました。この距離は、フィラーがどれだけ集まりやすいかを示す重要な要素となるのです。

新たな指標の導入

研究では、隙間パラメータ δH/a が特に注目され、凝集がしやすいかどうかを予測する有力な指標とされました。δH/aが大きいほど、粒子間の隙間が狭まり、硬化による凝集が起こりやすいことが示されています。この結果は、従来の体積分率だけでは不十分であることを示し、フィラー粒子がどのように動くかを理解するための新しい視点を提供します。