分散剤は一体何をしているのか：「粉体」を「使えるもの」に変える3つの工程

樹脂に粉体を加えても、それ自体で分散することはない。顔料粒子にはもともと凝集しようとする性質がある。一次粒子は合成、ろ過、圧密、乾燥、輸送という各工程のたびに再び塊になろうとする。これを溶融体に投入すると、界面張力によって互いに反発し、離れ合う。その結果、同じ一袋の粉であっても、未処理の状態で樹脂に混ぜた場合と、処理済みの状態で混ぜた場合とでは、できあがる製品は別物になる。

分散剤はこのことを担う。マニュアルにおける超分散剤の定義は、固体または液体の分散性能を高め、改善する助剤である。同じページには、その作用機構も記されている。水に溶けない油性液体は高せん断力による撹拌下では非常に小さな液滴に分散するが、撹拌を止めると界面張力によってすぐに分層する。超分散剤を加えて撹拌すると安定した乳濁液が形成される。その主な作用は液-液間および固-液間の界面張力を低下させることであり、したがって超分散剤は界面活性剤でもある。 本稿で扱うのはこの種である。マニュアルの実例は主に R1800-S（ゴム・プラスチック用超分散剤）と R1800-SK（白色マスターバッチ用）である。定義のように聞こえるが、実際にはこの一文の背後には一連の役割分担がある。

超分散剤はタイプ別に6類に分類される

マニュアルに記載されている種類は、アニオン型、カチオン型、非イオン型、両性型、高分子型、超分散型の6つを含み、このうちアニオン型が最も多く使われる（マニュアルはこの分類の根拠となる次元を明記していない）。R1800-S を例にとると、その理化学指標は密度 1.190g/cm³、粘度 980-3600mPa·s、引火点 285℃、アミン価 ≤ 9mgKOH/g、分散度 III である。R1800-S と R1800-SK の添加含有量欄にはいずれも「プラスチック最終製品の 0.5%–1%」と記されており、このうち R1800-S には別途、粉体のメッシュ数に応じて落とし尺する対照表が付されている（後述）。マニュアルの R1800-SH の項にはこの記載がない。

この6つの名称から見ると、分類の根拠はイオン特性と構造の違いを指しているが、マニュアルはそれらの分子特徴を一つずつ説明していない。使用者にとってより実用的なのは別の次元、すなわちそれがいつ作用し、どの工程で作用するかである。同じ助剤であっても、粉体処理段階ですべての仕事を終えることもあれば、押し出し時にせん断力に頼って完了させることもある。この点を区別して初めて、どの工程で加えるべきかが分かる。

なお、マニュアルが示しているのはこの6類の分類名と「アニオン型が最も多く使われる」という一文のみであり、アニオン型、カチオン型、非イオン型、両性型、高分子型（すでに詳述した超分散型を除く）のそれぞれの分子構造と作用機構については、マニュアルは示していない。本稿はこれを代わりに作成しない。

超分散剤の二段構造：アンカー＋溶媒和

マニュアルによる R1800-S 超分散剤の記述は次のとおりである。マニュアルの原文は次の通り。主として被膜剤と分散剤を精密な配合比で、高温高圧条件下で製造した特殊なポリマー型多機能ぬれ性被膜型分散助剤であり、分子構造は2つの部分に分かれ、一方はアンカー基、もう一方は溶媒和鎖である。

この2つの部分はそれぞれ別の役割を持つ。

• アンカー基は顔料および粉体の表面にしっかりと吸着する。R1800-SK を例にとると、マニュアルには次のように記されている。これらの極性基（-COOH）はイオン結合、水素結合、およびファンデルワールス力などの作用により、顔料表面に強固に吸着し、R1800-SK の脱着を防ぐ。
• 溶媒和鎖は分散媒体中に迅速に溶解し、分散媒体と良好な相溶性を持つ。（この文はマニュアルの R1800-S の項に記されている。R1800-SK の理論解析では同じ語が「溶化鎖（分散）」と表記されており、この部分が分散後の顔料の溶媒中での安定性を直接的に決定することが明記されている。）

その結果、顔料粒子表面に一定の厚さの被膜層が形成され、溶媒和鎖は分散剤中でやや伸長した状態となる。分散剤を吸着した顔料粒子同士が接近すると、吸着層の反発作用によって粒子どうしが弾き合い、それによって顔料粒子の媒体中での安定分散が実現する。

分かりやすく言えば、アンカーは「留まる」ことを担い、溶化は「混ざり込む」ことを担う。マニュアルが記す協同機構を見る限り、二段構造は協同して作用する必要があるかもしれないが、マニュアルは両者が不可欠であるとは明言していない。

3つの工程：ぬれ → 微微細化 → 安定化

箱 = 工程, 矢印 = 順序; 箱の下にある文字 = 工程条件.

図 ·工程流向01ぬれ：分散媒体はまず、粉体表面の空気を置き換えなければならない。粉体は乾いており、媒体は湿っている。界面張力が液体を押しのけて…02微微細化：せん断力によって一次粒子間の凝集塊をほぐす。この段階は主として設備の仕事である。マニュアルには、設備メーカーごとの押し出し…03安定化（被膜）：ほぐした後は再び凝集するのを防がなければならない。マニュアルには次のように記されている。分散剤は迅速に顔料および粉…按源文顺序，不做增删

• 図 ·工程流向
• ぬれ：分散媒体はまず、
• 面の空気を置き換えなければ
• ならない。粉体は乾いており
• 、媒体は湿っている。
• 界面張力が液体を押しのけて…
• せん断力によって一
• 次粒子間の凝集塊をほぐす。
• この段階は主として設備の仕
• 事である。マニュアルには、
• 設備メーカーごとの押し出し…
• 安定化（被膜）：
• 再び凝集するのを防がなけれ
• ばならない。マニュアルには
• 次のように記されている。
• 分散剤は迅速に顔料および粉…
• 按源文顺序，不做增删

• 1. ぬれ：分散媒体はまず、粉体表面の空気を置き換えなければならない。粉体は乾…
• 2. 微微細化：せん断力によって一次粒子間の凝集塊をほぐす。この段階は主として…
• 3. 安定化（被膜）：ほぐした後は再び凝集するのを防がなければならない。マニュ…

チャートデータ（原文のまま）

工程	条件
ぬれ：分散媒体はまず、粉体表	面の空気を置き換えなければならない。粉体は乾いており、媒体は湿っている。界面張力が液体を押しのけて液滴を形成するため、この時点では粉体はまだ「乾いた」状態である。これが、粉体が細かいほど、吸油値が高いほど、油性系での取り込みが難しくなる理由である。比表面積が大きいということは、ぬれさせるべき界面がより多いことを意味する。（マニュアルには別に一般的な結論がある。通常、粉体の細かさが細かいほど、表面の光沢度と彩度は高くなる。これは被膜後の下流効果を述べたものであり、ここでは背景としてのみ扱う。）
微微細化：せん断力によって一	次粒子間の凝集塊をほぐす。この段階は主として設備の仕事である。マニュアルには、設備メーカーごとの押し出し機スクリューにおいて、可塑化能力と分散混合能力は異なり、二軸スクリューペレット化機と単軸スクリューペレット化機の可塑化能力には「極めて大きな差異がある」と記されている。マニュアルは統一したプロセスパラメータ表を提示しておらず、溶融体温度が高すぎても低すぎても分散は悪化するため、この部分は試運転で見極める必要がある。
安定化（被膜）：ほぐした後は	再び凝集するのを防がなければならない。マニュアルには次のように記されている。分散剤は迅速に顔料および粉体表面に吸着して保護層（被膜）を形成し、顔料および粉体粒子を包み込むと同時に、顔料および粉体粒子の格子欠陥を埋め、顔料および粉体表面で凝集しやすい活性点を不活性化することで、顔料および粉体粒子のさらなる凝集を効果的に防ぐ。

工程段落

1

マニュアルにおける分散過程の区分は3段である。ぬれ、微微細化（分散）、微細化後の安定化（被膜）。

ぬれ

分散媒体はまず、粉体表面の空気を置き換えなければならない。粉体は乾いており、媒体は湿っている。界面張力が液体を押しのけて液滴を形成するため、この時点では粉体はまだ「乾いた」状態である。これが、粉体が細かいほど、吸油値が高いほど、油性系での取り込みが難しくなる理由である。比表面積が大きいということは、ぬれさせるべき界面がより多いことを意味する。（マニュアルには別に一般的な結論がある。通常、粉体の細かさが細かいほど、表面の光沢度と彩度は高くなる。これは被膜後の下流効果を述べたものであり、ここでは背景としてのみ扱う。）

微微細化

せん断力によって一次粒子間の凝集塊をほぐす。この段階は主として設備の仕事である。マニュアルには、設備メーカーごとの押し出し機スクリューにおいて、可塑化能力と分散混合能力は異なり、二軸スクリューペレット化機と単軸スクリューペレット化機の可塑化能力には「極めて大きな差異がある」と記されている。マニュアルは統一したプロセスパラメータ表を提示しておらず、溶融体温度が高すぎても低すぎても分散は悪化するため、この部分は試運転で見極める必要がある。

安定化（被膜）

ほぐした後は、再び凝集するのを防がなければならない。マニュアルには次のように記されている。分散剤は迅速に顔料および粉体表面に吸着して保護層（被膜）を形成し、顔料および粉体粒子を包み込むと同時に、顔料および粉体粒子の格子欠陥を埋め、顔料および粉体表面で凝集しやすい活性点を不活性化することで、顔料および粉体粒子のさらなる凝集を効果的に防ぐ。

第3段は最も見落とされやすいが、分散剤が一般的な潤滑剤と異なる点である。ステアリン酸やポリエチレンワックスのような材料も粉体を「くっつかないように」することはできるが、それらが行うのは包み込みである。粉体をくるんで、互いに近づかないようにする。粉体自体が媒体の中で分散するか、界面張力が下がったかについては、それらは関知しない。マニュアルの原文によれば、根本的に分散性はほとんどない。これらで処理した粉体は、一度圧密されたり乾燥されたりすると、再び塊になる程度は通常、依然として非常に大きい。

分散剤はいかに粉体の挙動を変えるか

粉体処理工程において、マニュアルには次のように記されている。超分散剤と顔料・充填剤などの他材料を配合に従って混合すると、超分散剤が粉体と結合する際に粉体をぬらし、温度低下時に被膜層を形成することで、顔料・充填剤粉の凝集を防ぐ。

分散工程において、マニュアルには次のように記されている。超分散剤は樹脂との相溶性が良好であるため、被膜処理された顔料・充填剤粉体を周囲の樹脂と強く抱き合わせて結びつけ、外部からのせん断力を樹脂に伝達することで、顔料・充填剤を樹脂中に均一に分布させる。

この点が超分散剤と一般的なワックス系助剤の分水嶺であり、マニュアルは両者の違いを非常にはっきりと書いている。マニュアルのワックス類に対する記述は極めて直接的である。ステアリン酸やポリエチレンワックスのような材料は「根本的に分散性はほとんどない」とし、それらがいわゆる分散とは粉体を包み込むだけである。超分散剤が頼るのは構造、すなわちアンカーと溶化であり、粒子どうしの距離を保たせると同時に、粒子と樹脂の間に相溶性の結合を築く。

マニュアルにはまた、見落とされやすい下流効果も記されている。粉体表面に被膜層があるため、吸油値と摩擦係数はともに大幅に低下し、一方で通常は粉体の細かさが細かいほど表面の光沢度と彩度は高くなる。

重要指標：隠蔽力、着色力、分散性

分散がうまくいっているかどうかは、「凝集があるかないか」だけを見ては判断できず、測定可能な指標に落とし込む必要がある。マニュアルはこの3つの指標の定義と測定法を非常に完結に記している。

異なる含有量の超分散剤で前処理した酸化チタン白から作ったマスターバッチを用い、フィルムを吹き付け成形し、フィルムの透過率を測定して標準膜厚（0.02mm）の光密度値に換算する

着色力とは、顔料が着色する能力である。マニュアルの口径は次のとおり。プラスチック中の酸化チタン白の着色力は、主として試料の明度と白度によって表される。R1800-SK の章では、異なる前処理条件でのマスターバッチの明度、タンバー白度、黄度のデータが示されている。これに対し R1800-SH のカーボンブラックの章の対応口径は逆である。カーボンブラックの着色力は黒度で表され、黒度が大きいほど着色力は高く、見本板を作った後で色差計により黒度を測定する。

分散性とは、顔料が着色媒体中で分散する能力である。マニュアルの記す測定法は、定性手法は位相差顕微鏡または電子顕微鏡による観察・写真撮影、定量手法は粒度分布の測定である。

添加量は多いほど良いわけではない：あの放物線

2

これは分散剤の中で最も直感に反し、かつ最も価値のある一条である。マニュアルの R1800-SK の章には一組の完全な実測対照が示されている。表面処理の推奨プロセス条件は pH 6.8、70℃ である。実験操作は、酸化チタン白と R1800-SK を高速撹拌機に入れ、温度が 100℃ 前後に上がったところで LLDPE218W を加え、その後ペレット化・押し出し吹き付けフィルム成形を行い、超分散剤含有量の勾配——0、0.5%、1.0%、1.2%、1.6%、1.8%、2.0%——のみを変えて、フィルムの光密度値と色度を測定する。マニュアルの R1800-SK の章に記された実験配合は、酸化チタン白 R298 69.5g、R1800-SK 0.5g、LLDPE218W 30g であり、まず高速撹拌してからペレット化し、その後押し出し吹き付けフィルム成形を行う。

使用量 1.6% のとき、フィルムの光密度値は最大の 0.386 に達し、白度と明度も最高で、黄度は最低となる。上記の表は R1800-SK の酸化チタン白実験に由来する。密度 1.190g/cm³、粘度 980-3600mPa·s、引火点 285℃、分散度 III というこの理化学指標の組は、マニュアルの R1800-S と R1800-SK の2つの資料で記された数値が同一である。しかし両者は依然として異なる型号である。R1800-S はゴム・プラスチック用カラーマスターバッチと油性塗料・インキ向けであり、R1800-SK はそれをベースにエステル系官能基を導入したバージョンで、マニュアルにはプラスチック製品中での耐黄変性と耐候性の向上が記されており、主としてゴム・プラスチック用白色マスターバッチに用いられ、同一の製品と見なすことはできない。

なぜか。 マニュアルの説明は次のとおり。超分散剤の使用量は顔料の比表面積に関係する。はじめは使用量の増加に伴って、顔料表面に吸着するアンカー基が増えていき、1.6% で飽和に達し、このとき光密度値が最大となる。使用量をさらに増やすと、超分散剤どうしの相互作用によって「架橋凝集」が生じる。顔料粒子が超分散剤の溶化鎖の絡み合いを通じて凝集するため、光密度値はかえって低下する。

すなわち、溶化鎖どうしが絡み合って架橋凝集を生じると、粒子は再び凝集に引き戻される。 アンカー端が飽和するまでは、どれだけ加えても良い。飽和点を超えると、溶化鎖どうしの絡み合いが支配的になる。この曲線は、「多めに加えれば間違いない」が分散という点でなぜ誤りであるかを説明している。

分散剤と配合中の他成分との関係

分散剤は孤立した役割ではなく、その効果は同じ配合中の他原料の性能、使用量、コストに依存する。

ベース材は加工温度、溶融体粘度、溶融体流動性を決定し、これに基づいて超分散剤の型号と使用量を選ぶ必要がある。R1800-S と R1800-SK の添加含有量欄にはいずれもプラスチック最終製品の 0.5%–1% と記されており、R1800-S には別途、粉体のメッシュ数に応じた対照表が落とし尺用として付されている。

着色剤の使用量は極めて重要である。マニュアルには次のように記されている。顔料の種類が異なれば、細かさが異なれば、吸油値が異なれば、添加する分散剤の量も異なる。

充填剤の使用量を増やすと、物体の可塑化が遅くなり、溶融体強度が低下し、溶融体圧力が下降し、溶融体中の粉体が分散しにくくなってフィッシュアイが生じる。充填マスターバッチやその他の充填剤添加マスターバッチにはいずれも分散剤が必要であり、これによって充填剤のプラスチック中での分散を高め、フィッシュアイを低減し、スクリュー中での材料の流動性を向上させる。

潤滑体系は分散剤とセットでなければならない。マニュアルには、配合中の内外部潤滑の相互バランスが記されている。内部滑りが不足すると、マスターバッチは分散不良を起こしやすく、フィッシュアイを生じる。内部潤滑が多すぎると、溶融体強度が低下し、製品強度の低下を招きやすい。外部潤滑が不足すると、合流芯温度が高くなり、可塑化のやり過ぎ、吐出し困難、機械電流の増大、粒子表面の粗さ・ざらつき、黄変を招く。外部潤滑が多すぎると、ブリードが激しくなる。

これら4者は一連の組み合わせ関係である。分散剤がどれほど優れていても、不適合な潤滑体系にはかなわない。

分散以外に、超分散剤は何を担うか

マニュアルが R1800-S の機能リストに挙げているのは分散だけではない。分散・包み込み、潤滑・離型、靭性付与・光沢向上、すべり・アンチブロッキング剤、無水マレイン酸グラフトの代替可、製品の流動速度の調整可、製品の衝撃強度と引っ張り強度の向上可、である。言い換えれば、これは「分散を主としつつ複数項目を兼ねる」多機能助剤である。したがって配合の中でそれに割く分量は、分散効果だけで計算してはならないことが多い。

マニュアルにはまた、不活性と呼ばれる配合判定基準がある。他の助剤と反応せず、正しく使用すれば樹脂のもとの性能（メルトフローインデックス、粘度、融点／軟化点、応力／ひずみ、硬さ／柔らかさ、耐光性、耐衝撃性、耐曲げ性、耐老化性、低温柔軟性）に副作用を生じない。マニュアルはカオリン処理時に別の付加効果も記している。千分の2を加えると絶縁性能を高めることができる。

実践に落とし込む：どう使うか

各セル = 1つの値（単位 %）；色が濃いほど = 値が大きい；行方向で列を直接比較可能。

800 メッシュ1250 メッシュ1500 メッシュ3000 メッシュ炭酸カルシウム0.20.30.350.5タルク0.320.380.471カオリン0.30.350.450.80.2%1%同一テーブル内の相対サイズ（単位統一 %）· 色の濃さはテーブル間比較可能性を表さない

• 800 メッシュ
• 1250 メッシュ
• 1500 メッシュ
• 3000 メッシュ
• 炭酸カルシウム
• 同一テーブル内の相対サイズ（単位統一 %）· 色の濃さはテーブル間比較可能性を表さない

• 炭酸カルシウム0.2–0.5 %
• タルク0.32–1 %
• カオリン0.3–0.8 %

チャートデータ（原文のまま）

行	800 メッシュ	1250 メッシュ	1500 メッシュ	3000 メッシュ
炭酸カルシウム	0.2 %	0.3 %	0.35 %	0.5 %
タルク	0.32 %	0.38 %	0.47 %	1 %
カオリン	0.3 %	0.35 %	0.45 %	0.8 %

原語目盛 0.2–1 %

粉体のメッシュ数と吸油値に応じて落とし尺し、経験で適当に決めてはならない。マニュアルに記された3つの対照表は次のとおりである。

粉体	800 メッシュ	1250 メッシュ	1500 メッシュ	3000 メッシュ
炭酸カルシウム	0.2%	0.3%	0.35%	0.5%
タルク	0.32%	0.38%	0.47%	1%
カオリン	0.3%	0.35%	0.45%	0.8%

有機および無機顔料（カーボンブラック、酸化チタン白、ウルトラマリン、クロム黄など）について、マニュアルに記された添加量はおおよそ 0.3%–1.2% で、実際の配合に応じて調整する。同じ表の中で、炭酸カルシウムは 800 メッシュの 0.2% から 3000 メッシュの 0.5% へ、タルクは 800 メッシュの 0.32% から 3000 メッシュの 1% へ、カオリンは 800 メッシュの 0.3% から 3000 メッシュの 0.8% へと伸びている。この3本の線の傾きの違いは、まさに吸油値の違いの直接的な表れである。

メッシュ数が高いほど、添加量は大きくなる。粉体が細かいほど、比表面積は大きくなり、被覆すべき界面は多くなる。 マニュアルの対照によれば、炭酸カルシウムは 800 メッシュで 0.2%、3000 メッシュで 0.5% である。タルクは 800 メッシュで 0.32%、3000 メッシュで 1% である。カオリンは 800 メッシュで 0.3%、3000 メッシュで 0.8% である。これは前述の 1.6% 飽和点の機構と、同じ事柄の2つの側面である。マニュアルには別に、カオリン使用量を千分の2まで増やすと絶縁性能も高まるという記述があり、この種の付加効果は一般に具体的な系ごとに検証する必要がある。

本稿が代わりに決めなかったこと

マニュアルがデータを提示していない項目がいくつかあり、本稿は外挿しない。

分散度の統一判定基準

マニュアルは定性（顕微鏡観察・写真撮影）と定量（粒度分布）の2つの測定法を同時に示しているが、マニュアルは統一された合格しきい値を提示しておらず、メッシュ数と分散度等級との換算も示していない。

加工ウィンドウと助剤のセットアップ

マニュアルは各型号の使用量の幅を明確に述べているが、異なる設備、異なるスクリュー構成での実際の最適分量については、マニュアルは示していない。

他の分散系の全体像

マニュアルが挙げたこの6類について、マニュアルは分類名と「アニオン型が最も多く使われる」という一文のみを与えており、各類の分子構造と作用機構は展開されていない。

保管と配合禁忌の逐条説明

マニュアルには R1800-S に対する2つの使用禁止項目が記されている。冷処理粉体内への使用禁止、水性塗料および水性インキ中での使用禁止である。しかしこの種の制限の他の型号に対する具体的な条項については、マニュアルは逐条では示していない。

これらは一般に、小規模試験（小試）と供給元の技術文書によって補完する必要があり、通常はまず小試で確認してからスケールアップ生産を行う必要がある。

よくある誤解

「分散剤と被膜剤は同じものだ。」 R1800-S を例にとると、それは分散剤と被膜剤を精密な配合比で、高温高圧条件下で製造した一体化製品であるため、2つの能力を同時に備えている。しかし工程上、別々に行われる粉体処理（被膜）と分散工程は、依然として2つの別の事柄である。

「加えれば加えるほど分散が良くなる。」 上記の放物線がすでに否定している。

分散が良いということは色がきれいなことだ。

ピンホールや色点は分散剤が足りないからだ。

一言でまとめる

分散剤の行うことは3つの工程——ぬれ、微微細化、安定化——に分解できる。そして最も差別化のポイントとなるのは第3の工程である。アンカー端と溶媒和端を持つ被膜を粒子表面に築き、粒子どうしを弾き合わせ、かつ使用量が吸着飽和点を超えると架橋凝集を生じて効果が逆転する。したがって、ある分散剤が良いかどうかは、それがあなたの粉体、あなたの顔料、あなたの設備において光密度値をどこまで押し上げるかで見るべきであり、どれだけ加えたかではない。