JP5405616B2

JP5405616B2 - 微粒子のコーティング方法及び微粒子コーティングシステム

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Publication number: JP5405616B2
Application number: JP2012084757A
Authority: JP
Inventors: 多津男庄司; 慎一郎白岩
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2026-12-04
Also published as: JP2012187579A

Description

本発明は、ナノ粒子等の微粒子を種々の母材の表面にコーティングする、微粒子のコーティング方法及び微粒子コーティングシステムに関する。

近年、様々な機能を持ったナノ粒子等の微粒子の製造法が開発され、例えば化粧品から工業的な応用に至るまで、微粒子が広範囲に応用されるようになってきた。
例えば、特許文献１に記載された従来技術では、ナノ粒子を、連続相が水相であり、分散相が油相であるエマルションに分散させた分散液を、固定基板上にインクジェットコーティングする、ナノ粒子薄膜の作成方法が提案されている。

特開２０００−１２６６８１号公報

特許文献１に記載された従来技術に代表されるように、ナノ粒子等の微粒子は、通常、分子間力や表面張力などで凝集しているため、目的の母材に塗布、あるいは薄膜化してコーティングするためには、凝集状態から分散させなければならない。
凝集状態のナノ粒子等の微粒子を分散させるためには、例えば、溶液中に分散させ、長時間かけて攪拌し、更に高圧のガスジェットによって超音速で母材に吹き付け、焼き付けて仕上げる等、長時間にわたる煩雑な工程を経なければならない。
このため、目的とする母材にナノ粒子等の微粒子をコーティングするには、長時間の手間と、膨大な設備が必要である。従って、例えば、溶液中に分散させる溶剤の設備、乾燥設備、大電力等を必要とする設備、騒音を遮蔽する設備、クリーンルーム設備等の設備が不要な、手軽な設備で短時間にコーティングできる方法が望まれている。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、ナノ粒子等の微粒子を、手軽な設備で短時間に目的とする母材にコーティングすることが可能な、微粒子のコーティング方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための手段として、本実施の形態に記載の微粒子のコーティング方法は、任意の被コーティング材に微粒子をコーティングする、微粒子のコーティング方法であって、所定間隔に配置した電極間に、前記微粒子と、当該微粒子よりも径が大きく且つ凝集することなくそれぞれの粒子が独立して運動可能な補助粒子とを配置し、前記電極間に前記被コーティング材を配置する。
そして、前記補助粒子、または前記補助粒子と前記微粒子、が前記電極間にて往復運動するように前記電極に直流電圧をかけることで、前記微粒子を分散させるとともに、分散させた前記微粒子を、往復運動する前記補助粒子の表面に付着させるとともに前記補助粒子にて前記被コーティング材の表面に叩きつけて前記被コーティング材にコーティングする。

また、本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりの微粒子のコーティング方法である。
請求項１に記載の微粒子のコーティング方法は、微小径を有して凝集状態の微粒子を、前記微粒子よりも径が大きく且つ凝集することなくそれぞれの粒子が独立して運動可能なコーティング対象物にコーティングする、微粒子のコーティング方法であって、所定間隔に配置した電極間に、凝集状態の前記微粒子と、前記コーティング対象物とを配置する。
そして、前記コーティング対象物、または前記コーティング対象物と前記微粒子、が前記電極間にて往復運動するように前記電極に直流電圧をかけることで、凝集状態の前記微粒子を分散させるとともに、分散させた前記微粒子を、往復運動する前記コーティング対象物の表面に付着させるとともに前記コーティング対象物にて叩きつけて前記コーティング対象物にコーティングする。

また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりの微粒子のコーティング方法である。
請求項２に記載の微粒子のコーティング方法は、請求項１に記載の微粒子のコーティング方法であって、所定間隔に配置した前記電極における対向する面の形状は平面状であり、当該電極を上面及び下面とするとともに、少なくとも前記電極との接触部が絶縁された側壁部材で側面を囲った密閉空間を形成し、前記密閉空間内に前記微粒子と前記コーティング対象物とを配置する。

また、本発明の第３発明は、請求項３に記載されたとおりの微粒子のコーティング方法である。
請求項３に記載の微粒子のコーティング方法は、請求項１に記載の微粒子のコーティング方法であって、所定間隔に配置した前記電極における対向する面の形状は平面状であり、当該電極を上面及び下面とするとともに、少なくとも前記電極との接触部が絶縁された側壁部材で側面を囲った空間を形成し、前記空間内に、凝集状態の前記微粒子と、前記コーティング対象物とを配置し、前記電極または前記側壁部材に、前記微粒子がコーティングされたコーティング対象物を回収可能な回収開口部と、前記微粒子とコーティング前のコーティング対象物とを補給可能な補給開口部とを設ける。
そして、前記回収開口部から前記微粒子がコーティングされたコーティング対象物を回収するとともに前記補給開口部から前記微粒子とコーティング前のコーティング対象物とを補給することで、前記コーティング対象物に次々と前記微粒子をコーティングする。

また、本発明の第４発明は、請求項４に記載されたとおりの微粒子のコーティング方法である。
請求項４に記載の微粒子のコーティング方法は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の微粒子のコーティング方法であって、所定間隔に配置した前記電極は上下に配置されており、上側の電極が接地されている。
また、本実施の形態に記載の微粒子コーティングシステムは、所定間隔を空けて配置された電極と、少なくとも前記電極との接触部が絶縁されて前記電極とともに密閉空間を形成する側壁部材と、前記電極に直流電圧を供給する電源と、を有する微粒子コーティングシステムである。
前記密閉空間内には、微粒子と、前記微粒子よりも径が大きく且つ凝集することなくそれぞれの粒子が独立して運動可能な補助粒子と、任意の被コーティング材と、が配置されており、前記補助粒子、または前記補助粒子と前記微粒子、が前記電極間にて往復運動するように前記電源から前記電極に直流電圧を供給することで、前記微粒子を分散させるとともに、分散させた前記微粒子を、往復運動する前記補助粒子の表面に付着させるとともに前記補助粒子にて前記被コーティング材の表面に叩きつけて前記被コーティング材にコーティングする、ことを特徴とする微粒子コーティングシステムである。
また、本発明の第５発明は、請求項５に記載されたとおりの微粒子コーティングシステムである。
請求項５に記載の微粒子コーティングシステムは、所定間隔を空けて配置された電極と、少なくとも前記電極との接触部が絶縁されて前記電極とともに密閉空間を形成する側壁部材と、前記電極に直流電圧を供給する電源と、を有する微粒子コーティングシステムである。
前記密閉空間内には、微小径を有して凝集状態の微粒子と、前記微粒子よりも径が大きく且つ凝集することなくそれぞれの粒子が独立して運動可能なコーティング対象物と、が配置されており、前記コーティング対象物、または前記コーティング対象物と前記微粒子、が前記電極間にて往復運動するように前記電源から前記電極に直流電圧を供給することで、凝集状態の前記微粒子を分散させるとともに、分散させた前記微粒子を、往復運動する前記コーティング対象物の表面に付着させるとともに前記コーティング対象物にて叩きつけて前記コーティング対象物にコーティングする、ことを特徴とする微粒子コーティングシステムである。
また、本発明の第６発明は、請求項６に記載されたとおりの微粒子コーティングシステムである。
請求項６に記載の微粒子コーティングシステムは、請求項５に記載の微粒子コーティングシステムであって、前記電極または前記側壁部材には、前記微粒子がコーティングされたコーティング対象物を回収可能な回収開口部と、前記微粒子とコーティング前のコーティング対象物とを補給可能な補給開口部と、が設けられており、前記回収開口部から前記微粒子がコーティングされたコーティング対象物を回収するとともに前記補給開口部から前記微粒子とコーティング前のコーティング対象物とを補給することで、前記コーティング対象物に次々と前記微粒子をコーティングする、ことを特徴とする微粒子コーティングシステムである。
また、本発明の第７発明は、請求項７に記載されたとおりの微粒子コーティングシステムである。
請求項７に記載の微粒子コーティングシステムは、請求項５または６に記載の微粒子コーティングシステムであって、前記電極は、対向するように上下に配置され、対向する面の形状は平面状であり、上側の電極が接地されている、ことを特徴とする微粒子コーティングシステムである。

本実施の形態に記載の微粒子のコーティング方法を用いれば、電極と電源を用いた非常に手軽な設備で微粒子をコーティングすることができる（例えば、溶剤の設備、乾燥設備、大電力、騒音遮蔽設備、クリーンルーム等の設備を必要とせず、簡単な設備でよい）。また、設備のサイズも自由に設定することができ、便利である。
更に、凝集状態の微粒子を溶液中に分散させる必要もなく、通常の大気中であっても凝集状態の微粒子を容易に分散させて被コーティング材にコーティングすることができる。

また、請求項１に記載の微粒子のコーティング方法によれば、種々の補助粒子（コーティング対象物）の表面全体に、微粒子を容易にコーティングすることができるので便利である。
例えば、粒子状の医薬品（補助粒子に相当）に、体内で溶解する微粒子を容易にコーティングすることができる。

また、請求項２に記載の微粒子のコーティング方法によれば、密閉空間内で微粒子を分散させるので、微粒子が周囲に分散されることを防止できる。なお、電極の形状は任意であり、対向する面が平面状であればよい。

また、請求項３に記載の微粒子のコーティング方法によれば、比較的小さな電極（比較的小さな設備）であっても、比較的大量の補助粒子（コーティング対象物）に微粒子をコーティングする作業が容易である。なお、電極の形状は任意であり、対向する面が平面状であればよい。

また、請求項４に記載の微粒子のコーティング方法によれば、補助粒子（コーティング対象物）も微粒子も適切に帯電させて、電極間で往復運動させることが容易である。また、接地することで、コーティング作業を行う作業者に対して、より安全である。

本発明の微粒子のコーティング方法を用いてコーティングする際のコーティングシステム１の一実施の形態を説明する図である。被コーティング材２０に微粒子ＮＲをコーティングするコーティング方法について説明する図（断面図）である。補助粒子ＢＲに微粒子ＮＲをコーティングするコーティング方法について説明する図（断面図）である。

以下に本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の微粒子のコーティング方法を用いてコーティングする際のコーティングシステム１の一実施の形態を示している。

●［コーティングシステム１の構成（図１）］
図１（Ａ）の例に示すコーティングシステム１は、電極１０ａ及び１０ｂ、電源４０、電源４０と電極１０ａ及び１０ｂの各々を接続する配線５０ａ及び５０ｂ、側壁部材３０の、非常に簡素な構成で実現することができる。
また、被コーティング材２０は任意の部材であり、金属、樹脂、紙等、種々の材質のものを用いることができる。なお、被コーティング材２０が導電体である場合は、図１（Ａ）に示すように、被コーティング材２０と電極１０ａとが同電位となるように、被コーティング材２０と電極１０ａとを接続しておくことが好ましい（図１（Ａ）中に点線にて示す）。
被コーティング材２０にコーティングする微粒子ＮＲは、いわゆるナノ粒子を含む微粒子であり、例えば、１／１０［ｎｍ］程度〜数百［ｎｍ］程度の径の粒子を用いる。
また、補助粒子ＢＲは、微粒子ＮＲよりも大きな径（例えば、数十［μｍ］程度〜数百［μｍ］程度の径）の粒子を用いる。
なお、発明者は、補助粒子ＢＲの材質は金属（導電体）であっても絶縁体であっても良く、導電体であっても絶縁体であっても同様に帯電することを確かめた。また、発明者は、補助粒子ＢＲの材質として、セラミック、プラスチック、ステンレス等の材質で実験し、比較的硬いセラミックを用いて、接着性のあるコーティング状態が得られることを確認した。

上記のサイズの微粒子ＮＲは、通常の大気中では、分子間力や表面張力等で凝集した状態になり、従来では、被コーティング材２０にコーティングするためには、微粒子ＮＲを一旦、溶液中で均一となるように分散させ、溶液とともに吹き付けてコーティングし、その後、溶液を蒸発させる等、非常に手間と時間がかかり、比較的大きな設備を必要としていた。
本実施の形態のコーティングシステム１では、通常の大気中にて、凝集状態の微粒子ＮＲをそのまま使用できる点と、簡素な設備で実現できる点が大きな特徴である。図１の例に示すように、手軽な設備でコーティングできるとともに、煩雑な工程を必要としないため、短時間にコーティングすることができる。
なお、コーティングする微粒子ＮＲは凝集状態であるが、補助粒子ＢＲは、凝集することなくそれぞれの粒子が独立して運動可能な状態である。

なお、用途に応じて側壁部材３０の形状を変更することで、被コーティング材２０へのコーティング形状を変更することができる。例えば、図１（Ｂ）の例に示す形状の場合、側壁部材３０の上面の開口部の形状を転写させた星型の形状にコーティングすることができる。
また、図１（Ｃ）の例に示すように、被コーティング材２０に開口部２０ｈを設けることで、被コーティング材２０と当接する電極１０ａに開口部２０ｈの形状を転写させたコーティングを得ることができる。この場合は、電極１０ａも被コーティング材に含まれる。この場合、開口部２０ｈに金属メッシュを貼ると、電場の乱れを抑制できる。
また、電極１０ａ及び１０ｂは、対向する面の形状が平面状であれば、電極そのものの形状は、どのような形状であっても良い。

●［被コーティング材２０へのコーティング方法（図２）］
次に、図２を用いて、被コーティング材２０に微粒子ＮＲをコーティングするコーティング方法について説明する。
図２は断面図を示しており、電極１０ａ及び１０ｂのそれぞれを、上面及び下面とするとともに、側壁部材３０にて側面を囲って密閉空間Ｋを形成し、密閉空間Ｋ内に微粒子ＮＲと補助粒子ＢＲとを配置している。また、被コーティング材２０を電極１０ａと１０ｂの間に配置している（図２の例では、上面の電極１０ａと接触させている）。なお、図２の例では、被コーティング材２０と電極１０ａとの接続の記載を省略している。
なお、電極間の間隔Ｄは特に限定しないが、本実施の形態では、１５［ｍｍ］程度の間隔に設定している。また、被コーティング材２０は、金属、樹脂、紙等、任意の材質のものを用いることができ、導電体であっても絶縁体であっても良い（発明者は、２０［ＫＶ］の電圧、数［μＡ］以下の電流にて、導電体であっても絶縁体であっても良いことを確認した）。
また、側壁部材３０は省略してもよいが、側壁部材３０を用いることで、電極間の間隔を一定に保つことが容易であることと、凝集状態の微粒子ＮＲが分散された際、周囲の空間に拡散することを防止できるので、側壁部材３０を用いることが好ましい。なお、側壁部材３０は、少なくとも電極１０ａ及び１０ｂと接触する個所が絶縁された部材であればよく、全体が絶縁体であってもよい。

図２の例では、電極１０ａを正、電極１０ｂを負にしたが、逆であってもよい。
なお、下側の電極を接地（アース）すると、静止状態の補助粒子を帯電させることが困難であるため、上側の電極を接地（アース）する。また、電極を接地することで、作業者等に対して、安全を確保することができる。
この状態で、電圧を徐々に上げていくと、重力で下側の電極上で静止している補助粒子ＢＲが帯電していき、電極間の電場で上部電極１０ａ側に加速され、上部電極１０ａの手前の被コーティング材２０に衝突して反射され、また上部電極１０ａで電荷を大部分失い、下部電極１０ｂに戻る、という往復運動を繰り返すようになる。なお、微粒子ＮＲも帯電していく。
補助粒子ＢＲが、電極間で往復運動を開始すると、分解された微粒子ＮＲも帯電しているために電極間の電場で加速され、（上下）運動するようになる。これを繰り返し、次第に小さな破片となった微粒子ＮＲ群は、補助粒子ＢＲの表面に付着するとともに、補助粒子ＢＲによって被コーティング材２０の表面に叩きつけられて、コーティングが進行していく。また、補助粒子ＢＲは、互いに衝突や粒子同士の横方向のクーロン力を受け、密閉空間Ｋ内を急速に拡散しながら電極間で往復運動するため、微粒子ＮＲを被コーティング材２０の表面に、ほぼ均一にコーティングすることができる。
なお、通常の静電塗装やコピー機等では、帯電及び微粒子化した液体等を被塗装材に付着させるが、これらは、被塗装材の表面に（ふんわりと）載った状態であり、風等で容易に剥れ飛ぶような状態になっている（その後の焼き付け工程、乾燥工程等にて固着させている）。しかし、本実施の形態にて説明した微粒子のコーティング方法では、電圧をかける、という単純な工程のみで、補助粒子ＢＲの衝撃及び高電圧による微粒子ＮＲ自身の繰り返しの衝撃によって、非常に接着性の良いコーティングができることを確認できた。

本実施の形態では、ガラス（絶縁体）で形成された直径１００［ｍｍ］程度、高さ１５［ｍｍ］程度（＝電極間の間隔Ｄ）の円筒状の側壁部材３０、径が約０．９［ｎｍ］のナノ粒子（微粒子ＮＲに相当）、径が約数十［μｍ］のセラミック粒子（補助粒子ＢＲに相当）を用い、約２０［ＫＶ］の電圧をかけて、この往復運動を継続させたところ、数秒〜数十秒程度の短時間で、被コーティング材２０の表面に微粒子ＮＲをコーティングすることができた。なお、補助粒子ＢＲにも微粒子ＮＲがコーティングされる。
この場合、電流をほとんど消費しない（μＡ以下）ので、消費電力は約０．０２［Ｗ］程度であった。このため、簡素な設備で良いことに加えて、ランニングコストも非常に低い。

●［補助粒子ＢＲへのコーティング方法（図３）］
以上の説明では、補助粒子ＢＲを用いて、被コーティング材２０に微粒子ＮＲをコーティングする方法を説明したが、コーティング対象を被コーティング材２０でなく、補助粒子ＢＲとした場合の例を以下にて説明する。
以下、図３（図２と同様の断面図）を用いて、被コーティング材２０へのコーティング方法（図２）との相違点を説明する。

図３の例に示す補助粒子ＢＲへのコーティング方法では、図２に対して、被コーティング材２０が省略され、補給開口部６０ａ、回収開口部６０ｂが追加されている。
例えば、補助粒子ＢＲとして粒子状の医薬品を用い、微粒子ＮＲとして体内で溶解する材質の微粒子を用いることで、表面に微粒子ＮＲの層が均一に形成された粒子状の医薬品を容易に製造することができる。
この場合、電極１０ａ及び１０ｂと側壁部材３０で形成された空間Ｋにおいて、電極（１０ａ、１０ｂ）または側壁部材３０に、回収開口部６０ｂと補給開口部６０ａを形成する。
そして、補給開口部６０ａから、微粒子ＮＲと、微粒子ＮＲをコーティングする前の補助粒子ＢＲとを補給する。空間Ｋ内に補給された補助粒子ＢＲは、電極間で往復運動を繰り返して、その表面に均一に微粒子ＮＲがコーティングされ、やがて回収開口部６０ｂに到達して回収される。これにより、補助粒子ＢＲに、次々と微粒子ＮＲをコーティングしていくことが可能となる。
なお、回収開口部６０ｂと補給開口部６０ａを省略しても、補助粒子ＢＲに微粒子ＮＲをコーティングすることが可能である。

本発明の微粒子のコーティング方法は、本実施の形態で説明した方法等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
また、微粒子ＮＲの径、導電性の有無、材質等は特に限定せず、種々の微粒子を用いることができる。また、補助粒子ＢＲの径、導電性の有無、材質等も特に限定せず、種々の粒子状物質を用いることができる。また、被コーティング材２０の形状、導電性の有無、材質等は特に限定せず、種々の部材を被コーティング材とすることができる。
また、本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。

１コーティングシステム
１０ａ、１０ｂ電極
２０被コーティング材
３０側壁部材
４０電源
５０ａ、５０ｂ配線
ＮＲ微粒子
ＢＲ補助粒子
６０ａ補給開口部
６０ｂ回収開口部

Claims

微小径を有して凝集状態の微粒子を、前記微粒子よりも径が大きく且つ凝集することなくそれぞれの粒子が独立して運動可能なコーティング対象物にコーティングする、微粒子のコーティング方法であって、
所定間隔に配置した電極間に、凝集状態の前記微粒子と、前記コーティング対象物とを配置し、
前記コーティング対象物、または前記コーティング対象物と前記微粒子、が前記電極間にて往復運動するように前記電極に直流電圧をかけることで、凝集状態の前記微粒子を分散させるとともに、分散させた前記微粒子を、往復運動する前記コーティング対象物の表面に付着させるとともに前記コーティング対象物にて叩きつけて前記コーティング対象物にコーティングする、
ことを特徴とする微粒子のコーティング方法。
請求項１に記載の微粒子のコーティング方法であって、
所定間隔に配置した前記電極における対向する面の形状は平面状であり、当該電極を上面及び下面とするとともに、少なくとも前記電極との接触部が絶縁された側壁部材で側面を囲った密閉空間を形成し、前記密閉空間内に前記微粒子と前記コーティング対象物とを配置する、
ことを特徴とする微粒子のコーティング方法。
請求項１に記載の微粒子のコーティング方法であって、
所定間隔に配置した前記電極における対向する面の形状は平面状であり、当該電極を上面及び下面とするとともに、少なくとも前記電極との接触部が絶縁された側壁部材で側面を囲った空間を形成し、前記空間内に、凝集状態の前記微粒子と、前記コーティング対象物とを配置し、
前記電極または前記側壁部材に、前記微粒子がコーティングされたコーティング対象物を回収可能な回収開口部と、前記微粒子とコーティング前のコーティング対象物とを補給可能な補給開口部とを設け、
前記回収開口部から前記微粒子がコーティングされたコーティング対象物を回収するとともに前記補給開口部から前記微粒子とコーティング前のコーティング対象物とを補給することで、前記コーティング対象物に次々と前記微粒子をコーティングする、
ことを特徴とする微粒子のコーティング方法。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の微粒子のコーティング方法であって、
所定間隔に配置した前記電極は上下に配置されており、上側の電極が接地されている、
ことを特徴とする微粒子のコーティング方法。
所定間隔を空けて配置された電極と、
少なくとも前記電極との接触部が絶縁されて前記電極とともに密閉空間を形成する側壁部材と、
前記電極に直流電圧を供給する電源と、を有する微粒子コーティングシステムであって、
前記密閉空間内には、微小径を有して凝集状態の微粒子と、前記微粒子よりも径が大きく且つ凝集することなくそれぞれの粒子が独立して運動可能なコーティング対象物と、が配置されており、
前記コーティング対象物、または前記コーティング対象物と前記微粒子、が前記電極間にて往復運動するように前記電源から前記電極に直流電圧を供給することで、凝集状態の前記微粒子を分散させるとともに、分散させた前記微粒子を、往復運動する前記コーティング対象物の表面に付着させるとともに前記コーティング対象物にて叩きつけて前記コーティング対象物にコーティングする、
ことを特徴とする微粒子コーティングシステム。
請求項５に記載の微粒子コーティングシステムであって、
前記電極または前記側壁部材には、前記微粒子がコーティングされたコーティング対象物を回収可能な回収開口部と、前記微粒子とコーティング前のコーティング対象物とを補給可能な補給開口部と、が設けられており、
前記回収開口部から前記微粒子がコーティングされたコーティング対象物を回収するとともに前記補給開口部から前記微粒子とコーティング前のコーティング対象物とを補給することで、前記コーティング対象物に次々と前記微粒子をコーティングする、
ことを特徴とする微粒子コーティングシステム。
請求項５または６に記載の微粒子コーティングシステムであって、
前記電極は、対向するように上下に配置され、対向する面の形状は平面状であり、上側の電極が接地されている、
ことを特徴とする微粒子コーティングシステム。