Hansen溶解度パラメータ (HSP値) の基礎および微粒子・ナノ粒子の凝集・分散性評価

C.M.Hansenは、Hildebrand が提案したSP値の凝集エネルギーの項を、それぞれの物質の分子間に働く相互作用エネルギーの種類によって分割し、SP値を、分散力項 (δd) 双極子間力項 (δp) 、水素結合力項 (δh) として表し、Hansen溶解度パラメータ (以下:HSP値) として提案しました。 　現在、HSP値は高分子 – 溶媒間、高分子 – 高分子間などの相溶性評価、ナノ粒子の溶媒中での凝集・分散性評価、樹脂の溶媒に対する耐性評価など広く用いられています。また、HSP値は、化学製品の製造工程において、溶質に対する最適溶媒の選択や混合溶媒の最適な組み合わせの選定、さらに、最適混合比などにも有効であることが報告されています。近年、Hansenの研究グループは、分子構造が未知である低分子液体、高分子やフラーレン、カーボンブラックなどの炭素材料のHSP値を求める新しい手法として、Hansen solubility sphere法 (以下Hansen溶解球法および4次元型HSP) を提案しており、その汎用性の高さから現在多くの研究者から注目されています。また、HSP算出のための最新分子グループ寄与法 (関西大学HSP – 2019) について解説します。 　本講演セミナーでは、HSP値を用いた物質 – 物質間の溶解性、ぬれ性、透明性、接着の基礎的な講義して、その新しい応用として酸化金属、ゼオライト、炭素、硫化物などの微粒子・ナノ粒子表面のHSP値を実験的に求める方法について講義し、溶媒中の微粒子の分散性評価の方法についての基礎的な概念の紹介をします。さらに、溶媒中での微粒子・ナノ粒子分散安定性の評価方法について微粒子表面のHSPと溶媒HSP間の3Dグラフ中の距離Raを用いた新しい評価方法について説明します。 　新しい微粒子・ナノ粒子表面のHSP測定法として、1) 平均粒形法 (DLS) 、2) 分布沈降速度法、3) 浸透速度法や4) IGC (インバースガスクロマトグラフ) を用いたHansen溶解度パラメータの測定方法について解説、その応用例、実施例について講演する。 　また、微粒子表面にカップリングされた場合のHansen溶解度パラメータの測定および分散性への影響について評価について、カップリング材料のHSPについて測定例を紹介します。実施例として、シリカナノ粒子、銅ナノ粒子のカップリング処理後のHSPの変化について説明します。本セミナーは微粒子分散系におけるHansen溶解球およびHSP値利用の最前線から実際の活用手法を解説します。

• はじめに
  • “Hildebrand溶解度パラメータについて (原著より) ”
  • 正則溶液理論から導かれた溶解度パラメータの意味
  • 物性値としての溶解度パラメータの価値
  • 一般的な物質 (気体・液体・固体) の溶解度パラメータの総論
  • HildebrandおよびHansen溶解度パラメータの相互関係

1. Hansen溶解度パラメータ (HSP値) の基礎
   1. Hansenの溶解度パラメータの定義 (δt,δd,δp,δh)
      • Hildebrand SP値 (δt)
      • 分散エネルギー項 (δd)
      • 双極子間力エネルギー項 (δp)
      • 水素エネルギー項 (δh)
   2. HSP値の三角線図 (Teas図) による評価
   3. Hanasen Solubility Windowの考え方
   4. Hansen 溶解球法の原理・考え方・応用
   5. Hansen3Dグラフ上での物質の相溶性・溶解性の評価
   6. Hansen3Dグラフ上での多成分系混合溶媒の評価
   7. Hansen溶解球法の特徴
   8. 炭素材料のHSP値の測定例 (フラーレン、アスファルテン)
2. Hansen溶解度パラメータ (HSP値) 液体の物性からの計算方法
   1. 表面張力からのδtの計算方法
   2. 屈折率からのδdの計算方法
   3. 誘電率からのδpの計算方法
   4. 溶媒極性パラメータからのδhの計算方法
   5. Hansen溶解度パラメータと物性値 (沸点、融点、比熱、熱伝導度など) の相関
3. Hansen溶解度パラメータ (HSP値) の分子グループ寄与法 (分子構造) による計算
   1. Fedors の計算方法
   2. van Kreveren & Hoftyzerの計算方法
   3. Hoyの計算方法
   4. Stefanis & Panayiotou法 (S&P法) による計算方法
   5. HSPiPプログラムによる計算方法
   6. 関西大学JKU – HSPプログラムによる計算方法
      1. JKU – HSPプログラムの紹介
      2. JKU – HSPプログラムの新しいパラメータの開発状況
      3. JKU – HSPプログラムの推算精度と応用
      4. JKU – HSPプログラムおよびHSPiPプログラムの応用
4. 多成分系混合溶媒の溶解度パラメータの計算方法
   1. 成分溶液のHSP値の計算方法
1. 多成分溶液のHSP値の計算方法および実測方法
2. HSP値を用いた溶質のスーパーソルベントの設計 – 最適混合比の設計の考え方 -
3. 微粒子の最良分散溶媒の理論的設計方法
5. 微粒子・ナノ粒子表面のHansen溶解度パラメータの測定方法
   1. 一般的なHansen溶解球法によるHSP値の測定例
   2. 溶媒中の平均粒子径測定によるHSP測定 (DLS法)
   3. 溶媒中での粒子の沈降速度によるHSP測定 (沈降速度法)
   4. 浸透速度法 (Washburn式)
   5. その他の方法
6. IGC (インバースガスクロマトグラフ) を用いたHansen溶解度パラメータの測定
   1. IGC (逆相クロマト) の原理と応用
   2. Flory – Hugginsのχパラメータ
   3. Hansen溶解度パラメータ (δd,δp,δh) とχパラメータの関係
   4. IGCによるHansen溶解度パラメータの測定方法
7. 微粒子・ナノ粒子表面のHansen溶解度パラメータの測定および分散性評価
   1. 微粒子・ナノ粒子表面のHSP値の測定方法
   2. シリカ粒子および表面を改質したシリカ粒子表面HSP値の測定
   3. 銅ナノ粒子表面のHSP値の測定
   4. 各種酸化金属ナノ粒子表面 (Ti02、Al2O3、SiO2など) のHSP値測定
   5. Hansen溶解度パラメータを用いたナノ粒子の溶媒中分散・凝集性の評価
   6. Hansen溶解度パラメータを用いた樹脂の透明性評価
   7. 浸透性評価による粒子サイズの異なるナノ粒子表面のHSP値の測定と評価
8. カップリングされた微粒子・ナノ粒子表面のHansen溶解度パラメータの測定
   1. 銅ナノ粒子表面のHSP値の測定
   2. カップリングされた種々の銅ナノ粒子表面のHSP値の測定および評価
   3. 表面修飾されたシリカ粒子表面の測定および評価
   4. 酸化金属ナノ粒子表面の4次元型HSP値の適用および評価
• おわりに
  • 溶ける、溶けないを、見極 (予測) する意味
  • Hildebrand溶解度パラメータの応用と限界
  • Hansen溶解度パラメータの幅広い応用と将来展望
  • 将来期待されているHSP値の応用分野 (医学、食品、薬学、ポリマー、プラスチック)
  • 現場における溶解性評価の高度化・迅速化に対するHSP値の価値
  • 溶解に係る新規材料開発のHSP値高度利用の方向性