多木化学のシリカアルミナゾル開発　シリカアルミナゾルとは何か？バインダーとは何か？

この記事で分かること

多木化学のシリカアルミナゾル開発

　多木化学が高温下でも優れた固着力を発揮するシリカアルミナゾルを開発したことがニュースになっています。

　https://www.nikkan.co.jp/articles/view/00751468

　シリカ（二酸化ケイ素）とアルミナ（酸化アルミニウム）は、セラミックスや触媒などの分野で広く用いられる無機材料です。

　これらをナノレベルで複合化し、ゾル（液中に微粒子が分散した状態）として利用することで、様々な機能性を付与することができます。

シリカアルミナゾルとは何か

　「シリカアルミナゾル」とは、シリカ（二酸化ケイ素、SiO2​）とアルミナ（酸化アルミニウム、Al2​O3​）の微粒子が液体（主に水）中に安定して分散しているコロイド溶液のことです。

　「ゾル」というのは、液中に固体粒子が非常に小さく（通常はナノメートルオーダー）分散しており、沈殿せずに安定している状態を指します。牛乳やインクなどもゾルの一種です。

シリカアルミナゾルの特徴

　シリカとアルミナそれぞれの特性を併せ持つため、様々な機能性を発揮します。主な特徴としては以下のようなものが挙げられます。

• 高純度: アルカリ金属など、望ましくない不純物が少ないものが多いです。
• 多孔質構造: 乾燥・焼結することで、大きな表面積を持つ多孔質な構造を形成しやすいです。これは、触媒担体などの用途で非常に重要です。
• 高い透明性: 薄膜として形成すると透明性が高いものが多いです。
• 優れた成膜性: 塗布・乾燥することで均一な膜を形成しやすいです。
• 耐水性・耐熱性・耐酸性・耐摩耗性: シリカやアルミナの特性により、これらの優れた耐性を有する被膜や材料が得られます。
• バインダー（結合剤）としての機能: 他の材料の微粒子を結びつけ、固める役割を果たします。特に、高温下での固着力に優れるものも開発されています。
• 様々なpHでの安定性: 製品によっては、幅広いpH範囲で安定なゾル状態を維持できるものもあります。
• 他の材料との複合化: 有機樹脂や他の金属酸化物ゾルなど、様々な材料と複合化して新たな機能を持つ材料を作り出すことが可能です。

シリカアルミナゾルの用途

　その多機能性から、非常に幅広い分野で利用されています。

• 触媒・触媒担体: 排ガス処理触媒や各種化学反応用触媒の担体として、高い表面積と安定性が求められる用途で使われます。
• バインダー・結合剤: セラミックス、耐火物、繊維などの製造において、成形や結合の役割を担います。特に、高温下での強度維持に貢献します。
• 表面コーティング剤:
  • 耐熱・耐候性向上: 塗膜の耐熱性、耐候性、耐傷性を向上させるために利用されます。
  • 親水性・防曇膜: 親水性を付与し、曇りを防ぐコーティングに応用されます。
  • 電磁鋼板用表面処理剤: 電磁鋼板の耐食性や電気特性を向上させるために使用されます。
  • 各種基材の機能性向上: ガラス、金属、プラスチックなどの表面に塗布することで、耐摩耗性、硬度、撥水・親水性などの機能を付与します。
• インクジェット記録材料: 記録層のバインダーや多孔質層の形成に利用されます。
• 研磨剤: 微粒子であるため、精密な研磨剤としても用いられます。
• 顔料・フィラー: 塗料や樹脂に添加され、機能性向上や増量剤として使用されます。
• 化粧品原料: ピッカリングエマルション技術など、乳化剤の代わりとして使われることもあります。

製造方法

　一般的には、シリカ源（ケイ酸ナトリウムなど）とアルミナ源（アルミニウム塩など）を水中で混合し、pH調整や熟成といったプロセスを経て、ナノ粒子が安定的に分散したゾルを生成します。ゾル-ゲル法と呼ばれる方法も広く用いられます。

　このように、シリカアルミナゾルは、様々な産業分野で高機能材料として不可欠な存在となっています。

シリカアルミナゾルは、シリカとアルミナのナノ粒子が水中に安定分散したコロイド溶液です。高い透明性や多孔質構造を持ち、耐熱性や耐摩耗性に優れるため、触媒担体やコーティング剤、高温用結合剤など幅広い分野で利用されています。

バインダーとは何か

　「バインダー」は英語の “binder” から来ていて、「結合剤」や「接着剤」という意味を持つ化学材料です。その名の通り、複数の物質をくっつけたり、固めたりする役割を担います。

バインダーの主な役割

　バインダーは、対象となる物質の性質や目的に応じて、様々な機能を発揮します。

• 接着・結合: 粉末状の粒子同士を固めたり、異なる素材の表面同士をしっかりと接着させたりします。これにより、製品の形を保ち、強度を与えることができます。
• 固着・定着: 塗料やインクの顔料を素材にしっかりと定着させ、剥がれにくくします。
• 膜形成: 乾燥や硬化によって、均一で丈夫な膜を形成し、表面を保護したり、特定の機能（耐熱性、耐水性など）を付与したりします。
• 分散補助: 液体中で粒子を均一に分散させ、沈殿を防ぐ役割も果たします。

バインダーが使われる主な例

　バインダーは非常に多くの産業分野で利用されています。

• 塗料・インク: 顔料（色のもと）を固着させ、素材に塗膜を形成し、耐久性や色持ちを良くします。
• 接着剤: 建築、自動車、電子機器など、様々な分野で部品同士を接合するために使われます。
• セラミックス・耐火物: 粉末状の原料を固め、成形し、高温で焼成する際の結合剤として用いられます。
• リチウムイオン電池: 電極材料（活物質）と導電助剤を結合させ、集電箔に固定するために不可欠です。
• 紙・繊維: 紙の強度を高めたり、不織布の繊維を結合させたりするのに使われます。
• 化粧品・医薬品: 粉末状の成分を固めたり、乳化を安定させたりする役割を果たすことがあります。
• 農業: 肥料や農薬の粒状化や、土壌改良剤として利用されることもあります。

　バインダーの種類は、その用途や求められる特性（耐熱性、耐水性、柔軟性、透明性など）によって多岐にわたります。天然樹脂、合成樹脂、無機化合物（シリカゾル、アルミナゾルなど）といった様々な物質がバインダーとして開発・利用されています。

バインダーは「結合剤」とも呼ばれ、複数の物質を接着・固着させる材料です。粉末同士をまとめたり、塗料の顔料を定着させたり、製品の形を保ち強度を与える役割を担います。塗料、接着剤、セラミックス、電池など幅広い分野で不可欠です。

シリカアルミナゾルがバインダーとして優れる理由は

　シリカアルミナゾルがバインダーとして優れている理由は、主に以下の特性に集約されます。

1. 無機系バインダーとしての優れた特性:
   • 耐熱性・耐火性: 有機系バインダーとは異なり、高温で分解・燃焼しないため、高温環境下で使用されるセラミックス、耐火物、触媒などの結合剤として非常に優れています。加熱・焼成によって、より強固な結合を形成します。
   • 高い強度・硬度: シリカとアルミナ自体が硬い無機材料であるため、これらを結合剤とすることで、高い機械的強度や硬度を持つ材料が得られます。
   • 耐薬品性: 酸やアルカリに対する耐性も高く、広範な化学環境下での安定性が期待できます。
2. ゾル特有の特性:
   • ナノ粒子の特性: シリカアルミナゾル中の粒子はナノサイズ（数ナノメートル〜数百ナノメートル）であるため、粒子同士が緻密に充填され、焼成後も微細な構造を形成しやすいです。これにより、高い表面積や緻密な被膜が得られ、優れた結合力を発揮します。
   • 優れた分散性・浸透性: 液体中に均一に分散しているため、他の粉末材料と混合する際に均一に混ざりやすく、また、多孔質材料の細孔にも深く浸透して、内部からの結合を強化できます。
   • 成膜性: 塗布・乾燥することで、平滑で均一な膜を形成しやすい性質があります。この膜が対象物を強固に固定します。
3. シリカとアルミナの複合効果:
   • 酸性・塩基性サイトの形成: シリカ（酸性酸化物）とアルミナ（両性酸化物）が複合することで、材料表面に酸性点と塩基性点の両方が形成され、これが様々な物質との相互作用（吸着や化学結合）を促進し、結合力を高める要因となります。特に触媒分野では、これらのサイトが重要な役割を果たします。
   • 相乗効果による特性向上: 単独のシリカゾルやアルミナゾルと比較して、両者を複合化することで、単体では得られない新たな特性や、それぞれの欠点を補い合う相乗効果が生まれることがあります。例えば、タキ化学が開発した「アルカリ性シリカアルミナゾル」のように、特定のpH範囲での安定性や、より強固な固着力を実現できる可能性があります。
   • 組成の調整による機能調整: シリカとアルミナの比率を調整することで、バインダーとしての特性（例えば、酸性度、多孔性、強度など）を細かく制御できる柔軟性があります。

　これらの理由から、シリカアルミナゾルは、高温での使用が求められるセラミックス、触媒、耐火物、機能性コーティングなど、多岐にわたる分野で非常に優れたバインダーとして重宝されています。

シリカアルミナゾルがバインダーとして優れるのは、耐熱性・耐火性に加え、無機材料由来の高い強度と硬度を持つためです。また、ナノ粒子が均一に分散し、緻密な構造を形成するため、対象物に深く浸透し強固に結合できます。