シリカゾルを用いてセメント系材料の性能を改善する
セメント基材は現在最も広く使用されている建築材料であるが、セメント基材で建設された建築物は、設計使用年限に達する前にすでに異なる程度の損傷が発生し、巨大な補修、補強、解体再建費用を発生させることが多い。建物の使用寿命を延ばすためには、セメント基材の力学的性能だけでなく、その耐久性にも注目し、セメント基材の性能を効果的に改善できる方法を見つけなければならない。
シリカゾルを用いてセメント系材料の性能を改善する
セメント基材は現在最も広く使用されている建築材料であるが、セメント基材で建設された建築物は、設計使用年限に達する前にすでに異なる程度の損傷が発生し、巨大な補修、補強、解体再建費用を発生させることが多い。建物の使用寿命を延ばすためには、セメント基材の力学的性能だけでなく、その耐久性にも注目し、セメント基材の性能を効果的に改善できる方法を見つけなければならない。
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シリカゾルは木材改質に用いられる
楊木は我が国の人工林の主要な樹種であるが、材質が柔らかく、強度が低いなどの欠点で使用が制限されているため、品質向上付加価値加工を行って応用範囲を広げる必要がある。研究により、無機物と木材を結合して無機複合木材を製造し、その密度、曲げ強度、難燃性などの性能はいずれも明らかに改善できることが明らかになった。シリカゾルは粘度が低く、粒径が小さいという特徴があり、木材の孔構造中に効果的に浸透し、ゲル、乾燥を経て安定した空間構造と高い硬度を得ることができる、シリカゾルは安全で環境に優しく、遊離ホルムアルデヒドがなく、比較的に良い熱安定性と生体適合性を持ち、1種のとても良い木材改質剤である。
よく使われる木材変性シリカゾルは酸性とアルカリ性の2種類に分けられ、酸性シリカゾルは木材自身の構造に与える影響が小さい、アルカリシリカゾルは木材をある程度分解させるが、浸透性を改善することもできる。酸性、アルカリシリカゾル改質は木材の性能に異なる影響を与え、改質処理後の木材の曲げ性能と熱分解特性などに差がある。
それぞれ酸、アルカリシリカゾルを用いて変性楊木を浸漬し、シリカゾルが細胞腔と紋孔などの構造中に堆積でき、変性材密度を増加させ、重量増加が顕著であることを発見した。変性木材の曲げ性能はいずれも未変性木材より優れており、酸性シリカゾル変性木材の曲げ性能はより優れている。塩基性シリカゾル変性木材の密度と重量増加率はいずれも酸性変性木材より大きいが、酸性ゲル変性の向上効果は塩基性ゲルより明らかに高い。これは塩基性シリカゾルが木材を処理する際、細胞壁に接着作用を果たすヘミセルロースが皮むき反応と塩基性加水分解を起こし、その内部の閉塞した孔道を開き、浸透性を高め、より多くのシリカゾル変性剤が木材の導管に浸透し、乾燥、重縮合、カテーテル中に堆積したため、重量増加がより多く、同時に機械的支持作用を発揮し、分解による性能低下を部分的に相殺し、曲げ強度を低下させたため、アルカリシリカゾル改質材の性能向上は酸性ゲルより明らかではなかった。改質後の木材の炭化温度が低下し、木材に一定の保護作用を果たした、酸性シリカゾル処理材の見かけの活性化エネルギーは明らかに向上し、木材に明らかな難燃効果を発揮することができる。
水性シリコーンゴム塗料用変性シリカゾル
シリコーンゴムは分子量の高い線型ポリシロキサンで、柔軟性がよく、耐熱性能が際立っており、塗料の基礎ポリマーとして広く使用されているが、それ自体の力学的強度が劣っており、一般的には補強フィラーを補強してから使用する必要がある。人々の環境保護意識の高まりに伴い、水性シリコーンゴム塗料が発展傾向にある。ホワイトカーボンブラックは液体シリコーンゴムの補強フィラーとしてよく用いられるが、水系との適合性が悪く、水性シリコーンゴム塗料系では良好な補強作用を発揮できない。シリカゾルは水分散液として存在するシリカコロイドであり、表面に大量のヒドロキシル基が存在し、水性系との適合性が良く、シリカ粒子表面のシリカヒドロキシル基がシリコーンゴムと水素結合作用を形成することができ、それによって良好な補強効果を発揮する。
シリカゾルは電荷または他の安定剤によって分散を補助する必要があるため、熱力学不安定系であり、貯蔵過程において環境条件の変化によってゾルのゲルへの転換が発生しやすく、ゲル化、フロック化または塊化などの問題が現れ、室温でも高純度シリカゾルは自動的に凝集しやすく、凝集を発生する。低温状態では、シリカゾルが不可逆的に析出し、失効する。その安定性及び他の成分との分散均一性を改善するためには、通常、表面改質を行い、様々な異なる有機官能基を介してシリカ粒子表面と共有結合を確立し、特殊な界面活性と空間安定性を持たせる必要がある。最もよく使われる表面改質剤はシランカップリング剤であり、分子構造は一般的にR’−Si−（OR）3であり、R’基は有機親和性であり、ビニル基、アルキルアミノ基、アルキルエポキシ基などであり、シリコンゴムとの親和性を強化することができる、OR基は、アルコキシ基、アセトキシ基などであってもよく、加水分解してシリカ表面のシリコーンヒドロキシル基と反応することができる。
KH 560変性を例に、シリカゾル変性後の貯蔵安定性は変性前より明らかに向上し、複数回の凍結−融解サイクルを経てもすぐにコロイド状態を回復することができる。メチルシリコーンゴムエマルジョンを基体とし、改質シリコーンゾルを補強フィラーとし、水性シリコーンゴム塗料を製造し、KH-560濃度の増加に伴い、シリコーンゾルとメチルシリコーンゴムの相互作用が増強され、コーティングの力学性能が向上した、変性シリカゾル添加量の増大に伴い、水性シリカゴムコーティングの架橋密度が増大し、力学的強度が上昇する。
シリコーン変性シリカゾルを表面塗膜に用いる
珪酸カルシウム板はカルシウム材料、珪素材料、強化繊維材料、助剤などを一定の割合で混合し、一連の工程を経て製造した新型建築と工業用板であり、不燃A 1級材料に属し、耐湿、耐候、断熱保温及び遮音性能が良く、強度が高く、使用寿命が長く、虫食いがなく、腐食しにくいなどの利点があり、天井、遮断に用いる理想的な装飾板材であり、広大な開発の見通しがある。しかし破損しやすく、一定の保護が必要である。
ケイ酸カルシウム板の表面にシリカゾル塗膜を塗布することにより、その耐熱性、疎水性、力学性能を向上させることができる。
シリカゾルはケイ酸塩溶液とも呼ばれ、かなりの比表面積があり、コロイド粒子が小さく、粘度が低く、良好な分散性と浸透性がある。しかし、シリコーン結合の剛性が不足しているため、ゲル骨格が乾燥中の体積収縮による毛細管圧力に抵抗するため、成膜中に微小亀裂が形成されやすく、大きな亀裂が発生することもある。これらの欠陥を補うために、シリカゾルを改質することで塗膜の硬度、耐熱、耐水、防汚などの性能を高めることができる。
陳利君らは異なる含有量のメチルトリエトキシシランが異なる温度でシリカゾルに対する改質効果を研究し、同時に浸漬法と重力法でガラス表面に疎水膜を作製し、めっき後のガラス表面の光学特性に明らかな変化はなかったが、疎水性は大きく改善された。劉見祥らはメチルトリメトキシシランとメチルエトキシシリコーン油を用いてメタノールシリカゾルを改質し、疎水改質シリカゾルがアクリルコーティングの力学性能に大きな影響を与えることを発見した。任志威などに用いるγ-グリシジルエーテルオキシプロピルトリメトキシシランとメチルトリメトキシシランは酸性条件下で改質シリコーンアルミニウム複合ゾルを共加水分解し、アミン系硬化剤を加えて常温硬化可能な有機−無機ハイブリッドポリシロキサン塗料を製造した。
