セラミック加工は、結合剤、分散剤、可塑剤、潤滑剤など、さまざまな目的で多くの種類の化学構造を持つ高分子添加剤が広く使用されています[1,2]。ポリマーをバインダーや分散剤として使用することは、より良い加工に不可欠です[3,4]。結合剤は成形品に強度を与え、形状の保持を助けます。分散剤は懸濁液の粘度を下げ、製品中の粒子の密な充填を促進します。
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セラミック加工は、結合剤、分散剤、可塑剤、潤滑剤など、さまざまな目的で多くの種類の化学構造を持つ高分子添加剤が広く使用されています[1,2]。ポリマーをバインダーや分散剤として使用することは、より良い加工に不可欠です[3,4]。結合剤は成形品に強度を与え、形状の保持を助けます。分散剤は懸濁液の粘度を下げ、製品中の粒子の密な充填を促進します。
ポリエチレングリコール（PEG）は、バインダーとして、また可塑剤としてセラミック加工に使用される重要なポリマーの一つです[5,6]。ポリアクリル酸とその誘導体は、セラミックスラリーの安定性を向上させる分散剤として広く研究されています [7,8]。また、ポリアクリル酸存在下でのアルミナ懸濁液の表面化学も研究されています。しかし、アルミナ表面へのPEGの吸着に関する研究はわずかです。高分子分散剤と結合剤の共吸着挙動に関するデータはほとんどありません。このアプリケーションノートでは、一般的な分散剤であるポリメタクリル酸アンモニウム（APMA）と代表的なバインダーであるPEGのアルミナへの競合吸着について調査しています。固体／溶液界面で生じる表面化学的相互作用を評価するため、APMAおよび／またはPEGの存在下でアルミナ懸濁液の動電学的研究を実施しました。
α-アルミナは、アメリカのALCOAから入手しました。サンプルの平均粒子サイズはマルバーン・パナリティカルの製品であるマスターサイザーを用いて測定し、0.3µmであることが判明しました。ポリエチレングリコール（PEG）は、アメリカのPolysciences Inc.から入手し、アンモニウムポリ(メタクリレート)（APMA）はアメリカのR.T. Vanderbilt Inc.から供給されました。両方の高分子の分子量は10,000 Daと報告されています。
動電実験はマルバーン・パナリティカルの製品であるゼータサイザーを用いて25℃で行いました。希薄アルミナ懸濁液のゼータ電位測定は、バックグラウンド電解質（KNO3）濃度を10-3Mに一定に保ち、異なるpH値で行いました。pHは硝酸または水酸化カリウムを用いて調整しました。
アルミナ試料のゼータ電位に対するPEGとAPMAの影響は、脱イオン水中にセラミック粉末の分散液を調製し、pHを所望の値に調整した後、pHを懸濁液のpH値にあらかじめ調整した所望の濃度のPEGおよび/またはAPMA溶液を添加することによって調べました。これらのサンプルは、ゼータ電位測定前に5時間平衡化させました。
図1と図2は、それぞれ異なる濃度のPEGとAPMAを添加したアルミナ試料について、pHの関数として得られたゼータ電位の結果を示しています。アルミナの等電点(IEP)は、ポリマーがない場合、pH9.2であることがわかりました。図1は、PEGの添加がアルミナのゼータ電位値をわずかに変化させるだけで、IEPの位置には無視できるほどの変化がないことを示しています。調査した濃度範囲（0.1～100ppm）全体を通して、アルミナ懸濁液へのPEG添加は、懸濁液の動電学的挙動を顕著に変化させません。これは、PEGとアルミナの相互作用が弱いためと考えられます。
図1：異なる濃度のPEGを添加した場合のpHの関数としてのアルミナのゼータ電位
図2の結果から、負に帯電したポリマーAPMAはゼータ電位値の大きさを著しく減少させ、アルミナ懸濁液のIEPはポリマー濃度の増加とともに酸性領域へとシフトしていることがわかります。これは、APMAとアルミナとの特異的な相互作用によるものと考えられます。高濃度のAPMAを添加すると、4～11の広いpH範囲でアルミナ懸濁液の安定性が向上します。
図2：異なる濃度のAPMAを添加した場合のpHの関数としてのアルミナのゼータ電位
第二のポリマーの存在下、ポリマーと相互作用したアルミナ懸濁液について実験を行い、懸濁液全体の動電挙動に及ぼすそれらの複合的な影響を明らかにしました。図3は、異なる濃度のAPMAを添加したアルミナ-10ppm PEG系の動電挙動を示しています。この結果と、異なる濃度のAPMA存在下でのアルミナに関する図2に示した結果との間の顕著な類似性は、容易に明らかです。PEGと比較して、APMAのアルミナに対する特異的相互作用が強いことが再確認されました。対照的に、異なる濃度のPEGをアルミナ-10ppm APMAに添加しても、ゼータ電位値も系のIEPも変化しません（図4）。これはまた、APMAとアルミナとの強い相互作用を証明しています。
図3：異なる濃度のAPMAを添加したアルミナ-10ppm PEG系のゼータ電位をpHの関数として示す
図4：アルミナ-10ppm APMAのゼータ電位、pHの関数として、異なる濃度のPEGを添加した場合
アルミナにAPMAを添加すると、スラリーの電気陰性度が高くなり、ポリマーが強く吸着されることがわかります。ゼータ電位はAPMAの濃度に関係し、等電点も高濃度ではより酸性のpH値にシフトします。アルミナ-PEG系の場合、このような変化は観察されませんでした。
APMAとPEGが同時に存在するアルミナ懸濁液で実施された動電学の研究は、基本的にアルミナ-APMA系の場合に観察された傾向を踏襲しています。
これらの結果は、アルミナ懸濁液の安定性はAPMAにより支配され、PEGの存在はアルミナの分散特性を変化させないことを示唆しています。
セラミック分散液の安定性を制御することで、粒子の凝集の発生を防ぐことができます。ゼータ電位とレオロジー特性の測定は、与えられたセラミック懸濁液の分散条件を最適化するために使用できます。これにより、欠陥の少ない最終的なセラミック製品の製造に役立ちます。
[1] J.S. Reed, Introduction to the Principles of Ceramic Processing, Wiley, New York, 1988.
[2] M.N. Rahman, Ceramic Processing and Sintering, Dekker, New York, 1990.
[3] R. Moreno (1992) Am. Ceram. Soc. Bull. 71, 1521.
[4] R. Moreno (1992) Am. Ceram. Soc. Bull. 71, 1647.
[5] J. Zheng, J.S. Reed, E.M. Anderson (1994) Am. Ceram. Soc. Bull. 73, 61.
[6] A.S. Barnes, J.S. Reed and E.M. Anderson (1997) Am. Ceram. Soc. Bull. 76, 77.
[7] J. Davies and J.G.P. Binner (2000) J. Eur. Ceram. Soc. 20, 1539.
[8] A. Tsetsekou, C. Agrafiotis and A. Milias (2001) J. Eur. Ceram. Soc. 21, 363.
