増粘とチキソトロピー

アエロジルは、さまざまな低粘度の流体に対する優れた増粘剤としての効果が証明されており、ニュートン流体を犠塑性や揺変性の流体にする際に広く利用されています。

ただし、すべてのアエロジル製品があらゆる流体で最適に作用するわけではありません。

それはなぜでしょうか？

アエロジルを液体中に分散させると、液体はアエロジル製品の粒子表面に対して優れた湿潤作用を持っているため、粒子は周囲に対する表面エネルギーが最小になるまで液体から分子を吸収します。周囲の流体と同一の分子膜で厚く覆われた粒子は、それぞれ独立して媒体の中を浮遊する傾向があり、そのため分散液は純粋な液体と比べてもわずかしか粘度が上がりません。この結果、粒子は重力に従って比較的素早く沈殿します。この現象は、親水性のアエロジルをアルコール、アセトン、極性溶媒などの親水性の流体に分散させたときに見られます。

一方、親水性のアエロジルをミネラルスピリットのような非極性の流体中に分散させると、流体は簡単にゲル化します。
疎水性のアエロジルは同様に、極性流体の粘度を高めます。

このような場合、液体の分子はアエロジル製品の表面に吸着できず、アエロジル製品の真の性質は発揮されません。そのためアエロジルの粒子はできる限り互いに密着し合い、表面の自由エネルギーを最小化しようとします。その結果、流体中にランダムに分布する固体の格子が形成されます。

この三次元構造体は粘弾性の性質を持つため、粘度の向上に加え、流体の濃度によってはおおよそ明白な「降伏値」も確認されます。

沈殿は、固体粒子が重力場を自由に下降することができなくなるため抑制されます。（二酸化チタン顔料や亜鉛未など、アエロジル製品よりさらに大きく粗く密度の高い粒子は、アエロジル粒子の網目構造によって浮遊状態を維持されます。このためアエロジルは、きわめて非均質な混合物の均一性を保つための増粘剤として、ゲルコート、接着剤、パテなどに最適です。）

剪断力がかかると、アエロジルの網目構造の抵抗力では耐え切れなくなり、網目構造は小さなドメインに分断されて流動物質の中を浮遊します。これによって粘度の著しい低下が起こりますが、剪断力が減少するとアエロジルの網目構造はただちに再成され、粘度が再び上昇します。

この揺変作用は、ブラシやスプレーで液体を塗布する場合や、多孔性の物質に塗布する場合に非常に重要です。

アエロジル製品の持つ親水性の性質は、粒子の表面上に存在する水酸基によってもたらされるものであり、他方疎水性のアエロジル製品の性質は、エボニックの特許技術で粒子表面に永久的に結合させたさまざまな有機基によって特徴付けられています。

増粘、剪断による低粘度化、チキソトロピー、降伏値などというレオロジーの概念は、適切な種類と量のアエロジルを使用すれば実現することができます。

液体樹脂の増粘とチキソトロピー作用にお勧めする製品

不飽和ポリエステル樹脂は高分子樹脂とモノマーから成っており、モノマーは加工時には希釈剤として、硬化反応時にはコモノマーとして作用します。樹脂は通常グリコールとフタル酸で構成されており、一定の割合の不飽和脂肪酸（マレイン酸やフマル酸など）が含まれています。NAFTA地域では、ジクロペンタジエンもポリマー鎖に加えられる場合があります。反応性希釈剤としてはほとんどの場合スチレンが使用され、これによって不飽和ポリエステル樹脂が比較的非極性になります。

このため、親水性のアエロジルが最適な増粘剤となります。積層用樹脂には AEROSIL® 200 が広く用いられており、他方ゲルコートには AEROSIL® 300 および AEROSIL® 380 のほうが適する場合があります。

ただし一部の特殊なポリエステル樹脂およびビニルエステル樹脂はより極性が強いため、チキソトロピー付与剤としては疎水性のアエロジル製品が必要になります。このような樹脂では親水性のアエロジルが望ましい効果を出さないかわりに、 AEROSIL® R 202 が優れた作用を示します。

エポキシ樹脂も性質が極性であるため、チキソトロピー付与剤としては AEROSIL® R 202 が適しています。

接着剤やコーティング剤の製造時には、多数の添加物が加えられます。これらの添加物の量や極性により、使用されるアエロジルの増粘効果は、樹脂のみの場合と比べて大幅に低下する可能性があります。そのため最適な製品を選ぶには、実験によってアエロジル製品の種類および量を決定する必要があります。
、チキソトロピー付与剤としては AEROSIL® R 202 が適しています。