2021 Fiscal Year Research-status Report
Preparation of compositionally graded zinc oxide/silica spherical hollow particles by spray-drying method
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21K04680
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
遠山 岳史 日本大学, 理工学部, 教授 (40318366)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 噴霧乾燥法 / 中空粒子 / 酸化亜鉛 / シリカ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ZnOの製造は乾式法により行われているが，粉体の機能性の向上のためには形態制御可能な液相法が有効である．しかし，ZnOの溶解度は低く形態制御は困難である．そこで，本研究ではZnOの前駆物質である塩基性炭酸亜鉛（2ZnCO3・3Zn(OH)2・H2O，BZC）を純水中に懸濁させ，CO2ガスを吹き込む単純なプロセスにより溶解させる方法について検討を行った．その結果，CO2吹き込み無しではほとんど溶解しないが，CO2を吹き込むことで最大約1.0 g/dm3（ZnO換算）の溶液を調製することに成功した．これはBZCがCO2と反応することで可溶性の炭酸水素亜鉛（Zn(HCO3)2）となって溶解したものであり，溶液中にはZn2+イオンと炭酸水素イオン（HCO3-）のみしか存在していないのが特徴である．
そこで，得られた炭酸水素亜鉛水溶液を噴霧乾燥温度40～120℃，噴霧圧力200 kPaで噴霧乾燥を行ったところ，1～4μmの球状粒子を得ることができた．さらに，内部構造を観察したところ，内部が空洞の中空粒子であることが確かめられた．その後，得られた球状中空粒子を400℃に加熱することで脱水および脱炭酸処理を行った．これにより，形状を保持したままのZnO球状中空粒子を得ることができた．
さらに，組成傾斜型粒子を作製するために炭酸水素亜鉛溶液にケイ酸カリウム水溶液を添加して噴霧乾燥を行った．その結果，ケイ酸カリウム添加量の増大に伴い中空壁厚は増大し，それに伴い粒子一粒の圧縮強さも直線的に増大し，SiO2/ZnO質量比0.125以上で無8 MPa以上となり，フィラーとして使用可能であることが確かめられた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
令和3年度の研究計画は「二酸化炭素吹込み法による高濃度炭酸水素亜鉛水溶液の調製条件」の検討，および「炭酸亜鉛球状中空粒子の最適作製条件」を明らかにすることである．現在のところ，その両者ともに達成しており，前者は純水中に懸濁液濃度0.1 mass%となるように添加し，温度5℃に保ちながらCO2ガスを0.2 dm3/minで1時間吹き込むことで高濃度Zn(HCO3)2水溶液を得ることができる．一方，噴霧乾燥条件は噴霧圧力200 kPa，噴霧乾燥温度60℃の低温で噴霧乾燥することで塩基性炭酸水素亜鉛の球状中空粒子が得られることを明らかにした．さらに，この粒子を400℃で加熱することで目的物であるZnO球状中空粒子が作製できることを明らかにした．
また，今年度は令和4年度の計画を一部前倒しし，Zn(HCO3)2水溶液ケイ酸カリウム水溶液を添加することによる組成傾斜型粒子の創製も試みた．
以上の結果から，当年度の進捗状況は良好であると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在のところ，噴霧乾燥溶液の調製と，第2成分の添加による組成傾斜型粒子の作製条件について前倒しをして検討を進めている．現時点での結果ではZnOとシリカとが複合化した球状中空粒子は生成しているが，研究の主題である「組成傾斜型」構造の確認は取れていない．EDXによる簡易分析の結果では組成傾斜というよりも一部で化合物が生成している可能性が示唆されている．これまで申請者が行ってきた水酸アパタイトとケイ酸カリウムの系では確認できなかった現象である．これは，添加した第2成分のケイ酸カリウムの反応性が高く，ZnO析出時に化学反応を起こしてしまうためと考えられる．このため，令和4年度ではシリカ源としてケイ酸カリウムの替わりにテトラエトキシシラン（TEOS）を用いた系で組成傾斜型粒子の作製条件について検討を行う予定である．生成した粒子はEDX等で簡易的に組成傾斜構造を検討するとともに，最終的にはEPMA分析，あるいは低加速SEMを用いたEDX分析を用いることにより組成傾斜構造を確認する予定である．
得られた生成物は，紫外可視分光光度計を用いて紫外線吸収能について検討するが，その他にメチレンブルー分解による光触媒活性評価により，化粧品としての紫外線吸収特性について検討を行う予定である．
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| Causes of Carryover |
本年度の予算では6,705円の繰越金が生じた．これは実験上の試薬等の購入量の差異である．なお，この繰越金は当初の計画にはない実験試薬（ケイ酸カリウムの代替としてテトラエトキシシランを使用する）の購入費に充てることを計画している．
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