ガラスイオノマーセメントの硬化・成熟過程の赤外・NMR解析

IR and NMR analyses of hardening and maturation of glass-ionomer cement.

• S Matsuya
• T Maeda
• M Ohta

抄録

ガラスイオノマーセメントの硬化には，アルミニウムイオンやカルシウムイオンによるポリカルボン酸の架橋だけでなく，ケイ酸相が重要な役割を果たしていることが報告されている．本研究の目的は，赤外(IR)分光法と固体核磁気共鳴(NMR)分光法を用いてセメントの硬化過程における構造変化を調べ，セメントの硬化におけるシリカ相の役割を確認することである．そのために、実験用ガラスイオノマーセメント,市販のガラスイオノマーセメント2種,ポリカルボン酸塩セメントの圧縮強度の変化を測定し、強度測定後のセメント試料の29Si及び27AlのNMR分析を行った。硬化中の赤外スペクトルでは，1000cm-1付近の珪酸塩ネットワークの特徴的なバンドが時間の経過とともに高周波にシフトしていた．硬化後のスペクトルは、水和した非晶質シリカ構造の場合と同様であった。27Al NMR分析の結果、元のガラスではAl3+イオンは酸素により4面体に配位していたが、硬化後はAl3+イオンの一部が8面体に配位してAlポリアクリル酸ゲルを形成していた。また、29SiのNMRスペクトル中のSiの化学シフトも硬化中に変化した。この化学シフトの変化は珪酸塩ネットワークの構造変化を反映していることがわかった。セメントの圧縮強度の初期増加は、主にポリカルボン酸ゲルの形成によるものであった。しかし，架橋によるゲル化が完了した後の時間経過に伴う強度の増加は，ケイ酸塩ネットワークの再構築が寄与していると結論づけられた．

It has been reported that the silicate phase as well as the cross-linking of the polycarboxylic acid by aluminum and calcium ions played an important role in the hardening of glass-ionomer cement. The objective of this study was to investigate the structural change during hardening of the cements by means of infrared (IR) spectroscopy and solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and to confirm the role of the silica phase in the hardening of the cement. For that purpose, we measured the change in compressive strength of an experimental glass-ionomer cement, two commercial glass-ionomer cements, and a polycarboxylate cement and carried out 29Si and 27Al NMR analyses of the cement samples after the strength measurement. In the IR spectra during hardening, a characteristic band of the silicate network around 1000 cm-1 shifted toward high frequency with time. The spectrum after hardening was similar to that for a hydrated amorphous silica structure. The 27Al NMR analysis showed that Al3+ ion was tetrahedrally coordinated by oxygen in the original glass, but a part of the Al3+ ion was octahedrally coordinated after hardening to form Al polyacrylate gel. The chemical shift of Si in the 29Si NMR spectra also changed during hardening. The variation in the chemical shift reflected the structural change in the silicate network. The initial increase in compressive strength of the cement was mainly caused by polycarboxylate gel formation. However, it was concluded that the reconstruction of the silicate network contributed to the increase in strength with time during the period after the gelation by cross-linking was completed.