CN107056082B - 白砂结构体的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种白砂结构体的制造方法，白砂火山灰结构体(1)具有基材(3)和通过物理气相沉积设置在基材(3)的表面上的白砂火山灰的薄膜(5)。

Description

白砂结构体的制造方法
本申请为名称为“白砂结构体及白砂结构体的制造方法”、申请号为201380051021.X，申请日为2013年7月31日，并于2015年3月30日进入中国国家阶段的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种白砂结构体和白砂结构体的制造方法，并且特别地涉及具有例如由玻璃制成的基材和形成在基材上的白砂薄膜的产品。
背景技术
近年，白砂火山喷出物作为100％天然新型材料引起关注，其具有多种功能，诸如除臭功能、湿度控制功能、负离子效果功能和防止病屋综合症功能。
作为白砂火山喷出物的应用产品，白砂结构体201(参考图9)被实际使用为房屋内部材料(内部装饰材料)、房屋外部材料(外部装饰材料)或铺装材料，以提供特定的效果。
白砂结构体201具有颗粒状或块状的白砂203，在基材207上使用诸如粘合剂205的胶粘剂将颗粒状或块状的白砂203形成为块状状态。
相关技术的技术文件包括，例如，专利文献1和专利文献2。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：特开2004-339712号公报；
专利文献2：特开2008-101436号公报。
发明内容
本发明要解决的问题
传统的白砂结构体201具有诸如除臭功能和吸湿功能的功能。重要的是长时间保持这些功能。传统的白砂结构体201包括块状白砂203，因此，具有低透光率以及较差的光学特性。如果需要基材207提供能见度，白砂203对基材207的镀膜则被限制。
白砂产品的应用主要是建材，需要寻找与机械、热、电、生物功能、分离和化学特性相关的白砂的新功能，并且需要发展显现这些功能的白砂应用产品。
考虑到上述需要，本发明的目标是提供一种白砂结构体，除了除臭和吸湿功能外，其还具有优秀的光学和电学特性，并且能够抵抗老化长时间地保持这些性能。本发明的另一个目的是提供一种制造此种白砂结构体的方法。
解决问题的方法
本发明的第一方面是：白砂结构体，其包括基材和通过物理气相沉积形成的在基材上的白砂薄膜。
与第一方面的白砂结构体相关，本发明的第二方面通过直接地在基材上沉积组成白砂的金属氧化物形成白砂薄膜。
与第一或第二方面的白砂结构体相关，本发明的第三方面以透明或半透明材料制成基材。
本发明的第四方面为构成第一方面的白砂结构体，以便白砂结构体为光控制元件，基材为第一传导膜，白砂薄膜被形成在还原显色膜的表面上，还原显色膜被形成在基材的表面上，氧化显色膜被形成在白砂薄膜的表面上，第二传导膜被形成在氧化显色膜的表面上，并且每层传导膜都由透明或半透明体制成，或者其中一层传导膜由透明或半透明体制成，而另一层由反射膜制成。
本发明的第五方面为构成第一方面的白砂结构体，以便白砂结构体为光控制元件，基材是传导膜，白砂薄膜被形成在氧化显色膜的表面上，氧化显色膜被形成在基材的表面上，还原显色膜被形成在白砂薄膜的表面上，第二传导膜被形成在还原显色膜的表面上，并且每层传导膜都由透明或半透明体制成，或者其中一层传导膜由透明或半透明体制成，而另一层由反射膜制成。
本发明的第六方面为构成第一方面的白砂结构体，以便白砂结构体为减反射材料，基材由透明或半透明体制成，并且白砂薄膜和折射率比白砂薄膜的折射率更高的高折射率薄膜交替地一层叠在另一层上地在基材的表面上形成多层。
本发明的第七方面是第一至第六方面的任何方面的白砂结构体的制造方法。作为用于物理气相沉积的薄膜形成材料，该方法采用颗粒状或块状白砂，或采用由烧结的颗粒状或块状白砂制成的预定尺寸的烧结体。
发明效果
本发明能够提供白砂结构体，其具有除臭和吸湿功能、光学和电学特性以及使白砂薄膜长时间很难从基材脱落的脱落抵抗性，并且提供该白砂结构体的制造方法。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施方式的白砂结构体的示意性构造。
图2是示出了根据本发明的实施方式的白砂结构体的白砂薄膜的放大视图，其中(a)示出了白砂薄膜的表面，而(b)示出了沿(a)的直线L的白砂薄膜的表面粗糙度。
图3示出了根据本发明的实施方式的白砂结构体的白砂薄膜的微观结构(根据形成条件的微观结构的改变)。
图4示出了根据本发明的实施方式的白砂结构体的白砂薄膜的剖面的微观结构。
图5示出了喷镀设备的示意性构造。
图6示出了根据本发明的实施方式的光控制元件。
图7示出了根据本发明的实施方式的光控制元件。
图8示出了根据本发明的实施方式的光控制元件。
图9示出了根据相关技术的白砂结构体的示意性构造。
具体实施方式
如图1所示，根据本发明的实施方式的白砂结构体1包括：形成为例如平板的基材3和白砂薄膜5。
通过诸如喷镀的物理气相沉积法(PVD)完全地且整体地覆盖基材3的表面(平整的基材3的厚度方向的一面)而形成白砂薄膜5。
白砂薄膜5可被形成为覆盖基材3的表面的至少一部分。白砂薄膜5也可被形成为覆盖平整的基材3的厚度方向的两面的全部或部分。基材3可以具有除了板状的其他形状。
白砂结构体1可作为房屋内部装饰材料、外部装饰材料或铺垫材料。
以下将描述作为白砂薄膜5的原材料的白砂火山喷出物。
白砂火山喷出物构成了白砂堆积层。白砂堆积层从日本的鹿儿岛县蔓延到宫城县的南部，并且最厚具有150米的厚度。
在当没有其他类型的土壤混合的大量的火山碎屑大规模地流动累积而形成厚厚的白砂堆积层时，得到白砂火山喷出物。一般类型的土壤由混合了通过植物和微生物的作用创造出的多种有机物的粉末状岩石组成。
另一方面，白砂火山喷出物是在形成岩石之前由岩浆形成的粉末，并且大体不含营养物(有机物)。白砂火山喷出物是在非常高的温度下从岩浆烧结的高纯度的无机陶瓷物。白砂火山喷出物是多孔的，并且包含作为主要成分的火山玻璃和60％到80％的硅酸成分。
以下将详细地描述白砂，即白砂火山喷出物(例如，存在于日本九州的高千穗山的高千穗白砂)。高千穗白砂的重量百分比的解析结果如下所述：
灼烧损失2.7％，SiO2 67.8％，Al2O315.1％，Na2O 3.7％，CaO2.2％，Fe2O3 2.5％，K2O 2.2％，TiO2 0.27％，MnO 0.06％，MgO 0.58％，P2O5 0.03％，SO3 0.20％以及少于0.001％的Cl-。
灼烧损失归因于三氧化硫(SO3)并且是根据JIS R5202测量的。氧化硅(Ⅳ)(SiO2)是根据凝聚重量吸收组合法测量的。氧化铝(Al2O3)、氧化铁(Ⅲ)(Fe2O3)、氧化钛(Ⅳ)(TiO2)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化钠(Na2O)、氧化钾(K2O)、氧化锰(MnO)和五氧化二磷(P2O5)是根据氢氟酸、硝酸、高氯酸分解ICP发光光谱测量的。氯离子(Cl-)是通过根据环境局的第13号通报的洗堤和通过根据离子层析法测量测试液测量的。
除了高千穗白砂之外的白砂(例如鹿儿岛白砂)或具有与高千穗白砂的成分相同的成分的白砂可替代高千穗白砂被采用。
白砂的主要成分是硅酸和氧化铝。白砂还包含斜长石、石英、氧化钛等。在白砂颗粒中有许多小气泡。
平滑干燥粉状的白砂很难保持水分，因此，不适合用于稻田。在暴雨情况下，白砂容易引起滑坡，并且因此被视为麻烦制造者。
以下将详细地描述白砂结构体1。白砂结构体1的基材3为透明或半透明材料(例如，玻璃板)。
与相关技术不同，白砂薄膜5不使用诸如胶粘剂的粘合剂，并且通过直接地沉积组成白砂的金属氧化物等被形成在基材3上。例如，白砂薄膜5仅由白砂成分制成。白砂薄膜5的厚度为大约5nm到100um。白砂薄膜5可在1nm到1mm，或1nm到10mm的厚度范围被形成。
所述薄膜是薄的且表现出不同于大块的膜的特征的膜。
裸眼观察时，在基材3上的白砂薄膜5看起来很平整。当如图2所示被放大时，白砂具有微小的凹凸形状。例如，在白砂薄膜5上的1um乘1um的扫描区域中，微孔被证实。
通过诸如喷镀的物理气相沉积法形成的白砂薄膜5根据形成条件而改变其微观结构。
如图3所示，改变基材(基板)3的温度Ts(开氏温标上的度数)和惰性气体的压强(例如，氩气Ar)将导致白砂薄膜5的微观结构的改变。这里，Tm是薄膜形成材料(图5中的靶材11)的熔点。
图3中所示的区1(区-1)是当氩气气压高且基材3的温度低时创建的微观结构区。该区的剖面在图4(a)中被建模。根据区1条件形成的白砂薄膜5包含微柱以及很多空隙和孔，以减小密度。
图3中所示的区T(区-T)是当氩气气压低且基材3的温度低时创建的微观结构区。该区的剖面在图4(b)中被建模。根据区T条件形成的白砂薄膜5包含微柱和较少的空隙，以形成密实的膜。
图3中所示的区2(区-2)是当基材3的温度高时创建的微观结构区。该区的剖面在图4(c)中被建模。根据区2条件形成的白砂薄膜5包含微柱和比区T的颗粒大的颗粒。
图3中所示的区3(区-3)是当基材3的温度更高时创建的微观结构区。该区的剖面在图4(d)中被建模。根据区3条件形成的白砂薄膜5是各相同性的、且近似块体状态。
白砂结构体1的白砂薄膜5可在上述的区中的任何一个中被形成。优选的是根据用途适当地选择白砂薄膜5的形成方式。
以下将描述白砂结构体1的制造方法(白砂薄膜镀膜方法)。该方法使用图5所示的喷镀设备7，并且通过在基材3的表面上喷镀而整体地形成白砂薄膜5。
为了进行喷镀，作为在基材3上形成白砂薄膜5的材料(薄膜形成材料)的靶材11被安装在真空腔9中。施加高压以便电离了的惰性气体(在真空腔9中的氩气)撞击靶材11。
其结果是原子被撞出靶材11的表面。原子到达设置在真空腔9中的基材3，并且形成白砂薄膜5。
通过将颗粒状或块状的(粉状的或粉末状的)白砂烧结成具有预定尺寸的烧结体(大量的白砂颗粒或块的一个整体)而制成靶材11。颗粒状或块状的白砂可作为靶材11被使用。
在上述描述中，仅惰性气体被引入真空腔9中。除了惰性气体，活性气体(例如，氧气O2)也可被引入真空腔9。当活性气体被引入时，(薄膜形成材料)白砂(组成白砂的金属氧化物)的被撞出的原子与活性气体反应，并且反应的化合物在基材3上沉积为白砂薄膜5。
如此，通过在基材3的表面上沉积白砂薄膜5的物理气相沉积法形成白砂结构体1。白砂结构体1具有白砂原始的功能，诸如除臭和吸湿功能。由于白砂结构体1不包括粘合剂，所以这些功能持续很长时间。
当被包含于白砂薄膜5中的氧化钛作为光催化剂分解臭气成分时，实现白砂结构体1的除臭功能。白砂结构体1是多孔的，以便微孔和细孔实现吸附作用，以显示吸湿功能。
根据图9所示的相关技术，白砂结构体201包含颗粒状或块状的白砂203，并且因此，需要诸如粘合剂的胶粘剂205将白砂203粘于基材207。即是说，在基材207上形成白砂203的薄膜需要时间和劳动。另一方面，白砂结构体1上的白砂薄膜5通过物理气相沉积法形成。不需要相关技术的时间和劳动，白砂结构体1可通过简单的工艺制造。
在白砂结构体1中，白砂薄膜5形成于其上的基材3是玻璃板。该构造提高了光学特性(例如，可见光的透光率)。
本发明关注薄膜而不是颗粒或块状物，并且采用喷镀作为薄膜形成技术，以形成白砂薄膜5(纳米级的)。对于形成被控制到原子级的微观结构的薄膜，喷镀是有利的技术，其具有高品质和良好的粘附性，并且可制造成大片均匀区域。通过使用喷镀的优势，不使用粘合剂白砂薄膜5也可沉积在基材3上。
本发明积极地使用白砂薄膜的物理特性，保持优异的功能，诸如白砂薄膜的除臭和吸湿功能，并且当白砂被应用到需要提供能见度的基材(玻璃板)3时，实现高透光率。
下面将详细描述。通过喷镀在基材(玻璃板)3的表面上形成的白砂薄膜5具有微细的凹凸形状。微细的凹凸形状的凹凸程度(在有些例子中为高度)比可见光的波长更小，因此，可见光不受白砂薄膜5的干扰地(如同白砂薄膜5不存在一样)穿过白砂结构体1。
根据白砂结构体1，玻璃板3的表面覆盖有亲水的白砂薄膜5，并且因此当具有玻璃板制成的基材3的白砂结构体1被用作窗户玻璃或镜子时，白砂结构体1几乎不会结雾。
如果白砂结构体1被用作内部装饰材料，其显示出除臭、湿度控制、杀菌和负离子生成功能，以实现舒适的居住环境。
现今的房屋是高度无通风的，并且即使在一定程度上进行通风，日常生活也可能积累多种物质，从而在房屋内产生气味和湿气。为了处理它们，当湿度增加时，白砂结构体1吸收过多的水分，当湿度降低时，白砂结构体1释放水分，从而自动地调节房间的湿度。并且，白砂结构体1迅速地除去香烟和宠物的气味，并且一定能够吸收诸如由家具等释放的甲醛的化学物质。
当白砂结构体1被用作外部装饰材料时，白砂结构体1显示出防水性能和透湿性，并且提供漂亮、温暖、赏心悦目的外观，白砂结构体1可抵挡紫外线，并且显示出大致地不褪色性或不退化性。
当制造白砂结构体1时，颗粒状或块状白砂的烧结体被用作靶材。该白砂靶材容易操控。
在上述描述中，物理气相沉积法直接地在基材3的表面上形成白砂薄膜5。替代地，其它层可介入，以间接地在基材3上形成白砂薄膜5。
以下将描述通过间接地在基材3上形成白砂薄膜5的方式形成的产品。
通过间接地在基材3上形成白砂薄膜5的方式形成的白砂结构体1是如图6和图7(a)所示的光控制元件(可见光控制组件)21。光控制元件21被形成为例如长方形的平板(参考图7(a))。
光控制元件21是利用物体颜色根据氧化还原反应变化的EC现象的元件，并且包括基材3、还原显色膜23、白砂薄膜5、氧化显色膜25和第二传导膜27。
基材3构成第一传导膜(薄膜)。在第一传导膜3的表面上，执行诸如喷镀的物理气相沉积，以直接形成与第一传导膜3接触的还原显色膜(薄膜)23。还原显色膜23由例如氧化钨(Ⅵ)(WO3)制成。
白砂薄膜5为透明或半透明，并且通过诸如喷镀的物理气相沉积法直接形成在还原显色膜23的表面上，并且白砂薄膜5与还原显色膜23的表面接触。
在白砂薄膜5的表面上，执行诸如喷镀的物理气相沉积，以在白砂薄膜5上直接形成氧化显色膜(薄膜)25，并且氧化显色膜(薄膜)25接触白砂薄膜5。氧化显色膜25由例如氧化铟和氧化锡(Ⅳ)(IrOx+SnO2)制成。直接地被形成在氧化显色膜25上、且与氧化显色膜25接触的是第二传导膜27。
传导膜3和27中的每层都是透明的或半透明的，并且由例如透明传导膜(I.T.O(氧化铟锡)；锡氧化铟；掺锡氧化铟)制成。
优选的白砂薄膜5是，图3所示的区1(区-1)中的白砂薄膜5，或图3所示的区T(区-T)中的白砂薄膜5。
以下将描述光控制元件21的操作。
如上所述，白砂薄膜5具有微细凹凸形状，并且在白砂薄膜5中，有微小空隙，以包含水分(H2O)。
如图6所示，当在第一传导膜3和第二传导膜27之间施加电压时，单价阳离子(例如，氢离子H+)进入还原显色膜23，生成化合物(HxWO3)以使还原显色膜23显色。其结果是降低还原显色膜23的可见光透光率。并且，施加在第一传导膜3和第二传导膜27之间的电压使得单价阴离子(例如，氢氧根离子OH-)进入氧化显色膜25，生成化合物(Ir(OH)n+x)。结果是，氧化显色膜25被显色，以降低氧化显色膜25的可见光透光率。即使在停止电压施加后显色状态仍持续。
当施加与图6相反的电压时，还原显色膜23和氧化显色膜25变为无色且透明或半透明，以增加其可见光透光率。在停止电压施加后无色且透明或半透明状态仍持续。
根据相关技术的ECD(电致变色显示)利用了物体颜色根据氧化还原反应变化的EC现象，并且采用液体或流体(或胶状体)替代白砂薄膜5作为电解质薄膜。
在制造工艺中，采用液态电解质膜的传统的ECD必须包括液体或流体处理流程，从而使得ECD的制造复杂化。另外，传统的ECD具有归因于老化或根据使用环境引起液体泄露的风险。为了处理该风险，根据另一相关技术的ECD采用含稀有金属的固态电解质膜。
因为使用了稀有金属，采用固态电解质膜的ECD很昂贵。另一方面，光控制元件21是基于白砂可用作为电解质膜的发现，并且采用白砂薄膜5作为光控制元件21的固态电解质膜。因为光控制元件21不使用稀有金属，所以它不昂贵，并且与传统的固态电解质膜相比，显示出较高的离子传导率。
与采用液体电解质膜的传统的ECD相比，光控制元件21包含更简单的制造工艺，并且不会由于老化或根据使用环境引起液体泄露。
光控制元件21可被使用为能够轻松地在传输或阻挡可见光之间切换的挡光组件。挡光组件可使用于建筑窗或客机窗。
可根据组合喷镀，特别地可根据被使用为在高速和低温下形成光学薄膜的技术的RAS(自由基辅助溅射)，形成白砂薄膜5。该技术能够快速地形成白砂薄膜5，并且抑制基材3等的温度增加。
例如，在日本特开2001-234338号公报、特开平11-279757号公报和特开平11-256327号公报中描述了RAS技术。
白砂薄膜5可被形成为如图7(a)所示的单一连续产品。在这种情况下，光控制元件21可使用为如上所述的挡光组件。如图7(b)所示，第一传导膜3、还原显色膜23、白砂薄膜5、氧化显色膜25和第二传导膜27可被分隔且被划分为很多微小的块31，以便给每个块31施加单独的电压。在这种情况下，光控制元件21可替代LCD使用为图像显示单元。
在图6中，还原显色膜23和氧化显色膜25可互相替换。
白砂结构体1被使用为光控制元件21，基材3被使用为第一传导膜，白砂薄膜5被形成在氧化显色薄膜25的表面上，氧化显色薄膜25被形成在基材3的表面上，还原显色膜23被形成在白砂薄膜5的表面上，并且第二传导膜27被形成在还原显色膜23的表面上。
传导膜3和27中的其中一层可由透明或半透明体制成，并且另一层(例如，第一传导膜3)可由反射膜制成，以反射可见光。
在这种情况下，第一传导膜3由Al(铝)制成，以形成反射电极膜。由于第一传导膜3用作反射电极膜，光控制元件21可被使用为防眩镜。
光控制元件21可被使用为减反射材料(减反射板)。
在这种情况下，减反射材料21的基材3由透明或半透明体制成。在减反射材料21中，基材3的表面设置有减反射膜(AR镀层)。
示例将被详细地描述。如图8所示，白砂薄膜5(5A)是透明的或半透明的，并且直接形成在基材3的表面上，且与基材3的表面接触。直接形成在白砂薄膜5(5A)的表面上且与白砂薄膜5(5A)的表面接触的是薄膜29(29A)(例如，氧化钛(Ⅳ)(TiO2))，薄膜29(29A)的折射率比白砂薄膜5(5A)的折射率更高。高折射率薄膜29也是透明的或半透明的。
直接形成在高折射率薄膜29(29A)的表面上且与高折射率薄膜29(29A)的表面接触的是与白砂薄膜5(5A)不同的白砂薄膜5(5B)。直接形成在白砂薄膜5(5B)的表面上且与白砂薄膜5(5B)的表面接触的是与高折射率薄膜29(29A)不同的高折射率薄膜29(29B)(例如，氧化钛(Ⅳ)(TiO2))。
白砂薄膜5的折射率低，并且大约为1.4至1.5。高折射率薄膜29具有大约2.0至3.0的高折射率。因为AR镀层，整个反射率大约为5％。
在上述描述中，四层薄膜交替地形成在基材3上，即是，白砂薄膜5A、高折射率薄膜29A、白砂薄膜5B、高折射率薄膜29B。该构造并不限制本发明。白砂薄膜5和高折射率薄膜29可以交替地一层叠在另一层上地在基材3上形成多层。
在上述描述中，白砂薄膜5被形成在基材3的表面上，并且高折射率薄膜29被形成在白砂薄膜5的表面上。白砂薄膜5和高折射率薄膜29可互相替换。即是说，高折射率薄膜29可形成在基材3的表面上，白砂薄膜5可形成在高折射率薄膜29的表面上。
如上所述，AR镀层能够最小化归因于反射的光损失，因此其适用于太阳能电池镀膜。给电池表面提供“减反膜”的结果是确定地将阳光装进电池中。
白砂薄膜5的折射率低，并且大约为1.4至1.5，因此白砂薄膜是用于太阳能电池镀膜的最优材料(特别地，太阳能聚光的聚光镜)。另外，被包含在白砂薄膜中的氧化钛TiO2的光催化特性在太阳能电池上实现防污效果。
另一方面，如果通过在太阳能电池上形成作为光催化材料的氧化钛TiO2薄膜而不是白砂薄膜来实现防污效果，则氧化钛TiO2的高折射率会改变设置有氧化钛TiO2薄膜的模块或聚光镜的光路径。阳光则不能确定地被装进太阳能电池。
在本发明的范围之内，本发明不被限制于上述实施方式。
附图标记说明
1：白砂结构体
3：基材
5，5A，5B：白砂薄膜
11：靶材
21：光控制元件
23：还原显色膜
25：氧化显色膜
27：第二传导膜
29，29A，29B：高折射率薄膜

Claims (1)

1.一种白砂结构体的制造方法，该白砂结构体包含：
基材；以及
白砂薄膜，其通过物理气相沉积法形成在所述基材上，其中
所述白砂薄膜具有微细的凹凸形状，且该凹凸形状的凹凸程度比可见光的波长小，
所述白砂结构体的制造方法的特征在于，
用于物理气相沉积的薄膜形成材料为颗粒状或块状的白砂，或者为通过颗粒状或块状的白砂烧结而制成的预定尺寸的烧结体，
通过改变所述基材的温度和物理气相沉积中的惰性气体的压强来改变所述白砂薄膜的微观结构。
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