JP2002285340A - チタン材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 チタン表面に汚染物質が付着し難く、またた
とえ汚染物質が付着したとしてもそれを容易に除去でき
るチタン材料を提供する。 【解決手段】 チタン材料表面に人工皮脂液による前進
接触角が３０°以上であり、且つ後退接触角が１５°以
上になるような無機酸化物被膜を形成する事により防汚
性の優れたチタン材料を提供する事が出来た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、チタン表面の汚染
を防ぐために、無機酸化物層をチタン面上に形成する事
により清浄な表面を保持する事の可能な防汚性を有する
チタン材料に関するもので、この防汚性チタン材料は時
計等の貴金属類や空調機器等の環境構成部材として有効
に活用する事が出来る。

【０００２】

【従来の技術】従来、チタン表面を清浄にするためには
光触媒活性を有する酸化チタンをチタン表面に形成する
方法が用いられている。これはチタン表面に付着した防
汚性物質特に有機系物質を紫外線領域の特定波長の光
（３８０ｎｍ以下）によって活性化した酸化チタンの触
媒作用により生成するヒドロキシラジカル或いはスーパ
ーオキシド等の活性種により酸化分解する事によりチタ
ン表面を清浄化する。

【０００３】この様に光触媒活性を有する酸化チタンは
その特徴を活かして、空気清浄機、建築資材や脱臭冷蔵
庫等の部材に応用されており、その酸化チタン被膜の形
成方法としては、チタン表面だけでなく他の金属材料、
セラミックス材料或いは高分子性材料上にスプレーコー
ト法、ディップコート法、スピンコート法等が用いられ
ている。

【０００４】しかしながら、この様な酸化チタンの光触
媒活性を利用する方法に於いては、ヒドロキシラジカル
やスーパーオキシド等の活性種が生成して、有機系汚染
物質を酸化分解する事は上述したが、これらの酸化力を
有する活性種が周辺にある物質に対して悪影響を起こす
場合がある。例えば、腕時計の様に皮膚に接触している
場合には、皮膚成分を酸化して一種の火傷現象を起こす
可能性がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の様な
問題を解決するために行われたものであり、その目的と
するところは、チタン材料面上に付着した汚染物質を酸
化チタンに基づいて生成する活性種を利用するものでは
なく、チタン材料表面に汚染物質が付着し難く、また汚
染物質を容易に除去できる防汚性の優れたチタン材料を
提供する事にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係わる防汚性の優れたチタン材料の特性
は、以下の構成を採用する。すなわち、チタン材料の表
面が人工皮脂液による前進接触角が３０°以上であり、
後退接触角が１５°以上になる無機酸化物層を形成する
ところに要旨を有するものである。

【０００７】上記に於ける人工皮脂液は人体から分泌さ
れるモデル溶液の一例であるが、チタン材料表面上の汚
染状況並びに清浄化状況を判断するためにそのモデル溶
液を用いる事ができる。

【０００８】上記に於いて、好ましくは、チタン材料の
表面にチタンよりも電気陰性度の大きな元素から成る無
機酸化物層を形成する事によって、汚染物質が付着し難
くなると同時に容易に脱離させる事によって効果的に防
汚性を発現させる事が出来る。

【０００９】

【発明の実施の形態】一般に、チタンは耐食性に優れて
おり、その理由はその表面に非常に緻密で化学的に安定
な酸化チタン層が形成されるためである。このチタンの
特性を活用して、チタン表面に一定の膜厚を有するアナ
ターゼ型の酸化チタン層を形成する事によりその光触媒
作用により汚染物質を酸化分解してチタン表面の清浄性
を保持することが出来る。

【００１０】しかしながら、その清浄機構は酸化チタン
の光触媒作用によりヒドロキシラジカル或いはスーパー
オキシド等の酸化力を有する活性種が生成し、酸化チタ
ン表面に付着している有機系汚染物質が酸化分解される
のであるが、酸化力を有する活性種が周辺に存在する物
質に対して例えば皮膚等には火傷のような悪影響を及ぼ
すと言う問題がある。

【００１１】そこで本発明者等は、光酸化触媒機構に基
づいた酸化力を有する活性種を利用しないチタン材料表
面の清浄化方法を種々検討したところ、チタン材料表面
はステンレス材料表面と比較して有機物等の汚染物質が
付着し易いと言う事実に気が付いた。

【００１２】チタン材料もステンレス材料も何れも金属
材料であるが、その表面には厚さの相違はあるとしても
自然酸化に基づく酸化物層が形成されている事が表面分
析の結果明らかとなった。

【００１３】そこで本発明者等は、これらチタン材料と
ステンレス材料の酸化物層の相違を種々検討したとこ
ろ、これらの酸化物を構成している主要金属材料である
チタン、クロム並びに鉄の電気陰性度の相違に基づく酸
化物の極性と汚染状況に相関性がある事に着目した。

【００１４】チタン材料表面に於いて自然酸化により形
成される酸化チタンは、非晶性であってアナターゼ型で
はないので光触媒作用により生成する活性種の酸化力に
防汚性を期待する事は出来ないので、汚染物質はチタン
表面に吸着した場合にはその吸着状態を保持したままで
ある。

【００１５】一方、ステンレス材料は主要構成元素であ
る鉄とクロムから構成されており、それらの構成元素表
面層は何れも自然酸化に基づく酸化鉄と酸化クロムから
構成されている事が明らかとなった。

【００１６】チタン材料とステンレス材料の汚染状況を
種々検討したところ、チタン材料の汚染し易い原因は、
チタン材料表面に存在する酸化チタンの極性状態はステ
ンレス材料表面に存在する酸化鉄並びに酸化クロムと比
較して大きい事に起因しているとの判断に至ったが、こ
れは有機汚染物質は何れも極性を有している物質が多い
からである。

【００１７】無機元素酸化物の極性状態を把握するため
には、各無機元素と酸素間の分極の度合いから判断する
事が出来、各無機元素は夫々の核がどれほど電子を引き
つけ得るか、と言う事を表す指標として電気陰性度があ
る。これは無機元素に限らず全ての元素に適用出来るの
であるが、フッ素原子の電気陰性度を最高の値である
４．０とし、それに比べて他の元素の相対値を電気陰性
度として表しておりポーリングの電気陰性度表として容
易に確認する事が出来る。

【００１８】上記の様にポーリングの電気陰性度表に全
ての元素の電気陰性度は明らかであるが、幾つか代表的
な元素の電気陰性度を表１に示した。チタンはシリコ
ン、クロム、鉄等に比べて電気陰性度が小さい事が判
る。

【表１】

【００１９】無機酸化物を構成している各元素と酸素の
電気陰性度を見ると、チタンと酸素間の電気陰性度の差
は鉄或いはクロムと酸素間のそれよりも大きい値を示し
ている。各元素と酸素間の電気陰性度の差が大きいと言
う事は分極の度合いが大きい事、即ち極性が大きい事を
示している。

【００２０】それ故、酸化チタンの極性が大きいので、
人体から放出される成分の一例を表２に示したが一般に
極性が大きいのでそれらが容易に吸着し、また吸着した
成分は脱離し難くなり汚染し易い現象が出てくる事にな
る。

【表２】

【００２１】防汚性を付与するためには、極性の小さい
無機酸化物をチタン材料表面に被膜として成膜する事で
対処できる可能性が出てくる。

【００２２】無機酸化物表面の極性の度合いを評価する
方法として、人体から放出される体液のモデル溶液の一
例として人工皮脂液を用いてその表面に対する接触角の
大きさを測定する方法が有効である事を見出した。

【００２３】上記の様にある固体表面の極性の度合いを
人工皮脂液を用いて接触角を測定するのであるが、単な
る静的な接触角ではなく動的な接触角、即ち前進接触角
と後退接触角の両接触角を測定値の大きさを比較する事
によりその固体表面の極性の度合いが容易に判断できる
事が明らかとなった。

【００２４】液滴のある固体表面への濡れ易さは前進接
触角が小さい程良いが、逆に液滴のある固体表面への前
進接触角の値が大きい程濡れ難い事になる。

【００２５】また、液滴のある固体表面からの取れ易さ
は後退接触角が大きい程良く、逆に液滴の後退接触角が
小さいとその固体表面から液滴が取れ難くなる事を意味
している。

【００２６】汚染し難いステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）
は鉄とクロムから構成されておりその表面は酸化鉄と酸
化クロムから成っており、その極性は酸化チタンよりも
小さい事は上述した。夫々の表面に於ける人工皮脂液を
用いて前進接触角を測定したところ、ステンレス（ＳＵ
Ｓ３１６Ｌ）の場合には３７°であり、チタン材の場合
には２４°であった。

【００２７】次に、夫々の表面に於ける人工皮脂液を用
いて後退接触角の測定を行ったところ、ステンレス（Ｓ
ＵＳ３１６Ｌ）の場合には２５°であり、酸化チタンの
場合には１０°であった。他の幾つかの代表的な固体表
面に於ける動的接触角の測定値を表３に示した。

【表３】

【００２８】上記の様にステンレス材料（ＳＵＳ３１６
Ｌ）表面の防汚性がチタン材料表面より優れている事が
前進接触角と後退接触角から判断する事が出来、他の材
料の汚染の状況と動的接触角の相関性を検討したところ
前進接触角が３０°以上であり並びに後退接触角が１５
°以上であれば防汚性を有する表面状態を形成すると言
う結論に至った。

【００２９】本実施の形態では、一例として無機元素の
アルコキシド溶液を用いてチタン材料表面に塗布して無
機酸化物を形成しているが、アルコキシド溶液に限定さ
れるものではない。即ち、無機酸化物の粉末を分散させ
た溶液を用いてチタン材料表面に塗布することも可能で
ある。

【００３０】人体から分泌する体液成分は複雑であるの
で、チタン材料表面の防汚性を判断する際の一例として
表２に示した人工皮脂液を用いてチタン材料表面の動的
接触角を測定したが、人工皮脂液組成が異なれば当然の
事ながら動的接触角の測定値も異なってくる。

【００３１】しかしながら、表２に示した人工皮脂液を
用いて動的接触角を測定することにより、全てのチタン
材料表面の極性の度合い即ち防汚性の度合いを評価する
ことが出来る。

【００３２】

【実施例】次に実施例を挙げて本発明を具体的に説明す
るが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受け
るものではない。 （実施例１）純チタン板（９９．５％）を１０％苛性ソ
ーダ水溶液で脱脂した後、１０％フッ酸と１０％硝酸の
等量混合液で洗浄してから十分に水洗し乾燥した。次い
で、チタン板表面をテトラエトキシシランＳｉ（ＯＥ
ｔ）₄と１％塩酸水溶液の混合液で浸せき処理し、それ
を１５０℃で焼成する事により約０．５μｍの厚みを有
する酸化シリコンを成膜した。表２に示した人工皮脂液
を用いて測定した前進接触角は４５°であり後退接触角
は１９°であった。その皮脂液を酸化シリコン上に付着
させた後室温で乾燥することにより得られた汚れは水を
流しながら布類或いはティッシュ類で拭く事により容易
に清浄な面を得る事が出来た。

【００３３】（実施例２）純チタン板（９９．５％）を
実施例１と同様の方法で処理してから、十分に水洗し乾
燥した。次いで、チタン板表面をテトラエトキシゲルマ
ニウムＧｅ（ＯＥｔ）₄と１％塩酸の混合水溶液で処理
し、それを２００℃で焼成する事により約０．６μｍの
厚みを有する酸化ゲルマニウムを成膜した。人工皮脂液
を用いて測定した前進接触角は４３°であり後退接触角
は２１°であった。その人工皮脂液を酸化ゲルマニウム
の成膜されたチタン板表面に付着させた後室温で乾燥す
ることにより得られた汚れは水を流しながら布類或いは
ティッシュ類で拭く事により容易に清浄な面を得る事が
出来た。

【００３４】（実施例３）純チタン板（９９．５％）を
実施例１と同様の方法で処理してから、十分水洗して乾
燥させた。その表面を酸化インジウム粉末を分散させた
水溶液で処理して、２００℃で乾燥させる事により約２
μｍの酸化インジウム膜を成膜した。人工皮脂液を用い
て測定した前進接触角は３０°であり後退接触角は１５
°であった。その人工皮脂液を酸化インジウムの成膜さ
れたチタン板表面に付着させた後室温で乾燥することに
より得られた汚れは水を流しながら布類或いはティッシ
ュ類で拭く事により容易に清浄な面を得る事が出来た。

【００３５】（実施例４）清浄なステンレス鋼材（ＳＵ
Ｓ３１６Ｌ）上に人工皮脂液を用いて前進接触角と後退
接触角を測定したところ夫々３７°と２５°であった。
ステレンス鋼材表面に人工皮脂液を付着させて室温で乾
燥した後、その汚れを水を流しながら布類或いはティッ
シュ類で拭いたところ清浄な表面を得る事が出来た。

【００３６】上記の様にチタン板表面の人工皮脂液を用
いた動的接触角即ち前進接触角が３０°そして後退接触
角が１５°以上の場合には防汚性に優れている事が明ら
かである。

【００３７】（比較例１）純チタン板（９９．５％）を
実施例１と同様の方法で脱脂した後、十分水洗して乾燥
させた。その表面での人工皮脂液による前進接触角は２
４°であり後退接触角は１０°であった。その人工皮脂
液を純チタン板表面に付着させて室温で乾燥させた。そ
の後水を流しながら布類或いはティッシュ類で拭いたと
ころ清浄な表面を得る事が出来ず、汚れが付着した状態
であった。

【００３８】（比較例２）純チタン板（９９．５％）を
実施例１と同様の方法で処理してから、十分水洗して乾
燥させた。その表面を酸化クロム粉末を分散させた水溶
液で処理して、２００℃で乾燥させる事により約２μｍ
の酸化クロムを成膜した。人工皮脂液を用いて測定した
前進接触角は２８°であり後退接触角は１４°であっ
た。その人工皮脂液を酸化クロムの成膜されたチタン板
表面に付着させた後室温で乾燥することにより得られた
汚れは水を流しながら布類或いはティッシュ類で拭いた
ところ清浄な表面を得る事が出来ず、汚れが付着した状
態であった。

【００３９】上記の様にチタン板表面の人工皮脂液を用
いた動的接触角即ち前進接触角が３０°未満そして後退
接触角が１５°未満の場合には防汚性に劣る事が明らか
である。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、人工皮脂液による前進
接触角が３０°以上であり、後退接触角が１５°以上の
表面を有するチタン材料により表面に汚れが付き難く、
また付着した汚れも容易に取れ易くなる防汚性の優れた
効果を発現させる事が出来た。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人工皮脂液による表面の前進接触角が３
   ０°以上であり、後退接触角が１５°以上であるチタン
   材料。
2. 【請求項２】 無機化合物層を有することを特徴とする
   請求項１に記載のチタン材料。
3. 【請求項３】 前記無機化合物層が無機酸化物であるこ
   とを特徴とする請求項２に記載のチタン材料。
4. 【請求項４】 前記無機酸化物において酸素と結合され
   ている元素の電気陰性度がチタンより大きいことを特徴
   とする請求項３に記載のチタン材料。