JP2004209389A - 抗菌防汚・耐食材料 - Google Patents
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Abstract
【課題】光触媒性に起因する耐汚れ性、抗菌性、消臭性と、クロームやニッケル添加による耐食性の向上との相乗効果を利用した、抗菌防汚・耐食材料およびその製造方法の提供。
【解決手段】鉄に炭素０〜１．９重量％、クローム６〜３７重量％、ニッケル０〜２６重量％、チタン０．００１〜８重量％の少なくとも一種添加し、非酸化性の雰囲気下で、当該材料の融点以上の温度にて溶解後、固体化した試料を、チタンのみを酸化させ、粒状および板状のすくなくとも一種の形態で、表面および内部の少なくとも一部に、分散させることを特徴とする。さらに、運動エネルギーを利用し、酸化性雰囲気下にて混合粉の溶解、合金化、酸素の合金中への拡散、ならびに合金の表面および内部のチタンの一部または全部の酸化を瞬時に行わせしめ、チタン酸化物または亜酸化チタンを粒状および板状の少なくとも一種の形態で、表面および内部の少なくとも一部に、分散させることを特徴とする。
【選択図】なし
【解決手段】鉄に炭素０〜１．９重量％、クローム６〜３７重量％、ニッケル０〜２６重量％、チタン０．００１〜８重量％の少なくとも一種添加し、非酸化性の雰囲気下で、当該材料の融点以上の温度にて溶解後、固体化した試料を、チタンのみを酸化させ、粒状および板状のすくなくとも一種の形態で、表面および内部の少なくとも一部に、分散させることを特徴とする。さらに、運動エネルギーを利用し、酸化性雰囲気下にて混合粉の溶解、合金化、酸素の合金中への拡散、ならびに合金の表面および内部のチタンの一部または全部の酸化を瞬時に行わせしめ、チタン酸化物または亜酸化チタンを粒状および板状の少なくとも一種の形態で、表面および内部の少なくとも一部に、分散させることを特徴とする。
【選択図】なし
Description
【０００１】
【発明の所属する技術分野】
本発明は、光触媒性に起因する耐汚れ性、抗菌性、消臭性と、クロームやニッケル添加による耐食性の向上との相乗効果を利用した、抗菌防汚・耐食材料およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光触媒性チタン酸化物または亜酸化チタンは、紫外線などの光により励起電子ならびにホールを発生し、それらが、汚れ成分を分解し、抗菌性、消臭性を有する光触媒機能を有することが知られている。一方、鉄にクロームやニッケルを添加すれば耐食性が向上することが知られており、ステンレス鋼の名称で広範な分野で使用されている。ステンレス鋼に抗菌防汚性が付与されれば、台所用品やレストラン厨房用機器、さらには手術用器具など医療用機器、高齢者用施設や病院などで使用される食器類など幅広い応用分野が期待できる。
しかしながら、ステンレス鋼の表面に直接光触媒性チタン酸化物を付着させる試みは、無機物であるチタン酸化物と金属である鋼との熱的、化学的、機械的、電気的性質があまりにも異なるため、チタン酸化物の鋼表面からの離脱が避けられず、長期信頼性が得られない、という欠点があった。チタン酸化物を表面のみならず内部に分散させる方法として焼結法などにより、粉末状の二酸化チタン微粒子を金属中に分散させて耐汚れ性や抗菌性の材料が開発されてきた。しかしながらこの方法では二酸化チタン微粒子が凝集して二次粒子を形成しやすく、均一な分散がしにくく、光触媒メカニズムによる抗菌防汚作用が効率的に作動しない欠点があった。いわんや光触媒による抗菌防汚性と耐食性を兼備した材料は見あたらず、実用化に必要な長期信頼性の確保もその製造方法も確立していなかった。
【０００３】
【本発明が解決しようとする課題】
本発明は、光触媒性チタン酸化物または亜酸化チタンを、鉄に炭素、クローム、ニッケルのうち少なくとも一種添加した合金の表面および内部の少なくとも一部に粒状および板状の少なくとも一種の形態で生成分散させていることを特徴とする抗菌防汚・耐食性材料とその製造方法を提供するものである。さらに、抗菌防汚・耐食性材料にとどまらず、磁性、誘電性、潤滑性等の窒化物、フッ化物、炭化物、水化物などを分散した機能性材料およびその製造方法を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、チタンを基金属と合金化させ、その後、チタンのみを酸化させ光触媒性チタン酸化物または亜酸化チタンとして、基金属の表面または内部に、粒子状または平板状に、任意の分散状態で存在させることを特徴とする機能性材料およびその製造方法に関するものである。さらにこの方法が、磁性、誘電性、潤滑性等の窒化物、フッ化物、炭化物、水化物などを分散した機能性材料およびその製造方法の適用できる。
【０００５】
【発明の具体的な説明】
本発明は前期特許請求項１〜６に要約される。
本発明の原理は、上記の熱処理条件下において、基金属中に拡散してきた酸素原子が基金属中に固溶または第２相として存在しているチタン原子と遭遇するや両者が光触媒チタン酸化物または亜酸化チタン微粒子として析出することにある。この方法では数十ｎｍの微細な光触媒性酸化チタンの微粒子または亜酸化チタン微粒子を均一に分散できる上、必要に応じて光触媒性チタン酸化物または亜酸化チタンを基金属の表面または内部に、粒子状または平板状に、任意の分散状態で存在させることができる。光触媒酸化物は、紫外線のエネルギを汚れの分解反応や抗菌反応に転嫁するため、光触媒酸化物は何ら消耗することはない。
上記請求範囲においてにおいて基金属へのチタンおよびその代替元素の添加量を０．００１重量％以上３０重量％以下としたのは、０．００１重量％以下のチタンおよびその代替添加元素の濃度では、生成する光触媒性酸化チタンまたは亜酸化チタンが、光触媒機能または化学触媒機能を発揮させるためには少量であり、３０重量％以上では、光触媒性チタン酸化物または亜酸化チタンが微粒子として基金属中に分散させることができないからである。
さらにこの方法が、磁性、誘電性、潤滑性等の窒化物、フッ化物、炭化物、水化物などを分散した機能性材料およびその製造方法の適用できる。
【０００６】
【実施例１】
鉄に炭素を０．０６重量％、クロームを１９重量％、ニッケルを９．０重量％、チタンを１．８重量％となるよう添加し、アルゴン気流中、１６００°Ｃにて溶解し、インゴットを作製後、皮剥きし、圧延により２ｍｍの厚さの板状試料を作製した。この試料を酸化性雰囲気下１０５０°Ｃにて２時間保持し、その後５５０℃にて１０時間保持した。この板状試料をカッタにて切断し、切断面を研磨後、走査型電子顕微鏡により観察したところ、試料内部に微細な粒子が均一に分散しているのが認められた。Ｘ線回折を行ったところ、アナターゼ型二酸化チタンおよびルチル型二酸化チタンのピークが認められ、ステンレス合金中の表面および内部に光触媒作用を有するアナターゼ型二酸化チタン微粒子が分散していることが確認された。二酸化チタン微粒子が分散している本発明試料の表面にサラダオイルを０．１ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布した。比較のため、上記熱処理を施さず、二酸化チタン微粒子が分散していない試料の表面にもサラダオイルを０．１ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布した。これらの両試料に１ｍＷ／ｃｍ２の光を６時間照射し、両試料の重量変化を測定したところ、本発明試料の表面のサラダオイルの減少量と、比較試料の表面のサラダオイルの減少量との比は２５以上であり、この合金が有している耐食性に加え光触媒作用にもとづく抗菌防汚性を有していることが明らかとなった。
【０００７】
【実施例２】
鉄粉に炭素粉を０．０６重量％、クローム粉を１９重量％、ニッケル粉を９．０重量％、チタンを１．８重量％となるよう添加し、混合粉となし、大気中にてこれらの混合粉の融解エネルギー以上の運動エネルギーに相当する速度でセラミックスに衝突させ、瞬時に混合粉の溶解、合金化、凝固、酸素の合金中の拡散、酸素原子とチタンの会合、チタン酸化物または亜酸化チタン微粒子形成を行わせ、ステンレス合金の表面および内部にチタン酸化物または亜酸化チタンの微粒子が分散する合金層を形成した。Ｘ線回折を行ったところ、アナターゼ型二酸化チタンおよびルチル型二酸化チタンおよび亜酸化チタンのピークが認められ、ステンレス合金中の表面および内部に光触媒作用を有する酸化チタンおよび亜酸化チタン微粒子が分散していることが確認された。本発明試料の表面にサラダオイルを０．１ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布した。比較のため、上記熱処理を施さず、同組成のステンレス合金の表面にもサラダオイルを０．１ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布した。これらの両試料に１ｍＷ／ｃｍ２の光を６時間照射し、両試料の重量変化を測定したところ、本発明試料の表面のサラダオイルの減少量と、比較試料の表面のサラダオイルの減少量との比は２７以上であり、この合金が有している耐食性に加え光触媒作用にもとづく抗菌防汚性を有していることが明らかとなった。
【０００８】
【本発明の効果】
以上本文および実施例で明らかになったように、本発明において、ステンレス合金の表面および内部に光触媒性二酸化チタンを分散させることにより、この合金が有している耐食性に加え光触媒作用にもとづく抗菌防汚性を有していることが明らかとなった。さらに、機能性酸化物の替わりに、機能性窒化物、機能性フッ化物、機能性炭化物、機能性水化物とし、窒化性雰囲気下、フッ化性雰囲気下、炭化性雰囲気下、水素化合物生成雰囲気下にて作製すれば、磁性、誘電性、潤滑性等の機能性材料およびその作製法を提供できることが明らかとなった。
【参考文献】
（１）“光半導体による金属の光カソード防食”：会報光触媒：第３巻ｐｐ．６０−６１（２０００）
【発明の所属する技術分野】
本発明は、光触媒性に起因する耐汚れ性、抗菌性、消臭性と、クロームやニッケル添加による耐食性の向上との相乗効果を利用した、抗菌防汚・耐食材料およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光触媒性チタン酸化物または亜酸化チタンは、紫外線などの光により励起電子ならびにホールを発生し、それらが、汚れ成分を分解し、抗菌性、消臭性を有する光触媒機能を有することが知られている。一方、鉄にクロームやニッケルを添加すれば耐食性が向上することが知られており、ステンレス鋼の名称で広範な分野で使用されている。ステンレス鋼に抗菌防汚性が付与されれば、台所用品やレストラン厨房用機器、さらには手術用器具など医療用機器、高齢者用施設や病院などで使用される食器類など幅広い応用分野が期待できる。
しかしながら、ステンレス鋼の表面に直接光触媒性チタン酸化物を付着させる試みは、無機物であるチタン酸化物と金属である鋼との熱的、化学的、機械的、電気的性質があまりにも異なるため、チタン酸化物の鋼表面からの離脱が避けられず、長期信頼性が得られない、という欠点があった。チタン酸化物を表面のみならず内部に分散させる方法として焼結法などにより、粉末状の二酸化チタン微粒子を金属中に分散させて耐汚れ性や抗菌性の材料が開発されてきた。しかしながらこの方法では二酸化チタン微粒子が凝集して二次粒子を形成しやすく、均一な分散がしにくく、光触媒メカニズムによる抗菌防汚作用が効率的に作動しない欠点があった。いわんや光触媒による抗菌防汚性と耐食性を兼備した材料は見あたらず、実用化に必要な長期信頼性の確保もその製造方法も確立していなかった。
【０００３】
【本発明が解決しようとする課題】
本発明は、光触媒性チタン酸化物または亜酸化チタンを、鉄に炭素、クローム、ニッケルのうち少なくとも一種添加した合金の表面および内部の少なくとも一部に粒状および板状の少なくとも一種の形態で生成分散させていることを特徴とする抗菌防汚・耐食性材料とその製造方法を提供するものである。さらに、抗菌防汚・耐食性材料にとどまらず、磁性、誘電性、潤滑性等の窒化物、フッ化物、炭化物、水化物などを分散した機能性材料およびその製造方法を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、チタンを基金属と合金化させ、その後、チタンのみを酸化させ光触媒性チタン酸化物または亜酸化チタンとして、基金属の表面または内部に、粒子状または平板状に、任意の分散状態で存在させることを特徴とする機能性材料およびその製造方法に関するものである。さらにこの方法が、磁性、誘電性、潤滑性等の窒化物、フッ化物、炭化物、水化物などを分散した機能性材料およびその製造方法の適用できる。
【０００５】
【発明の具体的な説明】
本発明は前期特許請求項１〜６に要約される。
本発明の原理は、上記の熱処理条件下において、基金属中に拡散してきた酸素原子が基金属中に固溶または第２相として存在しているチタン原子と遭遇するや両者が光触媒チタン酸化物または亜酸化チタン微粒子として析出することにある。この方法では数十ｎｍの微細な光触媒性酸化チタンの微粒子または亜酸化チタン微粒子を均一に分散できる上、必要に応じて光触媒性チタン酸化物または亜酸化チタンを基金属の表面または内部に、粒子状または平板状に、任意の分散状態で存在させることができる。光触媒酸化物は、紫外線のエネルギを汚れの分解反応や抗菌反応に転嫁するため、光触媒酸化物は何ら消耗することはない。
上記請求範囲においてにおいて基金属へのチタンおよびその代替元素の添加量を０．００１重量％以上３０重量％以下としたのは、０．００１重量％以下のチタンおよびその代替添加元素の濃度では、生成する光触媒性酸化チタンまたは亜酸化チタンが、光触媒機能または化学触媒機能を発揮させるためには少量であり、３０重量％以上では、光触媒性チタン酸化物または亜酸化チタンが微粒子として基金属中に分散させることができないからである。
さらにこの方法が、磁性、誘電性、潤滑性等の窒化物、フッ化物、炭化物、水化物などを分散した機能性材料およびその製造方法の適用できる。
【０００６】
【実施例１】
鉄に炭素を０．０６重量％、クロームを１９重量％、ニッケルを９．０重量％、チタンを１．８重量％となるよう添加し、アルゴン気流中、１６００°Ｃにて溶解し、インゴットを作製後、皮剥きし、圧延により２ｍｍの厚さの板状試料を作製した。この試料を酸化性雰囲気下１０５０°Ｃにて２時間保持し、その後５５０℃にて１０時間保持した。この板状試料をカッタにて切断し、切断面を研磨後、走査型電子顕微鏡により観察したところ、試料内部に微細な粒子が均一に分散しているのが認められた。Ｘ線回折を行ったところ、アナターゼ型二酸化チタンおよびルチル型二酸化チタンのピークが認められ、ステンレス合金中の表面および内部に光触媒作用を有するアナターゼ型二酸化チタン微粒子が分散していることが確認された。二酸化チタン微粒子が分散している本発明試料の表面にサラダオイルを０．１ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布した。比較のため、上記熱処理を施さず、二酸化チタン微粒子が分散していない試料の表面にもサラダオイルを０．１ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布した。これらの両試料に１ｍＷ／ｃｍ２の光を６時間照射し、両試料の重量変化を測定したところ、本発明試料の表面のサラダオイルの減少量と、比較試料の表面のサラダオイルの減少量との比は２５以上であり、この合金が有している耐食性に加え光触媒作用にもとづく抗菌防汚性を有していることが明らかとなった。
【０００７】
【実施例２】
鉄粉に炭素粉を０．０６重量％、クローム粉を１９重量％、ニッケル粉を９．０重量％、チタンを１．８重量％となるよう添加し、混合粉となし、大気中にてこれらの混合粉の融解エネルギー以上の運動エネルギーに相当する速度でセラミックスに衝突させ、瞬時に混合粉の溶解、合金化、凝固、酸素の合金中の拡散、酸素原子とチタンの会合、チタン酸化物または亜酸化チタン微粒子形成を行わせ、ステンレス合金の表面および内部にチタン酸化物または亜酸化チタンの微粒子が分散する合金層を形成した。Ｘ線回折を行ったところ、アナターゼ型二酸化チタンおよびルチル型二酸化チタンおよび亜酸化チタンのピークが認められ、ステンレス合金中の表面および内部に光触媒作用を有する酸化チタンおよび亜酸化チタン微粒子が分散していることが確認された。本発明試料の表面にサラダオイルを０．１ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布した。比較のため、上記熱処理を施さず、同組成のステンレス合金の表面にもサラダオイルを０．１ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布した。これらの両試料に１ｍＷ／ｃｍ２の光を６時間照射し、両試料の重量変化を測定したところ、本発明試料の表面のサラダオイルの減少量と、比較試料の表面のサラダオイルの減少量との比は２７以上であり、この合金が有している耐食性に加え光触媒作用にもとづく抗菌防汚性を有していることが明らかとなった。
【０００８】
【本発明の効果】
以上本文および実施例で明らかになったように、本発明において、ステンレス合金の表面および内部に光触媒性二酸化チタンを分散させることにより、この合金が有している耐食性に加え光触媒作用にもとづく抗菌防汚性を有していることが明らかとなった。さらに、機能性酸化物の替わりに、機能性窒化物、機能性フッ化物、機能性炭化物、機能性水化物とし、窒化性雰囲気下、フッ化性雰囲気下、炭化性雰囲気下、水素化合物生成雰囲気下にて作製すれば、磁性、誘電性、潤滑性等の機能性材料およびその作製法を提供できることが明らかとなった。
【参考文献】
（１）“光半導体による金属の光カソード防食”：会報光触媒：第３巻ｐｐ．６０−６１（２０００）
Claims (6)
- 光触媒性チタン酸化物または亜酸化チタンを、鉄に、炭素、クローム、ニッケルのうち少なくとも一種添加した合金の表面および内部の少なくとも一部に粒状および板状の少なくとも一種の形態で生成分散させていることを特徴とする抗菌防汚・耐食性材料。
- 請求項１の抗菌防汚・耐食材料の製造方法であって、鉄に、炭素０〜１．９重量％、クローム６〜３７重量％、ニッケル０〜２６重量％、チタン０．００１〜８重量％のチタンを含む少なくとも２種添加し、非酸化性の雰囲気下で、当該材料の融点以上の温度にて溶解後、固体化した試料を、チタンを酸化させるのに充分であるが、チタン以外の構成元素を酸化するのには不充分な酸化性雰囲気下にて熱処理し、チタンのみを酸化させ、粒状および板状の少なくとも一種の形態で、表面および内部の少なくとも一部に、分散させることを特徴とする、抗菌防汚・耐食性材料の製造方法。
- 請求項１の抗菌防汚・耐食性材料の製造方法であって、鉄粉に、炭素粉０〜１．９重量％、クローム粉６〜３７重量％、ニッケル粉０〜２６重量％、チタン粉０．００１〜８重量％となるよう、チタン粉を含む少なくとも２種を添加した混合粉を、酸化性の雰囲気下で、当該混合粉の融解エネルギーに相当する運動エネルギーを上まわる運動エネルギーに相当する速度で、金属、合金または無機物に衝突させ、混合粉の溶解、合金化、酸素の合金中への拡散、ならびに合金の表面および内部のチタンの一部または全部の酸化を瞬時に行わせしめ、チタン酸化物または亜酸化チタンを粒状および板状の少なくとも一種の形態で、表面および内部の少なくとも一部に、分散させることを特徴とする、抗菌防汚・耐食材料の製造方法。
- 請求項３において、鉄粉、炭素粉、クローム粉、ニッケル粉の替わりに機能性酸化物ＸＯを構成する元素Ｘよりも酸化物生成能力の乏しい金属粉群、チタンの替わりに、磁性、誘電性、潤滑性等の機能性酸化物を形成しうる元素Ｘとし、酸化性雰囲気下で作製する、磁性、誘電性、潤滑性等の機能性材料およびその作製法。
- 請求項４において、機能性酸化物の替わりに、機能性窒化物、機能性フッ化物、機能性炭化物、機能性水化物とし、窒化性雰囲気下、フッ化性雰囲気下、炭化性雰囲気下、水素化合物生成雰囲気下にて作製する、磁性、誘電性、潤滑性等の機能性材料およびその作製法。
- 請求項２において溶解によりチタン合金を作製する替わりに真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング、イオンビーム蒸着、湿式めっきによりチタン合金を作製することを特徴とする抗菌防汚・耐食材料の製造方法。
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| JP2006075666A (ja) * | 2004-09-07 | 2006-03-23 | Gold Kosan Kk | 廃棄物処理方法および光触媒材料 |
| WO2012144518A1 (ja) | 2011-04-19 | 2012-10-26 | 日本パーカライジング株式会社 | 金属材料用耐食合金コーティング膜及びその形成方法 |
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