JP2007320776A - 硬質膜の製造方法およびゾル - Google Patents

Abstract

【課題】プラスチック、金属などの表面保護等に有効な硬質膜であって紫外線照射や高温処理を必要としないで高い硬度を持つ硬質膜の製造方法およびこの硬質膜の製造方法に好適に使用できるゾルの提供。
【解決手段】有機酸と無機酸とを含むハフニアおよび／またはジルコニアゾルに、好ましくはゾル中のハフニウムおよび／またはジルコニウム1モルに対して有機酸の存在量が０．１〜２０モルである前記ゾルを基材に塗付し、相対湿度５０〜１００％の雰囲気下で存置させることによる硬質膜の製造方法、および有機酸と無機酸とを含みハフニウムおよび／またはジルコニウム1モルに対して有機酸の含有量が０．１〜２０モルであるゾル。
【選択図】図１

Description

本発明は、硬質膜の製造方法およびゾルに関し、さらに詳しくはプラスチック、金属などの表面保護等に有効な硬質膜であって、紫外線照射や高温処理を施すことなく高い硬度を持つ硬質膜の製造方法およびこの硬質膜の製造方法に好適に使用できるゾルに関する。

各種の設備、装置、機械器具等には、表面の傷を防止したり曇り止めなどを目的として、表面に被膜を形成した材料が使用されている。外観の美しさや透明性を必要とされる材料の表面は擦過傷などの小さな傷でも問題とされるため、ハードコート材で被覆することが多い。また、ガラスの曇り止めなどには撥水性の被覆材が使用されている場合も多い。特に、プラスチック材料のように表面が比較的やわらかい材料には表面被覆は多用されている。このような表面被覆材としては、金属酸化物薄膜が多用されている。金属酸化物薄膜として、例えば硬度を要求される表面被覆材としてはシリカ膜、チタニア膜、ジルコニア膜、ハフニア膜などが、撥水性の表面被覆材としてはハフニア膜、ジルコニア膜またはイットリア膜が、光触媒機能の表面被覆材としてはチタニア膜または酸化ニオブ膜などが、高誘電性の表面被覆材としては酸化ニオブ膜または酸化タンタル膜などが知られている。特に、最近はアナターゼ結晶を持つチタニアが光触媒としての作用を持つことが知られて注目されている。また、機能性の薄膜としては、金属酸化物薄膜以外にもダイアモンド薄膜などもよく知られている。

これらの薄膜の製造方法としては、乾式法として蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などが知られており、湿式法として電析法、ゾル−ゲル法などがある。一般に、乾式法は大掛かりな製膜設備を必要とするが、湿式法、特にゾル−ゲル法は複雑な設備を必要とせず、比較的簡単に薄膜を形成することができる。ゾル−ゲル法では、金属化合物をエタノールや水などの溶媒に溶解して、加水分解し金属酸化物ゾルを作製する。得られたゾルを基材表面に塗布し、ゲル膜を作製し、加熱処理や紫外線照射などの処理により硬質膜を形成することができる。

硬度や撥水性に優れたハフニア膜および／またはジルコニア膜の表面被覆膜としての効果は知られているが、まだ、あまり一般的に利用はされていない。ハフニア膜および／またはジルコニア膜の製造方法としては、ゾル−ゲル法の利用がいくつか提案されている。例えば、特許文献１には、「周期表３族、４族および５族から選ばれた少なくとも一種の金属の酸化物ゾルを、低くとも５０％相対湿度環境下で基材の表面に塗布し、次いで、前記基材の表面に塗布された前記金属の酸化物ゾルを硬化処理することを特徴とする硬質塗膜の製造方法」が開示されている。周期表４族元素にはハフニウムやジルコニウムが含まれており、この特許文献１には、実施例として具体的にハフニアおよび／またはジルコニアの硬質膜が好適に製造できることが記載されている。しかし、この方法によれば、基材に塗付したゲル膜を硬化させるために紫外線照射や加熱処理が必要とされている。特許文献２には、「ハフニウムおよび／またはジルコニウムを含有する無機化合物ならびにトリアルコキシアルキルシランを含有する溶媒溶液と水と酸とを混合して加熱することを特徴とするハフニアおよび／またはジルコニアならびにアルキルシリカを含有するゾル組成物の製造方法。」が開示されている。そして、このゾルは硬質膜の製造に利用できることが開示されている。この場合も、膜の硬化のためには紫外線照射を行うこととしている。特許文献３には、「ゾル−ゲル法により形成されたところの、ケイ素、アルミニウム、ジルコニウム、及びハフニウムより成る群から選択される少なくとも一種の元素の無機化合物を含有するゾル液を、基材上に塗布し、２００℃を超えない温度に加熱処理しながら、大きくとも１００ｍＪ／ｃｍ²の紫外線を照射することを特徴とするハードコート膜形成方法。」が開示されている。特許文献４には、「ハフニアおよび／またはジルコニアとタンニン若しくはウルシオールを構成成分とする天然高分子、及び／又は光硬化性モノマーとを含有するゾルを基材の表面に塗布することを特徴とする硬質塗膜の製造方法」が、開示されている。

特開２００５−５４１１６号公報 特開２００３−１８３６３４号公報 特開２００２−１８７７３８号公報 特開２００５−５２７７４号公報

上述のように、ハフニアおよび／またはジルコニアの硬質膜をゾル−ゲル法で製造するには基材に塗付したゲル膜を紫外線照射したり、加熱処理したりすることにより硬化させることが必要であった。プラスチックをはじめとする基材の中には、紫外線により分解、変形や変質が起こる場合が多い。また、加熱処理によっても基材の分解、変形や変質が起こったり、溶融や反応が起こったりするおそれがある。

本発明は、このような従来の問題を解消するため、紫外線や高温に曝すことができない基材に対しても、均質で高い硬度を有するハフニアおよび／またはジルコニアの薄膜を形成することのできる硬質膜の製造方法を提供することを課題とする。また、上記の硬質膜の製造方法に好適に利用できるハフニアおよび／またはジルコニア含有のゾルの提供を課題とする。

本発明者らは、前記課題を解決するために、ハフニアおよび／またはジルコニアを含有するゾルを基材に塗布した塗膜を硬化させる環境について検討を重ねた結果、特定の条件下にあるハフニアおよび／またはジルコニアのゾル膜を特定の湿度のもとで存置させることにより課題が解決できるということを見出し、以下の発明を完成した。 請求項１に係る発明は、
有機酸と無機酸とハフニアおよび／またはジルコニアとを含むゾル中の、ハフニウムおよび／またはジルコニウム１モルに対する有機酸の含有量が０．１〜２０モルであるゾルを基材に塗付し、相対湿度５０〜１００％の雰囲気下で存置させることによる硬質膜の製造方法である。
請求項２に係る発明は、
相対湿度５０〜１００％の雰囲気下で存置させる温度が０〜１００℃である請求項１に記載の硬質膜の製造方法である。
請求項３に係る発明は、
相対湿度５０〜１００％の雰囲気下で存置させる時間が１〜１２０時間である請求項１または２に記載の硬質膜の製造方法である。
請求項４に係る発明は、
有機酸がギ酸、酢酸およびシュウ酸よりなる群から選択される少なくとも一種である請求項１〜３のいずれか１項に記載の硬質膜の製造方法である。
請求項５に係る発明は、
有機酸と無機酸とハフニアおよび／またはジルコニアとを含み、ハフニウムおよび／またはジルコニウム１モルに対して有機酸の含有量が０．１〜２０モルであるゾルである。

本発明の硬質膜の製造方法によると、ハフニアおよび／またはジルコニアを含有するゾルを基材に容易に塗布でき、均質で高い硬度を有する薄膜を形成することができ、しかも、本発明により得られたハフニアおよび／またはジルコニアの薄膜は、高い硬度に加えて優れた撥水性を有する。本発明の硬質膜の製造方法は、ゾル−ゲル法を利用しているために塗膜形成に大規模な設備を必要とせず、本発明においては塗膜の硬化にあたっても紫外線照射設備や加熱設備などを必要としない。また、本発明のゾルは、ハフニウムおよび／またはジルコニウムと有機酸および無機酸とで形成されており、容易に製造することができ、安定性にも優れている。

本発明の硬質膜の製造方法においては、ハフニアおよび／またはジルコニアを含有するゾルは、有機酸と無機酸とを含有しており、そのゾル中のハフニウムおよび／またはジルコニウム１モルに対するゾル中の有機酸の含有量が０．１〜２０モル、好ましくは１〜１５モルであるゾルを基材に塗付し、相対湿度５０〜１００％の雰囲気下で存置させる。

まず、本発明の硬質膜の製造方法に好適に利用できるゾルおよびそのゾルの製造方法について説明する。本発明において好適に用いられるハフニアおよび／またはジルコニアを含有するゾルは、有機酸と無機酸とを含む。有機酸としては、カルボキシル基を有する有機酸が好ましく、かつ炭素数３以下の有機酸が好ましい。例えば、好ましい有機酸として、ギ酸、酢酸、シュウ酸、プロピオン酸、グリコール酸、乳酸、グリセリン酸、シュウ酸、マロン酸などを挙げることができ、フッ素を含む有機酸でもよい。中でも、ギ酸、酢酸、シュウ酸が特に好ましい。有機酸の含有量は、ハフニウムおよび／またはジルコニウム１モルに対して有機酸が０．１〜２０モル、好ましくは１〜１５モルが好ましい。また、無機酸としては、塩酸、硝酸、リン酸および硫酸などを挙げることができ、好適な無機酸は、塩酸、硝酸および硫酸である。無機酸の含有量は、ハフニウムおよび／またはジルコニウム１モルに対して、０．１〜１００モルが好ましい。

本発明において、ハフニアおよび／またはジルコニアを含有するゾルを調製する方法に制限はないが、例えば、次のプロセスで作製することができる。
ハフニウムおよび／またはジルコニウムの金属アルコキシドまたは金属塩（以下、ハフニウムおよび／またはジルコニウムの金属アルコキシド、金属塩のようにハフニウムおよび／またはジルコニウムのアルコキシド、塩、および酸化物などを金属アルコキシド、金属塩、および金属酸化物などと略称することがある。）を水などの溶媒に溶解し、アンモニア水やアミンなどの塩基を加える。このとき、ｐＨが８以上になるように加えると、水酸化物が沈殿する。これに水などの溶媒を加えてさらに無機酸および有機酸を加えることにより、ハフニアおよび／またはジルコニア含有のゾルを作製することができる。水酸化物が得られたとき、これをろ別して吸着している塩化アンモニウムなどを水などにより洗浄して除去することもできる。水酸化物を得る反応を促進したり完全なものにしたりするには、この水酸化物を含む溶液を加熱したり攪拌したりする。これにより、ハフニアおよび／またはジルコニアを含有するゾルが得られる。

原料となる金属アルコキシドとしては特に制限はないが、ハフニウムまたはジルコニウムと炭素数５以下のアルコールとのアルコキシド、例えば、前記金属のメトキシド、エトキシド、プロポキシド、ブトキシド、ペントキシドが好ましい。また、金属塩としては、前記金属のハロゲン化物、酢酸塩、硫酸塩、炭酸塩、硝酸塩などを挙げることができ、好適な金属塩はハロゲン化物である。ハロゲン化物としては、金属としてハフニウムを例にとると、四塩化ハフニウム、四フッ化ハフニウム、四臭化ハフニウム、四ヨウ化ハフニウムを挙げることができ、中でも、四塩化ハフニウムが好ましい。ジルコニウムについても、前記ハフニウムのハロゲン化物と同様のハロゲン化物や二塩化酸化ジルコニウム・八水和物などを好ましい金属塩として挙げることができる。金属アルコキシド溶液または金属塩溶液における金属アルコキシドまたは金属塩の濃度は、特別な限定はないが、通常は、金属酸化物換算で１〜７０質量％、好ましくは、１〜５０質量％である。１質量％以上とすることで、生成するゾルの濃度が適度に保たれ基材への塗布後に良好な薄膜を形成しやすい。前記上限値以内であれば、生成するゾルの濃度が濃くなりすぎず、後述する酸との混合や塗付等の取り扱いが容易である。

金属アルコキシド溶液は、金属アルコキシドと溶媒とを混合することにより、また、金属塩溶液は、金属塩と溶媒とを混合することにより、容易に調製することができる。混合する溶媒としては、水、メタノール、エタノール、ブタノール、イソプロパノール、ビニルアルコールなどのアルコール、アセトン、メチルエチルケトン、ジオキサンなどのケトン、アミン、アミドなどを挙げることができ、好ましく用いられる溶媒は水またはアルコール、特にエタノール、メタノールおよびイソプロパノールである。これら溶液を調製するときの条件についても制限はないが、通常は室温でよく、０〜１００℃、好ましくは、１０〜５０℃で、攪拌、混合して調製される。このとき、配位能力のある有機物を添加することもできる。金属アルコキシド溶液または金属塩溶液に添加する配位能力のある有機物としては、例えば、２，４―ペンタンジオンやカテコールなどのジオンなどを挙げることができる。

金属アルコキシド溶液または金属塩溶液に加える塩基としては、アンモニアおよびアミンが好ましく、アミンとしては、第１級アミン、第２級アミン、第３級アミンなどを挙げることができる。第１級アミンとして、２−プロペニルアミン、２−メチル−２−プロペニルアミン、２−プロペロイロキシエチルアミン、および２−（２−メチルプロペロイロキシ）エチルアミンなど、第２級アミンとして、ジ（２−プロペニル）アミン、ジ（２−メチル−２−プロペニル）アミン、２−プロペニルアミン、２−メチル−２−プロペニルアミン、２−プロペロイロキシエチルアミン、および２−（２−メチルプロペロイロキシ）エチルアミンタクリレート）など、第３級アミンとして、Ｎ，Ｎ−ジメチル−２−プロペロイロキシエチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチル−２−（２−メチルプロペロイロキシ）エチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジエチル−２−プロペロイロキシエチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジエチル−２−（２−メチルプロペロイロキシ）エチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチル−３−プロペロイロキシプロピルアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチル−３−（２−メチルプロペロイロキシ）プロピルアミン、Ｎ，Ｎ−ジエチル−３−プロペロイロキシプロピルアミンＮ，Ｎ−ジエチル−３−（２−メチルプロペロイロキシ）プロピルアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチル−３−（プロペロイルアミノ）プロピルアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチル−３−（２−メチルプロペロイルアミノ）プロピルアミン、Ｎ，Ｎ−ジエチル−３−（プロペロイルアミノ）プロピルアミン、およびＮ，Ｎ−ジエチル−３−（２−メチルプロペロイルアミノ）プロピルアミンなどを挙げることができる。また、ヨウ化テトラアルキルアンモニウム、水酸化テトラアルキルアンモニウム、ヨウ化テトラアリールアンモニウム、水酸化テトラテトラアリールアンモニウムなどの第４級アンモニウム化合物も使用することができる。さらに、アミンとしては、前記第１級アミン〜第３級アミンの塩類も本発明に使用することができる。アンモニアまたは上述のアミンは、そのまま使用してもよく、水溶液として使用してもよい。アンモニア水を用いる場合、アンモニアの好適な濃度は通常１〜２９質量％である。

続いて、得られた水酸化物をろ別することが好ましい。このろ別した水酸化物は水またはアルコールにより洗浄することが好ましい。この洗浄に用いるアルコールとしては、炭素数５以下のアルコールが好ましく、具体的には、メタノール、エタノール、ｎ-プロパノール、２−プロパノール、ｎ−ブタノール、２−メチルプロパノール、２−ブタノール、２−メチル−２−プロパノールなどを挙げることができる。この洗浄は、水酸化物のｐＨを調整すると共に、水酸化物に付着または含有した夾雑物や不純物を除去するための工程である。このろ別した水酸化物と水および／またはアルコールならびに有機酸および無機酸とを混合することによって、目的とするゾルが形成される。このゾルは、ハフニウムおよび／またはジルコニウム１モルに対して有機酸が０．１〜２０モル、好ましくは１〜１５モルである。また、無機酸は０．１〜１００モルであることが好ましい。この場合、これらの混合順序には特別な制限はない。例えば、水酸化物と水および／またはアルコールならびに無機酸および有機酸とを同時に混合してもよく、水酸化物と水および／またはアルコールとを混合し、次いで、無機酸および有機酸を混合してもよい。また、水酸化物と無機酸および有機酸とを混合し、次いで、水および／またはアルコールを混合してもよい。

また、水酸化物に加える場合の酸として、有機酸としては、カルボキシル基を有する有機酸が好ましく、かつ炭素数３以下の有機酸が好ましい。例えば、好ましい有機酸として、ギ酸、酢酸、シュウ酸、プロピオン酸、グリコール酸、乳酸、グリセリン酸、シュウ酸、マロン酸などを挙げることができ、フッ素を含む有機酸でもよい。中でも、ギ酸、酢酸、シュウ酸が特に好ましい。有機酸は、ハフニウムおよび／またはジルコニウム１モルに対して有機酸が０．１〜２０モル、好ましくは１〜１５モルとすることが適している。また、無機酸としては、塩酸、硝酸、リン酸および硫酸などを挙げることができ、好適な無機酸は、塩酸、硝酸および硫酸である。無機酸はハフニウムおよび／またはジルコニウム１モルに対して、０．１〜１００モルとすることが好ましい。

水酸化物と混合する水および／またはアルコールの量は、この水酸化物を解膠するに足る量であればよく、この水酸化物に対し、通常は、質量基準で１〜１００倍、好ましくは、１〜５０倍である。１倍未満では、金属イオンの濃度が高くなって、解膠が困難となり、１００倍を超えると、ゾル中の金属イオンの濃度が低くなり好ましくない。有機酸および無機酸の混合量は、ハフニウムおよび／またはジルコニウム１モルに対して有機酸が０．１〜２０モル、好ましくは１〜１５モルであることが望ましい。この範囲より少ないと解膠が困難となり、上記範囲より多いと相対湿度５０〜１００％下で存置しても硬質膜が作製できなくなり好ましくない。無機酸は、ハフニウムおよび／またはジルコニウム１モルに対して０．１〜１００モルであることが好ましい。０．１モルより少ないと解膠が困難となり、１００モルより多いと相対湿度５０〜１００％存置で硬質膜が作製できなくなり好ましくない。

水および／またはアルコールならびに無機酸および有機酸における配合割合に特別の制限はなく、全量を１００質量部としたとき、無機酸および有機酸を、通常は、０．１〜５０質量部、好ましくは、１〜２０質量部とすることが好ましい。０．１質量部未満では、水酸化物が解膠せず、５０質量部を超えると、用いる無機酸および有機酸により、基材が損傷されたり、変質を生じたりし、また、塗布時、無機酸および有機酸の蒸発によって、環境に悪影響を与えることもあるので好ましくない。水とアルコールとを併用するときの両者の配合割合にも制限はなく、また、無機酸と有機酸との配合割合にも制限はないが、通常は、酸全量を１００質量部としたとき、無機酸、特に硝酸または塩酸を１０〜９０質量部、好ましくは、１０〜６０質量部とすることが好ましい。無機酸および有機酸を含むゾルのｐＨは、０〜３としておくことが好ましい。ゾルのｐＨがこの範囲にあるとハフニアおよび／またはジルコニアを含有するゾルが安定し易く、塗布する基材への影響も最小限に押さえやすい。

本発明においては、上述のようにして調製されたゾルを硬質塗膜を形成しようとする基材の表面に塗布した後、相対湿度５０〜１００％の雰囲気下で存置させることにより、硬質膜を製造する。

ゾルを塗布される基材には制限はなく、様々な素材を採用することができる。例えば、プラスチックスから形成された基材、複合材料から形成された基材、金属材料から形成された基材、無機材料から形成された基材などが挙げられる。その他の基材としては、紙、布、皮革、木材をも挙げることができる。プラスチックスから形成された基材としては、アクリル系樹脂、ポリスチレン、ポリオレフィン系樹脂、ナイロン、ＡＢＳ樹脂、ポリ乳酸樹脂、ポリカーボネートおよびポリエチレンテレフタレートなどが挙げられる。複合材料から形成された基材としては、繊維強化プラスチック、琺瑯、グラスライニングおよびセラミックスコーティングのいずれかによって被覆した基材などが挙げられる。金属材料から形成された基材としては、普通鋼、構造用定合金鋼、高張力鋼、耐熱鋼、高クロム系耐熱鋼、高ニッケル−クロム系耐熱鋼をはじめとする合金鋼およびステンレス鋼等の鉄鋼材料、工業用純アルミニウム、５０００系のアルミニウム合金、Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金および６０００系アルミニウム合金をはじめとするアルミニウム合金、銀入銅、錫入銅、クロム銅、クロム・ジルコニウム銅およびジルコニウム銅をはじめとする各種銅合金、純チタン、抗力チタン合金および耐食性チタン合金をはじめとするチタン合金などを挙げることができる。無機材料から形成された基材としては、ガラス、アパタイト、ムライト磁器、アルミナ磁器、ジルコン磁器、コーディエライト磁器およびステアタイト磁器などを挙げることができる。

前記各種の基材の中でも、ガラスで形成された基材、プラスチックスで形成された基材、紙で形成された基材、およびこれらの複合材料で形成された基材が好適な基材として挙げられる。また、これら基材は、その表面が塗装され、塗膜が形成されるなどの表面処理がなされている基材であってもよい。これらの基材は高温や紫外線により劣化する場合があるが、本発明の硬質膜の製造方法は、紫外線照射や高温環境下での硬化処理を必要としないので、これらの基材への硬質膜の形成に好適である。

具体的な基材となる物品の例としては、外装板、例えば、送電線、建築物、サッシュおよび鉄道車両の外板などを挙げることができる。また、金属製またはプラスチック製の日用雑貨品、台所、バス、トイレなどの家庭用品を挙げることもできる。セラミックス材料から形成された基材の一例としては、例えば、アルミナ、シリカなどのセラミックス製品、碍子、碍管およびセラミックスタイル、屋根瓦を挙げることができる。その他にも例えば、各種タンク、反応槽、醸造槽ならびにコップ、洗面器および花瓶をはじめとする日用品、おもちゃなどを挙げることができる。

基材として、プラスチック、木材、金属およびセラミック等の表面に塗料が塗布された塗装表面も挙げることができる。塗装表面としては、具体的には、自動車、鉄道車両および航空機の車体表面などを挙げることができる。前記基材としては、さらに、コンクリート壁、テラコッタタイル壁、モルタル壁、および漆喰壁をはじめとする建築物の内外壁、および建材を挙げることができる。さらに、表面をメッキ処理した前記各種基材をも挙げることができる。

基材の表面にはどのような方法でゾルを塗布してもよいが、例えば、ゾル中に基材を浸漬し、これを引き上げて基材表面にゾルを付着させるディップ法、固定された基材表面上にゾルを流延する流延法、ゾルの貯留された槽の一端からゾルに基材を浸漬し、槽の他端から基材を取り出す連続法、回転する基材上にゾルを滴下し、基材に作用する遠心力によってゾルを基材上に流延するスピンナー法、基材の表面にゾルを吹き付けるスプレー法およびフローコート法を挙げることができる。ゾルの塗布量は、ゾルの粘度その他の条件により異なる。１回の塗布では、目的の厚さの薄膜が得られない場合は、数回の塗布を繰り返すこともできる。得られる硬質膜の厚さは、適用対象物に応じて適宜、決定すればよいが、通常、１０〜１０００ｎｍとなるようにゾルを塗付すればよい。

基材表面が汚れている場合は洗浄してからゾルを塗付することが好ましい。特に、表面が金属である場合など油性の膜が存在していることがあり、脱脂剤を用いて金属表面を脱脂処理した後、前記ゾルを塗布することが好ましい。この脱脂剤としては、エタノールなどのアルコールまたはアルカリ洗剤を挙げることができ、アルカリ洗剤としては、例えば、オルトケイ酸ナトリウムにけん化剤や界面活性剤を配合した脱脂剤を用いることができる。脱脂処理の方法に特別な制限はなく、例えば、金属基材表面をアルコールで拭き払う手段を採用することができ、また、金属基材を脱脂剤中に浸漬し、１〜５分間、好ましくは３０〜６０℃に加熱して、撹拌することによって脱脂処理することができる。脱脂処理した後、場合によっては水洗し、乾燥すればよい。

また、脱脂処理に続いて電解処理を施すこともできる。これらの処理により、金属基材に対するゾルの塗布性を一層、向上させることができる。電解処理は、脱脂液に基材を浸漬したままで基材にプラスまたはマイナスの電極を設置し、対電極として基材に設置したものとは反対の電極を設置する。これに任意の時間通電することにより電解処理を行う。このときの電圧は任意でよいが好ましくは１〜２００Ｖであり、通電時間は任意でよいが、好ましくは０．１〜６０分であり、液の温度は任意でよいが、好ましくは０〜８０℃である。

本発明は、上述の基材表面に塗付されたゾルを、相対湿度５０〜１００％、の雰囲気下に存置させることによる硬質膜の製造方法である。相対湿度を上記の範囲としてその中に塗布膜を存置させると、雰囲気中の水分子が膜内に浸透して膜内の金属イオンに配位している有機物や無機物イオンを置換し、Ｈｆ−ＯＨやＺｒ−ＯＨとなる。これがさらにＨｆ−Ｏ−ＨｆやＺｒ−Ｏ−Ｚｒとなって、多くのＨｆ−Ｏ−ＨｆやＺｒ−Ｏ−Ｚｒネットワークを形成することにより、硬質膜が形成されると推測される。有機物イオンや無機物イオンが多く金属イオンに配位していると、水による置換が不十分となり硬質膜を得るのに必要な量のＨｆ−Ｏ−ＨｆやＺｒ−Ｏ−Ｚｒネットワークが形成されない。このような現象はこれまでの硬化において観察されたことはなく、本発明により初めて明らかにされたことである。

基材表面に塗布されたゾルを上記の相対湿度の下で存置する場合、その存置条件は、通常は室温でよく、０〜１００℃、好ましくは、１０〜７０℃で１〜１２０時間、好ましくは、１〜７２時間とすることが望ましい。ゾルを加温下で存置する場合において、例えば、プラスチック基材の黄変、変質や変形などがなく、特別に耐熱性の基材を選択しなければならないという問題は回避される。加温下で存置する際の温度調節手段に制限はなく、電気炉を用いる手段、温風を吹き付ける手段、一定温度の雰囲気下に据置する手段などが採用される。なお、得られる硬質膜の厚さは、基材の種類、適用対象物に応じて適宜、決定することができるが、通常、１０〜１０００ｎｍの範囲から選ばれる。

相対湿度を所定の値に調整するには、例えば、大規模な硬質膜の製造方法においては、空気調節機によればよく、小規模な硬質膜の製造方法においては、存置に用いる容器などの設備内に、特定の無機化合物の固相が存在する飽和水溶液を置くことにより、その設備内の湿度を制御することができる。たとえば、炭酸ナトリウム・１０水和物（Ｎａ_２ＣＯ_３・１０Ｈ_２Ｏ）の固相を含む飽和水溶液を置いた容器内は、相対湿度８７〜９２％に制御することができる。または、水蒸気を導入した後、シリカゲルなどの調湿剤を入れて吸湿するなどの手段により相対湿度を調整すればよい。また、存置に用いる容器などの設備内に温水を注ぎ、水滴を残す程度に水を拭き取るなどの手段によることもできる。

本発明の硬質膜の製造方法においては、相対湿度５０〜１００％の環境下で、ゾルを基材の表面に塗布することが好ましい。このような湿度環境下で塗布することにより、基材の表面に対するゾルの塗布性が向上され、塗膜ムラのない均質な塗布膜が得られる。上記の環境下で金属酸化物ゾルを基材に塗布すると、塗付時に基材の表面にきわめて薄い水の膜が形成され、金属酸化物ゾルと基材の表面との親和性が向上して、良好な塗布性が得られるものと推測される。

本発明の硬質膜の製造においては、紫外線照射や加熱による硬化処理は必要がないが、基材の劣化などの弊害がなければ、硬化時間を早めたり、さらに硬質な膜を形成したりするために紫外線照射による硬化処理や加熱による硬化処理を行ってもよい。これらの硬化処理は、本発明の必須条件である相対湿度５０％以上の環境下での塗膜の存置と同時に、または相対湿度５０％以上の環境下での存置処理が終わってから行うことが好ましい。紫外線照射による硬化処理に際して、照射する紫外線の光源としては、高圧水銀灯、低圧水銀灯、エキシマレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザなどを使用することができる。これらを使用することにより、紫外線を塗布膜に照射することができる。照射時間は、１分〜１時間ときわめて短時間で十分である。また、照射する紫外線の強度は任意であるが、例えば、プラスチックス基材が黄変したり、変質、変形することがない範囲が好ましい。

本発明の製造方法により製造された硬質膜は、鉛筆硬度が７Ｈ以上の高硬度である。また、この硬質膜は、接触角が７０°以上の撥水性を示す。硬質塗膜の硬度は、鉛筆硬度法（ＪＩＳ Ｋ５６００−５−４）によって評価することができる。また、撥水性とは、水をはじく性質をいい、接触角計を用いて測定される水滴の接触角によって評価することができる。

このように、基材に対するゾルの塗布性に優れ、しかも均質で高い硬度を有し、撥水性の良好な硬質膜を、各種の建物、設備、装置、機械器具、例えば、自動車の窓ガラス、自動車の塗装表面、台所設備、台所用品、台所設備に付設される排気装置、入浴設備、洗面設備、医療用施設、医療用機械器具、鏡、眼鏡などの表面に形成することによって、その機能を存分に果たすこととなる。また、ガラス、アクリル板、ポリスチレン板、ＰＥＴフィルム、ＰＥＴボトルなどの透明製品、表面の光沢や質感を重んじるプラスチック製品の表面に本発明の方法による硬質膜を形成する場合にも、硬質膜形成時に基材を傷めることなく硬度の高い各種製品が製造できる。

以下に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、これら実施例によって本発明はなんら限定されるものではない。

〔ハフニアゾルの調製〕
四塩化ハフニウムＨｆＣｌ_４ ５．４４ｇを窒素雰囲気下、水３２ｇに溶解した。この溶液に、２９％アンモニア水をｐＨ９．０になるまで添加し沈殿物を得た。この沈殿物をろ過し、純水により沈殿物を洗浄液のｐＨが７になるまで洗浄した。洗浄した沈殿物を純水に加え、さらに無機酸として６０％硝酸、有機酸として９８％ギ酸または酢酸を表１に示す量を加え、８５℃で３時間加熱撹拌し、その後冷却してハフニアゾルを調製した。各実施例および比較例毎に使用したハフニアゾルにつき、ゾル記号ごとにＨｆＣｌ_４、純水、硝酸、およびギ酸または酢酸の量、並びにハフニアゾル中のハフニウム１モルに対する有機酸のモル量を表１に示す。

〔ジルコニアゾルの調製〕
二塩化酸化ジルコニウム・八水和物ＺｒＯＣｌ_２・８Ｈ_２Ｏ ５．４８ｇを水３２ｇに溶解した。この溶液に２９％アンモニア水をｐＨ９になるまで添加し、沈殿物を得た。この沈殿物をろ別し、純水により沈殿物を洗浄液のｐＨが７になるまで洗浄した。洗浄した沈殿物を純水に加え、さらに無機酸として６０％硝酸、有機酸として９８％ギ酸または酢酸を表２に示す量で加え、８５℃で３時間加熱撹拌し、その後冷却してジルコニアゾルを調製した。各実施例および比較例毎に使用したジルコニアゾルにつき、ゾル記号ごとにＺｒＯＣｌ_２・８Ｈ_２Ｏ、純水、硝酸、およびギ酸または酢酸の量、並びにジルコニアゾル中のジルコニウム１モルに対する有機酸のモル量を表２に示す。

〔基材へのハフニアゾルまたはジルコニアゾルの塗布〕
１０×１０ｃｍに切断した厚さ５ｍｍの無アルカリガラス基板を中性洗剤で洗浄し、さらに純水でリンスした後、エアガンにより水分を除去し、乾燥して薄膜製造用の基材を用意した。この基材表面に、上記のハフニアゾルＨ１〜Ｈ６およびジルコニアゾルＺ１〜Ｚ６をそれぞれスピンナー法（５００ｒｐｍ／５秒→２０００ｒｐｍ／３０秒）により塗付した。この際、スピンナーカップ内すなわちゾルを塗付する基材表面付近における雰囲気の相対湿度を５５〜６０％に保ってゾルを塗布した。ゾルを塗付された基板を、それぞれゾル記号Ｈ１〜Ｈ６、Ｈ１〜Ｈ６に対応して試料Ｈ１〜Ｈ６、試料Ｚ１〜Ｚ６とした。なお、それぞれの試料は、後述のように異なった湿度環境下で硬化させるため、およびそれらの比較のため、４枚ずつ準備した。そのうちの１枚を用いて、後述の方法によりデシケータ内存置処理化前の鉛筆硬度を測定した。その結果を表３に示す。

〔基材へ塗布したハフニアゾルまたはジルコニアゾルから硬質膜の製造〕
一方、小型シャーレＡ、ＢおよびＣを用意した。次に、それぞれのシャーレ中で炭酸ナトリウム・１０水和物（Ｎａ_２ＣＯ_３／１０Ｈ_２Ｏ）２５ｇ、塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）３０ｇと硝酸カリウム（ＫＮＯ_３）３０ｇの混合物、および酢酸カリウム２５ｇをそれぞれ純水７５ｇに添加し、２５℃で溶解させた。このとき、それぞれのシャーレの溶液中には固体を飽和状態になるまで溶解した後も固体が残存していた。つぎにシャーレＡ、ＢおよびＣをそれぞれデシケータＡ、ＢおよびＣ内に置いた。それぞれのデシケータ内の温度は２５℃に保っておき、デシケータ内の湿度が安定したところで相対湿度を計った。デシケータＡは９２％、Ｂは７１％、Ｃは２０％であった。
このようにして準備しておいたデシケータＡ、ＢおよびＣに、それぞれ試料Ｈ１〜Ｈ６および試料Ｚ１〜Ｚ６を、図１に示すように、ガラス立て治具５に立てかけて、塗付面２を上側にして水平に対しガラス立て角度７を７５度として存置した。
それぞれの基板を１９時間存置した後、取り出して第一回目の鉛筆硬度測定を行った。デシケータＡ内に存置した基板は取り出してすぐ鉛筆硬度を測定した。デシケータＢおよびＣ内に存置した基板は、取り出した後３．５時間室温で乾燥させてから鉛筆硬度を測定した。これらの測定結果をデシケータＡ、ＢおよびＣに存置処理した試料について、それぞれ表３に示す。
測定が終わった基板は、再度もとのデシケータに入れて硬化処理を続け、さらに１９時間硬化処理した後に第２回目の鉛筆硬度測定を行った。デシケータＡ内に存置した基板は取り出してすぐ鉛筆硬度を測定した。デシケータＢおよびＣ内に存置した基板は、取り出した後３．５時間室温で乾燥させてから鉛筆硬度を測定した。これらの測定結果もあわせて表３に示す。

（鉛筆硬度測定方法）
硬度測定は、引掻き塗膜型さ試験機（東洋精機製作所株式会社製、Ｐ−ＴＹＰＥ）を用いてＪＩＳ Ｋ５６００−５−４に従って実施した。すなわち、６Ｂから９Ｈの硬さの鉛筆を６Ｂから順に塗膜に対し４５度にして荷重７５０ｇで押し付け、７ｍｍの距離を０．１〜５ｍｍ／秒の速度で３本走査する。肉眼で薄膜表面を観察し、３ｍｍ以上の傷跡が２本生じるまで鉛筆の硬度を上げていき、傷跡の生じなかった最も硬い鉛筆の硬度をその薄膜の鉛筆硬度とする。なお、鉛筆は薄膜の存置処理時の基板の上方から下方に向かって走査した（図１参照）。

デシケータＡおよびＢに在置処理した試料については、接触角計（協和界面科学株式会社、ＣＡ−Ｄ）を用いて、水に対する接触角を測定した。その結果は表４に示すとおりであった。

表３に示すように、塗布膜の存置処理前は当然硬度は低い。比較例１１〜２２に示すように、低い相対湿度における存置処理では塗布膜の硬度が上がらないことが分かる。一方、実施例１〜１４に示すように、存置処理湿度が高い場合は、塗布膜は塗付されたゾルの種類により硬度が決定される。塗付したゾル中のハフニウムおよび／またはジルコニア１モルに対して有機酸が本発明の範囲であれば、在置処理により硬化し、鉛筆硬度８Ｈ以上、ほとんどの鉛筆硬度は９Ｈ以上となった。
また、本発明の試料はすべて水に対する接触角が８０°以上であり、撥水性を示した。

図１は、ゾルを塗付した基板の存置処理を示すイメージ図である。

符号の説明

１：基板、 ２：ゾルの塗付面、 ３：デシケータ、 ４：シャーレ、
５：ガラス立て治具、 ６：鉛筆硬度試験の鉛筆の走査方向、 ７：ガラス立て角度

Claims (5)

1. 有機酸と無機酸とハフニアおよび／またはジルコニアとを含むゾル中の、ハフニウムおよび／またはジルコニウム１モルに対する有機酸の含有量が０．１〜２０モルであるゾルを基材に塗付し、相対湿度５０〜１００％の雰囲気下で存置させることによる硬質膜の製造方法。
2. 相対湿度５０〜１００％の雰囲気下で存置させる温度が０〜１００℃である請求項１に記載の硬質膜の製造方法。
3. 相対湿度５０〜１００％の雰囲気下で存置させる時間が１〜１２０時間である請求項１または２に記載の硬質膜の製造方法。
4. 有機酸がギ酸、酢酸およびシュウ酸よりなる群から選択される少なくとも一種である請求項１〜３のいずれか１項に記載の硬質膜の製造方法。
5. 有機酸と無機酸とハフニアおよび／またはジルコニアとを含み、ハフニウムおよび／またはジルコニウム１モルに対して有機酸の含有量が０．１〜２０モルであるゾル。
   
   

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