JP2013099706A - Water-repellent thin film and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin film material which contains an inorganic material and has a thin thickness, uniformity and sufficient water-repellency.SOLUTION: A water-repellent thin film includes a thin film composed of a composited water-repellent material and an inorganic material. The thin film has a water-repellent surface where the first area with an exposed water-repellent material and the second area with an exposed inorganic material are present, in a state of being intermingled and distributed. The inorganic material is either a material showing a photocatalytic activity, oxidizing or reducing an organic substance by being irradiated with light, or a semiconductor material. The water-repellent thin film can be formed by a step of accumulating the hydrophobic material or the inorganic material simultaneously on the coarse surface of a substrate having the coarse surface with a vapor-phase method.

Description

本発明は、スパッタリング法、蒸着法などの気相法により形成され得る、複合化された撥水性材料と無機材料との堆積膜等からなる撥水性薄膜に関する。   The present invention relates to a water-repellent thin film composed of a composite water-repellent material and a deposited film of an inorganic material, which can be formed by a vapor phase method such as sputtering or vapor deposition.

近年、様々な分野で、光触媒を表面に付着させることによりセルフクリーニング機能を付与したプラスチック、金属、セラミックス、ガラス等の材料が実用化されている。光触媒としては、酸化チタン、酸化スズ、酸化タングステン、酸化亜鉛などが知られており、酸化チタンが最も広く用いられている。   In recent years, materials such as plastic, metal, ceramics, and glass that have been provided with a self-cleaning function by attaching a photocatalyst to the surface have been put to practical use in various fields. As the photocatalyst, titanium oxide, tin oxide, tungsten oxide, zinc oxide and the like are known, and titanium oxide is most widely used.

光触媒は、光照射下において、物質の酸化または還元反応に対する触媒作用を示すことから、空気や水に含まれる有機物を分解し除去する機能性素材として期待されている。しかし、光触媒は、紫外線照射下では親水性を示し、有機物を吸着しにくくなるため、有機物を分解する能力を十分に発揮できない場合がある。   Photocatalysts are expected as functional materials that decompose and remove organic substances contained in air and water because they exhibit a catalytic action against oxidation or reduction reaction of substances under light irradiation. However, since the photocatalyst exhibits hydrophilicity under ultraviolet irradiation and becomes difficult to adsorb organic substances, the ability to decompose organic substances may not be sufficiently exhibited.

そこで、光触媒を撥水性材料と組み合わせて疎水化することが試みられている。具体的には、光触媒粒子と撥水性材料との混合材料等が提案されている。しかし、これらの材料は、その厚さの制御が困難であり、特に均質な薄膜(例えば厚さ1μm以下の薄膜)の形成が困難である。   Therefore, attempts have been made to make the photocatalyst hydrophobic by combining it with a water repellent material. Specifically, a mixed material of photocatalyst particles and a water-repellent material has been proposed. However, it is difficult to control the thickness of these materials, and it is particularly difficult to form a homogeneous thin film (for example, a thin film having a thickness of 1 μm or less).

例えば、特許文献1〜3は、光触媒粒子と撥水性粒子(例えばフッ素樹脂)とマトリックス樹脂(例えばシリコーン)とを含有する表面層や被膜を基材表面に設けることを提案している。しかし、このような表面層や被膜は、光触媒粒子と撥水性粒子を含むコーティング組成物を基材表面に塗布することで形成される。そのため、各粒子の粒径よりも薄い膜を形成することができず、かつ均質な膜を形成することも困難である。   For example, Patent Documents 1 to 3 propose that a surface layer or a film containing photocatalyst particles, water-repellent particles (for example, a fluororesin), and a matrix resin (for example, silicone) be provided on the substrate surface. However, such a surface layer or film is formed by applying a coating composition containing photocatalyst particles and water-repellent particles to the substrate surface. Therefore, a film thinner than the particle size of each particle cannot be formed, and it is difficult to form a homogeneous film.

特許文献4は、光触媒粒子と撥水性粒子との混合物を焼成することにより、光触媒に撥水性を付与することを提案している。また、特許文献5は、シリコーンゴムの表面に光触媒粒子を配置し、プレス処理して埋め込んだ撥水性部材を提案している。しかし、このような材料は、薄膜化に限界があり、用途も限定的である。また、光触媒粒子と撥水性粒子とを混合したり、光触媒粒子をシリコーンゴムに埋め込んだりしても、光触媒自体を疎水化する効果はほとんど得られない。   Patent Document 4 proposes to impart water repellency to a photocatalyst by firing a mixture of photocatalyst particles and water repellent particles. Patent Document 5 proposes a water-repellent member in which photocatalyst particles are arranged on the surface of silicone rubber and embedded by pressing. However, such a material has a limit in thinning and its application is limited. Moreover, even if photocatalyst particles and water-repellent particles are mixed or the photocatalyst particles are embedded in silicone rubber, the effect of hydrophobizing the photocatalyst itself is hardly obtained.

特許文献6は、微小な凹凸を有する基材の表層に、光触媒を分散させ、その後、表層をフルオロアルキルシランに接触させて撥水性を付与することを提案している。また、特許文献7は、基材表面に撥水性被膜を形成し、その上に光触媒層を形成することを提案している。しかし、基材の表層に光触媒を分散させた後に撥水性を付与すると、光触媒の活性が顕著に低下する。一方、撥水性被膜の上に光触媒層を形成すると、撥水性が顕著に低下する。   Patent Document 6 proposes that a photocatalyst is dispersed on the surface layer of a substrate having minute irregularities, and then the surface layer is brought into contact with fluoroalkylsilane to impart water repellency. Patent Document 7 proposes forming a water-repellent coating on the surface of a substrate and forming a photocatalytic layer thereon. However, when water repellency is imparted after the photocatalyst is dispersed on the surface layer of the substrate, the photocatalytic activity is significantly reduced. On the other hand, when the photocatalytic layer is formed on the water repellent coating, the water repellency is significantly reduced.

特許文献8は、光触媒を含む無機薄膜の表面をプラズマ処理することにより、光照射の前後における水との接触角の変化を抑制することを提案している。しかし、無機薄膜をプラズマ処理するだけでは、光触媒を十分に疎水化することは困難であり、水との接触角は60度程度であると報告されている。   Patent Document 8 proposes that the surface of an inorganic thin film containing a photocatalyst is subjected to plasma treatment to suppress a change in contact angle with water before and after light irradiation. However, it is difficult to sufficiently hydrophobize the photocatalyst only by plasma treatment of the inorganic thin film, and it has been reported that the contact angle with water is about 60 degrees.

なお、特許文献9は、光触媒に関する報告ではないが、プラスチック基板の撥水性を向上させる技術として、スパッタリング法により、金属酸化物やフッ素樹脂を含む混合層を基板上に形成することを提案している。   In addition, although patent document 9 is not a report regarding a photocatalyst, as a technique for improving the water repellency of a plastic substrate, it is proposed to form a mixed layer containing a metal oxide or a fluororesin on the substrate by a sputtering method. Yes.

特開平10−237431号公報JP-A-10-237431 特開平11−300270号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-300200 特開平10−130539号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-130539 特開平6−385号公報JP-A-6-385 特許4318143号公報Japanese Patent No. 4318143 特開2001−152139号公報JP 2001-152139 A 特開2000−135442号公報JP 2000-135442 A 特開2010−37648号公報JP 2010-37648 A 特開平3−153859号公報JP-A-3-153589

以上のように、光触媒の疎水化が種々検討されているものの、薄く均質な膜を形成可能であり、かつ十分な撥水性と光触媒活性を両立できる材料は開発途上であり、より優れた材料の開発が課題となっている。また、光触媒として利用される無機材料に限らず、種々の機能性無機材料も同様に、撥水性材料と複合化して疎水化することにより、有機物との相互作用の向上や機能制御の容易化が期待できる。   As described above, although various attempts have been made to hydrophobize photocatalysts, materials capable of forming a thin and homogeneous film and having both sufficient water repellency and photocatalytic activity are under development. Development is an issue. In addition to inorganic materials used as photocatalysts, various functional inorganic materials can also be combined with water-repellent materials to make them hydrophobic, thereby improving interaction with organic substances and facilitating functional control. I can expect.

本発明は、複合化された撥水性材料と無機材料とを含む薄膜を含み、前記薄膜は、撥水性材料が露出する第1領域と、無機材料が露出する第2領域と、が混在して分布する撥水性表面を有する、撥水性薄膜に関する。
ここで、「混在」の状態としては、第1領域または第2領域が点在するように、撥水性表面の全体に平均的に分布している状態が好ましい。また、所定の分解能のEDS(energy dispersive X-ray spectroscopy)により撥水性表面の元素マップを測定した場合、第1領域と第2領域との区別が付かない程度の高い分散性を有することが好ましい。
The present invention includes a thin film including a composite water-repellent material and an inorganic material, and the thin film includes a first region where the water-repellent material is exposed and a second region where the inorganic material is exposed. The present invention relates to a water-repellent thin film having a distributed water-repellent surface.
Here, the “mixed” state is preferably a state in which the water-repellent surface is averagely distributed so that the first region or the second region is scattered. Further, when the element map of the water-repellent surface is measured by EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy) with a predetermined resolution, it is preferable that the first region and the second region have a high dispersibility that is indistinguishable. .

薄膜は、全体として見ると、均質であることが望ましいが、微視的に見ると、島状に点在する微小粒子で形成されていてもよい。各微小粒子は、撥水性材料と無機材料との複合材料により形成されている。そして、各微小粒子の表面において、第1領域と第2領域とが混在するように分布していることが好ましい。   The thin film is desirably homogeneous when viewed as a whole, but may be formed of fine particles scattered in islands when viewed microscopically. Each fine particle is formed of a composite material of a water repellent material and an inorganic material. And it is preferable that it distributes so that the 1st area | region and the 2nd area | region may coexist in the surface of each microparticle.

前記薄膜は、堆積膜(deposition film)であることが好ましい。堆積膜であれば、第1領域または第2領域が点在するように撥水性表面の全体に平均的に分布している状態や、EDSにより撥水性表面の元素マップを測定したときに第1領域と第2領域との区別が付かない状態を、容易に達成することができる。   The thin film is preferably a deposition film. In the case of a deposited film, the first region or the second region is scattered in an average manner over the entire water-repellent surface, or when the element map of the water-repellent surface is measured by EDS. A state in which the region and the second region cannot be distinguished can be easily achieved.

堆積膜とは、気相法により形成され得る膜であり、気相中に発生させた超微小粒子(ナノ粒子)を、基材表面に堆積させることにより形成される。撥水性材料と無機材料との複合化は、気相中に発生させた撥水性材料と無機材料のナノ粒子を、基材表面に、同時に堆積させることで達成することができる。   The deposited film is a film that can be formed by a vapor phase method, and is formed by depositing ultrafine particles (nanoparticles) generated in the vapor phase on the substrate surface. The composite of the water repellent material and the inorganic material can be achieved by simultaneously depositing the water repellent material and the inorganic material nanoparticles generated in the gas phase on the surface of the substrate.

撥水性薄膜において、薄膜もしくは堆積膜の厚さ、すなわち複合化された撥水性材料と無機材料からなる領域の厚さは、例えば、10nm以上、3μm以下であることが好ましい。
撥水性表面の中心線平均粗さ(Ra)は、例えば、1μm以上、10μm以下であることが好ましい。
In the water-repellent thin film, the thickness of the thin film or the deposited film, that is, the thickness of the region composed of the combined water-repellent material and inorganic material is preferably 10 nm or more and 3 μm or less, for example.
The center line average roughness (Ra) of the water repellent surface is preferably, for example, 1 μm or more and 10 μm or less.

本発明の一態様において、無機材料は、光照射により有機物を酸化または還元する光触媒作用を示す材料である。ここで、濃度10-5mol/Lのメチレンブルー水溶液を、撥水性薄膜とともに吸光度測定用の石英製セル(10mm×10mm×3mm)に導入し、1mW/cm2の光量で、水銀ランプからの紫外光(250nm以上)をセルの被光照射面に照射してメチレンブルーの分解反応を10時間行ったときに、メチレンブルーに由来する波長664nmの光の吸光度が反応前の50%以下になる場合、無機材料(もしくは撥水性薄膜)は光触媒作用を有すると定義する。ただし、撥水性薄膜には、基材の片面に形成された10mm×10mmの撥水性薄膜を用い、撥水性薄膜全体がメチレンブルー水溶液に浸漬された状態で反応を行う。 In one embodiment of the present invention, the inorganic material is a material that exhibits a photocatalytic action of oxidizing or reducing an organic substance by light irradiation. Here, a methylene blue aqueous solution having a concentration of 10 −5 mol / L was introduced into a quartz cell (10 mm × 10 mm × 3 mm) for absorbance measurement together with a water-repellent thin film, and an ultraviolet ray from a mercury lamp at a light amount of 1 mW / cm 2. When the light-irradiated surface of the cell is irradiated with light (250 nm or more) and the methylene blue decomposition reaction is carried out for 10 hours, the absorbance of light having a wavelength of 664 nm derived from methylene blue is 50% or less before the reaction. The material (or water repellent thin film) is defined as having a photocatalytic action. However, the water-repellent thin film is a 10 mm × 10 mm water-repellent thin film formed on one side of the substrate, and the reaction is carried out with the entire water-repellent thin film immersed in a methylene blue aqueous solution.

無機材料が光触媒作用を示す材料である場合、撥水性表面と水との、紫外線非照射下での接触角をθ1、紫外線照射下での接触角をθ2とするとき、100×(θ1−θ2)/θ1で表される接触角の変動量は極めて小さく、例えば10%以下であることが好ましい。   When the inorganic material is a material exhibiting a photocatalytic action, when the contact angle between the water-repellent surface and water under non-ultraviolet irradiation is θ1, and the contact angle under ultraviolet irradiation is θ2, 100 × (θ1−θ2) ) / Θ1 variation in contact angle is extremely small, for example, preferably 10% or less.

光触媒作用を示す材料は、例えば、酸化チタン、酸化タングステン、酸化亜鉛、チタン酸ストロンチウム、酸化ニオブ、硫化カドミウム、硫化亜鉛、チタノシリケートおよびチタン含有アルミノシリケートよりなる群から選択される少なくとも1種である。   The material exhibiting photocatalytic action is, for example, at least one selected from the group consisting of titanium oxide, tungsten oxide, zinc oxide, strontium titanate, niobium oxide, cadmium sulfide, zinc sulfide, titanosilicate, and titanium-containing aluminosilicate. is there.

本発明の別の一態様において、無機材料は、半導体材料である。半導体材料は、例えば、酸化チタン、硫化カドミウム、チタン酸ストロンチウム、酸化ニオブ、硫化カドミウム、テルル化カドミウム、酸化スズ、酸化インジウムスズ(ITO)および硫化亜鉛よりなる群から選択される少なくとも1種を含む。   In another embodiment of the present invention, the inorganic material is a semiconductor material. The semiconductor material includes, for example, at least one selected from the group consisting of titanium oxide, cadmium sulfide, strontium titanate, niobium oxide, cadmium sulfide, cadmium telluride, tin oxide, indium tin oxide (ITO), and zinc sulfide. .

本発明においては、撥水性表面と水との、紫外線照射下での接触角θ2は、130度以上とすることができ、150度以上とすることも可能である。   In the present invention, the contact angle θ2 between the water-repellent surface and water under ultraviolet irradiation can be 130 degrees or more, and can be 150 degrees or more.

撥水性材料は、例えば、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、フッ化黒鉛およびナノカーボン材料よりなる群から選択される少なくとも1種である。ここで、フッ素樹脂は、−(CF2n−、ただしnは1以上の整数、またはCF3−で表される構造を有することが好ましい。フッ素樹脂は、例えば、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよびフッ化ビニリデンよりなる群から選択される少なくとも1種のモノマー単位を含むポリマー材料である。 The water repellent material is, for example, at least one selected from the group consisting of a fluororesin, a silicone resin, graphite fluoride, and a nanocarbon material. Here, the fluororesin preferably has a structure represented by — (CF 2 ) n —, where n is an integer of 1 or more, or CF 3 —. The fluororesin is, for example, a polymer material including at least one monomer unit selected from the group consisting of tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, and vinylidene fluoride.

本発明は、また、基材と、前記基材の少なくとも一部を被覆する上記のいずれかの撥水性薄膜と、を含む撥水性部材に関する。
撥水性薄膜の撥水性を高める観点から、撥水性薄膜を形成する前の基材の表面は、凹凸または三次元微細構造を有する粗表面であることが望ましい。撥水性薄膜を形成する前の粗表面の中心線平均粗さ(Ra)は、例えば1μm以上、10μm以下である。
The present invention also relates to a water repellent member comprising a base material and any one of the above water-repellent thin films covering at least a part of the base material.
From the viewpoint of increasing the water repellency of the water-repellent thin film, the surface of the base material before forming the water-repellent thin film is desirably a rough surface having irregularities or a three-dimensional microstructure. The centerline average roughness (Ra) of the rough surface before forming the water-repellent thin film is, for example, 1 μm or more and 10 μm or less.

本発明の撥水性薄膜は、粗表面を有する基材の前記粗表面に対し、気相法により、撥水性材料と無機材料とを同時に堆積させる工程により形成することができる。ここで、気相法としては、例えば、スパッタリング法または蒸着法が好適である。   The water-repellent thin film of the present invention can be formed by a step of simultaneously depositing a water-repellent material and an inorganic material on the rough surface of a substrate having a rough surface by a vapor phase method. Here, as the vapor phase method, for example, a sputtering method or a vapor deposition method is suitable.

本発明によれば、無機材料を含み、薄く、かつ均質であり、無機材料の機能を発揮しつつ、十分な撥水性も有する撥水性薄膜を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a water repellent thin film that contains an inorganic material, is thin and homogeneous, and exhibits sufficient water repellency while exhibiting the function of the inorganic material.

例えば、本発明の撥水性薄膜が、無機材料として光触媒を含有する場合、紫外線照射下においても撥水性薄膜の高い撥水性が維持される。よって、撥水性薄膜と水が共存する場合であっても、光触媒は有機物の分解に対する高い活性を示す。撥水性薄膜は、薄く形成することが可能であり、微細部品の表面にも形成することが可能である。   For example, when the water repellent thin film of the present invention contains a photocatalyst as an inorganic material, the high water repellency of the water repellent thin film is maintained even under ultraviolet irradiation. Therefore, even when the water repellent thin film and water coexist, the photocatalyst exhibits high activity for the decomposition of organic substances. The water repellent thin film can be formed thin and can also be formed on the surface of a fine part.

本発明の新規な特徴を添付の請求の範囲に記述するが、本発明は、構成および内容の両方に関し、本願の他の目的および特徴と併せ、図面を照合した以下の詳細な説明によりさらによく理解されるであろう。   While the novel features of the invention are set forth in the appended claims, the invention will be better understood by reference to the following detailed description, taken in conjunction with the other objects and features of the present application, both in terms of construction and content. Will be understood.

実施例1に係る水熱処理を行う前のチタン基板の表面の電子顕微鏡写真である。2 is an electron micrograph of the surface of a titanium substrate before performing a hydrothermal treatment according to Example 1. FIG. 水熱処理により三次元微細構造が形成された同基板の粗表面の電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph of the rough surface of the substrate on which a three-dimensional microstructure is formed by hydrothermal treatment. チタン基板の三次元微細構造を有する粗表面に形成された実施例1のポリテトラフルオロエチレンと酸化チタンとの複合材料からなる撥水性薄膜の電子顕微鏡写真である。2 is an electron micrograph of a water-repellent thin film made of a composite material of polytetrafluoroethylene and titanium oxide of Example 1 formed on a rough surface having a three-dimensional microstructure of a titanium substrate. 紫外線照射の前後における実施例1の撥水性薄膜上の水滴の状態を示す図である。It is a figure which shows the state of the water droplet on the water-repellent thin film of Example 1 before and after ultraviolet irradiation. チタン基板の三次元微細構造を有する粗表面に形成された比較例1の酸化チタンからなる薄膜の電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph of the thin film which consists of a titanium oxide of the comparative example 1 formed in the rough surface which has a three-dimensional microstructure of a titanium substrate. 紫外線照射の前後における比較例1の薄膜上の水滴の状態を示す図である。It is a figure which shows the state of the water droplet on the thin film of the comparative example 1 before and behind ultraviolet irradiation. チタン基板の三次元微細構造を有する粗表面に形成された比較例2のポリテトラフルオロエチレンからなる撥水性薄膜の電子顕微鏡写真である。4 is an electron micrograph of a water-repellent thin film made of polytetrafluoroethylene of Comparative Example 2 formed on a rough surface having a three-dimensional microstructure of a titanium substrate. 紫外線照射の前後における比較例2の撥水性薄膜上の水滴の状態を示す図である。It is a figure which shows the state of the water droplet on the water-repellent thin film of the comparative example 2 before and behind ultraviolet irradiation. 実施例1および比較例2の撥水性薄膜を用いて、メチレンブルーの分解反応を行った場合の、メチレンブルーに由来する波長664nmの光の吸光度の経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the light absorbency of the light of wavelength 664nm derived from a methylene blue at the time of performing the decomposition reaction of a methylene blue using the water-repellent thin film of Example 1 and the comparative example 2. 水銀ランプSHL−100UVQ−2の放射スペクトルの分光エネルギー分布を示す図である。It is a figure which shows the spectral energy distribution of the radiation spectrum of mercury lamp SHL-100UVQ-2. 実施例1で用いたPTFE−酸化チタンの複合ターゲットの外観を示す説明図である。2 is an explanatory view showing an appearance of a PTFE-titanium oxide composite target used in Example 1. FIG. 別のPTFE−酸化チタンの複合ターゲットの外観を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the external appearance of another composite target of PTFE-titanium oxide. 石英基板の表面に形成されたポリテトラフルオロエチレンと酸化チタンとの複合材料からなる撥水性薄膜の電子顕微鏡写真である。4 is an electron micrograph of a water-repellent thin film made of a composite material of polytetrafluoroethylene and titanium oxide formed on the surface of a quartz substrate. 実施例1と同様に作製された別の撥水性薄膜の電子顕微鏡写真である。2 is an electron micrograph of another water-repellent thin film produced in the same manner as in Example 1.

[撥水性薄膜]
本発明の撥水性薄膜は、複合化された撥水性材料と無機材料とを含む薄膜である。撥水性薄膜は、様々な基材の表面に担持された状態で提供されるものである。撥水性薄膜とは、通常、複合化された撥水性材料と無機材料からなる部分を意味し、基材自体は、撥水性薄膜には含まれない。
[Water repellent thin film]
The water-repellent thin film of the present invention is a thin film containing a composite water-repellent material and an inorganic material. The water-repellent thin film is provided in a state of being supported on the surface of various substrates. The water-repellent thin film usually means a part composed of a composite water-repellent material and an inorganic material, and the base material itself is not included in the water-repellent thin film.

ただし、基材表面が粗化されている場合には、基材表層部が撥水性薄膜に包含されると考えることもできる。例えば、撥水性薄膜が凹凸または三次元微細構造を有する基材表面に形成されるとき、撥水性薄膜は、基材表層部と協働して、超撥水性を発現し得る。このような場合、機能的にも構造的にも基材表層部が撥水性薄膜の一部を構成しているといえるため、基材表層部を撥水性薄膜に含めることが合理的である。   However, when the base material surface is roughened, it can be considered that the base material surface layer portion is included in the water-repellent thin film. For example, when the water repellent thin film is formed on the surface of a substrate having irregularities or a three-dimensional microstructure, the water repellent thin film can exhibit super water repellency in cooperation with the substrate surface layer portion. In such a case, it can be said that the substrate surface layer part constitutes a part of the water-repellent thin film functionally and structurally, and therefore it is reasonable to include the substrate surface layer part in the water-repellent thin film.

撥水性薄膜は、撥水性材料と無機材料との堆積膜として形成することができる。例えば、撥水性材料と無機材料とを同時に基材表面に堆積させることにより、撥水性材料と無機材料との複合化を容易に達成できる。   The water repellent thin film can be formed as a deposited film of a water repellent material and an inorganic material. For example, by simultaneously depositing the water repellent material and the inorganic material on the surface of the base material, the composite of the water repellent material and the inorganic material can be easily achieved.

撥水性薄膜に含まれる撥水性材料と無機材料との合計に占める、無機材料の含有量は、無機材料の分散性を高めるとともに、無機材料の機能を十分に発揮させる観点から、例えば、5〜75質量%が好ましく、5〜50質量%がより好ましい。   The content of the inorganic material in the total of the water-repellent material and the inorganic material contained in the water-repellent thin film is, for example, from the viewpoint of enhancing the dispersibility of the inorganic material and fully exhibiting the function of the inorganic material. 75 mass% is preferable and 5-50 mass% is more preferable.

撥水性薄膜としては、撥水性材料と無機材料との複合材料の微小粒子が島状に点在するような疎な薄膜から、撥水性材料と無機材料とが緻密に充填されている薄膜まで、様々な薄膜が形成され得る。また、いずれの場合にも、第1領域と第2領域とが互いに接触した状態が形成され得る。   As a water repellent thin film, from a sparse thin film in which fine particles of a composite material of a water repellent material and an inorganic material are scattered in an island shape, to a thin film in which a water repellent material and an inorganic material are densely packed, Various thin films can be formed. In any case, a state in which the first region and the second region are in contact with each other can be formed.

[撥水性表面]
複合化された撥水性材料と無機材料とを含む撥水性薄膜は、撥水性材料が露出する第1領域と、無機材料が露出する第2領域とが、混在して分布する撥水性表面を有する。撥水性表面は、薄膜の基材表面と接触する側の表面ではなく、外気、有機物等に暴露される表面である。無機材料に由来する様々な機能(例えば光触媒による有機物を分解する機能)を発現するためには、撥水性表面に無機材料が露出していることが必須となる。
[Water repellent surface]
A water-repellent thin film including a composite water-repellent material and an inorganic material has a water-repellent surface in which a first region where the water-repellent material is exposed and a second region where the inorganic material is exposed are mixedly distributed. . The water repellent surface is not the surface of the thin film that comes into contact with the substrate surface, but the surface that is exposed to the outside air, organic matter, and the like. In order to develop various functions derived from inorganic materials (for example, a function of decomposing organic substances by a photocatalyst), it is essential that the inorganic material is exposed on the water-repellent surface.

第1領域および第2領域は、それぞれ、撥水性表面の全体に平均的に分布していることが望ましい。特に、第1領域と第2領域とが、それぞれ点在するように、撥水性表面の全体に平均的に分布している状態(換言すれば、撥水性表面に第1領域と第2領域が斑に配置されている状態)が望ましい。   Each of the first region and the second region is desirably distributed on the whole water-repellent surface on average. In particular, the first region and the second region are distributed in an average manner over the entire water-repellent surface so that the first region and the second region are scattered (in other words, the first region and the second region are formed on the water-repellent surface. It is desirable to be placed on the plaque.

例えば、薄膜が、微視的に見ると、島状に点在する微小粒子で形成されている場合、各微小粒子は、撥水性材料と無機材料との複合材料により形成されている。この場合、各微小粒子の表面において、第1領域と第2領域とが混在するように分布していることが好ましい。なお、微小粒子同士は、互いに接触していてもよいが、互いに離間していてもよい。微小粒子の平均的な大きさは、例えば、10nm以上、1μm以下であり、100nm以上、1μm以下が好ましい。従って、第1領域と第2領域とはナノレベルで混在していることが好ましい。微小粒子の平均的な大きさは、電子顕微鏡(SEM)により観測される任意の10個の微小粒子の最大径の平均値として求めればよい。   For example, when the thin film is microscopically formed, the microparticles are formed of a composite material of a water repellent material and an inorganic material. In this case, it is preferable that the first region and the second region are distributed so as to be mixed on the surface of each fine particle. The fine particles may be in contact with each other or may be separated from each other. The average size of the fine particles is, for example, 10 nm or more and 1 μm or less, and preferably 100 nm or more and 1 μm or less. Therefore, it is preferable that the first region and the second region are mixed at the nano level. What is necessary is just to obtain | require the average magnitude | size of a microparticle as an average value of the largest diameter of the arbitrary 10 microparticles observed with an electron microscope (SEM).

無機材料に比べて撥水性材料が薄膜に多く含まれている場合には、第2領域が、撥水性表面の全体に点在するように、平均的に分布していてもよい。また、撥水性材料に比べて無機材料が薄膜に多く含まれている場合には、第1領域が、撥水性表面の全体に点在するように、平均的に分布していてもよい。   When the water-repellent material is more contained in the thin film than the inorganic material, the second regions may be averagely distributed so as to be scattered over the entire water-repellent surface. Further, when the inorganic film is more contained in the thin film than the water repellent material, the first region may be distributed on average so as to be scattered over the entire water repellent surface.

撥水性表面における第1領域および第2領域の分散性のレベルは、例えば、EDSにより撥水性表面の元素マップを測定した場合、第1領域と第2領域との区別が付かない程度のレベルであることが望ましい。   The level of dispersibility of the first region and the second region on the water repellent surface is such that, for example, when the element map of the water repellent surface is measured by EDS, the first region and the second region cannot be distinguished. It is desirable to be.

EDSによる測定範囲は、2μm四方とすればよい。EDSの特性X線は1μm以下であり、ミクロサイズの領域の分析が限界となる。一方、第1領域と第2領域とがナノレベルで混在する状態はEDSでも確認できる。各領域はEDSの分解能以下のサイズであるため、薄膜のどこの部分を分析しても撥水性材料と無機材料の両方の存在が確認される。   The measurement range by EDS may be 2 μm square. The characteristic X-ray of EDS is 1 μm or less, and the analysis of the micro-size region becomes the limit. On the other hand, the state where the first region and the second region are mixed at the nano level can also be confirmed by EDS. Since each region has a size equal to or less than the resolution of EDS, the presence of both the water-repellent material and the inorganic material can be confirmed by analyzing any part of the thin film.

撥水性を向上させる観点から、撥水性表面は、凹凸または三次元微細構造を有することが好ましい。撥水性表面の中心線平均粗さ(Ra)は、例えば1μm以上、10μm以下であることが好ましい。なお、三次元微細構造には、例えば多孔質構造が包含される。   From the viewpoint of improving water repellency, the water repellent surface preferably has irregularities or a three-dimensional microstructure. The centerline average roughness (Ra) of the water repellent surface is preferably, for example, 1 μm or more and 10 μm or less. The three-dimensional microstructure includes a porous structure, for example.

[中心線平均粗さ]
中心線平均粗さ(Ra)は、JIS B0601(1994)に規定されている算術平均粗さであり、粗さ曲線を長さLの中心線から折り返し、その粗さ曲線と中心線によって得られた面積を、中心線の長さLで割った値である。Raは、AFM(原子間力顕微鏡)を用いて測定することもできる。AFMによる測定範囲は50μm四方とすればよい。
[Center line average roughness]
The center line average roughness (Ra) is an arithmetic average roughness defined in JIS B0601 (1994). The roughness curve is folded from the center line of the length L, and is obtained by the roughness curve and the center line. The area obtained by dividing the area by the length L of the center line. Ra can also be measured using an AFM (atomic force microscope). The measurement range by AFM may be 50 μm square.

[基材]
撥水性薄膜は、様々な部材(基材)の表面に形成される。撥水性薄膜の撥水性を向上させる観点から、撥水性薄膜を担持する基材表面は、凹凸または三次元微細構造を有する粗表面とすることが好ましい。粗表面の中心線平均粗さ(Ra)は、1μm以上、10μm以下であることが好ましく、超撥水性を発現させる観点からは、より大きい方が好ましい。撥水性表面の表面状態は、基材の粗表面の状態により制御することができる。ただし、撥水性表面の表面状態は、撥水性材料と無機材料からなる複合材料の厚さや、複合材料の形成方法などによっても制御することができる。
[Base material]
The water repellent thin film is formed on the surface of various members (base materials). From the viewpoint of improving the water repellency of the water-repellent thin film, the surface of the substrate carrying the water-repellent thin film is preferably a rough surface having irregularities or a three-dimensional microstructure. The center line average roughness (Ra) of the rough surface is preferably 1 μm or more and 10 μm or less, and is preferably larger from the viewpoint of developing super water repellency. The surface state of the water repellent surface can be controlled by the state of the rough surface of the substrate. However, the surface state of the water-repellent surface can also be controlled by the thickness of the composite material composed of the water-repellent material and the inorganic material, the formation method of the composite material, and the like.

基材の粗表面の凹凸や三次元微細構造は、基材表面に物理的加工を施すことにより形成してもよく、基材表面にエッチング、水熱処理などの化学的処理を施すことにより形成してもよい。ただし、基材自体が本来的に凹凸や三次元微細構造を有している場合には、物理的加工や化学的処理は必ずしも必要ではない。   Roughness and three-dimensional microstructure on the rough surface of the base material may be formed by subjecting the base material surface to physical processing, or by subjecting the base material surface to chemical treatment such as etching or hydrothermal treatment. May be. However, physical processing and chemical treatment are not necessarily required when the substrate itself has an unevenness or a three-dimensional microstructure.

凹凸や三次元微細構造は、規則的なパターンで形成されていてもよく、不規則に形成されていてもよい。三次元微細構造は、多孔質構造であってもよい。例えば、金属、セラミックスなどの基材表面に、酸性またはアルカリ性の薬剤を接触させて化学的処理を施すことにより、基材表層部に多孔質構造を形成することができる。このような多孔質構造は、網目構造を有する繊維状物質で形成されていてもよい。   The unevenness and the three-dimensional fine structure may be formed in a regular pattern or irregularly. The three-dimensional microstructure may be a porous structure. For example, a porous structure can be formed on the surface layer of the base material by subjecting the surface of the base material such as metal or ceramic to a chemical treatment by bringing an acidic or alkaline chemical into contact therewith. Such a porous structure may be formed of a fibrous material having a network structure.

[撥水性部材]
本発明の撥水性部材は、基材と、その基材の少なくとも一部を被覆するように形成された上記撥水性薄膜とを含むものであれば、特に限定されない。基材は、撥水性が要求される材料であれば特に限定されない。基材の材質は、例えば、プラスチック、金属、セラミックス、ガラス、木材、パルプなどでもよい。基材の形状や用途は特に限定されない。
[Water repellent member]
The water-repellent member of the present invention is not particularly limited as long as it includes a base material and the water-repellent thin film formed so as to cover at least a part of the base material. The substrate is not particularly limited as long as it is a material that requires water repellency. The material of the substrate may be, for example, plastic, metal, ceramics, glass, wood, pulp or the like. The shape and application of the substrate are not particularly limited.

[第1領域]
撥水性表面には、撥水性材料が露出する第1領域が分布している。第1領域は、撥水性表面の表面エネルギーを低減させる作用を有する。第1領域が撥水性表面の全体に分布することにより、撥水性表面全体の表面エネルギーが低減し、撥水性表面全体に撥水性が付与される。
[First area]
A first region where the water-repellent material is exposed is distributed on the water-repellent surface. The first region has an action of reducing the surface energy of the water repellent surface. By distributing the first region over the entire water-repellent surface, the surface energy of the entire water-repellent surface is reduced, and water repellency is imparted to the entire water-repellent surface.

[第2領域]
撥水性表面には、無機材料が露出する第2領域が、第1領域と混在するように分布している。混在の態様は、撥水性表面に水滴が付着しても、水滴が、無機材料が露出する第2領域の影響を受けにくく、撥水性材料による表面エネルギーの低減効果が阻害されにくいような態様であることが望ましい。すなわち、無機材料が露出する第2領域には、水滴が付着しないことが望ましい。
[Second area]
On the water repellent surface, the second region where the inorganic material is exposed is distributed so as to be mixed with the first region. The mixed mode is a mode in which even if water droplets adhere to the water-repellent surface, the water droplets are not easily affected by the second region where the inorganic material is exposed, and the surface energy reduction effect by the water-repellent material is not easily inhibited. It is desirable to be. That is, it is desirable that water droplets do not adhere to the second region where the inorganic material is exposed.

無機材料の機能を高める観点から、撥水性表面には、均一かつ満遍なく、無機材料が露出する第1領域が存在している必要がある。仮に、撥水性表面の一部に無機材料が偏在していると、無機材料が偏在する領域には、撥水性材料による表面エネルギーの低減効果がほとんど及ばず、無機材料が偏在する領域に水滴が付着しやすくなる。その結果、無機材料の機能が阻害される。   From the viewpoint of enhancing the function of the inorganic material, the water repellent surface needs to have a first region where the inorganic material is exposed uniformly and evenly. If an inorganic material is unevenly distributed on a part of the water-repellent surface, the region where the inorganic material is unevenly distributed has little effect of reducing the surface energy by the water-repellent material, and water droplets are present in the region where the inorganic material is unevenly distributed. It becomes easy to adhere. As a result, the function of the inorganic material is hindered.

無機材料が露出する第2領域が第1領域に点在している場合、無機材料が露出する第2領域の個々の大きさは、例えば1μm以下であることが好ましく、500nm以下であることがより好ましく、100nm以下であることが更に好ましい。また、大きさの下限は、例えば1nm以上であることが好ましく、10nm以上や、30nm以上であってもよい。   When the second region where the inorganic material is exposed is scattered in the first region, the individual size of the second region where the inorganic material is exposed is, for example, preferably 1 μm or less, and preferably 500 nm or less. More preferably, it is 100 nm or less. Further, the lower limit of the size is preferably, for example, 1 nm or more, and may be 10 nm or more, or 30 nm or more.

撥水性材料が露出する第1領域が第2領域に点在している場合、撥水性材料が露出する第1領域の個々の大きさは、例えば1μm以下であることが好ましく、500nm以下であることがより好ましく、100nm以下であることが更に好ましい。また、大きさの下限は、例えば1nm以上であることが好ましく、10nm以上や、50nm以上であってもよい。なお、第1領域が狭いピッチで連続的に第2領域内に点在することにより、撥水性材料による表面エネルギーの低減効果が発揮され、無機材料が露出する第2領域にも水滴が付着しにくくなると考えられる。   When the first regions where the water repellent material is exposed are scattered in the second region, the individual sizes of the first regions where the water repellent material is exposed are preferably 1 μm or less, for example, 500 nm or less. It is more preferable that the thickness is 100 nm or less. Further, the lower limit of the size is preferably, for example, 1 nm or more, and may be 10 nm or more, or 50 nm or more. It should be noted that the first region is continuously scattered in the second region at a narrow pitch, so that the effect of reducing the surface energy by the water repellent material is exhibited, and water droplets adhere to the second region where the inorganic material is exposed. It will be difficult.

第1領域および第2領域の個々の大きさの測定は困難であるが、電子顕微鏡や高分解能のEDSにより、薄膜の表面を観測することにより予測可能である。第1領域と第2領域とは、顕微鏡写真やEDS像の色調等により区別可能である。例えば、測定対象となる領域を内包する円を描き、10個の円の直径の平均値を求めることで、各領域の大きさの平均値を得ればよい。測定は3視野で行い、30個の円の直径の平均値を取得すればよい。   Although it is difficult to measure the size of each of the first region and the second region, it can be predicted by observing the surface of the thin film with an electron microscope or a high-resolution EDS. The first region and the second region can be distinguished from each other by a photomicrograph, a color tone of an EDS image, or the like. For example, an average value of the sizes of the respective regions may be obtained by drawing a circle containing the region to be measured and calculating an average value of the diameters of the ten circles. Measurement is performed in three fields of view, and an average value of the diameters of 30 circles may be obtained.

無機材料の機能を十分に発揮させるとともに、十分な撥水性を確保する観点から、第1表面の500nm四方の領域においても、第1領域と第2領域とが斑に配置された状態が好ましい。例えば、上記500nm四方の領域内に、第1領域と第2領域とが、それぞれ複数個所、好ましくはそれぞれ3箇所以上存在することが望ましいと考えられる。また、第1領域と第2領域とが斑に配置された状態において、隣接する第1領域と第2領域との中心間距離は、例えば10nm〜400nm程度であると考えられる。ここで、中心間距離とは、各領域を内包する円の中心間距離である。隣接する第1領域を内包する円と第2領域を内包する円は互いに重なっていてもよい。   From the viewpoint of sufficiently exerting the function of the inorganic material and ensuring sufficient water repellency, it is preferable that the first region and the second region are arranged in spots in the 500 nm square region of the first surface. For example, it may be desirable that there are a plurality of first regions and a plurality of second regions, preferably three or more each, in the 500 nm square region. In addition, in the state where the first region and the second region are arranged in spots, the center-to-center distance between the adjacent first region and second region is considered to be about 10 nm to 400 nm, for example. Here, the center-to-center distance is a center-to-center distance of a circle that includes each region. The circle containing the adjacent first region and the circle containing the second region may overlap each other.

[堆積膜]
堆積膜とは、気相法により形成され得る膜であり、気相中に発生させたナノ粒子を、基材表面に堆積させることにより形成される。不純物が少なく、強固な堆積膜を形成する観点から、薄膜を形成するための気相雰囲気は、減圧雰囲気であることが望ましく、真空に近いことが望ましい。ただし、薄膜の原料となるナノ粒子の他に、アルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガスを気相中に存在させてもよい。
[Deposited film]
The deposited film is a film that can be formed by a vapor phase method, and is formed by depositing nanoparticles generated in the vapor phase on the substrate surface. From the viewpoint of forming a strong deposited film with few impurities, the vapor phase atmosphere for forming the thin film is preferably a reduced pressure atmosphere, and is preferably close to a vacuum. However, an inert gas such as argon, helium or nitrogen may be present in the gas phase in addition to the nanoparticles used as the raw material for the thin film.

気相中に発生させた撥水性材料と無機材料のナノ粒子(クラスター、原子、分子、イオン、ラジカルなど)を、基材表面に同時に堆積させることにより、複合化された撥水性材料と無機材料との堆積膜を形成することができる。堆積膜は、微視的に見ると、微小な撥水性材料の粒子(以下、撥水性微粒子)と、微小な無機材料の粒子(無機微粒子)とで構成されていると考えられる。すなわち、撥水性材料と無機材料の他の成分をほとんど含まない(不純物の含有量は、通常0.05質量%以下である)。また、第1領域または第2領域のサイズが小さく、かつ撥水性微粒子と無機微粒子とが緻密に充填されている。このような膜構造は、本発明の撥水性薄膜に特有の構造であり、従来のコーティング組成物を用いて形成される撥水性薄膜では見られない構造である。   Water-repellent material and inorganic material nanoparticles (clusters, atoms, molecules, ions, radicals, etc.) generated in the gas phase are deposited on the substrate surface at the same time, resulting in a composite water-repellent material and inorganic material. And a deposited film can be formed. Microscopically, the deposited film is considered to be composed of fine water-repellent material particles (hereinafter, water-repellent fine particles) and fine inorganic material particles (inorganic fine particles). That is, it hardly contains other components of the water repellent material and the inorganic material (impurity content is usually 0.05% by mass or less). Further, the size of the first region or the second region is small, and the water-repellent fine particles and the inorganic fine particles are densely filled. Such a film structure is a structure peculiar to the water-repellent thin film of the present invention, and is a structure that is not found in a water-repellent thin film formed using a conventional coating composition.

気相法により形成される堆積膜は、撥水性微粒子同士が凝集して互いに結合している領域と、無機微粒子同士が凝集して互いに結合している領域と、撥水性微粒子と無機微粒子とが互いに結合している領域とを含んでいると考えられる。このように、堆積膜には、撥水性材料と無機材料とが(例えば複合材料の微小粒子内においても)緻密に充填されているため、第1領域と第2領域とが互いに接触した状態となっている。その結果、無機材料は撥水性材料により固定化(immobilized)された状態となっているため、無機材料の脱落が起りにくい。   The deposited film formed by the vapor phase method includes a region in which water-repellent fine particles are aggregated and bonded to each other, a region in which inorganic fine particles are aggregated and bonded to each other, and water-repellent fine particles and inorganic fine particles. It is thought that it contains the area | region mutually couple | bonded. Thus, since the deposited film is densely filled with the water-repellent material and the inorganic material (for example, even in the fine particles of the composite material), the first region and the second region are in contact with each other. It has become. As a result, the inorganic material is immobilized by the water-repellent material (immobilized), so that the inorganic material is unlikely to drop off.

[薄膜の厚さ]
薄膜の厚さ(撥水性材料と無機材料との複合材料からなる部分の厚さ)は、撥水性薄膜の強度、材料コストなどを考慮すると、例えば10nm以上、3μm以下であることが好ましい。ここで、微細部品のように、極めて薄い薄膜が要求される基材に撥水性薄膜を形成する場合には、堆積膜が適している。気相法により形成され得る堆積膜は、厚さを制御することが比較液容易である。堆積膜の厚さは、基材表面に付着させる微小粒子の量を成膜時間により調整することで制御できる。堆積膜は緻密な構造を有することから、薄くても強度が高く、自動車のフロントガラスなどの用途に最適である。
[Thin film thickness]
The thickness of the thin film (thickness of the portion made of the composite material of the water repellent material and the inorganic material) is preferably 10 nm or more and 3 μm or less, for example, considering the strength, material cost, etc. Here, when forming a water-repellent thin film on a substrate that requires a very thin thin film, such as a fine part, a deposited film is suitable. It is easy to control the thickness of the deposited film that can be formed by the vapor phase method. The thickness of the deposited film can be controlled by adjusting the amount of fine particles attached to the substrate surface according to the film formation time. Since the deposited film has a dense structure, it has a high strength even when it is thin, and is optimal for applications such as an automobile windshield.

気相法により形成される堆積膜の厚さは、微細部品の機能や外観を損なわないようにする観点からは、やはり薄い方が好ましく、例えば600nm以下が好ましく、300nm以下が特に好ましい。一方、耐衝撃性や耐候性を確保する観点からは、50nm以上であることが好ましく、100nm以上であることが更に好ましい。   The thickness of the deposited film formed by the vapor phase method is preferably thinner from the viewpoint of not impairing the function and appearance of the fine component, for example, preferably 600 nm or less, and particularly preferably 300 nm or less. On the other hand, from the viewpoint of securing impact resistance and weather resistance, it is preferably 50 nm or more, and more preferably 100 nm or more.

[薄膜の空隙率]
薄膜の空隙率は、成膜方法により依存するところが大きいが、比較的厚さの大きい堆積膜の場合は、緻密な構造を有することから、空隙率が小さくなる。ここで、空隙率とは、薄膜(撥水性材料と無機材料との複合材料からなる部分)の内部に形成され得るボイドなどの空隙の、薄膜の見かけ体積に対する割合である。
[Porosity of thin film]
The porosity of the thin film largely depends on the film formation method, but in the case of a deposited film having a relatively large thickness, the porosity is small because of the dense structure. Here, the porosity is a ratio of voids such as voids that can be formed inside a thin film (a portion made of a composite material of a water repellent material and an inorganic material) to the apparent volume of the thin film.

空隙率は、薄膜が島状に点在する微小粒子で形成されている場合には測定できないが、緻密な膜である場合には、以下の二次元的な方法により測定できる。
まず、薄膜を厚さ方向に切断して断面を形成し、断面を研磨とクロスポリッシャにより処理する。その後、処理された断面を、走査型イオン顕微鏡(SIM)により観察し、断面像(断面SIM像)を取得する。空隙率は、断面SIM像のコントラストを利用して、画像ソフト(ImageJ)を用いて求めることができる。断面SIM像を2値化して分布図を取得すると、空隙部分は黒色領域として表示される。薄膜の断面積に対する黒色領域の面積の割合を、画像ソフトを用いて計算すれば空隙率が得られる。
The porosity cannot be measured when the thin film is formed of fine particles scattered in islands, but can be measured by the following two-dimensional method when the film is a dense film.
First, a thin film is cut | disconnected in the thickness direction, a cross section is formed, and a cross section is processed by grinding | polishing and a cross polisher. Thereafter, the processed cross-section is observed with a scanning ion microscope (SIM) to obtain a cross-sectional image (cross-sectional SIM image). The porosity can be determined using image software (ImageJ) using the contrast of the cross-sectional SIM image. When the cross-section SIM image is binarized and a distribution map is acquired, the void portion is displayed as a black region. If the ratio of the area of the black region to the cross-sectional area of the thin film is calculated using image software, the porosity can be obtained.

[超撥水性]
撥水性薄膜の撥水性は、水と撥水性表面との接触角で評価される静的撥水性で表される。接触角が大きいほど、撥水性薄膜は静的撥水性に優れている。Raを上記の好ましい範囲に制御することにより、撥水性薄膜の撥水性表面の水との接触角を130度以上、さらには150度以上に制御することが可能である。固体表面における水との接触角が150度以上になる性質は「超撥水性」と称される。
[Super water repellency]
The water repellency of the water repellent thin film is expressed by static water repellency evaluated by the contact angle between water and the water repellent surface. The larger the contact angle, the better the water-repellent thin film has a static water repellency. By controlling Ra within the above preferred range, it is possible to control the contact angle of the water-repellent surface of the water-repellent thin film with water to 130 ° or more, and further to 150 ° or more. The property that the contact angle with water on the solid surface is 150 degrees or more is called “super water repellency”.

超撥水性を示す固体表面は、防水に加え、水滴の付着の抑制による防曇効果などの特徴的な機能を示す。そのため、近年、超撥水性を付与した機能性材料の設計および開発が盛んに行われている。超撥水性を示す固体表面の構築には、表面における微細構造の導入と表面エネルギーの低下が重要である。   The solid surface exhibiting super water repellency exhibits characteristic functions such as anti-fogging effect by suppressing adhesion of water droplets in addition to waterproofing. For this reason, in recent years, functional materials having super water repellency have been actively designed and developed. For the construction of a solid surface exhibiting super water repellency, it is important to introduce a fine structure on the surface and to reduce the surface energy.

撥水性材料と複合化される無機材料の中には、酸化チタンのように、紫外線などの光照射下では、高い親水性を示すものがある。このような無機材料であっても、撥水性材料と複合化された薄膜とすることによって、光照射下での親水化を防ぐことが可能である。具体的には、本発明によれば、撥水性表面と水との接触角が、紫外線照射下であっても、130度以上、さらには150度以上である撥水性薄膜を得ることができる。ここで、紫外線とは、波長10〜400nmの電磁波を指す。酸化チタンに限らず、紫外線の照射により親水性が高くなり、疎水性が低くなる無機材料であれば同様の効果が得られる。   Some inorganic materials that are combined with a water-repellent material, such as titanium oxide, exhibit high hydrophilicity under irradiation with light such as ultraviolet rays. Even such an inorganic material can be made hydrophilic under light irradiation by forming a thin film combined with a water-repellent material. Specifically, according to the present invention, it is possible to obtain a water-repellent thin film having a contact angle between a water-repellent surface and water of 130 degrees or more, and even 150 degrees or more even under ultraviolet irradiation. Here, ultraviolet rays refer to electromagnetic waves having a wavelength of 10 to 400 nm. The same effect can be obtained as long as the inorganic material is not limited to titanium oxide but becomes hydrophilic and becomes less hydrophobic when irradiated with ultraviolet rays.

本発明の撥水性薄膜の場合、紫外線非照射下での接触角をθ1、紫外線照射下での接触角をθ2とするとき、100×(θ1−θ2)/θ1で表される接触角の変動量を、例えば10%以下に制御することが可能であり、5%以下に制御することも可能である。   In the case of the water-repellent thin film of the present invention, when the contact angle under non-ultraviolet irradiation is θ1, and the contact angle under ultraviolet irradiation is θ2, the variation of the contact angle represented by 100 × (θ1−θ2) / θ1 For example, the amount can be controlled to 10% or less, and can be controlled to 5% or less.

なお、本発明において、水と撥水性表面との接触角は、露点25℃の空気中で測定された場合の値である。また、紫外線非照射下での接触角は、撥水性薄膜の撥水性表面に、蒸留水の水滴(1μL)を滴下し、10秒以内に測定される値である。一方、紫外線照射下における接触角は、撥水性表面への紫外線照射(水銀ランプ使用)を開始してから300分間後に、撥水性表面に蒸留水の水滴(1μL)を滴下し、10秒以内に測定される値である。紫外線の光量は、1000μW/cm2である。 In the present invention, the contact angle between water and the water repellent surface is a value measured in air having a dew point of 25 ° C. The contact angle under non-irradiation with ultraviolet rays is a value measured within 10 seconds when a water droplet (1 μL) of distilled water is dropped on the water repellent surface of the water repellent thin film. On the other hand, the contact angle under UV irradiation is within 10 seconds when water droplets (1 μL) of distilled water are dropped on the water repellent surface 300 minutes after the start of UV irradiation (using a mercury lamp) on the water repellent surface. The value to be measured. The amount of ultraviolet light is 1000 μW / cm 2 .

[無機材料]
撥水性材料と複合化することが望まれる機能性無機材料としては、例えば、触媒担体として機能する材料、光照射により有機物を酸化または還元する光触媒作用を有する材料、半導体の性質を有する材料等が挙げられる。このような材料としては、様々な無機酸化物、無機硫化物などが研究、開発され、用いられている。これらの材料は、イオン交換作用を有する材料や分子ふるい効果を有する材料として形成したり、イオン交換作用を有する材料や分子ふるい効果を有する材料と併用したりすることもできる。
[Inorganic materials]
Examples of the functional inorganic material desired to be combined with the water-repellent material include a material that functions as a catalyst carrier, a material that has a photocatalytic action that oxidizes or reduces an organic substance by light irradiation, and a material that has a semiconductor property. Can be mentioned. As such materials, various inorganic oxides and inorganic sulfides have been researched, developed and used. These materials can be formed as a material having an ion exchange action or a material having a molecular sieving effect, or can be used in combination with a material having an ion exchange action or a material having a molecular sieving effect.

イオン交換作用を有する材料や、分子ふるい効果を有する材料としては、例えば、ゼオライトが挙げられる。ゼオライトとしては、アルミノシリケートが代表的であるが、ケイ素およびアルミニウム以外の様々な金属元素(例えばチタン等の光触媒作用を発現させる金属)を、その骨格に導入することができる。例えば、チタノシリケートもしくはチタン含有アルミノシリケートなどを無機材料として用いてもよい。また、ゼオライトを含む薄膜を形成した後、様々な金属元素をイオン交換法、担持法などにより導入してもよい。   Examples of the material having an ion exchange effect and the material having a molecular sieving effect include zeolite. As the zeolite, aluminosilicate is typical, but various metal elements other than silicon and aluminum (for example, a metal that exhibits photocatalytic action such as titanium) can be introduced into the skeleton. For example, titanosilicate or titanium-containing aluminosilicate may be used as the inorganic material. Further, after forming a thin film containing zeolite, various metal elements may be introduced by an ion exchange method, a supporting method, or the like.

触媒担体として機能する材料としては、例えば、酸化ケイ素(シリカ)、メソポーラスシリカなどが挙げられる。また、メソポーラスシリカの骨格には、ケイ素以外の様々な金属元素(例えばチタン等の光触媒作用を発現させる金属)を導入することができ、所望の機能を有するメソポーラス材料を形成することができる。また、メソポーラスシリカもしくはメソポーラス材料を含む薄膜を形成した後、様々な金属元素を担持法などにより導入してもよい。   Examples of the material that functions as a catalyst carrier include silicon oxide (silica) and mesoporous silica. In addition, various metal elements other than silicon (for example, a metal that exhibits photocatalytic action such as titanium) can be introduced into the skeleton of mesoporous silica, and a mesoporous material having a desired function can be formed. Further, after forming a thin film containing mesoporous silica or mesoporous material, various metal elements may be introduced by a supporting method or the like.

光触媒作用を有する無機材料としては、酸化チタン、酸化タングステン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム、酸化ニオブ、硫化カドミウム、硫化亜鉛、チタノシリケート、チタン含有アルミノシリケートなどが挙げられる。これらは単独で用いてもよく、複数種を組み合わせて、または複合化して用いることもできる。   Examples of the inorganic material having a photocatalytic action include titanium oxide, tungsten oxide, zinc oxide, zirconium oxide, strontium titanate, niobium oxide, cadmium sulfide, zinc sulfide, titanosilicate, titanium-containing aluminosilicate, and the like. These may be used alone, or may be used in combination of two or more kinds.

また、光触媒作用を有する無機材料を、酸化ケイ素、酸化アルミニウムなどの光触媒作用を示さない材料のマトリックスに分散させた複合無機材料を用いてもよい。例えば、チタン原子とこれに4配位または6配位する酸素からなるチタン種を含む材料を用いることができる。また、アルミノシリケートと撥水性材料との複合材料からなる薄膜を形成した後、アルミノシリケート部分に、チタン、亜鉛、ジルコニアなどの金属元素を様々な手法で導入して、光触媒作用を持たせるようにしてもよい。   Moreover, you may use the composite inorganic material which disperse | distributed the inorganic material which has a photocatalytic action to the matrix of the material which does not show photocatalytic actions, such as a silicon oxide and aluminum oxide. For example, a material containing a titanium species including a titanium atom and oxygen that is tetracoordinated or hexacoordinated to the titanium atom can be used. In addition, after forming a thin film made of a composite material of aluminosilicate and water repellent material, metal elements such as titanium, zinc, zirconia, etc. are introduced into the aluminosilicate part by various methods so as to have photocatalytic action. May be.

半導体の性質を有する無機材料としては、酸化チタン、硫化カドミウム、チタン酸ストロンチウム、酸化ニオブ、硫化カドミウム、テルル化カドミウム、酸化スズ、酸化インジウムスズ(ITO)、硫化亜鉛などを含む材料が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、複数種を組み合わせて、または複合化して用いることもできる。   Examples of the inorganic material having semiconductor properties include materials containing titanium oxide, cadmium sulfide, strontium titanate, niobium oxide, cadmium sulfide, cadmium telluride, tin oxide, indium tin oxide (ITO), zinc sulfide, and the like. These may be used alone, or may be used in combination of two or more kinds.

上記の中でも、酸化チタンは元々半導体材料であるが、光触媒としても有望であり、実用化も進んでいる。酸化チタンは、例えばアナタース型やルチル型の結晶性酸化チタンでもよく、微結晶またはアモルファスの酸化チタンでもよい。結晶性酸化チタンは、有機物を酸化分解する能力が高い点で好ましいが、微結晶またはアモルファスの酸化チタンであっても、微粒子化された場合や高分散状態で他の材料に組み込まれた場合には、有機物に対する高い酸化分解活性を示すことが知られている。また、結晶性酸化チタンであっても、量子サイズ効果が得られる程度に微粒子化することで光触媒活性が高められる。   Among the above, titanium oxide is originally a semiconductor material, but it is also promising as a photocatalyst, and its practical application is progressing. The titanium oxide may be, for example, anatase type or rutile type crystalline titanium oxide, or may be microcrystalline or amorphous titanium oxide. Crystalline titanium oxide is preferable because it has a high ability to oxidize and decompose organic substances. However, even if it is microcrystalline or amorphous titanium oxide, it is fine when it is finely divided or incorporated into other materials in a highly dispersed state. Is known to exhibit high oxidative degradation activity on organic matter. Moreover, even if it is crystalline titanium oxide, photocatalytic activity is improved by making it microparticles | fine-particles to such an extent that a quantum size effect is acquired.

ただし、酸化チタンのような無機材料は、単独では、紫外線照射により、親水性を示す性質がある。有機物の多くは疎水性であるため、紫外線照射下では、無機材料と有機物との接触機会が減少する。一方、本発明の撥水性薄膜が、上記のような複合化された無機材料と撥水性材料とを含む薄膜により形成されている場合、紫外線照射下であっても、水との接触角を150度以上にまで高めることが可能である。   However, an inorganic material such as titanium oxide alone has a property of showing hydrophilicity when irradiated with ultraviolet rays. Since many organic substances are hydrophobic, the contact opportunities between inorganic materials and organic substances are reduced under ultraviolet irradiation. On the other hand, when the water-repellent thin film of the present invention is formed of a thin film containing a composite inorganic material and a water-repellent material as described above, the contact angle with water is 150 even under ultraviolet irradiation. It is possible to increase to more than a degree.

[光触媒作用]
本発明においては、下記条件でメチレンブルーの分解反応を10時間行ったときに、メチレンブルーの吸光度が反応前の50%以下になる場合には、無機材料(もしくは撥水性薄膜)が光触媒作用を有すると定義する。
<条件>
(i)試料溶液:メチレンブルー水溶液、10-5mol/L、1mL
(ii)触媒量:基材の片面に形成された10mm×10mmの撥水性薄膜
(iii)光量:1mW/cm2、水銀ランプ(250nm以上のUV光を放射)を使用
(iv)評価法:メチレンブルーに由来する波長664nmの光の吸光度の変化
[Photocatalysis]
In the present invention, when the methylene blue decomposition reaction is carried out for 10 hours under the following conditions and the methylene blue absorbance is 50% or less before the reaction, the inorganic material (or water repellent thin film) has a photocatalytic action. Define.
<Conditions>
(I) Sample solution: methylene blue aqueous solution, 10 −5 mol / L, 1 mL
(Ii) Catalyst amount: 10 mm × 10 mm water-repellent thin film formed on one side of the substrate (iii) Light quantity: 1 mW / cm 2 , using a mercury lamp (radiating UV light of 250 nm or more) (iv) Evaluation method: Change in absorbance of light having a wavelength of 664 nm derived from methylene blue

[セルフクリーニング効果]
撥水性材料による超撥水性と無機材料による光触媒作用とを組み合わせることにより、基材に有機物が付着しても、これを分解するとともに洗い流す機能、すなわちセルフクリーニング効果が得られる。超撥水性を有する薄膜には、水滴が付着しないため、撥水性薄膜が形成された材料に雨露が付着した場合には、水滴が光触媒作用により分解された有機物を巻き込んで滑落する。このような効果は、メンテナンスフリーな内装または外装用建材や自動車のフロントガラスなどへの実用化が期待できる。
[Self-cleaning effect]
By combining the super-water-repellent property by the water-repellent material and the photocatalytic action by the inorganic material, even if an organic substance adheres to the base material, a function of decomposing and washing it out, that is, a self-cleaning effect can be obtained. Since water droplets do not adhere to the super-water-repellent thin film, when rain dew adheres to the material on which the water-repellent thin film is formed, the water droplets entrain and slide down with organic substances decomposed by the photocatalytic action. Such an effect can be expected to be practically applied to maintenance-free interior or exterior building materials, automobile windshields, and the like.

[撥水性材料]
撥水性材料は、気相法により成膜できる材料であることが好ましいが、特に限定されない。例えば、フッ素樹脂、シリコーン樹脂などの撥水性樹脂材料、フッ化黒鉛などの撥水性炭素材料、ナノカーボン材料などが好ましい。これらは単独で用いることも、複数種を組み合わせて用いることもできる。これらのうちでは、強度の高い堆積膜が得られるという点で、撥水性樹脂材料が好ましく、フッ素樹脂が特に好ましい。なお、フッ素樹脂とは、フッ素を含むオレフィンを重合して得られる合成樹脂の総称である。
[Water repellent material]
The water repellent material is preferably a material that can be formed by a vapor phase method, but is not particularly limited. For example, water-repellent resin materials such as fluororesin and silicone resin, water-repellent carbon materials such as fluorinated graphite, and nanocarbon materials are preferable. These can be used alone or in combination of two or more. Among these, a water-repellent resin material is preferable and a fluororesin is particularly preferable in that a deposited film having high strength can be obtained. The fluororesin is a general term for synthetic resins obtained by polymerizing olefins containing fluorine.

フッ素樹脂の中でも、撥水性に優れ、成膜時に変性しにくい性質を有することから、−(CF2n−、ただしnは1以上の整数、またはCF3−で表される構造を有するフッ素樹脂が特に好ましい。このようなフッ素樹脂としては、例えば、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよびフッ化ビニリデンよりなる群から選択される少なくとも1種のモノマー単位を含むポリマー材料が挙げられる。例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリヘキサフルオロプロピレンなどが特に好ましい。 Among fluororesins, it has excellent water repellency and is difficult to be modified during film formation. Therefore, — (CF 2 ) n —, where n is an integer of 1 or more, or fluorine having a structure represented by CF 3 —. Resins are particularly preferred. Examples of such a fluororesin include a polymer material containing at least one monomer unit selected from the group consisting of tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, and vinylidene fluoride. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyhexafluoropropylene and the like are particularly preferable.

[撥水性薄膜の製造]
撥水性薄膜は、基材表面に、撥水性材料と無機材料とを、気相法により同時に堆積させることにより形成することができる。ここで、気相法としては、スパッタリング法、蒸着法、CVD法(Chemical vapor deposition)、イオンプレーティング法などが挙げられるが、スパッタリング法または蒸着法が好適である。以下では、複合化された撥水性材料と無機酸化物との堆積膜をスパッタリング法により形成する場合を例にとって説明する。
[Production of water-repellent thin film]
The water repellent thin film can be formed by simultaneously depositing a water repellent material and an inorganic material on the surface of the base material by a vapor phase method. Here, examples of the vapor phase method include a sputtering method, a vapor deposition method, a CVD method (Chemical vapor deposition), an ion plating method, and the like, but a sputtering method or a vapor deposition method is preferable. Hereinafter, a case where a deposited film of a composite water-repellent material and an inorganic oxide is formed by a sputtering method will be described as an example.

具体的には、まず、薄膜を形成するための表面を有する基材を準備する。基材表面には、三次元微細構造を形成しておくことにより、完成後の撥水性薄膜の撥水性を高め、超撥水性を発現させることが可能になる。   Specifically, first, a base material having a surface for forming a thin film is prepared. By forming a three-dimensional microstructure on the surface of the substrate, it becomes possible to enhance the water repellency of the completed water-repellent thin film and to exhibit super water repellency.

例えばTi、Zn、Al、Mg、これらの少なくとも1種を含む合金などの金属を基材として用いる場合には、金属の表面に、プレス加工を施したり、酸性またはアルカリ性溶液による化学的エッチングを施したりすることにより、粗化処理を施すことができる。化学的エッチングの手法は、特に限定されないが、例えば、加熱された水酸化ナトリウム水溶液中に金属基材を浸漬することにより、基材表層部を、網目状に発達した繊維状物質からなる多孔質構造に変化させることができる。   For example, when using a metal such as Ti, Zn, Al, Mg, or an alloy containing at least one of these as a base material, the metal surface is subjected to press working or chemical etching with an acidic or alkaline solution. The roughening process can be performed. The method of chemical etching is not particularly limited. For example, a porous material composed of a fibrous material in which the surface layer of the base material is developed into a network by immersing the metal base material in a heated sodium hydroxide aqueous solution. Can be changed to structure.

スパッタリング法としては、RFマグネトロンスパッタリングが好適である。スパッタリングは、例えば1×10-4Pa以下に減圧され、かつ不活性ガス(例えばアルゴン)が導入された処理空間(チャンバー)内で行うことが望ましい。処理空間内には、薄膜の原料となるターゲットと基材とを対向させて配置する。ターゲットの裏側には永久磁石が配置されている。基材とターゲットとの間に電圧を印加するとともに、永久磁石により磁界を発生させることで、不活性ガスのイオン化が促進され、イオンがターゲットに衝突して、薄膜の原料となる微小粒子が生成する。微小粒子は、印加された電圧の作用で基材表面に堆積する。 As the sputtering method, RF magnetron sputtering is suitable. Sputtering is desirably performed in a processing space (chamber) in which, for example, the pressure is reduced to 1 × 10 −4 Pa or less and an inert gas (for example, argon) is introduced. In the processing space, a target that is a raw material for the thin film and a base material are arranged to face each other. A permanent magnet is disposed on the back side of the target. By applying a voltage between the base material and the target and generating a magnetic field with a permanent magnet, the ionization of the inert gas is promoted, and the ions collide with the target to produce fine particles that are the raw material of the thin film. To do. The fine particles are deposited on the surface of the substrate by the action of an applied voltage.

このとき、ターゲットとして、撥水性材料(例えばPTFE)と無機材料(例えば酸化チタン)とを近接して設置することにより、両者を同時に基材表面に堆積させることができる。よって、均質な複合材料としての薄膜を形成することができる。撥水性材料のターゲットとしては、例えば、PTFEの場合、PTFE粒子を圧縮して成形されたペレットや、PTFEのシートを用いることができる。また、無機材料のターゲットとしては、例えば酸化チタンの場合、粉末酸化チタンを圧縮して成形されたペレットを用いることができる。撥水性材料と無機材料の両方を含む混合ターゲットを用いてもよい。混合ターゲットの形態としては、例えば4つ以上の円弧状領域に分割され、かつ中心角に沿って交互に撥水性材料と無機材料の円弧状領域が配置された円形ターゲットが挙げられる。ただし、ターゲットにおける撥水性材料の領域と無機材料の領域の配置の仕方は、特に限定されない。   At this time, by placing a water repellent material (for example, PTFE) and an inorganic material (for example, titanium oxide) close to each other as a target, both can be simultaneously deposited on the surface of the substrate. Therefore, a thin film as a homogeneous composite material can be formed. As a target of the water repellent material, for example, in the case of PTFE, pellets formed by compressing PTFE particles or a PTFE sheet can be used. As the inorganic material target, for example, in the case of titanium oxide, pellets formed by compressing powdered titanium oxide can be used. A mixed target containing both a water repellent material and an inorganic material may be used. As a form of the mixed target, for example, a circular target that is divided into four or more arc-shaped regions and in which arc-shaped regions of a water repellent material and an inorganic material are alternately arranged along a central angle can be mentioned. However, the arrangement of the water repellent material region and the inorganic material region in the target is not particularly limited.

また、酸化ケイ素と、酸化アルミニウムと、アルカリ金属またはアルカリ土類金属と、撥水性材料とを、同時に堆積させることで、アルミノシリケートと撥水性材料との複合材料を堆積させたり、酸化ケイ素と、酸化チタンと、アルカリ金属またはアルカリ土類金属と、撥水性材料とを、同時に堆積させることで、チタノシリケートと撥水性材料との複合材料を堆積させたりすることもできる。形成された薄膜に、その後、望ましい処理(例えば加熱)を施して、ゼオライト様の細孔構造の形成を促進させてもよい。   Further, by simultaneously depositing silicon oxide, aluminum oxide, alkali metal or alkaline earth metal, and water repellent material, a composite material of aluminosilicate and water repellent material is deposited, or silicon oxide, By simultaneously depositing titanium oxide, alkali metal or alkaline earth metal, and water repellent material, a composite material of titanosilicate and water repellent material can be deposited. The formed thin film may then be subjected to a desired treatment (eg, heating) to promote the formation of a zeolite-like pore structure.

RFマグネトロンスパッタリングを行う際の高周波出力は、特に限定されず、適正な成膜速度を実現する観点から調整すればよい。また、成膜中の基材の温度は室温から100℃程度に制御することが望ましい。厚さ50nm〜500nm程度の撥水性薄膜を形成する場合には、0.5〜3時間程度までで成膜を終えることが望ましい。   The high-frequency output when performing RF magnetron sputtering is not particularly limited, and may be adjusted from the viewpoint of realizing an appropriate film formation rate. Further, it is desirable to control the temperature of the substrate during film formation from room temperature to about 100 ° C. When forming a water-repellent thin film having a thickness of about 50 nm to 500 nm, it is desirable to finish the film formation in about 0.5 to 3 hours.

なお、基材表層部が、網目構造を有する繊維状物質で形成されている場合、撥水性材料を基材表面に堆積させると、複数本の繊維状物質が撥水性材料により巻き込まれる現象が起る。その結果、束ねられた複数本の繊維状物質と、これを被覆する撥水性薄膜からなる、より太い繊維状の複合部材が形成される。同様の現象は、撥水性材料と無機材料とを同時に堆積させる場合にも見られる。このような繊維状の複合部材においては、撥水性材料が複数本の繊維を巻き込んでいることから、薄膜と基材表面との結合力が高くなる。よって、強固な撥水性薄膜が形成される。   In the case where the substrate surface layer portion is formed of a fibrous material having a network structure, if a water repellent material is deposited on the surface of the substrate, a phenomenon in which a plurality of fibrous materials are caught by the water repellent material occurs. The As a result, a thicker fibrous composite member composed of a plurality of bundled fibrous substances and a water-repellent thin film covering them is formed. The same phenomenon can be seen when the water repellent material and the inorganic material are deposited simultaneously. In such a fibrous composite member, since the water-repellent material includes a plurality of fibers, the bonding force between the thin film and the substrate surface is increased. Therefore, a strong water-repellent thin film is formed.

以下、本発明を実施例に基づいて、より具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
《実施例1》
[基材の水熱処理]
基材となるチタン基板の表層部に、水熱処理により、三次元微細構造を形成した。具体的には、チタン基板を220℃の1Mの水酸化ナトリウム水溶液中に3時間浸漬し、続いて、0.6Mの塩酸水溶液に2時間浸漬し、その後、蒸留水とエタノールで洗浄した。次に、洗浄後のチタン基板を、500℃で30分間焼成することにより、チタン基板の表層部を、網目構造を有する繊維状物質からなる多孔質構造に変化させた。水熱処理を行う前のチタン基板の表面の電子顕微鏡写真を図1に示す。また、三次元微細構造が形成されたチタン基板の表面の電子顕微鏡写真を図2に示す。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example, this invention is not limited to an Example.
Example 1
[Hydrothermal treatment of substrate]
A three-dimensional microstructure was formed on the surface layer of the titanium substrate serving as the base material by hydrothermal treatment. Specifically, the titanium substrate was immersed in a 1M sodium hydroxide aqueous solution at 220 ° C. for 3 hours, followed by immersion in a 0.6M hydrochloric acid aqueous solution for 2 hours, and then washed with distilled water and ethanol. Next, the cleaned titanium substrate was baked at 500 ° C. for 30 minutes, whereby the surface layer portion of the titanium substrate was changed to a porous structure made of a fibrous material having a network structure. An electron micrograph of the surface of the titanium substrate before hydrothermal treatment is shown in FIG. An electron micrograph of the surface of the titanium substrate on which the three-dimensional microstructure is formed is shown in FIG.

[撥水性薄膜の成膜]
チタン基板の三次元微細構造が形成された表面に対して、RFマグネトロンスパッタリングにより、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)と酸化チタン(TiO2)を、下記条件で同時にスパッタリングした。その結果、PTFEと酸化チタンとの複合材料が基材の粗表面に堆積し、撥水性薄膜が形成された。三次元微細構造を有する基材表面に形成されたPTFEと酸化チタンとの複合材料からなる撥水性薄膜の電子顕微鏡写真を図3に示す。
[Deposition of water-repellent thin film]
Polytetrafluoroethylene (PTFE) and titanium oxide (TiO 2 ) were simultaneously sputtered on the surface of the titanium substrate on which the three-dimensional microstructure was formed by RF magnetron sputtering under the following conditions. As a result, a composite material of PTFE and titanium oxide was deposited on the rough surface of the base material, and a water-repellent thin film was formed. An electron micrograph of a water-repellent thin film made of a composite material of PTFE and titanium oxide formed on the surface of a substrate having a three-dimensional microstructure is shown in FIG.

下記複合ターゲットには、直径25.4mm(1インチ)の円形ターゲットを用いた。円形ターゲットは4つ以上の円弧状領域に区分して、中心角に沿ってPTFEと酸化チタンの円弧状領域をそれぞれ2領域ずつ配置した。   A circular target having a diameter of 25.4 mm (1 inch) was used for the following composite target. The circular target was divided into four or more arc-shaped areas, and two arc-shaped areas of PTFE and titanium oxide were arranged along the central angle.

<スパッタリング条件>
装置:株式会社グリーンテック製のスパッタ装置
アルゴン雰囲気の圧力:1×10-4 Pa〜2×10-4 Paまで減圧した後、アルゴンガスを1Paになるまで導入
出力:10W
ターゲット:PTFE−酸化チタンの複合ターゲット
成膜時間:1時間
<Sputtering conditions>
Apparatus: pressure of the sputtering apparatus argon atmosphere, Ltd. Green-Tech: 1 × 10 -4 Pa~2 pressure was reduced to × 10 -4 Pa, introduction output until the argon gas 1 Pa: 10 W
Target: PTFE-titanium oxide composite target Deposition time: 1 hour

[薄膜の物性]
スパッタリング条件から計算される撥水性薄膜の厚さは50〜200nmであった。
撥水性薄膜と水との接触角は、成膜直後では156.6度、紫外線照射後は154.9度であり、いずれも超撥水性を示した。紫外線照射の前後における撥水性薄膜上の水滴の状態を図4に示す。
[Thin film properties]
The thickness of the water repellent thin film calculated from the sputtering conditions was 50 to 200 nm.
The contact angle between the water repellent thin film and water was 156.6 degrees immediately after the film formation and 154.9 degrees after the ultraviolet irradiation, and both showed super water repellency. The state of water droplets on the water-repellent thin film before and after ultraviolet irradiation is shown in FIG.

《実施例2》
チタン基板の水熱処理を行わないこと以外、実施例1同様に、スパッタリングにより撥水性薄膜を形成した。
撥水性薄膜と水との接触角は、成膜直後は110度、紫外線照射後は107度であった。
Example 2
A water-repellent thin film was formed by sputtering in the same manner as in Example 1 except that the titanium substrate was not subjected to hydrothermal treatment.
The contact angle between the water repellent thin film and water was 110 degrees immediately after film formation and 107 degrees after ultraviolet irradiation.

《比較例1》
ターゲットとして、酸化チタンだけを用い、PTFEを用いなかったこと以外、実施例1と同様に、スパッタリングにより撥水性薄膜を形成した。三次元微細構造を有する基材表面に形成された酸化チタンからなる撥水性薄膜の電子顕微鏡写真を図5に示す。
撥水性薄膜と水との接触角は、成膜直後では106.5度、紫外線照射後は1.8度であり、紫外線照射後は明らかに親水性を示した。紫外線照射の前後における撥水性薄膜上の水滴の状態を図6に示す。
<< Comparative Example 1 >>
A water-repellent thin film was formed by sputtering in the same manner as in Example 1 except that only titanium oxide was used as a target and PTFE was not used. FIG. 5 shows an electron micrograph of a water-repellent thin film made of titanium oxide formed on the surface of a substrate having a three-dimensional microstructure.
The contact angle between the water repellent thin film and water was 106.5 degrees immediately after the film formation, 1.8 degrees after the ultraviolet irradiation, and clearly hydrophilic after the ultraviolet irradiation. The state of water droplets on the water-repellent thin film before and after ultraviolet irradiation is shown in FIG.

《比較例2》
ターゲットとして、PTFEだけを用い、酸化チタンを用いなかったこと以外、実施例1と同様に、スパッタリングにより撥水性薄膜を形成した。三次元微細構造を有する基材表面に形成されたPTFEからなる撥水性薄膜の電子顕微鏡写真を図7に示す。
撥水性薄膜と水との接触角は、成膜直後では168.1度、紫外線照射後は165.3度であり、いずれも超撥水性を示した。紫外線照射の前後における撥水性薄膜上の水滴の状態を図8に示す。
<< Comparative Example 2 >>
A water-repellent thin film was formed by sputtering in the same manner as in Example 1 except that only PTFE was used as a target and titanium oxide was not used. FIG. 7 shows an electron micrograph of a water-repellent thin film made of PTFE formed on the surface of a substrate having a three-dimensional microstructure.
The contact angle between the water repellent thin film and water was 168.1 degrees immediately after the film formation and 165.3 degrees after the ultraviolet irradiation, and both showed super water repellency. The state of water droplets on the water-repellent thin film before and after ultraviolet irradiation is shown in FIG.

[薄膜の光触媒作用]
次に、実施例1および比較例2の撥水性薄膜の光触媒としての活性を評価した。
具体的には、濃度10-5mol/Lのメチレンブルー水溶液を1mL秤量し、これを石英製の10mm×10mm×3mmサイズのセルに導入し、同じく10mm×10mmサイズの撥水性薄膜を片面に有するチタン基板をメチレンブルー水溶液に完全に浸漬した。この状態で、紫外線照射(光量:1mW/cm2、水銀ランプ(株式会社東芝製SHL−100UVQ−2)を使用)を行い、1時間毎に、メチレンブルー水溶液のUV−visスペクトル(吸収スペクトル)を測定した。メチレンブルーは波長664nmに吸収ピークを示す。吸収ピーク(吸光度)の経時変化を図9に示す。吸収ピークの減少量はメチレンブルーの分解反応量に比例する。なお、図9中、I0は初期吸収強度、Iは各時間における吸収強度を示す。
なお、水銀ランプSHL−100UVQ−2は、250nm以上のUVスペクトルを利用可能であり、最強スペクトルは546nmである。水銀ランプの分光エネルギー分布を図10に示す。
[Photocatalysis of thin film]
Next, the activity of the water-repellent thin film of Example 1 and Comparative Example 2 as a photocatalyst was evaluated.
Specifically, 1 mL of a methylene blue aqueous solution having a concentration of 10 −5 mol / L is weighed and introduced into a 10 mm × 10 mm × 3 mm size cell made of quartz, and similarly has a water repellent thin film of 10 mm × 10 mm size on one side. The titanium substrate was completely immersed in a methylene blue aqueous solution. In this state, ultraviolet irradiation (light amount: 1 mW / cm 2 , using a mercury lamp (SHL-100 UVQ-2 manufactured by Toshiba Corporation)) is performed, and a UV-vis spectrum (absorption spectrum) of a methylene blue aqueous solution is obtained every hour. It was measured. Methylene blue shows an absorption peak at a wavelength of 664 nm. The change with time of the absorption peak (absorbance) is shown in FIG. The amount of decrease in the absorption peak is proportional to the amount of methylene blue decomposition reaction. In FIG. 9, I 0 represents the initial absorption intensity, and I represents the absorption intensity at each time.
The mercury lamp SHL-100UVQ-2 can use a UV spectrum of 250 nm or more, and the strongest spectrum is 546 nm. The spectral energy distribution of the mercury lamp is shown in FIG.

図9より、実施例1の撥水性薄膜を用いた場合(グラフA)には、10時間後にメチレンブルー(MB)の90%以上が酸化分解されており、高い光触媒作用が発揮されていることが理解できる。一方、比較例2の撥水性薄膜を用いた場合(グラフB)には、10時間後にもメチレンブルーの60%以上が残存しており、光触媒作用を有さないことが理解できる。なお、グラフCは、いずれの撥水性薄膜も用いずに、メチレンブルーのみで分解反応を行った場合のブランク試験の結果を示している。   From FIG. 9, when the water-repellent thin film of Example 1 was used (graph A), 90% or more of methylene blue (MB) was oxidatively decomposed after 10 hours, and high photocatalytic activity was exhibited. Understandable. On the other hand, when the water-repellent thin film of Comparative Example 2 was used (graph B), it can be understood that 60% or more of methylene blue remained even after 10 hours and did not have a photocatalytic action. In addition, the graph C has shown the result of the blank test at the time of performing a decomposition reaction only with a methylene blue, without using any water-repellent thin film.

なお、実施例1で用いたPTFE−酸化チタンの複合ターゲットの外観を図11に示す。また、PTFE−酸化チタンの複合ターゲットの変形例の外観を図12に示す。   The appearance of the PTFE-titanium oxide composite target used in Example 1 is shown in FIG. FIG. 12 shows the appearance of a modification of the PTFE-titanium oxide composite target.

さらに、チタン基板の代わりに、石英基板に、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)と酸化チタン(TiO2)を、同時にスパッタリングして形成された薄膜を図13に示す。図13では、撥水性材料と無機材料との複合材料により形成された微小粒子が、石英基板の表面に、島状に点在している様子が伺える。 Further, FIG. 13 shows a thin film formed by simultaneously sputtering polytetrafluoroethylene (PTFE) and titanium oxide (TiO 2 ) on a quartz substrate instead of a titanium substrate. In FIG. 13, it can be seen that fine particles formed of a composite material of a water repellent material and an inorganic material are scattered in an island shape on the surface of the quartz substrate.

さらに、実施例1と同様に作製された別の撥水性薄膜の電子顕微鏡写真を図14に示す。図14においても、撥水性材料と無機材料との複合材料により形成された微小粒子が、チタン基板の表面に、島状に点在している様子が伺える。   Furthermore, an electron micrograph of another water-repellent thin film produced in the same manner as in Example 1 is shown in FIG. Also in FIG. 14, it can be seen that fine particles formed of a composite material of a water repellent material and an inorganic material are scattered in an island shape on the surface of the titanium substrate.

本発明の撥水性薄膜は、様々な機能を有する無機材料を含む薄膜に応用することができる。本発明の撥水性薄膜は、薄く、かつ均質であり、無機材料の機能(例えば光触媒作用)を発揮しつつ、十分な撥水性も発揮する。よって、例えば、水が存在する環境下において防汚効果が必要とされる材料に光触媒作用を付与するのに適している。また、本発明の撥水性薄膜は、薄く形成できるため、厚い薄膜を付与するのに適さない材料、例えば、高い放熱性が要求される部材、光透過性が要求される部材、微細構造を有する部材に形成するのに適している。   The water-repellent thin film of the present invention can be applied to a thin film containing an inorganic material having various functions. The water-repellent thin film of the present invention is thin and homogeneous, and exhibits sufficient water repellency while exhibiting the function of an inorganic material (for example, photocatalytic action). Therefore, for example, it is suitable for imparting a photocatalytic action to a material that requires an antifouling effect in an environment where water is present. Further, since the water-repellent thin film of the present invention can be formed thin, it has a material that is not suitable for providing a thick thin film, for example, a member that requires high heat dissipation, a member that requires light transmission, and a fine structure. Suitable for forming on members.

本発明を現時点での好ましい実施態様に関して説明したが、そのような開示を限定的に解釈してはならない。種々の変形および改変は、上記開示を読むことによって本発明に属する技術分野における当業者には間違いなく明らかになるであろう。したがって、添付の請求の範囲は、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、すべての変形および改変を包含する、と解釈されるべきものである。   While this invention has been described in terms of the presently preferred embodiments, such disclosure should not be construed as limiting. Various changes and modifications will no doubt become apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains after reading the above disclosure. Accordingly, the appended claims should be construed to include all variations and modifications without departing from the true spirit and scope of this invention.

Claims (12)

複合化された撥水性材料と無機材料とを含む薄膜を含み、
前記薄膜は、前記撥水性材料が露出する第1領域と、前記無機材料が露出する第2領域と、が混在して分布する撥水性表面を有し、
前記無機材料が、光照射により有機物を酸化または還元する光触媒作用を示す材料、または半導体材料である、撥水性薄膜。
Including a thin film comprising a composite water-repellent material and an inorganic material;
The thin film has a water repellent surface in which a first region where the water repellent material is exposed and a second region where the inorganic material is exposed are mixed and distributed.
A water-repellent thin film, wherein the inorganic material is a material exhibiting a photocatalytic action for oxidizing or reducing an organic substance by light irradiation, or a semiconductor material.
前記薄膜が、前記撥水性材料と前記無機材料との堆積膜である、請求項1記載の撥水性薄膜。   The water-repellent thin film according to claim 1, wherein the thin film is a deposited film of the water-repellent material and the inorganic material. 前記薄膜の厚さが、10nm以上、3μm以下である、請求項1または2記載の撥水性薄膜。   The water-repellent thin film according to claim 1 or 2, wherein the thin film has a thickness of 10 nm or more and 3 µm or less. 前記撥水性表面と水との、紫外線非照射下での接触角をθ1、紫外線照射下での接触角をθ2とするとき、100×(θ1−θ2)/θ1で表される接触角の変動量が10%以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の撥水性薄膜。   When the contact angle between the water-repellent surface and water when not irradiated with ultraviolet rays is θ1, and the contact angle when irradiated with ultraviolet rays is θ2, the variation of the contact angle expressed by 100 × (θ1−θ2) / θ1 The water-repellent thin film according to any one of claims 1 to 3, wherein the amount is 10% or less. 前記光触媒作用を示す材料が、酸化チタン、酸化タングステン、酸化亜鉛、チタン酸ストロンチウム、酸化ニオブ、硫化カドミウム、硫化亜鉛、チタノシリケートおよびチタン含有アルミノシリケートよりなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の撥水性薄膜。   The photocatalytic material is at least one selected from the group consisting of titanium oxide, tungsten oxide, zinc oxide, strontium titanate, niobium oxide, cadmium sulfide, zinc sulfide, titanosilicate, and titanium-containing aluminosilicate. The water-repellent thin film according to any one of claims 1 to 4. 前記半導体材料が、酸化チタン、硫化カドミウム、チタン酸ストロンチウム、酸化ニオブ、硫化カドミウム、テルル化カドミウム、酸化スズ、酸化インジウムスズ(ITO)および硫化亜鉛よりなる群から選択される少なくとも1種を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の撥水性薄膜。   The semiconductor material includes at least one selected from the group consisting of titanium oxide, cadmium sulfide, strontium titanate, niobium oxide, cadmium sulfide, cadmium telluride, tin oxide, indium tin oxide (ITO), and zinc sulfide. The water-repellent thin film according to any one of claims 1 to 4. 前記撥水性表面の水との、紫外線照射下での接触角θ2が、130度以上である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の撥水性薄膜。   The water repellent thin film according to any one of claims 1 to 6, wherein a contact angle θ2 of the water repellent surface with water under ultraviolet irradiation is 130 degrees or more. 前記撥水性表面と水との、紫外線照射下での接触角θ2が、150度以上である、請求項7記載の撥水性薄膜。   The water-repellent thin film according to claim 7, wherein a contact angle θ2 between the water-repellent surface and water under ultraviolet irradiation is 150 degrees or more. 前記撥水性材料が、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、フッ化黒鉛およびナノカーボン材料よりなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の撥水性薄膜。   The water-repellent thin film according to any one of claims 1 to 8, wherein the water-repellent material is at least one selected from the group consisting of a fluororesin, a silicone resin, graphite fluoride, and a nanocarbon material. 前記フッ素樹脂が、−(CF2n−、ただしnは1以上の整数、またはCF3−で表される構造を有する、請求項9記載の撥水性薄膜。 The water-repellent thin film according to claim 9, wherein the fluororesin has a structure represented by — (CF 2 ) n —, where n is an integer of 1 or more, or CF 3 —. 前記フッ素樹脂が、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよびフッ化ビニリデンよりなる群から選択される少なくとも1種のモノマー単位を含む、請求項10記載の撥水性薄膜。   The water-repellent thin film according to claim 10, wherein the fluororesin contains at least one monomer unit selected from the group consisting of tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, and vinylidene fluoride. 基材と、前記基材の少なくとも一部を被覆するように形成された請求項1〜11のいずれか1項に記載の撥水性薄膜と、を含む、撥水性部材。   The water-repellent member containing a base material and the water-repellent thin film of any one of Claims 1-11 formed so that at least one part of the said base material might be coat | covered.
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