JP2013241513A

JP2013241513A - 透明性赤外線遮蔽膜、透明性赤外線遮蔽塗料及び透明性赤外線遮蔽塗料の製造方法

Info

Publication number: JP2013241513A
Application number: JP2012115046A
Authority: JP
Inventors: Kenzo Iwao; 憲三岩尾; Hiroshi Ichikawa; 洋市川; Yasunori Takeda; 泰法武田
Original assignee: TEIISETTO KK; Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: TEIISETTO KK; Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2013-12-05

Abstract

【課題】安価に製造可能であるとともに、優れた遮熱効果を発揮可能な透明性赤外線遮蔽膜及び透明性赤外線遮蔽塗料を提供する。
【解決手段】本発明の透明性赤外線遮蔽膜２は、塗膜２ａと、塗膜２ａ中に分散された無数の微粒子２ｂとを有している。塗膜２ａは透明である。各微粒子２ｂは、中実で球状をなし、粒径が０．２５〜７０．０６μｍのフライアッシュからなる。
【選択図】図４

Description

本発明は、透明性赤外線遮蔽膜と、透明性赤外線遮蔽塗料と、透明性赤外線遮蔽塗料の製造方法とに関する。

従来の赤外線遮蔽膜は、塗膜と、この塗膜中に分散された無数の微粒子とを有している（例えば、特許文献１、２）。各微粒子は、アンチモンドープ酸化スズ等の無機物やポリメチン塩等の有機物からなる赤外線吸収剤が採用されている。この赤外線遮蔽膜を窓ガラス等に貼着可能に構成すれば、赤外線遮蔽フィルムとなる。また、塗布後に塗膜を形成可能なビヒクルと、このビヒクル中に分散された無数の上記微粒子とを有する赤外線遮蔽塗料を製造すれば、この赤外線遮蔽塗料は、窓ガラス等に塗布することにより、赤外線遮蔽膜となる。

これらの赤外線遮蔽膜によれば、赤外線吸収剤が太陽光線のうちの赤外領域の光を吸収し、遮熱効果が得られる。

特開２０１１−２１２８４９号公報特開２００１−１９８９８号公報

しかし、従来の赤外線遮蔽膜や赤外線遮蔽塗料は、無数の微粒子として特殊な赤外線吸収剤を採用しており、製造コストの低廉化が困難である。

また、従来の赤外線遮蔽膜の多くは、赤外線吸収剤が太陽光線のうちの赤外領域の光を吸収する際、太陽光線のうちの可視領域の光も吸収し易く、不透明となり易い。この場合、例えば、車両の窓に赤外線遮蔽膜を貼着したり、赤外線遮蔽塗料を塗布し難い。また、黒色を呈する赤外線遮蔽膜であれば、太陽光線のうちの赤外領域の光によって赤外線遮蔽膜自体が吸熱し、この吸熱によって遮熱効果も大きく損なわれる。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、安価に製造可能であるとともに、優れた遮熱効果を発揮可能な透明性赤外線遮蔽膜及び透明性赤外線遮蔽塗料を提供することを解決すべき課題としている。

本発明の透明性赤外線遮蔽膜は、塗膜と、該塗膜中に分散された無数の微粒子とを有し、
前記塗膜は透明であり、各前記微粒子は、中実で球状をなし、粒径が０．２５〜７０．０６μｍのフライアッシュからなることを特徴とする（請求項１）。

光の進路に障害物があると、波長の短い光は反射し、波長の長い光は透過する。波長が中くらいの光はいろいろな方向に反射する。これを散乱と言う。散乱には種類があり、レイリー散乱、ミー散乱等に分けることができる。レイリー散乱とミー散乱との違いは、光が衝突する物質の大きさ、また衝突した光の波長である。本発明では、光が衝突する物質が微粒子である。

光の波長をλ[μｍ]、微粒子の粒径をＤ[μｍ]、これらに関わるパラメータをαとすると、数１の関係がある。

パラメータα＜＜１のときに生じる散乱がレイリー散乱であり、パラメータα≒１のときに生じる散乱がミー散乱である。

ミー散乱とは、光の波長以上の大きさの球形の粒子による光の散乱現象である。自然現象では、雲が白く見える一因もミー散乱である。ミー散乱では、入射光強度をＩ₀、垂直方向のミー強度パラメータをｉ₁、水平方向のミー強度パラメータをｉ₂とすれば、散乱強度Ｉ（θ）は数２で表わされる。Ｒは粒子の半径である。

数２より、α＝１のときの散乱光の強度パターンは図１のようになる。θは光の進行方向に対する散乱の方向を示す散乱角である。

本発明の透明性赤外線遮蔽膜は、各微粒子が中実で球状をなしている。また、図２に示すように、太陽光線のうちの赤外領域の光は波長λが７８０ｎｍ（＝０．７８μｍ）〜２２００００ｎｍ（＝２２０μｍ）である。このため、ミー散乱を生じる微粒子の粒径Ｄ（＝２Ｒ）は、数１において、α＝１であるから、Ｄ≒０．２５〜７０．０６μｍとなる。

すなわち、赤外領域の光は、粒径が０．２５〜７０．０６μｍであり、中実で球状の各微粒子によってミー散乱を生じ、それら微粒子の後方に向かうことができない。つまり、赤外領域の光は本発明の透明性赤外線遮蔽膜によって遮蔽される。このため、この透明性赤外線遮蔽膜によれば、遮熱効果が得られる。

なお、波長λが７８０〜２５００ｎｍの光は近赤外光と言われる。このため、近赤外領域の光は、粒径が０．２５〜０．８０μｍの各微粒子によってミー散乱を生じ、それら微粒子の後方に向かうことができない。つまり、近赤外領域の光は本発明の透明性赤外線遮蔽膜によって遮蔽される。

また、波長λが２５００〜２２００００ｎｍの光は遠赤外光と言われる。遠赤外領域の光は、粒径が０．８０〜７０．０６μｍの各微粒子によってミー散乱を生じ、それら微粒子の後方に向かうことができない。つまり、遠赤外領域の光は本発明の透明性赤外線遮蔽膜によって遮蔽される。

一方、赤外領域の光よりも波長の短い波長３８０〜７８０ｎｍの可視領域の光は、それらの微粒子ではミー散乱を生じ難く、それら微粒子の後方に向かうことができる。つまり、可視領域の光は本発明の透明性赤外線遮蔽膜を透過する。換言すれば、本発明の透明性赤外線遮蔽膜は透明である。このため、例えば、車両の窓に本発明の透明性赤外線遮蔽膜を貼着したり、透明性赤外線遮蔽塗料を塗布し易い。また、本発明の透明性赤外線遮蔽膜は吸熱し難い。

また、本発明の透明性赤外線遮蔽膜は各微粒子がフライアッシュからなる。フライアッシュ（石炭灰）とは、火力発電所等で石炭を燃焼する際に質量で約１割が灰として燃え残り、ボイラ内に残留し、排煙と一緒にボイラ外に排出されるものである。特に、微粉炭燃焼ボイラの燃焼ガスから集塵機で採取された石炭灰をフライアッシュという。フライアッシュはセメントとして有効利用されている例があるが、それ以外の有効利用は少なく、石炭から精製されたフライアッシュ全てが再利用されるわけではない。残りは専用の灰処分場への埋め立てが行われており、現存の埋め立て場は何年後かには一杯になり、新しい灰処分場を探さなくてはならないという実情がある。本発明は各微粒子をこのフライアッシュからなるものとしているため、製造コストの低廉化を実現できる。

したがって、本発明の透明性赤外線遮蔽膜は、安価に製造可能であるとともに、優れた遮熱効果を発揮可能である。

透明な塗膜としては、透明なビヒクルによって形成される種々のものを採用することができる。本発明の透明性赤外線遮蔽膜を窓ガラス等に貼着可能に構成すれば、透明性赤外線遮蔽フィルムとなる。

上記より、各微粒子の粒径は、ミー散乱により、波長３８０〜７８０ｎｍの光を透過し、波長７８０〜２２００００ｎｍの光を散乱する大きさである（請求項２）。

本発明の透明性赤外線遮蔽塗料は、塗布後に塗膜を形成可能なビヒクルと、該ビヒクル中に分散された無数の微粒子とを有し、
前記塗膜は透明であり、各前記微粒子は、中実で球状をなし、粒径が０．２５〜７０．０６μｍのフライアッシュからなることを特徴とする（請求項３）。

本発明の透明性赤外線遮蔽塗料を窓ガラス等に塗布すれば、本発明の透明性赤外線遮蔽膜が得られる。

ビヒクルとしては、天然ワニスの他、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、ポリビニルアルコール、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリ四フッ化エチレン、ポリ塩化三フッ化エチレン等の樹脂と溶剤等との混合物を採用することができる。

本発明の透明性赤外線遮蔽塗料の製造方法は、フライアッシュから、波長３８０〜７８０ｎｍの光を透過し、波長７８０〜２２００００ｎｍの光を散乱可能な粒径をもち、中実で球状をなす無数の微粒子を分級する分級工程と、
塗布後に透明な塗膜を形成可能なビヒクルに各該微粒子を分散し、透明性赤外線遮蔽塗料を得る塗料化工程とを備えていることを特徴とする（請求項４）。

本発明の製造方法により、本発明の透明性赤外線遮蔽塗料が得られる。

分級工程としては、自然沈降を採用することができる。自然沈降とは、水等の液体中の粒子を重力によって沈降分離させる方法である。自然沈降の基本理論の一つにストークスの式がある。粒子の沈降速度をＶ[ｃｍ／秒]、粒子の半径をｒ[ｃｍ]、粒子の密度をρ[ｇ／ｃｍ³]、液体の密度をρ_w[ｇ／ｃｍ³]、重力加速度をｇ[ｃｍ／秒²]、水の粘度をη[ｇ／ｃｍ・秒]を用い、ストークスの式を数３に示す。但し、この式は粒子が完全な球形で水が静止しているものとしている。

この数３により、大きい粒子、密度が大きい粒子から早く沈降していき、液面からの距離と経過時間とを考慮すれば、粒子を大きさによって分級することができることがわかる。

また、分級工程として、遠心分離を採用することもできる。塗料化工程では、分級工程で得られた各微粒子が凝集して塊にならないようにすることが好ましい。

本発明の透明性赤外線遮蔽膜及び透明性赤外線遮蔽塗料は、安価に製造可能であるとともに、優れた遮熱効果を発揮可能である。

ミー散乱のときの散乱光の強度パターンを示す模式図である。太陽光の波長とエネルギー強度との関係を示すグラフである。実施例の方法を示す工程図である。実施例の透明性赤外線遮蔽膜を示す断面図である。地球上のヒートアイランド現象を説明するための模式断面図であり、図（Ａ）は昼間のビル等の壁面等の地表を示し、図（Ｂ）は夜間の地表等を示す。フライアッシュの顕微鏡写真である。炭酸カルシウムの顕微鏡写真である。酸化亜鉛の顕微鏡写真である。実験１に係り、各膜による可視光の透過率を示すグラフである。実験１に係り、各膜による近赤外光の透過率を示すグラフである。実験２に係り、各膜による可視光の透過率を示すグラフである。実験２に係り、各膜による近赤外光の透過率を示すグラフである。実験３に係り、各膜による可視光の透過率を示すグラフである。実験３に係り、各膜による近赤外光の透過率を示すグラフである。粒径１．０〜１．５μｍのフライアッシュが付着しているスライドガラスの表面の顕微鏡写真である。

実施例の透明性赤外線遮蔽膜は以下のように製造可能である。まず、図３に示すように、分級工程Ｓ１を行う。ここでは、市場にあるフライアッシュから、例えば、粒径１．０〜１．５μｍの微粒子を分級する。

そして、塗料化工程Ｓ２を行う。ここでは、例えば天然ワニスに分級工程Ｓ１で得た各微粒子を分散する。こうして、透明性赤外線遮蔽塗料が得られる。この透明性赤外線遮蔽塗料は、塗布後に塗膜を形成可能な天然ワニスと、天然ワニス中に分散された無数のフライアッシュとを有している。

図４に示すように、得られた透明性赤外線遮蔽塗料を例えば窓ガラス１に塗布し、塗料の揮発分を揮発させれば、透明性赤外線遮蔽膜２が得られる。この透明性赤外線遮蔽膜２は、塗膜２ａと、塗膜２ａ中に分散された無数の微粒子２ｂとからなる。塗膜２ａは透明であり、各微粒子２ｂは、中実で球状をなし、粒径が１．０〜１．５１μｍのフライアッシュからなる。この透明性赤外線遮蔽膜２の裏面に窓ガラス等に貼着可能な接着剤を付し、赤外線遮蔽フィルムとすることもできる。

以下、本発明の透明性赤外線遮蔽膜の効果を確認する実験を行った。この透明性赤外線遮蔽膜はヒートアイランド現象の抑制に使用可能であると考えている。

図５に示すように、都市部では、アスファルト舗装やコンクリート造の建築物等、熱容量の多い材料からなる境界面１０がビルの壁面等の地表を覆っている。この境界面１０に対し、図（Ａ）に示すように、日中、太陽の光が入射光２０として入射し、一部は反射光２１として反射し、残部は境界面１０内に吸収光２２として入射される。ヒートアイランド現象とは、吸収光２２の熱３０が境界面１０内に蓄積され、図（Ｂ）に示すように、夜間になっても高温を保つ現象である。すなわち、昼に吸収された熱３０が夜に放出され、周りの空気を暖めるのである。緑が多い地域に比べ、地表から緑や水を除してしまった都市部の住宅街に顕著に表れる。

微粒子を使用して作製した膜について、可視光及び近赤外光のそれぞれの透過率を測定するため、２種類の分光光度計を使う。波長の測定領域は２つの光度計を合わせて２００〜１７００ｎｍである。

可視光の分光光度計は、島津製作所製「紫外可視分光光度計（UVmini-1240）」である。
光源：重水素ランプ（２０Ｗハロゲンランプ、光源切り替え波長：２９５〜３６４ｎｍ、測定波長範囲：１９０〜１１００ｎｍ、スペクトルバンド幅５ｎｍ）
検出器：シリコンフォトダイオード

近赤外光の分光光度計は、近赤外分光光度計である。
光源：Ｂ＆ＷＴＥＫＢＰＳ１０１（波長域：９００〜１７００ｎｍ、材料：ハロゲンタングステンフィラメント）
サンプルホルダー：Ｂ＆ＷＴＥＫＢＣＨ１００Ａ
検出器：Ｂ＆ＷＴＥＫＳｏｌＴＭ１．７（波長域：９００〜１７００ｎｍ、材料：ガリウムヒ素）

まず、微粒子の候補として、いずれも粉状のフライアッシュ、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）の結晶及び酸化亜鉛（ＺｎＯ）の結晶を用意する。

用意したフライアッシュは、１００μｍ以下の粒径が９０％以上のものである。フライアッシュの組成は表１のとおりである。また、フライアッシュの顕微鏡写真を図６に示す。図６より、フライアッシュは中実で球状であることがわかる。

また、炭酸カルシウムの結晶として、天然の石灰石（ＣａＣＯ₃）にクエン酸を加えて沈殿させ、沈殿物質をすり潰し粉状にしたものを用意した。炭酸カルシウムの結晶の顕微鏡写真を図７に示す。図７より、炭酸カルシウムの結晶は、中実ではあるが、棒状又は板状であることがわかる。

また、酸化亜鉛の結晶として、硝酸亜鉛（Ｚｎ（ＮＯ₃）₂）の水溶液に水酸化ナトリウム水溶液を水熱合成させ、再結晶して析出させたものを用意した。酸化亜鉛の結晶の顕微鏡写真を図８に示す。図８より、酸化亜鉛の結晶は、中実ではあるが、放射状であることがわかる。

＜実験１＞
２枚のスライドガラス間にフライアッシュ、炭酸カルシウム又は酸化亜鉛を挟み、そのまま膜にする。スライドガラス２枚をブランクとし、フライアッシュの膜、炭酸カルシウムの膜又は酸化亜鉛の膜について、可視光の２００〜９００ｎｍの透過率を図９に示し、近赤外光の９００〜１７００ｎｍの透過率を図１０に示す。

図９より、酸化亜鉛の膜は、可視光では、波長４００ｎｍで最大の透過率を示し、波長が長くなるにしたがって透過率が低下している。このことから、酸化亜鉛の膜は可視光を反射し、透過率を低下させていると考えられる。しかし、図１０より、酸化亜鉛の膜は、近赤外光では、ブランクと同じ波形が見られた。このことから、酸化亜鉛の膜は、近赤外光を反射することはなく、微粒子が影を作ることによって透過率が低下しただけと考えられる。

一方、図９より、フライアッシュの膜は、可視光では、波長が４００ｎｍで最大の透過率を示し、酸化亜鉛の膜より透過率が大きく低下している。また、図１０より、近赤外光では、三つの膜の中で唯一、フライアッシュの膜は、波長が長くなるにつれて透過率が減少していく。このことから、フライアッシュの膜は、波長が長くなるにつれて散乱強度を強め、透過率を低下させていることがわかる。

図９より、炭酸カルシウムの膜は、可視光では、波長が４００ｎｍからはほぼ一定の透過率を示している。図１０より、近赤外光では、炭酸カルシウムの膜は、酸化亜鉛の膜と同様、ブランクと同じ波形が見られた。このことから、炭酸カルシウムの膜は、可視光及び近赤外光に対し、影として透過率を下げているだけであり、反射もしていないと考えられる。

＜実験２＞
水にフライアッシュ、炭酸カルシウム又は酸化亜鉛を入れ、適当な濃さの水溶液をスポイトで抽出し、水溶液をそのまま２枚のスライドガラス間に挟み、膜にする。スライドガラス２枚をブランク１、スライドガラス２枚の間に水があるものをブランク２とし、フライアッシュ入り水溶液の膜、炭酸カルシウム入り水溶液の膜又は酸化亜鉛入り水溶液の膜について、可視光の２００〜９００ｎｍの透過率を図１１に示し、近赤外光の９００〜１７００ｎｍの透過率を図１２に示す。

図１１及び図１２より、可視光では、どの膜の透過率も、ブランクと比べて変化はなく、波長特性も同様である。また、近赤外光でも、どの膜も透過率に変化は見られない。しかし、全ての膜において、ある波長域で透過率が不自然に振動している。これは、水が赤外光を吸収しやすい特性を持つからであると考えられる。水による水溶液では正確な測定は困難であることがわかる。また、微粒子の量が微量である場合、透過率の影響も微量である。

＜実験３＞
アセトンにフライアッシュを入れ、自然沈降を利用して粒径が１．０〜１．５μｍのフライアッシュを分級した。粒径が１．０〜１．５μｍのフライアッシュを含んだ水溶液を摘出し、スライドガラスの上で水を蒸発させ、膜を得た。スライドガラス１枚をブランクとし、粒径が１．０〜１．５μｍのフライアッシュの膜について、可視光の２００〜９００ｎｍの透過率を図１３に示し、近赤外光の９００〜１７００ｎｍの透過率を図１４に示す。

また、粒径１．０〜１．５μｍのフライアッシュが付着しているスライドガラスの表面の顕微鏡写真を図１５に示す。図１５からわかるように、理想的な粒径が１．０〜１．５μｍのフライアッシュの分級には成功している。

図１３より、可視光では、フライアッシュの膜の特性はブランクと変わりがなく、ミー散乱は見られない。一方、図１４より、近赤外光では、フライアッシュの膜は透過率がブランクより２０％程度低く、ミー散乱が生じていると考えられる。

すなわち、太陽光のうちの赤外光は、粒径が１．０〜１．５μｍであり、中実で球状をなすフライアッシュの各微粒子によってミー散乱を生じ、それら微粒子の後方に向かうことができない。一方、太陽光のうちの可視光は、それらの微粒子ではミー散乱を生じ難く、それら微粒子の後方に向かうことができる。

このため、この分級後のフライアッシュの各微粒子を用いて膜を製造すれば、その膜は透明性赤外線遮蔽膜となり、赤外光を遮蔽することができる。このため、この透明性赤外線遮蔽膜は、遮熱効果を発揮することができる。

一方、この透明性赤外線遮蔽膜は、可視光を透過し、透明である。このため、例えば、車両の窓にこの透明性赤外線遮蔽膜を貼着したり、透明性赤外線遮蔽塗料を塗布し易い。また、この透明性赤外線遮蔽膜は吸熱し難い。

また、この透明性赤外線遮蔽膜は各微粒子がフライアッシュからなるため、製造コストの低廉化を実現できる。

したがって、この透明性赤外線遮蔽膜は、安価に製造可能であるとともに、優れた遮熱効果を発揮可能であることがわかる。このため、この透明性赤外線遮蔽膜を車両や住宅等の建造物の窓ガラス等に設ければ、安価でありながら、室内の遮熱効果によって冷房費を抑制することができる。このため、この透明性赤外線遮蔽膜はヒートアイランド現象の抑制も期待できる。

また、この透明性赤外線遮蔽膜をメガソーラに設ければ、安価でありながら、可視光の透過性を維持し、かつ遮熱効果を発揮するため、メガソーラにおける大面積の高温化を防ぎ、太陽電池の発電効率の低下を防止することが期待できる。

以上において、本発明を実験に即して説明したが、本発明は上記実験に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明は、冷房負荷の低減等による省エネルギー技術等に利用可能である。

２…透明性赤外線遮蔽膜
２ａ…塗膜
２ｂ…微粒子
Ｓ１…分級工程
Ｓ２…塗料化工程

Claims

塗膜と、該塗膜中に分散された無数の微粒子とを有し、
前記塗膜は透明であり、各前記微粒子は、中実で球状をなし、粒径が０．２５〜７０．０６μｍのフライアッシュからなることを特徴とする透明性赤外線遮蔽膜。
各前記微粒子の粒径は、ミー散乱により、波長３８０〜７８０ｎｍの光を透過し、波長７８０〜２２００００ｎｍの光を散乱する大きさである請求項１記載の透明性赤外線遮蔽膜。
塗布後に塗膜を形成可能なビヒクルと、該ビヒクル中に分散された無数の微粒子とを有し、
前記塗膜は透明であり、各前記微粒子は、中実で球状をなし、粒径が０．２５〜７０．０６μｍのフライアッシュからなることを特徴とする透明性赤外線遮蔽塗料。
フライアッシュから、波長３８０〜７８０ｎｍの光を透過し、波長７８０〜２２００００ｎｍの光を散乱可能な粒径をもち、中実で球状をなす無数の微粒子を分級する分級工程と、
塗布後に透明な塗膜を形成可能なビヒクルに各該微粒子を分散し、透明性赤外線遮蔽塗料を得る塗料化工程とを備えていることを特徴とする透明性赤外線遮蔽塗料の製造方法。