JP2014205811A

JP2014205811A - 紫外線遮蔽膜

Info

Publication number: JP2014205811A
Application number: JP2013085459A
Authority: JP
Inventors: 重直圓山; Shigenao Maruyama; 宏樹江目; Hiroki Gonome; 淳之介岡島; Junnosuke Okajima
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2014-10-30

Abstract

【課題】プラスチックや屋外のものに使用することができ、原材料の製造が容易で、被遮蔽物の表面に対して均一な紫外線遮蔽効果が得られる紫外線遮蔽膜を提供する。
【解決手段】可視光に対して透明な基材と、太陽光の紫外線成分を散乱および吸収可能に、基材中に分布した所定の粒径を有する粒子とを有している。基材中に粒子を配合したものを、被遮蔽物の表面に塗布したり、基材中に粒子が分布したフィルムを、被遮蔽物の表面に貼り付けたりすることにより形成される。粒子は、粒径が５０〜１００ｎｍの酸化亜鉛、粒径が６０〜１００ｎｍの酸化チタン、および粒径が１００〜２００ｎｍのジルコニアのうちの少なくとも１つから成ることが好ましい。また、粒子は、０．３乃至１．２％の体積分率で基材中に分布していることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、紫外線遮蔽膜に関する。

紫外線が物質の結合に作用し、生物の組織や物質の寿命に悪影響を与えることは周知である。特に産業の分野では、プラスチックの劣化など、多くの部材に影響を及ぼしている。従来、このような紫外線による劣化を防ぐため、樹脂や硬化性バインダーなどの基材と、酸化チタンの微粒子とを含んだ塗膜が開発されている（例えば、特許文献１、２または３参照）。

特開平９−１９４２３５号公報特開２００４−２５６３号公報特開２０１２−１６８３７７号公報

しかしながら、特許文献１に記載のコーティング被膜は、酸化チタンと銅または銅化合物とを溶解させた溶液を被遮蔽物の表面に塗布した後、１００℃〜１０００℃の温度で焼成して形成されるものであり、被遮蔽物として、プラスチック等の熱により変形するものや、屋外に既に設置されているもの等には使用できないという課題があった。また、特許文献２に記載の塗膜は、酸化チタンの微粒子を４０〜９０重量％の割合で多量に含んでいるため、その微粒子をバインダーに均一に分布させるのが難しく、紫外線遮蔽効果に偏りが生じるという課題があった。また、特許文献３に記載のハードコート膜は、バインダーの樹脂に配合される紫外線遮蔽粒子として、酸化チタン粒子の表面に、表面処理層と被膜層とを形成したものを製造する必要があり、紫外線遮蔽粒子の製造に手間やコストが嵩むという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、プラスチックや屋外のものに使用することができ、原材料の製造が容易で、被遮蔽物の表面に対して均一な紫外線遮蔽効果が得られる紫外線遮蔽膜を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る紫外線遮蔽膜は、可視光に対して透明な基材と、太陽光の紫外線成分を散乱および吸収可能に、前記基材中に分布した所定の粒径を有する粒子とを、有することを特徴とする。

本発明に係る紫外線遮蔽膜は、例えば、基材中に粒子を配合したものを、被遮蔽物の表面に塗布したり、基材中に粒子が分布したフィルムを、被遮蔽物の表面に貼り付けたりすることにより形成することができる。このため、プラスチックや屋外のものにも使用することができる。基材が可視光に対して透明であるため、被遮蔽物の色調を維持することができる。なお、基材は、可視光に対して透明であればいかなるものであってもよく、例えばプラスチックやガラス、アクリル樹脂製のバインダーなどから成っていてもよい。

また、基材中に分布した粒子により、太陽光の紫外線成分を吸収・散乱させるため、プラスチック等の被遮蔽物が紫外線により変質するのを効果的に防ぐことができる。粒子による紫外線成分の吸収・散乱を適切に考慮に入れることにより、効率よく紫外線遮蔽効果を得ることができる。このように、紫外線による被遮蔽物の劣化や強度低下を防止することができ、被遮蔽物の寿命を延ばすことができる。

図１に示すような、基板（被遮蔽物）の表面に形成された、可視光に対して透明な基材中に粒子が分布している被膜について、粒子による光の散乱および吸収による減衰は、以下のようにして計算することができる。まず、散乱効率Ｑ_ｓｃａ，吸収効率Ｑ_ａｂｓ，減衰効率Ｑ_ｅｘｔは、次の（１）式の関係を有している。
ここで、入射電磁波の波長λに比べて粒径が大きい粒子の場合には、その減衰断面積は、幾何光学的に扱うことができ、粒子の幾何断面積に等しくなる。しかし、粒径と電磁波の波長とが同程度の場合には、波動光学的に取り扱わなければならず、回折の影響も考慮しなければならなくなるため、幾何断面積に比べて大きくも小さくもなりうる。

また、実際に散乱効率、減衰効率を求める際に用いられる式は、次の（２）式および（３）式で表される。

ここで、ｘは粒径パラメータ（ｓｉｚｅｐａｒａｍｅｔｅｒ）と呼ばれ、（４）式で表される。また、ａ_ｎ，ｂ_ｎはＭｉｅ散乱係数と呼ばれ、ｙ＝ｍｘとすると、（５）式で表される。ここで、ｒは球形粒子の半径、ｍは複素屈折率を表す。

（１）〜（５）式を用い、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）の各粒子について、粒子直径ｄに対する紫外光（λ＝３００ｎｍ）および可視光（λ＝５００ｎｍ）の減衰効率Ｑ_ｅｘｔを計算した結果を、図２に示す。図２に示すように、粒子が酸化亜鉛の場合、粒径が４０ｎｍ〜２００ｎｍ、ジルコニアの場合、粒径が１００ｎｍ〜２００ｎｍ、酸化チタンの場合、粒径が５０ｎｍ〜１００ｎｍのとき、可視光の減衰が小さく、紫外線の減衰が大きくなっており、可視光の透過率が高い状態で、紫外線遮蔽効果を高めることができる。特に、粒子が酸化亜鉛の場合、粒径が５０ｎｍ〜１００ｎｍ、酸化チタンの場合、粒径が６０ｎｍ〜１００ｎｍのとき、可視光の透過率が高い状態で、より紫外線遮蔽効果を高めることができる。

このように、図２から、本発明に係る紫外線遮蔽膜で、前記粒子は、粒径が５０〜１００ｎｍの酸化亜鉛、粒径が６０〜１００ｎｍの酸化チタン、および粒径が１００〜２００ｎｍのジルコニアのうちの少なくとも１つから成ることが好ましい。また、粒子は、酸化亜鉛、ジルコニア、酸化チタンに限らず、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）から成っていても、炭酸カルシウムを含んでいてもよい。本発明に係る紫外線遮蔽膜は、これらの粒子の表面に膜などを形成する必要がなく、膜の原材料を容易に製造することができる。なお、粒子は、球状でなくともよく、角張っていても、凹凸を有していてもよい。

本発明に係る紫外線遮蔽膜で、前記粒子は、０．３乃至１．２％の体積分率で前記基材中に分布していることが好ましい。この場合、特に可視光の透過率と、紫外線遮蔽効果とのバランスがよく、被遮蔽物の色調を維持した状態で、紫外線による劣化を効果的に防ぐことができる。また、粒子の配合が比較的少ないため、基材中に均一に分布させやすく、被遮蔽物の表面に対して均一な紫外線遮蔽効果を得ることができる。

本発明に係る紫外線遮蔽膜は、前記粒子が酸化亜鉛から成り、膜厚が１乃至１００μｍであってもよい。また、本発明に係る紫外線遮蔽膜は、前記粒子がジルコニアから成り、膜厚が１乃至１３０μｍであってもよい。これらの場合、特に可視光の透過率と、紫外線遮蔽効果とのバランスがよく、被遮蔽物の色調を維持した状態で、紫外線による劣化を効果的に防ぐことができる。

本発明に係る紫外線遮蔽膜は、被遮蔽物の表面に塗布して形成された塗膜、または被遮蔽物の表面に貼り付けられたフィルムから成ることが好ましい。この場合、被遮蔽物の表面に容易に形成されて、紫外線による劣化を防ぐことができる。

本発明によれば、プラスチックや屋外のものに使用することができ、原材料の製造が容易で、被遮蔽物の表面に対して均一な紫外線遮蔽効果が得られる紫外線遮蔽膜を提供することができる。

本発明に係る紫外線遮蔽膜の原理を示す側面図である。本発明に係る紫外線遮蔽膜の、粒子が（ａ）酸化亜鉛、（ｂ）ジルコニア、（ｃ）酸化チタンのときの、粒子直径ｄに対する減衰効率Ｑ_ｅｘｔの計算結果を示すグラフである。本発明の実施の形態の紫外線遮蔽膜の、粒子が酸化亜鉛のときの、光の波長λに対する透過率τの測定結果を示すグラフである。本発明の実施の形態の紫外線遮蔽膜の、粒子が酸化亜鉛から成り、（ａ）酸化亜鉛粒子の粒径、（ｂ）膜厚、（ｃ）酸化亜鉛粒子の体積分率を変えたときの、光の波長λに対する透過率τの測定結果を示すグラフである。本発明の実施の形態の紫外線遮蔽膜の、粒子が酸化チタンから成り、酸化チタン粒子の粒径および膜厚を変えたときの、光の波長λに対する透過率τの測定結果を示すグラフである。本発明の実施の形態の紫外線遮蔽膜の、粒子がジルコニアから成り、膜厚を変えたときの、光の波長λに対する透過率τの測定結果を示すグラフである。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図３乃至図６は、本発明の実施の形態の紫外線遮蔽膜を示している。
本発明の実施の形態の紫外線遮蔽膜は、可視光に対して透明な基材と、太陽光の紫外線成分を散乱および吸収可能に、基材中に分布した粒子とを有している。

基材は、アクリル樹脂製のバインダーから成り、可視光に対して透明である。
粒子は、粒径が５０〜１００ｎｍの酸化亜鉛（ＺｎＯ）、粒径が６０〜１００ｎｍの酸化チタン（ＴｉＯ_２）、粒径が１００〜２００ｎｍのジルコニア（ＺｒＯ_２）または炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）のうちの少なくとも１つから成っている。

本発明の実施の形態の紫外線遮蔽膜は、基材中に粒子を配合したものを、被遮蔽物の表面に塗布して形成される。なお、本発明の実施の形態の紫外線遮蔽膜は、基材中に粒子が分布したフィルムを、被遮蔽物の表面に貼り付けて形成されてもよい。

本発明の実施の形態の紫外線遮蔽膜は、プラスチックや屋外のものにも使用することができる。基材が可視光に対して透明であるため、被遮蔽物の色調を維持することができる。また、基材中に分布した粒子により、太陽光の紫外線成分を散乱させるだけでなく、吸収することもできるため、プラスチック等の被遮蔽物が紫外線により変質するのを効果的に防ぐことができる。粒子による紫外線成分の吸収を考慮に入れることにより、散乱の効果のみを考慮して設計する場合に比べて、粒子の配合割合を抑制することができ、効率よく紫外線遮蔽効果を得ることができる。このように、紫外線による被遮蔽物の劣化や強度低下を防止することができ、被遮蔽物の寿命を延ばすことができる。

本発明の実施の形態の紫外線遮蔽膜は、被遮蔽物の表面に塗布するだけで容易に形成され、紫外線による劣化を防ぐことができる。また、基材に配合される粒子の表面に膜などを形成する必要がなく、膜の原材料を容易に製造することができる。

このような本発明の実施の形態の紫外線遮蔽膜の応用として、例えば、本発明の実施の形態の紫外線遮蔽膜を有機ＥＬの表面に形成することにより、可視光を透過させつつ、材料のシリコンが劣化するのを防ぐことができ、有機ＥＬの長寿命化を図ることができる。また、ＬＥＤ電球の内側に形成することにより、可視光を透過させつつ、人間の眼に悪影響を及ぼす青色光および近紫外線を遮断することができる。

粒子として酸化亜鉛を用いた紫外線遮蔽膜について、分光光度計により、光の透過率の測定を行った。
酸化亜鉛粒子の粒径が１００ｎｍ、体積分率が１．０％、膜厚が４０μｍの紫外線遮蔽膜を、プラスチックフィルム上に形成して、光の透過率τの測定を行った。その結果を、図３に示す。なお、図３には、比較のため、プラスチックフィルムの透過率も示している。図３に示すように、紫外域の波長λ＝３００ｎｍでは、透過率が１．８％と紫外線をほぼ完全に遮蔽している。それに対し、可視光域の波長λ＝５００ｎｍでは、透過率が７０％であり、外観への影響がほとんど認められないことが確認された。

次に、酸化亜鉛粒子を用いた紫外線遮蔽膜をガラス基板上に形成し、酸化亜鉛粒子の粒径、膜厚、および酸化亜鉛粒子の体積分率をそれぞれ変えたときの、光の透過率τの変化を調べた。それらの結果を、図４（ａ）〜（ｃ）に示す。なお、図４（ａ）における酸化亜鉛粒子の体積分率は１．０％である。図４（ａ）に示すように、酸化亜鉛粒子の粒径が３５ｎｍの場合、高い可視光透過率を維持しているが、紫外線透過率も約５０％と高くなっている。これに対し、粒径６５ｎｍおよび１００ｎｍの場合には、粒径３５ｎｍの場合と比べ、わずかに可視光透過率が減少しているものの、紫外線透過率は大きく低下しており、それぞれ約３０％および約２０％となっている。このように、粒径６５ｎｍおよび１００ｎｍの場合には、可視光の透過率と、紫外線遮蔽効果とのバランスがよく、被遮蔽物の色調を維持した状態で、紫外線による劣化を効果的に防ぐことができるといえる。

また、図４（ｂ）に示すように、膜厚が６μｍ〜７０μｍの場合、高い可視光透過率を維持しつつ、紫外線透過率も約３０％以下となっている。また、膜厚が増加するに従って、可視光および紫外線の透過率が減少しており、特に、膜厚が４０μｍおよび７０μｍの場合に紫外線透過率の減少が大きく、紫外線遮蔽効果が高いことが確認された。

また、図４（ｃ）に示すように、酸化亜鉛粒子の体積分率が０．５％の場合、高い可視光透過率を維持しているが、紫外線透過率は約５０％になっている。体積分率が１．０％の場合には、０．５％の場合と比べ、わずかに可視光透過率が減少しているものの、紫外線透過率は大きく低下しており、約２５％となっている。このように、体積分率が１．０％の場合には、可視光の透過率と、紫外線遮蔽効果とのバランスがよく、被遮蔽物の色調を維持した状態で、紫外線による劣化を効果的に防ぐことができるといえる。

粒子として酸化チタンを用いた紫外線遮蔽膜について、分光光度計により、光の透過率の測定を行った。
酸化チタン粒子の粒径が８０ｎｍ、膜厚が１０μｍの紫外線遮蔽膜、および、粒径が５０ｎｍ、膜厚が７μｍの紫外線遮蔽膜について、プラスチックフィルム上に形成したときの、光の透過率τの測定を行った。その結果を、図５に示す。なお、酸化チタン粒子の体積分率は０．５％である。また、図５には、比較のため、プラスチックフィルムの透過率も示している。

図５に示すように、酸化チタン粒子の粒径が５０ｎｍの場合、高い可視光透過率を維持しているが、紫外線透過率も約６５％と高くなっている。これに対し、粒径８０ｎｍの場合には、粒径５０ｎｍの場合と比べ、わずかに可視光透過率が減少しているものの、紫外線透過率は大きく低下しており、約５０％となっている。このように、粒径８０ｎｍの場合には、可視光の透過率と、紫外線遮蔽効果とのバランスがよく、被遮蔽物の色調を維持した状態で、紫外線による劣化を効果的に防ぐことができるといえる。

粒子としてジルコニアを用いた紫外線遮蔽膜について、分光光度計により、光の透過率の測定を行った。
ジルコニア粒子の粒径を９０ｎｍとし、膜厚を変えたときの、光の透過率τの測定を行った。その結果を、図６に示す。なお、紫外線遮蔽膜は、ガラス基板上に形成している。また、ジルコニア粒子の体積分率は１．０％である。また、図６には、比較のため、ガラス基板の透過率も示している。

図６に示すように、遠紫外線等の波長λが３００ｎｍ以下の紫外線に対しては、紫外線遮蔽膜の膜厚に関係なく、透過率τがほぼ０％になっており、ほぼ完全に遮蔽していることが確認された。これに対し、波長λが３００ｎｍ以上の紫外線および可視光に対しては、膜厚が大きくなるに従って、透過率τが減少している。特に、膜厚が１２μｍ、４０μｍ、１２０μｍのとき、可視光から紫外線にかけての領域で、透過率τが比較的大きく減少しており、被遮蔽物の色調を維持した状態で、紫外線による劣化を防ぐことができるといえる。

Claims

可視光に対して透明な基材と、
太陽光の紫外線成分を散乱および吸収可能に、前記基材中に分布した所定の粒径を有する粒子とを、
有することを特徴とする紫外線遮蔽膜。
前記粒子は酸化亜鉛、酸化チタン、ジルコニア、および炭酸カルシウムのうちの少なくとも１つから成ることを特徴とする請求項１記載の紫外線遮蔽膜。
前記粒子は、粒径が５０〜１００ｎｍの酸化亜鉛、粒径が６０〜１００ｎｍの酸化チタン、および粒径が１００〜２００ｎｍのジルコニアのうちの少なくとも１つから成ることを特徴とする請求項１記載の紫外線遮蔽膜。
前記粒子は、０．３乃至１．２％の体積分率で前記基材中に分布していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の紫外線遮蔽膜。
前記粒子が酸化亜鉛から成り、膜厚が１乃至１００μｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の紫外線遮蔽膜。
前記粒子がジルコニアから成り、膜厚が１乃至１３０μｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の紫外線遮蔽膜。
被遮蔽物の表面に塗布して形成された塗膜、または被遮蔽物の表面に貼り付けられたフィルムから成ることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の紫外線遮蔽膜。