JP2017128628A - 保護部材、移動体及び保護部材の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】防汚性に優れ、基材への接着性に優れた保護部材及びこれを用いた移動体、並びに保護部材の形成方法の提供。【解決手段】シロキサン結合を有する有機成分と無機成分とを含有する有機無機複合膜２ａ前駆体と、金属酸化物ナノ粒子２ｂ（酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化スズ、酸化ニオブ、酸化イリジウム又は酸化チタンから選択される一つ以上の化合物）とを混合して得た保護部材２前駆体を、基材上コーティングすることにより形成した保護部材２。保護部材２の平均硬さが鉛筆硬度で５Ｈ以上であることが好ましい保護部材。金属酸化物ナノ粒子２ｂの平均粒径が１〜５００ｎｍ、好ましくは５〜３００ｎｍ、より好ましくは１０〜１００ｎｍである保護部材１。【選択図】図１

Description

本発明は、保護部材、移動体及び保護部材の形成方法に関する。

鉄道車両や自動車等の移動体においては、その表面における汚れの付着や堆積が発生している。例えば鉄道車両では、走行時に車輪とレールとの摩擦により発生した金属粉が、移動体の表面に付着して堆積する。金属粉は移動体表面で酸化して錆の状態に至り、褐色の着色汚れを発生する。

移動体の防汚性を向上させるには、移動体の表面に、種々の汚れに対応可能な表面構造を有する保護用の膜を形成することが有効である。

例えば、特開２００２−８０８２９号公報（特許文献１）には、「基材と、該基材上に最外層として形成される親水性被膜とを少なくとも有してなる親水性部材であって、前記親水性皮膜が、光触媒性の親水性金属酸化物ナノ粒子と、親水性無機非晶質物質とを少なくとも含んでなり、前記親水性被膜の表面に隆起している部分とそうでない部分を有している親水性部材。」に関する技術が開示されている。

特開２００２−８０８２９号公報

特許文献１では、親水性被膜と、金属材料や塗布材料との接着性については考慮されていない。
仮に、金属材料や塗布材料により形成される面に、親水性被膜を形成した場合、親水性被膜の剥離が生じることがある。特に、鉄道車両や自動車等の移動体は、走行中に飛散した飛び石や金属片により、表面に傷が付き易く、傷の部分から剥離して、劣化が進行することがある。

この場合に、例えば、保護膜の車体への接着力が弱いと、保護膜の剥離が生じ、保護膜本来の役割を果たせなくなり車体表面の劣化が起こることとなる。親水性無機非晶質物質は車体の基材である金属や塗装との接着力は低くなるが、特許文献１は、この点について考慮されていない。

また、特許文献１の親水性被膜は、表面に付着した金属粉が酸化したときの着色汚れに対する防汚性については、考慮されていない。このため、親水性被膜の表面に金属粉が付着した場合、錆による着色汚れが発生し、外観が損なわれる。

本発明の目的は、防汚性を有し、基材への接着性に優れた保護部材及びこれを用いた移動体、並びに保護部材の形成方法を提供することにある。

本発明に係る保護部材の好ましい実施形態としては、有機成分と無機成分とを含む有機無機複合膜と、金属酸化物ナノ粒子と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る移動体の好ましい実施形態としては、有機成分と無機成分とを含む有機無機複合膜と、金属酸化物ナノ粒子と、を有する保護部材が表面の少なくとも一部に配置されたことを特徴とする。

また、本発明に係る保護部材の形成方法の好ましい実施形態としては、有機成分と無機成分とを含有する有機無機複合膜前駆体と、金属酸化物ナノ粒子とを混合して保護部材前駆体を形成し、前記保護部材前駆体により、前記基材上に保護部材を形成することを特徴とする。

本発明によれば、防汚性を有し、基材への接着性に優れた保護部材及びこれを用いた移動体、並びに保護部材の形成方法を実現することができる。

実施形態に係る保護部材の構成例を示す断面図である。 参考比較例における保護部材の構成例を示す断面図である。 鉄道車両の側面図である。 保護部材の形成方法を説明するための図である。 実施例１〜１０の評価結果の表１を示す図である。 実施例１１〜２３の評価結果の表２を示す図である。 比較例１〜３の評価結果の表３を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

実施形態１

＜保護部材＞
以下、実施形態に係る保護部材について説明する。
図１は、実施形態に係る保護部材の構成例を示す断面図である。図１に示すように、保護部材２は、基材１の表面を被覆するように形成されている。基材１としては、例えば金属材料、セラミックス、樹脂又はこれらの複合体が挙げられる。保護部材２は、有機無機複合膜２ａと、有機無機複合膜２ａ中に分散された金属酸化物ナノ粒子２ｂとを有している。

有機無機複合膜２ａは、基材１と接着する膜材であり、有機成分と無機成分とが化学結合して、分子レベル又はナノレベルで複合化して形成されている。有機無機複合膜２ａは、例えばガラス様体等の無機成分と、固体状態の有機高分子等の有機成分とを含有するものを用いて形成することができる。有機無機複合膜２ａは、本願明細書において薄く塗布することを考慮したことから膜と表現するが、これに限定されるものではなく、有機無機複合部材の概念を含むものである。

有機無機複合膜２ａとしては、具体的には、例えば無機成分としてシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）を主体とする成分を有し、有機成分としてエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等の樹脂の成分を有するものを用いることができる。シロキサン結合を有することで、硬質な膜となり、且つ太陽光による紫外線照射に伴う膜の劣化に対する耐性を向上することができる。

保護部材２は、例えば有機無機複合膜２ａの前駆体（以下、単に有機無機複合膜前駆体と示す。）と金属酸化物ナノ粒子２ｂを混合した保護部材前駆体を、基材１の表面に塗布又は配置し、乾燥させることにより形成することができる。保護部材２の形成方法については、後に詳述する。

保護部材２を、有機無機複合膜２ａと、有機無機複合膜２ａ中に分散された金属酸化物ナノ粒子２ｂとを有する膜構造とすることで、優れた防汚性を保ちながら、基材１に対して優れた接着性を得ることができる。

具体的には、有機無機複合膜２ａに含まれる無機成分と、金属酸化物ナノ粒子２ｂとによって、保護部材２として高い硬度を得ることができる。これにより、砂塵、金属粉等の硬質な異物による、基材１表面の損傷を低減することができる。また、金属酸化物ナノ粒子２ｂを添加することで、金属錆の発生を防止し、着色汚れを防止することができる。

また、保護部材２は、有機無機複合膜２ａに含まれる有機成分によって、基材１への接着性を確保することができる。このため、例えば保護部材２の表面に異物が衝突した時の衝撃や、使用期間の経過による保護部材２の膜剥がれを低減することができる。

また、保護部材２は、有機無機複合膜２ａに含まれる有機成分によって、基材１に対する接着性が高められているため、保護部材２の表面に付着した異物や汚れを洗浄により除去するときの、保護部材２の膜剥がれを防止し、洗浄に対する耐性を保持することができる。

特に、有機無機複合膜２ａは、金属材料や塗装材料に対しても、優れた接着性を有している。このため、金属材料や塗装材料により形成された面に、保護部材２を形成することで、シャワー洗浄やブラシによる擦過を行ったときに、保護部材２が剥離するのを防止することができる。このため、洗浄処理に対する保護部材２の耐性を向上させることができる。

仮に保護部材が無機成分だけで構成されているとすると、金属材料や塗装材料により形成される面に対しては、十分な接着力を得られない。このため、錆等の汚れを表面洗浄により除去しようとすると、保護部材が、金属材料や塗装材料により形成される面から剥離することがある。

また、保護部材２では、有機無機複合膜２ａに含まれる無機成分や金属酸化物ナノ粒子２ｂにより、耐候性が高められており、クラックやチョーキング等の不具合の発生が抑制されている。このため、基材１の表面に保護部材２を形成することで、例えば移動体等の構造体を、野外でも長期間使用することができる。例えば樹脂材料等の有機物は、一般に耐候性が低いため、仮に保護部材が樹脂材料だけで構成されている場合、太陽光に含まれる紫外線による劣化が生じ易い。

有機無機複合膜２ａとしては、例えば、金属アルコキシドと、水酸基等の極性基を有する有機高分子との混合物を有機無機複合膜前駆体として使用し、これらを反応させたものを、有機無機複合膜２ａとして用いることができる。この場合、金属アルコキシドの加水分解により得られる金属酸化物と、有機高分子との間に化学結合が形成され、両者が複合化することで、有機無機複合膜が形成される。

また、有機無機複合膜２ａは、例えばシランカップリング剤のように、有機物と相互作用し得る有機基と、金属成分を含む加水分解性基とを分子内に有する化合物を用いて形成することもできる。例えばシランカップリング剤を用いる場合、金属又は金属酸化物と、有機高分子とを、シランカップリング剤と共に混合した混合物を、有機無機複合膜前駆体として使用し、これらを反応させることで、有機無機複合膜を形成することができる。この場合、有機無機複合膜は、金属又は金属酸化物と、有機高分子とが、シランカップリング剤を介して化学結合することで形成される。

有機無機複合膜２ａとしては、製造のし易さや、膜としての安定性を得る観点から、上記したシロキサン結合等のケイ素を主鎖骨格とする成分を、無機成分として含有するものが好適である。また、有機無機複合膜２ａに含まれる無機成分としては、ケイ素を主鎖骨格とするものに限られず、チタン、ジルコニア又はアルミニウムを主鎖骨格に含むものを適用することも可能である。

金属酸化物ナノ粒子２ｂは、金属酸化物からなるナノ粒子である。金属酸化物ナノ粒子２ｂは、保護部材２表面への異物や金属錆の付着及び保護部材２内部への金属錆の侵入を防止し、保護部材２の着色汚れを防止することができる。

金属酸化物ナノ粒子２ｂの平均粒径は、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下が好ましい。金属酸化物ナノ粒子２ｂの平均粒径が５００ｎｍ以下であると、金属酸化物ナノ粒子２ｂの表面積を十分に確保でき、保護部材２において、金属錆の付着を防止する効果を十分に得られるためである。

また、平均粒径は、粒径が小さいほうが添加量に対する表面積が大きく取れるため、小さいほうが好ましいことから５ｎｍ以上３００ｎｍ以下であるとよい。また、粒径が大きい方が適切な分散状態を得やすいことを考慮すると、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であると分散状態と表面積のバランスが取れるため好ましい。

金属酸化物ナノ粒子２ｂとしては、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化スズ、酸化ニオブ、酸化イリジウム、酸化チタン等を用いることができる。これらの金属酸化物は、単独で用いてもよく、複数種を混合して用いてもよい。

保護部材２における金属酸化物ナノ粒子２ｂの含有量は、０．１〜５０質量％であることが好ましい。保護部材２における金属酸化物ナノ粒子２ｂの含有量は、望ましくは０．５〜２５質量％であり、更に望ましくは１〜１０質量％である。

金属酸化物ナノ粒子２ｂの含有量を０．１質量％以上とすることで、保護部材２において、錆の発生による着色汚れを防止する効果を十分に得ることができる。保護部材２における金属酸化物ナノ粒子２ｂの含有量が５０質量％以下であると、保護部材２の形成時において、円滑な成膜作業が可能である。この場合、例えば基材１上に、保護部材２が形成されない領域が生じにくくなり、この領域において、保護部材２としての機能を得ることができるためである。

有機無機複合膜２ａの硬さは鉛筆硬度５Ｈ以上であることが好ましい。保護部材２は、有機無機複合膜２ａの硬さによって、実質的な硬さを得るものである。鉛筆硬度が５Ｈ以上である有機無機複合膜２ａを用いることで、硬質な砂塵や金属粉等の付着を、有機無機複合膜２ａ単独でもある程度防止することができる。

保護部材２の硬さは、鉛筆硬度５Ｈ以上であることが好ましい。なお、鉛筆硬度とは、鉛筆硬度試験に基づいて評価した引っ掻き硬度である。

以上説明した実施形態に係る保護部材２は、基材１の表面を被覆するように形成することで、基材１の表面の損傷を低減し、金属成分の錆による着色汚れを防止して、防汚性を向上させることができる。保護部材２を鉄道車両や自動車のコーティング材として実施した場合には、保護部材２の表面に付着した汚れをブラシやシャワーで洗浄しても保護部材２は剥離しにくい。そのため、これらの構造体表面のメンテナンスが容易となり、保護部材２を除去し、塗布しなおす作業が削減されるため、メンテナンス費用を低減することができる。

＜参考比較例＞
本実施形態の保護部材２との対比のために、参考比較例を示す。
図２は、参考比較例における保護部材の構成例を示す断面図である。基材１０１の表面には、有機樹脂成分により形成されるコーティング膜１０２ａと、ナノ粒子より大きい粒径を有する粒状物質１０２ｂとを有する保護部材１０２が形成されている。図２においては、保護部材１０２の表面に汚れＤが付着した状態を示している。

有機樹脂により形成されるコーティング膜１０２ａは硬度が低いため、基材１０１の周辺で、例えば砂塵、金属粉等の硬質な異物が周辺で発生すると、これらの異物が保護部材１０２の表面に突き刺さり、汚れＤとして強固に付着する。

図２に示す参考比較例の保護部材１０２では、コーティング膜１０２ａ中に分散されている粒状物質１０２ｂが、ナノ粒子よりも大きい粒径を有する。このため、保護部材１０２の表面に、汚れＤとして金属粉が付着したときに、錆の発生を抑制することができず、基材１０１上に着色汚れが発生する。

保護部材１０２の表面に付着した金属粉は、錆を発生して褐色汚れとなり、体積膨張により基材１表面に密着する。保護部材１０２表面に密着した錆の物理的な除去を試みた場合、錆自体は脆いため、除去時に発生した細かい残渣が保護部材１０２の表面に僅かに残留する。また、錆の成分は、微小なコロイド粒子として、保護部材１０２の内部に浸入し、膜材自体に着色汚れを生じさせる。このため、基材１０１上に錆が発生した場合、錆やこれに伴う着色汚れを完全に除去することは困難である。

実施形態２

＜移動体＞
図３は、保護部材を有する鉄道車両の側面図である。図３に示すように、鉄道車両１１の外壁は、その側面部１７及び天井である上面部１５が、金属板を加工した加工材により形成されている。鉄道車両１１の側面部１７には、開閉扉であるドア部１３や窓部１４が設けられている。また、鉄道車両１１の上面部１５には、パンタグラフ１６が設けられている。鉄道車両１１の底面部１８の外壁には、車輪１２が設けられている。

鉄道車両１１では、移動時の速度上昇に伴い、砂塵や金属粉等の硬質な異物が鉄道車両１１の外壁の表面に激しく衝突し易く、これらが外壁の表面に強固に付着する。表面に付着した異物は、通常の洗浄では除去が困難である。

鉄道車両１１の外壁には、上記した保護部材２が形成される。このため、鉄道車両１１の外壁における、金属粉や砂塵等の硬質な異物の付着を防止することができ、また金属成分の錆を原因とする着色汚れを防ぎ、優れた防汚性を得ることができる。

これにより、鉄道車両１１の外壁の塗料の塗り替え頻度を低減することができる。外壁とは鉄道車両１１の外気と接触する領域を指す。また、外壁の表面を定期的に洗浄している場合には、従来のコーティング材を使用する際に比べて、次に洗浄を行うまでの期間を延長することができる。洗浄や塗り替えを行う頻度が低減されることで、鉄道車両１１の稼働率を向上させることができる。

また、ブラシ洗浄等の洗浄処理を行うと、その回数が増えるほど、表面の摩耗が進行する。上記したように、鉄道車両１１の外壁の表面を保護部材２により被覆することで、洗浄回数を低減することができる。このため、鉄道車両１１の耐用年数を向上させることができる。

なお、鉄道車両１１の外壁の表面に公知の塗料を塗布する場合、塗装膜によって、若干の防汚性を得られるが、下記の問題がある。すなわち、一般に、塗料としては、有機樹脂中にミクロンサイズの顔料を添加したものが用いられる。この場合、顔料粒子を含む有機樹脂を固形化することで、有機樹脂を主体とする有機樹脂膜に、顔料粒子が分散された塗装膜が形成される。

塗装膜の表面は、顔料粒子間に存在する有機樹脂膜が占める面積が大きいため、全体的に軟らかく、低硬度となっている。このため、鉄道車両１１のように、屋外で使用される場合には、硬質な砂塵や金属粉等の異物が塗装膜の表面に衝突し、これらが突き刺さって塗装膜に強く付着する。このため、表面に付着した異物や、錆による着色汚れにより、表面の美観が損なわれ易い。これに対し、本実施形態のように、塗装膜の表面に、保護部材２を形成することで、砂塵や金属粉等の硬質な異物の付着や、錆の発生を防止できる。このため、従来の塗装膜を最表層とした場合と比較して、防汚性を向上させることができる。

また、従来の塗料等の絶縁体の表面は、親水性が低いため、微細な異物や塵埃が静電気により吸着され易くなっている。従来の塗装膜の表面に、実施形態の保護部材２を形成することで、有機無機複合膜２ａに含まれる無機成分や、金属酸化物ナノ粒子２ｂにより、これらの微細な異物や塵埃の付着を低減し、防汚性を向上させることができる。

また、鉄道車両１１においては、塗装コストの削減や、意匠性の観点から、アルミニウム、ステンレス等の金属材を、表面に塗装を施さない状態で使用または運用することがある。表面塗装を行わない状態で金属材を使用すると、周辺環境に存在する鉄等の金属成分が付着することによる、所謂もらい錆びが発生し易い。

金属材の表面を、実施形態の保護部材２により被覆することで、金属材の表面が物理的に保護され、金属材表面への、金属成分の付着が防止される。このため、金属材表面における、金属錆の発生や、これに伴う着色汚れを効果的に防止することができ、防汚性を向上させることができる。

また、保護部材２は、可視光波長よりも微小な粒径を有する金属酸化物ナノ粒子２ｂが、有機無機複合膜２ａ中に分散されている場合がある。有機無機複合膜２ａは透明であるため、保護部材２は、全体として透明又は半透明となる。このため、表面塗装を行わない鉄道車両１１の表面に保護部材２を形成しても、金属材自体の表面の風合いを残すことができ、金属質の美観を有する鉄道車両１１を提供することができる。

保護部材２は、鉄道車両１１の側面部１７に形成してもよいが、加えて上面部１５に形成してもよい。鉄道車両１１の上面部１５に、着色汚れが生じると、太陽光が吸収され易くなり、移動体の冷房効率が低下することがある。移動体の上面に保護部材２を形成することで、上面における汚れの低減を図ることができる。これにより、鉄道車両１１における車内の冷房効率を向上させることができる。

鉄道車両１１においては、パンタグラフ１６が架線と接触しながら移動したときに発生する異物により、上面部１５に汚れが生じ易い。上面部１５に保護部材２を形成することで、このような異物の付着やこれに伴う着色汚れを防止し、防汚性を向上させることができる。

なお、実施形態２では、鉄道車両を例にして説明したが、例えば、自動車や飛行機の外壁に、保護部材２を適用した場合にも、防汚性向上及び接着性向上の効果を得ることができる。

実施形態３

＜保護膜の製造方法＞
次に、実施形態に係る保護部材２の製造方法について説明する。
有機無機複合膜前駆体は、有機成分と無機成分とを含有するものであり、この有機無機複合膜前駆体と、金属酸化物ナノ粒子２ｂとを混合して、保護部材前駆体を作製する。

有機無機複合膜前駆体としては、例えばＳｉＯ_２化等の硬化反応が常温で進行する化合物を用いることが好ましい。ただし、有機無機複合膜前駆体としては、常温で硬化するものに限定されない。例えば、加熱により硬化反応が促進される化合物を用いて有機無機複合膜前駆体を形成してもよい。

有機無機複合膜前駆体としては、例えば、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシチタン、テトラターシャリーブトキシジルコニウム、トリイソブトキシアルミニウム等の金属アルコキシド、ポリシラザン、水ガラス（ケイ酸ナトリウム）、シランカップリング剤等の有機シラン化合物等を、無機成分として含有するものを用いることができる。

有機無機複合膜前駆体は、シラン化合物に触媒等の添加剤を添加して構成されるガラスコーティング剤を用いて調製することも可能である。ガラスコーティング剤としては、ケイ素を含有し、ガラス様の被膜を形成可能な液状体であれば、特に限定することなく用いることができる。なお、ガラスコーティング剤を使用する場合には、硬化後の有機無機複合膜２ａにおいて、５Ｈ以上の鉛筆硬度が得られるものを選定することが好ましい。

有機成分は、無機成分と化学結合可能な成分であれば、特に限定することなく用いることができる。具体的には、例えば、上記したエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等の樹脂成分を、無機成分と混合して用いることができる。

金属酸化物ナノ粒子２ｂとしては、上記した種類及び粒径のものを用いることができる。金属酸化物ナノ粒子２ｂの添加量は、保護部材２の防汚性を向上させることができるように、適宜調整すればよい。有機無機複合膜前駆体に対する金属酸化物ナノ粒子２ｂの添加量は、０．１〜２５質量％の範囲で調整することが好ましい。

有機無機複合膜前駆体に対する金属酸化物ナノ粒子２ｂの添加量を２５質量％以下とすることで、保護部材前駆体を低粘度に抑えることができる。このため、保護部材前駆体の塗布作業を行い易く、基材１上に、均一な膜厚を有する保護部材２を容易に形成することができる。従って、得られる保護部材２が脆くなったり、割れたりする不具合を防止することができる。また、有機無機複合膜前駆体に対する金属酸化物ナノ粒子２ｂの添加量が０．１質量％以上であると、得られる保護部材２において、錆の発生による着色汚れを防止する効果を十分に得られる。

なお、有機無機複合膜前駆体に対する金属酸化物ナノ粒子２ｂの添加量を２５質量％より多く５０％以下でも実施可能であるが、この場合は、保護部材前駆体の粘度が高くなる。例えば、被塗布部材との関係で粘度が高いことが要求される場合に有効である。

混合方法は特に制限されない。混合方法は、有機無機複合膜前駆体中に金属酸化物ナノ粒子２ｂを分散させることが可能な方法で行うことが望ましい。混合には、例えば撹拌羽根を用いた混合機、スタティックミキサ、ボールミル、ビーズミル、ホモジナイザー等の分散機を使用することができる。なお、有機無機複合膜前駆体中に、予め金属酸化物ナノ粒子２ｂが分散されているものを、保護部材前駆体として用いることも可能である。

次に、基材１を準備する。次に、基材１上に、金属酸化物ナノ粒子２ｂと有機無機複合膜前駆体とを混合した保護部材前駆体を塗布又は配置することによって、基材１上に保護部材前駆体の膜または層構造を形成する。

有機無機複合膜前駆体として、硬化後に得られる有機無機複合膜２ａが基材１から剥離し易い材料を用いる場合には、基材１の表面に予めプライマ層を形成したうえで、プライマ層の表面に保護部材前駆体を塗布してもよい。プライマ層は、基材１に対する保護部材前駆体の付着力を向上させるために形成する層である。プライマ層としては、具体的には、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエステル系樹脂等の、種々の樹脂により形成される層を用いることができる。

保護部材２の厚さは、０．２〜１００μｍが適正である。従って、保護部材２として上記範囲の厚さが得られるように、保護部材前駆体の塗布量を適宜調整して、基材１上への塗布を行うことが好ましい。保護部材２の厚さが０．２μｍ以上であると、保護部材前駆体の塗布時に、基材１の表面に塗布ムラが生じにくく、保護部材前駆体の膜が形成されない箇所が生じる等の成膜不良が生じにくいからである。また、保護部材２の厚さが１００μｍ以下であると、保護部材２に亀裂や割れ等が生じにくくなるからである。保護部材２の厚さは、１〜５０μｍとすると塗布ムラが生じにくく、亀裂や割れ等が生じにくくなる。さらに、３〜２０μｍとすることと仮に塗布ムラにより一部薄く形成されていたとしても、孔が空くようなことがないためより好ましい。これらの厚みとした場合には、保護部材２を乾燥させ硬化させる時間を短くできるため鉄道車両１１等への塗布時間を減らすことにも寄与する。ひいては、鉄道車両１１等の運用効率を上昇させることができる。

次に、基材１上に形成された保護部材前駆体の膜を乾燥させる。これにより、保護部材前駆体が硬化し、基材１上に保護部材１が形成される。乾燥は、通常、保護部材前駆体の膜を常温（約２７℃）で放置することで、自然乾燥により硬化させる。

なお、保護部材前駆体の膜は、有機無機複合膜前駆体の材料に応じて、適宜加熱して硬化させてもよい。なお、保護部材前駆体の膜の硬化方法は、保護部材前駆体の材料特性に応じて、適宜変更してもよい。乾燥以外の硬化方法としては、例えば光照射が挙げられる。

なお、加熱硬化を行う場合には、基材１を損傷させない程度の温度で行う。基材１は、上記したように、例えば金属、セラミックス、樹脂又はこれらの複合体により構成されるため、これらの材料を損傷させない程度の温度に適宜調整して、加熱硬化を行うことがよい。

以上説明した方法によれば、基材１の表面に、防汚性に優れ、基材１に対する接着性に優れた保護部材２を形成することができる。

上記した保護部材の形成方法では、基材１の表面に、保護部材前駆体を塗布して保護部材２を形成する例を示した。但し、保護部材２の形成方法は、必ずしもこのような方法には限定されない。

例えば、図４で示すように、基材１とは異なる転写用部材３０を用いて、基材１の表面に保護部材２を転写するようにしてもよい。まず、転写用部材３０の表面に、保護部材前駆体を塗布して保護部材前駆体の膜を形成する。そして、転写用部材３０の表面で、保護部材前駆体の膜を乾燥等により硬化させて、保護部材２を形成する。次いで、転写用部材３０の表面に形成された保護部材２の表面２１を、基材１の表面に押し付ける。これにより、転写用部材３０上における保護部材２の表面２１を、基材１に対する接着面として、保護部材２が、基材１の表面に転写される。

図４に示す方法を用いることで、基材１の表面に、保護部材前駆体を直接塗布しなくても、保護部材２を形成することが可能となる。すなわち、転写用部材３０の表面で形成した保護部材２の表面を、基材１の表面に接着させるだけで、基材１上に保護部材２を形成することができる。

また、図４に示す方法を用いることで、保護部材前駆体の乾燥を、基材１上ではなく、転写用部材３０上で別途行うことができる。このため、乾燥による基材１の損傷を抑制することができる。なお、図４に示す方法においても、保護部材前駆体の乾燥は、必ずしも転写用部材３０上で行わなくてもよく、基材１上で行ってもよい。

上記において説明した保護部材２について、以下に具体的に説明する。
まず、図１に示す基材１としてアルミニウム板を準備した。具体的には、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（６０００系アルミニウム合金)のうち、６Ｎ０１合金を用いた。アルミニウム板は、２００ｍｍ×３００ｍｍ、厚さ２ｍｍのものを使用した。このアルミニウム板にヘアライン加工を施し、アセトンを含ませたウェスを用いてその表面を拭い脱脂した。

ヘアライン加工とは、金属の表面処理加工の一種であり、単一方向に細かい傷をつける加工法である。例えば、アルミニウム板の表面を金属ブラシ等で擦過して浅い傷を付けることで施される。ヘアライン加工を施すことにより、アルミニウム板の表面のつや消し効果が生じ、金属的な質感を強調することができる。

有機無機複合膜前駆体の原料として、テトラエトキシシラン５０質量％、アクリル樹脂２５質量％、エポキシ樹脂２０質量％、硬化剤５質量％を用いた。トルエン：キシレン：酢酸ブチル＝４：４：２（質量比）の混合溶媒に、上記したアクリル樹脂とエポキシ樹脂を投入して撹拌した。この混合物に、更にテトラエトキシシランを投入し、撹拌して、混合物Ａを得た。混合物Ａに硬化剤を添加することで、有機無機複合膜前駆体を調整した。

次に、有機無機複合膜前駆体に、金属酸化物ナノ粒子２ｂである平均粒径２０ｎｍの酸化亜鉛を添加し、撹拌することで、保護部材前駆体であるコーティング剤を作製した。酸化亜鉛は、得られる保護部材２における含有量が５質量％となるように添加量を調製して、有機無機複合膜前駆体に添加した。

上記で得られたコーティング剤をウェスに含ませ、ムラを生じないようにアルミニウム板にコーティングして、コーティング剤の膜を形成した。

強制対流可能な乾燥炉を用いて、アルミニウム板上に形成されたコーティング剤の膜を乾燥させた。まず、乾燥炉の炉内温度を予め５０℃に余熱し、この炉内に、コーティング剤の膜が形成されたアルミニウム板を入れ、３０分間放置して乾燥させて、アルミニウム板上に、有機無機複合膜２ａと金属酸化物ナノ粒子２ｂである酸化亜鉛とを有する保護部材２を形成した。乾燥後、保護部材２を有するアルミニウム板を常温まで冷却した。得られた保護部材２を目視にて確認したところ、透明で割れのない膜であることが確認された。

上記工程によって得られたアルミニウム板上の保護部材２について、以下に示す方法により、引っ掻き硬度、防汚性及び密着性を評価した。評価結果を図５に示す。

なお、引っ掻き硬度、防汚性及び密着性の評価は、実施例２〜２３及び比較例１〜３においても、以下に示す評価基準と同様の基準で行った。

（引っ掻き硬度）
引っ掻き硬度は、鉛筆硬度試験（ＪＩＳ Ｋ５６００−５−４）に基づいて評価した。鉛筆硬度試験は、試料（この場合、アルミニウム板上の保護部材２）の表面に鉛筆の芯を押付けながら、鉛筆を動かし、試料表面の傷付きの有無により、用いた鉛筆の芯の硬さを指標として、引っかき硬度を定量化する方法である。

（防汚性）
防汚性については、次のようにして評価した。上記工程により保護部材２が形成されたアルミニウム板を、温度５０±１℃、相対湿度９５％以上の湿潤状態下において、２４時間放置した。この後、温度２３±２℃、相対湿度５０±５％の状態下において放置して、乾燥させた。

次いで、乾燥後のアルミニウム板を水平面に置き、アルミニウム板上の保護部材２の表面に、スプレーガンにより、粒径１０μｍの鉄粉を均一に吹きつけた。次いで、このアルミニウム板を垂直に立て、鉄粉を吹き付けた面の反対側の面を軽く叩いて、鉄粉の吹き付け面に付着している鉄粉を脱落させた。

次いで、保護部材２に鉄粉を付着させたアルミニウム板を高温高湿環境下（６０℃、湿度９０％）に２４時間放置した後、アルミニウム板を室温まで冷却した。次いで、アルミニウム板及び保護部材２を流水下で洗浄した。洗浄後のアルミニウム板及び保護部材２表面の水分を拭き取り、室温で乾燥した。

鉄粉の付着処理前と、付着状態で２４時間放置した後の保護部材２の色彩（Ｌ^＊、ａ^＊、ｂ^＊）を、それぞれ色彩色差計（コニカミノルタ センシング社製「色彩色差計 ＣＲ−４００」）にて測定した。得られた測定結果から色差（ΔＥ）を算出した。色差（ΔＥ）は、以下の（式１）により表される。

上記（式１）により算出された、鉄粉の付着前の色差（ΔＥ）と、鉄粉の付着後の色差（ΔＥ）との差分に基づき、以下の基準で防汚性の良否を判定した。色差（ΔＥ）の差が５未満の場合を「◎」、色差（ΔＥ）の差が５以上１５未満の場合を「○」、色差（ΔＥ）の差が１５以上２５未満の場合を「△」、色差（ΔＥ）の差が２５以上を「×」とした。各実施例において、防汚性と密着性については「△」でも十分に実施可能であるが、「○」または「◎」であるとよりよい。

（密着性）
アルミニウム板への保護部材２の密着性については、次のように評価した。まず、保護部材２に対して、アルミニウム板に達する切れ目を碁盤目状に形成した。具体的には、カッターナイフを用いて、縦方向及び横方向の直線状の切れ目を、それぞれ１１本ずつ互いに交差するように形成した。直線状に切れ目は、それぞれ２ｍｍ間隔で形成した。これにより、切れ目で囲まれた２ｍｍ×２ｍｍの正方形を、保護部材２上に合計１００個形成した。換言すれば、直線状の切れ目により、２０ｍｍ×２０ｍｍの領域が碁盤目状に分割された保護部材２を形成した。

次いで、保護部材２の碁盤目状の領域に、セロハンテープを密着させた後、このセロハンテープを上方に一気に引き上げて、引き剥がした。セロハンテープの密着及び引き剥がしの作業を３回繰り返した。その結果、碁盤目状に分割された領域において剥離した保護部材２の面積を目視で算出し、碁盤目状の領域全体の面積に対する、剥離部分の面積の割合を、欠損率（剥離率）として算出した。得られた欠損率（剥離率）を用いて、以下の基準で密着性の良否を判定した。欠損率が０％の場合を「○」、欠損率が０％を超えて１５％未満の場合を「△」、欠損率が１５％以上の場合を「×」とした。

得られた保護部材２について、実施例１と同様にして、引っ掻き硬度、防汚性及び密着性の評価を行った。評価結果を図５に示す。

また、以下の実施例２についても同様の評価行い、その評価結果を図５または図６に示す。

金属酸化物ナノ粒子２ｂとして、酸化ジルコニウムを用いた。これ以外は、実施例１と同様にしてコーティング剤を作製し、実施例１と同様にして、アルミニウム板上に保護部材２を形成した。

金属酸化物ナノ粒子２ｂとして、酸化スズを用いた。これ以外は、実施例１と同様にしてコーティング剤を作製し、実施例１と同様にして、アルミニウム板上に保護部材２を形成した。

金属酸化物ナノ粒子２ｂとして、酸化マグネシウムを用いた。これ以外は、実施例１と同様にしてコーティング剤を作製し、実施例１と同様にして、アルミニウム板上に保護部材２を形成した。

金属酸化物ナノ粒子２ｂとして、酸化ニオブを用いた。これ以外は、実施例１と同様にしてコーティング剤を作製し、実施例１と同様にして、アルミニウム板上に保護部材２を形成した。

金属酸化物ナノ粒子２ｂとして、酸化イリジウムを用いた。これ以外は、実施例１と同様にしてコーティング剤を作製し、実施例１と同様にして、アルミニウム板上に保護部材２を形成した。

金属酸化物ナノ粒子２ｂとして、酸化チタンを用いた。これ以外は、実施例１と同様にしてコーティング剤を作製し、実施例１と同様にして、アルミニウム板上に保護部材２を形成した。

金属酸化物ナノ粒子２ｂとして、酸化ガリウムを用いた。これ以外は、実施例１と同様にしてコーティング剤を作製し、実施例１と同様にして、アルミニウム板上に保護部材２を形成した。

金属酸化物ナノ粒子２ｂとして、酸化タングステンを用いた。これ以外は、実施例１と同様にしてコーティング剤を作製し、実施例１と同様にして、アルミニウム板上に保護部材２を形成した。

金属酸化物ナノ粒子２ｂとして、酸化インジウムを用いた。これ以外は、実施例１と同様にしてコーティング剤を作製し、実施例１と同様にして、アルミニウム板上に保護部材２を形成した。

金属酸化物ナノ粒子２ｂとして添加する酸化亜鉛の平均粒径、添加量を図６に示すように変えた。これ以外は、実施例１と同様にしてコーティング剤を作製し、実施例１と同様にして、アルミニウム板上に保護部材２を形成した。

金属酸化物ナノ粒子２ｂとして添加する酸化亜鉛の平均粒径、添加量を図６に示すように変えた。これ以外は、実施例１と同様にしてコーティング剤を作製し、実施例１と同様にして、アルミニウム板上に保護部材２を形成した。

金属酸化物ナノ粒子２ｂとして添加する酸化亜鉛の平均粒径、添加量を図６に示すように変えた。これ以外は、実施例１と同様にしてコーティング剤を作製し、実施例１と同様にして、アルミニウム板上に保護部材２を形成した。

金属酸化物ナノ粒子２ｂとして添加する酸化亜鉛の平均粒径、添加量を図６に示すように変えた。これ以外は、実施例１と同様にしてコーティング剤を作製し、実施例１と同様にして、アルミニウム板上に保護部材２を形成した。

金属酸化物ナノ粒子２ｂとして添加する酸化亜鉛の平均粒径、添加量を図６に示すように変えた。これ以外は、実施例１と同様にしてコーティング剤を作製し、実施例１と同様にして、アルミニウム板上に保護部材２を形成した。

金属酸化物ナノ粒子２ｂとして添加する酸化亜鉛の平均粒径、添加量を図６に示すように変えた。これ以外は、実施例１と同様にしてコーティング剤を作製し、実施例１と同様にして、アルミニウム板上に保護部材２を形成した。

金属酸化物ナノ粒子２ｂとして添加する酸化亜鉛の平均粒径、添加量を図６に示すように変えた。これ以外は、実施例１と同様にしてコーティング剤を作製し、実施例１と同様にして、アルミニウム板上に保護部材２を形成した。

金属酸化物ナノ粒子２ｂとして、粒径２０ｎｍの不定形のアルミナ粒子を用いた。これ以外は、実施例１と同様にしてコーティング剤を作製し、実施例１と同様にして、アルミニウム板上に保護部材２を形成した。

酸化マグネシウム粒子（平均粒径３５ｎｍ）の添加量を、５質量％から３０質量％に変更した。これ以外は、実施例４と同様にして、コーティング剤を作製し、保護部材２を形成した。実施例１９では、コーティング剤の粘度が高いため、コーティング剤をアルミニウム板上に塗布したときにレベリングしにくい。コーティング剤の膜を平滑に形成することができれば実施できる。得られた保護部材２について、実施例１と同様にして、防汚性及び密着性を評価した。

基材１として、図３に示す鉄道車両１１の外壁を用いた。これ以外は、実施例１と同様にして保護部材２を形成した。鉄道車両１１の外壁は、アルミニウム製の無塗装の板材に、ヘアライン加工を施したものを使用した。このような鉄道車両１１の外壁において、側面部１７における下方の領域Ａ１、Ａ２に、実施例１と同様にして、保護部材２を形成した。この鉄道車両１１を、通常の走行車両として社内の実験設備で３か月間使用した。３か月間使用した後の鉄道車両１１について、領域Ａ１、Ａ２に形成された保護部材２の引っ掻き硬度及び防汚性を評価した。引っ掻き硬度については、実施例１と同様にして評価した。防汚性については、走行前の時点と３ヶ月間使用後の時点の色彩を、それぞれ実施例１と同様にして測定し、上記（式１）により色差（ΔＥ）を算出して、走行前の色差（ΔＥ）と３ヶ月間の走行後の色差（ΔＥ）との差を算出した。

実施例２０において、実施例１の方法を用いて行った工程を、実施例２の方法を用いて行った。これ以外は、実施例２０と同様にして保護部材２を形成し、実施例２０と同様にして引っ掻き硬度及び防汚性の評価を行った。すなわち、基材１としては、実施例２０と同様、アルミニウム製の無塗装の板材に、ヘアライン加工を施した鉄道車両１１の外壁を使用した。

基材１として、自動車の外壁を用いた。これ以外は、実施例１と同様にして、保護部材２を形成した。自動車は、外壁の表面が塗装材料により塗装されたものを使用した。すなわち、自動車の外壁の塗装面の一部に、実施例１と同様にして、保護部材２を形成した。この自動車を、通常の走行車両として３か月間使用した。３か月間使用した後の自動車の保護部材２について、引っ掻き硬度及び防汚性を評価した。引っ掻き硬度及び防汚性の評価は、実施例２０と同様にして行った。

実施例２０で引っ掻き硬度及び防汚性を評価した鉄道車両１１を、更に半年間走行させた後、十分な洗浄を行い、実施例２０で形成した保護部材２上に、実施例１で用いたのと同様のコーティング剤を用いて、保護部材２を形成し、引っ掻き硬度及び防汚性の評価を行った。引っ掻き硬度については、実施例１と同様にして評価した。防汚性については、半年間の走行前の時点と、半年間走行後、保護部材２を形成した時点の色彩を、それぞれ実施例１と同様にして測定し、上記（式１）によりそれぞれ算出した色差（ΔＥ）の値の差分により評価した。

（比較例１）
基材１として、実施例１で用いたのと同様のアルミニウム板を使用し、このアルミニウム板に、保護部材２を形成しない状態で、防汚性の評価を行った。防汚性の評価は、実施例１と同様にして行った。評価結果を図７に示す。

（比較例２）
基材１として、実施例１で用いたのと同様のアルミニウム板を用い、このアルミニウム板の表面に、ガラスコーティング剤として、パーヒドロポリシラザン（クラリアント・ジャパン社製）を用いて、保護部材を形成した。得られた保護部材について、実施例１と同様にして、引っ掻き硬度、防汚性及び密着性の評価を行った。評価結果を図７に示す。

（比較例３）
有機無機複合膜前駆体に金属酸化物ナノ粒子２ｂを添加しなかったこと以外は、実施例１と同様にして、コーティング剤を作製した。このコーティング剤を用いて、実施例１と同様にして、保護部材を形成した。得られた保護部材について、実施例１と同様にして、引っ掻き硬度、防汚性及び密着性の評価を行った。評価結果を図７に示す。

（実施例と比較例の対比）
実施例１〜２３によれば、有機無機複合膜２ａと、金属酸化物ナノ粒子２ｂとを有することで、防汚性に優れ、硬度が高く、密着性に優れた保護部材２を得ることができた。

一方、比較例１では、アルミニウム板上に保護部材２を形成していないため、防汚性の評価において、アルミニウム板に付着させた鉄粉が酸化して酸化鉄となり、着色汚れが発生した。このため、鉄粉の付着前と比較して、付着後の色度差（ΔＥ）の値が大きくなった。

また、比較例２では、有機無機複合膜２ａに、有機成分が含まれていないため、アルミニウム板に対する接着性を十分に得られなかった。

また、比較例３では、保護部材に、金属酸化物ナノ粒子２ｂが添加されていないため、防汚性に劣り、鉄粉の酸化による着色汚れが発生した。

保護部材２の適用対象は、移動体に限られない。例えば、ビルや橋梁等のインフラ構造物、屋内において使用される機械設備、建築物、産業機器等の電気製品、サニタリー製品等も、適用対象とした場合にも、優れた防汚性を得ることができる。

また、本願発明の移動体とは、鉄道車両や自動車を代表とする移動体のみならず、移動体の一種として、建設機械やエレベータにも適用可能である。本願明細書においては、上記したように車輪等を動作させ自走する手段またはワイヤやモータ等を用いることで駆動する手段を有することで装置自体が移動するものを移動体という。

さらに、本願発明は、屋外で使用される太陽光発電装置、太陽光発電モジュールや風力発電機、風力発電モジュール等の発電機器の分野にも適用することが可能である。これらの機器は屋外での長期運用が望まれ、特に、風力発電機はブレードの回転動作により耐久性のある保護部材が望まれるからである。
また、本願発明は、屋外での使用に限定されることはなく、金属粉等が発生する工場等の設備において、インバータや監視機器、ホイストやモータ等のアクチュエータ、圧縮機等を代表とする産業機器の分野にも適用可能である。

なお、上記実施例では、保護部材と称したが、これは、例えば、保護フィルム、保護膜、被覆膜、膜材、保護層と言ってもよい。

１…基材、２…保護部材、２ａ…有機無機複合膜、２ｂ…金属酸化物ナノ粒子、２１…保護部材２の表面、１１…鉄道車両、１２…車輪、１３…ドア部、１４…窓部、１５…上面部、１６…パンタフラフ、１７…側面部、１８…底面部、３０…転写用部材、１０１…基材、１０２…保護部材、１０２ａ…コーティング膜、１０２ｂ…粒状物質、Ｄ…汚れ、Ａ１、Ａ２…側面部１７の領域

Claims (15)

1. 有機成分と無機成分とを含む有機無機複合膜と、金属酸化物ナノ粒子と、を有することを特徴とする保護部材。
2. 前記金属酸化物ナノ粒子は、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化スズ、酸化ニオブ、酸化イリジウム、酸化チタンからなる群から選択される少なくとも一の化合物であることを特徴とする請求項１に記載の保護部材。
3. 前記有機無機複合膜は、シロキサン結合を有することを特徴とする請求項１に記載の保護部材。
4. 前記保護部材の平均硬さは鉛筆硬度５Ｈ以上であることを特徴とする請求項１に記載の保護部材。
5. 前記金属酸化物ナノ粒子の平均粒径は１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の保護部材。
6. 前記金属酸化物ナノ粒子の平均粒径は５ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の保護部材。
7. 前記金属酸化物ナノ粒子の平均粒径は１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の保護部材。
8. 前記金属酸化物ナノ粒子の含有量が０．１質量％以上２５質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の保護部材。
9. 有機成分と無機成分とを含む有機無機複合膜と、金属酸化物ナノ粒子と、を有する保護部材が表面の少なくとも一部に配置されたことを特徴とする移動体。
10. 前記有機無機複合膜は、シロキサン結合を有することを特徴とする請求項９に記載の移動体。
11. 前記保護部材の平均硬さは、鉛筆硬度５Ｈ以上であることを特徴とする請求項９に記載の移動体。
12. 有機成分と無機成分とを含有する有機無機複合膜前駆体と、金属酸化物ナノ粒子とを混合して保護部材前駆体を形成し、前記保護部材前駆体により、前記基材上に保護部材を形成することを特徴とする保護部材の形成方法。
13. 前記基材の表面に、前記保護部材前駆体の膜を形成し、
    前記保護部材前駆体の膜を乾燥させて保護部材を形成する
    ことを特徴とする請求項１２に記載の保護部材の形成方法。
14. 前記基材と異なる他の部材の表面に、前記保護部材前駆体の膜を形成し、
    前記保護部材前駆体の膜を乾燥させて前記他の部材の表面に前記保護部材を形成し、
    前記保護部材を、前記他の部材の表面から前記基材の表面に転写することを特徴とする請求項１２に記載の保護部材の形成方法。
15. ケイ素を含むガラスコーティング剤を用いて、前記有機無機複合材前駆体を調製することを特徴とする請求項１２に記載の保護部材の形成方法。

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