JP2021042480A - 光吸収発熱保温用複合体とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】繊維との相互作用によって繊維に付着するバナジウムを含有する光吸収発熱保温用複合体を提供する。【解決手段】光吸収発熱保温用複合体は、繊維と、繊維に付着しているバナジウムと、染料とを有している。繊維は羊毛等の天然繊維である。光吸収発熱保温用複合体の製造方法は、バナジウムイオンを含む液体に繊維を浸す浸漬工程と、染料で繊維を染色する染色工程とを有している。【選択図】なし
Description
本発明は、バナジウムを含有し、近赤外線などの光を吸収して発熱および保温する光吸収発熱保温用複合体と、その製造方法に関する。
スポーツなどの特殊用途を除く日用品では、天然素材製品の方が人工素材製品より高い価値があると認識される場合が多い。ストール、マフラー、日傘、および衣類などでは、天然素材を用いた色彩豊かな製品の需要が近年高まっており、これらの製品開発が行なわれている。さらに高付加価値のある天然素材製品を実現するため、特に冬季に身に着ける天然繊維製品には、天然素材が備える特性に加えて、温熱機能などの性質を付与した製品の開発が望まれている。
光エネルギーを熱に変換する機能を備える機能性セラミックのミクロ粒子を、繊維の芯部分に錬り込んだ蓄熱保温素材が知られている（非特許文献１）。しかしながら、この蓄熱保温素材と天然素材の交織や混紡では、天然素材部分の光照射による発熱が低いため、蓄熱保温機能が十分に発現できない。また、天然素材に機能性粒子を付加させるためにバインダーを用いると、天然素材の特長である風合いを損ねてしまうおそれがある。
ユニチカトレーディング株式会社、"素材特徴で見る｜サーモトロン"、ｈｔｔｐ．ｗｗｗ．ｕｎｉｔｒａｄｅ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｍａｔｅｒｉａｌｓ、平成２９年１１月１５日検索
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、繊維との相互作用によって繊維に付着するバナジウムを含有する光吸収発熱保温用複合体を提供することを目的とする。
本発明のある態様の光吸収発熱保温用複合体は、繊維と、繊維に付着しているバナジウムとを有する。この光吸収発熱保温用複合体の製造方法は、バナジウムイオンを含む液体に繊維を浸す浸漬工程を有する。また、この光吸収発熱保温用複合体が染料をさらに有する場合、この光吸収発熱保温用複合体は、染料で繊維を染色する染色工程をさらに有する。
本発明の他の態様の光吸収発熱保温用複合体は、樹脂と、樹脂中に分散しているバナジウムとを有する。この光吸収発熱保温用複合体の製造方法は、バナジウム塩と、樹脂の溶液とを混合する混合工程を有する。
本発明のある態様の光吸収発熱保温用複合体によれば、天然素材の風合いを活かした光吸収発熱保温用の繊維製品が得られる。また、本発明の他の態様の光吸収発熱保温用複合体によれば、光吸収発熱保温用の樹脂製品が得られる。
以下、本発明の光吸収発熱保温用複合体および光吸収発熱保温用複合体の製造方法について、実施形態と実施例に基づいて説明する。なお、重複説明は適宜省略する。また、２つの数値の間に「〜」を記載して数値範囲を表す場合には、この２つの数値も数値範囲に含まれる。
本発明の第一実施形態に係る光吸収発熱保温用複合体は、光を吸収して発熱機能および保温機能を発揮する。光としては太陽光が挙げられる。本実施形態の光吸収発熱保温用複合体は、繊維と、バナジウムとを備えている。発熱機能を有するとは、例えば、光照射１０分後の複合体の温度が、バナジウムを有さないときの温度と比べて、２．０℃以上高いことをいう。
また、保温機能を有するとは、例えば、光照射１０分後に光照射を停止し、停止から１分後の複合体の温度が、バナジウムを有さないときの温度と比べて、１．０℃以上高いことをいう。本実施形態の光吸収発熱保温用複合体は、特に波長１０００ｎｍ付近の近赤外線を吸収して発熱する。バナジウムが近赤外線を吸収しやすいからだと考えられる。繊維としては、羊毛、絹、カシミヤ、麻、および木綿等の天然繊維や、レーヨン、キュプラ、アクリル、ポリエステル、およびナイロン等の化学繊維が挙げられる。
バナジウムは繊維に付着している。バナジウムは、イオン結合のような静電気的な結合によって、繊維に付着していると考えられる。バナジウムが繊維に付着しているため、光吸収発熱保温用複合体の機能、すなわち光を吸収して発熱および保温する機能を発揮する。本実施形態の光吸収発熱保温用複合体は、染料をさらに有していてもよい。本実施形態の光吸収発熱保温用複合体は、染料を含有していても、光を吸収して発熱および保温する機能を有するからである。このため、カラーバリエーションが豊富な繊維製品が得られる。染料としては、藍、五倍子、夜叉五倍子、あせん、およびカテキン等の天然染料や、直接、酸性、塩基性、建染、反応、分散染料等の人工染料または顔料を溶いたもの等が挙げられる。
本実施形態の光吸収発熱保温用複合体は、バナジウムイオンを含む液体に繊維を浸す浸漬工程を経て製造される。より具体的には、浸漬工程では、例えば、硫酸バナジル、シュウ酸バナジル、または五酸化バナジウム等のバナジウム塩の溶液に繊維を浸し、撹拌しながら必要に応じて加熱処理する。浸漬工程の後、ソーピング、すなわちセッケン水溶液で加熱処理し、流水ですすいで乾燥させる。こうしてバナジウムが繊維に付着する。
なお、染料を含有する光吸収発熱保温用複合体は、この浸漬工程と、染料で繊維を染色する染色工程とを経て製造される。この場合、浸漬工程は媒染工程でもある。染色工程では、染料を用いた一般的な繊維の染色が行われる。例えば、天然染料の溶液に繊維を浸し、撹拌しながら必要に応じて加熱処理する。染色工程の後、ソーピングし、流水ですすいで乾燥させる。こうして、染料が繊維に定着する。浸漬工程と染色工程の順番、すなわち、先媒染であるか後媒染であるかは、どちらでもよい。さらに、浸漬工程と染色工程を一緒に、すなわち同時媒染を行ってもよい。
本発明の第二実施形態に係る光吸収発熱保温用複合体は、樹脂と、樹脂中に分散しているバナジウムとを備えている。樹脂としては、ポリエステル、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ナイロン、ポリエチレンテレフタラート、ポリジメチルシロキサン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン等の複合樹脂共重合体が挙げられる。本実施形態の光吸収発熱保温用複合体は、太陽光を吸収して発熱および保温するので、ビニールハウスのシート等に利用できる。本実施形態の光吸収発熱保温用複合体は、バナジウム塩と、樹脂の溶液とを混合する混合工程を経て製造される。より具体的には、混合工程では、例えば、硫酸バナジル、シュウ酸バナジル、または五酸化バナジウム等のバナジウム塩を樹脂の溶液に添加して、混ぜながら減圧脱泡し、硬化させる。
〔繊維を含む複合体〕
Ａ：実験
１．バナジウム媒染（実施例）と鉄媒染（比較例）
蒸留水に硫酸バナジルＶＯＳＯ４（関東化学株式会社）を溶解し、濃度が１．０×１０−３ｍｏｌ／Ｌ、５．０×１０−３ｍｏｌ／Ｌ、１．０×１０−２ｍｏｌ／Ｌ、５．０×１０−２ｍｏｌ／Ｌ、１．０×１０−１ｍｏｌ／Ｌ、および５．０×１０−１ｍｏｌ／Ｌの６種類の水溶液を調製した。比較例として、蒸留水に硫酸第一鉄ＦｅＳＯ４（関東化学株式会社）を溶解して、濃度が１．０×１０−１ｍｏｌ／Ｌの水溶液を調製した。
Ａ：実験
１．バナジウム媒染（実施例）と鉄媒染（比較例）
蒸留水に硫酸バナジルＶＯＳＯ４（関東化学株式会社）を溶解し、濃度が１．０×１０−３ｍｏｌ／Ｌ、５．０×１０−３ｍｏｌ／Ｌ、１．０×１０−２ｍｏｌ／Ｌ、５．０×１０−２ｍｏｌ／Ｌ、１．０×１０−１ｍｏｌ／Ｌ、および５．０×１０−１ｍｏｌ／Ｌの６種類の水溶液を調製した。比較例として、蒸留水に硫酸第一鉄ＦｅＳＯ４（関東化学株式会社）を溶解して、濃度が１．０×１０−１ｍｏｌ／Ｌの水溶液を調製した。
小型の回転式ポット染色試験機ＭＩＮＩ ＣＯＬＯＵＲ（テクサム技研株式会社）（以下、単に「回転式ポット染色試験機」ということがある）を用いて、上記の各媒染剤水溶液にウール布帛１０ｇ（ＪＩＳ染色堅ろう度試験用添付白布１−１号、財団法人日本規格協会）を浴比１：２０となるように浸漬し、１００℃で１時間処理した。そして、回転式ポット染色試験機を用いて、２．０ｇ／Ｌのマルセル石鹸溶液で処理後の布帛を、浴比１：２０、５０℃、２０分間ソーピングし、その後、５分間流水で洗って乾燥させた。こうして、バナジウム媒染ウール布帛と鉄媒染ウール布帛を得た。
２．染色
（１）天然染料での染色
天然染料として植物由来ポリフェノール（タンニン）の構成成分である没食子酸ＧＡ（関東化学株式会社）と蒸留水を用いて２．５ｗｔ％水溶液を調製した。回転式ポット染色試験機を用いて、この染料水溶液にウール布帛、バナジウム媒染ウール布帛、または鉄媒染ウール布帛を５０％ｏ．ｗ．ｆ、浴比１：２０となるように浸漬し、１００℃で１時間染色した。そして、回転式ポット染色試験機を用いて、２．０ｇ／Ｌのマルセル石鹸溶液で染色後の各ウール布帛を、浴比１：２０、５０℃、２０分間ソーピングし、その後、５分間流水で洗って乾燥させた。こうして、黒色バナジウム先媒染ウール布帛と黒色鉄先媒染ウール布帛を得た。
（１）天然染料での染色
天然染料として植物由来ポリフェノール（タンニン）の構成成分である没食子酸ＧＡ（関東化学株式会社）と蒸留水を用いて２．５ｗｔ％水溶液を調製した。回転式ポット染色試験機を用いて、この染料水溶液にウール布帛、バナジウム媒染ウール布帛、または鉄媒染ウール布帛を５０％ｏ．ｗ．ｆ、浴比１：２０となるように浸漬し、１００℃で１時間染色した。そして、回転式ポット染色試験機を用いて、２．０ｇ／Ｌのマルセル石鹸溶液で染色後の各ウール布帛を、浴比１：２０、５０℃、２０分間ソーピングし、その後、５分間流水で洗って乾燥させた。こうして、黒色バナジウム先媒染ウール布帛と黒色鉄先媒染ウール布帛を得た。
（２）先媒染化学染料での染色
また、回転式ポット染色試験機を用いて、赤色染料Ｒｅｄ ＧＲＮ、緑色染料Ｇｒｅｅｎ ５ＧＷ、または青色染料Ｃｙａｎｉｎｅ ５Ｒ（いずれもＫａｙａｎｏｌ Ｍｉｌｌｉｎｇ）で、５．０×１０−２ｍｏｌ／ＬのＶＯＳＯ４水溶液で媒染したバナジウム媒染ウール布帛を、濃度２．０％ｏ．ｗ．ｆ．で染色した。他の染色条件はＧＡでの染色条件と同じであった。染色後、ＧＡでの染色と同条件でソーピング、水洗、および乾燥を行った。こうして、化学赤色バナジウム先媒染ウール布帛、化学緑色バナジウム先媒染ウール布帛、および化学青色バナジウム先媒染ウール布帛を得た。
また、回転式ポット染色試験機を用いて、赤色染料Ｒｅｄ ＧＲＮ、緑色染料Ｇｒｅｅｎ ５ＧＷ、または青色染料Ｃｙａｎｉｎｅ ５Ｒ（いずれもＫａｙａｎｏｌ Ｍｉｌｌｉｎｇ）で、５．０×１０−２ｍｏｌ／ＬのＶＯＳＯ４水溶液で媒染したバナジウム媒染ウール布帛を、濃度２．０％ｏ．ｗ．ｆ．で染色した。他の染色条件はＧＡでの染色条件と同じであった。染色後、ＧＡでの染色と同条件でソーピング、水洗、および乾燥を行った。こうして、化学赤色バナジウム先媒染ウール布帛、化学緑色バナジウム先媒染ウール布帛、および化学青色バナジウム先媒染ウール布帛を得た。
（３）同時媒染化学染料での染色
また、ＶＯＳＯ４（５．０×１０−２ｍｏｌ／Ｌの）とＲｅｄ ＧＲＮ（２．０％ｏ．ｗ．ｆ）を溶解させた水溶液を用いて、ＧＡでの染色と同じ条件でウール布帛を染色した。染色後、ＧＡでの染色と同条件でソーピング、水洗、および乾燥を行った。こうして、化学赤色バナジウム同時媒染ウール布帛を得た。
また、ＶＯＳＯ４（５．０×１０−２ｍｏｌ／Ｌの）とＲｅｄ ＧＲＮ（２．０％ｏ．ｗ．ｆ）を溶解させた水溶液を用いて、ＧＡでの染色と同じ条件でウール布帛を染色した。染色後、ＧＡでの染色と同条件でソーピング、水洗、および乾燥を行った。こうして、化学赤色バナジウム同時媒染ウール布帛を得た。
（４）媒染なし化学染料
また、回転式ポット染色試験機を用いて、表１に示す配合染料（Ｋａｙａｎｏｌ Ｍｉｌｌｉｎｇ、日本化薬株式会社）と、１．０％ｏ．ｗ．ｆの均染剤（ニューボンＥ−１ Ｋ、日華化学株式会社）および１．０ｇ／ＬのｐＨ調整剤（オプチシド ＶＳ）の助剤で、ウール布帛を浴比１：２０で黒色に染色して比較例の化学黒色ウール布帛を作製した。なお、染色工程では、３０分間かけて２０℃から９０℃まで昇温し、９０℃に達した時点で酸を加えて３５分間保持した。その後、冷却して１５分間流水で洗浄した。
また、回転式ポット染色試験機を用いて、表１に示す配合染料（Ｋａｙａｎｏｌ Ｍｉｌｌｉｎｇ、日本化薬株式会社）と、１．０％ｏ．ｗ．ｆの均染剤（ニューボンＥ−１ Ｋ、日華化学株式会社）および１．０ｇ／ＬのｐＨ調整剤（オプチシド ＶＳ）の助剤で、ウール布帛を浴比１：２０で黒色に染色して比較例の化学黒色ウール布帛を作製した。なお、染色工程では、３０分間かけて２０℃から９０℃まで昇温し、９０℃に達した時点で酸を加えて３５分間保持した。その後、冷却して１５分間流水で洗浄した。
３．色彩評価
分光測色計（ＳＤ−６０００、日本電色工業株式会社）を用いて、測定径φ６．４ｍｍ、光源Ｄ６５、１０°視野、正反射光を含むモードで媒染後および／または染色後のウール布帛の色彩を測定し、数値化した。そして、色彩管理ソフト（Ｃｏｌｏｒ Ｍａｔｅ Ｐｒｏ、日本電色工業株式会社）のＬ＊ａ＊ｂ＊表色系および色差（ΔＥ００）で媒染後および／または染色後のウール布帛の色彩を評価した。
分光測色計（ＳＤ−６０００、日本電色工業株式会社）を用いて、測定径φ６．４ｍｍ、光源Ｄ６５、１０°視野、正反射光を含むモードで媒染後および／または染色後のウール布帛の色彩を測定し、数値化した。そして、色彩管理ソフト（Ｃｏｌｏｒ Ｍａｔｅ Ｐｒｏ、日本電色工業株式会社）のＬ＊ａ＊ｂ＊表色系および色差（ΔＥ００）で媒染後および／または染色後のウール布帛の色彩を評価した。
４．光吸収発熱保温性試験
ボーケン法（ＢＱＥ−Ａ法）を用いて、媒染後および／または染色後のウール布帛の光吸収発熱保温性試験を行った。すなわち、裏面中央部に熱電対温度センサーを設けた発泡スチロール製試料台に、１５ｃｍ四方の各種ウール布帛を並列に置き、３０ｃｍ離れた位置から写真用レフランプ（ＰＲＦ−５００ＷＢ／Ｄ、パナソニック株式会社、またはＰＲＦ−５００ＷＤ、岩崎電気株式会社）で１０分間照射した。その後、レフランプを消し、１０分間続けて温度の測定を行った。
ボーケン法（ＢＱＥ−Ａ法）を用いて、媒染後および／または染色後のウール布帛の光吸収発熱保温性試験を行った。すなわち、裏面中央部に熱電対温度センサーを設けた発泡スチロール製試料台に、１５ｃｍ四方の各種ウール布帛を並列に置き、３０ｃｍ離れた位置から写真用レフランプ（ＰＲＦ−５００ＷＢ／Ｄ、パナソニック株式会社、またはＰＲＦ−５００ＷＤ、岩崎電気株式会社）で１０分間照射した。その後、レフランプを消し、１０分間続けて温度の測定を行った。
また、特定の波長領域をカットするフィルターを用いて、上記と同様にして光吸収発熱保温性試験を行った。すなわち、濃度１．０×１０−１ｍｏｌ／Ｌの硫酸バナジル水溶液、硫酸第一鉄水溶液、および炭化ジルコニウム（関東化学株式会社）でそれぞれ先媒染した１５ｃｍ四方のウール布帛の上方１ｃｍ地点に、サイズ５ｃｍ×５ｃｍ×３ｍｍの３種類の色ガラスフィルター（東芝硝子株式会社製の赤外線フィルターＩＲＡ−１０、紫外線フィルターＵＶ−２９、および紫外線フィルターＹ−４６）を配置した。
ＢＱＥ−Ａ法と同様に、試験環境は温度２０℃、湿度６５％であった。写真用レフランプ（ＰＲＦ−５００ＷＤ）の出力波長特性は、減光フィルター（０３ＦＮＱ０２３／ＯＤ ２．０、ＭＥＬＬＥＳ ＧＲＩＯＴ社）を通して、受光器（ＰＨＯＴＯＮＩＣ ＭＵＬＴＩ−ＣＨＡＮＮＥＬ ＡＮＡＬＹＺＥＲ、浜松ホトニクス株式会社）を用いて測定した。
５．透過率・反射率測定
紫外可視近赤外分光光度計（ＵＶ−ＶＩＳ ＮＩＲ ＳＰＥＣＴＲＯＰＨＯＴＯＭＥＴＥＲ ＳｏｌｉｄＳｐｅｃ−３７００、株式会社島津製作所）を用いて、媒染後および／または染色後のウール布帛の光透過率と光反射率を測定して、ウール布帛の光吸収性を評価した。なお、スリット幅は３２ｎｍ、測定波長範囲は２００〜２５００ｎｍとした。検出器の切替波長は８７０ｎｍおよび１６５０ｎｍ、グレーティングの切替波長は７８０ｎｍとした。
紫外可視近赤外分光光度計（ＵＶ−ＶＩＳ ＮＩＲ ＳＰＥＣＴＲＯＰＨＯＴＯＭＥＴＥＲ ＳｏｌｉｄＳｐｅｃ−３７００、株式会社島津製作所）を用いて、媒染後および／または染色後のウール布帛の光透過率と光反射率を測定して、ウール布帛の光吸収性を評価した。なお、スリット幅は３２ｎｍ、測定波長範囲は２００〜２５００ｎｍとした。検出器の切替波長は８７０ｎｍおよび１６５０ｎｍ、グレーティングの切替波長は７８０ｎｍとした。
Ｂ：結果
１．バナジウム媒染ウール布帛と鉄媒染ウール布帛の光吸収発熱保温性
バナジウム媒染ウール布帛と鉄媒染ウール布帛の光吸収発熱保温性試験の結果を図１に示す。媒染後に光吸収発熱保温素材となったことの指標は、媒染後と媒染前の温度差が、光照射１０分後で２．０℃以上、その後の光照射停止１分後で１．０℃以上である。鉄は、ログウッドとの組み合わせによる黒色染色に用いられる媒染剤である。鉄媒染ウール布帛と媒染してないウール布帛の温度差は、光照射１０分後で１．４℃、光照射停止１分後で０．８℃であった。一方、バナジウム媒染ウール布帛と媒染してないウール布帛の温度差は、光照射１０分後で１４．９℃、光照射停止１分後で５．９℃であった。バナジウム媒染ウール布帛は、鉄媒染ウール布帛よりも非常に高い発熱保温性能を示した。
１．バナジウム媒染ウール布帛と鉄媒染ウール布帛の光吸収発熱保温性
バナジウム媒染ウール布帛と鉄媒染ウール布帛の光吸収発熱保温性試験の結果を図１に示す。媒染後に光吸収発熱保温素材となったことの指標は、媒染後と媒染前の温度差が、光照射１０分後で２．０℃以上、その後の光照射停止１分後で１．０℃以上である。鉄は、ログウッドとの組み合わせによる黒色染色に用いられる媒染剤である。鉄媒染ウール布帛と媒染してないウール布帛の温度差は、光照射１０分後で１．４℃、光照射停止１分後で０．８℃であった。一方、バナジウム媒染ウール布帛と媒染してないウール布帛の温度差は、光照射１０分後で１４．９℃、光照射停止１分後で５．９℃であった。バナジウム媒染ウール布帛は、鉄媒染ウール布帛よりも非常に高い発熱保温性能を示した。
２．バナジウム媒染剤濃度と光吸収発熱保温性
図２は、バナジウム媒染剤濃度を変化させたときのバナジウム媒染ウール布帛および媒染していないウール布帛の光吸収発熱保温性を示している。バナジウム媒染剤の濃度が上昇するにつれて、発熱保温効果が徐々に向上することがわかった。媒染剤の最適濃度５．０×１０−２ｍｏｌ／Ｌでバナジウム先媒染した後、植物染料の五倍子で染色したウール布帛と、媒染せずに五倍子で染色したウール布帛の温度差は、光照射１０分後で４．３℃、光照射停止１分後で１．７℃であった。
図２は、バナジウム媒染剤濃度を変化させたときのバナジウム媒染ウール布帛および媒染していないウール布帛の光吸収発熱保温性を示している。バナジウム媒染剤の濃度が上昇するにつれて、発熱保温効果が徐々に向上することがわかった。媒染剤の最適濃度５．０×１０−２ｍｏｌ／Ｌでバナジウム先媒染した後、植物染料の五倍子で染色したウール布帛と、媒染せずに五倍子で染色したウール布帛の温度差は、光照射１０分後で４．３℃、光照射停止１分後で１．７℃であった。
光照射１０分後の染色バナジウム先媒染ウール布帛と染色ウール布帛（バナジウム媒染なし）の温度差が１０．０℃以上となるためには、濃度１．０×１０−２ｍｏｌ／Ｌ以上の媒染剤で媒染することが必要であることがわかった。なお、高濃度１．０×１０−１ｍｏｌ／Ｌのバナジウム媒染剤で処理したバナジウム先媒染ウール布帛の皮膚一次刺激性は、蒸留水およびワセリン程度の低刺激性であることが確認されている。
３．光源波長が光吸収発熱保温性に及ぼす影響
バナジウム媒染ウール布帛、鉄媒染ウール布帛、ジルコニウム媒染ウール布帛、およびウール布帛の発熱保温性に影響を及ぼす特性波長を調べた。媒染剤ＶＯＳＯ４、ＺｒＣ、およびＦｅＳＯ４の濃度は、いずれも１．０×１０−１ｍｏｌ／Ｌとした。３種類の波長カットフィルターを用いたときと、波長カットフィルターを用いなかったときの光吸収発熱保温性試験の結果を図３に示す。
バナジウム媒染ウール布帛、鉄媒染ウール布帛、ジルコニウム媒染ウール布帛、およびウール布帛の発熱保温性に影響を及ぼす特性波長を調べた。媒染剤ＶＯＳＯ４、ＺｒＣ、およびＦｅＳＯ４の濃度は、いずれも１．０×１０−１ｍｏｌ／Ｌとした。３種類の波長カットフィルターを用いたときと、波長カットフィルターを用いなかったときの光吸収発熱保温性試験の結果を図３に示す。
赤外線フィルターＩＲＡ−１０は波長３２０ｎｍ以下および８００ｎｍ〜４８００ｎｍをカットする（図３（ｄ））。紫外線フィルターＵＶ−２９は波長２４０ｎｍ以下をカットする（図３（ｂ））。紫外線フィルターＹ−４６は波長４３０ｎｍ以下をカットする（図３（ｃ））。図３（ｂ）と図３（ｃ）では、波長カットフィルターを用いなかった図３（ａ）と変わらない傾向が見られた。これは、紫外線の光吸収発熱保温性に対する寄与が小さいことを示している。一方、赤外線カットフィルターを用いると光吸収発熱保温性が劣った（図３（ｄ））。これより、バナジウムの赤外線領域波長の光吸収が、光吸収発熱保温性に影響を及ぼしていることがわかった。
また、炭化ジルコニウムを含有する媒染剤で媒染したジルコニウム媒染ウール布帛の発熱保温性も、バナジウム媒染ウール布帛の発熱保温性と同様の傾向を示した。これより、ジルコニウムとバナジウムは、赤外線領域波長の光を吸収して、似たようなメカニズムによって媒染ウール布帛が発熱保温性を示すと推察される。バナジウムとジルコニウムの飽和到達温度を比較すると、バナジウムの方が約１０℃高い。これは、バナジウムが媒染によって天然繊維に付着しやすいからだと考えられる。
４．バナジウム媒染ウール布帛の光透過率と光反射率
バナジウム媒染ウール布帛の光透過率と光反射率の測定結果を図４に示す。媒染剤濃度を高くしていくと、光透過率（図４（ａ））および光反射率（図４（ｂ））はともに低くなっていく。１００％から光透過率と光反射率の和を引いた数値がバナジウム媒染ウール布帛の光吸収率である。可視領域光波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍにおけるバナジウム媒染ウール布帛の光吸収は、バナジウム媒染ウール布帛の色に関する吸収である、このため、波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍを除いた領域におけるバナジウム媒染ウール布帛の光透過率と光反射率の低さは、バナジウム媒染ウール布帛の光吸収率の高さといえる。波長３００ｎｍ〜３８０ｎｍおよび波長７８０ｎｍ〜１９００ｎｍでは、媒染剤濃度を高くしていくとバナジウム媒染ウール布帛の光吸収率が高くなることが図４からわかった。
バナジウム媒染ウール布帛の光透過率と光反射率の測定結果を図４に示す。媒染剤濃度を高くしていくと、光透過率（図４（ａ））および光反射率（図４（ｂ））はともに低くなっていく。１００％から光透過率と光反射率の和を引いた数値がバナジウム媒染ウール布帛の光吸収率である。可視領域光波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍにおけるバナジウム媒染ウール布帛の光吸収は、バナジウム媒染ウール布帛の色に関する吸収である、このため、波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍを除いた領域におけるバナジウム媒染ウール布帛の光透過率と光反射率の低さは、バナジウム媒染ウール布帛の光吸収率の高さといえる。波長３００ｎｍ〜３８０ｎｍおよび波長７８０ｎｍ〜１９００ｎｍでは、媒染剤濃度を高くしていくとバナジウム媒染ウール布帛の光吸収率が高くなることが図４からわかった。
バナジウム媒染剤濃度に対するバナジウム媒染ウール布帛の特定波長における光透過率および光反射率を図５に示す。紫外線領域の波長２００ｎｍと、近赤外線領域の長波長側の波長２０００ｎｍにおいては、バナジウム媒染剤濃度を高くしてもバナジウム媒染ウール布帛の光吸収率に変化が見られなかった（図５（ａ）と図５（ｄ））。これは、これらの波長が光吸収発熱保温性にあまり寄与しないことを意味している。
一方、図５（ｂ）および図５（ｃ）では、バナジウム媒染剤濃度を高くしていくと、バナジウム媒染ウール布帛の光透過率および光反射率がともに下がり、媒染剤の濃度が５．０×１０−２ｍｏｌ／Ｌ以上で、バナジウム媒染ウール布帛の光吸収率が最も高く飽和している。図５（ｂ）は、可視光領域の波長５００ｎｍの光照射であり、バナジウム媒染後に緑色の度合いが深まっていることを示している。図５（ｃ）は、近赤外線領域の波長１０００ｎｍの光照射である。バナジウム媒染剤の濃度が５．０×１０−２ｍｏｌ／Ｌ以上で１０００ｎｍの光吸収率が飽和していることは、バナジウム媒染ウール布帛の光吸収発熱保温性が、このバナジウム媒染剤濃度で飽和していると推察される。
これらの結果から、天然繊維であるウール布帛をバナジウム媒染して、バナジウムを付着させたバナジウム媒染ウール布帛は、１０００ｎｍ等の近赤外線領域の中で特に短波長側の光を吸収し、高い発熱保温性を示すことが明らかとなった。地球表面にそそぐ太陽エネルギースペクトルは５００ｎｍ付近を極大として長波長側は減衰するスペクトルである。太陽光は近赤外領域においても短波長側のエネルギー強度が高いことから、バナジウム媒染ウール布帛は、太陽光による光吸収発熱保温に関して有利であると考えられる。
５．黒色バナジウム先媒染ウール布帛の光吸収発熱保温性
濃度１．０×１０−１ｍｏｌ／Ｌのバナジウム媒染剤で媒染したバナジウム媒染ウール布帛を、ポリフェノール構成成分である没食子酸ＧＡで染色した黒色バナジウム先媒染ウール布帛の光吸収発熱保温性を図６示す。また、媒染せずにウール布帛を没食子酸で染色した黒色ウール布帛と、媒染も染色もしていないウール布帛の光吸収発熱保温性も図６に示す。黒色バナジウム先媒染ウール布帛と媒染も染色もしていないウール布帛の温度差は、光照射１０分後で１４．５℃、光照射停止１分後で５．８℃であった。黒色バナジウム先媒染ウール布帛の光吸収発熱保温性が没食子酸での黒色染色前後で同等であることから、バナジウム媒染ウール布帛の黒色度の光吸収発熱保温性への寄与は小さいと考えられる。
濃度１．０×１０−１ｍｏｌ／Ｌのバナジウム媒染剤で媒染したバナジウム媒染ウール布帛を、ポリフェノール構成成分である没食子酸ＧＡで染色した黒色バナジウム先媒染ウール布帛の光吸収発熱保温性を図６示す。また、媒染せずにウール布帛を没食子酸で染色した黒色ウール布帛と、媒染も染色もしていないウール布帛の光吸収発熱保温性も図６に示す。黒色バナジウム先媒染ウール布帛と媒染も染色もしていないウール布帛の温度差は、光照射１０分後で１４．５℃、光照射停止１分後で５．８℃であった。黒色バナジウム先媒染ウール布帛の光吸収発熱保温性が没食子酸での黒色染色前後で同等であることから、バナジウム媒染ウール布帛の黒色度の光吸収発熱保温性への寄与は小さいと考えられる。
６．化学黒色ウール布帛の光吸収発熱保温性
バナジウム媒染剤で媒染したバナジウム媒染ウール布帛を没食子酸で染色した黒色バナジウム先媒染ウール布帛と、媒染していないウール布帛を化学染料の黒色染料ＴＬＢ（Ｋａｙａｎｏｌ Ｍｉｌｌｉｎｇ）、またはＴＬＢおよび緑色染料Ｇｒｅｅｎ ５ＧＷ（以下、単に５ＧＷと記載することがある）（Ｋａｙａｎｏｌ Ｍｉｌｌｉｎｇ）の混合物で染色した化学黒色ウール布帛の明度Ｌ＊値と、クロマティクネス指数ａ＊値およびｂ＊値と、色差値ΔＥ００を表２に示す。なお、ΔＥ００は黒色バナジウム先媒染ウール布帛を基準とした。
バナジウム媒染剤で媒染したバナジウム媒染ウール布帛を没食子酸で染色した黒色バナジウム先媒染ウール布帛と、媒染していないウール布帛を化学染料の黒色染料ＴＬＢ（Ｋａｙａｎｏｌ Ｍｉｌｌｉｎｇ）、またはＴＬＢおよび緑色染料Ｇｒｅｅｎ ５ＧＷ（以下、単に５ＧＷと記載することがある）（Ｋａｙａｎｏｌ Ｍｉｌｌｉｎｇ）の混合物で染色した化学黒色ウール布帛の明度Ｌ＊値と、クロマティクネス指数ａ＊値およびｂ＊値と、色差値ΔＥ００を表２に示す。なお、ΔＥ００は黒色バナジウム先媒染ウール布帛を基準とした。
表２に示すように、濃度２．４５％ｏ．ｗ．ｆのＴＬＢと濃度１．７５ｏ．ｗ．ｆ％の５ＧＷを含有する染色剤（以下、「ＴＬＢ２．４５％ｏ．ｗ．ｆ＋５ＧＷ１．７５ｏ．ｗ．ｆ％」と記載することがある。他の染色剤についても同様の記載をすることがある）で染色した化学黒色ウール布帛の色差値ΔＥ００は、基準と一致した。また、他の染色剤での染色では、ΔＥ００が全て３．０未満であった。これらのΔＥ００は、Ａ級許容差と呼ばれる色の離間比較においてほとんど色差を認識することができないレベルである。黒色バナジウム先媒染ウール布帛のｂ＊値はプラスであり、化学黒色ウール布帛のｂ＊値はすべて０に近いマイナスであった。これらの結果から、基準色となる黒色バナジウム先媒染ウール布帛は黄色系の黒色であり、化学黒色ウール布帛は青味を若干帯びた黒色であることがわかる。しかし、これらの色差は目視でほとんど認識できない。
６種類の化学黒色ウール布帛の平均（□：ｂｌａｃｋ）、濃度が５．０×１０−２ｍｏｌ／Ｌのバナジウム媒染剤で媒染したバナジウム媒染ウール布帛を、ＴＬＢ２．４５％ｏ．ｗ．ｆ＋５ＧＷ１．７５％ｏ．ｗ．ｆの化学染料で染色した化学黒色バナジウム先媒染ウール布帛（▲：Ｖ→ｂｌａｃｋ）、および媒染も染色もしていないウール布帛（●：ｂｌａｎｋ）の光吸収発熱保温性を図７示す。なお、６種類の化学黒色ウール布帛のプロットはほぼ重なっていた。図７に示すように、化学黒色ウール布帛と媒染も染色もしていないウール布帛の温度差は、光照射１０分後で２．５℃、光照射停止１分後で１．４℃であった。したがって、化学染料で天然繊維のウール布帛を黒色染色すると、従来の発熱保温素材の指標程度の効果は得られるが、それほど高い効果は期待できない。
７．化学赤色ウール布帛、化学緑色ウール布帛、化学青色ウール布帛の光吸収発熱保温性
媒染していないウール布帛を赤色の化学染料で染色した化学赤色ウール布帛（□：ｒｅｄ）、濃度が５．０×１０−２ｍｏｌ／Ｌのバナジウム媒染剤で媒染したバナジウム媒染ウール布帛を、赤色の化学染料で染色した化学赤色バナジウム先媒染ウール布帛（▲：Ｖ→ｒｅｄ）、濃度が５．０×１０−２ｍｏｌ／Ｌのバナジウム媒染剤と赤色の化学染料を含む染色剤で同時媒染した化学赤色バナジウム同時媒染ウール布帛（◇：Ｖ＋ｒｅｄ）、および媒染も染色もしていないウール布帛（●：ｂｌａｎｋ）の光吸収発熱保温性を図８示す。なお、同時媒染は、媒染および染色の工程の省力化のために検討した。
媒染していないウール布帛を赤色の化学染料で染色した化学赤色ウール布帛（□：ｒｅｄ）、濃度が５．０×１０−２ｍｏｌ／Ｌのバナジウム媒染剤で媒染したバナジウム媒染ウール布帛を、赤色の化学染料で染色した化学赤色バナジウム先媒染ウール布帛（▲：Ｖ→ｒｅｄ）、濃度が５．０×１０−２ｍｏｌ／Ｌのバナジウム媒染剤と赤色の化学染料を含む染色剤で同時媒染した化学赤色バナジウム同時媒染ウール布帛（◇：Ｖ＋ｒｅｄ）、および媒染も染色もしていないウール布帛（●：ｂｌａｎｋ）の光吸収発熱保温性を図８示す。なお、同時媒染は、媒染および染色の工程の省力化のために検討した。
同様に、媒染していないウール布帛を緑色の化学染料で染色した化学緑色ウール布帛（□：ｇｒｅｅｎ）、濃度が５．０×１０−２ｍｏｌ／Ｌのバナジウム媒染剤で媒染したバナジウム媒染ウール布帛を、緑色の化学染料で染色した化学緑色バナジウム先媒染ウール布帛（▲：Ｖ→ｇｒｅｅｎ）、および媒染も染色もしていないウール布帛（●：ｂｌａｎｋ）の光吸収発熱保温性を図９示す。
また同様に、媒染していないウール布帛を青色の化学染料で染色した化学青色ウール布帛（□：ｂｌｕｅ）、濃度が５．０×１０−２ｍｏｌ／Ｌのバナジウム媒染剤で媒染したバナジウム媒染ウール布帛を、青色の化学染料で染色した化学青色バナジウム先媒染ウール布帛（▲：Ｖ→ｂｌｕｅ）、および媒染も染色もしていないウール布帛（●：ｂｌａｎｋ）の光吸収発熱保温性を図１０示す。
図８から図１０に示すように、バナジウム媒染ウール布帛を３原色の化学染料で染色しても、化学赤色バナジウム先媒染ウール布帛、化学緑色バナジウム先媒染ウール布帛、および化学青色バナジウム先媒染ウール布帛と、媒染も染色もしていないウール布帛の温度差の平均値は、光照射１０分後で１６．５℃、光照射停止１分後で６．４℃であった。すなわち、化学赤色バナジウム先媒染ウール布帛、化学緑色バナジウム先媒染ウール布帛、および化学青色バナジウム先媒染ウール布帛は、高い光吸収発熱保温性を示した。また、化学赤色バナジウム同時媒染ウール布帛も、同様の高い光吸収発熱保温性を示した。硫酸バナジル水溶液と化学染料の混合溶液による染色を行っても発熱保温効果が得られることは、染色工程の一元化による染色コスト低減につながる。
化学赤色バナジウム先媒染ウール布帛、化学緑色バナジウム先媒染ウール布帛、および化学青色バナジウム先媒染ウール布帛と、バナジウム媒染剤と赤色の化学染料を含む染色剤で同時媒染した化学赤色バナジウム同時媒染ウール布帛（表中に「ｍｉｘｅｄ」の記載あり）のＬ＊値、ａ＊値、およびｂ＊値を表３に示す。
化学赤色バナジウム同時媒染ウール布帛は、化学赤色バナジウム先媒染ウール布帛と比べて、染色コストの低減化が可能であるが、Ｌ＊値が若干下がり、黄色味を示すｂ＊値も低下している。これより、同時媒染では、明度の低い紫系に染色されており、布帛の色彩と色相の調色が必要となってくると考えられる。明度の低い紫系に染色されるのは、媒染剤のバナジウム高濃度によるバナジウム由来の着色が要因であると考えられる。
本発明によれば、化学染料による染色を用いることで繊維のカラーバリエーションが豊富になり、黒色に限定されずに耐光性の高い染料の選択肢が増加すると考えられる。従来の炭化ジルコニウムを用いた繊維の染色方法では、染料が練り込みできる樹脂系繊維に限定され、また色彩も灰色から黒系に限定されていた。一方、本発明では、天然素材への媒染および後述する樹脂系素材への練り込みによって、様々な色相や色彩に対応可能である。
以上より、ウール布帛にバナジウムを付着することによって、高い光吸収発熱保温効果が得られることが明らかになった。バナジウムの付着はウール布帛のみならずシルクやナイロンにも可能で、さらに改質することでセルロース系素材にも適用できる。したがって、様々な天然素材に光吸収発熱保温機能を持たせることができると考えられる。バナジウム先媒染繊維は、植物染料および化学染料で様々な色相や色彩に染色しても光吸収発熱保温性効果が発揮される。特殊な波長カットフィルターを用いて光照射した光吸収発熱保温性試験の結果、その効果は近赤外線領域におけるバナジウムの光吸収によるものであり、紫外線領域におけるバナジウムの光吸収の寄与は小さいと考えられる。
炭化ジルコニウムも２０００ｎｍ以下の近赤外線領域に吸収を持つことが知られている。バナジウムも同様の作用で光吸収発熱保温性を示すものと推察される。バナジウムは、特に１０００ｎｍ等の２０００ｎｍ付近よりも短波長側における近赤外線領域の光吸収が発熱保温性効果に寄与していると考えられる。バナジウムは、天然素材への導入が可能である点、少量で効果が非常に高い点、およびカラーバリエーションを任意に選べる点で、媒染物質として優れている。
〔樹脂を含む複合体〕
濃度が１．０×１０−１ｍｏｌ／Ｌとなるように、ポリスチレン溶液に硫酸バナジルまたは炭化ジルコニウムを混合し、減圧脱泡しながら硬化させてバナジウム含有複合体とジルコニウム含有複合体を得た。２種類の複合体およびポリスチレンの３０ｍｍ×３０ｍｍ×５ｍｍの試料片をそれぞれ３個作製した。ジルコニウム含有複合体は、バナジウム含有複合体より黒かった。発泡スチロール容器内に９個の試料片を入れ、試料片の上方に４０ｃｍ離れた位置から、写真用レフランプ（ＰＲＦ−５００ＷＤ）を用いて５分間光照射した。
濃度が１．０×１０−１ｍｏｌ／Ｌとなるように、ポリスチレン溶液に硫酸バナジルまたは炭化ジルコニウムを混合し、減圧脱泡しながら硬化させてバナジウム含有複合体とジルコニウム含有複合体を得た。２種類の複合体およびポリスチレンの３０ｍｍ×３０ｍｍ×５ｍｍの試料片をそれぞれ３個作製した。ジルコニウム含有複合体は、バナジウム含有複合体より黒かった。発泡スチロール容器内に９個の試料片を入れ、試料片の上方に４０ｃｍ離れた位置から、写真用レフランプ（ＰＲＦ−５００ＷＤ）を用いて５分間光照射した。
試料片の上面に対して約４５°の方向で、試料片の上面中心から約３０ｃｍ離れた位置から、小型放射温度計（赤外線サーモグラフィ ＩｎｆＲｅＣ Ｔｈｅｒｍｏ ＧＥＡＲ Ｇ１００、ＮＥＣ Ａｖｉｏ赤外線テクノロジー株式会社）を用いて試料片の温度を測定した。なお、測定環境は温度２０±２℃、湿度６０±４％とした。５分間光照射後の各試料片の温度は、バナジウム含有複合体が４４．５℃、ジルコニウム含有複合体が４４．５℃、ポリスチレンが３６．４℃であった。バナジウム含有複合体は、ジルコニウム含有複合体と同程度の光吸収発熱性機能を有することがわかった。
本発明の光吸収発熱保温用複合体またはその製造方法は、発色機能および／または光を熱エネルギーに変換する機能を有するので、温熱機能付きのビニールハウス用ビニールシート、色素増感太陽電池、化粧品、ヘアカラー、繊維の染色、漆の塗膜、ＣＤ−ＲやＤＶＤ−Ｒの記録層の色素、コピー機のトナー用色素、ボールペンのインク、インクジェットプリンタの染料インクなどに利用できる。
Claims (9)
- 繊維と、前記繊維に付着しているバナジウムとを有する光吸収発熱保温用複合体。
- 請求項１において、
前記繊維が天然繊維である光吸収発熱保温用複合体。 - 請求項２において、
前記天然繊維が羊毛である光吸収発熱保温用複合体。 - 請求項１から３のいずれかにおいて、
染料をさらに有する光吸収発熱保温用複合体。 - 樹脂と、前記樹脂中に分散しているバナジウムとを有する光吸収発熱保温用複合体。
- 請求項１から５のいずれかにおいて、
前記光が近赤外光である光吸収発熱保温用複合体。 - 請求項１から３のいずれかの光吸収発熱保温用複合体の製造方法であって、
バナジウムイオンを含む液体に前記繊維を浸す浸漬工程を有する光吸収発熱保温用複合体の製造方法。 - 請求項４の光吸収発熱保温用複合体の製造方法であって、
バナジウムイオンを含む液体に前記繊維を浸す浸漬工程と、
前記染料で前記繊維を染色する染色工程と、
を有する光吸収発熱保温用複合体の製造方法。 - 請求項５の光吸収発熱保温用複合体の製造方法であって、
バナジウム塩と、前記樹脂の溶液とを混合する混合工程を有する光吸収発熱保温用複合体の製造方法。
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