JP3255346B2 - 光触媒性親水性部材の形成方法、及び光触媒性親水性部材 - Google Patents
光触媒性親水性部材の形成方法、及び光触媒性親水性部材Info
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Description
親水性になし、かつ維持する技術に関する。より詳しく
は、本発明は、鏡、レンズ、ガラス、プリズムその他の
透明部材の表面を高度に親水化することにより、部材の
曇りや水滴形成を防止する防曇技術に関する。本発明
は、また、建物や窓ガラスや機械装置や物品の表面を高
度に親水化することにより、表面が汚れるのを防止し、
又は表面を自己浄化(セルフクリーニング)し若しくは
容易に清掃する技術に関する。
スや窓ガラス、建物の窓ガラス、眼鏡のレンズ、および
各種計器盤のカバーガラスが凝縮湿分で曇るのはしばし
ば経験されることである。また、浴室や洗面所の鏡や眼
鏡のレンズが湯気で曇ることも良く遭遇される。更に、
車両の風防ガラスや窓ガラス、建物の窓ガラス、車両の
バックミラー、眼鏡のレンズ、マスクやヘルメットのシ
ールドが降雨や水しぶきを受け、離散した多数の水滴が
表面に付着すると、それらの表面は翳り、ぼやけ、斑模
様になり、或いは曇り、やはり可視性が失われる。言う
までもなく、上記“曇り”は安全性や種々の作業の能率
に深い影響を与える。例えば、車両の風防ガラスや窓ガ
ラス、車両のバックミラーが、寒冷時や雨天に翳り或い
は曇ると、視界の確保が困難となり、交通の安全性が損
なわれる。内視鏡レンズや歯科用歯鏡が曇ると、的確な
診断、手術、処置の障害となる。計器盤のカバーガラス
が曇るとデータの読みが困難となる。
性にすることが提案されている。例えば、実開平3−1
29357号には、基材の表面にポリマー層を設け、こ
の層に紫外線を照射した後アルカリ水溶液により処理す
ることにより高密度の酸性基を生成し、これによりポリ
マー層の表面を親水性にすることからなる鏡の防曇方法
が開示されている。しかし、この方法で得られる程度の
酸性基では、表面極性が充分でなく、表面に付着する汚
染物質により時間が経つにつれて表面は親水性を失い、
防曇性能が次第に失われるものと考えられる。
境汚染に伴い、建築外装材料や屋外建造物やその塗膜の
汚れが問題となっている。大気中に浮遊する煤塵や粒子
は晴天には建物の屋根や外壁に堆積する。堆積物は降雨
に伴い雨水により流され、建物の外壁を流下する。更
に、雨天には浮遊煤塵は雨によって持ち運ばれ、建物の
外壁や屋外建造物の表面を流下する。その結果、表面に
は、雨水の道筋に沿って汚染物質が付着する。表面が乾
燥すると、表面には縞状の汚れが現れる。建築外装材料
や塗膜の汚れは、カーボンブラックのような燃焼生成物
や、都市煤塵や、粘土粒子のような無機質物質の汚染物
質からなる。このような汚染物質の多様性が防汚対策を
複雑にしているものと考えられている(橘高義典著”外
壁仕上材料の汚染の促進試験方法”、日本建築学会構造
系論文報告集、第404号、1989年10月、p.1
5−24)。
を防止するためにはポリテトラフルオロエチレン(PT
FE)のような撥水性の塗料が好ましいと考えられてい
たが、最近では、疎水性成分を多く含む都市煤塵に対し
ては、塗膜の表面を出来るだけ親水性にするのが望まし
いと考えられている(高分子、44巻、1995年5月
号、p.307)。そこで、親水性のグラフトポリマー
で建物を塗装することが提案されている(新聞“化学工
業日報”、1995年1月30日)。報告によれば、こ
の塗膜は水との接触角に換算して30〜40゜の親水性
を呈する。しかしながら、粘土鉱物で代表される無機質
塵埃の水との接触角は20゜から50゜であり、水との
接触角が30〜40゜のグラフトポリマーに対して親和
性を有しその表面に付着しやすいので、このグラフトポ
リマーの塗膜は無機質塵埃による汚れを防止することが
できないと考えられる。
性にすることにより、部材の曇りや水滴形成を防止した
り、また、建物や窓ガラスや機械装置や物品の表面が汚
れるのを防止し、又は表面を自己浄化(セルフクリーニ
ング)し若しくは容易に清掃することができる提案は存
在するものの、表面を高度の親水性に長期にわたり維持
できないため、その効果は充分でなかった。そこで、本
発明では、上記事情に鑑み、表面を長期にわたり高度の
親水性に維持できる部材の形成方法を提供することを目
的とする。
光触媒(結晶)性酸化チタンと、酸化物超強酸であるT
iO2/WO3複合酸化物からなる表面層が形成されて
いる、或いは光触媒(結晶)性酸化チタン含有層が形成
され、さらにその上に酸化物超強酸であるTiO2/W
O3複合酸化物からなる表面層が形成されている親水性
部材では、表面を長期にわたり高度の親水性に維持でき
ることを見出した。すなわち、表面層に酸化物超強酸が
含有されると表面の極性が、光の有無にかかわらず極端
に大きな状態にあるために、疎水性分子よりも極性分子
である水分子を選択的に吸着させやすい。そのため安定
な物理吸着水層が形成されやすく、暗所に保持しても、
表面の親水性をかなり長期にわたり高度に維持できる。
TiO2/WO3複合酸化物は酸化物超強酸の中でも酸
度が非常に大きく、ハメットの酸度関数でHo=−13
〜−14程度なので上記特性に非常に優れる。さらに、
表面層に光触媒性酸化物が含有されていることにより、
長期の暗所放置などで表面の親水性が失われてきた場合
においても、光触媒性酸化物の光励起に応じて超親水性
を呈するようになる。その現象は下記に示す機構により
進行すると考えられる。すなわち、光が光触媒性酸化物
に照射されると、光触媒性酸化物の価電子帯中の電子が
励起されて伝導電子と正孔が生成し、そのいずれかまた
は双方の作用により、おそらく表面に極性が付与され、
水や水酸基等の極性成分が集められる。そして伝導電子
と正孔のいずれかまたは双方と、上記極性成分の協調的
な作用により、吸着表面と表面に化学的に吸着した汚染
物質との化学結合を切断すると共に、表面に化学吸着水
が吸着し、さらに物理吸着水層がその上に形成される機
構である。従って、表面層に酸化物超強酸と光触媒性酸
化物の双方が含有されるようにすることにより、暗所に
おいて長期にわたり高度の親水性を維持できるようにな
るとともに、親水性が失われてきても光触媒性酸化物の
光励起により高度な親水状態を回復できるのである。
する方法であって、基材表面に、有機チタネートを塗布
する工程、有機チタネートを加水分解及び脱水縮重合さ
せる工程を行った後、残留有機基を除去する工程を行
い、その後、タングステン酸含有酸水溶液を塗布する工
程と、400℃以上で焼成することにより、結晶性酸化
チタンとTiO2/WO3複合酸化物を生成する工程を
行うことを特徴とする光触媒性親水性部材の形成方法を
提供する。この方法によれば、焼成を1回で済ますこと
ができるので、生産性が向上する。さらに、残留有機基
を除去する工程を行うことにより、タングステン酸が基
材表面に均一に濡れるようになるので、表面にTiO2
/WO3複合酸化物が均一に形成されるようになる。そ
れにより、暗所において長期にわたり高度の親水性を維
持できる効果が安定的に発揮されるようになる。
水性部材の製造過程の主要部分の模式図について、有機
チタネートがチタンアルコキシドである場合を例示す
る。また、図2には、比較のため、本発明に係る光触媒
性親水性部材の製造過程の主要部分から残留有機基を除
去する工程(図1中のコロナ放電処理)を除いた場合の
製造過程の主要部分の模式図を示す。図2において、
(a)図はまず基材表面にチタンアルコキシドを塗布
し、乾燥させた時の図である。この工程においてチタン
アルコキシドTi(OR)4(Rはアルキル基)は部分
的に加水分解されて無定型のTi(OH)x(OR)y
(x+y=4)となり、さらに脱水縮重合された部分は
TiOx(OR)yとなる。すなわち、この段階ではア
ルキル基が表面に部分的に残留している。次に、図2
(b)に示すように、タングステン酸含有水溶液を塗布
すると、アルキル基残留部とタングステン酸含有水溶液
とアルキル基残留部とのなじみが良くないため、タング
ステン酸が濡れている部分と、タングステン酸が弾かれ
る部分を生じる。次に、図2(b)の部材を、400℃
以上の温度で熱処理すると、無定型のTiOx(OR)
yが脱アルキルされるとともにアナターゼ型酸化チタン
に結晶化されるとともに、TiO2/WO3複合酸化物
が表面に形成される。しかしながらそのときの部材の表
面構造は図2(c)に示すように、TiO2/WO3複
合酸化物が均一には形成されない。このことにより、暗
所において長期にわたり高度の親水性を維持できる効果
が不安定になる。それに対し、図1の工程においては、
図1(b)に示すように、コロナ放電処理により脱アル
キルを行うため、タングステン酸含有水溶液を塗布した
ときに、タングステン酸が一様に濡れる(図1
(c))。そのため、次に、400℃以上の温度で熱処
理すると、TiO2/WO3複合酸化物が表面に均一に
形成され、暗所において長期にわたり高度の親水性を維
持できる効果が安定的に発揮されるようになるのであ
る。
ラエトキシチタン、テトラメトキシチタン、テトラプロ
ポキシチタン、テトラブトキシチタン等のテトラアルコ
キシチタン;チタンキレート、チタンアセテート等が好
適に利用できる。
機チタネートをスプレーコーティング、フローコーティ
ング、スピンコーティング、ディップコーティング、ロ
ールコーティング等の方法で塗布することにより行う。
有機チタネートを加水分解及び脱水縮重合させる工程
は、室温または200℃以下程度の温度で乾燥すること
により行う。
ナ放電処理、プラズマ放電処理、熱処理等の方法がある
が、このうち、化学吸着水が残留しやすいことからコロ
ナ放電処理、及びプラズマ放電処理が好ましい。
は、タングステン酸含有水溶液をスプレーコーティン
グ、フローコーティング、スピンコーティング、ディッ
プコーティング、ロールコーティング等の方法で塗布す
ることにより行う。ここでタングステン酸含有水溶液と
は、タングステン酸を溶解させた水溶液であり、アンモ
ニア等の塩基性溶液が一般的である。
物層の膜厚は、10nm以上だと特に光触媒の光励起に
よる親水化性能に優れ、好ましい。
接触角に換算して10゜以下、好ましくは5゜以下の水
濡れ性を呈する状態をいう。PCT/JP96/007
33号に示したように、部材表面が水との接触角に換算
して10゜以下の状態であれば、空気中の湿分や湯気が
結露しても、凝縮水が個々の水滴を形成せずに一様な水
膜になる傾向が顕著になる。従って、表面に光散乱性の
曇りを生じない傾向が顕著になる。同様に、窓ガラスや
車両用バックミラーや車両用風防ガラスや眼鏡レンズや
ヘルメットのシールドが降雨や水しぶきを浴びた場合
に、離散した目障りな水滴が形成されずに、高度の視界
と可視性を確保し、車両や交通の安全性を保証し、種々
の作業や活動の能率を向上させる効果が飛躍的に向上す
る。また、同様にPCT/JP96/00733号に示
したように、部材表面が水との接触角に換算して10゜
以下、好ましくは5゜以下の状態であれば、都市煤塵、
自動車等の排気ガスに含有されるカーボンブラック等の
燃焼生成物、油脂、シーラント溶出成分等の疎水性汚染
物質、及び無機粘土質汚染物質双方が付着しにくく、付
着しても降雨や水洗により簡単に落せる状態になる。
ば、上記防曇効果、表面清浄化効果の他、帯電防止効果
(ほこり付着防止効果)、断熱効果、水中での気泡付着
防止効果、熱交換器における効率向上効果、生体親和性
効果等が発揮されるようになる。
曇効果を期待する場合には透明な部材であり、その材質
はガラス、プラスチック等が好適に利用できる。適用可
能な基材を用途でいえば、車両用バックミラー、浴室用
鏡、洗面所用鏡、歯科用鏡、道路鏡のような鏡;眼鏡レ
ンズ、光学レンズ、写真機レンズ、内視鏡レンズ、照明
用レンズ、半導体用レンズ、複写機用レンズのようなレ
ンズ;プリズム;建物や監視塔の窓ガラス;自動車、鉄
道車両、航空機、船舶、潜水艇、雪上車、ロープウエイ
のゴンドラ、遊園地のゴンドラ、宇宙船のような乗物の
窓ガラス;自動車、鉄道車両、航空機、船舶、潜水艇、
雪上車、スノーモービル、オートバイ、ロープウエイの
ゴンドラ、遊園地のゴンドラ、宇宙船のような乗物の風
防ガラス;防護用ゴーグル、スポーツ用ゴーグル、防護
用マスクのシールド、スポーツ用マスクのシールド、ヘ
ルメットのシールド、冷凍食品陳列ケースのガラス;計
測機器のカバーガラス、及び上記物品表面に貼付させる
ためのフィルムを含む。本発明が適用可能な基材として
は、上記表面清浄化効果を期待する場合にはその材質
は、例えば、金属、セラミックス、ガラス、プラスチッ
ク、木、石、セメント、コンクリート、繊維、布帛、そ
れらの組合せ、それらの積層体が好適に利用できる。適
用可能な基材を用途でいえば、建材、建物外装、建物内
装、窓枠、窓ガラス、構造部材、乗物の外装及び塗装、
機械装置や物品の外装、防塵カバー及び塗装、交通標
識、各種表示装置、広告塔、道路用防音壁、鉄道用防音
壁、橋梁、ガードレールの外装及び塗装、トンネル内装
及び塗装、碍子、太陽電池カバー、太陽熱温水器集熱カ
バー、ビニールハウス、車両用照明灯のカバー、住宅設
備、便器、浴槽、洗面台、照明器具、照明カバー、台所
用品、食器、食器洗浄器、食器乾燥器、流し、調理レン
ジ、キッチンフード、換気扇、及び上記物品表面に貼付
させるためのフィルムを含む。本発明が適用可能な基材
としては、上記帯電防止効果を期待する場合にはその材
質は、例えば、金属、セラミックス、ガラス、プラスチ
ック、木、石、セメント、コンクリート、繊維、布帛、
それらの組合せ、それらの積層体が好適に利用できる。
適用可能な基材を用途でいえば、ブラウン管、磁気記録
メディア、光記録メディア、光磁気記録メディア、オー
ディオテープ、ビデオテープ、アナログレコード、家庭
用電気製品のハウジングや部品や外装及び塗装、OA機
器製品のハウジングや部品や外装及び塗装、建材、建物
外装、建物内装、窓枠、窓ガラス、構造部材、乗物の外
装及び塗装、機械装置や物品の外装、防塵カバー及び塗
装、及び上記物品表面に貼付させるためのフィルムを含
む。
子帯と価電子帯との間のエネルギーギャップよりも大き
なエネルギー(すなわち短い波長)の光(励起光)を照
射したときに、価電子帯中の電子の励起(光励起)によ
って、伝導電子と正孔を生成しうる酸化物をいい、アナ
ターゼ型酸化チタン、ルチル型酸化チタン、酸化錫、酸
化亜鉛、三酸化二ビスマス、三酸化タングステン、酸化
第二鉄、チタン酸ストロンチウム等が好適に利用でき
る。ここで光触媒性酸化物の光励起に用いる光源として
は、蛍光灯、白熱電灯、メタルハライドランプ、水銀ラ
ンプのような室内照明、太陽、それらの光源からの光を
低損失のファイバーで誘導した光源等が好適に利用でき
る。光触媒性酸化物の光励起により、基材表面が高度に
親水化されるためには、励起光の照度は、0.001m
W/cm2以上あればよいが、0.01mW/cm2以
上だと好ましく、0.1mW/cm2以上だとより好ま
しい。
なる表面層の膜厚は0.2μm以下にするのが好まし
い。そうすれば、光の干渉による表面層の発色を防止す
ることができる。また表面層が薄ければ薄いほど部材の
透明度を確保することができる。更に、膜厚を薄くすれ
ば表面層の耐摩耗性が向上する。上記光触媒性酸化物
と、酸化物超強酸からなる表面層の表面に、更に、親水
化可能な耐摩耗性又は耐食性の保護層や他の機能膜を設
けてもよい。
なる表面層は、基材と比較して屈折率があまり高くない
のが好ましい。好ましくは表面層の屈折率は2以下であ
るのがよい。そうすれば、基材と表面層との界面におけ
る光の反射を抑制できる。表面層の屈折率を2以下にす
るには、光触媒性酸化物と酸化物超強酸との混合物に屈
折率2以下の物質を用いるか、光触媒性酸化物と酸化物
超強酸との混合物に屈折率2以下の低屈折率物質を添加
するようにする。
飾イオンを含むガラスや施釉タイルの場合には、基材と
上記表面層との間にシリカ等の中間層を形成してもよ
い。そうすれば、焼成中にアルカリ網目修飾イオンが基
材から表面層へ拡散するのが防止され、光触媒機能がよ
りよく発揮される。
金属を添加することができる。前記金属を添加した表面
層は、表面に付着した細菌を死滅させることができる。
更に、この表面層は、黴、藻、苔のような微生物の成長
を抑制する。従って、微生物起因の部材表面の汚れ付着
がより有効に抑制されるようになる。上記表面層にはP
t、Pd、Rh、Ru、Os、Irのような白金族金属
を添加することができる。前記金属を添加した表面層
は、光触媒による酸化活性を増強させることができ、部
材表面に付着した汚染物質の分解を促進する。また、上
記白金族金属の添加により酸化物超強酸の酸度が向上す
るので、親水維持性も向上する。
3.5重量%のテトラエトキシシラン溶液(希釈剤:エ
タノール、加水分解抑制剤:塩酸)に浸漬後、毎分24
cmの速度で引き上げて、溶液をディップコーティング
法により、ガラス板の表面に塗布し、乾燥させた。ここ
までの工程により、テトラエトキシシランは加水分解を
受けてシラノール基が生成し、続いてシラノール基が脱
水縮重合して、無定型シリカを主要成分とする薄膜が表
面に形成された。次に、3.5重量%のテトラエトキシ
チタン溶液(希釈剤、加水分解抑制剤:塩酸)に浸漬
後、毎分24cmの速度で引き上げて、溶液をディップ
コーティング法により、ガラス板の表面に塗布し、乾燥
させて、#1試料を得た。ここまでの工程により、テト
ラエトキシチタンは加水分解を受けて水酸基が生成し、
続いて水酸基が脱水縮重合して、無定型チタニアを主要
成分とし、部分的にアルキル基が残留している薄膜が表
面に形成された。次に、#1試料表面を、コロナ放電処
理装置(春日電機)により、電極にワイヤー電極を用
い、電極先端と試料表面とのギャップ2mm、電圧26
kV、周波数39kHz、試料送り速度4.2m/分の
条件で、高周波コロナ放電処理することにより、脱アル
キル処理した。次に、試料を1重量%のタングステン酸
溶液(溶媒:アンモニア水)に浸漬後、 毎分24cm
の速度で引き上げて、溶液をディップコーティング法に
より、表面に塗布し、500℃で焼成して#2試料を得
た。焼成により、無定型チタニアが結晶化してアナター
ゼ型酸化チタンが生成した。焼成直後の#2試料の表面
にオレイン酸を塗布し、中性洗剤でこすり、水道水及び
蒸留水で濯いだ後、乾燥器により50℃で30分乾燥さ
せることにより、表面を故意に汚染させた後、照度0.
3mW/cm2の紫外線を1日紫外線光源(三共電気、
ブラックライトブルー(BLB)蛍光灯)を用い、照射
した。その結果、水との接触角は0゜を示した。ここで
水との接触角は接触角測定器(協和界面科学、CA−X
150)により、マイクロシリンジから試料表面に水滴
を滴下した後30秒後に測定した。次に、暗所に2日放
置し、試料表面の水との接触角を測定した。その結果、
水との接触角は9゜程度に維持され、暗所においても安
定した親水維持性を示した。
方法において、基材表面に、有機チタネートを塗布する
工程、有機チタネートを加水分解及び脱水縮重合させる
工程を行った後、残留有機基を除去する工程を行い、そ
の後、タングステン酸含有水溶液を塗布する工程と、4
00℃以上で焼成することにより、結晶性酸化チタンと
TiO2/WO3複合酸化物を生成する工程を行うよう
にする。ここで、残留有機基を除去する工程を行うこと
により、タングステン酸が基材表面に均一に濡れるよう
になるので、表面にTiO2/WO3複合酸化物が均一
に形成されるようになる。それにより、暗所において長
期にわたり高度の親水性を維持できる効果が安定的に発
揮されるようになる。
の模式図を示す図。
を示す図。
Claims (3)
- 【請求項1】 基材表面に、有機チタネートを塗布する
工程、有機チタネートを加水分解及び脱水縮重合させる
工程を行った後、残留有機基を除去する工程を行い、そ
の後、タングステン酸含有水溶液を塗布する工程と、4
00℃以上で焼成することにより、結晶性酸化チタンと
TiO2/WO3複合酸化物を生成する工程を行うこと
を特徴とする光触媒性親水性部材の形成方法。 - 【請求項2】 前記残留有機基を除去する工程は、コロ
ナ放電処理又はプラズマ放電処理であることを特徴とす
る請求項1に記載の光触媒性親水性部材の形成方法。 - 【請求項3】 請求項1又は2の方法で作製されたこと
を特徴とする光触媒性親水性部材。
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JPH1095635A JPH1095635A (ja) | 1998-04-14 |
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ID=17696184
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP7089785B2 (ja) * | 2019-12-06 | 2022-06-23 | 株式会社イリス | 親水性材料の製造方法 |
-
1996
- 1996-09-20 JP JP28579596A patent/JP3255346B2/ja not_active Expired - Lifetime
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