JP3662047B2 - 赤外線放射材料およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、暖房、乾燥、調理等で輻射加熱を利用する分野において、加熱体等の赤外線輻射効果を付与するための被膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
赤外線輻射エネルギーは、効率的加熱方法として広く利用されている。例えば、赤外線は、水、人体、動植物、油脂、プラスチック等に吸収され、これらを効率良く加熱する。したがって、赤外線を放射する材料は、暖房、乾燥、調理等のヒーターとして使用される。暖房としては、こたつ、ストーブ、工場暖房、床暖房、壁暖房等がある。乾燥では、塗装膜、印刷インク、粉体、木材、茶、海藻等に使用される。
赤外線放射材料としては、チタニア、ジルコニア、アルミナ等を主体とした酸化物が知られている。これらの赤外線放射材料は、金属やセラミックス等の発熱体に被覆して使用されることが多い。従来、この種の被膜は、赤外線放射材料をガラスフリットなどの耐熱結合剤中に分散して被覆したり、あるいはプラズマ溶射により被覆して製造されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
赤外線放射材料は前記のように乾燥や加熱に使用されるが、被加熱体から生じるガスや液体の飛散あるいは被加熱体との接触により汚れる。特に食品加工の加熱等においてはその汚れが著しい。このような汚れは、赤外線の放射特性を低下させるために、いつも掃除しなければならない。また、赤外線放射材料と被加熱体を直接接触させて乾燥や加熱を行う場合には、従来の材料では焦げ付きが生じ易くかつ汚れを落とし難い。
本発明は、上記課題を解決するために創案されたものであり、高い赤外線放射特性を有し、耐汚性の高い赤外線放射材料およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明では、Ｍ−Ｏ−Ｍ結合（Ｍは金属、半金属原子）を有する無機ポリマー骨格中のＭを５０〜９５モル％の割合でＳｉ（Ｒ）_n （Ｏ−）_4-n 基（Ｒはアルキル基、ｎ＝１〜３）に置換し、かつアルキル基の水素原子がフッ素原子にＦ／（Ｆ＋Ｈ）のモル比で０．０１〜１の範囲で置換した無機・有機融合体中にＦｅ、Ｍｎ、Ｃｏの中から１種以上の元素の酸化物を５０モル％以上含む粒子を１０〜７０体積％の割合で分散含有する膜で被覆された赤外線放射材である。
無機・有機融合体とは、炭素、水素、酸素、窒素等からなる有機物に、金属、半金属が化学結合して重合することにより、原子・分子レベルで融合した材料である。
【０００５】
本発明では、アルキル基の水素原子がフッ素原子に置換し、Ｆ／（Ｆ＋Ｈ）のモル比が０．０１〜１の範囲が望ましい。０．０１より少ないと撥水性が乏しく、十分な耐汚性が得られない。すべての水素原子がフッ素原子に置換しても良い（Ｆ／（Ｆ＋Ｈ）＝１）。
無機ポリマー骨格中のＭをＳｉ（Ｒ）_n （Ｏ−）_4-n 基で置換する割合は、Ｍの５０〜９５モル％の範囲が望ましい。５０モル％未満では、有機成分が少なくなり、膜形成時にクラックが発生し易くなり、かつフルオロアルキル基の含有量が少なくなり、十分な耐汚性が得られない。９５モル％を越えると、無機成分の割合が少なくなり、膜の密着性の低下や強度の低下が顕著になる。
【０００６】
分散する粒子のサイズは、０．１〜２０μｍの範囲が好ましい。０．１μｍ未満の粒子では、非常に微細であるために均一に分散するのが困難である。２０μｍを越える粒子では、溶液中での沈降がはやいため被膜中に均一に分散するように塗布するのが困難である。膜厚は１〜１００μｍであることが好ましい。膜厚が１μｍ未満では、充分な赤外線放射特性が得られない。一方、１００μｍを越える厚さになると、塗装過程の熱処理時にクラック等が発生しやすい。
粒子は、１０〜７０体積％の割合で分散させることが好ましい。１０％未満では、高波長域に渡って充分な赤外線放射特性が得られない。一方、７０％を越えると膜の密着性が低下したり、膜を形成することが困難になる。
【０００７】
本発明の赤外線放射材料は、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏの中から１種以上の元素の酸化物を含む粒子が分散された金属アルコキシド、アルキルアルコキシシラン、フルオロアルキルアルコキシシランの加水分解溶液を基板に塗布して１５０〜６００℃で熱処理して製造する。
本発明で使用する金属アルコキシドは特に限定しないが、例えば、メトキシド、エトキシド、プロポキシド、ブトキシド等が挙げられる。また金属アルコキシドは、そのアルコキシ基の一部をβ−ジケトン、β−ケトエステル、アルカノールアミン、アルキルアルカノールアミン、有機酸等で置換して使用してもよい。本発明における無機成分を構成する金属、半金属は、アルコキシドを形成することができるものに限定される。例えば、Ｓｉ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｙ，Ｃｏ等である。これらの金属アルコキシドは、１種または２種以上使用できる。
【０００８】
本発明で使用するアルキルアルコキシシランとしては、モノアルキルトリアルコキシシラン、ジアルキルジアルコキシシラン、トリアルキルアルコキシシランがある。これらのアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、フェニル基、ビニル基等が挙げられる。また、アルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基等が挙げられる。
【０００９】
本発明で使用するフルオロアルキルアルコキシシランとしては、モノフルオロアルキルトリアルコキシシラン、モノフルオロアルキルモノアルキルジアルコキシシラン、ジフルオロアルキルアルコキシシラン、モノフルオロアルキルジアルキルモノアルコキシシラン、ジフルオロアルキルモノアルキルモノアルコキシシラン、トリフルオロアルキルモノアルコキシシランがある。フルオロアルキル基としては、−ＣＦ_３，−Ｃ_２Ｆ_５，−Ｃ _３ Ｆ _７ ，−Ｃ_４Ｆ_９，ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＦ_３，−ＣＨ_２ＣＨ_２Ｃ_６Ｆ_１３，−ＣＨ_２ＣＨ_２Ｃ_８Ｆ_１７等が挙げられる。アルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、フェニル基、ビニル基等が挙げられる。また、アルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基等が挙げられる。
【００１０】
本発明におけるアルコキシドの加水分解では、アルコキシドに対して１０モル倍までの水を添加して加水分解することである。この際、無機酸、有機酸あるいはそれらの両方を触媒として使用してもよい。添加する水は、アルコール等の有機溶媒で希釈してもよい。１０モル倍を越える水を使用するとすぐにゲル化するために、好ましくない。
加水分解においては、金属アルコキシド、アルキルアルコキシシラン、フルオロアルキルアルコキシシランを均一に分散、溶解できる有機溶媒が使用される。例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール等の各種アルコール、アセトン、トルエン、キシレン等である。加水分解後、溶媒、加水分解で生成したアルコール等を常圧あるいは減圧下で留去して塗布してもよい。
基板としては、用途に適合させ、ステンレス等金属材料であれば何でも良い。塗布は、スプレーコート法、ディップコート法、ロールコート法、スピンコート法等で行われる。
【００１１】
【作用】
本発明の赤外線放射材料において、フッ素を骨格の中に取り込んだ無機・有機融合体のマトリックス中に酸化物粒子を分散した複合構造であるために撥水性の高いフッ素により耐汚性が高くかつ酸化物粒子により高い赤外線放射率を示す。
【００１２】
【実施例】
本発明の赤外線放射材料およびその製造方法を以下の実施例によって具体的に説明する。ただし、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。表１に示すような条件で、エトキシエタノール溶媒中のアルコキシドの加水分解した後、酸化物粒子を加えボールミルで１０時間混合し、バーコータでステンレス鋼板に塗布し、３５０℃で１０分熱処理を行った。
ステンレス鋼板の塗布面を内側になるように管状にし、管まわりにニクロムヒータを巻いて、管内に大根を吊るして試料重量の経時変化を調べた。この時、管の内表面の温度はいずれも１２０℃である。無塗布から黒体塗料塗布までの乾燥速度を３段階にわけて、この順に×、△、○で表した。
耐汚性については、塗膜した鋼板の上に鳥肉片を置き、反対側からコンロで加熱し、そのこびり着きの有無を調べた（有：×、無し：○）。
【００１３】
【表１】

【００１４】
表２に結果を示す。酸化物の粒径が小さすぎると均一な分散ができず、均一な塗布ができなかった（比較例６）。酸化物の粒径が大きすぎると粒子の沈降が速すぎて、均一な塗布ができなかった（比較例７）。塗膜の膜厚が厚すぎると熱処理時にクラックが生じてしまった（比較例９）。酸化物粒子の割合が多くなると、膜が容易に剥離した（比較例１１）。有機成分の割合が多くなりすぎると膜に密着性が悪く剥離した（比較例１３）。実施例１〜４では乾燥速度が良好であったが、膜厚の薄い比較例８および酸化物粒子の割合が少ない比較例１０では乾燥速度が遅くなった。図１に実施例１、比較例８、比較例１０、無塗装のステンレス鋼板の赤外線放射特性を示す。実施例１は、黒体的な高効率放射特性が認められるが、比較例８および１０の放射特性は低かった。
実施例１〜４の耐汚性は良好であったが、フッ素含有量の少ない比較例５、１２の耐汚性が劣っていた。
【００１５】
【表２】

【００１６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。本発明の赤外線放射材料によれば、高い赤外線放射特性を有し、かつ耐汚性が高い。したがって、ヒーターとして使用した場合には、汚れによる赤外線放射特性の低下が小さいので、掃除等のメンテナンス回数を省略できる。また、調理器具等で使用した場合には、焦げ付き難くかつ赤外線輻射による効率良い加熱が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明および比較例の赤外線放射膜およびステンレス鋼板の赤外線分光放射特性図である。

Claims (4)

1. Ｍ−Ｏ−Ｍ結合（Ｍは金属、半金属原子）を有する無機ポリマー骨格中のＭを５０〜９５モル％の割合でＳｉ（Ｒ) _n （Ｏ−）_4-n 基（Ｒはアルキル基、ｎ＝１〜３）に置換し、かつアルキル基の水素原子がフッ素原子にＦ／（Ｆ＋Ｈ）のモル比で０．０１〜１の範囲で置換した無機・有機融合体中にＦｅ、Ｍｎ、Ｃｏの中から１種以上の元素の酸化物を５０モル％以上含む粒子を１０〜７０体積％の割合で分散含有する膜で被覆された赤外線放射材。
2. 分散する酸化物粒子のサイズが０．１〜２０μｍであり、膜厚が１〜１００μｍであることを特徴とする請求項１記載の赤外線放射材料。
3. 金属アルコキシド、アルキルアルコキシシラン、フルオロアルキルアルコキシシランを加水分解した後、該加水分解物にＦｅ、Ｍｎ、Ｃｏの中から１種以上の元素の酸化物を含む粒子を分散した溶液を得て、該溶液を基板に塗布して１５０〜６００℃で熱処理することを特徴とする請求項１記載の赤外線放射材料の製造方法。
4. Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏの中から１種以上の元素の酸化物を含む粒子を分散した金属アルコキシド、アルキルアルコキシシラン、フルオロアルキルアルコキシシランを加水分解して得た加水分解溶液を基板に塗布して１５０〜６００℃で熱処理することを特徴とする請求項１記載の赤外線放射材料の製造方法。

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