JP3704806B2 - 超親水性を有する意匠材による水膜形成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は建築などで使用する意匠材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、飲食店の店内に日本庭園をモチーフとして池や小川などを配置することで、自然な雰囲気の中で食事が楽しめるような演出や、オブジェ的な壁体あるいは建築本体の外壁に水を流下させて涼感を演出するといった水を使った様々なデザインがなされている。このような水と接する部分には、天然石、人造石、タイルなど様々な意匠材が使用されている。なお、ここでいう意匠材は、このような床材、内外壁材、屋根材などの仕上材だけでなく、表面を形成する建築材料あるいは外観を形成する建築材料のことをいう。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、いずれの意匠材においても、少量の水では均一な水膜が作れず筋状の流れになってしまうために、その効果を発揮するためには大量の水を必要としている。したがって、▲１▼設計及びデザインに制約を受ける、▲２▼大量の揚水を必要とするのでランニングコストがかかる、などの不具合が生じていた。
【０００４】
本発明は、少量の水でも薄い均一な水膜を形成することが可能な超親水性を有する意匠材による水膜形成方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法は、
光触媒性半導体材料を含む層で被覆した意匠材に、光励起による親水性を発現させて、均一な水膜を表面に形成することを特徴とする。
【０００６】
請求項２に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法は、請求項１に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法において、
前記層の表面は光励起時に水との接触角に換算して約１０゜以下の水濡れ性を呈する。
【０００７】
請求項３に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法は、請求項１に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法において、
前記層の表面は光励起時に水との接触角に換算して約５°以下の水濡れ性を呈する。
【０００８】
請求項４に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法は、請求項１ないし請求項３のいずれか一に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法において、
前記光触媒性半導体材料に、ＴｉＯ₂，ＺｎＯ，ＳｎＯ₂，ＳｒＴｉＯ₃，ＷＯ₃，Ｂｉ₂Ｏ₃，Ｆｅ₂Ｏ₃からなる群から選ばれた１種の酸化物を含有させる。
【０００９】
請求項５に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法は、請求項１ないし請求項４のいずれか一に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法において、
前記光触媒性半導体材料をアナターゼ型チタニアとする。
【００１０】
請求項６に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法は、請求項４または請求項５に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法において、
前記層は更にＳｉＯ₂又はＳｎＯ₂を含有させる。
【００１１】
請求項７に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法は、請求項１ないし請求項６のいずれか一に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法において、
前記層を光触媒性半導体材料の粒子が均一に分散された塗膜によって形成する
。
【００１２】
請求項８に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法は、請求項７に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法において、
前記塗膜をシリコーンで形成し、その表面をシリコーン分子のケイ素原子に結合した有機基が光励起に応じて光触媒性材料の光触媒作用により少なくとも部分的に水酸基に置換されたシリコーン誘導体で形成する。
【００１３】
請求項９に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法は、請求項１ないし請求項８のいずれか一に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法において、
前記基材をアルカリ網目修飾イオンを含むガラスで形成し、前記基材と前記層との間に前記イオンが基材から前記層中に拡散を防止するための薄膜を介挿する
。
【００１４】
請求項１０に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法は、請求項９に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法において、
前記薄膜をシリカの薄膜とする。
【００１５】
請求項１１に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法は、請求項１ないし請求項１０のいずれか一に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法において、
前記層の厚さを約０．２μｍ以下とする。
【００１６】
【作用】
本発明者は、光触媒を光励起すると光触媒の表面が高度に親水化されることを世界で初めて発見した。驚ろくべきことに、光触媒性チタニアを紫外線で光励起したところ、水との接触角が１０°以下、より詳しくは５°以下、特に約０°になる程度に表面が高度に親水化されることが発見された。
本発明は斯る新発見に基づくもので、意匠材の表面は光触媒半導体材料からなる耐摩耗性の光触媒性コーティングによって被覆される。
光触媒半導体のバンドギャップエネルギより高いエネルギの波長をもった光を充分な照度で充分な時間照射すると、光触媒性コーティングの表面は超親水性を呈するに至る。ここで用いる“超親水性（ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃｉｔｙ）”又は“超親水性の（ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃ）”の用語は、水との接触角に換算して約１０°以下、好ましくは約５°以下の高度の親水性（即ち水濡れ性）を意味する。同様に、“超親水化（ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）”又は“超親水化する（ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｆｙ）”の用語は、表面を水との接触角に換算して約１０°以下、好ましくは約５°以下の高度の親水性にすることを意味する。
光触媒の光励起によって起こる表面の超親水化現象は、現在のところ、必ずしも明確に説明することはできない。光触媒による超親水化現象は、光触媒の分野において従来知られている光触媒的酸化還元反応による物質の光分解とは必ずしも同じではないように見受けられる。この点に関し、光触媒的酸化還元反応に関する従来の定説は、光励起により電子−正孔対が生成し、生成した電子は表面酸素を還元してスーパーオキサイドイオン（Ｏ₂ - ）を生成し、正孔は表面水酸基を酸化して水酸ラジカル（・ＯＨ）を生成し、これらの高度に反応性の活性酸素種（Ｏ2 - や・ＯＨ）の酸化還元反応によって物質が分解されるというものであった。
しかしながら、光触媒による超親水化現象は、少なくとも２つの点において、物質の光触媒的分解に関する従来の知見と合致しない。第１に、従来の定説では、ルチルや酸化錫のような光触媒は、伝導体のエネルギ準位が十分に高くないため、還元反応が進行せず、その結果、伝導体に光励起された電子が過剰となり、光励起により生成した電子−正孔対が酸化還元反応に関与することなく再結合すると考えられていた。これに対して、光触媒による超親水化現象は、後述するように、ルチルや酸化錫のような光触媒でも起こることが確認された。
第２に、従来、光触媒性酸化還元反応による物質の分解は光触媒層の膜厚が少なくとも１００ｎｍ以上でないと起こらないと考えられている。これに対して、光触媒性超親水化は、光触媒性コーティングの膜厚が数ｎｍのオーダーでも起こることが観察された。
従って、明確には結論できないが、光触媒による超親水化現象は、光触媒的酸化還元反応による物質の光分解とはやや異なる現象であると考えられる。しかしながら、後述するように、光触媒のバンドギャップエネルギより高いエネルギの光を照射しなければ表面の超親水化は起こらないことが確認された。おそらくは、光触媒の光触媒作用によって光触媒性コーティングの表面に水が水酸基（ＯＨ- ）の形で化学吸着されることにより、表面が超親水性になると考えられる。
光励起により光触媒性コーティングの表面が一旦高度に親水化されたならば、意匠材が暗所に保持されても、表面の親水性はある程度の期間持続する。時間の経過に伴い表面水酸基に汚染物質が吸着され、表面が次第に超親水性を失った時には、再び光励起すれば超親水性は回復する。
光触媒性コーティングを最初に超親水化するためには、光触媒のバンドギャップエネルギより高いエネルギの波長をもった任意の光源を利用することができる。チタニアのように光励起波長が紫外線領域に位置する光触媒の場合には、光触媒性コーティングで被覆された意匠材に太陽光が当たるような条件では、太陽光に含まれる紫外線を好適に利用することができる。屋内や夜間には、人工光源により光触媒を光励起することができる。後述するように、光触媒性コーティングがシリカ配合チアニアからなる場合には、蛍光灯に含まれる微弱な紫外線でも容易に親水化することができる。
光触媒性コーティングの表面が一旦超親水化された後には、比較的微弱な光によって超親水性を維持し、或いは、回復させることができる。例えば、チタニアの場合には、超親水性の維持と回復は、蛍光灯のような室内照明灯に含まれる微弱な紫外線でも充分に行うことができる。
光触媒性コーティングは非常に薄くしても超親水性を発現し、特に金属酸化物からなる光触媒半導体材料は充分な硬度を有するので、光触媒性コーティングは充分な耐久性と耐摩耗性を有する。
以上のことから、高度に親水化された意匠材の表面では、水はできるだけ薄く広がろうとするので、非常に少量の水でも均一な薄い水膜を形成することができ、また、超親水性の発現された意匠材の表面は、屋内においては蛍光灯などの照明によって、屋外においては太陽光によってその効果は持続される。
さらにその水を循環して再利用する場合には意匠材表面に施された光触媒の作用（酸化還元作用）により水自体が浄化されることも期待できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明による超親水性を有する意匠材による水膜形成方法の実施の形態について実施例に基づいて説明する。
【００１８】
本発明の第１の実施例として、市民ホールの休憩スペースに水面を形成した例について説明する。
図１に示される休憩スペース１に形成される池２は、橋７及び飛び石８とともに、テーブル３３で休憩する人などのための安らぎの空間を演出するためのものである。
図２に示されるように、池２は、その底面を超親水性を有するタイル３によって形成し、側面をごく普通のタイル４によって形成している。ともに、目地５を設けて、コンクリートスラブ９上にモルタル６を介して配置している。
タイル３は１５ｃｍ四角の施釉タイル（東陶機器、ＡＢ０２Ｅ０１）で、▲１▼その表面にテトラエトキシシラン（コルコート社、エチル２８）をスプレーコーティング法により塗布し、▲２▼約２０分間約１５０℃の温度に保持することにより、テトラエトキシシランを加水分解と脱水縮重合に付し、無定形シリカ層を表面に形成した後、▲３▼表面にアナターゼ型チタニアゾル（大阪の石原産業、ＳＴＳ−１１）をスプレーコーティング法により塗布し、▲４▼８００℃の温度で１時間焼成したものである。なお、その後このタイル３には、ＢＬＢ蛍光灯を用いて０．３ｍＷ／ｃｍ2 の紫外線照度で１日間紫外線を照射して光励起による親水性を発現させ、水との接触角を３°未満とした。
したがって、この池２に給水口１５から少量の水を供給すると、水はすばやく全面に広がり、薄い均一な水膜を表面に形成して池２の水面となる。なお、このとき図３に示されるように、目地４はタイル３の上面より低く形成されているので、目地４で切れることなく一様な水面１０が形成される。また、タイル３の地の色を黒とすれば水鏡のような効果が得られる。
【００１９】
本発明の第２の実施例として、３階建ての建物の壁面に水膜を形成した例について説明する。
図４に示される建物１１の外壁１３は超親水性を有するアルミニウム板１２で形成されている。この外壁１３に水膜を形成して、水鏡のような外面を有する建築物としてデザインしたものである。
アルミニウム板１２は、表面をアルマイト処理した後、次の▲１▼〜▲４▼に示す手順で超親水性を発現させたものである。▲１▼表面を平滑化するため、日本合成ゴム（東京）の塗料用組成物“グラスカ”のＡ液（シリカゾル）とＢ液（トリメトキシメチルシラン）を、シリカ重量とトリメトキシメチルシランの重量の比が３になるように混合し、この混合液を表面に塗布し、１５０℃の温度で硬化させ、膜厚３μｍのシリコーンの被覆を形成する。▲２▼アナターゼ型チタニアゾル（日産化学、ＴＡ−１５）と“グラスカ”のＡ液（シリカゾル）を混合し、エタノールで希釈後、更に“グラスカ”のＢ液を添加し、チタニア含有塗料用組成物を調整した。この塗料用組成物の組成は、シリカ３重量部、トリメトキシメチルシラン１重量部、チタニア４重量部であった。▲３▼この塗料用組成物をアルミニウム板１２の表面に塗布し、１５０℃の温度で硬化させ、アナターゼ型チタニア粒子がシリコーン塗膜中に分散された表面層を形成した。▲４▼ＢＬＢ蛍光灯を用いて０．５ｍＷ／ｃｍ²の照度で５日間紫外線を照射して光励起による親水性を発現させ、表面の水との接触角を３°未満とした。
この、建物１１の外壁１３の上部に備えられた、樋１４に水を満たしていくとやがて側方１４ａから溢れて、アルミニウム板１２に一様に水が流れるようになっている。流れだした水は素早くアルミニウム板１２全面に広がり、薄い均一な水膜が表面に形成され水鏡のような効果が得られる。
【００２０】
また、シリコーン層に光触媒性半導体材料を含有させた場合、常温または比較的低温で効果させることができるので、既存の外壁でも刷毛塗り、スプレーコーティング、ロールコーティングなどにより塗布して形成することができる。また、光励起による超親水化は太陽光で容易に行うことができる。
なお、外壁１３に汚れが付着した場合でも降雨によって自然に流れて落ちてしまうので汚れがつきにくい。
【００２１】
本発明の第３の実施例として、第２の実施例の建物１１の外壁１３が、ガラス面を有するカーテンウォール（図示せず）で構成されている場合について説明する。この場合、ガラス面には次の▲１▼〜▲３▼に示す手順で超親水性を発現させたものを用いれば前述と同様の効果が得られる。
▲１▼ テトラエトキシチタンＴｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄（Ｍｅｒｃｋ）１重量部とエタノール９重量部との混合物に加水分解抑制剤として３６％塩酸を０．１重量部添加してチタニアコーティング溶液を調整し、この溶液をガラス面に乾燥空気中でフローコーティング法により塗布した。塗布量はチタニアに換算して４５μｇ／cm²とした。テトラエトキシチタンの加水分解速度は極めて早いので、塗布の段階でテトラエトキシチタンの一部は加水分解され、水酸化チタンＴｉ（ＯＨ）₄が生成し始めた。
▲２▼ このガラス面を１〜１０分間約１５０℃の温度に保持することにより、テトラエトキシチタンの加水分解を完了させると共に、生成した水酸化チタンを脱水縮重合に付し、無定形チタニアを生成させた。
さらに、これを５００℃の温度で焼成して、無定形チタニアをアナターゼ型チタニアに変換させて、ガラス面にアナターゼ型チタニアの表面層を形成させた。なお、ここで、焼成温度を高くしてルチル型チタニアの表面層を形成させてもよい。
▲３▼ このようにして製作したガラス面をまず０．３Ｗ／cm²の紫外線強度で２４時間光照射を行って光励起による親水性を発現させたところ、照射後の水滴の接触角は測定限界である約１度であった。表面層の厚さは０．２μｍであった。
【００２２】
本発明の第４の実施例として、アミューズメントパークに設けられた水膜による映写スクリーンについて説明する。
図５に示される映写スクリーン２１は、スクリーン本体２２の面体２３に水膜を形成して、その水膜の面に映像を写し出すためのものである。
Ｃ形溝型鋼などの鋼材で形成されたスクリーン本体２２には、鋼板製の面体２３を備える。この面体２３に第２の実施例と同様にして、アナターゼ型チタニア粒子がシリコーン塗膜中に分散された表面層を形成した後、光励起による親水性を発現させた。
それから、スクリーン本体２２の上部に備えられた、樋２４に水を満たしていくとやがて側方２４ａから溢れて、面体２３に一様に水が流れるようになっている。流れだした水は素早く面体２３全面に広がり、薄い均一な水膜が表面に形成されて水膜によるスクリーンが得られる。このスクリーンに映写機（図示せず）によって映像を写し出せば、水面に写し出されたような映像が得られる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、ごく少量の水でも薄い均一な水膜を形成することができるので、池やスクリーンなどをはじめ様々な水膜を利用したデザインが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例の休憩スペースの平面図
【図２】第１の実施例の池の断面図
【図３】第１の実施例の池の断面詳細図
【図４】第２の実施例の３階建ての建物の断面図
【図５】第４の実施例の映写スクリーンの断面図
【符号の説明】
３ タイル
１２ アルミニウム板
２３ 鋼板性の面体

Claims (11)

1. 光触媒性半導体材料を含む層で被覆した意匠材に、光励起による親水性を発現させて、均一な水膜を表面に形成することを特徴とする超親水性を有する意匠材による水膜形成方法。
2. 前記層の表面は光励起時に水との接触角に換算して約１０°以下の水濡れ性を呈する請求項１に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法。
3. 前記層の表面は光励起時に水との接触角に換算して約５°以下の水濡れ性を呈する請求項１に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法。
4. 前記光触媒性半導体材料に、ＴｉＯ₂ ，ＺｎＯ，ＳｎＯ₂ ，ＳｒＴｉＯ₂ ，ＷＯ₃ ，Ｂｉ₂Ｏ₃ ，Ｆｅ₂Ｏ₃からなる群から選ばれた１種の酸化物を含有させる請求項１ないし請求項３のいずれか一に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法。
5. 前記光触媒性半導体材料をアナターゼ型チタニアとする請求項１ないし請求項４のいずれか一に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法。
6. 前記層は更にＳｉＯ₂又はＳｎＯ₂を含有させる請求項４または請求項５に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法。
7. 前記層を光触媒性半導体材料の粒子が均一に分散された塗膜によって形成する請求項１ないし請求項６のいずれか一に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法。
8. 前記塗膜をシリコーンで形成し、その表面をシリコーン分子のケイ素原子に結合した有機基が光励起に応じて光触媒性材料の光触媒作用により少なくとも部分的に水酸基に置換されたシリコーン誘導体で形成する請求項７に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法。
9. 前記基材をアルカリ網目修飾イオンを含むガラスで形成し、前記基材と前記層との間に前記イオンが基材から前記層中に拡散を防止するための薄膜を介挿する請求項１ないし請求項８のいずれか一に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法。
10. 前記薄膜をシリカの薄膜とする請求項９に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法。
11. 前記層の厚さを約０．２μｍ以下とする請求項１ないし請求項１０のいずれか一に記載の超親水性を有する意匠材による水膜形成方法。

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