JP3882227B2 - Highly cleanable design member and method for cleaning design member - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層鋼板建材や自動車塗装外板等の意匠性を有する部材及びその清浄化方法に関する。特には、雨水や簡単なシャワーによる洗浄だけでも十分に清浄性を維持でき、かつ意匠性が損なわれない高清浄性意匠部材、及び、そのような高清浄性意匠部材を得るための意匠部材の清浄化方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
積層鋼板建材を例にとって従来技術を説明する。
積層鋼板は、着色フィルムや柄印刷が施されたフィルム、透明フィルム、エンボス加工されたフィルム等を1枚又は複数枚重ねて鋼板上に接着することにより、さまざまな意匠を出すことができ、壁材等として広く利用されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、屋外における長い期間の暴露により、積層鋼板建材の表面が次第に汚れ、その意匠性が低下する。このような事態をできるだけ避けるため、意匠性フィルムの材質を撥水性のフッ素系樹脂とするとの対策もなされているが、撥水性のフィルムには疎水性の汚れ(油分)が付き易く、かえって工業地帯や都市部では汚れ易いとの指摘もある。
【0004】
結局、従来においては、建材表面が汚れた場合、その清浄性及び意匠性を回復するには、主に人力による洗浄以外に有効な手だてはなかった。
本発明は、雨水や簡単なシャワーによる洗浄だけでも十分に清浄性を維持でき、かつ意匠性が損なわれない高清浄性意匠部材を提供することを目的とする。また、そのような高清浄性意匠部材を得るための意匠部材の清浄化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】
上記課題を解決するため、本発明の高清浄性意匠部材は、美的処理の施された基材と、この基材の表面に形成された光半導体を含む表面層と、を備え、その表面が水との接触角10°未満の親水性を示し、 該表面層の厚さが0.2μm 未満であり、前記表面層の屈折率が2以下であることを特徴とする。
【0006】
部材の表面が十分に親水性であれば、疎水性の汚れ(油脂、カーボンブラック、煤煙等)は、水の存在下では部材表面に付着しない。また、水が存在しない時に付着した汚れについても、水すすぎ、軽く擦る程度で汚れが落ちる。一方、親水性の汚れ(泥汚れ、塵芥等)は部材表面に付着するが、水すすぎあるいは軽く擦る程度で汚れが落ちる。
本発明の意匠部材において、光半導体を含む表面層の厚さを0.2μm 未満とする理由は、美感を損なう白濁や干渉縞を起さないようにするためである。定量的な根拠については後述する。
【0007】
本発明においては、表面層の屈折率を2以下にする。その理由は、表面層による反射を低減し、表面層を形成したことによるギラギラ感をなくすためである。
光半導体粒子として、最も好適に使用できるアナターゼ型酸化チタンの屈折率は2.5である。したがってアナターゼ型酸化チタンのみで表面層を形成すると、上記ギラギラ感が残留するので、この場合は屈折率が2より小さな物質が添加されているようにするとよい。屈折率が2より小さな物質としては、シリカ(1.48)、シリコーン(約1.5)、アルミナ(1.6)、酸化錫(1.9)等が使用できる。このうちシリコーンはそのままでは疎水性なので、後述する方法によりシリコン原子に結合されたオルガノ基の少なくとも一部を水酸基に置換して用いる。
また、本発明においては、表面層に含有される光半導体粒子の平均粒子径を0.1μm 以下にするのが好ましい。その理由は、光半導体粒子に起因する光の散乱による白濁化をなくすためである。
さらに、本発明においては、表面層の吸水率を1%以下にするのが好ましい。その理由は、下地の金属やフィルム等の腐食、劣化を生じにくくし、それによる意匠性の変化を防止するためである。
【0008】
また、本発明の意匠部材の清浄化方法は、美的処理の施された基材の表面に、光半導体を含む厚さが0.2μm 未満の表面層を形成する工程と、 この表面層に光半導体の励起光波長以下の波長の光を照射してその表面を親水化する工程と、 を含むことを特徴とする。
この方法により、雨水や簡単な水洗浄で意匠性を保てる高清浄性意匠部材を提供できる。
【0009】
次に、光半導体と親水性との関係について述べる。
本発明者は、光半導体を光励起すると光半導体の表面が高度に親水化されることを発見した。すなわち、光半導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、及び、光の照射により高度の親水性が維持・回復されること、さらには特定条件下では一旦高度に親水化された状態が3週間以上暗所にあっても維持されることを発見した。
【0010】
光半導体のバンドギャップエネルギーより高いエネルギー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、光半導体含有層の表面は超親水性を呈するに至る。
光半導体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。光半導体による超親水化現象は、光半導体の化学反応への応用に関する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。
【0011】
しかしながら、光半導体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。第一に、従来の定説では、ルチルや酸化錫のような光半導体は、伝導体のエネルギー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、光半導体による親水化現象は、ルチルや酸化錫のような光半導体でも起こることが確認された。
【0012】
第二に、従来、光触媒性酸化還元反応による物質の分解は光半導体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、光半導体による超親水化は、光触媒含有層の膜厚が数nmのオーダーでも起こることが観察された。
【0013】
したがって、明確には結論できないが、光半導体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、光半導体のバンドギャップエネルギーより高いエネルギー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、光半導体の励起により生成した伝導電子と正孔によって光半導体含有層の表面に極性が付与され水が水酸基(OH- )の形で化学吸着され、さらにその上に物理吸着水層が形成されて、表面が超親水性になると考えられる。
【0014】
光励起により光半導体含有層の表面が一旦高度に親水化されたならば、基材を暗所に保持しても、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。
【0015】
光半導体含有層を最初に親水化するためには、光半導体のバンドギャップエネルギーより高いエネルギー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半導体の場合には、光半導体含有層で被覆された基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、人工光源により光半導体を光励起することができる。後述するように、光半導体含有層がシリカ配合チタ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。
【0016】
光半導体含有層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、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。
【0017】
光半導体含有層は非常に薄くしても親水性を発現し、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、光半導体含有層は充分な耐久性と耐摩耗性を有する。
【0018】
【発明の実施の形態】
基材
本発明においては、基材は、例えば、金属、セラミックス、ガラス、プラスチックス、木、石、セメント、セメントモルタル、コンクリート、プレキャスト鉄筋コンクリート、軽量気泡コンクリート(ALC)パネル、石綿スレート、パルプセメント板、石綿セメントケイ酸カルシウム板、石膏プラスター、石膏ボード、それらの組合せ、それらの積層体、又はその他の材料で形成された建物の外装、窓枠、構造部材、窓ガラス;自動車、鉄道車両、航空機、船舶のような乗り物の外装及び塗装;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、広告塔の外装及び塗装を含む。基材の表面は光半導体性コーティングにより被覆される。
基材として特に耐熱性、軽量、低コスト、強度の面で優れるものとして、ALCパネル、石綿スレート、石綿セメントケイ酸カルシウム板を挙げることができる。
基材上に塗る下地調整材(下塗り)としては、特殊ゴム系弾性シーラー、アクリル樹脂系シーラー、エポキシ樹脂シーラー、有機フィラー、無機フィラー等を挙げることができる。
下塗り上に塗る着色塗料(中塗り)としては、一例として、シリコーン樹脂塗料、アクリル樹脂塗料、アクリルウレタン樹脂塗料、フッ素樹脂塗料、及び、その組み合わせ(重ね塗り)が適当である。
上塗りの一例としての光触媒及びシリコーン系樹脂を主成分とする塗膜は、光触媒含有シロキサン樹脂等を採用できる。
【0018】
建物や屋外に配置された機械装置や物品は、日中は太陽光にさらされるので、光半導体性コーティングの表面は高度に親水化される。さらに、表面は時折降雨にさらされる。親水化された表面が降雨を受ける都度、基材の表面に付着した煤塵や汚染物質は雨滴により洗い流され、表面は自己浄化される。
【0019】
光半導体性コーティングの表面は水との接触角が10°以下、好ましくは5°以下、特に約0°になる程度に高度に親水化されるので、親油性成分を多く含む都市煤塵だけでなく、粘土鉱物のような無機質塵埃も容易に表面から洗い流される。こうして、基材の表面は自然の作用により高度に自己浄化され、清浄に維持される。
【0020】
基材がプラスチックスのような非耐熱性の材料で形成されている場合や基材が塗料で塗装されている場合には、後述するように光半導体を含有する耐光酸化性塗料を表面に塗布し硬化させることにより、光半導体コーティングを形成することができる。
【0021】
光半導体
本発明の親水性繊維に使用する光半導体としては、チタニア(TiO2 )が最も好ましい。チタニアは、無害であり、化学的に安定であり、かつ、安価に入手可能である。さらに、チタニアはバンドギャップエネルギーが高く、従って、光励起には紫外線を必要とし、光励起の過程で可視光を吸収しないので、補色成分による発色が起こらない。
【0022】
チタニアとしてはアナターゼとルチルのいずれも使用することができる。アナターゼ型チタニアの利点は、非常に細かな微粒子を分散させたゾルを市場で容易に入手することができ、非常に薄い薄膜を容易に形成することができることである。ルチル型チタニアはアナターゼ型よりも伝導帯準位が低いが、光半導体による超親水化の目的に使用することができる。基材をチタニアからなる光半導体コーティングで被覆し、チタニアを紫外線によって光励起すると、水が水酸基(OH- )の形で表面に化学吸着され、さらにその上に物理吸着水層が形成されて、その結果、表面が超親水性になると考えられる。
【0023】
本発明の使用可能な他の光半導体としては、ZnO、SnO2 、SrTiO3 、WO3 、Bi23 、Fe23 のような金属酸化物がある。これらの金属酸化物は、チタニアと同様に、表面に金属元素と酸素が存在するので、表面水酸基(OH- )を吸着しやすいと考えられる。
また、光半導体の粒子をシリカ等の光半導体でない金属酸化物と混合してもよい。特に、シリカ又は酸化錫に光半導体を配合した場合には、表面を高度に親水化することができる。
【0024】
そのようなシリカ配合チタニアからなる光半導体層の作製方法の一例として、無定型シリカの前駆体(例えば、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラn−プロポキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラメトキシシラン、等のテトラアルコキシシラン;それらの加水分解物であるシラノール;又は平均分子量3,000以下のポリシロキサン)と結晶性チタニアゾルとの混合物を基材の表面に塗布し、必要に応じて加水分解させてシラノールを形成した後、室温又は必要に応じて加熱してシラノールを脱水縮重合に付すことにより、チタニアが無定型シリカで結着された光半導体層を形成する。
【0025】
無定形チタニアの焼成による光触媒層の形成
基材が金属、セラミックス、ガラスのような耐熱性の材料で形成されている場合には、水との接触角が0°になる程度の超親水性を呈する耐摩耗性に優れた光半導体性コーティングを形成する好ましいやり方の1つは、先ず基材の表面を無定形チタニアで被覆し、次いで焼成により無定形チタニアを結晶性チタニア(アナターゼ又はルチル)に相変化させることである。無定形チタニアの形成には、次のいずれかの方法を採用することができる。
【0026】
(1)有機チタン化合物の加水分解と脱水縮重合
チタンのアルコキシド、例えば、テトラエトキシチタン、テトライソプロポキシチタン、テトラn−プロポキシチタン、テトラブトキシチタン、テトラメトキシチタン、に塩酸又はエチルアミンのような加水分解抑制剤を添加し、エタノールやプロパノールのようなアルコールで希釈した後、部分的に加水分解を進行させながら又は完全に加水分解を進行させた後、混合物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その他のコーティング法により、基材の表面に塗布し、常温から200℃の温度で乾燥させる。乾燥により、チタンのアルコキシドの加水分解が完遂して水酸化チタンが生成し、水酸化チタンの脱水縮重合により無定形チタニアの層が基材の表面に形成される。
チタンのアルコキシドに代えて、チタンのキレート又はチタンのアセテートのような他の有機チタン化合物を用いてもよい。
【0027】
(2)無機チタン化合物による無定形チタニアの形成
無機チタン化合物、例えば、TiCl4 又はTi(SO4)2 の酸性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により、基材の表面に塗布する。次いで無機チタン化合物を約100〜200℃の温度で乾燥させることにより加水分解と脱水縮重合に付し、無定形チタニアの層を基材の表面に形成する。或いは TiCl4 の化学蒸着により基材の表面に無定形チタニアさせてもよい。
【0028】
(3)スパッタリングによる無定形チタニアの形成
金属チタンのターゲットに酸化雰囲気で電子ビームを照射することにより基材の表面に無定形チタニアを被着する。
【0029】
(4)焼成温度
無定形チタニアの焼成は少なくともアナターゼの結晶化温度以上の温度で行う。400〜500℃以上の温度で焼成すれば、無定形チタニアをアナターゼ型チタニアに変換させることができる。600〜700℃以上の温度で焼成すれば、無定形チタニアをルチル型チタニアに変換させることができる。
【0030】
シリカ配合チタニアからなる光触媒層
水との接触角が0°になる程度の超親水性を呈する耐摩耗性に優れた光半導体性コーティングを形成する他の好ましいやり方は、チタニアとシリカとの混合物からなる光半導体性コーティングを基材の表面に形成することである。チタニアとシリカとの合計に対するシリカの割合は、5〜90モル%、好ましくは10〜70モル%、より好ましくは10〜50モル%にすることができる。シリカ配合チタニアからなる光半導体コーティングの形成には、次のいずれかの方法を採用することができる。
【0031】
(1)アナターゼ型又はルチル型チタニアの粒子とシリカの粒子とを含む懸濁液を基材の表面に塗布し、基材の軟化点以下の温度で焼結する。
(2)無定形シリカの前駆体(例えば、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラn−プロポキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラメトキシシラン、等のテトラアルコキシシラン;それらの加水分解物であるシラノール;又は平均分子量3,000以下のポリシロキサン)と結晶性チタニアゾルとの混合物を基材の表面に塗布し、必要に応じて加水分解させてシラノールを形成した後、約100℃以上の温度で加熱してシラノールを脱水縮重合に付すことにより、チタニアが無定形シリカで結着された光半導体性コーティングを形成する。特に、シラノールの脱水縮重合温度を約200℃以上の温度で行えば、シラノールの重合度を増し、光半導体コーティングの耐アルカリ性能を向上させることができる。
【0032】
(3)無定形チタニアの前駆体(チタンのアルコキシド、キレート、又はアセテートのような有機チタン化合物、又はTiCl4 又はTi(SO4)2 のような無機チタン化合物)の溶液にシリカの粒子を分散させてなる懸濁液を基材の表面に塗布し、チタン化合物を常温から200℃の温度で加水分解と脱水縮重合に付すことにより、シリカ粒子が分散された無定形チタニアの薄膜を形成する。次いで、チタニアの結晶化温度以上の温度、かつ、基材の軟化点以下の温度に加熱することにより、無定形チタニアを結晶性チタニアに相変化させる。
【0033】
(4)無定形チタニアの前駆体(チタンのアルコキシド、キレート、又はアセテートのような有機チタン化合物、又はTiCl4 又はTi(SO4)2 のような無機チタン化合物)の溶液に無定形シリカの前駆体(例えば、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラn−プロポキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラメトキシシラン、等のテトラアルコキシシラン;それらの加水分解物であるシラノール;又は平均分子量3,000以下のポリシロキサン)を混合し、基材の表面に塗布する。次いで、これらの前駆体を加水分解と脱水縮重合に付すことにより、無定形チタニアと無定形シリカの混合物からなる薄膜を形成する。次いで、チタニアの結晶化温度以上の温度、かつ、基材の軟化点以下の温度に加熱することにより、無定形チタニアを結晶性チタニアに相変化させる。
【0034】
酸化錫配合チタニアからなる光半導体層
水との接触角が0°になる程度の超親水性を呈する耐摩耗性に優れた光半導体コーティングを形成する更に他の好ましいやり方は、チタニアと酸化錫との混合物からなる光半導体コーティングを基材の表面に形成することである。チタニアと酸化錫との合計に対する酸化錫の割合は、1〜95重量%、好ましくは1〜50重量%にすることができる。酸化錫配合チタニアからなる光半導体コーティングの形成には、次のいずれかの方法を採用することができる。
【0035】
(1)アナターゼ型又はルチル型チタニアの粒子と酸化錫の粒子とを含む懸濁液を基材の表面に塗布し、基材の軟化点以下の温度で焼結する。
(2)無定形チタニアの前駆体(チタンのアルコキシド、キレート、又はアセテートのような有機チタン化合物、又はTiCl4 又はTi(SO4)2 のような無機チタン化合物)の溶液に酸化錫の粒子を分散させてなる懸濁液を基材の表面に塗布し、チタン化合物を常温から200℃の温度で加水分解と脱水縮重合に付すことにより、酸化錫粒子が分散された無定形チタニアの薄膜を形成する。次いで、チタニアの結晶化温度以上の温度、かつ、基材の軟化点以下の温度に加熱することにより、無定形チタニアを結晶性チタニアに相変化させる。
【0036】
光半導体含有シリコーン塗料
水との接触角が0°になる程度の超親水性を呈する光半導体層を形成する更に他の好ましいやり方は、未硬化の若しくは部分的に硬化したシリコーン(オルガノポリシロキサン)又はシリコーンの前駆体からなる塗膜形成要素に光半導体の粒子を分散させてなる組成物を用いることである。この組成物を基材の表面に塗布し、塗膜形成要素を硬化させた後、光半導体を光励起すると、シリコーン分子のケイ素原子に結合した有機基は光半導体の作用により水酸基に置換され、光半導体含有層の表面は超親水化される。
【0037】
このやり方には、幾つかの利点がある。光半導体含有シリコーン塗料は常温又は比較的低温で硬化させることができるので、プラスチックスや有機物のような非耐熱性の材料にも適用することができる。光半導体を含有したこのコーティング組成物は、表面の超親水化を要する既存の基材に、ディッピング、刷毛塗り、スプレーコーティング、ロールコーティング等により必要に応じ何時でも塗布することができる。光半導体の光励起による超親水化は、太陽光のような光源でも容易に行うことができる。
【0038】
さらに、鋼板のような塑性加工可能な基材に塗膜を形成した場合には、塗膜を硬化させた後、光励起する前に、鋼板を必要に応じ容易に塑性加工することができる。光励起前には、シリコーン分子のケイ素原子には有機基が結合しており、従って塗膜は充分な可撓性を備えているので、塗膜を損傷させることなく容易に鋼板を塑性加工することができる。塑性加工後には、光半導体を光励起すればシリコーン分子のケイ素原子に結合した有機基は光半導体作用により水酸基に置換され、塗膜の表面は超親水化される。
【0039】
光半導体含有シリコーン組成物はシロキサン結合を有するので、光半導体(光半導体)の光酸化作用に対する充分な対抗性を有する。
光半導体含有シリコーン塗料からなる光半導体コーティングの更に他の利点は、表面が一旦超親水化された後には、暗所に保持しても長期間超親水性を維持し、かつ、蛍光灯のような室内照明灯の光でも超親水性を回復することである。
【0040】
塗膜形成要素としては、メチルトリクロルシラン、メチルトリブロムシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン、メチルトリt−ブトキシシラン;エチルトリクロルシラン、エチルトリブロムシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、エチルトリイソプロポキシシラン、エチルトリt−ブトキシシラン;n−プロピルトリクロルシラン、n−プロピルトリブロムシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、n−プロピルトリエトキシシラン、n−プロピルトリイソプロポキシシラン、n−プロピルトリt−ブトキシシラン;n−ヘキシルトリクロルシラン、n−ヘキシルトリブロムシラン、n−ヘキシルトリメトキシシラン、n−ヘキシルトリエトキシシラン、n−ヘキシルトリイソプロポキシシラン、n−ヘキシルトリt−ブトキシシラン;n−デシルトリクロルシラン、n−デシルトリブロムシラン、n−デシルトリメトキシシラン、n−デシルトリエトキシシラン、n−デシルトリイソプロポキシシラン、n−デシルトリt−ブトキシシラン;n−オクタデシルトリクロルシラン、n−オクタデシルトリブロムシラン、n−オクタデシルトリメトキシシラン、n−オクタデシルトリエトキシシラン、n−オクタデシルトリイソプロポキシシラン、n−オクタデシルトリt−ブトキシシラン;フェニルトリクロルシラン、フェニルトリブロムシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、フェニルトリイソプロポキシシラン、フェニルトリt−ブトキシシラン;テトラクロルシラン、テトラブロムシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラブトキシシラン、ジメトキシジエトキシシラン;ジメチルジクロルシラン、ジメチルジブロムシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン;ジフェニルジクロルシラン、ジフェニルジブロムシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン;フェニルメチルジクロルシラン、フェニルメチルジブロムシラン、フェニルメチルジメトキシシラン、フェニルメチルジエトキシシラン;トリクロルヒドロシラン、トリブロムヒドロシラン、トリメトキシヒドロシラン、トリエトキシヒドロシラン、トリイソプロポキシヒドロシラン、トリt−ブトキシヒドロシラン;ビニルトリクロルシラン、ビニルトリブロムシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリイソプロポキシシラン、ビニルトリt−ブトキシシラン;トリフルオロプロピルトリクロルシラン、トリフルオロプロピルトリブロムシラン、トリフルオロプロピルトリメトキシシラン、トリフルオロプロピルトリエトキシシラン、トリフルオロプロピルトリイソプロポキシシラン、トリフルオロプロピルトリt−ブトキシシラン;γ−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリイソプロポキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリt−ブトキシシラン;γ−メタアクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−メタアクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−メタアクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタアクリロキシプロピルトリエトキシシラン、γ−メタアクリロキシプロピルトリイソプロポキシシラン、γ−メタアクリロキシプロピルトリt−ブトキシシラン;γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アミノプロピルメチルジエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリイソプロポキシシラン、γ−アミノプロピルトリt−ブトキシシラン;γ−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルメチルジエトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリエトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリイソプロポキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリt−ブトキシシラン;β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリエトキシシラン;及び、それらの部分加水分解物;及びそれらの混合物を使用することができる。
【0041】
シリコーン塗膜の良好な硬度と平滑性を確保するためには、3次元架橋型シロキサンを10モル%以上含有させるのが好ましい。さらに、良好な硬度と平滑性を確保しながら塗膜の充分な可撓性を提供するためには、2次元架橋型シロキサンを60モル%以下含有させるのが好ましい。また、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より水酸基に置換される速度を速めるには、シリコーン分子のケイ素原子に結合する有機基がn−プロピル基若しくはフェニル基からなるシリコーンを使用するのが好ましい。シロキサン結合を有するシリコーンに替えて、シラザン結合を有するオルガノポリシラザン化合物を使用することも可能である。
【0042】
抗菌増強剤の添加
光半導体含有層にはAg、Cu、Znのような金属をドーピングすることができる。光半導体にAg、Cu、又はZnをドーピングするためには、光半導体粒子の懸濁液にこれらの金属の可溶性塩を添加し、得られた溶液を用いて光半導体含有層を形成することができる。或いは、光半導体含有層を形成後、これらの金属の可溶性塩を塗布し、光照射により光還元析出させてもよい。
【0043】
Ag、Cu、又はZnでドーピングされた光半導体含有層は、表面に付着した細菌を死滅させることができる。さらに、この光半導体含有層は、黴、藻、苔のような微生物の成長を抑制する。従って、意匠部材の表面を長期間にわたって清浄に維持することができる。
【0044】
光活性増強剤の添加
光半導体含有層には、さらに、Pt、Pd、Rh、Ru、Os、Irのような白金族金属をドーピングすることができる。これらの金属も、同様に、光還元析出や可溶性塩の添加により光半導体にドーピングすることができる。光半導体を白金族金属でドーピングすると、光半導体の酸化還元活性を増強させることができ、表面に付着した汚染物質を分解することができる。
【0045】
光励起・紫外線照射
本発明においては、チタニアのように高いバンドギャップエネルギーを有し紫外線によってのみ光励起される光半導体で光半導体含有層を形成するのが好ましい。そうすれば、可視光が光半導体含有層に吸収されることがなく、部材が補色成分によって発色することがない。アナターゼ型チタニアは波長387nm以下、ルチル型チタニアは431nm以下、酸化錫は344nm以下、酸化亜鉛は387nm以下の紫外線で光励起することができる。
【0046】
紫外線光源としては、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灯を使用することができる。太陽光にさらされる条件では、有利なことに太陽光に含まれる紫外線により光半導体は自然に光励起される。
【0047】
光励起は、表面の水との接触角が約10°以下、好ましくは約5°以下、特に約0°になるまで行い、或いは行わせることができる。一般には、0.001mW/cm2の紫外線照度で光励起すれば、数日で水との接触角が約0°になるまで超親水化することができる。地表に降り注ぐ太陽光に含まれる紫外線の照度は約0.1〜1mW/cm2であるから、太陽光にさらせばより短時間で表面を超親水化することができる。
【0048】
意匠部材の表面を降雨により自己浄化(セルフクリーニング)したり、汚染物質の付着を防止するに際しては、紫外線或いは可視光で光励起可能な光半導体で光半導体含有層を形成することができる。光半導体含有層で被覆された親水性意匠部材は屋外に配置され、太陽光の照射と降雨にさらされる。
【0049】
光半導体含有層がチタニア含有シリコーンで形成されている場合には、シリコーン分子のケイ素原子に結合した表面有機基が充分な量だけ水酸基に置換されるに充分な照度で光触媒を光励起するのが好ましい。このための最も有利な方法は、太陽光を利用することである。表面が一旦高度に親水化された後は、親水性は夜間でも持続する。再び太陽光にさらされる度に親水性は回復され、維持される。
【0050】
本発明の意匠部材を使用者に提供するに際しては、意匠部材を予め超親水化しておくことが望ましい。
【0051】
表面層厚さ決定の原理
薄い透明体の膜、例えばシャボン玉や水の上に流れた石油等が美しい色を呈する現象は、光の干渉によって生じる。光半導体材料の薄膜も光の干渉による縞状の干渉色を生じることがある。
干渉色は薄膜の屈折率n、膜厚t、光の屈折角r及び光の波長λが、
2n・t・cos r=m・(λ/2) (m:自然数)
の関係においてmが奇数であれば干渉の結果光は強められ、偶数であると弱められることにより、光の角度によって色が変わってみえる。(「物理学ハンドブック」戸田盛和、宮島龍興著、朝倉書店、p.282 )
【0052】
膜厚tを薄くすることにより、干渉縞を低減することができ、
n・t≦λ0 /4 (λ0 は紫色の波長:0.35μm )
の関係が成立したとき、干渉による縞は完全になくなる。
n=1.5の場合、t≦0.058μm
n=2.0の場合、t≦0.044μm
n=2.5の場合、t≦0.035μm
このような定量的検討結果及び後述の実施例から、表面層の厚さは0.2μm 未満とした。
【0053】
本発明においては、上記意匠性フィルム又は意匠性塗装を、上記光半導体の光触媒作用による光酸化還元反応から保護するための保護処置が施されていることが好ましい。
そのような処置の一形態として、弱酸化還元性親水化機能を光半導体含有層に持たせるものがある。このような考え方は、光半導体による部材表面の親水化現象と、光半導体による光酸化還元反応とが基本的に異なる現象であるという発見に基づくものである。この発見に基づいて、本発明者は光半導体薄膜の設計上光酸化還元反応はほとんど示さないが、親水化現象を示す構成が存在することを見出したのである。
【0054】
弱酸化還元性親水化の第一態様は、光半導体の伝導帯のエネルギー準位を、水素生成準位を0eVとした場合に、正の値に位置するようにすることである。
光酸化還元反応に関する従来の定説は、光励起により伝導電子−正孔対が生成し、次いで生成した伝導電子による還元反応と正孔による酸化反応が同時に促進されて進行するというものであった。
従って、光半導体の伝導帯のエネルギー準位の下端が負側に充分高くない酸化錫やルチルは、伝導電子による還元反応が進行しにくく、正孔による酸化反応のみが促進されやすい構造であるが、このような構造では伝導電子が過剰となり、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ため、実際には酸化反応も還元反応もほとんど生じない。しかしながら、光励起による親水化現象は進行するのである。
【0055】
光半導体の光酸化還元反応が有機物の分解に利用される場合、その分解反応は環境中の水や酸素を利用して行われる。すなわち、光励起により生成した伝導電子は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り有機物が分解される。
従って、有機物を有効に光酸化還元分解するためには、正孔を生成する価電子帯上端のエネルギー準位が水酸基が電子を放出する酸素生成準位(+0.82eV)より正側に位置し、かつ伝導電子が生成する伝導帯下端のエネルギー準位が水素が電子を放出して酸素側に供与する水素生成準位(0eV)より負側に位置させればよいことになる。
故に、逆に、有機物を有効に光酸化還元分解させないためには、▲1▼価電子帯上端のエネルギー準位を酸素生成準位(+0.82eV)より負側に位置させるか、あるいは▲2▼伝導帯下端のエネルギー準位を水素生成準位(0eV)より正側に位置させればよいことになる。
【0056】
光半導体の光酸化還元反応が水中の金属イオンの析出に利用される場合には、光励起により生成した伝導電子により金属イオンが還元析出される(同時に正孔は水中の水酸基を酸化して水酸ラジカル(・OH)を生成すると考えられる。)。従って、例えば鉄イオンを水中から有効に析出除去するためには、伝導電子が生成する伝導帯下端のエネルギー準位が鉄生成準位(−0.44eV)より負側に位置する必要がある。
故に、逆に、金属イオンを水中から析出させないためには、伝導帯下端のエネルギー準位を金属生成準位より正側に位置させればよいことになる。貴金属を除外すれば金属の生成準位は水素生成準位より負側にあるので、結局、伝導帯下端のエネルギー準位を水素生成準位(0eV)より正側に位置させればよいことになる。
これに使用可能な伝導帯のエネルギー準位の下端が水素生成準位を0eVとした場合に正の値に位置する光半導体としては、酸化錫、三酸化タングステン、三酸化二ビスマス、酸化第二鉄、ルチル型酸化チタン等の金属酸化物が挙げられる。
【0057】
以上のことから、樹脂の分解、水中溶存金属イオンの析出を抑えつつ、光親水化させる1つの方法として、光半導体の伝導帯のエネルギー準位を、水素生成準位を0eVとした場合に、正の値に位置する方法があることがわかる。
【0058】
弱酸化還元性親水化の第二態様は、基材表面に光半導体と光半導体でない親水性物質を含有させた層を形成し、かつ、光半導体はほとんど外気に接していない状態にする。
このような状態では光半導体の光励起により生成した伝導電子及び正孔のうちのほとんどは表面まで拡散せず、水、酸素、金属イオン等の表面反応種と接触する確率が激減し、故に光酸化還元反応は抑制される。
そして、励起光照度1mW/cm2以下で、かつ充分な耐摩耗性を発揮しうる程度に、膜厚が薄い及び/又は光半導体粒子含有率が低い塗膜において生成する伝導電子及び正孔量のもとではほとんど光酸化還元反応は生じない程度まで抑制可能となる。にも拘らず、光親水化反応は進行するのである。
【0059】
弱酸化還元性親水化の第三態様は、基材表面に光半導体と光半導体の光酸化還元反応を阻害する物質を含有させた層を形成する。
その機構は明らかではないが、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルミナ、ジルコニア、シリカ、酸化アンチモン、無定型酸化チタン、アルミニウム、マンガン等は光半導体による光酸化還元性能を弱める(「酸化チタン」、技報堂(1991))。
そして、励起光照度1mW/cm2以下で、かつ充分な耐摩耗性を発揮しうる程度に膜厚が薄い及び/又は光半導体粒子含有率が低い塗膜において生成する伝導電子及び正孔量のもとではほとんど光酸化還元反応は生じない程度まで抑制可能となる。しかし、層中にこれら物質が含有されても光親水化反応は進行するのである。
【0060】
弱酸化還元性親水化の第二、第三態様では、膜厚は薄い方が好ましい。好ましくは1μm 以下、より好ましくは0.2μm 以下がよい。
そうすれば、基材に固定される光半導体の絶対量を低減することができ、より光酸化還元性を低めることができる。また耐摩耗性も向上する。
さらに特に0.2μm 以下では、光半導体を含有する薄膜の透明性を確保しやすく、下地の意匠性や透明性を維持できる。
【0061】
弱酸化還元性親水化の第二態様では、光半導体含有量は、光半導体含有層に対して好ましくは5〜80重量%、より好ましくは10〜50重量%程度にするのがよい。光半導体含有量が少ない程光酸化還元性を低めることができるからである。ただし、光親水化現象も光半導体の光励起現象に基づいた現象なので約5%以上は含有されている必要はある。
【0062】
弱酸化還元性親水化の第二、第三態様では、励起波長以下の波長光の照度は、好ましくは0.0001〜1mW/cm2、より好ましくは0.001〜1mW/cm2程度がよい。励起波長以下の波長光の照度が低い程、生成する電子−正孔対の量が減少するので光酸化還元性を低めることができるからである。ただし、光親水化現象も光半導体の光励起現象に基づいた現象なので約0.0001mW/cm2以上の励起光照度を要する。
【0063】
本発明においては、意匠性フィルム又は意匠性塗装を光半導体の光触媒作用による光酸化還元反応から保護するための処置の他の態様としては、基材と光半導体含有層との間に中間層を設けてもよい。それにより基材との密着性が増加し、耐摩耗性が向上する。
【0064】
積層鋼板建材の製造工程例
(1)鋼板下地処理:鋼板上に溶融亜鉛メッキを施し、その上にニッケルメッキを施し、さらにその後クロメート処理をする。
(2)塩ビ意匠フィルム準備:塩ビフィルム上に意匠柄を印刷し、その上から塩ビフィルムダブリング(エンボス加工)を行う。さらにその上に、光半導体を含むシリコーン樹脂をコーティングする。
(3)ラミネート:上記鋼板上に接着剤を塗布し、上記フィルムをラミネートする。
(4)必要に応じて光触媒の励起光を照射する。但し、特に屋外用途部材では太陽光と降雨にさらされるので必ずしも本工程を行う必要はない。
【0065】
窯業サイディング建材の製造工程例
(1)建材(例えば硬質ケイ酸カルシウム板)上にプライマー用樹脂を塗布し、必要に応じてさらにその上にハードコート用樹脂を塗布する。
(2)コロナ放電、アルカリ処理、プラズマ処理等の方法で表面処理する。
(3)光半導体を含むシリコーン樹脂をコーティングする。
(4)必要に応じて光触媒の励起光を照射する。但し、特に屋外用途部材では太陽光と降雨にさらされるので必ずしも本工程を行う必要はない。
【0066】
【実施例】
実施例1
光半導体を含む表面層の厚さを、白濁や干渉縞の生じないように選択するために行った実験について説明する。
基材として10cm四角のアルミニウム基板を使用した。基板の表面を平滑化するため、予めシリコーン層で被覆した。この被覆のための塗料として、日本合成ゴム(東京)の塗料用組成物「グラスカ」(T2202)のA液(シリカゾル、固形分13%、水とアルコールの混合溶媒)とB液(メチルトリメトキシシラン、シラン含有量98%、メタノール溶媒)を、A液とB液の重量比が3になるように混合し、シリコーン樹脂塗料用組成物を調整した。この塗料用組成物を上記アルミニウム基板に塗布し、150℃の温度で硬化させ、膜厚3μm のシリコーンのベースコートで被覆された複数のアルミニウム基板(#1試料)を得た。
【0067】
次に、アナターゼ型チタニアゾル(日産化学社製、TA−15、固形分15%、水溶媒)とシリコーン樹脂塗料(日本合成ゴム社製「グラスカ」(T2202)のA液(シリカゾル、固形分13%、水とアルコールの混合溶媒)とB液(メチルトリメトキシシラン、シラン含有量98%、メタノール溶媒))を混合し、エタノールで希釈し、チタニア含有塗料組成物を調整した。チタニアゾル、シリカゾル、メチルトリメトキシシラン溶液の重量比は56:33:11であった。
この塗料用組成物を#1試料上に塗布し、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トップコートを形成した。ここで形成したトップコート中のシリコーンとチタニアの重量比は1となるようにした。各試料のトップコートの膜厚は表1のとおり0.02〜2.5μm とした。
【0068】
次に、この試料にBLB蛍光灯を用いて0.5mW/cm2の照度で1日間紫外線を照射した。この試料の表面の水との接触角を接触角測定器(CA−X150)で測定したところ、接触角の読みは0°であった。
表1に得られた各試料の膜厚と塗膜外観の観察結果を示す。なお、成膜された膜の屈折率は1.8であった。
【0069】
【表1】

Figure 0003882227
【0070】
この結果から、膜厚0.2μm 以上では意匠性を損う可能性のある干渉縞が生じることが判明した。そして、膜厚0.2未満では、問題となるほどの干渉縞や白濁は生じないことが分った。
比較のため、上述した方法と同様の方法でシリコーンとチタニアの重量比が1:9となるような膜厚0.1μm の塗膜(トップコート)を形成した。このとき成膜された膜の屈折率は2.3であった。この試料について塗膜外観を観察したところ表1の試料Dと比較してややギラギラと反射する感じが観察された。
【0071】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、雨水や簡単なシャワー程度でも十分に清浄性を維持でき、かつ意匠性は損なわれない高清浄性意匠部材、及び、そのような高清浄性意匠部材を得るための意匠部材の清浄化方法を提供することができる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a member having design properties such as a laminated steel sheet building material and an automobile paint outer plate, and a cleaning method thereof. In particular, a high cleanliness design member that can maintain sufficient cleanliness only by washing with rain water or a simple shower and that does not impair the designability, and a design member for obtaining such a high cleanliness design member It relates to a cleaning method.
[0002]
[Prior art]
The prior art will be described using a laminated steel sheet building material as an example.
Laminated steel sheets can produce various designs by stacking one or more colored films, patterned films, transparent films, embossed films, etc., and bonding them onto the steel sheet. Widely used as a material.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the surface of the laminated steel building material is gradually soiled by exposure for a long period of time outdoors, and the design properties thereof deteriorate. In order to avoid such a situation as much as possible, measures have been taken to make the material of the design film a water-repellent fluororesin, but the water-repellent film is likely to be attached with hydrophobic dirt (oil). Some point out that it is easy to get dirty in areas and cities.
[0004]
After all, in the past, when the surface of the building material is soiled, there has been no effective means other than cleaning mainly by human power in order to recover the cleanliness and design.
An object of the present invention is to provide a highly clean design member that can sufficiently maintain cleanliness only by washing with rainwater or a simple shower and that does not impair the design. Moreover, it aims at providing the cleaning method of the design member for obtaining such a highly clean design member.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, a highly clean design member of the present invention comprises a base material that has been subjected to an aesthetic treatment, and a surface layer that includes an optical semiconductor formed on the surface of the base material, the surface of which is Shows hydrophilicity with a contact angle with water of less than 10 °, and the thickness of the surface layer is less than 0.2 μmThe refractive index of the surface layer is 2 or lessIt is characterized by that.
[0006]
If the surface of the member is sufficiently hydrophilic, hydrophobic dirt (oil, fat, carbon black, smoke, etc.) does not adhere to the surface of the member in the presence of water. In addition, dirt adhered when no water is present can be removed by rinsing with water and rubbing lightly. On the other hand, hydrophilic dirt (mud dirt, dust, etc.) adheres to the surface of the member, but the dirt is removed by rinsing with water or rubbing lightly.
In the design member of the present invention, the reason why the thickness of the surface layer containing the optical semiconductor is less than 0.2 μm is to prevent white turbidity and interference fringes that impair the aesthetics. The quantitative basis will be described later.
[0007]
  In the present invention, the refractive index of the surface layer is set to 2 or less.TheThe reason for this is to reduce the reflection by the surface layer and to eliminate the glare caused by the formation of the surface layer.
  The refractive index of anatase-type titanium oxide that can be most suitably used as the optical semiconductor particles is 2.5. Therefore, when the surface layer is formed only with anatase-type titanium oxide, the above-mentioned glittering feeling remains, and in this case, it is preferable to add a substance having a refractive index smaller than 2. As a material having a refractive index smaller than 2, silica (1.48), silicone (about 1.5), alumina (1.6), tin oxide (1.9) and the like can be used. Among these, since silicone is hydrophobic as it is, at least a part of the organo group bonded to the silicon atom is substituted with a hydroxyl group by a method described later.
  In the present invention, the average particle diameter of the optical semiconductor particles contained in the surface layer is preferably 0.1 μm or less. The reason is to eliminate white turbidity due to light scattering caused by the optical semiconductor particles.
  Furthermore, in the present invention, the water absorption rate of the surface layer is preferably 1% or less. The reason for this is to make it difficult to cause corrosion and deterioration of the underlying metal or film, thereby preventing changes in design.
[0008]
Further, the design member cleaning method of the present invention includes a step of forming a surface layer having a thickness of less than 0.2 μm including an optical semiconductor on the surface of a substrate subjected to aesthetic treatment, Irradiating light having a wavelength shorter than the excitation light wavelength of the semiconductor to make the surface hydrophilic.
By this method, it is possible to provide a highly clean design member that can maintain design properties by rain water or simple water washing.
[0009]
Next, the relationship between the optical semiconductor and hydrophilicity will be described.
The present inventor has found that the surface of the optical semiconductor is highly hydrophilized when the optical semiconductor is photoexcited. That is, when the photoconductive titania is photoexcited with ultraviolet rays, the surface is highly hydrophilized so that the contact angle with water is 10 ° or less, more specifically 5 ° or less, particularly about 0 °, and It was discovered that high hydrophilicity is maintained and restored by light irradiation, and further, under certain conditions, a state of once highly hydrophilic is maintained even in a dark place for 3 weeks or more.
[0010]
When light having a wavelength of energy higher than the band gap energy of the optical semiconductor is irradiated for a sufficient time at a sufficient illuminance, the surface of the optical semiconductor-containing layer becomes super hydrophilic.
The superhydrophilization phenomenon of the surface caused by photoexcitation of the optical semiconductor cannot be clearly explained at present. It seems that the superhydrophilization phenomenon by the optical semiconductor is not necessarily the same as the photodegradation of the substance by the photocatalytic oxidation-reduction reaction conventionally known in the field related to the chemical reaction of the optical semiconductor. In this regard, the conventional theory regarding the photocatalytic oxidation-reduction reaction is that an electron-hole pair is generated by photoexcitation, and the generated electron reduces surface oxygen to superoxide ion (O2 -), And holes oxidize surface hydroxyl groups to produce hydroxyl radicals (.OH), which are highly reactive reactive oxygen species (O2 -The substance was decomposed by the redox reaction of (.OH).
[0011]
However, the superhydrophilization phenomenon by the optical semiconductor does not agree with the conventional knowledge about the photocatalytic decomposition of the substance in at least two points. First, in the conventional theory, optical semiconductors such as rutile and tin oxide do not proceed with the reduction reaction because the energy level of the conductor is not sufficiently high, and as a result, electrons photoexcited by the conductor It was thought that electron-hole pairs generated by photoexcitation recombine without participating in the redox reaction. On the other hand, it was confirmed that the hydrophilization phenomenon caused by the optical semiconductor also occurs in an optical semiconductor such as rutile or tin oxide.
[0012]
Secondly, conventionally, it is considered that decomposition of a substance by a photocatalytic oxidation-reduction reaction does not occur unless the thickness of the optical semiconductor layer is at least 100 nm or more. On the other hand, it was observed that superhydrophilicity by the optical semiconductor occurs even when the film thickness of the photocatalyst containing layer is on the order of several nm.
[0013]
Therefore, although it is not possible to conclude clearly, it is considered that the superhydrophilization phenomenon by the photo semiconductor is a slightly different phenomenon from the photodegradation of the substance by the photocatalytic oxidation-reduction reaction. However, it was confirmed that the surface would not be superhydrophilic unless irradiated with light having an energy higher than the band gap energy of the optical semiconductor. Presumably, the surface of the photosemiconductor-containing layer is given polarity by the conduction electrons and holes generated by excitation of the photosemiconductor, and water becomes a hydroxyl group (OH- ), And a physical adsorption water layer is formed thereon, and the surface is considered to be superhydrophilic.
[0014]
Once the surface of the photosemiconductor-containing layer is highly hydrophilized by photoexcitation, the hydrophilicity of the surface lasts for a certain period even if the substrate is kept in a dark place. When contaminants are adsorbed on the surface hydroxyl groups with the passage of time and the surface gradually loses super hydrophilicity, the super hydrophilicity is restored by photoexcitation again.
[0015]
In order to first hydrophilize the optical semiconductor-containing layer, any light source having a wavelength of energy higher than the band gap energy of the optical semiconductor can be used. In the case of an optical semiconductor whose photoexcitation wavelength is located in the ultraviolet region, such as titania, the ultraviolet rays contained in the sunlight are preferably used under the condition that sunlight hits the substrate coated with the optical semiconductor-containing layer. be able to. The optical semiconductor can be photoexcited by an artificial light source indoors or at night. As will be described later, when the optical semiconductor-containing layer is made of silica-containing titania, it can be easily hydrophilized even with weak ultraviolet rays contained in a fluorescent lamp.
[0016]
After the surface of the optical semiconductor-containing layer is once made superhydrophilic, it can be maintained or recovered by relatively weak light. For example, in the case of titania, the maintenance and recovery of hydrophilicity can be sufficiently performed even with the weak ultraviolet rays contained in indoor lighting such as a fluorescent lamp.
[0017]
Even if the optical semiconductor-containing layer is very thin, it exhibits hydrophilicity. In particular, since the photocatalytic semiconductor material made of a metal oxide has sufficient hardness, the optical semiconductor-containing layer has sufficient durability and wear resistance.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Base material
In the present invention, the base material is, for example, metal, ceramics, glass, plastics, wood, stone, cement, cement mortar, concrete, precast reinforced concrete, lightweight cellular concrete (ALC) panel, asbestos slate, pulp cement board, asbestos Cement calcium silicate board, gypsum plaster, gypsum board, combinations thereof, laminates, or building exteriors, window frames, structural members, window glass; automobiles, rail cars, aircraft, ships Vehicle exteriors and paints such as: machinery and equipment exteriors, dust covers and paints; traffic signs, various display devices, advertising tower exteriors and paints. The surface of the substrate is coated with a photosemiconductor coating.
Examples of the substrate that are particularly excellent in terms of heat resistance, light weight, low cost, and strength include ALC panels, asbestos slate, and asbestos cement calcium silicate plates.
Examples of the base conditioner (undercoat) to be coated on the substrate include special rubber-based elastic sealers, acrylic resin-based sealers, epoxy resin sealers, organic fillers, inorganic fillers, and the like.
For example, a silicone resin paint, an acrylic resin paint, an acrylic urethane resin paint, a fluororesin paint, and a combination thereof (overcoat) are suitable as the colored paint (intercoat) applied on the undercoat.
A photocatalyst-containing siloxane resin or the like can be used as a coating film mainly composed of a photocatalyst and a silicone-based resin as an example of the top coat.
[0018]
Mechanical devices and articles placed outside buildings and outdoors are exposed to sunlight during the day, so that the surface of the photosemiconductor coating is highly hydrophilic. In addition, the surface is occasionally exposed to rainfall. Every time the hydrophilized surface receives rainfall, soot and contaminants adhering to the surface of the substrate are washed away by raindrops and the surface is self-purified.
[0019]
The surface of the photo-semiconductor coating is highly hydrophilized so that the contact angle with water is 10 ° or less, preferably 5 ° or less, particularly about 0 °, so that not only urban dust containing a large amount of lipophilic components Inorganic dust such as clay minerals can be easily washed away from the surface. Thus, the surface of the substrate is highly self-cleaned and kept clean by natural action.
[0020]
If the substrate is made of a non-heat-resistant material such as plastics, or if the substrate is painted with paint, apply a photo-oxidation-resistant paint containing an optical semiconductor to the surface as described later. By photocuring and curing, an optical semiconductor coating can be formed.
[0021]
Optical semiconductor
As an optical semiconductor used for the hydrophilic fiber of the present invention, titania (TiO 2) is used.2 ) Is most preferred. Titania is harmless, chemically stable, and available at low cost. Further, titania has a high band gap energy, and therefore requires ultraviolet light for photoexcitation and does not absorb visible light in the process of photoexcitation, so that no color formation due to complementary color components occurs.
[0022]
As titania, both anatase and rutile can be used. The advantage of anatase type titania is that a sol in which very fine particles are dispersed can be easily obtained on the market, and a very thin thin film can be easily formed. Rutile-type titania has a conduction band level lower than that of anatase-type, but it can be used for the purpose of superhydrophilicity with an optical semiconductor. When the substrate is coated with an optical semiconductor coating made of titania, and titania is photoexcited by ultraviolet rays, water becomes hydroxyl (OH)- ), And a physical adsorption water layer is formed on the surface. As a result, the surface is considered to be superhydrophilic.
[0023]
Other optical semiconductors that can be used in the present invention include ZnO and SnO.2 , SrTiOThree , WOThree , Bi2 OThree , Fe2 OThree There are metal oxides such as These metal oxides, like titania, have metal elements and oxygen on the surface, so that surface hydroxyl groups (OH- ).
Moreover, you may mix the particle | grains of an optical semiconductor with the metal oxides which are not optical semiconductors, such as a silica. In particular, when an optical semiconductor is blended with silica or tin oxide, the surface can be highly hydrophilized.
[0024]
As an example of a method for producing such an optical semiconductor layer composed of silica-containing titania, a precursor of amorphous silica (for example, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetra n-propoxysilane, tetrabutoxysilane, tetramethoxysilane, A mixture of silanol which is a hydrolyzate thereof; or a polysiloxane having an average molecular weight of 3,000 or less) and a crystalline titania sol is applied to the surface of the substrate and hydrolyzed as necessary. After the silanol is formed, the optical semiconductor layer in which titania is bound with amorphous silica is formed by heating the silanol to room temperature or if necessary and subjecting it to dehydration condensation polymerization.
[0025]
Formation of photocatalytic layer by firing amorphous titania
When the substrate is made of a heat-resistant material such as metal, ceramics, or glass, it has super-hydrophilic properties such that the contact angle with water is 0 °. One preferred way of forming the coating is to first coat the surface of the substrate with amorphous titania and then phase change the amorphous titania to crystalline titania (anatase or rutile) by firing. Any of the following methods can be employed for forming the amorphous titania.
[0026]
(1) Hydrolysis and dehydration condensation polymerization of organic titanium compounds
Add a hydrolysis inhibitor such as hydrochloric acid or ethylamine to titanium alkoxide, for example, tetraethoxy titanium, tetraisopropoxy titanium, tetra n-propoxy titanium, tetrabutoxy titanium, tetramethoxy titanium, After diluting with alcohol, with partial or full hydrolysis, the mixture can be spray coated, flow coated, spin coated, dip coated, roll coated or other coating methods to form a substrate It is applied to the surface of and dried at room temperature to 200 ° C. By drying, the hydrolysis of titanium alkoxide is completed to produce titanium hydroxide, and an amorphous titania layer is formed on the surface of the substrate by dehydration condensation polymerization of titanium hydroxide.
Instead of the titanium alkoxide, other organic titanium compounds such as titanium chelate or titanium acetate may be used.
[0027]
(2) Formation of amorphous titania from inorganic titanium compounds
Inorganic titanium compounds such as TiClFour Or Ti (SOFour)2 Is applied to the surface of the substrate by spray coating, flow coating, spin coating, dip coating or roll coating. Next, the inorganic titanium compound is dried at a temperature of about 100 to 200 ° C. to be subjected to hydrolysis and dehydration condensation polymerization to form an amorphous titania layer on the surface of the substrate. Or TiClFour Amorphous titania may be formed on the surface of the substrate by chemical vapor deposition.
[0028]
(3) Formation of amorphous titania by sputtering
Amorphous titania is deposited on the surface of the substrate by irradiating a metal titanium target with an electron beam in an oxidizing atmosphere.
[0029]
(4) Firing temperature
Amorphous titania is baked at a temperature at least equal to or higher than the crystallization temperature of anatase. Amorphous titania can be converted to anatase titania by baking at a temperature of 400 to 500 ° C. or higher. Amorphous titania can be converted to rutile titania by baking at a temperature of 600 to 700 ° C. or higher.
[0030]
Photocatalytic layer made of silica-containing titania
Another preferred method of forming a photo-semiconductor coating with excellent wear resistance that exhibits superhydrophilicity with a contact angle with water of 0 ° is based on a photo-semiconductor coating comprising a mixture of titania and silica. It is to be formed on the surface of the material. The ratio of silica to the total of titania and silica can be 5 to 90 mol%, preferably 10 to 70 mol%, more preferably 10 to 50 mol%. Any one of the following methods can be employed to form an optical semiconductor coating made of silica-containing titania.
[0031]
(1) A suspension containing anatase-type or rutile-type titania particles and silica particles is applied to the surface of the substrate and sintered at a temperature below the softening point of the substrate.
(2) Amorphous silica precursors (for example, tetraalkoxysilanes such as tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetra n-propoxysilane, tetrabutoxysilane, tetramethoxysilane; silanols that are hydrolysates thereof; Or a polysiloxane having an average molecular weight of 3,000 or less) and a crystalline titania sol are applied to the surface of the substrate, and if necessary, hydrolyzed to form silanol, and then heated at a temperature of about 100 ° C. or higher. By subjecting silanol to dehydration condensation polymerization, an optical semiconducting coating in which titania is bound with amorphous silica is formed. In particular, if the dehydration condensation polymerization temperature of silanol is performed at a temperature of about 200 ° C. or more, the degree of polymerization of silanol can be increased and the alkali resistance performance of the optical semiconductor coating can be improved.
[0032]
(3) Amorphous titania precursors (organic titanium compounds such as titanium alkoxides, chelates, or acetates, or TiClFour Or Ti (SOFour)2 By applying a suspension obtained by dispersing silica particles in a solution of an inorganic titanium compound) to the surface of the substrate, and subjecting the titanium compound to hydrolysis and dehydration condensation polymerization at a temperature from room temperature to 200 ° C. Then, an amorphous titania thin film in which silica particles are dispersed is formed. Next, amorphous titania is phase-changed to crystalline titania by heating to a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of titania and to a temperature equal to or lower than the softening point of the substrate.
[0033]
(4) Amorphous titania precursor (organic titanium compound such as titanium alkoxide, chelate, or acetate, or TiClFour Or Ti (SOFour)2 A precursor of amorphous silica (e.g., tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetra n-propoxysilane, tetrabutoxysilane, tetramethoxysilane, etc.) to a solution of an inorganic titanium compound); Hydrolyzate silanol; or polysiloxane having an average molecular weight of 3,000 or less) is mixed and applied to the surface of the substrate. Subsequently, these precursors are subjected to hydrolysis and dehydration condensation polymerization to form a thin film made of a mixture of amorphous titania and amorphous silica. Next, amorphous titania is phase-changed to crystalline titania by heating to a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of titania and to a temperature equal to or lower than the softening point of the substrate.
[0034]
An optical semiconductor layer made of titania-containing titania
Still another preferred method of forming a photo-semiconductor coating with excellent wear resistance that exhibits superhydrophilicity such that the contact angle with water is 0 ° is based on a photo-semiconductor coating comprising a mixture of titania and tin oxide. It is to be formed on the surface of the material. The ratio of tin oxide to the total of titania and tin oxide can be 1 to 95% by weight, preferably 1 to 50% by weight. Any one of the following methods can be employed for forming an optical semiconductor coating comprising titania containing tin oxide.
[0035]
(1) A suspension containing anatase-type or rutile-type titania particles and tin oxide particles is applied to the surface of the substrate and sintered at a temperature below the softening point of the substrate.
(2) Amorphous titania precursors (organic titanium compounds such as titanium alkoxides, chelates, or acetates, or TiClFour Or Ti (SOFour)2 A suspension obtained by dispersing tin oxide particles in a solution of an inorganic titanium compound such as the above is applied to the surface of a substrate, and the titanium compound is subjected to hydrolysis and dehydration condensation polymerization at a temperature from room temperature to 200 ° C. Thus, an amorphous titania thin film in which tin oxide particles are dispersed is formed. Next, amorphous titania is phase-changed to crystalline titania by heating to a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of titania and to a temperature equal to or lower than the softening point of the substrate.
[0036]
Silicone paint containing optical semiconductor
Still another preferred way of forming a photo-semiconductor layer exhibiting superhydrophilicity with a water contact angle of 0 ° is an uncured or partially cured silicone (organopolysiloxane) or a silicone precursor Using a composition in which particles of an optical semiconductor are dispersed in a coating film-forming element comprising: After this composition is applied to the surface of the substrate and the coating film forming element is cured, when the optical semiconductor is photoexcited, the organic group bonded to the silicon atom of the silicone molecule is replaced with a hydroxyl group by the action of the optical semiconductor, The surface of the semiconductor-containing layer is superhydrophilic.
[0037]
This approach has several advantages. Since the photo-semiconductor-containing silicone coating can be cured at room temperature or at a relatively low temperature, it can also be applied to non-heat resistant materials such as plastics and organic substances. This coating composition containing an optical semiconductor can be applied to an existing base material that requires superhydrophilization of the surface at any time by dipping, brushing, spray coating, roll coating or the like. Superhydrophilicity by photoexcitation of an optical semiconductor can be easily performed with a light source such as sunlight.
[0038]
Furthermore, when a coating film is formed on a plastically workable substrate such as a steel plate, the steel plate can be easily plastically processed as necessary before photoexcitation after the coating film is cured. Before photoexcitation, an organic group is bonded to the silicon atom of the silicone molecule, so the coating film is sufficiently flexible, so that the steel sheet can be easily plastic processed without damaging the coating film. Can do. After the plastic working, if the optical semiconductor is photoexcited, the organic group bonded to the silicon atom of the silicone molecule is replaced with a hydroxyl group by the optical semiconductor action, and the surface of the coating film becomes superhydrophilic.
[0039]
Since the photo-semiconductor-containing silicone composition has a siloxane bond, the photo-semiconductor-containing silicone composition has sufficient resistance to the photo-oxidation action of the photo semiconductor (photo semiconductor).
Still another advantage of the optical semiconductor coating comprising the optical semiconductor-containing silicone paint is that once the surface is made superhydrophilic, it remains superhydrophilic for a long time even if kept in a dark place, and like a fluorescent lamp. It is to recover the super hydrophilicity even with the light of an indoor lamp.
[0040]
Examples of coating film forming elements include methyltrichlorosilane, methyltribromosilane, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, methyltriisopropoxysilane, methyltri-t-butoxysilane; ethyltrichlorosilane, ethyltribromosilane, ethyltrimethoxy Silane, ethyltriethoxysilane, ethyltriisopropoxysilane, ethyltri-t-butoxysilane; n-propyltrichlorosilane, n-propyltribromosilane, n-propyltrimethoxysilane, n-propyltriethoxysilane, n-propyltri Isopropoxysilane, n-propyltri-t-butoxysilane; n-hexyltrichlorosilane, n-hexyltribromosilane, n-hexyltrimethoxysilane, n-hexyltriethoxysilane n-hexyltriisopropoxysilane, n-hexyltri-t-butoxysilane; n-decyltrichlorosilane, n-decyltribromosilane, n-decyltrimethoxysilane, n-decyltriethoxysilane, n-decyltriisopropoxysilane N-decyltri-t-butoxysilane; n-octadecyltrichlorosilane, n-octadecyltribromosilane, n-octadecyltrimethoxysilane, n-octadecyltriethoxysilane, n-octadecyltriisopropoxysilane, n-octadecyltri-t- Butoxysilane; phenyltrichlorosilane, phenyltribromosilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, phenyltriisopropoxysilane, phenyltrit-butoxysilane; tetrac Silane, tetrabromosilane, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrabutoxysilane, dimethoxydiethoxysilane; dimethyldichlorosilane, dimethyldibromosilane, dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane; diphenyldichlorosilane, diphenyldibromo Silane, diphenyldimethoxysilane, diphenyldiethoxysilane; phenylmethyldichlorosilane, phenylmethyldibromosilane, phenylmethyldimethoxysilane, phenylmethyldiethoxysilane; trichlorohydrosilane, tribromohydrosilane, trimethoxyhydrosilane, triethoxyhydrosilane, tri Isopropoxyhydrosilane, tri-t-butoxyhydrosilane; vinyltrichlorosilane, vinyltribromosilane, Vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, vinyltriisopropoxysilane, vinyltri-t-butoxysilane; trifluoropropyltrichlorosilane, trifluoropropyltribromosilane, trifluoropropyltrimethoxysilane, trifluoropropyltriethoxysilane, tri Fluoropropyltriisopropoxysilane, trifluoropropyltri-t-butoxysilane; γ-glycidoxypropylmethyldimethoxysilane, γ-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane, γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane, γ-glycyl Sidoxypropyltriethoxysilane, γ-glycidoxypropyltriisopropoxysilane, γ-glycidoxypropyltri-t-butoxysilane; γ-methacryloxypropyl Tildimethoxysilane, γ-methacryloxypropylmethyldiethoxysilane, γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane, γ-methacryloxypropyltriethoxysilane, γ-methacryloxypropyltriisopropoxysilane, γ-methacrylic Roxypropyltri-t-butoxysilane; γ-aminopropylmethyldimethoxysilane, γ-aminopropylmethyldiethoxysilane, γ-aminopropyltrimethoxysilane, γ-aminopropyltriethoxysilane, γ-aminopropyltriisopropoxysilane, γ-aminopropyltri-t-butoxysilane; γ-mercaptopropylmethyldimethoxysilane, γ-mercaptopropylmethyldiethoxysilane, γ-mercaptopropyltrimethoxysilane, γ-mercaptopropi Lutriethoxysilane, γ-mercaptopropyltriisopropoxysilane, γ-mercaptopropyltri-t-butoxysilane; β- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, β- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltri Ethoxysilanes; and their partial hydrolysates; and mixtures thereof can be used.
[0041]
In order to ensure good hardness and smoothness of the silicone coating film, it is preferable to contain 10 mol% or more of a three-dimensional crosslinkable siloxane. Furthermore, in order to provide sufficient flexibility of the coating film while ensuring good hardness and smoothness, it is preferable to contain 60 mol% or less of a two-dimensional crosslinked siloxane. In addition, in order to increase the rate at which the organic group bonded to the silicon atom of the silicone molecule is replaced with a hydroxyl group by photoexcitation, a silicone in which the organic group bonded to the silicon atom of the silicone molecule is an n-propyl group or a phenyl group is used. Is preferred. Instead of silicone having a siloxane bond, an organopolysilazane compound having a silazane bond can also be used.
[0042]
Add antibacterial enhancer
The optical semiconductor-containing layer can be doped with a metal such as Ag, Cu, or Zn. In order to dope an optical semiconductor with Ag, Cu, or Zn, a soluble salt of these metals is added to a suspension of optical semiconductor particles, and an optical semiconductor-containing layer is formed using the resulting solution. it can. Alternatively, after forming the photosemiconductor-containing layer, a soluble salt of these metals may be applied and photoreduced by light irradiation.
[0043]
The photosemiconductor-containing layer doped with Ag, Cu, or Zn can kill bacteria attached to the surface. Furthermore, this photosemiconductor-containing layer suppresses the growth of microorganisms such as cocoons, algae, and moss. Therefore, the surface of the design member can be kept clean for a long period of time.
[0044]
Addition of photoactivity enhancer
The optical semiconductor-containing layer can be further doped with a platinum group metal such as Pt, Pd, Rh, Ru, Os, and Ir. These metals can be similarly doped into the optical semiconductor by photoreduction deposition or addition of soluble salts. When the optical semiconductor is doped with a platinum group metal, the redox activity of the optical semiconductor can be enhanced, and contaminants attached to the surface can be decomposed.
[0045]
Photoexcitation / UV irradiation
In the present invention, the optical semiconductor-containing layer is preferably formed of an optical semiconductor that has a high band gap energy and is photoexcited only by ultraviolet rays, such as titania. If it does so, visible light will not be absorbed by the optical-semiconductor content layer, and a member will not color by a complementary color component. Anatase type titania can be photoexcited with ultraviolet light having a wavelength of 387 nm or less, rutile type titania is 431 nm or less, tin oxide is 344 nm or less, and zinc oxide is 387 nm or less.
[0046]
As the ultraviolet light source, a room lamp such as a fluorescent lamp, an incandescent lamp, a metal halide lamp, or a mercury lamp can be used. Under conditions exposed to sunlight, the optical semiconductor is advantageously photoexcited naturally by the ultraviolet light contained in the sunlight.
[0047]
Photoexcitation can or can be carried out until the contact angle of the surface with water is about 10 ° or less, preferably about 5 ° or less, especially about 0 °. In general, 0.001mW / cm2Can be made superhydrophilic until the contact angle with water reaches about 0 ° within a few days. The illuminance of ultraviolet rays contained in sunlight falling on the earth's surface is about 0.1-1 mW / cm2Therefore, when exposed to sunlight, the surface can be made superhydrophilic in a shorter time.
[0048]
When the surface of the design member is self-cleaned by rain (self-cleaning) or prevents the adhesion of contaminants, the optical semiconductor-containing layer can be formed of an optical semiconductor that can be photoexcited with ultraviolet light or visible light. The hydrophilic design member covered with the optical semiconductor-containing layer is placed outdoors and exposed to sunlight and rain.
[0049]
When the photo-semiconductor-containing layer is formed of titania-containing silicone, it is preferable to photoexcite the photocatalyst with sufficient illuminance so that a sufficient amount of surface organic groups bonded to silicon atoms of the silicone molecule are replaced with hydroxyl groups. . The most advantageous way for this is to use sunlight. Once the surface is highly hydrophilized, the hydrophilicity persists at night. The hydrophilicity is restored and maintained every time it is exposed to sunlight again.
[0050]
When providing the user with the design member of the present invention, it is desirable to make the design member superhydrophilic in advance.
[0051]
Principle of surface layer thickness determination
A phenomenon in which a thin transparent film such as a soap bubble or oil flowing on water exhibits a beautiful color is caused by light interference. A thin film of an optical semiconductor material may also produce a striped interference color due to light interference.
The interference color is determined by the refractive index n of the thin film, the film thickness t, the light refraction angle r, and the light wavelength λ.
2n · t · cos r = m · (λ / 2) (m: natural number)
If m is an odd number, the light is strengthened as a result of the interference, and if it is an even number, the light appears to change depending on the angle of the light. ("Physics Handbook" by Morikazu Toda, Ryuko Miyajima, Asakura Shoten, p.282)
[0052]
By reducing the film thickness t, interference fringes can be reduced,
n · t ≦ λ0 / 4 (λ0 Is a purple wavelength: 0.35 μm)
When the relationship is established, the interference fringes are completely eliminated.
When n = 1.5, t ≦ 0.058 μm
When n = 2.0, t ≦ 0.044 μm
When n = 2.5, t ≦ 0.035 μm
From the results of such quantitative examination and the examples described later, the thickness of the surface layer was set to less than 0.2 μm.
[0053]
In this invention, it is preferable that the protection treatment for protecting the said designable film or designable coating from the photoredox reaction by the photocatalytic action of the said optical semiconductor is given.
As one form of such a treatment, there is one in which the photo-semiconductor-containing layer has a weak redox-reducing hydrophilic function. Such an idea is based on the discovery that the hydrophilicity phenomenon on the surface of the member by the optical semiconductor is fundamentally different from the photooxidation-reduction reaction by the optical semiconductor. Based on this discovery, the present inventor has found that there is a structure that exhibits a hydrophilization phenomenon, although the photooxidation-reduction reaction is hardly exhibited in the design of the optical semiconductor thin film.
[0054]
The first mode of weak redox hydrophilization is to place the energy level of the conduction band of the optical semiconductor at a positive value when the hydrogen generation level is 0 eV.
The conventional theory concerning the photo-redox reaction is that a conduction electron-hole pair is generated by photoexcitation, and then the reduction reaction by the generated conduction electron and the oxidation reaction by the hole are simultaneously promoted and proceed.
Therefore, tin oxide or rutile, whose lower end of the energy level of the conduction band of the optical semiconductor is not sufficiently high on the negative side, has a structure in which the reduction reaction due to conduction electrons does not proceed easily and only the oxidation reaction due to holes tends to be promoted. In such a structure, conduction electrons become excessive, and electron-hole pairs generated by photoexcitation recombine without participating in the oxidation-reduction reaction, so that practically neither an oxidation reaction nor a reduction reaction occurs. However, the hydrophilization phenomenon by photoexcitation proceeds.
[0055]
When the photoredox reaction of an optical semiconductor is used for decomposition of an organic substance, the decomposition reaction is performed using water or oxygen in the environment. In other words, the conduction electrons generated by photoexcitation reduce oxygen to superoxide ions (O2 -), And holes oxidize hydroxyl groups to generate hydroxyl radicals (.OH), which are highly reactive active oxygen species (O2 -Organic substances are decomposed by the redox reaction of (.OH).
Therefore, in order to effectively photodeoxidize and decompose organic matter, the energy level at the upper end of the valence band that generates holes is positioned on the positive side of the oxygen generation level (+0.82 eV) from which the hydroxyl group emits electrons. In addition, the energy level at the lower end of the conduction band generated by conduction electrons may be positioned on the negative side from the hydrogen generation level (0 eV) that hydrogen releases electrons and donates to the oxygen side.
Therefore, conversely, in order to prevent the organic matter from being effectively photooxidatively reduced, (1) the energy level at the top of the valence band is positioned on the negative side from the oxygen generation level (+0.82 eV), or (2) The energy level at the bottom of the conduction band may be positioned on the positive side of the hydrogen generation level (0 eV).
[0056]
When photoredox reactions of optical semiconductors are used for precipitation of metal ions in water, metal ions are reduced and deposited by conduction electrons generated by photoexcitation (at the same time holes oxidize hydroxyl groups in water to generate hydroxides. It is considered that a radical (.OH) is generated.) Therefore, for example, in order to effectively precipitate and remove iron ions from water, the energy level at the lower end of the conduction band generated by conduction electrons needs to be located on the more negative side than the iron generation level (−0.44 eV).
Therefore, conversely, in order not to deposit metal ions from water, the energy level at the lower end of the conduction band may be positioned on the positive side of the metal generation level. If the noble metal is excluded, the metal generation level is on the negative side of the hydrogen generation level, so that the energy level at the bottom of the conduction band should be positioned on the positive side of the hydrogen generation level (0 eV). Become.
As the optical semiconductor in which the lower end of the energy level of the conduction band usable for this is a positive value when the hydrogen generation level is 0 eV, tin oxide, tungsten trioxide, dibismuth trioxide, second oxide Examples thereof include metal oxides such as iron and rutile type titanium oxide.
[0057]
From the above, as one method for photohydrophilization while suppressing decomposition of resin and precipitation of dissolved metal ions in water, when the energy level of the conduction band of the optical semiconductor is set to 0 eV, It can be seen that there is a method located at a positive value.
[0058]
In the second mode of weak redox hydrophilization, a layer containing an optical semiconductor and a hydrophilic substance that is not an optical semiconductor is formed on the surface of the base material, and the optical semiconductor is hardly in contact with the outside air.
In such a state, most of the conduction electrons and holes generated by photoexcitation of the optical semiconductor do not diffuse to the surface, and the probability of contact with surface reactive species such as water, oxygen and metal ions is drastically reduced. The reduction reaction is suppressed.
And excitation light illuminance 1mW / cm2Photooxidation-reduction reaction under the amount of conduction electrons and holes generated in a coating film having a thin film thickness and / or a low photo-semiconductor particle content to the extent that sufficient abrasion resistance can be exhibited below. It can be suppressed to the extent that does not occur. Nevertheless, the photohydrophilization reaction proceeds.
[0059]
In the third mode of weak redox hydrophilization, a layer containing a photo-semiconductor and a substance that inhibits the photo-redox reaction of the photo-semiconductor is formed on the substrate surface.
The mechanism is not clear, but alkali metal, alkaline earth metal, alumina, zirconia, silica, antimony oxide, amorphous titanium oxide, aluminum, manganese, etc. weaken the photo-redox performance of optical semiconductors (“titanium oxide” Gihodo (1991)).
And excitation light illuminance 1mW / cm2In the following, and under the amount of conduction electrons and holes generated in a coating film that is thin enough to exhibit sufficient wear resistance and / or has a low content of photo semiconductor particles, almost no photo-redox reaction occurs. It can be suppressed to the extent that it does not occur. However, even if these substances are contained in the layer, the photohydrophilization reaction proceeds.
[0060]
In the second and third aspects of weak redox hydrophilization, the thinner the film thickness, the better. The thickness is preferably 1 μm or less, more preferably 0.2 μm or less.
If it does so, the absolute amount of the optical semiconductor fixed to a base material can be reduced, and photoredox property can be lowered more. Also, wear resistance is improved.
In particular, when the thickness is 0.2 μm or less, the transparency of the thin film containing the optical semiconductor can be easily secured, and the design and transparency of the base can be maintained.
[0061]
In the second mode of weak redox hydrophilicity, the photosemiconductor content is preferably 5 to 80% by weight, more preferably about 10 to 50% by weight with respect to the photosemiconductor-containing layer. This is because the smaller the content of the optical semiconductor, the lower the photooxidation / reduction property. However, since the photohydrophilization phenomenon is a phenomenon based on the photoexcitation phenomenon of the optical semiconductor, it is necessary to contain about 5% or more.
[0062]
In the second and third embodiments of weak redox hydrophilization, the illuminance of light having a wavelength shorter than the excitation wavelength is preferably 0.0001 to 1 mW / cm.2, More preferably 0.001-1 mW / cm2The degree is good. This is because, as the illuminance of light having a wavelength shorter than the excitation wavelength is lower, the amount of electron-hole pairs to be generated is reduced, so that the photoredox property can be lowered. However, since the photohydrophilization phenomenon is also a phenomenon based on the photoexcitation phenomenon of an optical semiconductor, it is about 0.0001 mW / cm.2The above excitation light illuminance is required.
[0063]
In the present invention, as another aspect of the treatment for protecting the designable film or the designable coating from the photo-oxidation-reduction reaction due to the photocatalytic action of the optical semiconductor, an intermediate layer is provided between the base material and the optical semiconductor-containing layer. It may be provided. Thereby, adhesiveness with a base material increases and abrasion resistance improves.
[0064]
Manufacturing process example of laminated steel building materials
(1) Steel plate base treatment: Hot dip galvanizing is performed on the steel plate, nickel plating is performed thereon, and then chromate treatment is performed.
(2) Preparation of PVC design film: A design pattern is printed on the PVC film, and PVC film doubling (embossing) is performed thereon. Furthermore, a silicone resin containing an optical semiconductor is coated thereon.
(3) Lamination: An adhesive is applied on the steel sheet, and the film is laminated.
(4) Irradiate photocatalytic excitation light as necessary. However, this step is not necessarily performed because the outdoor use member is exposed to sunlight and rainfall.
[0065]
Manufacturing process example of ceramic siding building materials
(1) A primer resin is applied onto a building material (for example, a hard calcium silicate plate), and a hard coat resin is further applied thereon as necessary.
(2) Surface treatment is performed by a method such as corona discharge, alkali treatment, or plasma treatment.
(3) A silicone resin containing an optical semiconductor is coated.
(4) Irradiate photocatalytic excitation light as necessary. However, this step is not necessarily performed because the outdoor use member is exposed to sunlight and rainfall.
[0066]
【Example】
Example 1
An experiment conducted for selecting the thickness of the surface layer including the optical semiconductor so as not to cause white turbidity or interference fringes will be described.
A 10 cm square aluminum substrate was used as the substrate. In order to smooth the surface of the substrate, it was previously coated with a silicone layer. As coating materials for this coating, liquid composition A (silica sol, solid content 13%, mixed solvent of water and alcohol) and liquid B (methyltrimethoxy) of the coating composition “Glaska” (T2202) of Nippon Synthetic Rubber (Tokyo) Silane, silane content 98%, methanol solvent) were mixed so that the weight ratio of A liquid and B liquid was 3, and the composition for silicone resin coating materials was prepared. The coating composition was applied to the aluminum substrate and cured at a temperature of 150 ° C. to obtain a plurality of aluminum substrates (# 1 sample) covered with a 3 μm-thick silicone base coat.
[0067]
Next, solution A (silica sol, solid content 13%) of anatase type titania sol (Nissan Chemical Co., Ltd., TA-15, solid content 15%, aqueous solvent) and silicone resin paint (“Glaska” (T2202) manufactured by Nippon Synthetic Rubber Co., Ltd.) Water and alcohol mixed solvent) and B liquid (methyltrimethoxysilane, silane content 98%, methanol solvent)) were mixed and diluted with ethanol to prepare a titania-containing coating composition. The weight ratio of titania sol, silica sol, and methyltrimethoxysilane solution was 56:33:11.
This coating composition was applied onto a sample # 1 and cured at a temperature of 150 ° C. to form a top coat in which anatase-type titania particles were dispersed in a silicone coating film. The weight ratio of silicone and titania in the top coat formed here was set to 1. As shown in Table 1, the film thickness of the top coat of each sample was 0.02 to 2.5 μm.
[0068]
Next, 0.5 mW / cm was used for this sample using a BLB fluorescent lamp.2Were irradiated with ultraviolet rays for 1 day. When the contact angle of the surface of this sample with water was measured with a contact angle measuring device (CA-X150), the contact angle reading was 0 °.
Table 1 shows the observation results of the film thickness and coating film appearance of each sample obtained. The refractive index of the formed film was 1.8.
[0069]
[Table 1]
Figure 0003882227
[0070]
From this result, it has been found that interference fringes that may impair the design properties occur when the film thickness is 0.2 μm or more. It has been found that when the film thickness is less than 0.2, there are no problematic interference fringes and white turbidity.
For comparison, a 0.1 μm thick coating film (top coat) was formed so that the weight ratio of silicone to titania was 1: 9 by the same method as described above. The refractive index of the film formed at this time was 2.3. As a result of observing the appearance of the coating film on this sample, a feeling of slight glare reflection was observed as compared with Sample D in Table 1.
[0071]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the present invention is a highly clean design member capable of maintaining sufficient cleanliness even in rainwater or a simple shower, and whose design is not impaired, and such a highly clean design. The cleaning method of the design member for obtaining a member can be provided.

Claims (12)

美的処理の施された基材と、この基材の表面に形成された光半導体を含む表面層と、を備え、
その表面が水との接触角10°未満の親水性を示し、
該表面層の厚さが0.2μm 未満であり、
前記表面層の屈折率が2以下であることを特徴とする高清浄性意匠部材。
A substrate subjected to aesthetic treatment, and a surface layer including an optical semiconductor formed on the surface of the substrate;
The surface exhibits hydrophilicity with a contact angle with water of less than 10 °,
Thickness is 0.2μm less than der of the surface layer is,
A highly clean design member, wherein the refractive index of the surface layer is 2 or less .
前記表面層に含有される光半導体粒子の平均粒子径は0.1μm 以下である請求項1記載の高清浄性意匠部材。The average particle diameter of the high cleanliness design member of claim 1 Symbol placement is 0.1μm or less of the optical semiconductor particles contained in the surface layer. 前記表面層に含有される光半導体粒子はアナターゼ型酸化チタン粒子であり、前記表面層にはアナターゼ型酸化チタン粒子以外に、屈折率が2より小さな物質が添加されている請求項1又は2記載の高清浄性意匠部材。Optical semiconductor particles contained in the surface layer is anatase type titanium oxide particles, in addition to anatase titanium oxide particles to the surface layer, according to claim 1 or 2, wherein the refractive index is smaller substance than 2 is added Highly clean design member. 前記屈折率が2より小さい物質は、シリカ、アルミナ、酸化錫、及びシリコン原子に結合されたオルガノ基の少なくとも一部が水酸基に置換されたシリコーンからなる群から選ばれた物質の少なくとも1種である請求項記載の高清浄性意匠部材。The material having a refractive index smaller than 2 is at least one selected from the group consisting of silica, alumina, tin oxide, and silicone in which at least a part of an organo group bonded to a silicon atom is substituted with a hydroxyl group. The highly clean design member according to claim 3 . 前記表面層の吸水率は1%以下である請求項1記載の高清浄性意匠部材。  The high cleanliness design member according to claim 1, wherein the water absorption rate of the surface layer is 1% or less. 上記基材が、その表面に貼られた意匠性フィルムを有する請求項1〜いずれか1項記載の高清浄性意匠部材。The highly clean design member according to any one of claims 1 to 5 , wherein the substrate has a designable film attached to the surface thereof. 上記基材が、積層鋼板建材である請求項記載の高清浄性意匠部材。The highly clean design member according to claim 6 , wherein the base material is a laminated steel sheet building material. 上記基材が、その表面に施された意匠性塗装を有する請求項1〜いずれか1項記載の高清浄性意匠部材。The highly clean design member according to any one of claims 1 to 5 , wherein the base material has a design coating applied to the surface thereof. 上記基材が、自動車外板である請求項記載の高清浄性意匠部材。The highly clean design member according to claim 8 , wherein the base material is an automobile outer plate. 上記意匠性フィルム又は意匠性塗装を、上記光半導体の光触媒作用による光酸化還元反応から保護するための保護処置が施されている請求項6〜9いずれか1項記載の高清浄性意匠部材。The high cleanliness design member of any one of Claims 6-9 in which the protection treatment for protecting the said designable film or designable coating from the photoredox reaction by the photocatalytic action of the said optical semiconductor is given. 美的処理の施された基材の表面に、光半導体を含む厚さが0.2μm 未満の表面層を形成する工程と、
この表面層に光半導体の励起光波長以下の波長の光を照射してその表面を親水化する工程と、
を含むことを特徴とする意匠部材の清浄化方法。
Forming a surface layer having a thickness of less than 0.2 μm including the optical semiconductor on the surface of the aesthetically treated substrate;
Irradiating the surface layer with light having a wavelength shorter than the excitation light wavelength of the optical semiconductor to make the surface hydrophilic;
The cleaning method of the design member characterized by including.
美的処理の施された基材の表面に、光半導体及びシリコーンを含む厚さが0.2μm 未満の表面層を形成する工程と、
この表面層に光半導体の励起光波長以下の波長の光を照射して該シリコーン中のシリコン原子に結合した有機基を水酸基に置換することによりその表面を親水化する工程と、
を含むことを特徴とする意匠部材の清浄化方法。
Forming a surface layer having a thickness of less than 0.2 μm, including an optical semiconductor and silicone, on the surface of the aesthetically treated substrate;
Irradiating the surface layer with light having a wavelength equal to or less than the excitation light wavelength of the optical semiconductor to replace the organic group bonded to the silicon atom in the silicone with a hydroxyl group, thereby hydrophilizing the surface;
The cleaning method of the design member characterized by including.
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