JP4725990B2 - 超親水性部材の製造方法 - Google Patents

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本発明は超親水性部材の製造方法に関し、より詳しくは、紫外線の照射なしでも超親水性を長時間に渡って保持し得る特性を有する超親水性部材の製造方法に関する。
二酸化チタンは多年にわたって塗料業界において顔料として用いられている。近年、二酸化チタンは紫外線の照射により光触媒活性、親水性を示すことが知られ、種々の用途で注目されている。二酸化チタン薄膜は種々の方法、例えば湿式プロセス、スパッタリングによる蒸着で形成されている。また、二酸化チタン薄膜の形成方法の違いによって光触媒活性、親水性に差異が出ることも知られている。更に、二酸化チタン以外にも種々の光触媒活性、親水性を示す酸化物、複合酸化物が知られている。
しかし、これらの光触媒の光触媒活性、親水性は紫外線の照射中は発揮され、超親水性を示す光触媒もあるが、紫外線の照射を止めると失われてしまう。
本発明は紫外線の照射なしでも超親水性を長時間に渡って保持し得る特性を有する超親水性部材の製造方法を提供することを目的としている。
本発明者は上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、遷移金属酸化物及び希土類元素酸化物からなる群より選ばれるある種の薄膜状態の酸化物をバーナーで火炎処理することにより、該酸化物に超親水性が付与されるか、該酸化物の超親水性が増強されるか又は回復され、紫外線の照射なしでも超親水性を長時間に渡って保持し得る特性を有する超親水性部材が得られることを見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明の超親水性部材の製造方法は、薄膜状態の二酸化チタンからなる酸化物の表面を300〜1200℃で1〜30秒間バーナーで火炎処理することにより該酸化物に超親水性を付与するか、該酸化物の超親水性を増強するか又は回復させることを特徴とする。
上記の製造方法においては、二酸化チタンと、二酸化ケイ素及び三酸化タングステンの少なくとも1種とからなり、その組成が一般式(1−x−y)TiO・xSiO・yWO3で表して0≦x≦0.5、0≦y≦0.5且つ0<x+y≦0.5である薄膜状態の酸化物を用いることができる。
本発明の製造方法で得られる超親水性部材は、紫外線の照射なしでも超親水性を長時間に渡って保持し得る。
本発明の超親水性部材の製造方法においては、薄膜状態の二酸化チタンからなる酸化物をバーナーで火炎処理することにより該酸化物に超親水性を付与するか、増強するか又は回復させるのであるが、用いるバーナーはプロパンガスバーナーやアセチレンガスバーナーのようなガスバーナーであっても、霧状液体燃料バーナーであってもよいが、ガスバーナーを用いることが好ましい。また、火炎処理については該酸化物の表面を300〜1200℃程度の温度で1〜30秒間程度処理すること、例えば500℃で10秒間処理することが好ましい。
従来公知の光触媒については、光触媒の光触媒活性、親水性は紫外線の照射中に種々の程度で発揮され、超親水性を示す光触媒もあるが、本発明においては薄膜状態の二酸化チタンからなる酸化物を火炎処理して超親水性部材を得ることができる。例えば、超親水性を示さない該酸化物について本発明に従って火炎処理すると該酸化物に超親水性が付与され、超親水性を示す該酸化物について本発明に従って火炎処理すると該酸化物の超親水性が増強されるか又は失われていた超親水性が回復される。
本発明の超親水性部材の製造方法においては、薄膜状態の二酸化チタンからなる酸化物を火炎処理する。酸化物については、TiOであっても、(1−y)TiO・yWOであってもよく、更には、(1−x−y)TiO・xSiO・yWOであってもよい。
本発明の超親水性部材の製造方法においては、二酸化チタンからなる酸化物を火炎処理するか、又は、二酸化チタンと、二酸化ケイ素及び三酸化タングステンの少なくとも1種とからなり、その組成が一般式(1−x−y)TiO2・xSiO2・yWO3で表して0 ≦x≦0.5、好ましくは0≦x≦0.2、0≦y≦0.5、好ましくは0≦y≦0.3、且つ0<x+y≦0.5、好ましくは0<x+y≦0.35である酸化物を火炎処理することが好ましい。
本発明の超親水性部材の製造方法において、二酸化チタンと、二酸化ケイ素及び三酸化タングステンの少なくとも1種とからなる酸化物を火炎処理する場合には、二酸化ケイ素が共存していることにより、得られる酸化物の超親水性が更に改善され、三酸化タングステンを併用することにより、得られる酸化物に、酸化還元反応による電化分離を持続させる特性が付与される。
本発明の超親水性部材の製造方法において、薄膜の厚さについては特には制限されないが、一般的には0.05〜1mm程度、好ましくは0.1〜0.5mm程度である。このような薄膜状態の該酸化物は種々の形状の基体表面に、例えば平板状、線状(電線)の基体表面や、製品形状に加工されている基体表面に形成されている。この基体を構成する材料については、火炎処理に耐え得るものであればガラス、アルミニウム、ステンレス鋼、鋼板等のいかなるものでもよい。
本発明の製造方法によって得られる超親水性部材は、火炎処理する酸化物の種類によって異なるが、後記の実施例の記載からも明らかなように、紫外線の照射なしでも、水滴の接触角が測定できない程の超親水性を長時間、例えば7日以上に渡って保持でき、30度以下の水滴の接触角を2週間以上に渡って保持できる特性を有する。
二酸化チタン表面の親水化機構については、紫外線照射による酸化還元反応のうち、ホールが酸素を酸化して酸素欠損を作り、この欠損と還元されたTi3+とは通常直ちに空気中の酸素によって酸化され緩和されるが、このとき酸素欠損が酸素ではなく水から解離した水酸基と結合することで起こることが知られている。
本発明の製造方法によって得られる超親水性部材が上記のように紫外線の照射なしでも超親水性を長時間に渡って保持し得る理由については現時点では明白ではないが、得られる二酸化チタンには酸素欠損が多くなり、この状態の酸素欠損は長時間超親水性を保持すると考えられる。また、本発明の製造方法によって得られる超親水性部材は表面に微細凹凸を有しているので、このことも超親水性に寄与していると考えられる。
本発明の製造方法によって得られる超親水性部材は上記のように紫外線の照射なしでも超親水性を長時間に渡って保持し得るが、永久ではない。従って、長時間経過して超親水性が悪くなった場合には、二酸化チタンのバンドギャップよりも大きい紫外線を照射することで超親水性は回復される。
図1において、1はアノード、2はカソード(兼ノズル)、3はプラズマガス供給口、4はアノード1とカソード2との間に発生するアーク、5はプラズマ炎、6は粉末供給パイプ、7は供給粉末を含むジェット噴流、8は基体、9はプラズマ溶射により基体上に形成された溶射薄膜、10は冷却水入口、11は冷却水出口である。
プラズマガスとしてアルゴンと水素との混合ガスを用い、供給粉末としてTiO2粉末 を用い、基体としてアルミニウムを用い、溶射距離を15cmとしてプラズマ溶射を実施してアルミニウム基体上にTiO2薄膜を形成した。このTiO2薄膜上の水滴の接触角は0度であった。即ち、このTiO2薄膜は超親水性であった。このようにして得たTiO2薄膜を4カ月間暗所に保管した後に水滴の接触角を測定したところやはり0度であった。しかし、6カ月間暗所に保管した後に水滴の接触角を測定したところ105度であった。即ち親水性は認められなかった。
上記の親水性の認められなくなったTiO2薄膜の表面を、波長350nm、出力70 0μWの紫外線ランプで20時間照射した後暗所に保管した。5時間暗所に保管した後に水滴の接触角を測定したところ0度であったが、10時間暗所に保管した後に水滴の接触角を測定したところ30度であり、15時間暗所に保管した後に水滴の接触角を測定したところ105度であった。
上記の親水性の認められなかったTiO2薄膜の表面をプロパンガスバーナーでその表 面温度500℃で10秒間火炎処理した後暗所に保管した。暗所に保管した期間と測定した水滴の接触角との関係は図2に示す通りであった。即ち、3日間暗所に保管した後に水滴の接触角を測定したところ0度であり、7日間暗所に保管した後に水滴の接触角を測定したところやはり0度であり、17日間暗所に保管した後に水滴の接触角を測定したところ29度であった。この測定結果と上記の紫外線ランプ照射の場合の測定結果との比較から明らかなように、本発明に従って火炎処理することにより失われていた超親水性が回復され、紫外線の照射なしでも超親水性を長時間に渡って保持し得る特性が達成されることは明らかである。
本発明の製造方法で用いられるプラズマ溶射装置の概略断面図である。 実施例で得られた薄膜を暗所に保管した期間の経過日数と水滴の接触角との相関関係を示すグラフである。
符号の説明
1 アノード
2 カソード(兼ノズル)
3 プラズマガス供給口
4 アノード1とカソード2との間に発生するアーク
5 プラズマ炎
6 粉末供給パイプ
7 供給粉末を含むジェット噴流
8 基体
9 プラズマ溶射により基体上に形成された溶射薄膜
10 冷却水入口
11 冷却水出口

Claims (3)

  1. 薄膜状態の二酸化チタンからなる酸化物の表面を300〜1200℃で1〜30秒間バーナーで火炎処理することにより該酸化物に超親水性を付与するか、該酸化物の超親水性を増強するか又は回復させることを特徴とする超親水性部材の製造方法。
  2. 二酸化チタンと、二酸化ケイ素及び三酸化タングステンの少なくとも1種とからなり、その組成が一般式(1−x−y)TiO・xSiO・yWOで表して0≦x≦0.5、0≦y≦0.5且つ0<x+y≦0.5である薄膜状態の酸化物を火炎処理する請求項1記載の超親水性部材の製造方法。
  3. 平板状、線状又は製品形状の基体の上に形成されている薄膜状態の酸化物を火炎処理する請求項1又は2記載の超親水性部材の製造方法。
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