JP4869329B2 - 多質分散効果を有するナノ構造フィルムの製造方法と使用 - Google Patents

Description

本発明は、ナノ構造フィルムの製造方法と使用に関し、特に多質分散効果を有するナノ構造フィルムの製造方法と使用に関する。

従来技術のナノフィルムの製造方法と品種は大変多く、製造方法には、コロイド懸濁液化学沈殿法、自己集合法、表面改質法、電気化学的沈積法などがある。その作製されたナノ構造機能性フィルムも種類が多くあり、例えばナノ半導体薄膜、ナノ多孔質薄膜、ナノ光学薄膜、ナノ磁性薄膜、ナノトライポロジー薄膜などがある。既存技術のナノ構造薄膜の製造は、一般的には粒子と基板で実現される。上述のナノ構造薄膜の機能の種類から見て、「多質分散効果」を有するナノ構造薄膜とその製造方法に関しては提案されていない。本発明の薄膜の特徴は、分散効果の原理を利用して、即ち基材（基板）に付着しようとする多種物質を迅速に遠ざけ、或いは分解し、基材に接触させないようにして、分散効果の作用を達成したことにある。

従来技術では多質分散効果理論は提案されていないが、多くの分解、疎水、疎油方面の材料、即ち単疎、双疎の概念がある。その製品の実体は水あるいは油汚れに対して遊離作用が有るため防油、防水の目的を達することができる、すなわち既存技術では水或いは油に対して単一の遊離作用があることを単疎と称し、水／油に対して同時に遊離作用を有するものを双疎と称する。

このような物質を我々は分散効果材料と定義する。

従来技術中の分散効果材料は普通は多種類の化学材料より成るが、そのメカニズムは化学反応あるいは結合形式で基材と結びつくことにより、基材の物理化学的性能を改質しており、代表的製品としてテフロン（登録商標）、Ｎ（ｔ−ブチル）−アクリルアミド、エチルミリスチルアクリレート、ビニルラウレート、およびハロゲン単体、Ｎ−フルオロスチレン等がある。一方、防水、防油を解決する方法は、基材材料に疎水性基或いは疎油性基（官能基）を有する被覆材料が加えられており、これらの材料は一般的には超微細紛体或いは液体で、海外で報道されている永久処理技術のようなもので、その技術は多くの化学的基本原理と各種のナノ材料を含んでおり、その製品性能と使用はその他の製品と基本的に類似している。従来技術の分析に鑑み、本発明者は既存のナノ構造フィルムの種類と機能を分析した結果、従来技術のナノ構造フィルムの種類と機能には下記の欠陥があると考えるに至った。即ち、
１．既存のナノ構造フィルムには多質分散効果の機能がなく、多くの種類は光学フィルム、磁気、半導体あるいは伝導膜および摩擦フィルムである。本発明は新しい品種を提供する。
２．既存技術の「分散効果」材料は単一の防水、防油、抗菌、抗電磁波などの機能があるだけで、一般的には多種物質に対する分解分散機能が無く、本発明で新機能を提供する。
３．既存技術の化学成分のベースは有機物或いは被覆材料を主としており、製品性能は安定性を欠き、耐久性に劣り、甚だしくは一部汚染成分まであり、環境保護の要求を達成できない。
４．既存技術で使用する単疎材料もまた一部は粉体材料である。しかし粒度が比較的大きく普通は１０００ｎｍ以上で、このような材料は液相あるいはコロイド質の中で分散しにくく、それらを媒質材料に加えても、効果は目立たない。

しかも製品のツヤにも影響し、同時に機能性粉体の官能基の多くは物理的に粉体表面に吸着するので、官能基と粉体の結合は堅固ではなくて、これらの官能基は時間の延長と温度の上昇に従って破壊され、そのため材料と製品の機能に悪影響を与える。

前記従来技術に存在する欠陥に基づき、本課題で組織された発明者は長年のナノ構造フィルム製作の実践と経験により、幾度もの試験研究をベースとして、ついに基材及びその製品の安定的性能を保持し、しかも疎水、疎油、防塵、抗菌、抗老化機能がある多質分散効果を有するナノ構造フィルム材料の方法と使用を発明するに至った。

本発明で言う新しいフィルムの種類と機能の概念とは、即ちナノ構造の「多質分散効果」を有するフィルムとその製造方法である。本発明の「多質分散効果」理論とは当該ナノフィルムを機能上から、水、油、有機不純物、無機質塵埃、細菌及び光、電気、磁気など多種類の物質を含む３種類以上の物質を触媒、分解、分離、分散することを指し、本発明の定義から言って、従来技術の単疎、双疎材料は共に「単質分散型材料」に属する。

本発明で言う新型のナノ構造フィルムの製造方法と使用とは、一次ナノ粒子と成膜物質を一定の条件の下で基材と結合することにより、安定したナノ構造を形成した複合フィルムを指す。

本発明は以下のようにして実現したものである。多質分散効果を有するナノ構造フィルムの製造方法と使用であって、本発明のナノ材料はナノ抗菌材料、ナノ触媒材料、ナノ界面材料、ナノ表面消耗材料、ナノ分解材料により複合合成され、上記材料の粒径はいずれも１００ｎｍ以下で、上記ナノ材料はフルオロカーボン界面活性剤により改質し、且つフルオロカーボン成膜物質で連続させることにより、フィルムの厚さを５００ｎｍ以下とし、薄膜構造を連続相と非連続相の２種類に分けることができ、ナノ粒子を成膜物質中にランダムに分布させ、ナノフィルムと基材を浸透、吸着、化学結合などの形式で複合して一体化させることを特徴とする。

本発明は下記のステップで実現でき、多質分散効果を有するナノ構造フィルムの製造方法と使用の特徴は下記の通りである。
一．原料の選択：
（一）ナノ材料の選択
ａ．ナノ抗菌材料は、ケイ素酸化物をキャリアー（ＳｉＯ_２−ｘ）とした金属イオン抗菌材料を採用することができ、その比率は８％−１２％で、記号をＳＳ_ｌ、ＤＳ_１、ＳＰ_ｌとする。
ｂ．ナノ触媒材料は、ナノ酸化チタン（ＴｉＯ_２）を使用することができ、記号はＤＪ_３、ＤＪ_３−５とする。
ｃ．ナノ分解材料は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を選択することができ、記号はＭＮ６Ｚとする。
ｄ．ナノ界面材料はアルミナ（ＡｌＯ_３）を選択することができ、記号はＮＲ−３ＡＬとする。
ｅ．ナノ表面消耗材料は、（ＴｉＯ_２）を選択できて、記号はＲＸ−０５とする。
（二）改質助剤の選択
ナノ材料の改質助剤は、フルオロカーボン界面活性剤を選択することができて、上記と異なるナノ材料にもとづき、異なるモデルのフルオロカーボン界面活性剤を選んで用いることができる。その中でも、
ナノ抗菌材料は、テトラフルオロイソフタロニトリル界面活性剤を選択。

ナノ触媒材料は、フルオロカーボンシランアルキル界面活性剤を選択して使用する。

ナノ分解材料は、パーフルオロフッ化ケイ素高分子界面活性剤を選択して使用する。

ナノ界面材料と表面消耗材料は、５％のフルオロアルキル化合物界面活性剤を選択して使用する。
（三）成膜物質の選択使用：
成膜物質としては、フルオロカーボン成膜活性材料を選択することができる。

本発明では、パーフルオロアルキルスルホネートアルキルアクリレートを採用する。
（四）ナノ材料分散媒体の選択使用：
ナノ材料改質用の分散媒体は脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素或いはそれらの誘導体を選択することができ、本発明では、トルエン、キシレンを分散媒体とする。

ナノ構造のフィルムを製造する分散媒体には脱イオン水を選択する。
二．製造方法
（一）ナノ材料の改質工程
本発明で用いるナノ材料は、改質工程で作製されるもので、その工程は、上記各種ナノ材料粉体を、それぞれ分散媒体のキシレン中に加えて分散した後、ナノ材料とフルオロカーボン界面活性剤との量比を１：０．００５−１：００．１の率で分散媒体の中に添加し、ナノ材料表面のヒドロキシル基にフルオロカーボン界面活性剤と十分な反応を行わせて、最後に分散媒体を除去し、乾燥させて各種ナノ改質材料粉体を得る。
（二）ナノ複合材料の製造工程：
１．ナノ複合粉体配合比率：
上記ナノ材料のコード番号にて、配合比率は次の通りとする。
ａ：ｂ：ｃ：ｄ：ｅ＝２０−３０％：１５−２５％：２０−３０％：１５−２５％：１５−２０％
上記ナノ材料は攪拌機中で十分均一に攪拌してから使用する。
（三）ナノ成膜ペースト材料の製造：
１．原料の選択使用：
ａ．ナノ材料は上記ナノ改質複合材料とする：０．１−２％。
ｂ．フルオロカーボン成膜物質：パーフルオロアルキルスルホネートアルキルアクリレート２−４％。
ｃ．機能助剤：脂肪族アルコールポリオキシエチレンエーテル０．０５−０．１％。
ｄ．分散媒体：脱イオン水８５−９５％。
配合比率
ａ：ｂ：ｃ：ｄ＝２％：４％：０．１％：９３．９％
２．成膜ペーストの製造工程：
上記比率に基づいて原材料を準備し、機能助剤を分散媒体中に入れる。分散媒体は脱イオン水とし、５０−７０℃で加えながら攪拌し、機能助剤を均一に分散媒体に溶解させ、改質後のナノ複合材料を、ゆっくりと上記溶液の中に加え、加えながら攪拌し、攪拌機で１２０−１６０回転／分の速度で２０−３０分攪拌した後、乳化機で間接的に１０−２０分分散させて、ナノ材料を均一に液相の中で分散させ、更にフルオロカーボン成膜物質をゆっくりと既によく分散したナノ液相に加え、ゆっくりと均一に攪拌して準備する。
（四）ナノ構造のフィルムの製造工程：
その場で成膜しようとする基材をきれいに洗い、吹きつけやつけ込みで、成膜ペーストを基材上辺に乗せ、成膜ペーストを乗せた基材を１２０−１８０℃の下で０．５−１分加熱乾燥をさせれば完了。ペースト濃度の調整や生産タクトと成膜圧の制御で、ナノ構造フィルムの厚さ制御ができる。

本発明は従来技術と比較するとメリットと積極的な効果があり、上記の技術方法を採用することにより作製したフィルムの機能メカニズム、成膜方法、使用材料、ナノフィルムのミクロ組織はすべて異なり、そのメリットは以下の通りである。
一、本発明のナノ構造フィルムは基材のその場で複合され、基材と分離できない性質を持つ。
二、本発明のナノ構造フィルム中のナノ材料は多機能複合材料で、表面改質後に、フィルムに、油、水、有機性不純物、無機性塵芥、バクテリア及び光、電気、磁気に対する分離、分散作用を付与し、従来技術の単疎、双疎材料の欠点を補う。
三、本発明で採用したナノ材料改質助剤はフルオロカーボン界面活性剤を主とし、わずかの添加量で液体の表面張力を低下させ、水の場合には７３ＭＮ／Ｍを１８ＭＮ／Ｍまで低下させる通り、効果は著しい。
四、フッ素原子独特の大きさと電気陰性度などの要因により、改質後のナノ材料は、高い熱安定性と、高い耐強酸性、耐高濃度アルカリ性、耐強酸化性を備える。
五、本発明の成膜物質はフルオロカーボン成膜材料を採用することで、膜厚が顕著に下がり、元の基材の物理化学的特性と色彩を保ち、且つきわめて高い透明性と通気性を有する。

上記分析によると、本発明で製造する多質分散効果を有するナノ構造フィルムは従来技術に現存する欠陥を克服している。

以下、実施例により本発明の技術方法と進歩性についてさらに詳細に説明する。

実施例１．
ナノ材料の改質：
フルオロカーボン界面活性剤ＰＮ−８０を３０ｇ取り、２００ｍＬのトルエン溶剤中に加え、完全に溶解した後、ナノ酸化ケイ素粉体２００ｇを上記界面活性剤を含む溶剤中にゆっくりと加えて攪拌し、完全に反応させた後、トルエンを取り除き、乾燥温度を１２０℃にした乾燥装置中で乾燥させ、最後に気流粉砕機で分散させて、白色粉末状のナノ改質材料を得る。
実施例２．
ナノ酸化チタン１００ｇをキシレン８００ｍＬの中に加えた後、室温条件で攪拌して均一に混合し、つづいてフルオロカーボン界面活性剤８ｇをゆっくりと混合液中に加え、滴下しながら超音波で分散させ滴下完了後、超音波で続けて１０分間攪拌して、完全に反応させ、更に中からキシレンを取り除き、二酸化チタンとフルオロカーボン界面活性剤の反応物を得、乾燥温度１５０℃の乾燥機中で乾燥させ、最後に気流粉砕機で分散させて、改質ナノ酸化チタン粉体を得る。その他の改質粉体も上記方法により改質ナノ酸化亜鉛、ナノアルミナなどのナノ材料を得ることができる。
実施例３．
ナノ複合粉体の製造
実施例１、２で作製したナノ改質粉体を、下記配合比率とする。
１．原材料の選択
ａ．ナノ抗菌材料：粒径３０ｎｍの二酸化ケイ素
ｂ．ナノ触媒材料：粒径２０ｎｍの二酸化チタン
ｃ．ナノ分解材料：粒径６０ｎｍの酸化亜鉛
ｄ．ナノ界面材料：粒径の５０ｎｍのアルミナ
ｅ．ナノ表面消耗材料：半径１０ｎｍの二酸化チタン
２．配合比率：
ａ：ｂ：ｃ：ｄ：ｅ＝２３％：２０％：２２％：２０％：１５％
３．技術工程：
上記改質ナノ材料を順序通り、比率通りに攪拌ミキサーに入れて、１５０回転／分の回転速度で３０分攪拌して、攪拌が均一になってから取り出しておく。
実施例４．
ナノ成膜ペーストの製造
１．原料の選択：
ａ．ナノ改質混合材料０．５％
ｂ．フルオロカーボン成膜物質パーフルオロアルキルスルホネートアルキルアクリレート５％
ｃ．機能助剤：脂肪族アルコールポリオキシエチレンエーテル０．１％
ｄ．分散媒体は脱イオン水、電気伝導率は０．１以下。
２．配合比率
ａ：ｂ：ｃ：ｄ＝０．５％：５％：０．１％：９４．４％
３．成膜ペーストの製造
上記比率で原材料を準備し、機能助剤を分散媒体の脱イオン水の中に加えて、速く攪拌し機能助剤を分散媒体中に均一に溶解させ、改質後のナノ混合材料をゆっくり上記溶液中に加え、攪拌機にて１６０回転／分の回転速度で３０分攪拌後、ホモジナイザーで１０分間分散して、ナノ材料を均一に液相中に分散させ、更にフルオロカーボン成膜物質を均一に分散させ、すでによく分散したナノ液相中にゆっくりと加え、ゆっくり攪拌して成膜物質を溶解させておく。
実施例５
織物のナノ構造フィルムの作製：
その場で成膜しようとする繊維織物をきれいに洗い、吹きつけ法で上記ペーストを繊維織物の表面に均一に吹き付け、これを２度繰り返し、ペーストを吹き付けた繊維織物を１５０℃の乾燥装置の中に置いて、１分乾燥すると、ナノ構造フィルム繊維織物を得ることができる。
実施例６
ガラス製品表面のナノ構造フィルムの製造
ガラス製品の表面をきれいに洗い、粘泡法でナノ成膜ペーストをガラス製品の表面に付着させ、ガラス製品を取り出して、１２０℃の乾燥装置に入れて５分乾燥させて、取り出し冷却する。
実施例７
車体表面のナノ構造フィルムの製造：
車体表面をきれいに洗い、ナノ成膜ペーストを均一に車体表面に吹き付け、車体を乾燥室内に入れて、８０℃の条件で、１０分加熱する。
実施例８
煉瓦石木質構造壁表面のナノフィルムの製造
煉瓦、石木質構造の壁表面をきれいに洗い、吹きつけ法で上記ペーストを壁表面に均一に吹きつけ、赤外線源と壁表面を接触させ、その接触温度が１００℃の状況下、５分間でナノフィルムの壁表面を作ることができる。

以上の技術手段は本発明で比較的好い実施例を例示したに過ぎず、本発明に対して何ら制限を加えるわけではなく、凡そ本発明の技術の本質に基づいた工程などの変更、比率の補正などはすべて本発明の範囲に属する。

Claims (3)

1. 多質分散効果を有するナノ構造フィルムの製造方法であって、
   ナノ酸化物粉体である酸化ケイ素粉体、酸化チタン粉体、酸化亜鉛粉体、及びアルミナ粉体をそれぞれ個別に、分散媒体中に分散して分散体を得た後、各分散体にフルオロカーボン界面活性剤を添加し、各ナノ酸化物粉体表面のヒドロキシル基に前記フルオロカーボン界面活性剤を反応させた後、前記分散媒体を加熱除去し、乾燥させることで、粒径が１００ｎｍ以下のナノ改質酸化物粉体を複種類得る、ナノ粉体の改質工程と、
   複種類の前記ナノ改質酸化物粉体を混合してナノ複合粉体を得る、ナノ複合粉体の製造工程と、
   脂肪族アルコールポリオキシエチレンエーテルを水に溶解させ、得られた溶液に、前記ナノ複合粉体を加えて分散させ、さらに、成膜物質であるパーフルオロアルキルスルホネートアルキルアクリレートを加えて混合して成膜ペーストを得る、成膜ペーストの製造工程と、
   前記成膜ペーストを基材上に配置し、乾燥させて、厚さが５００ｎｍ以下のフィルムを得る、ナノ構造フィルムの製造工程と、
   を含む、製造方法。
2. 前記ナノ粉体の改質工程において、
   前記酸化ケイ素粉体に対し、前記フルオロカーボン界面活性剤としてテトラフルオロイソフタロニトリル界面活性剤を用いることでナノ抗菌材料を得、
   前記酸化チタン粉体に対し、前記フルオロカーボン界面活性剤としてフルオロカーボンシランアルキル界面活性剤を用いることでナノ触媒材料を得、
   前記酸化亜鉛粉体に対し、前記フルオロカーボン界面活性剤としてパーフルオロフッ化ケイ素高分子界面活性剤を用いることでナノ分解材料を得、
   前記アルミナ粉体に対し、前記フルオロカーボン界面活性剤としてフルオロアルキル化合物界面活性剤を用いることでナノ界面材料を得、
   前記酸化チタン粉体に対し、前記フルオロカーボン界面活性剤としてフルオロアルキル化合物界面活性剤を用いることでナノ表面消耗材料を得、
   前記ナノ複合粉体の製造工程において、これら５種類の材料を混合して前記ナノ複合粉体を得る、請求項１記載の製造方法。
3. 前記ナノ粉体の改質工程における前記分散媒体が、脂肪族炭化水素及び芳香族炭化水素の中から選択される、請求項１又は２記載の製造方法。