JP4942057B2 - Method for producing hydrophilic silica film and acrylic resin substrate with hydrophilic silica film - Google Patents

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Description

本発明は、親水性に富むシリカ膜の製造方法、親水性シリカ膜ならびに親水性シリカ膜付きのアクリル樹脂基板に関する。   The present invention relates to a method for producing a hydrophilic silica film, a hydrophilic silica film, and an acrylic resin substrate with a hydrophilic silica film.

従来から、防曇性を付与して光学特性を向上させることを目的として、超親水性のコーティング材料が用いられている。当該コーティング材料は、防曇性以外にも、防汚性の付与や熱交換の高効率化も期待できるので、多用されている。   Conventionally, super-hydrophilic coating materials have been used for the purpose of imparting antifogging properties and improving optical properties. In addition to anti-fogging properties, the coating materials are frequently used because they can be expected to impart anti-staining properties and increase the efficiency of heat exchange.

親水性材料としては、例えば、結晶性の酸化チタン微粒子等の光半導体を混合した塗料が知られている。塗料中に結晶性の粒子を用いると、塗膜の透明性、透過性が損なわれやすい。このため、その解決手段の一つとして、光半導体の含有率の低減が試みられており、光半導体の粒子の含有率が低くても、ある程度の超親水性を発揮できる材料も知られている(例えば、特許文献1参照)。また、以前より、酸化チタン等の光半導体の微粒子を含まない超親水性材料として、親水性ポリマー、界面活性剤が知られている(例えば、特許文献2参照)。   As a hydrophilic material, for example, a paint in which an optical semiconductor such as crystalline titanium oxide fine particles is mixed is known. When crystalline particles are used in the paint, the transparency and permeability of the coating film are likely to be impaired. For this reason, as one of the means for solving this problem, attempts have been made to reduce the content of the optical semiconductor, and there are also known materials that can exhibit a certain degree of super hydrophilicity even if the content of the particles of the optical semiconductor is low. (For example, refer to Patent Document 1). In addition, hydrophilic polymers and surfactants have been known as superhydrophilic materials that do not contain optical semiconductor fine particles such as titanium oxide (see, for example, Patent Document 2).

特開平11−061042号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-061042 特開昭53−058492号公報JP-A-53-058292

しかし、上記従来技術には、次のような問題もある。特許文献1に開示される材料は、超親水性の発現に光照射を必要とするため、暗所において防曇性を発現することは困難である。一方、特許文献2に開示される材料は、防曇性の発現に光照射を必要としないが、膜形成後の付着性に乏しいため、防曇性の効果が短期間で損なわれるという問題を有する。付着性を高めるために、コロイダルシリカを有機ポリマーや無機バインダーに複合化して被覆する方法も考えられているが、光の吸収、散乱による透明性の低下は避けられない。   However, the above prior art has the following problems. Since the material disclosed in Patent Document 1 requires light irradiation for the development of super hydrophilicity, it is difficult to exhibit antifogging properties in a dark place. On the other hand, the material disclosed in Patent Document 2 does not require light irradiation for the development of antifogging properties, but has a problem that the antifogging effect is impaired in a short time because of poor adhesion after film formation. Have. In order to enhance the adhesion, a method of coating colloidal silica with an organic polymer or an inorganic binder is also considered, but a decrease in transparency due to light absorption and scattering is inevitable.

本発明者らは、本発明に先立ち、粒子を一切含まないシリカ薄膜の開発を行い、極めて平滑で、光透過性の高い超親水性の薄膜を作製することに成功した。しかし、この製法には、親水性材料の製造工程において溶媒の制約があり、溶媒の交換プロセスを要する。また、同製造工程において300℃以上の高温に加熱する工程を必要とする。このような制約をできるだけ無くし、溶媒の交換プロセスを無くして低コストで、かつ耐熱性の低い材料にも親水性を付与できるようにすることが望まれている。   Prior to the present invention, the present inventors have developed a silica thin film containing no particles and succeeded in producing a super-hydrophilic thin film that is extremely smooth and highly light transmissive. However, in this production method, there are restrictions on the solvent in the production process of the hydrophilic material, and a solvent exchange process is required. Moreover, the process of heating to the high temperature of 300 degreeC or more is required in the manufacturing process. It is desired to eliminate such a restriction as much as possible, to eliminate the solvent exchange process, and to impart hydrophilicity to a material with low cost and low heat resistance.

本発明は、かかる要望に応えるべくなされたものであって、低コストかつ低温にて、親水性に優れたシリカ膜ならびに親水性シリカ膜付きのアクリル樹脂基板を製造することを目的とする。   The present invention has been made to meet such demands, and an object of the present invention is to produce a silica film excellent in hydrophilicity and an acrylic resin substrate with a hydrophilic silica film at low cost and low temperature.

上記目的を達成するために、本発明の親水性シリカ膜の製造方法は、少なくとも、テトラアルキルオルソシリケート、有機溶媒および水を混和して反応させる反応工程と、反応工程によって得られる溶液を基板に供給して膜を形成する膜形成工程と、膜形成工程によって得られる膜を水に接触させて加水分解を行う後加水分解工程とを含む。   In order to achieve the above object, the method for producing a hydrophilic silica film of the present invention comprises at least a reaction step in which a tetraalkyl orthosilicate, an organic solvent and water are mixed and reacted, and a solution obtained by the reaction step on a substrate. A film forming step of supplying and forming a film; and a post-hydrolysis step of performing hydrolysis by bringing the film obtained by the film forming step into contact with water.

また、別の本発明の親水性シリカ膜の製造方法は、さらに、後加水分解工程の後に、100〜250℃の範囲内で加熱する加熱工程を行う。   Moreover, the manufacturing method of another hydrophilic silica film | membrane of this invention further performs the heating process heated within the range of 100-250 degreeC after a post-hydrolysis process.

また、別の本発明の親水性シリカ膜の製造方法は、特に、反応工程を、さらにヒドロキシケトン誘導体を加えて反応させる工程とする。   Further, in another method for producing a hydrophilic silica film of the present invention, the reaction step is particularly a step in which a hydroxyketone derivative is further added and reacted.

また、別の本発明の親水性シリカ膜の製造方法は、特に、有機溶媒をエタノールとする。   In another method for producing a hydrophilic silica film of the present invention, the organic solvent is ethanol in particular.

また、本発明の親水性シリカ膜は、膜上の水滴の接触角が20度以下であって、かつ平均細孔径が1〜10nmである。   The hydrophilic silica film of the present invention has a contact angle of water droplets on the film of 20 degrees or less and an average pore diameter of 1 to 10 nm.

また、本発明の親水性シリカ膜付きのアクリル樹脂基板は、膜上の水滴の接触角が20度以下であって、当該膜を付けた状態のアクリル樹脂基板の可視光透過率が92%以上である。   Moreover, the acrylic resin substrate with a hydrophilic silica film of the present invention has a contact angle of water droplets of 20 degrees or less on the film, and the visible light transmittance of the acrylic resin substrate with the film attached is 92% or more. It is.

本発明によれば、低コストかつ低温にて、親水性に優れたシリカ膜ならびに親水性シリカ膜付きのアクリル樹脂基板を製造することができる。   According to the present invention, a silica film excellent in hydrophilicity and an acrylic resin substrate with a hydrophilic silica film can be produced at low cost and at a low temperature.

図1は、本実施の形態に係る親水性シリカ膜の製造方法の一例(第一の製造方法)の大まかな流れを示すフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart showing a rough flow of an example (first production method) of a method for producing a hydrophilic silica film according to the present embodiment. 図2は、図1に示すフローチャートをさらに具体化した製造工程の一例を示すフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart illustrating an example of a manufacturing process that further embodies the flowchart illustrated in FIG. 1. 図3は、本実施の形態に係る親水性シリカ膜の製造方法の一例(第二の製造方法)の大まかな流れを示すフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart showing a rough flow of an example (second manufacturing method) of the method for manufacturing the hydrophilic silica film according to the present embodiment. 図4は、実験例1において作製した各シリカ粉末の窒素吸脱着等温線のグラフである。FIG. 4 is a graph of nitrogen adsorption / desorption isotherms of each silica powder produced in Experimental Example 1. 図5は、図4の各シリカ粉末の細孔径分布を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the pore size distribution of each silica powder of FIG. 図6は、実験例2において後加水分解処理を行わずに作製した各シリカ粉末の窒素吸脱着等温線のグラフである。FIG. 6 is a graph of nitrogen adsorption / desorption isotherms of each silica powder produced in Example 2 without post-hydrolysis treatment. 図7は、図6に示す各シリカ粉末の細孔径分布を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the pore size distribution of each silica powder shown in FIG. 図8は、実験例2において後加水分解処理を行って作製した各シリカ粉末の1000cm−1近傍の赤外吸収ピークを示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing an infrared absorption peak in the vicinity of 1000 cm −1 of each silica powder produced by performing a post-hydrolysis treatment in Experimental Example 2. 図9は、実験例2において後加水分解処理を行わずに作製した各シリカ粉末の1000cm−1近傍の赤外吸収ピークを示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing an infrared absorption peak near 1000 cm −1 of each silica powder produced in Experimental Example 2 without performing post-hydrolysis treatment. 図10は、実験例2において、溶媒にEtOHを用いて作製したシリカ粉末の後加水分解処理を行ったものおよび後加水分解処理を行わなかったもの各々の2900cm−1近傍の赤外吸収ピークを比較して示すグラフである。FIG. 10 shows the infrared absorption peak in the vicinity of 2900 cm −1 for each of the silica powder produced using EtOH as a solvent and the one that was not subjected to the post-hydrolysis treatment in Experimental Example 2. It is a graph shown in comparison. 図11は、実験例3においてヒドロキシアセトンを用いずに作製した各シリカ粉末の窒素吸脱着等温線のグラフである。FIG. 11 is a graph of the nitrogen adsorption / desorption isotherm of each silica powder prepared in Experimental Example 3 without using hydroxyacetone. 図12は、図11に示す各シリカ粉末の細孔径分布を示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing the pore size distribution of each silica powder shown in FIG. 図13は、実験例4において、紫外可視分光光度計を用いて分析した薄膜付きのPMMA基板と未成膜のPMMA基板の各透過率を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing the transmittances of the thin film-attached PMMA substrate and the non-film-formed PMMA substrate analyzed in Example 4 using an ultraviolet-visible spectrophotometer. 図14は、実験例5において、溶媒にEtOHを用いて作製したシリカ粉末の後加水分解処理を行ったものおよび後加水分解処理を行わなかったもの各々の2900cm−1近傍の赤外吸収ピークを比較して示すグラフである。FIG. 14 shows the infrared absorption peak in the vicinity of 2900 cm −1 of each of the silica powder produced using EtOH as a solvent and the one not subjected to the post-hydrolysis treatment in Experimental Example 5. It is a graph shown in comparison.

次に、本発明の親水性シリカ膜、親水性シリカ膜付きのアクリル樹脂基板ならびに親水性シリカ膜の製造方法の各実施の形態について説明する。   Next, each embodiment of the manufacturing method of the hydrophilic silica film of this invention, the acrylic resin substrate with a hydrophilic silica film, and a hydrophilic silica film is demonstrated.

<1.親水性シリカ膜>
本実施の形態に係る親水性シリカ膜は、好適には、水滴の接触角が20度以下であり、かつ平均細孔径が1〜10nmである。この実施の形態において、平均細孔径の算出は、BET法により行われる。ここで、「シリカ膜」とは、シリカを主成分とする膜若しくは膜の積層体をいい、シリカ以外の副成分の種類や各副成分の割合、膜の厚さの大小は問わない。本実施の形態に係る親水性シリカ膜において、窒素吸脱着法にて測定される細孔容積は大きければ大きいほど好ましい。また、JIS K5600−5−4に基づく鉛筆硬度は大きければ大きいほど好ましい。
<1. Hydrophilic silica membrane>
The hydrophilic silica film according to the present embodiment preferably has a water droplet contact angle of 20 degrees or less and an average pore diameter of 1 to 10 nm. In this embodiment, the average pore diameter is calculated by the BET method. Here, the “silica film” refers to a film or a laminate of films containing silica as a main component, regardless of the types of subcomponents other than silica, the ratio of each subcomponent, and the thickness of the film. In the hydrophilic silica membrane according to the present embodiment, the larger the pore volume measured by the nitrogen adsorption / desorption method, the better. Moreover, the higher the pencil hardness based on JIS K5600-5-4, the better.

<2.親水性シリカ膜付きのアクリル樹脂基板>
本実施の形態に係る親水性シリカ膜付きのアクリル樹脂基板は、膜上の水滴の接触角が20度以下であって、当該膜を付けた状態のアクリル樹脂基板の可視光透過率が92%以上である。可視光透過率は、アクリル樹脂基板の片面に親水性シリカ膜を付けた状態で、紫外可視分光光度計により測定した値である。
<2. Acrylic resin substrate with hydrophilic silica film>
In the acrylic resin substrate with a hydrophilic silica film according to the present embodiment, the contact angle of water droplets on the film is 20 degrees or less, and the visible light transmittance of the acrylic resin substrate with the film attached is 92%. That's it. The visible light transmittance is a value measured with an ultraviolet-visible spectrophotometer with a hydrophilic silica film attached to one surface of an acrylic resin substrate.

<3.親水性シリカ膜の製造方法> <3. Method for producing hydrophilic silica film>

3.1 第一の製造方法
図1は、本実施の形態に係る親水性シリカ膜の製造方法の一例(第一の製造方法)の大まかな流れを示すフローチャートである。
3.1 First Manufacturing Method FIG. 1 is a flowchart showing a rough flow of an example (first manufacturing method) of a method for manufacturing a hydrophilic silica film according to the present embodiment.

図1に示すように、親水性シリカ膜の第一の製造方法は、少なくとも、テトラアルキルオルソシリケート、アルコール若しくはケトン(以後、「有機溶媒」または単に「溶媒」という)、水を混和して反応させる反応工程(ステップS100)と、上記反応工程(ステップS100)によって得られる溶液(コーティング用溶液)を基板に供給して膜を形成する膜形成工程(ステップS200)と、上記膜形成工程(ステップS200)によって得られる膜を40℃以下の温度で乾燥する乾燥工程(ステップS300)と、上記乾燥工程(ステップS300)によって得られた膜を加水分解する後加水分解処理工程(ステップS400)と、上記後加水分解処理工程(ステップS400)によって得られた膜を加熱する加熱工程(ステップS500)と、を含む。ただし、乾燥工程(ステップS300)は必須の工程ではなく、除外することもできる。   As shown in FIG. 1, the first method for producing a hydrophilic silica film is a reaction in which at least tetraalkyl orthosilicate, alcohol or ketone (hereinafter referred to as “organic solvent” or simply “solvent”) and water are mixed. A reaction step (step S100), a film formation step (step S200) for forming a film by supplying a solution (coating solution) obtained by the reaction step (step S100) to the substrate, and the film formation step (step A drying step (step S300) for drying the membrane obtained by S200) at a temperature of 40 ° C. or less, a post-hydrolysis treatment step (step S400) for hydrolyzing the membrane obtained by the drying step (step S300), A heating step (step S) for heating the film obtained by the post-hydrolysis treatment step (step S400). It includes a 00), a. However, the drying process (step S300) is not an essential process and can be excluded.

図2は、図1に示すフローチャートをさらに具体化した製造工程の一例を示すフローチャートである。   FIG. 2 is a flowchart illustrating an example of a manufacturing process that further embodies the flowchart illustrated in FIG. 1.

親水性シリカ膜の第一の製造方法は、テトラアルキルオルソシリケートと溶媒とを混合する第一の混合工程(ステップS110)と、少なくとも水および溶媒とを混合する第二の混合工程(ステップS120)と、第一の混合工程(ステップS110)により作製したテトラアルキルオルソシリケート溶液と第二の混合工程(ステップS120)により作製した溶液とを混合して両溶液を反応させる反応工程(ステップS130)と、当該反応工程(ステップS130)後に、反応後の溶液を静置する静置工程(ステップS140)と、当該静置工程(ステップS140)後の溶液を基板に供給して膜を形成する膜形成工程(ステップS200)と、上記乾燥工程(ステップS300)と、上記後加水分解処理工程(ステップS400)と、上記加熱工程(ステップS500)と、を含む。第一の混合工程(ステップS110)、第二の混合工程(ステップS120)、反応工程(ステップS130)および静置工程(ステップS140)は、図1に示す反応工程(ステップS100)を具体的に細分化した工程である。   A first method for producing a hydrophilic silica film includes a first mixing step (step S110) of mixing a tetraalkylorthosilicate and a solvent, and a second mixing step of mixing at least water and a solvent (step S120). And a reaction step (step S130) in which the tetraalkyl orthosilicate solution prepared by the first mixing step (step S110) and the solution prepared by the second mixing step (step S120) are mixed to react both solutions. After the reaction step (step S130), a standing step (step S140) for allowing the solution after the reaction to stand, and forming a film by supplying the solution after the standing step (step S140) to the substrate A process (step S200), the drying process (step S300), the post-hydrolysis process (step S400), It includes a serial heating step (step S500), the. The first mixing step (step S110), the second mixing step (step S120), the reaction step (step S130), and the stationary step (step S140) are specific to the reaction step (step S100) shown in FIG. This is a subdivided process.

次に、図2に示すフローチャートに基づいて、各工程の詳細を説明する。   Next, based on the flowchart shown in FIG. 2, the detail of each process is demonstrated.

(1)反応工程(ステップS100)
(1.a)第一の混合工程(ステップS110)
混合対象のテトラアルキルオルソシリケートは、一般式がSi(OR)で表わされるシラン化合物である(式中のORは、アルコキシ基である)。アルコキシ基としては、直鎖、分岐及び環状のいずれの官能基であっても良く、炭素数は、1〜20、好ましくは1〜10、さらに好ましくは1〜4である。テトラアルキルオルソシリケートとしては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラ−n−プロポキシシラン、テトラ−iso−プロポキシシラン、テトラ−n−ブトキシシラン、テトラ−sec−ブトキシシラン、テトラ−tert−ブトキシシラン、テトラフェノキシシラン等を挙げることができる。これらのテトラアルキルオルソシリケートの内で、好適には、テトラメチルオルソシリケート(テトラメトキシシラン)を用いることができる。また、これらのテトラアルキルオルソシリケートの内の1種のみ、あるいは2種以上を組み合わせて用いても良い。
(1) Reaction process (step S100)
(1.a) First mixing step (step S110)
The tetraalkyl orthosilicate to be mixed is a silane compound having a general formula of Si (OR) 4 (OR in the formula is an alkoxy group). The alkoxy group may be any of linear, branched and cyclic functional groups, and has 1 to 20, preferably 1 to 10, and more preferably 1 to 4 carbon atoms. Examples of the tetraalkyl orthosilicate include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetra-n-propoxysilane, tetra-iso-propoxysilane, tetra-n-butoxysilane, tetra-sec-butoxysilane, and tetra-tert-butoxy. Examples thereof include silane and tetraphenoxysilane. Of these tetraalkylorthosilicates, tetramethylorthosilicate (tetramethoxysilane) can be preferably used. Further, only one of these tetraalkyl orthosilicates or a combination of two or more thereof may be used.

テトラアルキルオルソシリケートと混合する溶媒には、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、ブタノール、3−メチル−3−メトキシ−1−ブタノールなどのアルコール類;アセトン、メチルイソブチルケトン、ジイソブチルケトンなどのケトン類を用いることができる。上記溶媒としては、上記の一種のみを、あるいは上記の2種以上を混合したものを用いても良い。この実施の形態では、比較的低温にてミクロ孔から成る高硬度のシリカ膜を得やすいメタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノールあるいはアセトンを用いるのがより好ましい。   Solvents to be mixed with tetraalkyl orthosilicate include alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, butanol, 3-methyl-3-methoxy-1-butanol; acetone, methyl isobutyl ketone, diisobutyl ketone, etc. Ketones can be used. As said solvent, you may use only said 1 type or what mixed said 2 or more types. In this embodiment, it is more preferable to use methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol or acetone, which can easily obtain a high-hardness silica film composed of micropores at a relatively low temperature.

上記溶媒の量は、ステップS110およびS120にて用いられる各溶媒の合計のモル数/テトラアルキルオルソシリケートのモル数が0.5〜1.5の範囲になる量とするのが好ましく、さらには、0.8〜1.2の範囲になる量とするのが好ましい。   The amount of the solvent is preferably an amount such that the total number of moles of each solvent used in steps S110 and S120 / the number of moles of tetraalkyl orthosilicate is in the range of 0.5 to 1.5. The amount is preferably in the range of 0.8 to 1.2.

溶媒とテトラアルキルオルソシリケートとの混合方法は、攪拌羽根を取り付けた攪拌機を用いて、容器に入れた溶媒とテトラアルキルオルソシリケートとの混合溶液を掻き混ぜる方法、容器に入れた前述の混合溶液内に攪拌子を入れて当該容器をマグネチックスターラー上に載せて攪拌子を回転させる方法、前述の混合溶液を入れた容器を、水を入れた超音波振動機内に漬けて振動攪拌させる方法などを採用することができる。ただし、溶媒とテトラアルキルオルソシリケートとの混合方法は、前述の例示に限定されず、公知のいかなる混合方法をも含む。   The mixing method of the solvent and the tetraalkyl orthosilicate is a method of stirring the mixed solution of the solvent and the tetraalkyl orthosilicate in the container using a stirrer equipped with a stirring blade, and the above-mentioned mixed solution in the container. A method of rotating the stirrer by placing the container on a magnetic stirrer with a stir bar, a method of stirring the container with the above mixed solution immersed in an ultrasonic vibrator containing water, etc. Can be adopted. However, the mixing method of the solvent and the tetraalkylorthosilicate is not limited to the above-described examples, and includes any known mixing method.

混合時の温度は、溶媒が揮発しにくい温度を選択するのが好ましい。例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノールあるいはアセトンを溶媒として選択する場合には、5〜60℃の範囲、特にその範囲内でも40℃以下が好ましい。また、混合する時間は、15〜180分、特に30〜90分、さらには45〜75分が好ましい。   The temperature at the time of mixing is preferably selected at a temperature at which the solvent is less likely to volatilize. For example, when methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol or acetone is selected as the solvent, the temperature is preferably in the range of 5 to 60 ° C., particularly 40 ° C. or less. The mixing time is preferably 15 to 180 minutes, particularly 30 to 90 minutes, and more preferably 45 to 75 minutes.

(1.b)第二の混合工程(ステップS120)
溶媒は、ステップS110で用いられる溶媒と同様のものを使用することができる。ステップS120で用いられる溶媒は、ステップS110で用いられる溶媒と異なる種類の溶媒であっても良いが、ステップS110で用いられる溶媒と同種の溶媒であるのが好ましい。
(1.b) Second mixing step (step S120)
A solvent similar to the solvent used in step S110 can be used. The solvent used in step S120 may be a different type of solvent from the solvent used in step S110, but is preferably the same type of solvent as used in step S110.

水は、不純物(水素イオン、水酸イオン以外のイオンなども不純物に含まれる)の少ないイオン交換水であるのが好ましい。水の量は、テトラアルキルオルソシリケートあるいはヒドロキシケトン誘導体1モルに対して2〜10モル、特に3〜7モル、さらには4〜6モルの範囲とするのが好ましい。   The water is preferably ion-exchanged water with little impurities (hydrogen ions, ions other than hydroxide ions are also included in the impurities). The amount of water is preferably in the range of 2 to 10 mol, particularly 3 to 7 mol, more preferably 4 to 6 mol, with respect to 1 mol of the tetraalkylorthosilicate or hydroxyketone derivative.

上記水および溶媒の他に、ヒドロキシケトン誘導体を加えて混合するのが好ましい。ヒドロキシケトン誘導体としては、ヒドロキシアセトン、アセトイン、3−ヒドロキシ−3−メチル−2−ブタノン、およびフルクトースなどを使用でき、特に、ヒドロキシアセトンが好ましい。ヒドロキシケトン誘導体は、テトラアルキルオルソシリケート1モルに対して、0.3〜3.0モル、特に0.5〜2.0モル、さらには0.8〜1.2モルの範囲とするのが好ましい。   It is preferable to add and mix a hydroxyketone derivative in addition to the water and the solvent. As the hydroxyketone derivative, hydroxyacetone, acetoin, 3-hydroxy-3-methyl-2-butanone, fructose and the like can be used, and hydroxyacetone is particularly preferable. The hydroxyketone derivative should be in the range of 0.3 to 3.0 mol, particularly 0.5 to 2.0 mol, more preferably 0.8 to 1.2 mol, with respect to 1 mol of the tetraalkyl orthosilicate. preferable.

溶媒と水、あるいは溶媒と水とヒドロキシケトン誘導体の混合方法は、ステップS110の混合方法と同様の方法の他、公知のいかなる混合方法をも含む。混合時の温度は、ステップS110で述べたように、溶媒が揮発しにくい温度を選択するのが好ましい。   The mixing method of the solvent and water or the solvent, water and the hydroxyketone derivative includes any known mixing method in addition to the same method as the mixing method in step S110. As described in step S110, it is preferable to select a temperature at which the solvent hardly volatilizes as the temperature at the time of mixing.

(1.c)反応工程(ステップS130)
反応工程は、ステップS110にて混合した溶液とステップS120にて混合した溶液とを混合して、ゾル溶液を得る工程である。反応工程における混合方法は、ステップS110およびS120の混合方法と同様の方法の他、公知のいかなる混合方法をも含む。混合時の温度は、ステップS110およびS120と同様、溶媒が揮発しにくい温度を選択するのが好ましい。混合する時間は、8〜72時間、特に12〜48時間、さらには18〜36時間が好ましい。
(1.c) Reaction process (step S130)
The reaction process is a process of obtaining a sol solution by mixing the solution mixed in step S110 and the solution mixed in step S120. The mixing method in the reaction step includes any known mixing method in addition to the same method as the mixing method in steps S110 and S120. The temperature at the time of mixing is preferably selected at a temperature at which the solvent is less likely to volatilize, as in steps S110 and S120. The mixing time is preferably 8 to 72 hours, particularly 12 to 48 hours, and more preferably 18 to 36 hours.

(1.d)静置工程(ステップS140)
静置工程は、テトラアルキルオルソシリケートの加水分解および縮合重合をゆっくりと進行させるための熟成工程である。静置時の温度は、前述の加水分解および縮合重合を徐々に進行させる温度を選択するのが好ましい。例えば、テトラアルキルオルソシリケートとしてテトラメトキシシランを用いる場合には、静置時の温度としては、20〜55℃、さらには、35〜45℃が好ましい。また、静置する時間は、24〜168時間、特に48〜144時間とするのが好ましい。
(1.d) Standing step (Step S140)
The standing step is an aging step for allowing the hydrolysis and condensation polymerization of the tetraalkylorthosilicate to proceed slowly. The temperature at the time of standing is preferably selected so that the hydrolysis and condensation polymerization described above gradually proceed. For example, when tetramethoxysilane is used as the tetraalkylorthosilicate, the standing temperature is preferably 20 to 55 ° C, and more preferably 35 to 45 ° C. Further, the standing time is preferably 24 to 168 hours, particularly 48 to 144 hours.

上記のステップS110〜S140を経て、反応工程(ステップS100)が終了し、膜形成用のゾル溶液が出来上がる。   Through the above steps S110 to S140, the reaction process (step S100) is completed, and a sol solution for film formation is completed.

(2)膜形成工程(ステップS200)
膜形成用のゾル溶液であるシリカ溶液を塗布する基板としては、特にその材質を問わないが、その後の工程にて最高温度200℃で加熱することを考慮すると、200℃で軟化若しくは溶けない材料が好ましい。膜形成工程は、シリカ溶液を基板上に塗布する工程であり、公知のいずれの方法をも採用できる。例えば、スピンコート法、ブレードコート法、ロールコート法、ディッピング法、スプレー法などの塗工法の他、転写法、スクリーン印刷法、インクジェット印刷法などの各種印刷法も採用可能である。この実施の形態では、簡便かつ均一な膜厚の膜を形成できるスピンコート法を好適に使用することができる。
(2) Film formation process (step S200)
The substrate on which the silica solution, which is a sol solution for film formation, is applied is not particularly limited, but in consideration of heating at a maximum temperature of 200 ° C. in the subsequent steps, a material that does not soften or melt at 200 ° C. Is preferred. The film forming step is a step of applying a silica solution on the substrate, and any known method can be adopted. For example, various printing methods such as a transfer method, a screen printing method, and an ink jet printing method can be employed in addition to a coating method such as a spin coating method, a blade coating method, a roll coating method, a dipping method, and a spray method. In this embodiment, a spin coat method capable of forming a film having a simple and uniform film thickness can be suitably used.

膜形成工程にてスピンコート法を使用する場合、基板の回転数および回転時間を、所望の膜厚に応じてそれぞれ決定するのが好ましい。例えば、膜厚60〜150nmの膜を形成するためには、60秒回転させる場合には、基板を1000〜5000rpmで回転するのが好ましい。また、膜厚は、シリカ溶液中の溶媒の種類や液温および溶液の粘度により変化しやすい。例えば、基板を60秒回転させて膜厚60〜150nmの膜を形成するためには、溶媒にメタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノールまたはアセトンを用いた場合には、1000〜3000rpmで基板を回転するのが好ましい。その際の溶液の温度は10〜30℃が好ましく、その際の溶液の粘度は2.0〜5.0mPa・sであることが好ましい。   When the spin coating method is used in the film forming step, it is preferable to determine the rotation speed and rotation time of the substrate according to the desired film thickness. For example, in order to form a film having a film thickness of 60 to 150 nm, when rotating for 60 seconds, it is preferable to rotate the substrate at 1000 to 5000 rpm. The film thickness is likely to change depending on the type of solvent in the silica solution, the liquid temperature, and the viscosity of the solution. For example, in order to form a film having a film thickness of 60 to 150 nm by rotating the substrate for 60 seconds, when methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol or acetone is used as a solvent, the substrate is rotated at 1000 to 3000 rpm. Is preferably rotated. The temperature of the solution at that time is preferably 10 to 30 ° C., and the viscosity of the solution at that time is preferably 2.0 to 5.0 mPa · s.

(3)乾燥工程(ステップS300)
乾燥工程は、膜中の溶媒および水を低減する工程、さらに形成された膜の定着工程であり、スピンコートにより得られた膜の状態に応じて、乾燥温度および乾燥時間を決定するのが好ましい。なるべく、低温で長時間乾燥する方が好ましい傾向がある。標準的な乾燥温度と乾燥時間を例示すれば、15〜35℃、好ましくは20〜28℃にて、12〜48時間、好ましくは18〜36時間、乾燥する。なお、この工程は除外することもできる。
(3) Drying process (step S300)
The drying step is a step of reducing the solvent and water in the film, and a fixing step of the formed film, and it is preferable to determine the drying temperature and drying time according to the state of the film obtained by spin coating. . If possible, it tends to be preferable to dry at a low temperature for a long time. If a standard drying temperature and drying time are illustrated, it will dry at 15-35 degreeC, Preferably it is 20-28 degreeC for 12 to 48 hours, Preferably it is 18 to 36 hours. In addition, this process can also be excluded.

(4)後加水分解処理工程(ステップS400)
後加水分解処理工程は、基板に形成された膜を水に浸けて(基板ごと浸漬させるか、膜のみを水に接触させるかを問わない)、膜のさらなる加水分解を行わせる工程である。水温は、0℃以上であれば良いが、40〜95℃、特に70〜90℃、さらには75〜85℃の範囲が好ましい。加水分解の効果を高め、かつ膜の剥離若しくは破壊を有効に防ぐことができるからである。後加水分解処理は、ディッピング、シャワー、流水式等のいかなる方法も採用できる。この実施の形態では、簡便かつ加水分解効果の高いディッピングを採用するのが好ましい。後加水分解処理の時間としては、30〜240分、特に60〜180分、さらには90〜150分が好ましい。
(4) Post-hydrolysis process (step S400)
The post-hydrolysis treatment step is a step in which the film formed on the substrate is immersed in water (whether the whole substrate is immersed or only the film is brought into contact with water) to cause further hydrolysis of the film. Although the water temperature should just be 0 degreeC or more, the range of 40-95 degreeC, especially 70-90 degreeC, Furthermore, 75-85 degreeC is preferable. It is because the effect of hydrolysis can be enhanced and peeling or destruction of the membrane can be effectively prevented. Any method such as dipping, showering or flowing water can be employed for the post-hydrolysis treatment. In this embodiment, it is preferable to employ dipping that is simple and has a high hydrolysis effect. The time for the post-hydrolysis treatment is preferably 30 to 240 minutes, particularly 60 to 180 minutes, and more preferably 90 to 150 minutes.

(5)加熱工程(ステップS500)
加熱工程は、基板に形成された膜の内部に含まれる水等を除去する工程および膜の硬度を向上させる工程である。加熱する温度に応じて、乾燥機、電熱炉等を適宜選択できる。加熱温度は、100〜250℃の範囲で、より低温とするのが好ましい。加熱時間は、吸着水および残存する有機物をできるだけ除去するのに十分な時間であれば特に限定されるものではないが、例示するならば、15〜240分、特に30〜180分、さらには60〜150分が好ましい。
(5) Heating process (step S500)
The heating process is a process of removing water and the like contained in the film formed on the substrate and a process of improving the hardness of the film. A dryer, an electric furnace, or the like can be selected as appropriate depending on the temperature to be heated. The heating temperature is preferably in the range of 100 to 250 ° C. and lower. The heating time is not particularly limited as long as it is sufficient to remove the adsorbed water and the remaining organic substances as much as possible. However, for example, the heating time is 15 to 240 minutes, particularly 30 to 180 minutes, and even 60. ~ 150 minutes is preferred.

3.2 第二の製造方法
図3は、本実施の形態に係る親水性シリカ膜の製造方法の一例(第二の製造方法)の大まかな流れを示すフローチャートである。
3.2 Second Manufacturing Method FIG. 3 is a flowchart showing a rough flow of an example (second manufacturing method) of a method for manufacturing a hydrophilic silica film according to the present embodiment.

図3に示すように、親水性シリカ膜の第二の製造方法では、前述の第一の製造工程と比べ、加熱工程(ステップS500)を行わない点のみが異なる。したがって、加熱工程(ステップS500)以外の各工程は、第一の製造方法で説明した内容と共通するので、重複した説明を省略する。   As shown in FIG. 3, the second method for producing a hydrophilic silica film is different from the first production process described above only in that the heating process (step S500) is not performed. Therefore, since each process other than the heating process (step S500) is the same as the content described in the first manufacturing method, a duplicate description is omitted.

「実験例1」
1.コーティング用溶液の作製
ビーカー(ビーカーAとする)に、ヒドロキシアセトン(Hydroxy Acetone: HA)0.926gと、水1.125gと、各種溶媒(10ml)を入れて、25℃で約1時間攪拌した。攪拌は、攪拌子を投入し、KOMET社製の攪拌機(型式:VARIOMAG POLY15)を用いた。攪拌速度は、550rpmとした。溶媒は、表1に示すメタノール(MeOH)、エタノール(EtOH)、1−プロパノール(1−PrOH)および2−プロパノール(2−PrOH)の4種類とした。各溶媒の比重が異なるため、各溶媒10mlの質量(Xg)は、表1のように異なる質量となった。一方、別のビーカー(ビーカーBとする)に、テトラメトキシシラン(Tetramethoxysilane: TMOS)1.903gと、各種溶媒10mlを入れて、ビーカーAと同一条件で攪拌した。ビーカーAとビーカーBに用いた溶媒は同種の溶媒とした。
"Experiment 1"
1. Preparation of coating solution In a beaker (beaker A), 0.926 g of hydroxyacetone (HA), 1.125 g of water, and various solvents (10 ml) were added and stirred at 25 ° C. for about 1 hour. . Stirring was carried out using a stirrer (model: VARIOMAG POLY15) manufactured by KOMET. The stirring speed was 550 rpm. The solvent was four types shown in Table 1, methanol (MeOH), ethanol (EtOH), 1-propanol (1-PrOH) and 2-propanol (2-PrOH). Since the specific gravity of each solvent was different, the mass (Xg) of 10 ml of each solvent was different as shown in Table 1. On the other hand, 1.903 g of tetramethoxysilane (TMOS) and 10 ml of various solvents were put into another beaker (beaker B), and stirred under the same conditions as beaker A. The solvent used for beaker A and beaker B was the same type of solvent.

次に、別のビーカー(ビーカーCとする)を用意し、各ビーカーA,Bの攪拌後の内容物を投入し、25℃で約24時間攪拌した。攪拌には、前述と同タイプの攪拌機を用い、攪拌時の温度および攪拌速度を、それぞれ、25℃および550rpmとした。その後、ビーカーCの内容物の攪拌を停止し、40℃にてビーカーCを静置した。静置時間は、溶媒にMeOHまたは1−PrOHを用いた場合には48時間とし、溶媒にEtOHまたは2−PrOHを用いた場合には72時間とした。この一連の処理を経て、コーティング用溶液の作製を完了した。溶媒の種類を変えてもTMOS:溶媒:水をモル比にて1:1:5とし、Si換算モル濃度が0.52Mとなるように統一した。   Next, another beaker (beaker C) was prepared, and the contents after stirring of each of the beakers A and B were added and stirred at 25 ° C. for about 24 hours. For the stirring, the same type of stirrer as described above was used, and the temperature and stirring speed during stirring were 25 ° C. and 550 rpm, respectively. Thereafter, stirring of the contents of the beaker C was stopped, and the beaker C was allowed to stand at 40 ° C. The standing time was 48 hours when MeOH or 1-PrOH was used as the solvent, and 72 hours when EtOH or 2-PrOH was used as the solvent. Through this series of processes, the preparation of the coating solution was completed. Even if the kind of the solvent was changed, the molar ratio of TMOS: solvent: water was 1: 1: 5, and the Si equivalent molar concentration was 0.52M.

Figure 0004942057
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2.薄膜の作製
次に、シリコン基板(SUMCO社製、25mm×25mm×1mm)を用意し、スピンコータ(MIKASA社製、型式:SPINCOATER 1H−D7)の回転板に上記基板を固定した。次に、各種基板の回転数を1000、2000および3000rpmになるようにスピンコータの回転数をセットして回転板の回転を始動し、回転している基板上に、先に作製したコーティング用溶液を、60秒間供給して基板の表面に膜を形成し、その後、回転板の回転を停止させた。次に、表面に膜を形成した基板を、25℃で、約24時間、乾燥させた。次に、約20℃のイオン交換水を入れたビーカー(ビーカーDとする)に、乾燥後の基板を浸漬させて、ビーカーDをウォーターバス内に設置し、80℃に加熱し、2時間静置した。次に、ビーカーDから基板を取り出し、200℃にて2時間の加熱を行った。加熱後の基板は、25℃にて保管した。
2. Preparation of Thin Film Next, a silicon substrate (SUMCO, 25 mm × 25 mm × 1 mm) was prepared, and the substrate was fixed to a rotating plate of a spin coater (MIKASA, model: SPINCATOR 1H-D7). Next, the rotational speed of the spin coater is set so that the rotational speeds of the various substrates are 1000, 2000, and 3000 rpm, and the rotation of the rotating plate is started. The coating solution prepared earlier is applied to the rotating substrate. For 60 seconds to form a film on the surface of the substrate, and then the rotation of the rotating plate was stopped. Next, the substrate on which the film was formed was dried at 25 ° C. for about 24 hours. Next, the dried substrate is immersed in a beaker (beaker D) containing about 20 ° C. ion-exchanged water, the beaker D is placed in a water bath, heated to 80 ° C., and allowed to stand for 2 hours. I put it. Next, the substrate was taken out from the beaker D and heated at 200 ° C. for 2 hours. The heated substrate was stored at 25 ° C.

3.評価
シリカの比表面積および細孔容積の評価には、窒素吸脱着測定装置(マイクロメリティクス・インスツルメント・コーポレーション製、型式:ASAP2010)を用いた。平均細孔径の算出にはBET法を用いた。細孔径分布の導出にはBJH法を用いた。
3. Evaluation For the evaluation of the specific surface area and pore volume of silica, a nitrogen adsorption / desorption measuring device (manufactured by Micromeritics Instruments Corporation, model: ASAP2010) was used. The BET method was used for calculating the average pore diameter. The BJH method was used to derive the pore size distribution.

ここで、BET法について簡単に説明する。BET法は、窒素分子が多層吸着して細孔を満たしていると仮定して細孔径を算出する方法であり、シリカ中の細孔径を求めるのに有効である。BET法によって相対圧(P/P)をx座標とし、(P/P)/V(1−(P/P))をy座標とする点をx−y平面上にプロットし、各プロットした点を通る最近接線(直線)の切片と傾きを求め、当該切片と当該傾きから細孔の容積および面積を求める方法である。また、BJH法は円筒形細孔と仮定し、細孔の表面積の積算値が、得られたBET比表面積に近い値になるよう、変数を導入し、シミュレートして細孔径の分布を算出する手法である。Here, the BET method will be briefly described. The BET method is a method of calculating the pore diameter on the assumption that nitrogen molecules are multilayer adsorbed to fill the pores, and is effective in obtaining the pore diameter in silica. A point with relative pressure (P / P 0 ) as x-coordinate and (P / P 0 ) / V (1- (P / P 0 )) as y-coordinate is plotted on the xy plane by the BET method, In this method, the intercept and slope of the closest tangent line (straight line) passing through each plotted point are obtained, and the volume and area of the pores are obtained from the intercept and the slope. Also, assuming that the BJH method is a cylindrical pore, variables are introduced and simulated to calculate the pore size distribution so that the integrated value of the pore surface area is close to the obtained BET specific surface area. It is a technique to do.

シリカ中の結合種の分析には、FT−IR(株式会社島津製作所製、型式: IR−Prestige21)を用いた。測定に供した試料は、コーティング用溶液(シリカ溶液)を減圧乾燥し、80℃で2時間の後加水分解処理を行った後に200℃で2時間加熱して作製したシリカ粉末とした。以後、各実験例において、スピンコートによる膜形成工程を除く工程を共通にした各工程で作製したシリカ粉末を、比表面積、細孔容積および結合種の各分析に供した。   FT-IR (manufactured by Shimadzu Corporation, model: IR-Prestige 21) was used for analysis of the binding species in the silica. The sample used for the measurement was a silica powder produced by drying a coating solution (silica solution) under reduced pressure, post-hydrolysis treatment at 80 ° C. for 2 hours, and heating at 200 ° C. for 2 hours. Thereafter, in each experimental example, the silica powder produced in each step that shared the step except the film formation step by spin coating was subjected to each analysis of specific surface area, pore volume, and bond type.

シリカ膜上の水滴の接触角の測定には、接触角計(協和界面科学株式会社製、型式:Drop Master 300)を用いた。測定環境は、室温(25℃)、湿度40%R.H.とした。接触角は、2μLの水滴を滴下して5秒後に測定した。測定箇所は、5箇所とし、当該5箇所の接触角の値の中位3点の平均を求めた。比較として未成膜の状態のSi基板も評価に供した。   A contact angle meter (manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd., Model: Drop Master 300) was used to measure the contact angle of water droplets on the silica film. The measurement environment was room temperature (25 ° C.), humidity 40% R.D. H. It was. The contact angle was measured 5 seconds after dropping 2 μL of water droplets. The number of measurement points was five, and the average of three middle points of the contact angle values at the five points was determined. For comparison, an unformed Si substrate was also used for evaluation.

基板表面の膜上の表面粗さは、走査型プローブ顕微鏡(セイコーインスツル株式会社製、型式:SPA400)を用いて調べた。   The surface roughness on the film of the substrate surface was examined using a scanning probe microscope (manufactured by Seiko Instruments Inc., model: SPA400).

基板表面上の膜の硬度は、鉛筆硬度測定法(JIS K5600−5−4)に基づき、鉛筆硬度測定計(株式会社安田精機製作所製、型式:No.553−S)を用いて測定した。   The hardness of the film on the surface of the substrate was measured using a pencil hardness measurement meter (manufactured by Yasuda Seiki Seisakusho, model: No. 553-S) based on a pencil hardness measurement method (JIS K5600-5-4).

基板表面上の膜の厚さは、分光エリプソメータ(堀場ジョバンイボン社製、型式:UVISEL)を用いて測定した。   The thickness of the film on the substrate surface was measured using a spectroscopic ellipsometer (manufactured by Horiba Joban Yvon, model: UVISEL).

4.実験結果
表2に、実験例1にて作製したシリカ粉末の評価結果を示す。表3に、実験例1にて作製した薄膜の評価結果および比較としてのSi基板の親水性評価結果を示す。図4は、各シリカ粉末の窒素吸脱着等温線のグラフである。図4中、白抜きの印は吸着のプロットを、黒塗りの印は脱着のプロットを意味する。以後の窒素吸脱着等温線のグラフについても同様である。図5は、図4の各シリカ粉末の細孔径分布を示すグラフである。
4). Experimental Results Table 2 shows the evaluation results of the silica powder produced in Experimental Example 1. In Table 3, the evaluation result of the thin film produced in Experimental Example 1 and the hydrophilicity evaluation result of the Si substrate as a comparison are shown. FIG. 4 is a graph of the nitrogen adsorption / desorption isotherm of each silica powder. In FIG. 4, a white mark means an adsorption plot, and a black mark means a desorption plot. The same applies to subsequent graphs of nitrogen adsorption / desorption isotherms. FIG. 5 is a graph showing the pore size distribution of each silica powder of FIG.

Figure 0004942057
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表3に示すように、いずれの溶媒を用いた場合でも、接触角が10度以下の親水性に富んだシリカ膜が得られた。また、各溶媒において、基板の回転数が大きいほど、膜厚が小さくなり、接触角が小さく、かつ鉛筆硬度が小さい傾向が認められた。図4に示すように、溶媒にMeOHまたはEtOHを用いるとその吸脱着等温線はI型になり、溶媒に1−PrOHまたは2−PrOHを用いるとその吸脱着等温線はIV型になった。I型の場合、窒素分子がラングミュア(Langmuir)吸着(単層での吸着)していると判断できる。一方、IV型の場合、窒素分子が多層で吸着していると判断できる。また、表2および図5に示すように、溶媒にMtOHまたはEtOHを用いると、他の溶媒を用いる場合に比べて細孔が小さなシリカが得られることがわかった。これらの粉末試料は白色であった。   As shown in Table 3, regardless of which solvent was used, a hydrophilic silica film having a contact angle of 10 degrees or less was obtained. In each solvent, the larger the number of rotations of the substrate, the smaller the film thickness, the smaller the contact angle, and the lower the pencil hardness. As shown in FIG. 4, when MeOH or EtOH was used as the solvent, the adsorption / desorption isotherm became I type, and when 1-PrOH or 2-PrOH was used as the solvent, the adsorption / desorption isotherm became IV type. In the case of type I, it can be determined that nitrogen molecules are adsorbed by Langmuir (adsorption in a single layer). On the other hand, in the case of type IV, it can be determined that nitrogen molecules are adsorbed in multiple layers. Further, as shown in Table 2 and FIG. 5, it was found that when MtOH or EtOH was used as the solvent, silica having smaller pores was obtained than when other solvents were used. These powder samples were white.

「実験例2」
1.コーティング用溶液の作製、薄膜の作製および評価
後加水分解処理の効果を調べるため、実験例1の薄膜の作製から後加水分解処理の工程を除外する方法および実験例1と同一の方法の2種類の方法にて薄膜を作製した。スピンコータの回転数は、2000rpmの一種類に固定した。また、コーティング用溶液の作製および評価は、実験例1と同様とした。
"Experimental example 2"
1. Preparation of coating solution, preparation of thin film, and evaluation Two types of methods, the method of excluding post-hydrolysis treatment steps from the preparation of the thin film of Experimental Example 1 and the same method as Experimental Example 1, in order to investigate the effect of post-hydrolysis treatment A thin film was prepared by the method described above. The rotation speed of the spin coater was fixed at one kind of 2000 rpm. The preparation and evaluation of the coating solution were the same as in Experimental Example 1.

2.実験結果
表4に、実験例2にて作製したシリカ粉末の評価結果を示す。表5に、実験例2にて作製した薄膜の評価結果を示す。図6は、後加水分解処理を行わずに作製した各シリカ粉末の窒素吸脱着等温線のグラフである。図7は、図6に示す各シリカ粉末の細孔径分布を示すグラフである。
2. Experimental Results Table 4 shows the evaluation results of the silica powder prepared in Experimental Example 2. Table 5 shows the evaluation results of the thin film produced in Experimental Example 2. FIG. 6 is a graph of the nitrogen adsorption / desorption isotherm of each silica powder produced without post-hydrolysis treatment. FIG. 7 is a graph showing the pore size distribution of each silica powder shown in FIG.

Figure 0004942057
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Figure 0004942057
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表5に示すように、いずれの溶媒を用いた場合でも、後加水分解処理を行う方が親水性に富み、膜厚が小さく、かつ硬度の低いシリカ膜が得られることがわかった。後加水分解処理を行わないと、接触角が30度を超えてしまい、後加水分解処理を行った場合と比べて大きく親水性に劣る結果となった。また、図6に示すように、溶媒にMeOHまたはEtOHを用いるとその吸脱着等温線はI型になり、溶媒に1−PrOHまたは2−PrOHを用いるとその吸脱着等温線はIV型になった。ただし、後加水分解処理を行う場合と比べて、窒素の吸着量は少なかった。粉末試料は黄色から茶色に変色しており、試料内に有機物の含有が予想される。表4および図7に示すように、溶媒にMtOHまたはEtOHを用いると、他の溶媒を用いる場合に比べて細孔の小さなシリカが得られることがわかった。しかし、溶媒による差は、実験例1と比べて小さかった。   As shown in Table 5, it was found that, regardless of which solvent is used, a silica film having a higher hydrophilicity, a smaller film thickness, and a lower hardness can be obtained by post-hydrolysis. If the post-hydrolysis treatment was not performed, the contact angle exceeded 30 degrees, and the result was greatly inferior in hydrophilicity compared to the case where the post-hydrolysis treatment was performed. Further, as shown in FIG. 6, when MeOH or EtOH is used as a solvent, its adsorption / desorption isotherm becomes I type, and when 1-PrOH or 2-PrOH is used as a solvent, its adsorption / desorption isotherm becomes IV type. It was. However, the amount of nitrogen adsorbed was small compared to the case where post-hydrolysis treatment was performed. The powder sample is discolored from yellow to brown, and the inclusion of organic matter is expected in the sample. As shown in Table 4 and FIG. 7, it was found that when MtOH or EtOH was used as the solvent, silica having smaller pores was obtained than when other solvents were used. However, the difference due to the solvent was small compared to Experimental Example 1.

図8は、後加水分解処理を行って作製した各シリカ粉末の1000cm−1近傍の赤外吸収ピークを示すグラフである。図9は、後加水分解処理を行わずに作製した各シリカ粉末の1000cm−1近傍の赤外吸収ピークを示すグラフである。また、図10は、溶媒にEtOHを用いて作製したシリカ粉末の後加水分解処理を行ったものおよび後加水分解処理を行わなかったもの各々の2900cm−1近傍の赤外吸収ピークを比較して示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing an infrared absorption peak in the vicinity of 1000 cm −1 of each silica powder produced by post-hydrolysis treatment. FIG. 9 is a graph showing an infrared absorption peak in the vicinity of 1000 cm −1 of each silica powder produced without post-hydrolysis treatment. In addition, FIG. 10 compares the infrared absorption peaks in the vicinity of 2900 cm −1 of the silica powder produced using EtOH as a solvent and the one subjected to the post-hydrolysis treatment and the one not subjected to the post-hydrolysis treatment. It is a graph to show.

図8と図9を比較すると明らかなように、後加水分解処理を行って作製したシリカ粉末には、980cm−1付近にSi−OH結合を示すピークが認められた。当該結合を示すピークは、後加水分解処理を行わずに作製したシリカ粉末には認められなかった。さらに、図10から明らかなように、後加水分解処理を行って作製したシリカ粉末には、2800〜3000cm−1付近にピークは認められなかったが、後加水分解処理を行わずに作製したシリカ粉末には、−CHや−CHに起因するピークが認められた。この結果から、後加水分解は、−CHや−CHなどの疎水性を有する官能基の除去と、それに伴うSi−OH結合の生成に寄与し、膜を形成した際に、膜の親水性を高める効果があると考えられる。As is clear when FIG. 8 and FIG. 9 are compared, the silica powder produced by the post-hydrolysis treatment has a peak showing a Si—OH bond in the vicinity of 980 cm −1 . The peak showing the bond was not observed in the silica powder produced without post-hydrolysis treatment. Further, as apparent from FIG. 10, the silica powder produced by the post-hydrolysis treatment did not have a peak in the vicinity of 2800 to 3000 cm −1 , but the silica produced without the post-hydrolysis treatment. In the powder, peaks due to —CH 2 and —CH 3 were observed. From this result, post-hydrolysis contributes to the removal of hydrophobic functional groups such as —CH 2 and —CH 3 and the accompanying generation of Si—OH bonds. It is thought that there is an effect to improve the sex.

「実験例3」
1.コーティング用溶液の作製
ビーカーA1に、EtOH7.93gと、水1.125gと、HA0.926gを入れて、25℃で約1時間攪拌した。また、ビーカーA2に、上記のHA0.926gの代わりにEtOH0.576gを入れると共に、そこに水1.125gと、EtOH8.031gを入れ、25℃で約1時間攪拌した。ビーカーA1およびビーカーA2の攪拌条件は、実験例1のビーカーAの攪拌条件と同一である。一方、ビーカーB1およびビーカーB2に、それぞれ、TMOS1.903gとEtOH7.93gを入れて、実験例1のビーカーBと同一条件で攪拌した。
"Experiment 3"
1. Preparation of Coating Solution In a beaker A1, 7.93 g of EtOH, 1.125 g of water, and 0.926 g of HA were added and stirred at 25 ° C. for about 1 hour. In addition, 0.576 g of EtOH was put into beaker A2 instead of 0.926 g of HA, and 1.125 g of water and 8.031 g of EtOH were put therein and stirred at 25 ° C. for about 1 hour. The stirring conditions of beaker A1 and beaker A2 are the same as the stirring conditions of beaker A of Experimental Example 1. On the other hand, 1.903 g of TMOS and 7.93 g of EtOH were put into beaker B1 and beaker B2, respectively, and stirred under the same conditions as beaker B of Experimental Example 1.

次に、ビーカーC1とビーカーC2を用意し、ビーカーC1には、ビーカーA1とビーカーB1の両内容物を投入し、25℃で約24時間攪拌した。同様に、ビーカーC2には、ビーカーA2とビーカーB2の両内容物を投入し、25℃で約24時間攪拌した。攪拌速度は550rpmとした。その後、ビーカーC1およびビーカーC2の各内容物の攪拌を停止し、40℃にて96時間、ビーカーC1およびビーカーC2を静置した。この一連の処理を経て、2種類のコーティング用溶液の作製を完了した。   Next, beaker C1 and beaker C2 were prepared, and both contents of beaker A1 and beaker B1 were put into beaker C1 and stirred at 25 ° C. for about 24 hours. Similarly, the contents of both beaker A2 and beaker B2 were put into beaker C2, and stirred at 25 ° C. for about 24 hours. The stirring speed was 550 rpm. Thereafter, stirring of the contents of the beakers C1 and C2 was stopped, and the beakers C1 and C2 were allowed to stand at 40 ° C. for 96 hours. Through this series of treatments, the preparation of two types of coating solutions was completed.

2.薄膜の作製および評価
次に、スピンコータの回転数を2000rpmの一種類に固定する以外の条件を、実験例1と同一条件にして2種類の薄膜を作製した。評価方法は、実験例1と同一とした。
2. Preparation and Evaluation of Thin Films Next, two types of thin films were prepared under the same conditions as in Experimental Example 1 except that the rotation speed of the spin coater was fixed at one type of 2000 rpm. The evaluation method was the same as in Experimental Example 1.

3.実験結果
表6に、実験例3にて作製したシリカ粉末の評価結果を示す。表7に、実験例3にて作製した薄膜の評価結果を示す。図11は、ヒドロキシアセトンを用いずに作製した各シリカ粉末の窒素吸脱着等温線のグラフである。図12は、図11に示す各シリカ粉末の細孔径分布を示すグラフである。
3. Experimental Results Table 6 shows the evaluation results of the silica powder prepared in Experimental Example 3. Table 7 shows the evaluation results of the thin film produced in Experimental Example 3. FIG. 11 is a graph of the nitrogen adsorption / desorption isotherm of each silica powder produced without using hydroxyacetone. FIG. 12 is a graph showing the pore size distribution of each silica powder shown in FIG.

Figure 0004942057
Figure 0004942057

Figure 0004942057
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表6、表7および図12に示すように、200℃の加熱工程を行った場合、ヒドロキシアセトンの有無により、平均細孔径に差があるにもかかわらず、シリカ膜の親水性について大きな差は認められなかった。   As shown in Table 6, Table 7 and FIG. 12, when the heating step at 200 ° C. is performed, the difference in the average pore diameter is different depending on the presence or absence of hydroxyacetone. I was not able to admit.

「実験例4」
1.コーティング用溶液の作製、薄膜の作製および評価
加熱処理の効果を調べるため、実験例1の薄膜の作製から加熱処理の工程を除外する方法にて薄膜を作製した。スピンコータの回転数は、2000rpmの一種類に固定した。基板には、シリコン基板以外に、アクリル樹脂(PMMA樹脂という)製の基板(サンプラテック社製、25mm×50mm×1mm)も用いた。PMMA樹脂製の基板は、成膜前に、コロナ放電装置(新光電気計装株式会社製、型式:コロナフィット CFG−500)を用いたコロナ処理を施した。評価には、紫外可視分光光度計(株式会社日立製作所製、型式:U−4100)を用いた光透過率も加えた。上記以外のコーティング用溶液の作製および評価は、実験例1と同一とした。比較として未成膜の状態のSi基板およびPMMA製の基板も接触角の評価に供した。
"Experimental example 4"
1. Preparation of coating solution, preparation and evaluation of thin film In order to examine the effect of the heat treatment, a thin film was produced by a method in which the heat treatment step was excluded from the production of the thin film in Experimental Example 1. The rotation speed of the spin coater was fixed at one kind of 2000 rpm. In addition to the silicon substrate, an acrylic resin (referred to as PMMA resin) substrate (manufactured by Sampratec, 25 mm × 50 mm × 1 mm) was also used as the substrate. The substrate made of PMMA resin was subjected to corona treatment using a corona discharge device (manufactured by Shinko Electric Instrumentation Co., Ltd., model: Coronafit CFG-500) before film formation. For the evaluation, light transmittance using an ultraviolet-visible spectrophotometer (manufactured by Hitachi, Ltd., model: U-4100) was also added. The production and evaluation of coating solutions other than those described above were the same as in Experimental Example 1. As a comparison, the Si substrate in an unformed state and the substrate made of PMMA were also used for the evaluation of the contact angle.

2.実験結果
表8に、実験例4にて作製した各Si基板上の薄膜の評価結果を示す。表9に、実験例4にて作製した各PMMA基板上の薄膜の評価結果を示す。図13は、紫外可視分光光度計を用いて分析した薄膜付きのPMMA基板と未成膜のPMMA基板の各透過率を示すグラフである。
2. Experimental Results Table 8 shows the evaluation results of the thin film on each Si substrate prepared in Experimental Example 4. Table 9 shows the evaluation results of the thin film on each PMMA substrate produced in Experimental Example 4. FIG. 13 is a graph showing transmittances of a thin film-attached PMMA substrate and an unformed PMMA substrate analyzed using an ultraviolet-visible spectrophotometer.

Figure 0004942057
Figure 0004942057

Figure 0004942057
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実験例1との比較から明らかなように、加熱工程を除外すると、接触角が大きくなる傾向が認められた。ただし、溶媒にEtOHを用いて作製したシリカ膜は、加熱工程の有無によらず小さな接触角を維持していた。溶媒にMtOHまたはEtOHを用いると、加熱工程がなくても、比較的高い硬度を持つシリカ膜が得られた。また、表9に示すように、いずれの溶媒を用いた場合でも接触角が15.1度以下であった。また、図13に示すように、溶媒にEtOHを用いてシリカ膜を成膜したPMMA基板と未成膜のPMMA基板の可視光透過率を比べると、ほとんど等しい透過率を有することがわかった。   As is clear from comparison with Experimental Example 1, when the heating step was excluded, a tendency for the contact angle to increase was recognized. However, the silica film produced using EtOH as the solvent maintained a small contact angle regardless of the heating step. When MtOH or EtOH was used as the solvent, a silica film having a relatively high hardness was obtained even without a heating step. Moreover, as shown in Table 9, the contact angle was 15.1 degrees or less when any solvent was used. Further, as shown in FIG. 13, it was found that when the visible light transmittance was compared between the PMMA substrate on which the silica film was formed using EtOH as the solvent and the non-film-formed PMMA substrate, the transmittance was almost equal.

「実験例5」
1.コーティング用溶液の作製、薄膜の作製および評価
加熱処理を行わない条件の下、後加水分解処理の効果を調べるため、実験例4の薄膜の作製から後加水分解処理の工程を除外する方法および実験例4と同一の方法の2種類の方法にて薄膜を作製した。上記以外のコーティング用溶液の作製および評価は、実験例4と同一とした。
“Experimental Example 5”
1. Preparation of coating solution, preparation and evaluation of thin film In order to investigate the effect of the post-hydrolysis treatment under conditions in which heat treatment is not performed, a method and an experiment in which the post-hydrolysis treatment step is excluded from the preparation of the thin film of Experimental Example 4 A thin film was prepared by two methods, the same method as in Example 4. Preparation and evaluation of coating solutions other than those described above were the same as in Experimental Example 4.

2.実験結果
表10および表11に、実験例5にて作製した薄膜の評価結果を示す。
2. Experimental Results Tables 10 and 11 show the evaluation results of the thin film produced in Experimental Example 5.

Figure 0004942057
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Figure 0004942057
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いずれの溶媒を用いた場合でも、後加水分解処理を行う方が親水性に富み、膜厚が小さく、かつ硬度の低いシリカ膜が得られることがわかった。後加水分解処理を行わないと親水性に劣ることから、基板の種類を問わず、後加水分解処理は必要な工程であると考えられる。   It was found that, regardless of which solvent was used, a silica film having higher hydrophilicity, smaller film thickness, and lower hardness can be obtained by post-hydrolysis treatment. If the post-hydrolysis treatment is not performed, the hydrophilicity is inferior. Therefore, the post-hydrolysis treatment is considered to be a necessary step regardless of the type of the substrate.

図14は、溶媒にEtOHを用いて作製したシリカ粉末の後加水分解処理を行ったものおよび後加水分解処理を行わなかったもの各々の2900cm−1近傍の赤外吸収ピークを比較して示すグラフである。FIG. 14 is a graph showing a comparison of infrared absorption peaks in the vicinity of 2900 cm −1 of silica powders prepared using EtOH as a solvent and those subjected to post-hydrolysis treatment and those not subjected to post-hydrolysis treatment. It is.

図14から明らかなように、後加水分解処理を行って作製したシリカ粉末には、2800〜3000cm−1付近にピークは認められなかったが、後加水分解処理を行わずに作製したシリカ粉末には、−CHや−CHに起因するピークが認められた。この結果は、実験例2にて図10に示す結果と同様の結果であり、後加水分解は、−CHや−CHなどの疎水性を有する官能基の除去と、それに伴うSi−OH結合の生成に寄与し、膜を形成した際に、膜の親水性を高める効果があると考えられる。As is clear from FIG. 14, no peak was observed in the vicinity of 2800 to 3000 cm −1 in the silica powder produced by the post-hydrolysis treatment, but the silica powder produced without the post-hydrolysis treatment was used. , Peaks due to —CH 2 and —CH 3 were observed. This result is the same as the result shown in FIG. 10 in Experimental Example 2, and the post-hydrolysis is performed by removing a functional group having hydrophobicity such as —CH 2 and —CH 3 and accompanying Si—OH. It is thought that it contributes to the generation of bonds and has an effect of increasing the hydrophilicity of the film when the film is formed.

「実験例6」
1.コーティング用溶液の作製、薄膜の作製および評価
実験例3と同一のコーティング用溶液を作製し、加熱処理の工程を除外した実験例4と同一の工程にて薄膜を作製し、評価を行った。なお、コーティング用溶液の作製工程における静置時間は、96時間とした。
"Experimental example 6"
1. Preparation of coating solution, preparation of thin film and evaluation A coating solution identical to that of Experimental Example 3 was prepared, and a thin film was prepared and evaluated in the same process as in Experimental Example 4 excluding the heat treatment process. In addition, the standing time in the preparation process of the coating solution was 96 hours.

2.実験結果
表12に、実験例6にて作製した薄膜の評価結果を示す。
2. Experimental Results Table 12 shows the evaluation results of the thin film produced in Experimental Example 6.

Figure 0004942057
Figure 0004942057

表12に示すように、実験例3との比較からも明らかなように、200℃の加熱工程を行わない場合、ヒドロキシアセトンを用いて作製したシリカ膜の方が、接触角が小さく、親水性に優れていることがわかった。したがって、特に加熱工程を行わない場合には、ヒドロキシアセトンを用いる方が好ましいと考えられる。   As shown in Table 12, as is clear from the comparison with Experimental Example 3, when the heating step at 200 ° C. is not performed, the silica film produced using hydroxyacetone has a smaller contact angle and is hydrophilic. It was found to be excellent. Therefore, it is considered preferable to use hydroxyacetone when the heating step is not performed.

本発明の製造方法は、例えば、防曇性を必要とする基材への成膜に利用可能である。   The production method of the present invention can be used, for example, for film formation on a substrate that requires anti-fogging properties.

Claims (2)

少なくとも、テトラアルキルオルソシリケート、エタノール、ヒドロキシアセトンおよび水を混和して反応させる反応工程と、
上記反応工程によって得られる溶液を基板に供給して膜を形成する膜形成工程と、
上記膜形成工程によって得られる膜を水に接触させて加水分解を行う後加水分解工程と
含むことを特徴とする親水性シリカ膜の製造方法。
A reaction step in which at least tetraalkyl orthosilicate, ethanol, hydroxyacetone and water are mixed and reacted;
A film forming step of forming a film by supplying a solution obtained by the reaction step to a substrate;
A hydrolysis step in which the membrane obtained by the membrane formation step is brought into contact with water for hydrolysis , and
A method for producing a hydrophilic silica film, comprising:
請求項1に記載の親水性シリカ膜の製造方法によって製造され、膜上の水滴の接触角が20度以下であって、当該膜を厚さ1mmのアクリル樹脂基板に付けたときの可視光透過率が92%以上となる親水性シリカ膜を有することを特徴とする親水性シリカ膜付きのアクリル樹脂基板。Visible light transmission produced by the method for producing a hydrophilic silica film according to claim 1, wherein the contact angle of water droplets on the film is 20 degrees or less, and the film is attached to an acrylic resin substrate having a thickness of 1 mm. hydrophilic silica film with an acrylic resin substrate rate is characterized Rukoto which have a hydrophilic silica film composed of 92% or more.
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