JP5255552B2 - 親水性塗料組成物、親水性塗料組成物の調製方法、親水性塗膜層および建築材 - Google Patents
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Description
[工程1]:原料準備
工程2以降で使用する原料として、チタン源、バナジウム源等を用意する。
[工程2]:沈殿
工程2では、工程1で調製した各溶液を混合し、沈殿物(ゲル)を形成する。
[工程3]:不要イオン除去(洗浄)
次に、工程3では、図1Bに示すように、工程2の沈殿物(ゲル)に蒸留水を加えて水洗し、上澄みを除去する。この水洗は、上澄み液の導電率が塩化物イオン、アンモニウムイオンが所定濃度以下となる10μs/cmまで繰り返す。これは、アンモニウムイオンがある濃度以上に残留した状態(非特許文献1では0.014mol/l以上としている)では後の工程5を行うときに結晶化が進みにくい等の理由による。水洗した後に沈殿物(ゲル)の重量に、最終の溶液濃度(実施例では0.5%)にするために必要な量の水を加える(不図示)。
[工程4]:ゲルの溶解(アモルファス溶液の調製)
次に、工程4では工程3で洗浄した沈殿物(ゲル)に過酸化水素等の酸化剤を添加して溶解し、アモルファス溶液を得る。
[工程5]:結晶化
次に、工程4で調製したアナターゼ粒子用のアモルファス溶液をさらに例えば100℃付近の温度に維持して1時間(h)〜70時間(h)還流することでアモルファス粒子を結晶化させてバナジウムを含有させたアナターゼ粒子(上の例では粒子中のチタン量に対してバナジウムが1〜10モル%で含有されていると推定されるアナターゼ粒子)を含むアナターゼ溶液を得る。
[工程6]:コーティング剤の調製
次に、図1Cに示すように、アナターゼ溶液、アモルファス溶液、水、(任意に添加剤)からコーティング剤を調製する。
[工程7]:コーティング
本発明に係る親水性塗膜層は、前記コーティング剤を用いて形成された塗膜であり、その厚さ20μm未満が好ましい。20μm以上の厚塗りすると透明性を欠き、またクラックが入ったときに目立つため好ましくない。
(塗膜の乾燥)
塗布後の親水性塗膜層の乾燥については、有機系基材の場合には基材を変質させない温度範囲等、塗膜や有機系基材に悪影響を及ぼさない乾燥方法であれば、どの乾燥方法で乾燥させてもよい。
[参考例1]
参考例1では、チタン(Ti)を約0.1mol、バナジウムを約0.001mol(チタンモル量の約1モル%)を用いてアモルファス粒子を形成した。形成したアモルファス溶液のみをコーティング剤として用いた。その後、該コーティング剤により親水性塗膜層を形成し、この有機物分解能と親水能を評価した。
[工程1]:原料準備
以下のものを用意した。
A液:塩化チタン水溶液(チタン源)
(和光純薬社製、TiCl 4水溶液、チタン(Ti)を16.5±0.5重量%含有)
B液:アンモニア水(アンモニア源)
(和光純薬社製、NH4OH水溶液、アンモニア(NH3)を25〜27.9±0.5重量%含有)
C:バナジウム粉末(バナジウム源)
(酸化バナジウム95重量以上%含有)
D液:過酸化水素水(過酸化水素源)
(和光純薬社製、過酸化水素水溶液、30.0〜35.5重量%)
E液:バナジウム溶液(酸化バナジウム約0.9重量%)
なお、E液については、Cのバナジウム粉末(和光純薬社製、V2O5として95重量%以上含有)3.6g(バナジウムとして約0.02mol)とB液のアンモニア水(和光純薬 NH4OH水溶液、NH3として25〜27.9重量%含有)18.0g(アンモニウムイオンとして約0.02mol)と蒸留水378.4gとを混合して酸化バナジウムを約0.9重量%含有するものとして調製した。
[工程2]:沈殿物(ゲル)の形成
3L容のビーカーで塩化チタン溶液(A液)30g(チタンとして約0.1mol)と蒸留水60gを混合させた。これとは別に、アンモニア水(B液)を2.5重量%となるように蒸留水(約140g)で希釈した。希釈したアンモニア水(約0.074mol)をバナジウム溶液(E液)約10.54g(約0.001mol)と混合した。この溶液全量を3L容のビーカーの溶液と混合した。
[工程3]:不要イオン除去(洗浄)
工程2の終了時の沈殿物を含む溶液(各400g程度)にそれぞれ蒸留水を加えて3Lとし、このときの上澄みの導電率をpHメーター(HANNAHI98129COMBO1または堀場製作所B−173)で測定し、上澄みを除去した。これらの動作を各溶液の上澄み液の導電率が10μS/cm以下となるまで繰り返した。
[工程4]:アモルファス溶液の調製
工程3の各溶液の上澄みを捨てて沈殿物(ゲル)の重量を測定し、過酸化水素水(D液)約118g(約1mol)を用意した。さらに、チタン重量濃度が0.5%になるよう、沈殿物(ゲル)の重量と過酸化水素の重量を考慮して沈殿物(ゲル)に蒸留水を加えた。
[工程5]:結晶化
アモルファス粒子が40℃温水浸漬にて結晶化することを調べるため、工程5については省略し、結晶化を行わなかった。
[工程6]:コーティング剤の調製
この参考例1では、上述したようにアモルファス粒子が40℃温水浸漬にて結晶化することを調べることから、アモルファス溶液のみをコーティング剤として用い、その他の添加剤等を含めなかった。
[工程7]:コーティング
市販のスライドグラス(松浪硝子工業(株)S−1111(縦76mm×横26mm×厚さ0.8〜1.0mm))に上記コーティング剤2mlを塗り拡げた後に、スピンコーティング法(500r.p.m 5秒、1,500r.p.m 10秒)によりコーティングした。このスライドグラスを常温で乾燥させた。コーティングと乾燥を合計2回繰り返して、親水性塗膜層を形成した。
(有機物分解能評価)
このスライドグラスの親水性塗膜層に3時間紫外線(1.0mW/cm2)を照射して試験片を作成し「光触媒製品技術会則・諸規定および試験法(2005年6月)」に記載の光触媒性能評価試験法I(液相フィルム密着法、2001年度版)により、親水性塗膜層の有機物分解能を評価した(図4、図5の参考例1参照)。
(親水能評価)
上記コーティングをしたスライドグラス5枚を用意し、これらを湿度65%、温度23℃の恒温恒湿室内(暗所)に8時間以上放置した。その後、この恒温恒湿室から放置したスライドグラスを取り出した。各スライドグラスの親水性塗膜層に1μlの蒸留水をマイクロピペッター等で滴下して、親水性塗膜層と水との接触角度を測定した。各測定値の平均を取って親水性塗膜層の親水能を評価した。
[参考例2、実施例3]
参考例1の工程4でアモルファス溶液を調製する際に、溶液の温度が略40℃となった時点からそれぞれ27日間(参考例2)、60日間(実施例3)、この溶液を40℃で温度維持したこと以外は、参考例1と同様に、コーティング、有機物分解能および親水能の評価を行った(図4〜7参照)。
[参考例4]
参考例1の工程2で混合されるバナジウム溶液(E液)の量を調節して約31.6g(バナジウムを約0.003mol含む)とした以外は、参考例1と同様としてコーティング、有機物分解能および親水能の評価を行った(図4〜7参照)。
[参考例5、実施例6]
参考例4の工程4でアモルファス溶液を調製する際に、溶液の温度が略40℃となった時点からそれぞれ27日間(参考例5)、60日間(実施例6)、この溶液を40℃で温度維持したこと以外は、参考例4と同様にコーティング、有機物分解能および親水能の評価を行った(図4〜7参照)。
[参考例7]
参考例1の工程2で混合されるバナジウム溶液(E液)の量を調節して約52.7g(バナジウムを約0.005mol含む)とした以外は、参考例1と同様に、コーティング、有機物分解能および親水能の評価を行った(図4〜7参照)。
[参考例8、実施例9]
参考例7の工程4でアモルファス溶液を調製する際に、溶液の温度が略40℃となった時点からそれぞれ27日間(参考例8)、60日間(実施例9)、この溶液を40℃で温度維持したこと以外は、参考例7と同様にコーティング、有機物分解能および親水能の評価を行った。
[参考例10]
参考例1の工程2で混合されるバナジウム溶液(E液)の量を調節して約73.8g(バナジウムを約0.007mol含む)とした以外は、参考例1と同様としてコーティング、有機物分解能および親水能の評価を行った。
[参考例11、実施例12]
参考例10の工程4でアモルファス溶液を調製する際に、溶液の温度が略40℃となった時点からそれぞれ27日間(参考例11)、60日間(実施例12)、この溶液を40℃で温度維持したこと以外は、参考例10と同様にコーティング、有機物分解能および親水能の評価を行った。
[参考例13]
参考例1の工程2で混合されるバナジウム溶液(E液)の量を調節して約105.5g(バナジウムを約0.01mol含む)とした以外は、参考例1と同様としてコーティング、有機物分解能および親水能の評価を行った。
[参考例14、実施例15]
参考例13の工程4でアモルファス溶液を調製する際に、溶液の温度が略40℃となった時点からそれぞれ27日間(参考例14)、60日間(実施例15)、この溶液を40℃で温度維持したこと以外は、参考例13と同様にコーティング、有機物分解能および親水能の評価を行った。
[比較例1]
参考例1の工程2でバナジウム溶液(E液)を加えないこと以外は、参考例1と同様としてコーティング、有機物分解能および親水能の評価を行った。
[比較例2、3]
比較例1の工程4でアモルファス溶液を調製する際に、溶液の温度が略40℃となった時点からそれぞれ27日間(比較例2)、60日間(比較例3)、この溶液を40℃で温度維持したこと以外は、比較例1と同様にコーティング、有機物分解能および親水能の評価を行った(図4〜7参照)。
(親水性塗膜層の親水能と有機物分解能)
図4、図5を参照して、バナジウムを含有させず(0mol%)、40℃温水浸漬時間が27日、60日のものでは、溶液中のアモルファス粒子が部分結晶化を起こし、有機物分解能を有するようになった(比較例2、3)。これに対して40℃温水浸漬時間が0日の場合では、アモルファス粒子がほとんど結晶化していないため、有機物分解能は低かった(比較例1)。
[参考例16]
参考例16では、アナターゼ溶液:アモルファス溶液の固形分比を約0:100とし、アモルファス粒子形成に用いたバナジウムのモル量を同チタンのモル量に対して1モル%となるモル量(この例では約0.001mol)として、コーティング剤を作成した。
実施例17では、アナターゼ溶液:アモルファス溶液の固形分比を約25:75とし、アナターゼ粒子のバナジウムのモル量をチタンのモル量に対して5モル%となるモル量(この実施例では0.005mol)とした。このモル量は参考例7とほぼ同じであるため、上記同様に工程1〜3を省略し、参考例7の工程3の終了時点の沈殿物(ゲル)を用いて工程4から各工程を行った。
アモルファス粒子用のアモルファス溶液の調製については、参考例1と同様にアモルファス粒子のバナジウムのモル量をチタンのモル量に対して1モル%となるモル量(0.001mol)とした。アナターゼ粒子形成用のアモルファス溶液の調製については、参考例7の工程3の溶液の上澄みを捨てて沈殿物(ゲル)の重量を測定し、過酸化水素水(D液)約118g(約1mol)を用意した。さらに、チタン重量濃度が0.5%になるよう、沈殿物(ゲル)の重量と過酸化水素の重量を考慮して沈殿物(ゲル)に蒸留水を加えた。
[工程5]:結晶化
マントルヒータに1L容のフラスコをセットし、このフラスコに工程4からのアモルファス溶液を入れ、常に溶液が沸騰する熱量をかけてアモルファス溶液を1時間以上還流した。これにより、アモルファス溶液中のアモルファス粒子を結晶化させてアナターゼ粒子を形成した。なお、この還流はジムロート冷却器で行った。
[工程6]:コーティング剤の調製
工程5のアナターゼ溶液と工程4のアモルファス溶液の固形分比が約25:75となるように混合した。
実施例17の工程6でアナターゼ溶液とアモルファス溶液を固形分比で約50:50(実施例18)、約75:25(実施例19)、約100:0(参考例20)となるように混合し、それ以外は、参考例1と同様にしてコーティング、有機物分解能および親水能の評価を行った。
[比較例4]
比較例4では、アナターゼ溶液:アモルファス溶液の固形分比を約0:100とし、アモルファス粒子形成にバナジウムを用いず、コーティング剤の調製を行った。
[比較例5〜8]
比較例5〜8では、バナジウムを含んでいない比較例1の工程3の終了時点の沈殿物(ゲル)を用いて、実施例17の工程4,5を行ってバナジウムを含んでいないアナターゼ粒子を形成した。
(アナターゼ溶液とアモルファス溶液の混合と固形分比変更による有機物分解能への影響)
図8、図9を参照し、バナジウムを5モル%で含有させた場合(実施例、参考例16〜20)では、バナジウムを含有させない場合(比較例4〜8)に比べて親水性塗膜層の有機物分解能が低下した。
[実施例21〜24]
実施例21〜24では、含有させるバナジウムのモル量をそれぞれ、1モル%(実施例21),3モル%(実施例22),7モル%(実施例23),10モル%(実施例24)とし、それ以外は、アナターゼ溶液とアモルファス溶液を固形分比50/50で混合する等、実施例18と同様にしてコーティング剤を調製した。
Claims (6)
- 光照射により親水能を発揮する結晶性の酸化チタン粒子である機能性粒子と、非晶性の酸化チタン粒子を有するバインダーとを混合する親水性塗料組成物において、
前記機能性粒子は、有機物分解能を抑制するバナジウムが1%〜10%のモル量で含有され、
前記バインダー中の非晶性の酸化チタン粒子には、バナジウムが1%〜10%のモル量で含有されており、
紫外線1.0mW/cm2を3時間照射して作成された試験片について評価した結果、前記有機物分解能の指標となるメチレンブルーの分解率が40%以下で、且つ、前記親水能の指標となる水との接触角度が26.1°以下となることを特徴とする親水性塗料組成物。 - 前記機能性粒子及び前記バインダー中の少なくとも一方のバナジウムはドープにより含有されていることを特徴とする請求項1に記載の親水性塗料組成物。
- チタンとバナジウムのそれぞれの水酸化物を含む水溶液に酸化剤を添加し、この添加によって起こる反応により前記非晶性の酸化チタンが調製されることを特徴とする請求項1又は2に記載の親水性塗料組成物。
- 請求項1又は2に記載の親水性塗料組成物の調製方法であって、
チタンとバナジウムのそれぞれの水酸化物を含む水溶液に酸化剤を添加し、この添加により起こる反応によってチタンとバナジウムを同一分子内に含む前記非晶性の酸化チタン粒子を形成する工程と、
チタンとバナジウムのそれぞれの水酸化物を含む水溶液に酸化剤を添加し、この添加により起こる反応によって形成されるチタンとバナジウムを同一分子内に含む非晶性の酸化チタンの溶液を加熱することで前記結晶性の酸化チタン粒子を形成する工程と、
前記非晶性の酸化チタン粒子と前記結晶性の酸化チタン粒子とを混合する工程とを備えていることを特徴とする親水性塗料組成物の調製方法。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の親水性塗料組成物を用いて形成したことを特徴とする親水性塗膜層。
- 請求項5に記載の親水性塗膜層を有することを特徴とする建築材。
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