JP6004530B2 - チタン叉はチタン合金表面への二酸化チタン光触媒製法 - Google Patents
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Description
この発明は、チタン叉はチタン合金の基板の表面を光触媒として活性なアナターゼ型二酸化チタンに結晶化させるチタン叉はチタン合金表面への二酸化チタン光触媒製法に関するものである。
アナターゼ型結晶の二酸化チタンは光触媒であり、紫外線照射により活性となり有機物を分解することが知られている。また、生体材料表面にこの光触媒をコーティングすると抗菌性を示すこと、骨芽細胞の密着がよいことが知られている。チタンおよびチタン合金は生体材料として使用されており、表面に抗菌性付与あるいは骨形成促進を促すには二酸化チタン光触媒をコーティングする方法しかなかった。
しかしながら、コーティングによる方法には剥離の問題があり、チタンおよびチタン合金表面を直接光触媒にする方法の開発が望まれていた。この場合、純チタン叉はチタン合金の基板を単に酸化させたときには、光触媒としては不活性なルチル型に結晶化する。
このように、チタンの安定な酸化物結晶は光触媒としては不活性なルチル型であるため、チタンの加熱によるアナターゼ結晶化は不可能であった。
このように、チタンの安定な酸化物結晶は光触媒としては不活性なルチル型であるため、チタンの加熱によるアナターゼ結晶化は不可能であった。
この発明は、上記のような課題に鑑み、その課題を解決すべく創案されたものであって、その目的とするところは、チタン叉はチタン合金の基板の表面を光触媒として活性なアナターゼ型二酸化チタンに結晶化させることのできるチタン叉はチタン合金表面への二酸化チタン光触媒製法を提供することにある。
以上の目的を達成するために、請求項１の発明は、真空容器内に純チタン叉はチタン合金の基板を絶縁固定し、真空容器内に炭素イオンの原料ガスとしてメタンガスを導入すると同時に減圧状態に維持してプラズマを生成し、基板に負電位のパルス電圧を繰り返し印加することによってプラズマ中の正イオンを基板に吸引加速し、上記基板表面に炭素イオンを注入してその表面改質を行って表面を非晶質化した後、これを４００〜６５０℃の範囲内で加熱して酸化し、非晶質化した純チタン叉はチタン合金の基板表面をアナターゼ型二酸化チタンに結晶化させた手段よりなるものである。
また、請求項３の発明は、真空容器内に純チタン叉はチタン合金の基板を絶縁固定し、真空容器内に炭素イオンの原料ガスとしてメタンガスを導入すると同時に減圧状態に維持し、高周波放電によりプラズマを生成し、基板に負電位のパルス電圧を繰り返し印加することによってプラズマ中の正イオンを基板に吸引加速し、上記基板表面に炭素イオンを注入してその表面改質を行って表面を非晶質化した後、これを４００〜６５０℃の範囲内で加熱して酸化し、非晶質化した純チタン叉はチタン合金の基板表面をアナターゼ型二酸化チタンに結晶化させた手段よりなるものである。
また、請求項３の発明は、真空容器内に純チタン叉はチタン合金の基板を絶縁固定し、真空容器内に炭素イオンの原料ガスとしてメタンガスを導入すると同時に減圧状態に維持し、高周波放電によりプラズマを生成し、基板に負電位のパルス電圧を繰り返し印加することによってプラズマ中の正イオンを基板に吸引加速し、上記基板表面に炭素イオンを注入してその表面改質を行って表面を非晶質化した後、これを４００〜６５０℃の範囲内で加熱して酸化し、非晶質化した純チタン叉はチタン合金の基板表面をアナターゼ型二酸化チタンに結晶化させた手段よりなるものである。
課題を解決するための手段よりなるこの発明に係るチタン叉はチタン合金表面への二酸化チタン光触媒製法によれば、純チタン叉はチタン合金の基板表面に炭素イオンを注入し、その表面改質を行って表面を非晶質化した後、加熱し酸化することで、基板表面を改質し非晶質化した炭素イオンは、酸素と結合して二酸化炭素になって基板表面から放出されて、非晶質化した純チタン叉はチタン合金の基板表面を光触媒としては活性であるアナターゼ型二酸化チタンに結晶化させることができる。
しかも、チタン叉はチタン合金の基板表面は、炭素イオンによって改質されているため、表面をコーティングする場合に比べて、アナターゼ型二酸化チタンの結晶は剥離の恐れもない等、極めて新規的有益なる効果を奏するものである。
しかも、チタン叉はチタン合金の基板表面は、炭素イオンによって改質されているため、表面をコーティングする場合に比べて、アナターゼ型二酸化チタンの結晶は剥離の恐れもない等、極めて新規的有益なる効果を奏するものである。
以下、図面に記載の発明を実施するための形態に基づいて、この発明をより具体的に説明する。
図において、純チタン叉はチタン合金（例えば、Ti6Al7Nbを使用）の基板１の表面を炭素イオンで改質して非晶質化するために使用される真空容器２には、排気手段の真空ポンプ３及び炭素イオンの原料ガスとしてメタンガスを導入するための原料ガス導入系４がそれぞれ接続されている。
真空容器２内には、純チタン叉はチタン合金の基板１を絶縁固定する基板取付台５が配置されている。基板取付台５は基板１を載せて固定する載置面５ａ部分は導電性の材質で形成され、これを真空容器２内に支持する支柱５ｂは絶縁部材で形成されている。
この基板取付台５の導電性の表面には電流導入端子６を介して配線ケーブル７が接続され、図示しないパルス電源が電気的に接続されており、負電位のパルスバイアスが周期的に印加される。
真空容器２内の一端側にはアンテナ８が配置されている。このアンテナ８には電流導入端子９を介して配線ケーブル１０が接続され、プラズマを発生させるための高周波電力を、電流導入端子９を通じてアンテナ８に給電している。
以上のような構成からなる装置を使用して、純チタン叉はチタン合金の基板１の表面に炭素イオンを注入し、表面改質して基板１の表面の非晶質化を行う。先ず、真空容器２内に配置された基板取付台５に純チタン叉はチタン合金の基板１を絶縁固定し、真空容器２内に原料ガス導入系４を通じてメタンガスを基板１の表面の改質用ガスとして導入すると同時に、真空ポンプ３を作動させて真空容器２内を減圧状態に維持する。
そして、高周波電源から例えば13.56ＭＨｚの高周波をアンテナ８に伝送することによって、真空容器２内に高周波放電によるプラズマを生成させる。純チタン叉はチタン合金の基板１に負電位のパルス電圧を繰り返し印加することによって、プラズマ中の正イオンを純チタン叉はチタン合金の基板１に吸引加速し、注入と同時に純チタン叉はチタン合金の基板１の表面を炭素イオンで改質する。改質した純チタン叉はチタン合金の基板１の表面は非晶質化する。
このとき、プラズマ中の正イオンは基板取付台５の表面の純チタン叉はチタン合金の基板１の載置面５ａに印加した負電位パルスにより引き込まれ、純チタン叉はチタン合金の基板１に照射する工程が繰り返し行われて、炭素イオンによる表面改質が促進されて非晶質化する。
以上のようにして、純チタン叉はチタン合金の基板１の表面が炭素イオンで表面改質されて非晶質化が行われた後に、炭素イオンで表面が改質されて非晶質化した純チタン叉はチタン合金の基板１を、４００〜６５０℃の範囲内で１時間程、基板１の非晶質化した表面を加熱し酸化させてアナターゼ型二酸化チタンに結晶化させる。純チタン叉はチタン合金の基板１の表面をアナターゼ型二酸化チタンに結晶化させることによって、結晶化したアナターゼ型二酸化チタンには光触媒活性が付与される。
前記で説明した装置を用いて、以下の条件下で純チタンの基板の表面に炭素イオンを注入して表面改質し、改質した表面を非晶質化し、その後に加熱酸化する実験を行った。
〔基板表面の非晶質化の実験条件〕
基板：純チタン
真空容器サイズ：内径５００ｍｍ、長さ６５０ｍｍ
導入ガス：メタンガス
表面改質時の真空度：約５×１０-3 Torr
プラズマ発生用高周波出力：５０Ｗ
パルス電圧：２０ｋＶ
パルス周波数：１００Ｈｚ
パルス時間：５０μｓ
基板：純チタン
真空容器サイズ：内径５００ｍｍ、長さ６５０ｍｍ
導入ガス：メタンガス
表面改質時の真空度：約５×１０-3 Torr
プラズマ発生用高周波出力：５０Ｗ
パルス電圧：２０ｋＶ
パルス周波数：１００Ｈｚ
パルス時間：５０μｓ
〔基板表面の結晶化の実験条件〕
酸化環境：電気炉で空気叉は酸素を供給しながらの加熱
加熱温度：５００℃の温度
加熱時間：１時間
酸化環境：電気炉で空気叉は酸素を供給しながらの加熱
加熱温度：５００℃の温度
加熱時間：１時間
〔アナターゼ型二酸化チタンの結晶化〕
図２に純チタンの基板表面の結晶化のＸ線回折測定のグラフを図示する。比較のため、炭素イオンを注入せずに５００℃の温度で加熱酸化した純チタンと、炭素イオンを注入せず且つ加熱酸化していない純チタンを含め、３つパターンを含む基板表面のＸ線回折測定を示す。
ここで、図中で、○はアナターゼ型結晶に基づく回折ピークを示す。△はルチル型結晶に基づく回折ピークを示す。●は基板に基づく回折ピークを示す。
純チタンの基板表面のＸ線回折測定の結果からも明らかなように、本願の発明の方法を用いることにより、光触媒として活性なアナターゼ型二酸化チタンの結晶化が確認された。
図２に純チタンの基板表面の結晶化のＸ線回折測定のグラフを図示する。比較のため、炭素イオンを注入せずに５００℃の温度で加熱酸化した純チタンと、炭素イオンを注入せず且つ加熱酸化していない純チタンを含め、３つパターンを含む基板表面のＸ線回折測定を示す。
ここで、図中で、○はアナターゼ型結晶に基づく回折ピークを示す。△はルチル型結晶に基づく回折ピークを示す。●は基板に基づく回折ピークを示す。
純チタンの基板表面のＸ線回折測定の結果からも明らかなように、本願の発明の方法を用いることにより、光触媒として活性なアナターゼ型二酸化チタンの結晶化が確認された。
前記で説明した装置を用いて、以下の条件下でチタン合金（Ti6Al7Nbを使用）の基板の表面に炭素イオンを注入して表面改質し、改質した表面を非晶質化し、その後に加熱酸化する実験を行った。
〔基板表面の非晶質化の実験条件〕
基板：チタン合金（Ti6Al7Nbを使用）
真空容器サイズ：内径５００ｍｍ、長さ６５０ｍｍ
導入ガス：メタンガス
表面改質時の真空度：約５×１０-3 Torr
プラズマ発生用高周波出力：５０Ｗ
パルス電圧：２０ｋＶ
パルス周波数：１００Ｈｚ
パルス時間：５０μｓ
基板：チタン合金（Ti6Al7Nbを使用）
真空容器サイズ：内径５００ｍｍ、長さ６５０ｍｍ
導入ガス：メタンガス
表面改質時の真空度：約５×１０-3 Torr
プラズマ発生用高周波出力：５０Ｗ
パルス電圧：２０ｋＶ
パルス周波数：１００Ｈｚ
パルス時間：５０μｓ
〔基板表面の結晶化の実験条件〕
酸化環境：電気炉で空気叉は酸素を供給しながらの加熱
加熱温度：５００℃の温度
加熱時間：１時間
酸化環境：電気炉で空気叉は酸素を供給しながらの加熱
加熱温度：５００℃の温度
加熱時間：１時間
〔アナターゼ型二酸化チタンの結晶化〕
図３にチタン合金の基板表面の結晶化のＸ線回折測定のグラフを図示する。比較のため、炭素イオンを注入せずに５００℃の温度で加熱酸化したチタン合金と、炭素イオンを注入せず且つ加熱酸化していないチタン合金を含め、３つパターンを含む基板表面のＸ線回折測定を示す。
ここで、図中で、○はアナターゼ型結晶に基づく回折ピークを示す。●は基板に基づく回折ピークを示す。
チタン合金の基板表面のＸ回析測定の結果からも明らかなように、本願の発明の方法を用いることにより、光触媒として活性なアナターゼ型二酸化チタンの結晶化が確認された。
図３にチタン合金の基板表面の結晶化のＸ線回折測定のグラフを図示する。比較のため、炭素イオンを注入せずに５００℃の温度で加熱酸化したチタン合金と、炭素イオンを注入せず且つ加熱酸化していないチタン合金を含め、３つパターンを含む基板表面のＸ線回折測定を示す。
ここで、図中で、○はアナターゼ型結晶に基づく回折ピークを示す。●は基板に基づく回折ピークを示す。
チタン合金の基板表面のＸ回析測定の結果からも明らかなように、本願の発明の方法を用いることにより、光触媒として活性なアナターゼ型二酸化チタンの結晶化が確認された。
なお、この発明は上記発明を実施するための形態に限定されるものではなく、この発明の精神を逸脱しない範囲で種々の改変をなし得ることは勿論である。前記の発明を実施するための形態では、プラズマの発生方法としては、高周波による場合で説明したが、これ以外の例えば、マイクロ波、直流、パルス、熱フィラメント法などの方法があり、何れの方法でも本内容は可能で、高周波に限定されるものではない。同様に、炭素イオン注入法として、イオン源を用いた炭素イオン注入方法もあり、前記の発明を実施するための形態でのイオン注入法に限定されるものではない。
１ 基板
２ 真空容器
３ 真空ポンプ
４ 原料ガス導入系
５ 基板取付台
５ａ 載置面
５ｂ 支柱
６ 電流導入端子
７ 配線ケーブル
８ アンテナ
９ 電流導入端子
１０ 配線ケーブル
２ 真空容器
３ 真空ポンプ
４ 原料ガス導入系
５ 基板取付台
５ａ 載置面
５ｂ 支柱
６ 電流導入端子
７ 配線ケーブル
８ アンテナ
９ 電流導入端子
１０ 配線ケーブル
Claims (4)
- 真空容器内に純チタン叉はチタン合金の基板を絶縁固定し、真空容器内に炭素イオンの原料ガスとしてメタンガスを導入すると同時に減圧状態に維持してプラズマを生成し、基板に負電位のパルス電圧を繰り返し印加することによってプラズマ中の正イオンを基板に吸引加速し、上記基板表面に炭素イオンを注入してその表面改質を行って表面を非晶質化した後、これを４００〜６５０℃の範囲内で加熱して酸化し、非晶質化した純チタン叉はチタン合金の基板表面をアナターゼ型二酸化チタンに結晶化させたことを特徴とするチタン叉はチタン合金表面への二酸化チタン光触媒製法。
- プラズマは、マイクロ波、直流、パルス、熱フィラメント叉は高周波により、生成される請求項１記載のチタン叉はチタン合金表面への二酸化チタン光触媒製法。
- 真空容器内に純チタン叉はチタン合金の基板を絶縁固定し、真空容器内に炭素イオンの原料ガスとしてメタンガスを導入すると同時に減圧状態に維持し、高周波放電によりプラズマを生成し、基板に負電位のパルス電圧を繰り返し印加することによってプラズマ中の正イオンを基板に吸引加速し、上記基板表面に炭素イオンを注入してその表面改質を行って表面を非晶質化した後、これを４００〜６５０℃の範囲内で加熱して酸化し、非晶質化した純チタン叉はチタン合金の基板表面をアナターゼ型二酸化チタンに結晶化させたことを特徴とするチタン叉はチタン合金表面への二酸化チタン光触媒製法。
- プラズマ中の正イオンを基板取付台の表面の基板載置面に印加した負電位パルスにより引き込み、基板に照射する工程を繰り返し行う請求項３記載のチタン叉はチタン合金表面への二酸化チタン光触媒製法。
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