JP6576457B2 - 化学強化の抗微生物ガラス及びその製造方法 - Google Patents

化学強化の抗微生物ガラス及びその製造方法 Download PDF

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Description

関連出願と優先権主張の相互参照
本出願は、2015年2月12日に出願されたPCT/CN2015/072914号の国際出願に基づく利益を主張し、その内容は参考として本明細書に取り入れるものとする。
本発明は、抗微生物の化学強化ガラス及び化学強化の抗微生物ガラスの製造方法に関する。
急速な工業成長の結果につれて、環境破壊及び病気は、ますます懸念されるところとなっている。特に近年、SARS、エボラ及び鳥インフルエンザの脅威により、清潔及び個人衛生の必要に対する認識を高めていた。タッチ技術が激増するにつれて、消費者は、モバイル機器に細菌が存在する可能性をますます認識するようになり、特に、接触可能な表面は家庭や職場などでますます共有されるようになる。従って、抗微生物特性を有する有効且つ低コストなカバーガラスを開発することが急務である。
銀は、優れた抗微生物特性で長年知られているが、銀は比較的高価であり、結果的に工業用ガラス製造に完全に利用することはできない。従来の抗微生物ガラスは、大抵ガラス表面の上に銀の抗微生物層を有する。この層を形成するために、ガラスを形成するための原料に銀を添加すること、銀塩噴霧熱分解を使用すること、銀をイオン交換浴に添加すること、ガラスを銀でコーティングすること、銀を真空スパッタリングすること並びに硝酸銀及びテトラエチルオルトシリケートを含む溶液から銀をドープされるハイブリッド二酸化ケイ素透明フィルムを形成するゾル-ゲルプロセスなどのいくつかの方法が使用される。そのような方法の中で、イオン交換浴に銀を添加することは最も一般的であり、抗微生物特性を有するガラスの大量生産に使用される可能性が最も高い技術である。従来のイオン交換プロセスは、ガラス基板を化学的に強化するために使用され、典型的には、ガラスに存在するイオンよりも大きなイオン半径を有するイオンを含む溶融塩にガラスを入れることにより、ガラス中に存在するより小さいイオンは、溶融塩溶液からのより大きなイオンに置換されることを含む。典型的には、溶融塩中のカリウムイオンは、ガラス中に存在するより小さいナトリウムイオンを置換する。ガラス中に存在するより小さいナトリウムイオンが加熱溶液からのより大きいカリウムイオンに置換されると、ガラスの両面に圧縮応力層が形成され、圧縮応力層の間に挟まれる中央引張域が形成される。中央引張域の引張応力("CT")(典型的にはメガパスカル(MPa)で表される)は、圧縮応力層の圧縮応力("CS")及び圧縮応力層の深さ("DOL")に以下の式によって関係づけられる。
CT = CS × DOL/(t-2DOL)
ここで、tはガラスの厚さである。
抗微生物特性を有するガラスを製造するための従来のイオン交換方法は、従来のイオン交換浴に銀を添加する一段法を含む。しかしながら、前記一段法によって製造されるガラスは、例えば可視光の透過率を低下する銀コロイド化、ガラス表面上の銀濃度が低いことによる低い抗微生物特性、及びガラスの抗微生物特性に影響を及ぼさないガラスの深いイオン交換層に存在するかなりの量の銀などの欠点がある。
イオン交換可能なガラスを形成するために使用されるバッチ材料の成分として単に銀を組み込むガラスにも欠点がある。具体的には、このようなバッチ材料から得られるガラスは、ガラス表面の上に低濃度の銀を有し、従って、貧弱な抗微生物特性を有する。バッチ材料中に高濃度の銀を含有することによってこの問題を克服しようとすると、得られるガラスは目に見える黄色を有し、高温のイオン交換プロセスによって引き起こされる銀コロイド化により抗微生物特性が減少し、ガラスの透過率が低下する。
抗微生物特性を有する有効且つ低コストなカバーガラスを提供することが望ましい。
いくつかの例示の実施形態において、本発明は、抗微生物特性を有する化学強化ガラス及び前記化学強化ガラスの製造方法を提供する。前記化学強化ガラスは、電子ディスプレイ、スマートフォン、タブレット、ノートパッド及び現金自動預け払い機などのタッチディスプレイ、車両のフロントガラス並びに建築構造用の抗微生物カバーガラスとする特定の応用を有する。前記化学強化ガラスは、哺乳瓶及びガラス製品などの抗微生物特性を有することから利益を得る家庭用品にも使用することができる。ここに使われるように、用語「抗微生物」は、抗生の、抗細菌性の、抗真菌性の、抗寄生虫の及び抗ウイルス性の特性の一つ以上を有する材料を指す。
いくつかの例示の実施形態によれば、前記抗微生物特性を有する化学強化ガラスは、交換可能なガラス組成物から製造される。前記交換可能なガラス組成物は、
約50.0〜約78.0 重量百分率(wt%)の二酸化ケイ素(SiO2)と、
約1.0〜約25.0 wt%の酸化アルミニウム(Al2O3)と、
約0.0〜約26.0 wt%の三酸化二ホウ素(B2O3)と、
約4.0〜約30.0 wt%のR2Oであって、Rは、Li+、Na+ 又はK+であるR2Oと、
約0.1〜約18.0 wt%のROであって、Rは、Ca2+、Mg2+、Sr2+又はBa2+であるROと、を含む。
いくつかの例示の実施形態によれば、前記化学強化の抗微生物ガラスは、少なくとも1 wt%の銀イオン及び少なくとも1 wt%の銅イオンの表面濃度を有する。いくつかの例示の実施形態において、銅は、3つの価電子状態(即ち、Cu0、Cu1+及びCu2+)で存在する能力のために有益な抗微生物特性を有することが見出されている。
いくつかの例示の実施形態によれば、前記化学強化の抗微生物ガラスは、24時間以内に99%以上の抗菌効力で少なくとも二つの微生物種を抑制できる。いくつかの例示の実施形態において、前記微生物種は、大腸菌及び黄色ブドウ球菌を含む。
いくつかの例示の実施形態によれば、前記化学強化の抗微生物ガラスは、銀が第一工程で組み込まれ、銅が第二工程で組み込まれて、化学強化の抗微生物ガラスが得られる二段イオン交換プロセスを含む方法によって製造される。前記化学強化の抗微生物ガラスは、銀のみの使用に固有のガラス着色の問題を克服し、前記化学強化の抗微生物ガラスの製造費用を減少するために、銅と共に比較的少量の銀を組み込まれる。
いくつかの例示の実施形態によれば、化学強化の抗微生物ガラスの製造方法は、銀及び銅イオンをガラスに導入して、抗微生物特性をガラスに提供するため、二段イオン交換プロセスを含む。いくつかの例示の実施形態によれば、前記二段イオン交換プロセスは、硝酸カリウム(KNO3)及び硝酸銀(AgNO3)を含む第一イオン交換浴を利用し、次にKNO3並びに塩化銅(CuCl2)及び硫酸銅(CuSO4)などの銅化合物を含む第二のイオン交換浴を使用する。
いくつかの例示の実施形態によれば、イオン交換プロセスの第一工程は、溶融銀塩を含むイオン交換浴中で、5分、10分又は20分〜1時間、2時間又は4時間の期間、380℃〜500℃の温度で行われる。いくつかの例示の実施形態によれば、イオン交換プロセスの第一工程は、0 wt%又は0.005 wt%〜10 wt%、20 wt%又は30 wt%の溶融銀塩を含むイオン交換浴中で行われる。いくつかの例示の実施形態によれば、イオン交換プロセスの第一工程は、溶融硝酸銀を含むイオン交換浴中で行われる。
いくつかの例示の実施形態によれば、イオン交換プロセスの第二工程は、溶融銅塩を含むイオン交換浴中に、5分、10分又は20分〜1時間、2時間又は4時間の期間、380℃〜500℃の温度で行われる。いくつかの例示の実施形態によれば、イオン交換プロセスの第二工程は、0 wt%又は0.005 wt%〜10 wt%、20 wt%又は30 wt%の溶融銅塩を含むイオン交換浴中で行われる。いくつかの例示の実施形態によれば、イオン交換プロセスの第二工程は、一つ以上の溶融硫酸銅、塩化銅又は硝酸銅を含むイオン交換浴中で行われる。
いくつかの例示の実施形態によれば、硝酸銀を含むイオン交換浴を利用するイオン交換プロセスの第一工程は、銅化合物を含むイオン交換浴を利用するイオン交換プロセスの第二工程よりも短時間で行われる。いくつかの例示の実施形態によれば、イオン交換プロセスの第一工程は、一時間未満の期間、380℃〜500℃の範囲の温度で行われる。いくつかの例示の実施形態によれば、イオン交換プロセスの第二工程は、一時間以上の期間、380℃〜500℃の範囲の温度で行われ、従って、より高い濃度の銅イオンがガラスの表面に交換され、ガラス中のアルカリ金属イオンが置換される。
いくつかの例示の実施形態によれば、化学強化の抗微生物ガラスの製造方法は、抗微生物特性を有する化学強化ガラスを形成するため、銀及び銅イオンを同時に導入する一段イオン交換プロセスを含む。いくつかの例示の実施形態によれば、一段イオン交換プロセスは、銀溶融塩、銅溶融塩及びKNO3溶融塩を含むイオン交換浴を利用する。いくつかの例示の実施形態によれば、一段イオン交換プロセスは、1時間又は2時間〜6時間、8時間又は10時間の期間行われる。いくつかの例示の実施形態によれば、一段イオン交換プロセスは、380℃〜500℃の温度で行われる。いくつかの例示の実施形態によれば、一段イオン交換プロセスは、銀イオン対銅イオンの質量比が0.005〜1であるイオン交換浴中で行われる。いくつかの例示の実施形態によれば、一段イオン交換プロセスは、銀イオン対銅イオンの質量比が0.05〜0.8であるイオン交換浴中で行われる。一段イオン交換プロセスは、銀イオン対銅イオンの質量比が0.1〜0.5であるイオン交換浴中で行われる。
いくつかの例示の実施形態によれば、抗微生物ガラスの製造方法は、少なくとも1wt%の銀イオン及び少なくとも1wt%の銅イオンの表面濃度を確保するため、ガラスを形成するための原料にAgイオン及びCuイオンを添加する工程と、溶融Ag塩及びCu塩の噴霧熱分解工程と、Ag塩及びCu塩を含むイオン交換浴中にのイオン交換工程と、Ag及びCuによるコーティング工程と、Ag及びCuによる真空スパッタリング工程と、Ag及びCuがドープされるハイブリッド二酸化ケイ素透明フィルムを形成するためのゾル-ゲル工程と、のうちから少なくとも一つを利用する。
以下の実施例は、上記の組成物及び方法の説明である。
実施例1によれば、七つのガラスサンプルは、ガラス組成物から作られた。前記ガラス組成物は、64 wt%の二酸化ケイ素(SiO2)16 wt%の酸化アルミニウム(Al2O3)と、14 wt%の酸化ナトリウム(Na2O)、4 wt%の酸化マグネシウム(MgO)、0.5 wt%の酸化スズ(SnO)並びに1.5 wt%の鉄、カルシウム、カリウム、ジルコニウム、ホウ素、リチウム及びストロンチウムの酸化物を含む。前記サンプルは、5cm×5cm正方形のガラススライドに切られ、高温炉に置かれた。ガラススライドの温度は、室温から350℃に一時間で上昇した。その後、ガラススライドは、炉から取り出され、以下のようにイオン交換された。
・サンプル1−第一イオン交換浴中に、20分間、420℃の温度で、前記第一イオン交換浴は、2重量%の溶融AgNO3及び98重量%の溶融KNO3を含む。
・サンプル2−第一イオン交換浴中に、20分間、420℃の温度で、前記第一イオン交換浴は、5重量%の溶融AgNO3及び95重量%の溶融KNO3を含む。
・サンプル3−第一イオン交換浴中に、20分間、420℃の温度で、前記第一イオン交換浴は、2重量%の溶融AgNO3及び98重量%の溶融KNO3を含む。その後、第二イオン交換浴中に、一時間、420℃の温度で、前記第二イオン交換浴は、5重量%の溶融CuCl2及び95重量%の溶融KNO3を含む。
・サンプル4−第一イオン交換浴中に、20分間、420℃の温度で、前記第一イオン交換浴は、5重量%の溶融AgNO3及び95重量%の溶融KNO3を含む。その後、第二イオン交換浴中に、一時間、420℃の温度で、前記第二イオン交換浴は、5重量%の溶融CuCl2及び95重量%の溶融KNO3を含む。
・サンプル5−第一イオン交換浴中に、20分間、420℃の温度で、前記第一イオン交換浴は、2重量%の溶融AgNO3及び98重量%の溶融KNO3を含む。その後、第二イオン交換浴中に、一時間、420℃の温度で、前記第二イオン交換浴は、5重量%の溶融CuSO4及び95重量%の溶融KNO3を含む。
・サンプル6−第一イオン交換浴中に、20分間、420℃の温度で、前記第一イオン交換浴は、5重量%の溶融AgNO3及び95重量%の溶融KNO3を含む。その後、第二イオン交換浴中に、一時間、420℃の温度で、前記第二イオン交換浴は、5重量%の溶融CuSO4及び95重量%の溶融KNO3を含む。
・サンプル7−このサンプルは、イオン交換されていないブランクである。
それぞれの場合において、イオン交換プロセスの後、又は、ブランクの場合において、高温炉から取り出された後、ガラススライドは、焼なまし炉に移され、一時間で80℃に冷却された。それから、ガラススライドは、蒸留水で5回洗われた。
それから、ガラススライドの元素分析を行い、銀イオン及び銅イオンの表面濃度を測定するために、ガラススライドは、エネルギー分散X線分光分析により分析された。
結果を以下の表1に示す。

SEM-EDSで試験されるように、Agのイオン交換深さは、約40-50 μmであり、Cuのイオン交換深さは、約30μmである。従って、表1に示す体積濃度データから計算されるAg及びCuの表面濃度は、約0.05-100 μg/cm2である。
また、ガラスサンプルの表面の銀イオン及び銅イオン濃度に加えて、サンプル2は、5 wt%の溶融AgNO3を含む一段イオン交換プロセスの後、黄色に変わった。対照的に、サンプル5は、二段イオン交換プロセスの後、ほとんど透明であった。前記二段イオン交換プロセスにおいて、第一イオン交換浴は、2 wt%の溶融AgNO3を含み、第二イオン交換浴は、5重量%のCuSO4を含んだ。
上記の実施例1に従って製造されたイオン交換ガラスサンプルの抗微生物効能を以下のプロセスによって評価した。
大腸菌及び黄色ブドウ球菌を培養し、培養物を栄養寒天培地に移し、37℃で24時間培養した。次に、細胞培養物を約(5-10)x105コロニー形成単位毎ミリリットル(cfu / mL)の最終細菌濃度まで十倍に希釈した。次に、選択されたガラス表面(A、ペトリ皿プレート)、未処理試料(B、対照)又は処理された試料(C)の上に0.3mLの細菌液滴を置いた。
細胞懸濁液を各サンプル表面の上に置き、殺菌された実験室用のパラフィルム(厚さ:0.05mm)を用いて密着させ、37℃、相対湿度(RH)≧90%で24時間培養した。各サンプルは、三回製造した。24時間の培養の後、2mlの生理食塩水(0.2%Tween 80を添加する)を各ペトリ皿に添加した。振盪後、スライド及びパラフィルムの両方を洗浄し、各ペトリ皿から0.4mlの溶液を集め、寒天プレート上に置いた。更に37℃で24〜48時間の培養の後、寒天プレート上の細菌コロニー形成を調べた。
ガラスサンプルの抗微生物活性を中国JC/T 1054−2007コーティング抗菌ガラス標準に従って、以下の方程式を用いて計算した:
R% = (B-C)/B x100
Rは抗微生物効能であり;Bはペトリ皿又は試料(cfu/pc)当たりのコロニー形成単位に関して未処理試料からの細菌コロニーの数であり;Cは処理された対照試料からの細菌コロニーの数(cfu/pc)であり; 同じ未処理試料(B)からの三つの並列数の細菌コロニーは、
最大ログ(log)-最小ログ/コロニーの平均数≦0.3。
結果を以下の表2に示す。

表2に示す試料の抗微生物効能に関して、上記のように、サンプル1及び2をAgNO3を含んだイオン交換浴を用いた一段法によってイオン交換し、サンプル3及び4をAgNO3を含んだ第一イオン交換浴及びCuCl2を含んだ第二イオン交換浴を用いた二段法によってイオン交換し、サンプル5及び6をAgNO3を含んだ第一イオン交換浴及びCuSO4を含んだ第二イオン交換浴を用いた二段法によってイオン交換した。
表2の結果に示すように、本発明により製造された抗微生物ガラスは、有効な抗微生物ガラスである。表2のサンプル3,4,5及び6は、3.1 wt%〜5.9 wt%の表面銀イオン濃度を有し、サンプル5及び6は、1.4 wt%〜1.8 wt%の表面銅イオン濃度も有する。表2に示す結果は、3.9 wt%〜5.9 wt%の表面銀イオン濃度及び1.4 wt%〜1.8 wt%の表面銅イオン濃度を有するサンプル5及び6が、サンプル1及び2によく似た高い抗微生物効能を有することを証明する。しかし、表面上の銀濃度が高いために黄色に変わるサンプル1及び2とは異なり、サンプル5及び6は透明である。
本発明は、特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、本発明は添付の特許請求の範囲の精神及び範囲内の変更で実施することができることを理解するだろう。
任意の空間参照例、例えば「より上」、「より下」、「上」、「下」、「との間」、「下部」、「垂直」、「水平」、「角度」、「上向き」、「下向き」、「左右に」、「右から左」、「左」、「右」、「左から右」、「上から下」「下から上」、「トップ」、「ボトム」、「ボトムアップ」、「トップダウン」等は、説明のためのものであり、上記構造の特定の方向や位置を限定するものではない。
本発明は、特定の実施形態により説明した。本発明を読んだ後に当業者に明らかとなる改良や変更は、本願の精神及び範囲内にあるとみなされる。前述の開示を逸脱しない範囲で、いくつかの修正、変更及び置換が可能であり、いくつかの場合において、本発明の一部の特徴は、他の特徴に対応する使用しないときに使用されることが理解される。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の範囲と一致する方法で広く解釈されることが適当である。

Claims (24)

  1. 1〜5.9wt%の銀イオン及び少なくとも1wt%の銅イオンの表面濃度を有することを特徴とする化学強化の抗微生物ガラス。
  2. 前記化学強化の抗微生物ガラスが、
    0.0〜78.0wt%のSiOと、
    .0〜25.0wt%のAlと、
    .0〜26.0wt%のBと、
    .0〜30.0wt%のROであって、Rは、Li、Na又はKであるROと、
    .1〜18.0wt%のR′Oであって、R′は、Ca2+、Mg2+、Sr2+又はBa2+であるR′Oと、
    を含む組成物を有することを特徴とする請求項1に記載の化学強化の抗微生物ガラス。
  3. 前記化学強化の抗微生物ガラスが、24時間以内に99%以上の抗菌効力で少なくとも二つの微生物種を抑制できることを特徴とする請求項1または2に記載の化学強化の抗微生物ガラス。
  4. 前記微生物種が、大腸菌及び黄色ブドウ球菌を含むことを特徴とする請求項に記載の化学強化の抗微生物ガラス。
  5. 1〜5.9wt%の銀イオン及び少なくとも1wt%の銅イオンの表面濃度を有することを特徴とする化学強化の抗微生物ガラスの製造方法であって、
    溶融銀塩を含む第一イオン交換浴中にイオン交換可能なガラス物品を380℃〜500℃の温度で5分〜4時間入れる工程と、
    前記第一イオン交換浴から前記イオン交換可能なガラス物品を除去する工程と、
    溶融銅塩を含む第二イオン交換浴中に前記イオン交換可能なガラス物品を380℃〜500℃の温度で5分〜4時間入れる工程と、を含むことを特徴とする抗微生物ガラス物品の製造方法。
  6. 前記第一イオン交換浴が、溶融硝酸銀を含むことを特徴とする請求項5に記載の抗微生物ガラス物品の製造方法。
  7. 前記ガラス物品を、前記第一イオン交換浴中に10分〜2時間入れることを特徴とする請求項5または6に記載の抗微生物ガラス物品の製造方法。
  8. 前記ガラス物品を、前記第一イオン交換浴中に20分〜1時間入れることを特徴とする請求項に記載の抗微生物ガラス物品の製造方法。
  9. 前記第一イオン交換浴における溶融銀塩の重量百分率が、0〜30%であることを特徴とする請求項5〜8のいずれか1項に記載の抗微生物ガラス物品の製造方法。
  10. 前記第一イオン交換浴における溶融銀塩の重量百分率が、0〜20%であることを特徴とする請求項に記載の抗微生物ガラス物品の製造方法。
  11. 前記第一イオン交換浴における溶融銀塩の重量百分率が、0.005〜10%であることを特徴とする請求項10に記載の抗微生物ガラス物品の製造方法。
  12. 前記第二イオン交換浴が、硫酸銅、塩化銅及び硝酸銅からなる群から選択される銅塩を含むことを特徴とする請求項5〜11のいずれか1項に記載の抗微生物ガラス物品の製造方法。
  13. 前記ガラス物品を、前記第二イオン交換浴中に10分〜2時間入れることを特徴とする請求項5〜12のいずれか1項に記載の抗微生物ガラス物品の製造方法。
  14. 前記ガラス物品を、前記第二イオン交換浴中に20分〜1時間入れることを特徴とする請求項13に記載の抗微生物ガラス物品の製造方法。
  15. 前記第二イオン交換浴における溶融銅塩の重量百分率が、0〜30%であることを特徴とする請求項5〜14のいずれか1項に記載の抗微生物ガラス物品の製造方法。
  16. 前記第二イオン交換浴における溶融銅塩の重量百分率が、0〜20%であることを特徴とする請求項15に記載の抗微生物ガラス物品の製造方法。
  17. 前記第二イオン交換浴における溶融銅塩の重量百分率が、0.005〜10%であることを特徴とする請求項16に記載の抗微生物ガラス物品の製造方法。
  18. 1〜5.9wt%の銀イオン及び少なくとも1wt%の銅イオンの表面濃度を有することを特徴とする化学強化の抗微生物ガラスの製造方法であって、
    Agイオン、Cuイオン及びKNOを含む溶融塩イオン交換浴中で、イオン交換可能なガラス物品を380℃〜500℃の温度で1時間〜10時間イオン交換する工程を含むことを特徴とする抗微生物ガラス物品の製造方法。
  19. 前記イオン交換浴が、0.005〜1のAgイオン対Cuイオンの質量比を含むことを特徴とする請求項18に記載の抗微生物ガラス物品の製造方法。
  20. 前記イオン交換浴が、0.05〜0.8のAgイオン対Cuイオンの質量比を含むことを特徴とする請求項19に記載の抗微生物ガラス物品の製造方法。
  21. 前記イオン交換浴が、0.1〜0.5のAgイオン対Cuイオンの質量比を含むことを特徴とする請求項20に記載の抗微生物ガラス物品の製造方法。
  22. イオン交換時間が、1時間〜8時間であることを特徴とする請求項18〜21のいずれか1項に記載の抗微生物ガラス物品の製造方法。
  23. イオン交換時間が、2時間〜6時間であることを特徴とする請求項22に記載の抗微生物ガラス物品の製造方法。
  24. 1〜5.9wt%の銀イオン及び少なくとも1wt%の銅イオンの表面濃度を確保するための抗微生物ガラス物品の製造方法であって、
    ガラスを形成するための原料にAgイオン及びCuイオンを添加する工程と、
    溶融Ag塩及びCu塩の噴霧熱分解工程と、
    Ag塩及びCu塩を含むイオン交換浴中でのイオン交換工程と、
    Ag及びCuによるコーティング工程と、
    Ag及びCuによる真空スパッタリング工程と、
    Ag及びCuがドープされるハイブリッド二酸化ケイ素透明フィルムを形成するためのゾル−ゲル工程と、のうちから少なくとも一つを利用することを含むことを特徴とする前記抗微生物ガラス物品の製造方法。
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