JP7070428B2 - 塗料および塗料の固化物 - Google Patents

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Description

本発明は塗料および塗料の固化物に関する。
赤外線センサを用いて特定の対象を検出しようとする場合、背景となる部分の赤外線放射が大きいと、対象の検出が困難になることがあった。
特許文献1は、赤外線センサを用いて車両屋内の乗員を検知する技術に関する。特許文献1の技術では、視野内において背景領域が窓ガラスになる位置に赤外線カメラを設置することで、背景領域を放射率が一定の窓ガラスとし、乗員と背景との分離を容易としている。
特開2004-117249号公報
しかし特許文献1の技術は、背景の赤外線放射を低減できるものではなかった。たとえば、特許文献1において、窓ガラスは0.94という高い放射率を有していた。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、塗布により赤外線の放射が低い面を形成できる塗料を提供することにある。
本発明の塗料は、
セラミック粒子と、
バインダーとを含み、
前記セラミック粒子は、AAl、AGa、RAl12、およびRGa12のいずれかの組成式で表される化合物を含み、
AはCa、Sr、およびBaからなる群から選択される一以上の元素であり、
Rは希土類元素からなる群から選択される一以上の元素であり、
aは0.9以上1.1以下であり、bは0.9以上1.1以下であり、cは0.9以上1.1以下であり、xは2.9以上3.1以下であり、yは4.9以上5.1以下であり、
前記セラミック粒子は空孔を含み、
前記セラミック粒子の空孔率が20%以上40%以下である
壁、路面、天井、床、看板、または標識に塗布する用の塗料である
本発明によれば、上記の課題に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、塗布により特定波長における赤外線の放射を低減する塗料を提供することである。
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
基材上に塗布した塗料を例示する断面図である。 CaYbAlOの放射率のスペクトルを示す図である。 セラミック粒子の構造を拡大して例示する断面図である。 ペレットの表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
図1は、基材10上に塗布した塗料20を例示する断面図である。本実施形態に係る塗料20は、セラミック粒子22と、バインダー24とを含む。そしてセラミック粒子22は、AAl、AGa、RAl12、およびRGa12のいずれかの組成式で表される化合物を含む。ここで、AはCa、Sr、およびBaからなる群から選択される一以上の元素であり、Rは希土類元素からなる群から選択される一以上の元素である。aは0.9以上1.1以下であり、bは0.9以上1.1以下であり、cは0.9以上1.1以下であり、xは2.9以上3.1以下であり、yは4.9以上5.1以下である。また、セラミック粒子22は空孔を含み、セラミック粒子22の空孔率が20%以上40%以下である。以下に詳しく説明する。
セラミックスは、特定波長領域において放射率が小さいという特性を持つ。しかし、セラミックスは透過性も有するために、セラミックスの裏面に存在する材料の放射を透過してしまうという課題があった。本実施形態に係る塗料20に含まれるセラミック粒子22は、赤外線帯域の特定波長における光の放射率や透過率が小さいという特性を有する。具体的には、セラミック粒子22の空孔率が20%以上である。これにより、光が透過される前に赤外線を散乱させることができるため赤外線の透過が少ない。したがって、塗料20を塗布した表面は特定波長における赤外線放出が少なくなる。そして、赤外線センサや赤外線カメラによる検出において、このような面を背景とすると、検出対象とのコントラストを高めることができ、検出精度を向上させることができる。
図2は、CaYbAlOの放射率のスペクトルを示す図である。ペレット状のCaYbAlOのKNiF型多結晶において空孔率が11%、27%および36%の場合についてそれぞれ測定した結果である。なお、測定時にペレットのおもて面と裏面の温度の平均値は、空孔率11%で1027℃、空孔率27%で1127℃、空孔率36%で1062.5℃とした。また、ペレット裏面に熱源となるSiCセラミックスを設置して測定した。SiCは、放射率約0.9の灰色体である。ここで、放射率は、SiCからの放射がペレットを透過した成分も、ペレットからの放射とみなして計算した。本図から分かるように、各スペクトルはYb3+の4f電子の5/27/2遷移に相当するピークを800nm以上1200nm以下の波長範囲に有する。そして、空孔率20%以上40%以下のペレットにおいて、1200nm以上1700nm以下の波長帯の放射率が特に低くなっている。この波長帯ではSiCからの放射が強いことから、セラミックの透過率を下げることが重要である。なお、空孔率が保持される限り、ペレットに限らず、粒子状の多結晶であっても同様の特性を奏する。
図3は、セラミック粒子22の構造を拡大して例示する断面図である。セラミック粒子22は空孔221と緻密部222を有する。緻密部222は、セラミック結晶の焼結体からなり、空孔221は、セラミック結晶の隙間に形成されている。すなわち、セラミック粒子22は多結晶焼結体であるといえる。たとえば空孔221は、セラミック粒子22の内部で連結しているが直線的に連続していない部分を含む。セラミック粒子22の空孔221の大きさは特に限定されないが、たとえば空孔221の断面積は5μm以下である。空孔221の断面積は、たとえば電子顕微鏡でセラミック粒子22の断面を観察することで確認できる。
上記した通り、セラミック粒子22の空孔率は20%以上40%以下である。セラミック粒子22の空孔率を20%以上とすることにより基材10からの放射の透過に起因する赤外線の放出を十分低減できる。また、セラミック粒子22の空孔率を40%以下とすることにより、セラミック粒子22の強度を保つことができると共に、R3+の放射を保つことができる。また、セラミック粒子22の空孔率は25%以上40%以下であることがより好ましく、30%以上35%以下であることがさらに好ましい。
セラミック粒子22の「空孔率」は、セラミック粒子22の全体積に対するセラミック粒子22内に存在する隙間の全体積の割合である。空孔率は以下の式を用いて算出される。
空孔率=1-(セラミックの実密度/セラミックの理論密度)
ここで、セラミック粒子22の空孔率の測定は、たとえば以下のように行うことができる。
まず、セラミック粒子22の表面に樹脂を塗布し、乾燥させ、空気中での重量を測定する。次いで、樹脂を塗布したセラミック粒子22を液体中に入れ、液体中での重量を測定する。これらを用いて、セラミック粒子22の実密度を測定する。
また、セラミック粒子22の重量、結晶構造、体積から理論密度を計算により求める。セラミック粒子22の理論密度は、セラミック粒子22に空孔が存在しないと仮定した場合の理論的な密度である。上記の実密度と理論密度とを用いて、セラミック粒子22の空孔率を求めることができる。
本測定において、セラミック粒子22の表面に樹脂を塗布することにより、空孔への液体の侵入を防ぐことができる。セラミック粒子22の表面に塗布する樹脂の種類は特に限定されない。ただし、表面に塗布することから、比重が小さく粘性の高いものであることが好ましい。また、アルキメデス法に用いる液体と反応しないことが好ましい。樹脂としては、例えばアクリル樹脂やセルロース系樹脂などを用いることができる。
上記した通りセラミック粒子22は、AAl、AGa、RAl12、およびRGa12のいずれかの組成式で表される化合物を含む。この化合物はたとえば結晶である。これらのうちAAlまたはAGaの組成で表される結晶はたとえばKNiF型構造を有する。また、RAl12またはRGa12の組成で表される結晶はたとえばガーネット型構造を有する。なお、セラミック粒子22の主成分が上記の化合物であることが好ましく、たとえばセラミック粒子22におけるAAl、AGa、RAl12、およびRGa12のいずれかの組成式で表される化合物の含有率が75重量%以上であることが好ましい。
上記の組成式において、AはCa、Sr、およびBaからなる群から選択される一以上の元素であり、Rは希土類元素からなる群から選択される一以上の元素である。なかでもRはたとえばランタノイドとすることができる。ランタノイドはたとえばPr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、およびYbからなる群から選択される一以上である。ランタノイドイオンの放射は、例えばセンサやカメラのキャリブレーションに使用できる。また、RをランタノイドのYbとすることで、Yb3+イオンの放射を示したまま、それ以外の近赤外領域の放射を低減できる。
セラミック粒子22はたとえば以下のように製造できる。セラミック粒子22に含まれる元素を含有する複数の材料、たとえば酸化物を準備し、上記したいずれかの組成式の結晶を得るような量論比に秤量する。ただし、空気中での安定性の観点から、アルカリ土類金属の元素を含有する材料としては、炭酸塩が好適に用いられる。アルカリ土類金属の炭酸塩は、空気中での焼成時に酸化物に変化するので、アルカリ土類金属の量論比で秤量すればよい。
そして、材料を混合して焼成することにより多結晶体を得る。その後、多結晶体を粉砕して一次粒子を得る。さらに一次粒子をプレス成型してたとえば再度焼成し、ペレットを得る。ペレットを粗く砕くことにより、セラミック粒子22が得られる。
多結晶体を粉砕して得る一次粒子は、その粒径サイズが大きいことが好ましい。そうすれば一次粒子と一次粒子との間に隙間が形成されやすく、大きな空孔を作ることができる。また、一次粒子は、粒径ばらつきが大きいことが好ましい。粒径の小さな粒子を含むことにより、一次粒子と一次粒子との連結が容易になるため焼結しやすくなる。一方、一次粒子の粒径ばらつきが小さく、かつ、粒径サイズが大きい場合には、高温下または長時間での焼結が必要となる。なお、空孔率と焼結時間とのバランスを考慮して、粒径の大きな粒子の割合が、粒径の小さな粒子の割合よりも多いことが好ましい。
また、たとえば一次粒子の粒径やプレス成型での圧力、ペレット形成時の焼成温度等を調整することにより、セラミック粒子22の空孔率を調整することができる。たとえば、セラミック粒子22に含まれる化合物が組成式AAlで表される場合、ペレット形成時の焼結温度は1350℃以上1400℃以下であることが好ましい。また、セラミック粒子22に含まれる化合物が組成式AGaで表される場合、ペレット形成時の焼結温度は1250℃以上1300℃以下であることが好ましい。焼結温度を下限以上とすることで、焼結時間を短く抑え、コスト低減が図れる。焼結温度を上限以下とすることで、空孔率が低下したり、焼成体が溶融したりすることなく、好適な空孔率の焼結体を安定して得られる。
セラミック粒子22の粒径は特に限定されないが、セラミック粒子22の粒径分布曲線における最大ピークは、5μm以上100μm以下の範囲内に位置することが好ましい。そうすれば、セラミック粒子22が基材10に対して固定されやすくなるとともに、セラミック粒子22に適度な空孔率を持たせることができる。セラミック粒子22の粒径分布曲線における最大ピークは、10μm以上60μm以下の範囲内に位置することがより好ましく、20μm以上50μm以下の範囲内に位置することがさらに好ましい。
また、塗料20の固化物に対するセラミック粒子22の含有率は、75重量%以上92重量%以下であることが好ましい。そうすれば、バインダー24でセラミック粒子22を十分結合することができるとともに、基材10からの赤外線をセラミック粒子22で十分遮蔽できる。塗料20の固化物に対するセラミック粒子22の含有率は、たとえば塗料20の固化物を高温加熱し、バインダー24等の成分を灰化させ、その後、灰化の前後の重量の比率を計算することにより求めることができる。
バインダー24は塗料20の固化物においてセラミック粒子22を互いに結合する。たとえばバインダー24は樹脂を含む。セラミック粒子22の赤外線帯域における光の放射率や透過率を低く維持するために、塗料20および塗料20の固化物において、セラミック粒子22の空孔221にはバインダー24が入り込んでいないことが好ましい。ただし、バインダー24の状態は特に限定されず、バインダー24は塗料20および塗料20の固化物の少なくとも一方において、セラミック粒子22の空孔221の少なくとも一部に入り込んでいても良い。また、バインダー24の屈折率は1.0以上1.4以下であることが好ましい。バインダー24の屈折率が1.0以上1.4以下であれば、空孔221にバインダー24が入り込んだ場合にもセラミック粒子22の赤外線帯域における光の透過抑制効果に対する影響が小さい。
バインダー24としては、フッ素樹脂が挙げられる。なかでもバインダー24は非晶性フッ素樹脂を含むことが好ましく、非晶性フッ素樹脂であることがより好ましい。そうすれば、バインダー24の屈折率を低くすることができる。
バインダー24の光の吸収率は1200nm以上1700nm以下の波長範囲にわたって、0.1以下であることが好ましい。物質の吸収率と放射率とは等しくなることから、1200nm以上1700nm以下の波長範囲における吸収率を0.1以下とすることにより、バインダー24の赤外線の放射率を低くすることができる。ひいては、塗料20の赤外線の放射を低減することができる。
塗料20は、セラミック粒子22およびバインダー24の他に顔料、溶剤、可塑剤、分散材、増粘剤、その他の添加剤を含んでも良い。これらの添加剤の含有量の合計は、たとえば塗料20の固化物に対して5重量%以下である。
塗料20は、セラミック粒子22、バインダー24および必要に応じてその他の成分を混合することにより得ることができる。
塗料20は、基材10の表面に塗布して用いることができる。基材10は特に限定されないが、壁、路面、天井、床、看板、標識等である。基材10はバインダー24が固化又は硬化することにより塗料20の固化物で覆われる。そうすると、たとえば基材10を背景とした赤外線検出画像において、人物監視等が行いやすくなる。
次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態に係る塗料20によれば、セラミック粒子22は赤外線の放出が少ない。また、基材10からの赤外線もセラミック粒子22が散乱(反射)することにより遮ることができる。したがって、塗料20を塗布した表面は赤外線放出が少なくなる。そして、赤外線センサや赤外線カメラによる検出において、このような面を背景とすると、検出対象とのコントラストを高めることができ、検出精度を向上させることができる。
以下、本実施形態を、実施例を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態は、これらの実施例の記載に何ら限定されるものではない。
実施形態で説明したように、一次粒子を成型してペレットを得た。
図4は、ペレットの表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。本図は、YbCaAlOの組成を有する一次粒子を用いて作製したペレットの観察結果である。本図から、ペレットが一次粒子222aおよび空孔221aを有することが分かる。空孔221aは実施形態のセラミック粒子22における空孔221となる。また、一次粒子222aは、実施形態のセラミック粒子22において緻密部222を構成する。
本ペレットを粉砕して、セラミック粒子を得、バインダーと混合して実施形態で説明したような塗料を作製した。なお、セラミック粒子の空孔率は20%以上40%以下の範囲内であった。この塗料を基材に塗布して赤外線カメラで撮影したところ、塗料を塗布していない場合に比べて検出される赤外線強度が小さかった。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
1-1. セラミック粒子と、
バインダーとを含み、
前記セラミック粒子は、AAl、AGa、RAl12、およびRGa12のいずれかの組成式で表される化合物を含み、
AはCa、Sr、およびBaからなる群から選択される一以上の元素であり、
Rは希土類元素からなる群から選択される一以上の元素であり、
aは0.9以上1.1以下であり、bは0.9以上1.1以下であり、cは0.9以上1.1以下であり、xは2.9以上3.1以下であり、yは4.9以上5.1以下であり、
前記セラミック粒子は空孔を含み、
前記セラミック粒子の空孔率が20%以上40%以下である塗料。
1-2. 1-1.に記載の塗料において、
前記セラミック粒子の粒径分布曲線における最大ピークは、5μm以上100μm以下の範囲内に位置する塗料。
1-3. 1-1.または1-2.に記載の塗料において、
当該塗料の固化物に対する前記セラミック粒子の含有率は、75重量%以上92重量%以下である塗料。
1-4. 1-1.から1-3.のいずれか一つに記載の塗料において、
前記バインダーの屈折率は1.0以上1.4以下である塗料。
1-5. 1-1.から1-4.のいずれか一つに記載の塗料において、
1200nm以上1700nm以下の波長範囲にわたって、前記バインダーの光の吸収率が0.1以下である塗料。
1-6. 1-1.から1-5.のいずれか一つに記載の塗料において、
前記バインダーは樹脂を含む塗料。
1-7. 1-6.に記載の塗料において、
前記バインダーは、非晶性フッ素樹脂を含む塗料。
1-8. 1-1.から1-7.のいずれか一つに記載の塗料において、
前記セラミック粒子のうち、前記化合物の含有率が75重量%以上である塗料。
1-9. 1-1.から1-8.のいずれか一つに記載の塗料において、
RがYbである塗料。
1-10. 1-1.から1-9.のいずれか一つに記載の塗料において、
前記セラミック粒子は多結晶焼結体である塗料。
1-11. 1-1.から1-10.のいずれか一つに記載の塗料において、
前記空孔は、前記セラミック粒子の内部で連結しているが直線的に連続していない部分を含む塗料。
1-12. 1-1.から1-11.のいずれか一つに記載の塗料の固化物。
2-1. 塗料の固化物であって、
前記塗料は、
セラミック粒子と、
バインダーとを含み、
前記セラミック粒子は、AAl、AGa、RAl12、およびRGa12のいずれかの組成式で表される化合物を含み、
AはCa、Sr、およびBaからなる群から選択される一以上の元素であり、
Rは希土類元素からなる群から選択される一以上の元素であり、
aは0.9以上1.1以下であり、bは0.9以上1.1以下であり、cは0.9以上1.1以下であり、xは2.9以上3.1以下であり、yは4.9以上5.1以下であり、
前記セラミック粒子は空孔を含み、
前記セラミック粒子の空孔率が20%以上40%以下である塗料の固化物。
2-2. 2-1.に記載の塗料の固化物において、
前記セラミック粒子の粒径分布曲線における最大ピークは、5μm以上100μm以下の範囲内に位置する塗料の固化物。
2-3. 2-1.または2-2.に記載の塗料の固化物において、
当該塗料の固化物に対する前記セラミック粒子の含有率は、75重量%以上92重量%以下である塗料の固化物。
2-4. 2-1.から2-3.のいずれか一つに記載の塗料の固化物において、
前記バインダーの屈折率は1.0以上1.4以下である塗料の固化物。
2-5. 2-1.から2-4.のいずれか一つに記載の塗料の固化物において、
1200nm以上1700nm以下の波長範囲にわたって、前記バインダーの光の吸収率が0.1以下である塗料の固化物。
2-6. 2-1.から2-5.のいずれか一つに記載の塗料の固化物において、
前記バインダーは樹脂を含む塗料の固化物。
2-7. 2-6.に記載の塗料の固化物において、
前記バインダーは、非晶性フッ素樹脂を含む塗料の固化物。
2-8. 2-1.から2-7.のいずれか一つに記載の塗料の固化物において、
前記セラミック粒子のうち、前記化合物の含有率が75重量%以上である塗料の固化物。
2-9. 2-1.から2-8.のいずれか一つに記載の塗料の固化物において、
RがYbである塗料の固化物。
2-10. 2-1.から2-9.のいずれか一つに記載の塗料の固化物において、
前記セラミック粒子は多結晶焼結体である塗料の固化物。
2-11. 2-1.から2-10.のいずれか一つに記載の塗料の固化物において、
前記空孔は、前記セラミック粒子の内部で連結しているが直線的に連続していない部分を含む塗料の固化物。
この出願は、2016年12月7日に出願された日本出願特願2016-237666号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (12)

  1. セラミック粒子と、
    バインダーとを含み、
    前記セラミック粒子は、AAl、AGa、RAl12、およびRGa12のいずれかの組成式で表される化合物を含み、
    AはCa、Sr、およびBaからなる群から選択される一以上の元素であり、
    Rは希土類元素からなる群から選択される一以上の元素であり、
    aは0.9以上1.1以下であり、bは0.9以上1.1以下であり、cは0.9以上1.1以下であり、xは2.9以上3.1以下であり、yは4.9以上5.1以下であり、
    前記セラミック粒子は空孔を含み、
    前記セラミック粒子の空孔率が20%以上40%以下である
    壁、路面、天井、床、看板、または標識に塗布する用の塗料。
  2. 請求項1に記載の塗料において、
    当該塗料の固化物に対する前記セラミック粒子の含有率は、75重量%以上92重量%以下である塗料。
  3. 請求項1または2に記載の塗料において、
    前記バインダーの屈折率は1.0以上1.4以下である塗料。
  4. 請求項1から3のいずれか一項に記載の塗料において、
    1200nm以上1700nm以下の波長範囲にわたって、前記バインダーの光の吸収率が0.1以下である塗料。
  5. 請求項1から4のいずれか一項に記載の塗料において、
    前記バインダーは、非晶性フッ素樹脂を含む塗料。
  6. 請求項1から5のいずれか一項に記載の塗料において、
    前記セラミック粒子のうち、前記化合物の含有率が75重量%以上である塗料。
  7. 請求項1から6のいずれか一項に記載の塗料において、
    RがYbである塗料。
  8. 請求項1から7のいずれか一項に記載の塗料において、
    前記セラミック粒子は多結晶焼結体である塗料。
  9. 請求項1から8のいずれか一項に記載の塗料において、
    前記空孔は、前記セラミック粒子の内部で連結しているが直線的に連続していない部分を含む塗料。
  10. 請求項1から9のいずれか一項に記載の塗料において、
    赤外線による検出の背景とする面を形成する用の塗料。
  11. 請求項1から10のいずれか一項に記載の塗料において、
    顔料をさらに含む塗料。
  12. 請求項1から11のいずれか一項に記載の塗料の固化物。
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