JPWO2002100634A1

JPWO2002100634A1 - 防曇素子及びその形成方法

Info

Publication number: JPWO2002100634A1
Application number: JP2002536859A
Authority: JP
Inventors: 小林　正樹; 正樹小林; 典彦葛谷
Original assignee: Murakami Corp
Current assignee: Murakami Corp
Priority date: 2001-06-11
Filing date: 2001-06-11
Publication date: 2004-09-24
Also published as: CN1401085A; WO2002100634A1; US7004591B2; EP1398146A1; US20040095660A1

Abstract

本発明では、水酸化チタンゲル（オルトチタン酸）に過酸化水素を作用させて得られる過酸化チタン溶液に光触媒体粒子を分散させたコーティング剤を用いて、光触媒体粒子（１１）を坦持した光触媒膜（１８）を形成する。そして、この光触媒膜（１８）上に多孔質状親水性物質膜（１２）を形成することによって、払拭によって光触媒膜（１８）の膜表面に傷が付くことを防止できることができる。また、過酸化チタン溶液に光触媒体粒子を分散させたコーティング剤を用いて常温から２００℃未満で成膜した膜は、より高温で成膜した膜や光触媒体粒子を分散させない膜に比べ多孔質である。したがって、光触媒膜（１８）と親水性物質膜（１２）との密着性が良い。

Description

技術分野
この発明は、基材表面に光触媒膜が成膜され、その上に親水性物質膜が多孔質に成膜されている防曇素子及びその形成方法等に関し、膜の傷付きに対する強度を高め、しかも膜の密着性が良好となるようにした防曇素子及びその形成方法等に関する。
背景技術
国際公開ＷＯ９６／２９３７５では、光触媒性を持つアナタース（アナターゼ）型ＴｉＯ_２粒子を、シリカなどの接合材に坦持させ、常温〜１５０℃の低温で防曇素子を得る方法が開示されている。より具体的には、アナタース型ＴｉＯ_２（チタニア）粒子又はルチル型ＴｉＯ_２（チタニア）粒子とシリカ（ＳｉＯ_２）粒子とを含む懸濁液を基材の表面に塗布し、シリカ配合チタニアからなる光触媒膜を形成する。また、テトラアルコキシランやシラノール、ポリシロキサンなどの無定形シリカ前駆体と結晶性チタニアゾルとの混合物を基材の表面に塗布し、必要に応じて加水分解させシラノールを形成した後、１００℃以上の温度で加熱してシラノールを脱水縮重合に付すことにより、チタニアが無定形（アモルファス）シリカで結着された光触媒膜を形成する。
しかしながら、上述した光触媒膜は、アナタース型ＴｉＯ_２微粒子がシリカ膜との接着力によって担持されているだけのため、払拭により膜表面からＴｉＯ_２微粒子が取れ易く、ＴｉＯ_２微粒子によって傷が付くという問題があった。
発明の開示
本発明では、水酸化チタンゲル（オルトチタン酸）に過酸化水素を作用させて得られる過酸化チタン溶液に光触媒体粒子を分散させたコーティング剤を用いて、光触媒膜を形成する。この場合、払拭によって光触媒膜の膜表面に傷が付くことが判った。そして、この光触媒膜上に多孔質状親水性物質膜を形成することによって、払拭によって光触媒膜の膜表面に傷が付くことを防止できるとともに防曇性を高めることができることが判った。また、過酸化チタン溶液に光触媒体粒子を分散させたコーティング剤を用いて常温から２００℃未満で成膜した膜は、より高温で成膜した膜や光触媒体粒子を分散させない膜に比べ多孔質である。したがって、光触媒膜と親水性物質膜との密着性が良いことが判った。
発明を実施するための最良の形態
本発明は、基材表面に光触媒膜が成膜され、その上に親水性物質膜が多孔質に成膜されている防曇素子において、前記光触媒膜の材料として、水酸化チタンゲル（オルトチタン酸）に過酸化水素を作用させて得られる過酸化チタン溶液に光触媒体粒子を分散させたコーティング剤を用いる。
ここで、一般に過酸化チタン溶液といわれる溶液は、通常、ゲル状の水酸化チタンゲル（オルトチタン酸）に過酸化水素を作用させて得られるアモルファス型チタン酸化物のゾル溶液である。過酸化チタン溶液は、実質的にチタン、酸素、水素からなるので、高純度である。
過酸化チタン溶液に光触媒体粒子を分散させたコーティング剤を用いて成膜を行う方法としては、スピンコート、ディップコート、スプレーコート、ロールコート、フローコート等の塗布方法が挙げられる。
過酸化チタン溶液に光触媒体粒子を分散させたコーティング剤からは、成膜後乾燥させることにより脱水縮重合に付すことによって、アモルファス酸化チタン膜中に光触媒体粒子が坦持された光触媒膜を形成することができる。
加熱処理の温度は、常温〜２００℃未満が好ましく、常温〜１５０℃未満さらに好ましく、常温〜１００℃前後以下がより好ましい。常温〜１００℃前後の低温処理により、高温処理時よりも光触媒膜が多孔質であり、さらに光触媒膜中のＯＨ基が多く存在するため、光触媒膜と親水性物質膜との結合が強くなると考えられる。加熱処理は、コーティング剤の塗布工程中に行っても良く、塗布後行っても良く、塗布工程及び塗布後の双方で行っても良い。
本発明において、光触媒体粒子は、光があたると触媒作用を示す材料の微粒子のことであり、過酸化チタン溶液から調製したアナタース型ＴｉＯ_２粒子が最も好ましいが、光触媒作用を示せば特に限定しない。例として、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ、ＷＯ_３、ＳｎＯ_２、ＳｒＴｉＯ_３、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＧａＰ、ＣｄＴｅ、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３等が挙げられる。なお、ＴｉＯ_２は反応性、持続性、安全性等の点においても最も適している。ＴｉＯ_２の結晶構造にはルチル型とアナタース型があるが、アナタース型の方が光触媒効果が大きいので、アナタース型が望ましい。
アナタース型のＴｉＯ_２のバンドギャップに対応した約３９０ｎｍの紫外線が照射されると、励起され内部に電子と正孔を生成する。生成された電子と正孔は親水性物質膜表面に存在する酸素、水と反応してスーパーオキシドアニオン（Ｏ^２−）やヒドロキシラジカル（・ＯＨ）を生成する。この生成されたＯ^２−や・ＯＨは強い酸化力をもち、親水性物質膜表面に付着する有機物等を分解し、親水性の低下を防止する。他の光触媒体粒子を用いた場合にも、その光触媒体のバンドギャップに応じた波長の光により励起され、アナタース型ＴｉＯ_２と同様の効果をもたらす。
本発明においては、過酸化チタン溶液を用いて、膜厚が４０ｎｍ以上になるように成膜し、常温〜２００℃未満で処理することで、光触媒体粒子をアモルフアスＴｉＯ_２で担持した光触媒膜を成膜することができる。光触媒膜の膜厚は、干渉色による色付き防止の観点から、４０〜２００ｎｍの範囲とすることが好ましい。
本発明において、親水性物質膜は少なくとも表面が多孔質状になるように成膜する。親水性物質膜は親水性の高い材料で形成することが好ましい。親水性物質膜は、親水性物質を含むコート液を用い、スピンコート、ディップコート、スプレーコート、ロールコート、フローコート等の塗布方法を用いて、多孔質状になるように成膜することができる。また、イオンプレーティングやスパッタリング、真空蒸着等のＰＶＤ法を用いて、ＳｉＯ_２等の親水性物質膜を多孔質状になるように成膜することもできる。
なお、親水性物質の材料としては、例えばＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等の金属酸化物を用いることができる。これらの金属酸化物は表面に親水性のＯＨ基を有しているため概して親水性を示す。発明者らの実験によればＳｉＯ_２が最良の親水性が得られた。
本発明においては、親水性物質膜を１００ｎｍ以下にすることで、光触媒膜で生成した電子や正孔は、親水性物質膜表面の酸素、水と十分に反応することが可能である。親水性物質膜の膜厚は、傷付き防止の観点から、１０ｎｍ以上とすることが好ましく、紫外線未照射時の防曇効果維持性の観点から、１０〜１００ｎｍの範囲とすることが好ましい。
次に、この発明にかかる防曇素子の好ましい実施の形態について説明する。
図１は、光触媒体粒子を分散させた過酸化チタン溶液を用いて、基材１０′上に、光触媒膜１８を成膜し、その後親水性物質膜１２を成膜してなる防曇素子を示している。過酸化チタン溶液を用いて成膜を行い、常温〜２００℃未満で処理した湯合、アモルファスＴｉＯ_２膜が得られる。そこで、過酸化チタン溶液中に光触媒体粒子を分散させた溶液を用いて成膜を行い、常温〜２００℃未満で処理することで、光触媒体粒子１１をアモルフアスＴｉＯ_２で担持した光触媒膜１８を成膜することができる。このとき光触媒膜としての働きは、分散された光触媒体粒子が担う。
常温〜１５０℃の低温で成膜可能な他の防曇素子として、テトラアルコキシランやシラノール、ポリシロキサンといったアモルファスシリカの前駆体溶液に、アナタース型ＴｉＯ_２微粒子を分散させた溶液を用いて成膜した防曇素子がある。この防曇素子と、本発明で成膜した防曇素子の耐傷付き性の比較を行った。この結果を図２に示す。評価方法は膜の払拭を５００回、１５００回、２５００回往復で繰り返し、膜の外観における傷の有無を確認した。前者の防曇素子は傷付きが見られたが、本法により成膜したものは、傷つきが見られなかった。
この理由として詳細は不明だが、前者の防曇素子はアナタース型ＴｉＯ_２微粒子がシリカ膜との接着力によって担持されているだけのため、払拭により膜表面からＴｉＯ_２微粒子が取れ易く、ＴｉＯ_２微粒子によって傷が付くものと思われる。一方、後者の本発明による防曇素子は、表面をＳｉＯ_２膜が覆っているためアモルファスＴｉＯ_２中のアナタース型ＴｉＯ_２が取れることは無く、高い耐傷付き性をもっているものと思われる。ＳｉＯ_２でコートを行わなかった場合には、前者の防曇素子同様、膜には傷が見られた。
第１図の構成の防曇素子によれば、第３図に示すように、表面の親水性物質膜１２は多孔質状に形成されているので、毛細管現象により、表面の濡れ性が向上し、親水性を呈し、付着した水滴を薄い膜状に広げて防曇効果を発揮する。したがって、これを自動車用アウタミラー、バスルーム用鏡、自動車用ウインドウ、窓ガラス等に適用すれば、水滴が玉状に付着しにくくなり、視認性が良好になる。また、多孔質の開口２０にワックス等の有機物や大気中の有機物やＮＯ_ｘなどの有機物等２４が入り込んで付着した場合には、太陽光その他の光線２６（紫外線等）が親水性物質膜１２を透過して光触媒膜１８に照射されて、光触媒膜１８中の光触媒体粒子が光励起される。この光励起によって光触媒膜１８内に電子・正孔対を生成する。生成された電子と正孔は親水性物質膜１２を透過して、親水性物質膜１２表面に存在する酸素、水と反応してスーパーオキシドアニオン（Ｏ_２ ⁻）やヒドロキシラジカル（・ＯＨ）を生成する。この生成されたＯ_２ ⁻や・ＯＨは強い酸化力をもち、開口２０内に付着した有機物等２４と反応し、有機物等２４を酸化分解して除去させる。したがって、親水性の低下が防止され、長期間にわたり防曇性を維持することができる。
なお、多孔質状親水性物質膜の多孔質の開口は、光触媒膜の表面にまで達するようにして、多孔質の開口内に入り込んだ有機物やＮＯ_ｘが光触媒膜に直接接触できるようにした方が、光触媒反応が高く得られる。しかし、親水性物質膜がＳｉＯ_２等の場合は、第３図に示すように、多孔質の開口が光触媒膜の表面にまで達していなくても（すなわち、光触媒膜の表面に達する途中で塞がれていても）、光触媒反応を生じさせる光線（ＴｉＯ_２の場合、主に紫外線）は透明な多孔質状親水性物質膜を透過し、また光触媒膜中で生じた電子や正孔は多孔質状親水性物質膜が十分に薄ければ透過するので、多孔質の開口に入り込んで付着した有機物やＮＯ_ｘを光触媒反応によって分解して除去することができる。
第４図は、基材１０’表面と光触媒膜１８の間に中間膜１５を成膜した図である。中間膜の例として、基材が有機材料である場合のシリコーン系薄膜があげられる。これは光触媒膜の光触媒作用によって基材がダメージを受けないようにするための保護膜である。他に基材がソーダライムガラスで高温処理工程がある場合に、アルカリ拡散防止膜としてＳｉＯ_２膜があげられる。
第５図は、基材１０’表面と光触媒膜１８の間に、ＣｒやＡｌのような金属反射膜からなる中間膜１５を成膜して、防曇鏡を構成した図である。
第１〜５図はすべて片面に成膜した図であるが、これに限定しない。
なお、本発明によれば、常温〜２００℃未満の低温で防曇素子を作製することができる。そのため基材にソーダライムガラスを用いた場合にも、アルカリ拡散防止膜を必要としない。また低温処理のため反射膜が酸化されにくく、反射率を損なわない。さらに、低い処理温度であることから、エネルギーの節約、タクト短縮となりコストダウンが可能である。
また、本発明によれば、光触媒膜及び親水性物質膜の双方を、低温で、かつ、湿式法で成膜できるので、製造が容易でコストダウンが可能である。
実施例
この発明の各種実施例を説明する。実施例１〜５（第６〜１０図）は自動車用アウタミラーに適用した例（第７〜１０図はミラーボデーを省略して図示）、実施例６〜８（第１１〜１３図）は自動車用ウインドウに適用した例（建物用窓ガラスに適用した場合も同じ）、実施例９（第１４図）はバスルーム用鏡に適用した例である。
各実施例における成膜条件を以下に示す。
・基材：ソーダライムガラス
・光触媒膜
材料：株式会社タオ製ＴＡＫ（アナタース型ＴｉＯ_２微粒子含有過酸化チタン溶液）
成膜温度：１００℃
膜厚：７５ｎｍ
・親水性物質膜
材料：コルコート株式会社製Ｎ−１０３Ｘ（ＳｉＯ_２コート剤）
成膜温度：２５℃
膜厚：２０ｎｍ
（１）実施例１（第６図）
自動車用アウタミラー３０はドアミラーやフェンダーミラーとして構成されたものである。アウタミラー３０はミラーボデー３２内にミラーアッセンブリ３４を収容配置している。ミラーアッセンブリ３４は透明ガラス基板１０の前面にＴｉＯ_２膜１８、多孔質状ＳｉＯ_２膜１２を成膜し、透明ガラス基板１０の背面にＣｒ，Ａｌ等の反射膜３６を成膜している。車両の後方映像はＳｉＯ_２膜１２、ＴｉＯ_２膜１８、透明ガラス基板１０を透過して反射膜３６で反射されて、逆の経路を辿って運転者の視点に導かれる。ＳｉＯ_２膜１２の多孔質の開口に入り込んで付着した有機物等はＴｉＯ_２膜１８の光触媒反応による酸化還元反応で分解される。
（２）実施例２（第７図）
自動車用アウタミラー３８のミラーアッセンブリ４０は透明ガラス基板１０の前面にＴｉＯ_２膜１８、多孔質状ＳｉＯ_２膜１２を成膜し、透明ガラス基板１０の背面にＣｒ，Ａｌ等の反射膜３６を成膜している。反射膜３６の裏面のほぼ全域には、発熱体としてパネル状ヒータ４２が粘着剤、接着剤等によって貼着され、電源４４によって通電される。パネル状ヒータ４０は例えばＰＴＣ（正特性サーミスタ）パネルヒータであれば、自動車用バッテリ電源で直接駆動することができ、温度制御回路等は不要である。ＰＴＣパネルヒータは、ＰＴＣ特性を付与された高分子面状発熱体（導電性樹脂に銀、銅等の電極を配設し、ＰＥＴフィルムでラミネートしたもの等）等で構成される。ＳｉＯ_２膜１２で薄い膜状に広がった水滴は、パネル状ヒータ４２で加熱されることによって、効果的に除去（蒸発）される。
（３）実施例３（第８図）
自動車用アウタミラー４６のミラーアッセンブリ４８は透明ガラス基板１０の前面に発熱体としてＩＴＯ等の透明電極膜５０、ＴｉＯ_２膜１８、多孔質状ＳｉＯ_２膜１２を順次成膜し、透明ガラス基板１０の背面にＣｒ，Ａｌ等の反射膜３６を成膜している。透明ガラス基板１０と透明電極膜５０の積層体の上辺及び下辺にはクリップ電極５４，５６が装着され、電源４４から透明電極膜５０に通電することにより、透明電極膜５０が加熱されて、ＳｉＯ_２膜１２の表面で薄い膜状に広がった水滴が効果的に除去される。
（４）実施例４（第９図）
自動車用アウタミラー５６のミラーアッセンブリ５８は透明ガラス基板１０の前面にＴｉＯ_２膜１８、多孔質状ＳｉＯ_２膜１２を成膜し、透明ガラス基板１０の背面にＣｒ，Ａｌ等の反射膜３６を成膜している。ミラーアッセンブリ５８の上辺及び下辺にはクリップ電極５４，５６が装着され、電源４４から反射膜３６（兼発熱体）に通電することにより、反射膜３６が加熱されて、ＳｉＯ_２膜１２の表面で薄い膜状に広がった水滴が効果的に除去される。
（５）実施例５（第１０図）
この自動車用アウタミラー６０は表面鏡（基板部材の前面側に反射膜が形成されたミラー）として構成されたものである。ミラーアッセンブリ６２はガラス基板１０’（透明である必要はない。）の前面にＣｒ，Ａｌ等の反射膜３６、ＴｉＯ_２膜１８、多孔質状ＳｉＯ_２膜１２を順次成膜し、ガラス基板１０’の背面にパネル状ヒータ４２を貼着または接着している。パネル状ヒータ４２は電源４４によって通電されて加熱される。パネル状ヒータ４２に代えて、第９図と同様に反射膜３６自体を発熱体として用いることもできる。
（６）実施例６（第１１図）
自動車用ウインドウ６４は、ウインドウガラス本体を構成する透明ガラス基板１０の一方の表面（車外側の面あるいは車内側の面）１０ａにＴｉＯ_２膜１８、多孔質状ＳｉＯ_２膜１２に成膜して全体が透明（無色透明、有色透明）に構成されている。ＴｉＯ_２膜１８、多孔質状ＳｉＯ_２膜１２が車外側にあれば雨滴等の除去効果が得られ、車内側にあれば結露等の水滴除去効果が得られる。
（７）実施例７（第１２図）
自動車用ウインドウ６６は、ウインドウガラス本体を構成する透明ガラス基板１０の一方の表面（車外側の面あるいは車内側の面）１０ａにＩＴＯ等の透明電極膜５０、ＴｉＯ_２膜１８、多孔質状ＳｉＯ_２膜１２を順次成膜して全体が透明に構成されている。透明ガラス基板１０と透明電極膜５０の積層体の上辺及び下辺にはクリップ電極５４，５６が装着され、電源４４から透明電極膜５０に通電することにより、透明電極膜５０が加熱されて、多孔質状ＳｉＯ_２膜１２の表面で薄い膜状に広がった水滴が効果的に除去される。
（８）実施例８（第１３図）
自動車用ウインドウ６８は、透明ガラス基板１０の両面にＴｉＯ_２膜１８、多孔質状ＳｉＯ_２膜１２を成膜して、両面に防曇性を持たせたものである。透明ガラス基板１０の表面とＴｉＯ_２膜１８との間にＩＴＯ等の透明電極膜を配することもできる。
（９）実施例９（第１４図）
バスルーム用鏡７０は透明ガラス基板１０の前面にＴｉＯ_２膜１８、多孔質状ＳｉＯ_２膜１２を成膜し、透明ガラス基板１０の背面にＣｒ，Ａｌ等の反射膜３６を成膜している。反射膜３６の背面に発熱体（ＰＴＣ等のパネル状ヒータ等）を配置したり、透明ガラス基板１０とＴｉＯ_２膜１８との間にＩＴＯ等の透明電極膜を配置することもできる。
なお、前記各実施例では基板部材をガラス基板で構成したが、ガラス以外の基板（プラスチック、金属等）で構成することもできる。
産業上の利用可能性
この発明の防曇素子は、例えば基板部材を透明ガラス基板等の透明基板部材で構成することにより自動車用ウインドウや建物用窓ガラス等として構成することができる。この場合、太陽光線によって光触媒反応が得られる。なお、光触媒体粒子（ＴｉＯ_２）は紫外線を吸収する作用があるため、紫外線カット効果も得られる。また、防曇膜を室外（車外）側に形成すれば、雨滴等の除去効果が得られ、室内（車内）側に形成すれば、結露等の水滴除去効果が得られる。内外両面に防曇膜を形成することもできる。
また、この発明の防曇素子は、基板部材に反射膜を成膜して、自動車用アウタミラーやバスルーム用鏡として構成することができる。自動車用アウタミラーの場合は、太陽光線によって光触媒反応が得られる。また、バスルーム用鏡の場合は蛍光灯から照射される紫外線等によって光触媒反応を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施の形態を示す部分断面図、
第２図は膜の傷付き試験の結果を示し、
第３図は多孔質状親水性物質膜による防曇動作、及び、光触媒膜による有機物等の分解作用の説明図、
第４図及び第５図は本発明の他の実施の形態を示す部分断面図、
第６図〜第１４図はこの発明を各種用途に適用した実施例を示す断面図である。

Claims

基材表面に光触媒膜が成膜され、その上に親水性物質膜が多孔質に成膜されている防曇素子において、
前記光触媒膜の材料として、水酸化チタンゲル（オルトチタン酸）に過酸化水素を作用させて得られる過酸化チタン溶液に光触媒体粒子を分散させたコーティング剤を用いる防曇素子。
前記光触媒膜が、常温〜２００℃未満の温度で処理して得られたアモルファス酸化チタン膜中に光触媒体粒子が坦持された光触媒膜である請求項１に記載の防曇素子。
前記基材表面と前記光触媒膜との間に中間膜が成膜されている請求項１又は２に記載の防曇素子。
前記親水性物質膜が、透明無機酸化膜である請求項１から３のいずれかに記載の防曇素子。
全体が透明で自動車用ウインドウとして構成されてなる請求項１から４のいずれかに記載の防曇素子。
前記基材が透明基板部材であり、この透明基板部材の裏面に反射膜が成膜されて、防曇鏡として構成されてなる請求項１から５のいずれかに記載の防曇素子。
基材の表面に反射膜を成膜し、その上に光触媒反応を呈する透明な光触媒膜を成膜し、さらにその上に透明な親水性物質膜を多孔質状に成膜して表面が親水性を呈する防曇鏡として構成されてなる請求項１から６のいずれかに記載の防曇素子。
自動車用アウタミラーとして構成されてなる請求項６又は７に記載の防曇素子。
基材表面に光触媒膜を成膜し、その上に親水性物質膜を多孔質に成膜する防曇素子の形成方法において、
前記光触媒膜の材料として、水酸化チタンゲル（オルトチタン酸）に過酸化水素を作用させて得られる過酸化チタン溶液に光触媒体粒子を分散させたコーティング剤を用いる防曇素子の形成方法。