JPWO2003072499A1 - チタニアナノシート配向薄膜とその製造方法およびチタニアナノシート配向薄膜を備えた物品 - Google Patents

Abstract

シリカとチタニアを主成分とする薄膜であって、その表面に、大きさがナノメートルオーダーで、層状構造を有するチタニアナノシートが分散されており、高い光触媒活性を示すとともに、優れた超親水性および防曇性を長時間維持することができる、新規なチタニアナノシート配向薄膜とその製造方法およびそのチタニアナノシート配向薄膜を備えた物品とする。

Description

技術分野
この出願の発明は、チタニアナノシート配向薄膜とその製造方法およびチタニアナノシート配向薄膜を備えた物品に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、高い光触媒活性を示すとともに、優れた超親水性および防曇性を長時間維持することができる、新規なチタニアナノシート配向薄膜とその製造方法およびそのチタニアナノシート配向薄膜を備えた物品に関するものである。
背景技術
従来より、チタニアのもつ光触媒活性および超親水性等といった特性が注目されており、チタニア薄膜をはじめとし、シリカとチタニアを主成分とするシリカ−チタニア系（ＳｉＯ_２−ＴｉＯ_２系）薄膜等の、チタニアを含有する薄膜を用いた、浄化、抗菌、防汚等の幅広い機能を有する物品の開発が進められ、既に実用化されてもいる。このチタニアには、アナターゼ相、ルチル相、ブルッカイト相の３種類の結晶体と、準安定相、アモルファス相などがあり、これらのうちで、アナターゼ相のチタニアが最も高い光触媒活性を示すことが知られている。また、チタニアの形状によっても、比表面積が変わることなどから、光触媒活性等の特性が変化することが知られている。
このチタニアを含有する薄膜のうち、ＳｉＯ_２−ＴｉＯ_２系薄膜について、チタニアの結晶構造や形状を考慮した研究が既にいくつかなされている。たとえば、Ａｂｅらにより、ビスアセチルアセトナートチタニウムジイソプロポキシドあるいはビスアセト酢酸エチルチタニウムジイソプロポキシドとケイ酸を用いて製造されたＳｉＯ_２−ＴｉＯ_２系複合酸化物において、チタニアをアナターゼ相にするために、この複合酸化物がＴｉＯ_２を９４ｍｏｌ％含む場合には５００℃以上の熱処理を、８９〜６７ｍｏｌ％含む場合には７５０℃以上の熱処理をそれぞれ施す必要があること、さらに、５０ｍｏｌ％のＴｉＯ_２を含む場合には１０００℃で熱処理を行ってもアナターゼ相のＴｉＯ_２を得ることはできず、非晶質のままであること、などが報告されている（Ｙ．Ａｂｅ．Ｎ．Ｓｕｇｉｍｏｔｏ，Ｙ．Ｎａｇａｎｏ ａｎｄ Ｔ．Ｍｉｓｏｎｏ，Ｊ．Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ．，１０４（１９８８）１６４．）。
また、この出願の発明者らにより、チタニウムノルマルブトキシドとシリコンテトラエトキシドを出発原料に用い、希塩酸で加水分解を行った溶液からＴｉＯ_２を１６．５ｍｏｌ％含有するＳｉＯ_２−ＴｉＯ_２系薄膜を形成し、これを３５０℃で熱処理した後に１００℃、１気圧程度の水蒸気に暴露させることによって、アナタターゼ型のＴｉＯ_２を、微結晶として膜表面に析出できることが報告されている（Ａ．Ｍａｔｓｕｄａ，Ｔ．Ｋｏｇｕｒｅ，Ｙ．Ｍａｔｓｕｎｏ，Ｓ．Ｋａｔａｙａｍａ，Ｔ．Ｔｓｕｎｏ，Ｎ．Ｔｏｈｇｅ ａｎｄ Ｔ．Ｍｉｎａｍｉ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．，７６（１９９３）２８９９）。さらに、ＳｉＯ_２−ＴｉＯ_２ゲル膜を温水という温和な条件で処理することにより、膜状面にアナターゼ相チタニア微結晶を析出させる方法等についても提案（ＰＣＴ／ＪＰ９９／００４７７）されている。これらのように、チタニアが膜表面に微結晶として析出されたＳｉＯ_２−ＴｉＯ_２系薄膜は、ＴｉＯ_２の比表面積が増大されていることから、通常のＳｉＯ_２−ＴｉＯ_２系薄膜よりも光触媒活性が高められていることが確認されている。
その一方で、ＴｉＯ_２の単体に関して、Ｓａｓａｋｉらにより、種々のチタン酸塩をイオン交換して機械的な摩砕操作を行うことにより、０．７９〜１．０４ｎｍ付近の比較的大きな層間距離を有する層状のチタニアナノシートが得られることが報告されている（Ｔ．Ｓａｓａｋｉ，Ｍ．Ｗａｔａｎａｂｅ，Ｙ．Ｍｉｃｈｉｕｅ，Ｙ．Ｋｏｍａｔｓｕ，Ｆ．Ｉｚｕｍｉ，Ｓ．Ｔａｋｅｎｏｕｃｈｉ，Ｃｈｅｍｓｔｒｙ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，７（１９９５）１００１）。このチタニアナノシートは、粉末状のＴｉＯ_２に比較して大きさが小さく、かつ形状が制御されて比表面積が増大されているために光触媒活性が高く、さらにチタニアナノシートが層状構造を形成していることから、なんらかの新規な機能を発現することが期待されている。しかしながら、このチタニアナノシートを２次製品に利用するには、このチタニアナノシートを基材上に担持させるための手間がかかるという問題があった。
この出願の発明者らは、ＳｉＯ_２−ＴｉＯ_２ゲル膜の組成を厳密に制御して温水で処理することにより、０．７ｎｍ近傍の層間距離をもつチタニア微結晶を膜表面に析出させたＳｉＯ_２−ＴｉＯ_２透明薄膜を得ることに成功している（特願２０００−２８９５２８）。この方法により得られるＳｉＯ_２−ＴｉＯ_２ゲル膜は、優れた超親水性や光触媒活性を示すものとしてその応用が期待されているものである。そして、このチタニア微結晶が表面に析出されたＳｉＯ_２−ＴｉＯ_２透明薄膜の実現により、膜表面にチタニアナノシートが分散されたＳｉＯ_２−ＴｉＯ_２ゲル膜の実現も望まれるようになってきている。しかしながら、その実現は、実際には、未だなされていないものである。
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、高い光触媒活性を示すとともに、優れた超親水性および防曇性を長時間維持することができる、新規なチタニアナノシート配向薄膜とその製造方法およびそのチタニアナノシート配向薄膜を備えた物品を提供することを課題としている。
発明の開示
そこで、この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、以下の通りの発明を提供する。
すなわち、まず第１には、この出願の発明は、シリカとチタニアを主成分とする薄膜であって、その表面に、大きさがナノメートルオーダーで、層状構造を有するチタニアナノシートが分散されていることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜を提供する。
そしてこの出願の発明は、上記の発明について、第２には、チタニアナノシートの層間距離が、０．６〜０．８５ｎｍであることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜を、第３には、チタニアナノシートの層間距離が、０．７ｎｍもしくはその近傍であることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜を、第４には、チタニアナノシートが、表面全体に高分散されていることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜を、第５には、シリカとチタニアの配合が、モル比で、ＳｉＯ_２：ＴｉＯ_２＝５：１〜１：３の範囲であることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜を、第６には、シリカとチタニアの配合が、モル比で、ＳｉＯ_２：ＴｉＯ_２＝３：１であることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜を、第７には、水に対する接触角が５°以下の超親水性を示すことを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜を、第８には、防曇性を示すことを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜を、第９には、水に対する接触角が、空気中暗所で２０００時間保持後に１０°以下であることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜を、第１０には、光触媒活性を示すことを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜を提供する。またこの出願の発明は、第１１には、上記のいずれかのチタニアナノシート配向薄膜を備えていることを特徴とする物品等もその態様として提供する。
一方で、この出願の発明は、第１２には、シリコンアルコキシドと加水分解性を有するチタニウム化合物を含む溶液から、チタニウム化合物とシリコンアルコキシドの複合金属酸化物あるいは水酸化物を含むゲル膜を作製し、このゲル膜に対して、温水を接触させるとともに振動を加える振動温水処理を施すことで、表面に大きさがナノメートルオーダーで、層状構造を有するチタニアナノシートを配向析出させることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜の製造方法を提供する。
また、この出願の発明は、第１３にはシリコンアルコキシドと加水分解性を有するチタニウム化合物を含む溶液から、チタニウム化合物とシリコンアルコキシドの複合酸化物あるいは水酸化物を含むゲル膜を作製し、このゲル膜に対して、温水を接触させるとともに電圧を印加する電場温水処理を施すことで、表面に大きさがナノメートルオーダーで、層状構造を有するチタニアナノシートを配向析出させることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜の製造方法を提供する。
そして、この出願の発明は、上記発明の方法において、第１４には、加水分解性を有するチタニウム化合物が、チタニウムアルコキシドであることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜の製造方法を、第１５には、シリコンアルコキシドとチタニウム化合物の配合が、モル比で、ＳｉＯ_２：ＴｉＯ_２＝５：１〜１：３の範囲であることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜の製造方法を、第１６には、シリコンアルコキシドとチタニウム化合物の配合が、モル比で、ＳｉＯ_２：ＴｉＯ_２＝３：１であることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜の製造方法を、第１７には、ゲル膜を、基板上に形成することを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜の製造方法を、第１８には、ゲル膜に連続的な振動を与えながら温水と接触させることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜の製造方法を、第１９には、ゲル膜の表面法線方向に振動させることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜の製造方法を、第２０には、３０ｍｍ／秒以上の振動を加えることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜の製造方法を、第２１には、振幅２．５ｍｍで５〜１０Ｈｚの振動を加えることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜の製造方法を、第２２には、直流電圧を印加して電場温水処理を施すことを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜の製造方法を、第２３には、温水処理には、９０℃の温水を使用することを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜の製造方法を、第２４には、２時間以上の温水処理を施すことを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜の製造方法を提供する。
発明を実施するための最良の形態
この出願の発明は、上記の通りの特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
この出願の発明が提供するチタニアナノシート配向薄膜は、シリカとチタニアを主成分とする薄膜であって、その表面に、大きさがナノメートルオーダーで、層状構造を有するチタニアナノシートが分散されていることを特徴としている。
この出願の発明のチタニアナノシート配向薄膜を、模式的に図１に例示した。チタニアナノシート配向薄膜（１）は、シリカとチタニアを主成分とする薄膜（１）であって、その薄膜（１）の表面に、チタニアナノシート（２）が分散されたものとして実現されている。
このようなチタニアナノシート（２）は、一枚の大きさが５〜５０ｎｍ程度の、薄片状ないしはシート状のチタニアが、全体としては、大きさが数ｎｍ〜数１００ｎｍのナノメートルオーダーで、厚さが１〜２０ｎｍ程度の層状構造を形成しているものである。
そしてこの出願の発明のチタニアナノシート配向薄膜（１）においては、チタニアナノシート（２）の層間距離は０．５〜１．０ｎｍ程度であり、代表的には、層間距離は０．７ｎｍもしくはその近傍のものとして特徴づけることができる。
表１に示したように、チタニアナノシートは、一般に、Ｈ_ｘＴｉＯ_ｙ・ｚＨ_２Ｏとして表記することができ、またこれらのチタニアナノシートは層間距離（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ ｓｐａｃｉｎｇ）によって特徴づけることができる。従って、この出願の発明におけるチタニアナノシートは、これらの類似の化合物もしくはこれらの混合物であると予想される。

そして、特徴的なことに、この出願の発明のチタニアナノシート配向薄膜（１）においては、チタニアナノシート（２）の分散の状態は、チタニアナノシート（２）が薄膜（１）の表面に平行に堆積しているのではなく、少なくとも薄膜（１）の表面部では角度を持って立ち上がった状態で分散されている。このチタニアナノシート（２）は、薄膜（１）の表面の一部に、あるいは全体に低密度で分散されたものであってもよいが、この出願の発明の発明においては、より好ましい態様として、チタニアナノシート（２）が、薄膜（１）の表面全体に高分散されたチタニアナノシート（２）配向薄膜（１）を実現している。なお、この出願の発明において、「高分散されている」との表現は、薄膜（１）の表面の平面積に対して、一般的には、３０％以上が、さらに好ましくは５０％以上が、また実現可能なものとしてほぼ１００％がチタニアナノシート（２）として認められることを意味している。
このようなこの出願の発明のチタニアナノシート（２）配向薄膜（１）は、その表面に、チタニアナノシート（２）が分散されていることから、光触媒活性を示すことを特徴としている。このチタニアナノシート（２）は、たとえば図１０に例示したような従来のチタニア微結晶（４）が分散された薄膜（１）におけるチタニア微結晶（４）よりも表面積が十分大きいことから、その光触媒活性についても、この出願の発明のチタニアナノシート（２）配向薄膜（１）のほうが、チタニア微結晶（４）が分散された薄膜（１）よりも高められている。
また、この出願の発明のチタニアナノシート（２）配向薄膜（１）は、表面に分散されたチタニアナノシート（２）が、薄膜（１）の表面に全体として微細な凹凸組織を形成している。この凹凸組織は光の波長に対して十分に小さいものであり、また、チタニア微結晶（４）に比べて光散乱が起こりにくいため、薄膜は透明性が高く、意匠性に優れているとともに、水に対する接触角が５°以下の超親水性を示すことを特徴としている。さらにこの超親水性については、たとえば、空気中暗所で１０００時間保持した後に１０°以下で、さらに空気中暗所で２０００時間保持した後にも１０°程度という低い接触角が維持され、従来には見られないほど長時間にわたって超親水性を示すものとして実現することができる。
加えて、この親水性の指標として、この出願の発明のチタニアナノシート（２）配向薄膜（１）の有する防曇性を示すことができる。このチタニアナノシート（２）配向薄膜（１）は、空気中暗所で２０００時間保持したものについても、呼気によってほとんど曇らない、５０℃程度のお湯にかざしても曇らない、などの優れた防曇性をも備えている。
さらに、この出願の発明のチタニアナノシート（２）配向薄膜（１）は、チタニアナノシート（２）が層状構造を形成していることから、なんらかの新規な機能を発現することが期待できるものでもある。
このようなこの出願の発明のチタニアナノシート（２）配向薄膜（１）は、シリカとチタニアの配合を、モル比で、ＳｉＯ_２：ＴｉＯ_２＝５：１〜１：３と、広い範囲で調整することができる。これによって、上記のこの出願の発明のチタニアナノシート（２）配向薄膜（１）の光透過性が高められ、高い光触媒活性と超親水性が得られることになる。そして、このシリカとチタニアの配合については、より限定的には、ＳｉＯ_２：ＴｉＯ_２＝３：１およびその付近とすることを好適な例として示すことができる。これによると、このチタニアナノシート（２）配向薄膜（１）の光触媒活性や、超親水性がより高められたものとして提供することができる。
以上のこの出願の発明のチタニアナノシート（２）配向薄膜（１）は、たとえば、超親水性コーティング薄膜や高光触媒活性コーティング薄膜等として様々な応用が可能とされている。そこで、この出願の発明が提供する物品は、上記のこの出願の発明のチタニアナノシート（２）配向薄膜（１）を備えていることを特徴としている。この物品として、より具体的には、たとえば任意の製品を基材（３）としてこの出願の発明のチタニアナノシート（２）配向薄膜（１）を配設することで、その製品に、防汚機能、防曇機能、水や有機物等の光分解機能、窒素酸化物等の大気汚染物質の光分解機能、あるいは有害微生物に対する殺菌および抗菌作用が付与されたものとして実現される。このチタニアナノシート（２）配向薄膜（１）の基材（３）上への配設については、後で説明するとおり、任意の製品を基材（３）としてその表面にチタニアナノシート（２）配向薄膜（１）を直接製造するようにして行なってもよいし、予め製造されたチタニアナノシート（２）配向薄膜（１）を任意の製品の表面に付着させるなどして配設するようにしてもよい。
以上のこの出願の発明のチタニアナノシート配向薄膜は、たとえば、この出願の発明のチタニアナノシート配向薄膜の製造方法によって製造することができる。すなわち、この出願の発明が提供するチタニアナノシート配向薄膜の製造方法は、シリコンアルコキシドと加水分解性を有するチタニウム化合物を含む溶液から、チタニウム化合物とシリコンアルコキシドの複合金属酸化物あるいは水酸化物を含むゲル膜を作製し、このゲル膜に対して、温水を接触させるとともに振動を加える振動温水処理を施すことで、表面に大きさがナノメートルオーダーで、層状構造を有するチタニアナノシートを配向析出させることを特徴としている。
また、この出願の発明は、振動温水処理法とは別に、シリコンアルキシドと加水分解性を有するチタニウム化合物を含む溶液から、チタニウム化合物とシリコンアルコキシドの複合酸化物あるいは水酸化物を含むゲル膜を作製し、このゲル膜に対して、温水を接触させるとともに電圧を印加する電場温水処理を施すことで、表面に大きさがナノメートルオーダーで、層状構造を有するチタニアナノシートを配向析出させることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜の製造方法も提供する。
この出願の発明のこれらの製造方法においては、出発物質としてのシリコンアルコキシドとしては、たとえば一般式Ｓｉ（ＯＲ）_４で表される各種のものを使用することができる。ここで、アルコキシル基ＯＲを構成する有機基Ｒとしては、たとえば、炭素数１〜６の、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基等の同一または別異の低級アルキル基を挙げることができる。より具体的には、たとえば、シリコンテトラエトキシドを用いることが、好適な例として示される。
シリコンアルコキシドは、有機溶媒に溶解させて、シリコンアルコキシド溶液を調製する。このとき、必要に応じて、アルコキシル基の加水分解を促進したり脱水縮合反応を促進するための触媒や水を添加してもよい。シリコンアルコキシドに加える有機溶媒および水は、モル比で、それぞれ１〜８、１〜６程度とすることが好ましい。
有機溶媒としては、たとえば、メタノール、エタノール、１−プロパノール、イソプロピルアルコール、１−ブタノール、２−ブタノール、イソブチルアルコール、ｔｅｒ−ブチルアルコール、１−ペンタノール、２−ペンタノール、３−ペンタノール等を例示することができる。
触媒としては、たとえば、硝酸、塩酸、硫酸、燐酸、酢酸、アンモニア等を例示することができる。
出発物質としての加水分解性を有するチタニウム化合物は、一例として、金属有機化合物であるチタニウムアルコキシド、しゅう酸チタン、金属無機化合物として硝酸チタン、四塩化チタン等を用いることができるが、なかでもチタニウムアルコキシドを用いることが好ましい。チタニウムアルコキシドとしては、例えば、テトラメトキシチタン、テトラエトキシチタン、テトラｎ−プロポキシチタン、テトライソプロポキシチタン、テトラｎ−ブトキシチタン、テトライソブトキシチタン等が例示される。
チタニウム化合物についても、前記と同様の有機溶媒に溶解させて、チタニウム溶液を調製する。チタニウム化合物に加える有機溶媒は、モル比で２０程度とすることが好ましい。
上記のように調製したシリコンアルコキシド溶液およびチタニウム溶液を混合し、チタニウム化合物とシリコンアルコキシドの複合金属酸化物あるいは水酸化物を含むゲル膜を形成させる。シリコンアルコキシドとチタニウム化合物の配合は、モル比で、前記の通りのＳｉＯ_２：ＴｉＯ_２＝５：１〜１：３の範囲、より好ましくは、３：１付近となるように調整することができる。チタニウム化合物とシリコンアルコキシドのモル比を３：１付近とすることで、得られるこの出願の発明のチタニアナノシート配向薄膜の光触媒活性をより高めることができる。
またゲル膜については、各種の材料からなる基材の上に形成することができる。基材としては、各種のガラス材料、金属材料、無機質材料、プラスチック材料、紙、木質材料等とすることができる。また、後で述べるが、この出願の発明の方法は、１００℃以下の温和な条件でチタニアナノシート配向薄膜を製造するようにしているため、たとえば、有機高分子や生体組織等を基材として用いることができる。そしてこの基材は、この出願の発明のチタニアナノシート配向薄膜が備えられた物品の全部、あるいはその一部を用いることもできる。基材上への塗布方法は、上記のとおり、ディップコーティング法、スプレー法、スピンコーティング法等の各種の方法を利用することができる。
この出願の発明の方法において特徴的なことは、次いでこのゲル膜に対して、温水を接触させるとともに振動を加える振動温水処理もしくは電圧印加による電場温水処理を施すようにしている。この処理により、表面に大きさがナノメートルオーダーで、層状構造を有するチタニアナノシートを配向析出させることができる。ここで、配向析出とは、チタニアが粒子を形成して析出するのではなく、層状構造を形成し、かつ、膜表面から角度をもって析出するために必須な要件として理解することができる。そして、この出願の発明の振動もしくは電場による温水処理による配向析出の誘起に、どのような機構が関係しているのかは定かではないが、おそらく、微結晶が表面エネルギーの安定な方向へ成長する傾向をこの振動もしくは電場温水処理が助長しているものと推測される。
このゲル膜に加える振動については、様々な振動の形態を、様々な方法で加えることを考慮することができる。たとえば、振動の形態としては、間隔を持ったパルス的なものや、波動のような連続的なもの等を、振動を加える方法としては、振動を直接ゲル膜に加えてもよいし、あるいは基板に加えてもよいし、さらには接触している水を介して加えるようにしてもよい。またこの振動の方向については特に制限はなく、ゲル膜の表面に水平な方向や垂直な方向、あるいは楕円振動や、さらにはこれらを様々に組み合わせる等、本質的にゲル膜に振動を与えるものであれば制限されることはない。この出願の発明において、より均一にかつ効率的にチタニアナノシートを配向析出させるには、ゲル膜に連続的な振動を与えながら温水と接触させることが好ましく、さらには振動をゲル膜の表面法線方向に加えることが好ましいものとして例示される。
また、この振動の大きさについては、ゲル膜の組成などにより異なるため一概には言えないが、おおよそ３０ｍｍ／秒以上の大きさの振動を加えることを一つの目安とすることができる。この３０ｍｍ／秒以上の大きさの振動は、より具体的には、たとえば振幅２．５ｍｍで１８０回／分以上の振動として、振幅５ｍｍで９０回／分以上等のように、装置環境に応じて調整することができる。この振動数については、小さすぎる場合には振動の効果が得られずにチタニアナノシートを析出させることができず、また逆に、たとえば超音波振動のように、あまりにも大きすぎるのも不適当である。そしてこの出願の発明においては、たとえば振幅２．５ｍｍの場合には、振動数５〜１０Ｈｚ（３００〜６００回／分）の振動として加えることを好適なものとしている。
また、電圧の印加による電場温水処理も様々な形態として実施することができる。温水中に浸漬した状態で、たとえば直流電圧を、対向させた正負極に印加して電場を形成してもよいし、あるいは交流の電場を形成してもよい。実際的には、一般的に直流電場の場合により有効性が高い。もちろんこれに限られることはない。
印加する電圧の大きさは、対向させた基板の距離やゲル膜の状態等を考慮して定めることができる。
振動温水処理、そして電界温水処理のいずれの場合も、温水の温度は、１００℃以下とすることができ、さらには室温程度から１００℃以下の、より限定的には５０〜１００℃程度の範囲とすることが好ましい。より効率的には、９０℃〜１００℃程度温水とすることができる。
また、温水処理の処理時間についてはゲル膜の組成や用いる温水の温度、さらには加える振動や電場の大きさ等によっても異なってくるが、任意に決定することができ、得られる薄膜表面に配向析出されるチタニアナノシートの量、分散状態が所望のものとなるように調整することができる。たとえば、チタニアナノシートを薄膜の表面全体に高密度に配向析出させる場合には、おおよその目安として、２時間以上の温水処理を施すことが好ましい。温水処理の時間が２時間未満の場合では、チタニアナノシートが十分高密度に配向析出されなかったり、チタニアナノシートが十分な大きさに成長しなかったりすることが考えられる。
これによって、優れた超親水性を長時間維持することができる、新規なチタニアナノシート配向薄膜を製造することができる。そして、任意の製品の全体あるいはその一部を基材としてその表面にこのチタニアナノシート配向薄膜を直接製造したり、予め製造したチタニアナノシート配向薄膜を任意の製品の表面に何らかの手段で付着させるなどすることで、このチタニアナノシート配向薄膜を備えた物品を製造することができる。
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
実 施 例
（実施例１）
テトラエトキシシラン、エタノール、水からなる混合溶液に、３．６ｗｔ％の塩酸を加えて３０分間加水分解させた後、テトラノルマルブトキシチタンのエタノール溶液を加えて３０分間攪拌することで、ゾル状の組成物を得た。ここで、テトラエトキシシラン、エタノールおよび水の混合割合は、モル比で１：５：４とし、テトラノルマルブトキシチタンとエタノールの混合割合は、モル比で１：２０とした。また、混合溶液とテトラノルマルブトキシチタンのエタノール溶液の混合割合は、モル比で、ＳｉＯ_２：ＴｉＯ_２＝７５：２５となるようにした。
このゾル状組成物を、引き上げ速度３．０３ｍｍ／ｓｅｃとしたディップコーティング法により、シリコンウェハーおよび無アルカリガラス基板の表面に塗布し、９０℃で１時間乾燥させて、７５ＳｉＯ_２・２５ＴｉＯ_２ゲル膜を作成した。
次いでこのゲル膜を基板ごと９０℃の温水に浸漬し、基板と垂直な方向に６０ｍｍ／ｓｅｃ（振幅２．５ｍｍ、振動数３６０回／ｍｉｎ）で振動させながら、２時間程度の温水処理を施した。これにより、厚さが約１００ｎｍの、透明な薄膜が得られた。
この透明薄膜の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、その断面斜視像を図２に例示した。ＳＥＭ観察から、この透明薄膜の表面には、大きさが〜１００ｎｍ程度のナノメートルサイズのチタニアナノシートが、薄膜の表面全体に高密度に配向して析出している様子が観察された。透明薄膜の表面全体にチタニアナノシート微結晶を析出させるには、この場合、振動温水処理を２時間以上施す必要があった。
この透明薄膜を高分解能透過型電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）で観察し、その断面像を図３に例示した。チタニアナノシート微結晶が、あたかも基板から生え伸びているように、基板上に高密度に配向して析出している様子が確認された。このチタニアナノシート微結晶は、０．７ｎｍ近傍の層間距離を持つ層状組織を形成していることも確認された。
また、この透明薄膜をさらに高倍率で観察し、図４にその（ａ）ＨＲＴＥＭ像と、（ｂ）これをフーリエ変換して格子縞解析した結果を例示した。（ａ）のチタニアナノシート微結晶は層間距離が０．６ｎｍ程度であり、（ｂ）には、アナターゼ相、ルチル相、ブルッカイト相のチタニアには見られない、このチタニアナノシート微結晶に特徴的な０．６ｎｍのスポットが明瞭に現われることがわかった。またその２倍に相当する１．２ｎｍのスポットも見られた。
この透明薄膜における別のチタニアナノシートを観察した結果を図５（ａ）（ｂ）に例示した。（ａ）に示したチタニアナノシートは、層間距離が０．６０〜０．６３ｎｍ程度であり、一方の（ｂ）に示したチタニアナノシート微結晶は、層間距離が〜０．８２ｎｍ程度であった。
このように、この出願の発明のチタニアナノシート配向透明薄膜には、層間距離がおよそ０．６ｎｍ〜０．８５ｎｍの層状組織に高密度に配向しているチタニアナノシートが存在することが確認された。
（比較例１）
実施例と同じ手順で７５ＳｉＯ_２・２５ＴｉＯ_２ゲル膜を作成した。このゲル膜を基板ごと９０℃の温水に浸漬し、基板が振動しないように完全に固定して、２時間程度の温水処理を施した。この振動のない温水処理で得られた透明薄膜には、０．７ｎｍ近傍の層間距離を持つチタニアナノシートは観察されず、既に報告されているとおりの、直径数十ｎｍ程度の粒状の、アナターゼ相のチタニアナノ微結晶が薄膜の表面全体に析出しているのが観察された。
（比較例２）
出発原料としてテトラノルマルブトキシチタン、溶媒としてエタノール、加水分解触媒として塩酸を用いてＴｉＯ_２ゲルを作製し、このゲルをディップコーティング法によりシリコンウェハーおよび無アルカリガラス基板に塗布して１００％ＴｉＯ_２ゲル膜を得た。
このＴｉＯ_２ゲル膜に対して、５００℃で１時間の熱処理を施した。熱処理後のＴｉＯ_２膜をＸ線回折測定およびＴＥＭ観察したところ、ＴｉＯ_２膜のほぼ全体がアナターゼ相のチタニアとなっていることが確認された。このＴｉＯ_２膜の表面には、０．７ｎｍ近傍の層間距離を持つチタニアナノシート微結晶や、直径数十ｎｍ程度の粒状のアナターゼ相チタニアナノ微結晶等の析出は見られず、ほぼ平滑な平面であることが確認された。
（実施例２）
実施例１と同様のこの出願の発明のチタニアナノシート配向薄膜（Ａ）と、比較例１と同様のチタニアナノ微結晶分散薄膜（Ｂ）、および比較例２と同様のアナターゼ相チタニア結晶薄膜（Ｃ）について、水の接触角、光触媒活性能を調べた。
まず、これら３種類の薄膜（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を作製し、作製直後から空気中、暗所で保持した場合の、水の接触角の経時変化を測定した。その結果を図６に示した。
（Ｃ）アナターゼ相チタニア結晶薄膜の接触角はもともと４２°と大きいものであるが、空気中の有機物を吸着することにより、数１００時間の経過後には８０°近くにまで増大してしまうことがわかった。
一方、温水を用いた処理で作製した（Ａ）チタニアナノシート配向透明薄膜と（Ｂ）チタニアナノ微結晶分散薄膜は、作製直後の接触角が５°以下と小さく、また、いずれも、（Ｃ）アナターゼ相チタニア結晶薄膜に比べて接触角の経時変化が小さいことがわかった。とくに、この出願の発明の（Ａ）チタニアナノシート配向透明薄膜については、空気中暗所で１０００時間の経過後も水の接触角が１０°以下で、２０００時間の経過後も水の接触角が１０°程度であり、超親水性を長時間維持する、優れた特性を有していることが確認された。また、この空気中暗所で２０００時間保持後の（Ａ）チタニアナノシート配向透明薄膜において、呼気によりほとんど曇らないこと、５０℃程度のお湯にかざしても曇らないことが確認され、優れた防曇性が備わっていることが示された。
また、これら３種類の薄膜（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）をメチレンブルー（ＭＢ）水溶液に基板ごと浸漬し、超高厚水銀ランプを用いて紫外光を照射したときの、ＭＢの濃度変化を示した。その結果を図７に示した。なお、用いた薄膜（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の厚さは８０〜１００ｎｍで表面積を同じとし、紫外光照度は５８ｍＷ／ｃｍ^−１となるように設定した。紫外光照射は、薄膜の浸漬後３０分の時点で開始した。
薄膜（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）のいずれの場合にも、チタニアの光触媒作用によってＭＢが分解され、ＭＢの濃度が減少していくことが確認された。そして、（Ａ）チタニアナノシート配向透明薄膜と（Ｂ）チタニアナノ微結晶分散薄膜の光分解能については同レベルであるものの、これらは（Ｃ）アナターゼ相チタニア結晶薄膜に比べて、約３０％近く高い光分解作用を示すことが確認された。これは、（Ａ）チタニアナノシート配向透明薄膜および（Ｂ）アナターゼ相チタニアナノ微結晶分散薄膜におけるチタニア含有率が２５％と、（Ｃ）アナターゼ相チタニア結晶薄膜の１００％に比べて大幅に少ないことを考慮すると、特筆すべき高い値であり、優れた光触媒活性を示すといえる。
（実施例３）
実施例１と同じ手順によって、ゾル状組成物を調製し、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）透明導電性薄膜付き無アルカリガラス基板上に７５ＳｉＯ_２・２５ＴｉＯ_２ゲル膜（モル％）を作製した。次いで、図８に示すように、このゲル膜／ＩＴＯ／ガラス基板２枚を、両基板を膜面が向かい合うように１ｃｍの間隔で平行した状態で対向させ、さらに両基板に２．５Ｖの直流電電圧を印加し３時間沸騰水で保持した。その結果、実施例１の振動温水処理と類似の効果が、負極側基板上に形成したゲル膜に対して発揮されることがわかった。ＳＥＭ観察結果を、図９に示した。振動温水処理を行った場合と同様に、チタニアナノシートが生成していることがわかる。電子回折の測定結果から、分析の結果、これらのナノシートも約０．７ｎｍ層間隔を持つ層状組織が形成されていることが確認された。
温水処理の際に、ゲル膜の成分は、通常負に帯電した酸化物もしくは水酸化物の形で溶解する。したがって負極側のゲル膜では、成分の表面への拡散・溶出が促進されるものと考えられる。この効果は、温水処理中に適度な振動を加え、ゲル膜の成分の拡散・溶出を促進する効果と類似している。すなわち、温水処理中にゲル膜成分の拡散・溶出が適度に促進される条件が、この出願の発明のチタニアナノシート薄膜の生成には重要な因子になっていると推察される。
なお、この実施例の条件下では、正極側には、チタニアナノシートの生成は、ほとんど認められなかった。また、この例の条件下において、印加電圧を１Ｖ未満とした場合には、チタニアナノシートの析出は、明瞭ではなかった。一方、印加する電圧を３Ｖ、５Ｖとした場合も２．５Ｖとほぼ同じ効果が得られたが、１０Ｖ以上まで高くすると、膜が黒ずみＴｉの還元が起こっていることが示唆された。また、交流電場についても、類似のチタニアナノシートの析出を助長する効果が確認された。
電場温水処理の場合も、振動温水処理の場合同様、効果が得られるゲル膜組成は、７５ＳｉＯ_２・２５ＴｉＯ_２場合に限定されるものではなく、たとえば好ましい範囲としての、モル比でＳｉＯ_２：ＴｉＯ_２＝５：１〜１：３の比較的広い範囲で確認された。
もちろん、この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
産業上の利用可能性
以上詳しく説明した通り、この発明によって、高い光触媒活性を示すとともに、優れた超親水性および防曇性を長時間維持することができる、新規なチタニアナノシート配向薄膜とその製造方法およびそのチタニアナノシート配向薄膜を備えた物品が提供される。
【図面の簡単な説明】
図１は、この出願の発明のチタニアナノシート配向薄膜を模式的に例示した断面図である。
図２は、実施例１において作製したこの出願の発明のチタニアナノシート配向薄膜を断面斜視方向から走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察した結果を例示した写真である。
図３は、実施例１において作製したこの出願の発明のチタニアナノシート配向薄膜の断面の高分解能透過型電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）像を例示した写真である。
図４は、実施例１において作製したこの出願の発明のチタニアナノシート配向薄膜の（ａ）高分解能透過型電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）像と、（ｂ）これをフーリエ変換して格子縞解析した結果を例示した写真である。
図５は、（ａ）（ｂ）は、実施例１において作製したこの出願の発明のチタニアナノシート配向薄膜の高分解能透過型電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）像を例示した写真である。
図６は、（Ａ）この出願の発明のチタニアナノシート配向薄膜、（Ｂ）チタニアナノ微結晶分散薄膜、（Ｃ）アナターゼ相チタニア結晶薄膜について、水の接触角の経時変化を例示した図である。
図７は、（Ａ）この出願の発明のチタニアナノシート配向薄膜、（Ｂ）チタニアナノ微結晶分散薄膜、（Ｃ）アナターゼ相チタニア結晶薄膜について、光分解能を例示した図である。
図８は、実施例３における電場温水処理の方法を例示した概要図である。
図９は、実施例３により負極側に生成されたチタニアナノシート配向薄膜について走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察した結果を例示した図である。
図１０は、従来のチタニア微結晶分散薄膜の構成を模式的に示した断面図である。
なお、図中の符号は次のものを示す。
１ チタニアナノシート配向薄膜
２ チタニアナノシート
３ 基材
４ チタニアナノ微結晶

Claims (24)

1. シリカとチタニアを主成分とする薄膜であって、その表面に、大きさがナノメートルオーダーで、層状構造を有するチタニアナノシートが分散されていることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜。
2. チタニアナノシートの層間距離が、０．６〜０．８５ｎｍであることを特徴とする請求項１記載のチタニアナノシート配向薄膜。
3. チタニアナノシートの層間距離が、０．７ｎｍもしくはその近傍であることを特徴とする請求項１または２記載のチタニアナノシート配向薄膜。
4. チタニアナノシートが、表面全体に高分散されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載のチタニアナノシート配向薄膜。
5. シリカとチタニアの配合が、モル比で、ＳｉＯ_２：ＴｉＯ_２＝５：１〜１：３の範囲であることを特徴とする請求項１ないし４いずれかに記載のチタニアナノシート配向薄膜。
6. シリカとチタニアの配合が、モル比で、ＳｉＯ_２：ＴｉＯ_２＝３：１であることを特徴とする請求項１ないし５いずれかに記載のチタニアナノシート配向薄膜。
7. 水に対する接触角が５°以下の超親水性を示すことを特徴とする請求項１ないし６いずれかに記載のチタニアナノシート配向薄膜。
8. 防曇性を示すことを特徴とする請求項１ないし７いずれかに記載のチタニアナノシート配向薄膜。
9. 水に対する接触角が、空気中暗所で１０００時間保持後に１０°以下であることを特徴とする請求項１ないし８いずれかに記載のチタニアナノシート配向薄膜。
10. 光触媒活性を示すことを特徴とする請求項１ないし９いずれかに記載のチタニアナノシート配向薄膜。
11. 請求項１ないし１０いずれかに記載のチタニアナノシート配向薄膜を備えていることを特徴とする物品。
12. シリコンアルコキシドと加水分解性を有するチタニウム化合物を含む溶液から、チタニウム化合物とシリコンアルコキシドの複合金属酸化物あるいは水酸化物を含むゲル膜を作製し、このゲル膜に対して、温水を接触させるとともに振動を加える振動温水処理を施すことで、表面に大きさがナノメートルオーダーで、層状構造を有するチタニアナノシートを配向析出させることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜の製造方法。
13. シリコンアルコキシドと加水分解性を有するチタニウム化合物を含む溶液からチタニウム化合物とシリコンアルコキシドの複合酸化物あるいは水酸化物を含むゲル膜を作製し、このゲル膜に対して、温水を接触させるとともに電圧を印加する電場温水処理を施すことで、表面に大きさがナノメートルオーダーで、層状構造を有するチタニアナノシートを配向析出させることを特徴とするチタニアナノシート配向薄膜の製造方法。
14. 加水分解性を有するチタニウム化合物が、チタニウムアルコキシドであることを特徴とする請求項１２または１３記載のチタニアナノシート配向薄膜の製造方法。
15. シリコンアルコキシドとチタニウム化合物の配合が、モル比で、ＳｉＯ_２：ＴｉＯ_２＝５：１〜１：３の範囲であることを特徴とする請求項１２ないし１４いずれかに記載のチタニアナノシート配向薄膜の製造方法。
16. シリコンアルコキシドとチタニウム化合物の配合が、モル比で、ＳｉＯ_２：ＴｉＯ_２＝３：１であることを特徴とする請求項１２ないし１５いずれかに記載のチタニアナノシート配向薄膜の製造方法。
17. ゲル膜を、基板上に形成することを特徴とする請求項１２ないし１６いずれかに記載のチタニアナノシート配向薄膜の製造方法。
18. ゲル膜に連続的な振動を与えながら温水と接触させることを特徴とする請求項１２記載のチタニアナノシート配向薄膜の製造方法。
19. ゲル膜の表面法線方向に振動させることを特徴とする請求項１２記載のチタニアナノシート配向薄膜の製造方法。
20. ３０ｍｍ／秒以上の振動を加えることを特徴とする請求項１２記載のチタニアナノシート配向薄膜の製造方法。
21. 振幅２．５ｍｍで５〜１０Ｈｚの振動を加えることを特徴とする請求項２０記載のチタニアナノシート配向薄膜の製造方法。
22. 直流電圧を印加することを特徴とする請求項１３記載のチタニアナノシート配向薄膜の製造方法。
23. 温水処理には、９０℃〜１００℃の温水を使用することを特徴とする請求項１２ないし２２いずれかに記載のチタニアナノシート配向薄膜の製造方法。
24. ２時間以上の温水処理を施すことを特徴とする請求項１２ないし２３いずれかに記載のチタニアナノシート配向薄膜の製造方法。

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