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JP3912976B2 - Method for producing titanium substrate having photocatalyst film and method for hydrophilizing titanium substrate surface - Google Patents
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JP3912976B2 - Method for producing titanium substrate having photocatalyst film and method for hydrophilizing titanium substrate surface - Google Patents

Method for producing titanium substrate having photocatalyst film and method for hydrophilizing titanium substrate surface Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物質の表面を光触媒的に親水性にする方法、及びその製造方法に関し、特に基材が金属材質である場合に適用する技術である。
【0002】
【従来の技術】
各種の基材の表面に光触媒的な機能を有する物質(例えばTiO2)をコーティングする方法は、特許公報第2756474号及び国際特許WO第97/23572号に開示されている。ここで開示されている基材の材質は、ガラス、タイル、プラスティック、金属をはじめとした各種材質である。
【0003】
基材が金属である場合に、基材の表面に光触媒的な機能を有する物質の製造方法に関し、従来技術の製造方法を図8を用いて説明する。
(1)金属圧延・切り出し工程において、基材となる金属5を所定のサイズに圧延し、切り出す。(2)TiO2成膜工程において、金属5の上に光触媒的な機能を有するTiO2膜2を何らかの方法で成膜する。最後に、(3)アニーリング工程において、所定の雰囲気中、例えば大気中にて、所定の温度で熱処理する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
基材の上にTiO2を何らかの方法でコーティングする場合、その光触媒としての性能を発現あるいは向上させるためには、大気中にて熱処理を必要としている。熱処理の温度としては、500〜800℃といった高温が必要である場合が多い。しかしながら、この熱処理の工程において、基材の成分がTiO2中に拡散することで新たな不純物相をTiO2中に形成し、結果として光触媒的な機能が損なわれる、あるいは、充分に発揮できないという問題が生じることがある。
例えば、一般的なソーダガラスを基材として用いた場合、その上にTiO2を何らかの方法でコーティングした後、500℃の温度で熱処理を施すと、ソーダガラスの成分であるナトリウムがTiO2中に拡散し、Tiと複合酸化物を形成してしまい、光触媒的な機能が損なわれるということが言われている。金属を基材とした場合は、具体的な報告例は不明であるが、金属の成分がTiO2中に拡散することによる光触媒的な機能劣化は避けられないと考えられる。
【0005】
この場合の回避手段として、ソーダガラスの上に中間層としてシリカをまずコーティングし、この上にTiO2をコーティングするという方法が開示されている。ここではシリカ(SiO2)がナトリウムの拡散を防止するブロック層として機能すると説明されている。
この回避手段は広く応用できると思われるが、万能ではないと考える。例えば、産業上の応用として金属基材の表面を光触媒的に親水性にする用途を考えた場合、一般に、金属とセラミックスやガラスとは、積層することが難しい技術であると言われる。これは、互いの熱膨張係数などが大きく異なることから生じる剥離などの問題が存在するからである。
【0006】
本発明では、基材が金属である場合に、剥離等の機械的強度を損なうことなく、熱処理時に基材からの成分の拡散による光触媒的な機能が劣化することなく、光触媒的に表面を親水性にする方法を開示し、従来技術でカバーできなかった部分を補うことで産業に貢献する。
【0007】
【課題を解決するための手段】
金属基材の圧延・切り出し工程と、得られた金属基材の酸洗処理工程と、その後の金属基材上への光触媒物質の成膜工程と、成膜後のアニーリング工程とを含む、光触媒膜を有する金属基材の製造方法を提供する。
また、金属基材の圧延・切り出し工程と、得られた金属基材の酸洗処理工程と、その後の金属基材表面へのTiO2の成膜工程、成膜後のアニーリング工程、光照射工程を含む、金属基材表面の親水化方法を提供する。
本発明では、金属基材としてチタン基材を用い、光触媒物質として酸化チタンを用いる。
【0008】
【発明の実施の形態】
金属基材としては、チタン、ステンレス、アルミ、銅、あるいは合金が挙げられるが本発明で用いる金属基材は、チタンである。金属基材は、例えば、薄板であれば、たわませて使用できるとか、巻き取って保管できるとかといった機能を満たし、チタンは、強靭性、耐熱性に優れる。
チタンが好ましい理由の一つは、酸化チタンと熱膨張係数の整合がとれる点である。すなわち、一般に、異種材料の接合において剥離の原因の一つとして、熱膨張係数が互いに異なり、熱履歴の際に引張り応力、あるいは圧縮応力が生じることがあげられる。このような状況を回避するには、接合する異種材料の熱膨張係数を何らかの方法で一致させる技術が既知である。理科年表によると、チタン、酸化チタン、鉄、ステンレス、アルミ、銅の熱膨張係数は1℃当たり、順に、8.6×10-6、9×10-6、11.8×10-6、14.7×10-6、23.1×10-6、16.5×10-6となっており、チタンと酸化チタンの熱膨張係数がほぼ一致し、他の鉄、ステンレスなどに比べて好適であることが分る。本発明では、金属基材としてチタンを選択することで酸化チタンの剥離を回避するものである。
【0009】
光触媒物質とは、反応物は光を吸収しないで光触媒物質が現象的に光を吸収して、そのエネルギーによって反応を起こさせるものをいい、TiO2、ZnO、SnO2、SrTiO3、WO3、Bi23、Fe23等が挙げられるが、本発明で用いる光触媒物質はTiO2である。TiO2は、水の分解反応、有機物の分解反応等の反応を触媒し、400nmより短い紫外線を吸収し、光の吸収により親水化するという特徴を有する。このように金属基材の表面を親水化できる光触媒としては、他にZnOが挙げられる。本発明では、金属基材と、該金属基材上のTiO2膜とを含み、該TiO2膜に光照射することにより水との接触角が10°以下である親水化表面を有する金属基材を提供できる。
【0010】
本発明に基づく成膜フローの一例をチタンを基材として図1に示す。
図1は、(1)チタン基材1の圧延・切り出し、(2)酸4を用いる酸洗処理、(3)TiO2光触媒膜2を形成する酸化チタン成膜、(4)アニーリングの各ステップを示す。
チタンの圧延・切り出しは、従来と同様である。
本発明は、その後に酸洗処理を施すことを特徴とする。酸洗処理は、酸4を用いて金属表面(図1ではチタン基材1)の不純物層を除去することを指す。圧延上がりのチタン表面には、C(カーボン)とチタンで構成される不純物層が存在する。この不純物層の生成は、一般のチタン板材の製造過程においては避けられない現象と考えられる。実際に、異なる材料メーカーの圧延上がりのチタン板材を分析したところ、同様の不純物層を得た。この不純物層を除去しないで、TiO2膜を成膜し、アニーリングすると、C(カーボン)がTiO2中に拡散し、光触媒的な性能の劣化を引き起こす。したがって、酸洗処理により、不純物層を除去する必要がある。
酸としては、特に限定されず、金属エッチングの分野で一般的に用いられるものでよい。例えば、塩酸(1.5重量%)、硝酸(2.5重量%)、フッ酸(1重量%)、水(95重量%)という組成を有するもの、硝酸(2.5重量%)、フッ酸(2.5重量%)、水(95重量%)という組成を有するものが挙げられる。
【0011】
酸洗処理の効果は、酸にチタン基材をさらす処理時間と温度等に依存する。液温を上げればエッチングレートが増加し、処理時間を延ばせばエッチング深さが増加する。好適な酸洗処理条件は、どれだけの深さをエッチングしたいかで、適宜、条件出しを行えばよい。その場合の除去すべき厚みの目安は、チタン基材の表面をX線回折測定することで決めることができる。すなわち、X線回折データにおいて、図4の(a)で認められたようなチタン以外の相の回折線が消失することをもって、必要にして十分な除去厚みを知ることができる。
【0012】
光触媒物質の成膜方法については、特に限定されず、一般に既知である、バインダー法、ゾルゲル法、気相法などを用いることができる。
光触媒物質の膜の厚さは、好ましくは1μm以下、より好ましくは50〜500nm、さらに好ましくは100nm〜500nmであり、図1に例示されるTiO2膜の厚さも同様な範囲が好ましい。親水化の点では50nm未満でも良いが、電子・正孔対の拡散距離が50nm程度と考えられ、光の利用効率の点から50nm以上が好ましく、さらに100nm以上がより好ましい。これらの膜厚の下限値は、具体的に膜厚を50nm、100nm、150nmとしたTiO2膜を試作し、その光触媒効果、ここではUV照射による表面親水化の効果を実験した結果に基づいている。膜厚が1μmを超えると例えばアニーリングの際にTiO2膜が剥離するおそれがあるため、好ましくは1μm以下、より好ましくは500nm以下としたものである。これは、500nm以下の膜厚とすることで、最高温度1000℃におけるアニーリングにおいても、剥離が発生しなかったという実験事実に基づいている。
【0013】
アニーリングは、酸素が存在し、還元性ガスの存在しない雰囲気中、例えば、大気中において、所定の時間、所定の温度にTiO2膜を成膜した基材をさらすことを指す。アニーリングの目的は、大きく二つある。一つは、成膜時にTiO2膜が酸素欠損の状況である場合に、アニーリングにより、酸素欠損を解消する。この処理により、光触媒的な機能が向上するためである。なお、この場合の酸素欠損とは、TiとO(酸素)の組成比が化学量論比である1:2から外れて、酸素が不足している状態1:(2−x)であることを指す。ここでxは微小な値である。なお、TiO2における酸素欠損を調べる方法としては、次の論文で開示されているラマン分光法を利用した技術を用いることができる(J.C.Parker and R.W.Siegel,J.Mater.Res.,Vol.5,No.6,pp1246〜1252,(1990))。この方法は、アナターゼ構造のTiO2のラマンスペクトルにおいて、通常、ラマン波数144cm―1のラマンピークの位置(波数値)がその酸素欠損に敏感に対応して高波数側にピーク位置がシフトするという実験結果に基づいている。酸素欠損を有するアナターゼ構造のTiO2を大気中で適切な熱処理を実施することで、ラマンピークの位置がバルクのアナターゼのピーク位置に回復することが報告されている。以上の報告に基づき、本発明においては、アニーリング温度条件を未処理、400℃、500℃、600℃として試作したTiO2膜のラマン分光スペクトルを計測し、ラマンピークの位置を市販の粉末試薬のアナターゼと比較することで、アニーリングの効果、すなわち酸素欠損の解消の有無、および、適切なアニーリング温度条件を実験的に求める。その結果、アニーリングにより酸素欠損が解消できること、適切なアニーリング条件としては、400℃以上、より好ましくは500℃以上であるという実験結果に基づいている。
二つめは、成膜時にTiO2膜に非晶質相が含まれる場合、アニーリングにより、非晶質相から結晶相への転移を進行させて光触媒的な機能の向上を計る。アニーリングにより、前述の転移が進行したことはX線回折試験で確認している。ここで非晶質相とは別名アモルファス相のことであり、本発明では、結晶相ではない相のことを指す。また、非晶質相はたとえ組成がTiO2ではあっても、光触媒的な機能を有しないことは既知である。
【0014】
本発明の好ましい第一の態様として、酸洗処理工程とTiO2成膜工程との間にTiO2成膜工程の前処理工程(熱酸化処理)を行うことができる。図2に例示するように、(1)チタン基材1の圧延・切り出し、(2)酸4を用いる酸洗処理、(3)チタン酸化層3を形成する前処理、(4)TiO2光触媒膜2を形成する酸化チタン成膜、(5)アニーリングの各ステップを示す。
この処理は、酸素の存在し、還元性ガスの存在しない雰囲気中、例えば、大気中において、所定の時間の間、所定の温度に基材をさらすことを指し、一般には熱酸化処理と呼ばれる。
好適な処理温度は400〜700℃、好適な処理時間は、数分から数10時間で選択可能である。ただし、温度が700℃を超えると、チタン酸化層の剥離が発生しやすくなる。これは、膜厚が厚くなりすぎた結果と考えられる。また、温度が400℃未満では、チタン酸化層の成長が極めておそくなる場合がある。最も好適な温度範囲としては500〜600℃となり、処理時間は1時間から数10時間の範囲である。
【0015】
チタン基材を所定の温度で熱処理すると、チタン酸化層が生成し、その最表面はTiO2となり、その結晶型はルチル、またはアナターゼとなる。また、チタン酸化層は傾斜層となっており、深さ方向に向かって、次第にTiとO(酸素)の化学量論比が1:2から1:0へと、つまりTiそのものに変化していく。このような傾斜層は基材に強固に接合されていることは一般的な事実である。このチタン酸化層の最表面のTiO2の上に、TiO2膜を成膜することは、材料の接合という点では好適である。TiO2成膜後のアニーリング処理において、TiO2膜の剥離が発生することを防止することができるからである。
さらに、チタン酸化層の効能としては、TiO2膜をチタン基材に成膜するよりも、チタン酸化層の最表面のTiO2の上に成膜する方が、成膜直後でのTiO2膜の結晶化率を高くすることができる点にある。ここで、結晶化率とは、TiO2膜を構成する結晶相と非晶質相の合計の中で、結晶相の占める割合である。また、非晶質相はたとえ組成がTiO2ではあっても、光触媒的な機能を有しないことは既知である。したがって、チタン酸化層の2番目の効能としての、結晶化率が高くなるということは、光触媒的な機能が向上するということである。
【0016】
本発明の好ましい第二の態様として、TiO2成膜工程の前処理工程(酸熱化処理)酸洗処理工程とTiO2成膜工程との間に、中間層成膜工程を行うことができる。例として、図3に、(1)チタン基材1の圧延・切り出し、(2)酸4を用いる酸洗処理、(3)チタン酸化層3を形成する前処理、(4)中間層成膜6を形成する中間層成膜、(5)TiO2光触媒膜7を形成する酸化チタン成膜、(6)アニーリングの各ステップを示す。
本発明の好ましい第一の態様では、TiO2光触媒膜のTiO2の結晶構造は主にルチルと非晶質で構成されている。非晶質構造のTiO2には光触媒活性がほとんどなく、この場合、ルチル構造のTiO2によって光触媒効果が発現する。しかし、TiO2の光触媒効果はルチルよりもアナターゼの方が高いことは既知である。よって、表面を親水化する性能を向上させるには、アナターゼ型のTiO2を実現する必要がある。本発明の好ましい第一の態様において、主にルチル型が生成する原因は、前処理工程(3)で生成するチタン酸化層がルチル型構造をしているからである。その後の酸化チタン成膜工程(4)において、下地となるチタン酸化層がルチル型構造であるときは、成膜される酸化チタンは選択的にルチル型構造のみが生成し、アナターゼ型構造が生成しない。主にルチル構造を有する酸化チタン層とは、アナターゼ構造を有する酸化チタンが存在しないか、または、アナターゼ構造を有する酸化チタンが存在しても、ルチル構造を有する酸化チタンがアナターゼ構造を有する酸化チタンに比べて多いことをいう。本発明の主にルチル構造を有する酸化チタン層の組成は、TiO2成膜時における基板加熱温度、ガス雰囲気、特に酸素分圧、アニーリングにおける熱処理温度、熱処理時間等の条件によって異なるが、通常、ルチル型酸化チタン10〜80重量%、アナターゼ型酸化チタン1重量%以下、非晶質酸化チタン20〜90重量%を有する。
【0017】
本発明の好ましい第二の態様では、中間層を新たに導入し、中間層を下地として酸化チタンを成膜する工程とすることで、アナターゼ相を生成させることができる。これは、より光触媒活性の高いアナターゼ相は下地のルチル相の影響を受けない環境で生成するからである。具体的には、中間層として、例えば、SiO2をスパッタ法で成膜し、そのSiO2膜を下地として酸化チタンを成膜することで、アナターゼ相を含むTiO2光触媒膜が実現する。本発明のアナターゼ相を含む酸化チタン層の組成は、TiO2成膜時における基板加熱温度、ガス雰囲気、特に酸素分圧、アニーリングにおける熱処理温度、熱処理時間等の条件によって異なるが、通常、ルチル型酸化チタン0〜40重量%、アナターゼ型酸化チタン0〜40重量%、非晶質酸化チタン20〜100重量%を有する。条件を好適化して、好ましくは、ルチル型酸化チタン10〜40重量%、アナターゼ型酸化チタン10〜40重量%、非晶質酸化チタン20〜80重量%の組成とする。
【0018】
中間層としては、SiO2、Al23、ZrO2、GeO2などの酸化物が挙げられるが、好ましくは、原料費の安さ、成膜の容易さといった観点からSiO2である。従って、中間層として、SiO2を用いた場合を例示して説明するが、他の酸化物についても同様である。
SiO2膜の膜厚は、好ましくは20nm〜1μm、より好ましくは50〜500nmである。膜厚が厚いと、アニーリングの際に、SiO2膜が剥離するおそれがある。膜厚の下限値を決める要因は3つある。一つはTiO2成膜時に、中間層の上に成膜されるTiO2が、中間層の下地となるルチル型酸化チタン(チタン酸化層)の影響を受けずにすむための厚みが必要である。二つめは、アニーリング時にTiO2膜への不純物の拡散を防止することができるだけの厚みが必要である。三つめに、中間層が島状構造とならず、下地を完全に被覆することができる均一な膜になるための厚みが必要である。以上の3つの厚みに関する条件のうち、最も大きな厚みの条件が、この場合の中間層に必要な厚みの下限値となる。この条件に関しては、具体的な試作とその光触媒効果の評価結果に基づき決定する。SiO2の結晶構造は非晶質が望ましい。
【0019】
SiO2の成膜方法としては、蒸着法、スパッタリング法、CVD法、イオンプレーティング法などの気相法、または、ゾルゲル法などの湿式法等が挙げられるが、製法毎に基材との密着性やSiO2の膜質などが異なる。特に基材との密着性を重視する用途では気相法が望ましいが、廉価であることを重視するならば湿式法が望ましい。
中間層成膜工程に続く、アナターゼ相を含むTiO2光触媒膜7を形成する酸化チタン成膜工程、アニーリング工程は、上述した方法が用いられる。
【0020】
【実施例】
参考例1
(1)チタンの圧延・切り出し
チタンを板厚0.1mmに圧延した後、2インチφの寸法に切出した。用いたチタンの純度は3N(99.9重量%以上)であった。この状態のTi基材の表面の結晶相をX線回折測定により調べた。その結果を図4の(a)に示す。素材であるチタンの回折線以外に、Ti85の回折線が認められた。このTi85が不純物相である。この相が生成する原因については不明である。
【0021】
(2)酸洗処理
酸洗処理によりチタン基材の表面に存在する不純物相を除去した。用いた酸は、塩酸(1.5重量%)、硝酸(2.5重量%)、フッ酸(1重量%)、水(95重量%)という組成であった。室温環境下の液温に対して、チタン基材を数分さらして酸洗処理を行った。X線回折測定によれば、チタン基材の表面が数10μm除去されていた。その結果を図4の(b)に示す。Ti以外の回折線が認められず、図4の(a)で検出された不純物相が酸洗処理によって除去されたことが分る。
【0022】
(3)TiO2成膜
TiO2膜を酸洗処理した後のチタン基材に成膜した。膜厚は200nmである。成膜法として、気相法の1種であるマグネトロンスパッタ法を用いた。スパッタリングターゲットには、ルチル型TiO2粉末を焼結して作製したペレットを用いた。成膜ガス雰囲気は、アルゴンに酸素を加えたガス成分を用いた。その他、詳細は一般的なスパッタ法の成膜条件に準じた。
【0023】
(4)アニーリング
大気雰囲気において、電気炉を用いて、温度500℃、処理時間4時間の条件でTiO2を成膜したチタン基材をアニーリングした。使用した電気炉は一般的な機器である。
以上の四つの工程で製造したTiO2膜が生成されたチタン基材を参考例1の製法のサンプルと呼ぶことにする。
【0024】
比較例1
酸洗処理を省略した以外は、参考例1と同様に実施した。得られたサンプルを従来製法のサンプルと呼ぶことにする。
【0025】
参考例2
参考例1と同様にして、チタン基材の圧延・切り出し、酸洗処理を行った。得られたチタン基材にTiO2成膜を行う前に次の前処理を行った。前処理は、大気雰囲気において、電気炉を用いて、温度600℃、処理時間10時間の条件で実施した。使用した電気炉は一般的な機器であった。前処理を実施した後のチタン基材の表面をX線回折より分析した。得られたX線回折データを図4の(c)に示す。Tiの回折線に加えて、ルチル型TiO2、及び微弱なアナターゼ型TiO2の回折線が認められる。したがって、前処理した後のチタン基材の表面はほぼルチル型TiO2で覆われていることが分る。
前処理の後、参考例1と同様に、TiO2成膜、アニーリングを行った。
以上の工程で製造したTiO2膜が成膜されたチタン基材を参考例2の製法のサンプルと呼ぶことにする。
【0026】
実施例
参考例2と同様にして、チタン基材の圧延・切り出し、酸洗処理、前処理を行った。得られたチタン基材にTiO2成膜を行う前に、次の中間層の成膜を行った。SiO2膜を前処理した後のチタン基材に、成膜法として、気相法の1種であるマグネトロンスパッタ法を用い、膜厚200nmのSiO2膜を形成した。具体的には、スパッタリングターゲットに溶融合成石英を用い、成膜ガス雰囲気はアルゴンに酸素を加えたガス成分を用い、その他の詳細は一般的なスパッタ法の成膜条件に準じた。
中間層成膜の後、参考例1と同様に、TiO2成膜、アニーリングを行った。
以上の工程で製造したTiO2膜が成膜されたチタン基材を実施例の製法のサンプルと呼ぶことにする。
【0027】
実施例の製造方法で、アナターゼ相が生成していることをX線回折試験で確認した。試験結果を図5に示す。アナターゼ相とルチル相が生成していることが分る。
【0028】
サンプルの評価1(UV照射に伴う表面親水化の推移)
参考例1〜2と実施例1のサンプルの光触媒的な機能を調べるために、UV照射に伴う表面親水化の推移を計測した。実験に用いたUVは、500W水銀キセノンランプ(UI−502Q)を光源に用い、自社制作による長さ15cmの水フィルター(合成石英の窓材、水は蒸留水を使用)、板厚2.5mmの紫外透過可視吸収フィルター(HOYA U−340)を透過させたもので、スペクトルの主成分は波長365nmの水銀の輝線であった。サンプル位置でのUV強度は波長365nmの換算で、3.7mW/cm2であり、照射強度の面内分布はサンプルの有効面積に対して5%以内の強度変動であった。実験は、はじめにサンプルの初期状態の水との接触角を計測した後、所定時間、UVをサンプルに照射し、再度、接触角を計測した。再び、UVをサンプルに照射し、接触角を計測するという作業を繰り返した。ここで、接触角はサンプルの同じ分析領域で2度計測しないように注意した。これは、水滴の乾燥した個所が必要以上に汚染されてしまうからである。接触角の測定方法は、JIS R 3257「基板ガラス表面のぬれ性試験方法」において規定されている「静滴法」に準拠した。
【0029】
実験結果を図6と図7に示す。UVの照射強度は一定値であるので、(強度W/cm2)×(時間sec)の計算から照射UVエネルギー(J/cm2)を求めて図6と図7の横軸とした。図6と図7の横軸は、積算された照射UVエネルギー量である。図6と図7の縦軸は、水との接触角をとった。
図6には、参考例1の製法によるサンプルの実験結果と、参考例2の製法によるサンプルの実験結果と、比較用に従来製法によるサンプルの実験結果をプロットした。図7には、参考例2の製法によるサンプルの実験結果と、実施例の製法によるサンプルの実験結果をプロットした。
【0030】
図6から明らかなように、参考例1の製法によるサンプルは、従来製法によるサンプルに比べて、より少ない照射UVエネルギーで親水化しており、光触媒的な性能が優れることが分る。これは、酸洗処理による不純物相の除去が有効であることを示している。
従来製法においては、アニーリング処理において、チタン基材からTiO2膜への不純物相の拡散が生じ光触媒的な機能を損なうような物質がTiO2膜中に生成した結果を反映していると考えられる。
【0031】
図6から明らかなように、参考例2の製法によるサンプルも、従来製法によるサンプルに比べて、より少ない照射UVエネルギーで親水化しており、光触媒的な性能が優れることが分る。
さらに、参考例2の製法によるサンプルは、参考例1の製法によるサンプルに比べて、より少ない照射UVエネルギーで親水化しており、光触媒的な性能が最も優れることが分る。これは、参考例1で述べた酸洗処理による不純物相の除去が有効であることに加え、前処理によるチタン酸化層の形成も有効であることを示している。
参考例2と参考例1の製法の違いは、前処理の有無であり、すなわち、チタン酸化層の有無である。光触媒的な機能において、参考例2の製法によるサンプルが参考例1に比べて優れる理由は、参考例2の方が結晶化率が高いことによるものと考えられる。
【0032】
図7から明らかなように、実施例の製法によるサンプルは、参考例2の製法によるサンプルに比べ、より少ない照射UVエネルギーで親水化しており、光触媒的な性能が優れることが分る。これは、中間層を用いた本発明の製造方法が有効であることを示している。なお、図6と図7のいずれも参考例2の製法によるプロットを示すが、これらは、UVを照射する前のサンプル表面の初期状態が異なるため、一致していない。図6では、自然汚れと呼ばれる状態で、大気中にしばらく(1週間以上)放置した状態で、大気中の吸着種が表面に吸着し(汚れて)、接触角が増加した状態である。図7は、意図的に単分子層レベルの有機物分子を表面に結合させて、疎水的な表面に仕上げたものである。即ち、汚れ具合を制御して、サンプル毎の初期状態の負荷(表面に存在している分子種の種類と量)を均一にし、より精度の高い親水化効果の評価を可能としてものである。
【0033】
サンプルの評価2(鉛筆引っかき試験)
成膜したTiO2膜の機械的な強度を調べるため、光触媒膜の技術分野で多用されている鉛筆引っかき試験を実施し、TiO2膜の鉛筆硬度を求めた。
鉛筆引っかき試験は、JIS K 5400(塗料一般試験方法)に準拠する方法により行った。
参考例2の製法によるサンプルは、鉛筆硬度で「9H以上」という結果を得た。これは鉛筆引っかき試験でカバーする最高硬度9Hよりも膜硬度が高かったことを示す。一般的なゾルゲル法で成膜したTiO2膜の鉛筆硬度を測定してみたところ、H〜3Hという結果を得た。
従来製法によるサンプルと参考例1の製法によるサンプルは鉛筆硬度は約8Hであった。したがって、参考例2の製法によるサンプルは、チタン酸化層の存在により、強固なTiO2膜をチタン基材上に実現できていると言える。
【0034】
【発明の効果】
UV照射による表面親水化の推移を調べた結果である図6は、参考例1で述べた酸洗処理による不純物相の除去が有効であることに加え、参考例2の前処理によるチタン酸化層の形成も有効であることを示している。なお、従来製法においては、アニーリング処理において、チタン基材からTiO2膜への不純物相の拡散が生じ、光触媒的な機能を損なうような物質がTiO2膜中に生成した結果を反映していると考えられる。また、図7に示すように、中間層を成膜した実施例の製法によるサンプルは、中間層を成膜しない製法によるサンプルに比べて、より少ない照射UVエネルギーで親水化しており、光触媒的な性能が優れることが分る。これは、中間層を用いる本発明の製造方法が有効であることを示している。
また、鉛筆硬度の結果が示すように、酸洗処理による不純物相の除去及び前処理によるチタン酸化層の形成の組合せは、前処理により形成されるチタン酸化層の存在により、強固なTiO2膜をチタン基材上に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (1)チタンの圧延・切り出し、(2)酸洗処理、(3)酸化チタン成膜、(4)アニーリングの各ステップを示す本発明の成膜フロー図である。
【図2】 (1)チタンの圧延・切り出し、(2)酸洗処理、(3)前処理、(4)酸化チタン成膜、(5)アニーリングの各ステップを示す本発明の成膜フロー図である。
【図3】 (1)チタンの圧延・切り出し、(2)酸洗処理、(3)前処理、(4)中間層成膜、(5)酸化チタン成膜、(6)アニーリングの各ステップを示す本発明の成膜フロー図である。
【図4】 (a)圧延処理後、(b)酸洗処理後、(c)前処理(熱酸化処理)後、の各処理後のチタン基材のX線回折データを示す図である。
【図5】 (a)実施例、(b)チタン基板、のX線回折データを示す図である。
【図6】 本発明の参考例1、参考例2及び従来技術で試作したTiO2光触媒膜のUV照射に伴う表面親水化の推移を示す図である。
【図7】 本発明の参考例2及び実施例で試作したTiO2光触媒膜のUV照射に伴う表面親水化の推移を示す図である。
【図8】 (1)チタンの圧延・切り出し、(2)酸化チタン成膜、(3)アニーリングの各ステップを示す従来の成膜フロー図である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for making the surface of a substance hydrophilic in a photocatalytic manner and a method for producing the same, and particularly to a technique applied when a substrate is made of a metal material.
[0002]
[Prior art]
Substances having a photocatalytic function on the surface of various substrates (for example, TiO2) Is disclosed in Japanese Patent No. 2756474 and International Patent No. WO 97/23572. The materials of the base material disclosed here are various materials including glass, tile, plastic, and metal.
[0003]
With respect to a method for producing a substance having a photocatalytic function on the surface of the substrate when the substrate is a metal, a conventional production method will be described with reference to FIG.
(1) In the metal rolling / cutting step, the metal 5 serving as a base material is rolled to a predetermined size and cut out. (2) TiO2In the film forming step, TiO having a photocatalytic function on the metal 52The film 2 is formed by some method. Finally, (3) in the annealing step, heat treatment is performed at a predetermined temperature in a predetermined atmosphere, for example, in the air.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
TiO on substrate2In order to express or improve the performance as a photocatalyst, a heat treatment is required in the atmosphere. As the temperature of the heat treatment, a high temperature such as 500 to 800 ° C. is often required. However, in this heat treatment step, the component of the base material is TiO2A new impurity phase is formed by diffusing into TiO2This may cause a problem that the photocatalytic function is impaired as a result, or cannot be fully exhibited.
For example, when general soda glass is used as a substrate, TiO2After coating with some method, when heat treatment is performed at a temperature of 500 ° C., sodium which is a component of soda glass is converted to TiO 2.2It is said that it diffuses in and forms a complex oxide with Ti, impairing the photocatalytic function. When a metal is used as a base material, a specific report example is unknown, but the metal component is TiO.2It is thought that the photocatalytic deterioration of function due to diffusion inside is unavoidable.
[0005]
In order to avoid this case, silica is first coated as an intermediate layer on soda glass, and TiO 2 is coated thereon.2A method of coating is disclosed. Here silica (SiO2) Function as a blocking layer to prevent sodium diffusion.
Although this avoidance measure seems to be widely applicable, I think it is not universal. For example, when considering an application for making the surface of a metal base material photocatalytically hydrophilic as an industrial application, it is generally said that a metal and ceramics or glass are difficult to stack. This is because there is a problem such as delamination that arises because the coefficients of thermal expansion and the like are greatly different.
[0006]
In the present invention, when the base material is a metal, the surface is made hydrophilic photocatalytically without deteriorating the mechanical strength such as peeling and without deteriorating the photocatalytic function due to diffusion of components from the base material during heat treatment. We will contribute to the industry by disclosing the method to make it easy and supplementing the part that could not be covered by the prior art.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  A photocatalyst comprising a rolling / cutting step of a metal substrate, a pickling treatment step of the obtained metal substrate, a film forming step of a photocatalytic substance on the metal substrate, and an annealing step after film formation Provided is a method for producing a metal substrate having a film.
  Moreover, the rolling / cutting-out process of a metal base material, the pickling process process of the obtained metal base material, and the TiO to the metal base material surface after that2A method for hydrophilizing the surface of a metal substrate, including a film forming step, an annealing step after film formation, and a light irradiation step.
  In the present invention, a titanium substrate is used as the metal substrate, and titanium oxide is used as the photocatalytic substance.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Examples of metal substrates include titanium, stainless steel, aluminum, copper, or alloys.But,Metal substrate used in the present inventionIs titanium. For example, if the metal substrate is a thin plate, it satisfies the function of being able to be bent and used by being wound or stored, and titanium is excellent in toughness and heat resistance.
  One of the reasons why titanium is preferable is that the thermal expansion coefficient can be matched with that of titanium oxide. That is, in general, one of the causes of delamination in the joining of different materials is that the thermal expansion coefficients are different from each other, and tensile stress or compressive stress is generated during the thermal history. In order to avoid such a situation, a technique for matching the thermal expansion coefficients of dissimilar materials to be joined by some method is known. According to the scientific chronology, the thermal expansion coefficients of titanium, titanium oxide, iron, stainless steel, aluminum, and copper are 8.6 × 10 in order per 1 ° C.-6, 9 × 10-6, 11.8 × 10-6, 14.7 × 10-6, 23.1 × 10-616.5 × 10-6Thus, it can be seen that the thermal expansion coefficients of titanium and titanium oxide are almost the same, which is preferable as compared with other iron, stainless steel and the like. In the present invention, separation of titanium oxide is avoided by selecting titanium as the metal substrate.
[0009]
  A photocatalytic substance is one in which a reactant does not absorb light and the photocatalytic substance absorbs light in a phenomenon and causes a reaction by its energy.2ZnO, SnO2, SrTiOThree, WOThree, Bi2OThree, Fe2OThreeEtc.,Photocatalytic substance used in the present inventionIs TiO2It is. TiO2Has a feature of catalyzing reactions such as water decomposition reaction and organic substance decomposition reaction, absorbing ultraviolet rays shorter than 400 nm, and hydrophilizing by absorbing light. Other examples of the photocatalyst capable of hydrophilizing the surface of the metal substrate include ZnO. In the present invention, a metal substrate and TiO on the metal substrate2The TiO.2By irradiating the film with light, a metal substrate having a hydrophilized surface having a contact angle with water of 10 ° or less can be provided.
[0010]
An example of a film formation flow based on the present invention is shown in FIG.
FIG. 1 shows (1) rolling and cutting of a titanium substrate 1, (2) pickling treatment using an acid 4, and (3) TiO.2Each step of titanium oxide film forming the photocatalytic film 2 and (4) annealing is shown.
Titanium rolling / cutting is the same as in the prior art.
The present invention is characterized by a subsequent pickling treatment. The pickling treatment refers to removing the impurity layer on the metal surface (in FIG. 1, the titanium substrate 1) using the acid 4. An impurity layer composed of C (carbon) and titanium exists on the rolled titanium surface. The generation of this impurity layer is considered to be an unavoidable phenomenon in the manufacturing process of a general titanium plate material. In fact, when the rolled titanium plate material from different material manufacturers was analyzed, a similar impurity layer was obtained. Without removing this impurity layer, TiO2When a film is formed and annealed, C (carbon) is converted to TiO.2It diffuses in and causes photocatalytic performance degradation. Therefore, it is necessary to remove the impurity layer by pickling treatment.
The acid is not particularly limited and may be one generally used in the field of metal etching. For example, hydrochloric acid (1.5% by weight), nitric acid (2.5% by weight), hydrofluoric acid (1% by weight), water (95% by weight), nitric acid (2.5% by weight), fluorine Those having a composition of an acid (2.5% by weight) and water (95% by weight) can be mentioned.
[0011]
The effect of the pickling treatment depends on the treatment time and temperature of exposing the titanium substrate to acid. If the liquid temperature is raised, the etching rate increases, and if the processing time is extended, the etching depth increases. Suitable pickling treatment conditions may be determined as appropriate depending on what depth is desired to be etched. The standard of the thickness to be removed in that case can be determined by measuring the surface of the titanium base material by X-ray diffraction. That is, in the X-ray diffraction data, the diffraction thickness of the phase other than titanium as recognized in (a) of FIG.
[0012]
The film formation method of the photocatalytic substance is not particularly limited, and generally known methods such as a binder method, a sol-gel method, and a gas phase method can be used.
The film thickness of the photocatalytic substance is preferably 1 μm or less, more preferably 50 to 500 nm, and even more preferably 100 nm to 500 nm. TiO illustrated in FIG.2The film thickness is preferably in the same range. Although it may be less than 50 nm in terms of hydrophilicity, the diffusion distance of electron / hole pairs is considered to be about 50 nm, and is preferably 50 nm or more, and more preferably 100 nm or more from the viewpoint of light utilization efficiency. The lower limit values of these film thicknesses are specifically TiO with film thicknesses of 50 nm, 100 nm, and 150 nm.2This is based on the result of experimenting on the photocatalytic effect, here the effect of surface hydrophilization by UV irradiation. When the film thickness exceeds 1 μm, for example, TiO is used during annealing.2Since there exists a possibility that a film | membrane may peel, it is preferably 1 μm or less, more preferably 500 nm or less. This is based on the experimental fact that peeling did not occur even when annealing at a maximum temperature of 1000 ° C. by setting the film thickness to 500 nm or less.
[0013]
Annealing is performed at a predetermined temperature for a predetermined time in an atmosphere in which oxygen is present and no reducing gas is present, for example, in the air.2It refers to exposing a substrate on which a film is formed. There are two main purposes for annealing. One is TiO during film formation2When the film is in a state of oxygen deficiency, the oxygen deficiency is eliminated by annealing. This is because this treatment improves the photocatalytic function. In this case, oxygen deficiency means that the composition ratio of Ti and O (oxygen) deviates from the stoichiometric ratio of 1: 2, and oxygen is deficient 1: (2-x). Point to. Here, x is a minute value. TiO2As a method for investigating oxygen deficiency, a technique using Raman spectroscopy disclosed in the following paper can be used (JC Parker and RW Siegel, J. Mater. Res., Vol. .5, No. 6, pp 1246-1252, (1990)). This method uses anatase-structured TiO2In the Raman spectrum, the Raman wave number is usually 144 cm1Is based on the experimental result that the peak position shifts to the higher wavenumber side in response to the oxygen deficiency. TiO with anatase structure with oxygen deficiency2It is reported that the position of the Raman peak is restored to the peak position of the bulk anatase by performing an appropriate heat treatment in the atmosphere. Based on the above report, in the present invention, TiO was prototyped by setting the annealing temperature conditions as untreated, 400 ° C., 500 ° C., and 600 ° C.2By measuring the Raman spectrum of the membrane and comparing the position of the Raman peak with that of a commercially available powder reagent, anatase, we experimentally determine the effect of annealing, that is, whether oxygen deficiency has been eliminated, and appropriate annealing temperature conditions. . As a result, oxygen deficiency can be eliminated by annealing, and appropriate annealing conditions are based on experimental results of 400 ° C. or higher, more preferably 500 ° C. or higher.
The second is TiO during film formation.2In the case where the film contains an amorphous phase, the transition from the amorphous phase to the crystalline phase is advanced by annealing to improve the photocatalytic function. It has been confirmed by an X-ray diffraction test that the above-mentioned transition has progressed by annealing. Here, the amorphous phase is also called an amorphous phase, and in the present invention, it refers to a phase that is not a crystalline phase. Also, the amorphous phase has a composition of TiO2However, it is known that it does not have a photocatalytic function.
[0014]
As a preferred first aspect of the present invention, the pickling treatment step and TiO2TiO during the film formation process2A pretreatment step (thermal oxidation treatment) of the film formation step can be performed. As illustrated in FIG. 2, (1) rolling and cutting of the titanium substrate 1, (2) pickling treatment using the acid 4, (3) pretreatment for forming the titanium oxide layer 3, (4) TiO2Steps of titanium oxide film formation for forming the photocatalyst film 2 and (5) annealing are shown.
This treatment refers to exposing the substrate to a predetermined temperature for a predetermined time in an atmosphere in which oxygen is present and no reducing gas is present, for example, in the air, and is generally referred to as a thermal oxidation treatment.
A suitable treatment temperature can be selected from 400 to 700 ° C., and a suitable treatment time can be selected from several minutes to several tens of hours. However, if the temperature exceeds 700 ° C., peeling of the titanium oxide layer tends to occur. This is considered to be a result of the film thickness becoming too thick. If the temperature is less than 400 ° C., the growth of the titanium oxide layer may be extremely slow. The most preferable temperature range is 500 to 600 ° C., and the treatment time is in the range of 1 hour to several tens of hours.
[0015]
When the titanium substrate is heat-treated at a predetermined temperature, a titanium oxide layer is formed, and its outermost surface is TiO.2And its crystal form is rutile or anatase. Further, the titanium oxide layer is an inclined layer, and the stoichiometric ratio of Ti and O (oxygen) gradually changes from 1: 2 to 1: 0, that is, Ti itself in the depth direction. Go. It is a general fact that such a gradient layer is firmly bonded to the substrate. TiO on the outermost surface of this titanium oxide layer2On top of TiO2Forming a film is preferable in terms of bonding of materials. TiO2In the annealing process after film formation, TiO2This is because it is possible to prevent peeling of the film.
Furthermore, as an effect of the titanium oxide layer, TiO2Rather than depositing the film on a titanium substrate, the outermost surface TiO of the titanium oxide layer2The film is formed on the TiO 2 immediately after film formation.2The crystallization rate of the film can be increased. Here, the crystallization rate is TiO2This is the ratio of the crystal phase to the total of the crystal phase and the amorphous phase constituting the film. Also, the amorphous phase has a composition of TiO2However, it is known that it does not have a photocatalytic function. Therefore, the higher crystallization rate as the second effect of the titanium oxide layer means that the photocatalytic function is improved.
[0016]
As a preferred second embodiment of the present invention, TiO2Pretreatment process of film formation process (acid heat treatment) pickling process and TiO2An intermediate layer film forming step can be performed between the film forming step and the film forming step. As an example, FIG. 3 shows (1) rolling and cutting of the titanium substrate 1, (2) pickling treatment using the acid 4, (3) pretreatment for forming the titanium oxide layer 3, and (4) intermediate layer film formation. (5) TiO2Each step of titanium oxide film forming the photocatalyst film 7 and (6) annealing is shown.
In a preferred first aspect of the present invention, TiO2TiO of photocatalytic film2The crystal structure is mainly composed of rutile and amorphous. TiO with amorphous structure2Has almost no photocatalytic activity, and in this case, TiO having a rutile structure2The photocatalytic effect is manifested. However, TiO2It is known that anatase has a higher photocatalytic effect than rutile. Therefore, in order to improve the performance of hydrophilizing the surface, anatase TiO2It is necessary to realize. In the first preferred embodiment of the present invention, the reason why the rutile type is mainly produced is that the titanium oxide layer produced in the pretreatment step (3) has a rutile type structure. In the subsequent titanium oxide film-forming step (4), when the underlying titanium oxide layer has a rutile structure, the titanium oxide film is selectively produced only as a rutile structure and an anatase structure is formed. do not do. The titanium oxide layer mainly having a rutile structure means that titanium oxide having an anatase structure does not exist, or titanium oxide having an anatase structure is present but the titanium oxide having a rutile structure has an anatase structure It means more than that. The composition of the titanium oxide layer mainly having a rutile structure of the present invention is TiO2Usually, rutile-type titanium oxide is 10 to 80% by weight, anatase-type titanium oxide is 1% by weight or less, although it depends on conditions such as substrate heating temperature during film formation, gas atmosphere, especially oxygen partial pressure, annealing heat treatment temperature, annealing time And 20 to 90% by weight of amorphous titanium oxide.
[0017]
In a preferred second aspect of the present invention, an anatase phase can be generated by newly introducing an intermediate layer and forming a titanium oxide film using the intermediate layer as a base. This is because the anatase phase with higher photocatalytic activity is generated in an environment that is not affected by the rutile phase of the base. Specifically, as the intermediate layer, for example, SiO2Is formed by sputtering, and the SiO 22TiO containing anatase phase by depositing titanium oxide with the film as a base2A photocatalytic film is realized. The composition of the titanium oxide layer containing the anatase phase of the present invention is TiO 2.2Usually, rutile type titanium oxide 0 to 40% by weight, anatase type titanium oxide 0 to 40% by weight depending on conditions such as substrate heating temperature during film formation, gas atmosphere, particularly oxygen partial pressure, annealing heat treatment temperature, and heat treatment time. %, 20 to 100% by weight of amorphous titanium oxide. The conditions are optimized so that the composition is preferably 10 to 40% by weight of rutile type titanium oxide, 10 to 40% by weight of anatase type titanium oxide, and 20 to 80% by weight of amorphous titanium oxide.
[0018]
As the intermediate layer, SiO2, Al2OThree, ZrO2, GeO2In view of the low raw material cost and the ease of film formation, it is preferable to use an oxide such as2It is. Therefore, as an intermediate layer, SiO2Although the case where is used will be described as an example, the same applies to other oxides.
SiO2The film thickness is preferably 20 nm to 1 μm, more preferably 50 to 500 nm. If the film thickness is thick, SiO2There is a risk of film peeling. There are three factors that determine the lower limit of the film thickness. One is TiO2TiO formed on the intermediate layer during film formation2However, it is necessary to have a thickness so as not to be affected by the rutile titanium oxide (titanium oxide layer) serving as a base for the intermediate layer. Second, TiO during annealing2A thickness that can prevent the diffusion of impurities into the film is necessary. Thirdly, the intermediate layer does not have an island-like structure, and a thickness is required to form a uniform film that can completely cover the base. Of the above three conditions relating to the thickness, the largest thickness condition is the lower limit of the thickness required for the intermediate layer in this case. This condition is determined based on a specific prototype and an evaluation result of the photocatalytic effect. SiO2The crystal structure is preferably amorphous.
[0019]
SiO2Examples of the film formation method include vapor deposition methods such as vapor deposition, sputtering, CVD, and ion plating, or wet methods such as sol-gel methods. SiO2The film quality is different. In particular, the vapor phase method is desirable for applications in which adhesion to the substrate is important, but the wet method is desirable if importance is attached to low cost.
TiO containing anatase phase following the intermediate layer deposition process2For the titanium oxide film forming step and the annealing step for forming the photocatalyst film 7, the method described above is used.
[0020]
【Example】
referenceExample 1
(1) Titanium rolling and cutting
  Titanium was rolled to a thickness of 0.1 mm, and then cut to a size of 2 inches φ. The purity of titanium used was 3N (99.9% by weight or more). The crystal phase on the surface of the Ti substrate in this state was examined by X-ray diffraction measurement. The result is shown in FIG. In addition to titanium diffraction lines, Ti8CFiveDiffraction lines were observed. This Ti8CFiveIs an impurity phase. The cause of this phase is unknown.
[0021]
(2) Pickling treatment
The impurity phase present on the surface of the titanium substrate was removed by pickling treatment. The acid used had a composition of hydrochloric acid (1.5% by weight), nitric acid (2.5% by weight), hydrofluoric acid (1% by weight), and water (95% by weight). The pickling treatment was performed by exposing the titanium substrate to the liquid temperature under room temperature for several minutes. According to the X-ray diffraction measurement, the surface of the titanium base material was removed by several tens of μm. The result is shown in FIG. It can be seen that diffraction lines other than Ti are not recognized and the impurity phase detected in FIG. 4A is removed by the pickling treatment.
[0022]
(3) TiO2Film formation
TiO2The film was formed on a titanium substrate after pickling treatment. The film thickness is 200 nm. As a film forming method, a magnetron sputtering method, which is a kind of vapor phase method, was used. For the sputtering target, rutile TiO2Pellets produced by sintering powder were used. As a film forming gas atmosphere, a gas component obtained by adding oxygen to argon was used. The other details were in accordance with the film forming conditions of a general sputtering method.
[0023]
(4) Annealing
  In an air atmosphere, using an electric furnace, TiO under conditions of a temperature of 500 ° C. and a treatment time of 4 hours.2The titanium substrate on which the film was formed was annealed. The electric furnace used is general equipment.
  TiO produced by the above four processes2The titanium substrate on which the film was formedreferenceIt will be called a sample of the manufacturing method of Example 1.
[0024]
Comparative Example 1
  Other than omitting the pickling process,referencePerformed as in Example 1. The obtained sample will be referred to as a conventional manufacturing method sample.
[0025]
referenceExample 2
  referenceIn the same manner as in Example 1, the titanium substrate was rolled and cut out and pickled. The obtained titanium base material is made of TiO2The following pretreatment was performed before film formation. The pretreatment was performed in an air atmosphere using an electric furnace at a temperature of 600 ° C. and a treatment time of 10 hours. The electric furnace used was general equipment. The surface of the titanium base material after the pretreatment was analyzed by X-ray diffraction. The obtained X-ray diffraction data is shown in FIG. In addition to Ti diffraction lines, rutile TiO2And weak anatase TiO2The diffraction line is recognized. Therefore, the surface of the titanium base material after the pretreatment is almost rutile TiO.2You can see that it is covered with.
  After pretreatment,referenceSimilar to Example 1, TiO2Film formation and annealing were performed.
  TiO manufactured by the above process2The titanium substrate on which the film was formedreferenceIt will be called a sample of the manufacturing method of Example 2.
[0026]
Example1
  referenceIn the same manner as in Example 2, the titanium base material was rolled and cut out, pickled, and pretreated. The obtained titanium base material is made of TiO2Before the film formation, the next intermediate layer was formed. SiO2Using a magnetron sputtering method, which is a kind of vapor phase method, as a film forming method on a titanium substrate after pre-treating the film, a SiO2 film having a thickness of 200 nm is used.2A film was formed. Specifically, fused synthetic quartz was used as a sputtering target, a gas component in which oxygen was added to argon as a film forming gas atmosphere, and other details were in accordance with film forming conditions of a general sputtering method.
  After intermediate layer deposition,referenceSimilar to Example 1, TiO2Film formation and annealing were performed.
  TiO manufactured by the above process2Example of titanium substrate with film formed1It will be called a sample of the manufacturing method.
[0027]
  Example1It was confirmed by an X-ray diffraction test that an anatase phase was produced by the production method described above. The test results are shown in FIG. It can be seen that anatase and rutile phases are formed.
[0028]
Sample evaluation 1 (Transition of surface hydrophilization with UV irradiation)
  referenceExample 12 and Example 1In order to investigate the photocatalytic function of this sample, the transition of surface hydrophilization with UV irradiation was measured. The UV used in the experiment was a 500cm mercury xenon lamp (UI-502Q) as the light source, a 15cm long water filter (synthetic quartz window material, water using distilled water), 2.5mm thickness The main component of the spectrum was an emission line of mercury with a wavelength of 365 nm, which was transmitted through an ultraviolet transmission visible absorption filter (HOYA U-340). The UV intensity at the sample position is 3.7 mW / cm in terms of a wavelength of 365 nm.2The in-plane distribution of the irradiation intensity was an intensity fluctuation within 5% with respect to the effective area of the sample. In the experiment, first, the contact angle of the sample with water in the initial state was measured, then the sample was irradiated with UV for a predetermined time, and the contact angle was measured again. Again, the operation of irradiating the sample with UV and measuring the contact angle was repeated. Here, care was taken not to measure the contact angle twice in the same analysis region of the sample. This is because the dried portion of the water droplet is more unnecessarily contaminated. The measurement method of the contact angle was based on the “static drop method” defined in JIS R 3257 “Test method for wettability of substrate glass surface”.
[0029]
  The experimental results are shown in FIGS. Since the UV irradiation intensity is a constant value, (intensity W / cm2) X (time sec) calculation, irradiation UV energy (J / cm2) To obtain the horizontal axis of FIGS. The horizontal axis of FIG. 6 and FIG. 7 is the integrated irradiation UV energy amount. The vertical axis | shaft of FIG. 6 and FIG. 7 took the contact angle with water.
  In FIG.referenceExperimental results of the sample by the manufacturing method of Example 1,referenceThe experimental result of the sample by the manufacturing method of Example 2 and the experimental result of the sample by the conventional manufacturing method were plotted for comparison. In FIG.referenceExperimental results of the sample by the manufacturing method of Example 2 and Examples1The experimental result of the sample by the manufacturing method was plotted.
[0030]
  As is clear from FIG.referenceIt can be seen that the sample produced by the production method of Example 1 is hydrophilized with less irradiation UV energy and superior in photocatalytic performance as compared with the sample produced by the conventional production method. This indicates that the removal of the impurity phase by the pickling treatment is effective.
  In the conventional manufacturing method, from the titanium base material to TiO in the annealing process.2Diffusion of impurity phase into the film occurs,A substance that impairs the photocatalytic function is TiO2It is thought that the result produced in the film is reflected.
[0031]
  As is clear from FIG.referenceIt can be seen that the sample produced by the production method of Example 2 is also hydrophilized with less irradiation UV energy and superior in photocatalytic performance as compared with the sample produced by the conventional production method.
  further,referenceSamples from the production method of Example 2 arereferenceCompared to the sample produced by the production method of Example 1, it is hydrophilized with less irradiation UV energy, and the photocatalytic performance is most excellent. this is,referenceIt shows that the removal of the impurity phase by the pickling treatment described in Example 1 is effective, and the formation of the titanium oxide layer by the pretreatment is also effective.
  referenceExample 2 andreferenceThe difference in the manufacturing method of Example 1 is the presence or absence of pretreatment, that is, the presence or absence of a titanium oxide layer. In photocatalytic function,referenceSample from the manufacturing method of Example 2referenceThe reason why it is superior to Example 1 isreferenceIt is considered that Example 2 is due to a higher crystallization rate.
[0032]
  As is clear from FIG.1The sample by the manufacturing method ofreferenceCompared to the sample produced by the production method of Example 2, it can be seen that it is hydrophilized with less irradiation UV energy and has superior photocatalytic performance. This indicates that the production method of the present invention using an intermediate layer is effective. Both FIG. 6 and FIG. 7referencePlots according to the manufacturing method of Example 2 are shown, but these do not agree because the initial state of the sample surface before UV irradiation is different. FIG. 6 shows a state in which the adsorbed species in the atmosphere are adsorbed on the surface (dirt) and the contact angle is increased after being left in the atmosphere for a while (one week or more) in a state called natural dirt. FIG. 7 intentionally finishes a hydrophobic surface by binding monolayer organic molecules to the surface. That is, by controlling the degree of contamination, the initial load (type and amount of molecular species present on the surface) for each sample is made uniform, and the hydrophilic effect can be evaluated with higher accuracy.
[0033]
Sample evaluation 2 (pencil scratch test)
  Deposited TiO2In order to investigate the mechanical strength of the film, a pencil scratch test frequently used in the technical field of photocatalytic film was conducted, and TiO2The pencil hardness of the film was determined.
  The pencil scratch test was performed by a method based on JIS K 5400 (Paint General Test Method).
  referenceThe sample by the manufacturing method of Example 2 obtained a result of “9H or higher” in pencil hardness. This indicates that the film hardness was higher than the maximum hardness 9H covered by the pencil scratch test. TiO film formed by general sol-gel method2When the pencil hardness of the film was measured, a result of H to 3H was obtained.
  Samples made by conventional manufacturing methodsreferenceThe sample by the manufacturing method of Example 1 had a pencil hardness of about 8H. Therefore,referenceThe sample by the production method of Example 2 is a strong TiO due to the presence of the titanium oxide layer.2It can be said that the film is realized on the titanium substrate.
[0034]
【The invention's effect】
  FIG. 6, which is a result of examining the transition of surface hydrophilization by UV irradiation,referenceIn addition to the effective removal of the impurity phase by the pickling treatment described in Example 1,referenceThis shows that the formation of the titanium oxide layer by the pretreatment of Example 2 is also effective. In addition, in the conventional manufacturing method, in the annealing treatment, the titanium substrate is changed to TiO.2Substances that cause diffusion of the impurity phase into the film and impair the photocatalytic function are TiO2It is thought that the result produced in the film is reflected. Further, as shown in FIG. 7, an example in which an intermediate layer was formed1It can be seen that the sample produced by this method is hydrophilized with less irradiation UV energy and superior in photocatalytic performance as compared with the sample produced by the production method without forming the intermediate layer. This indicates that the production method of the present invention using an intermediate layer is effective.
  Moreover, as the result of pencil hardness shows, the combination of the removal of the impurity phase by the pickling treatment and the formation of the titanium oxide layer by the pretreatment is based on the presence of the titanium oxide layer formed by the pretreatment, and the strong TiO2The film can be realized on a titanium substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a film formation flow chart of the present invention showing steps of (1) rolling and cutting of titanium, (2) pickling treatment, (3) titanium oxide film formation, and (4) annealing.
FIG. 2 is a film formation flow chart of the present invention showing steps of (1) rolling and cutting of titanium, (2) pickling, (3) pretreatment, (4) titanium oxide film formation, and (5) annealing. It is.
FIG. 3 shows the steps of (1) rolling and cutting of titanium, (2) pickling treatment, (3) pretreatment, (4) intermediate layer deposition, (5) titanium oxide deposition, and (6) annealing. It is the film-forming flowchart of this invention shown.
FIG. 4 is a diagram showing X-ray diffraction data of a titanium substrate after each of (a) rolling treatment, (b) pickling treatment, and (c) pretreatment (thermal oxidation treatment).
FIG. 5 (a) Example1(B) It is a figure which shows the X-ray-diffraction data of a titanium substrate.
FIG. 6 of the present inventionreferenceExample 1,referenceExample 2 and TiO prototyped in the prior art2It is a figure which shows transition of the surface hydrophilization accompanying UV irradiation of a photocatalyst film | membrane.
[Fig. 7] of the present invention.referenceExample 2 and Examples1TiO prototyped in2It is a figure which shows transition of the surface hydrophilization accompanying UV irradiation of a photocatalyst film | membrane.
FIG. 8 is a conventional film formation flow chart showing steps of (1) rolling and cutting of titanium, (2) titanium oxide film formation, and (3) annealing.

Claims (2)

チタン基材の圧延・切り出し工程と、
得られたチタン基材の酸洗処理工程と、
上記酸洗処理後のチタン基材を酸素が存在し還元性ガスの存在しない雰囲気中で400〜700℃で処理しチタン酸化層を得る熱酸化処理工程と、
上記チタン酸化層に気相法を用いてSiO2とAl23とZrO2とGeO2とからなる一群から選ばれる中間層を形成する中間層形成工程と、
気相法を用いて上記中間層上に光触媒物質であるアナターゼ構造の酸化チタンを含む酸化チタン層を形成する成膜工程と、
上記成膜後の基板を酸素が存在し還元性ガスの存在しない雰囲気中で加熱するアニーリング工程と
を含む、光触媒膜を有するチタン基材の製造方法。
Rolling and cutting process of titanium substrate;
Pickling treatment step of the obtained titanium substrate;
A thermal oxidation treatment step of obtaining a titanium oxide layer by treating the titanium substrate after the pickling treatment at 400 to 700 ° C. in an atmosphere in which oxygen is present and no reducing gas is present;
An intermediate layer forming step of forming an intermediate layer selected from the group consisting of SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 and GeO 2 using a vapor phase method on the titanium oxide layer;
A film forming step of forming a titanium oxide layer containing titanium oxide having anatase structure as a photocatalytic substance on the intermediate layer using a gas phase method;
A method for producing a titanium substrate having a photocatalyst film, comprising: an annealing step of heating the substrate after the film formation in an atmosphere in which oxygen is present and no reducing gas is present.
チタン基材の圧延・切り出し工程と、
得られたチタン基材の酸洗処理工程と、
上記酸洗処理後のチタン基材を酸素が存在し還元性ガスの存在しない雰囲気中で400〜700℃で処理しチタン酸化層を得る熱酸化処理工程と、
上記チタン酸化層に気相法を用いてSiO2とAl23とZrO2とGeO2とからなる一群から選ばれる中間層を形成する中間層形成工程と、
気相法を用いて上記中間層上にアナターゼ構造の酸化チタンを含む酸化チタン層を形成する成膜工程と、
上記成膜後の基板を酸素が存在し還元性ガスの存在しない雰囲気中で加熱するアニーリング工程と、
アニーリング後の酸化チタン層を光照射する光照射工程と
を含むチタン基材表面の親水化方法。
Rolling and cutting process of titanium substrate;
Pickling treatment step of the obtained titanium substrate;
A thermal oxidation treatment step of obtaining a titanium oxide layer by treating the titanium substrate after the pickling treatment at 400 to 700 ° C. in an atmosphere in which oxygen is present and no reducing gas is present;
An intermediate layer forming step of forming an intermediate layer selected from the group consisting of SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 and GeO 2 using a vapor phase method on the titanium oxide layer;
Forming a titanium oxide layer containing titanium oxide having anatase structure on the intermediate layer using a vapor phase method;
An annealing step of heating the substrate after the film formation in an atmosphere in which oxygen is present and no reducing gas is present;
A method for hydrophilizing a titanium substrate surface, comprising a light irradiation step of irradiating the titanium oxide layer after annealing.
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