2015 Fiscal Year Annual Research Report
ウェットプロセスによる実用固体表面への高耐久超撥油コーティングの創製
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15J00802
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
中山 勝利 北海道大学, 総合化学院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | ステンレス鋼 / 酸化セリウム / アノード電解 / 大気中放置 / エッチング / 階層構造 / 超撥水・超撥油 / 自己修復 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超撥水・超撥油性表面は機械的・熱的安定性が低く、大規模応用のためにはその改善が必要である。本研究では、１）従来の有機系撥水・撥油化剤を高い撥水性を示すと報告のあった希土類酸化物に代替すること、２）多孔質陽極酸化アルミナを利用し、損傷箇所が自己修復する表面のを開発することを目的とした。１）については工業的に有利な湿式法で作製した場合の濡れ挙動が、２）については自己修復性に及ぼす幾何学形態パラメータの影響がそれぞれほとんど明らかにされていない。そこで本年度は、電気化学的手法によりSUS304ステンレス鋼表面に作製した、希土類酸化物表面の一種である酸化セリウムの表面濡れ挙動および多孔質アルミナ表面の自己修復性に及ぼすナノポア形態の影響をそれぞれ検討した。
１）硝酸セリウムを含む水溶液中でアノード分極することで、SUS304表面に均一な酸化セリウム層を形成した。この表面は、作製直後は親水性であるが、大気中放置することで撥水化する特異的な濡れ挙動を示した。さらに基板表面を電解エッチングし、凹凸形態を構築することで撥水性は向上し、特に基板に多孔質SUS304メッシュを用いると表面は超撥水性を示した。また表面の撥水性は、一度損失しても大気中放置により再び修復することも見出した。
２）陽極酸化によりナノポアを導入したAl表面に撥水・撥油化剤を過剰に貯蔵した表面は、プラズマ照射で親水化するが、大気中放置により再撥水化する。この挙動は、ナノポア長さにはあまり依存せず、ナノポア径に大きく依存し、径が大きく単位面積あたりに存在するポア数が少ないと十分に修復しないことを見出した。また、超撥油表面に適用することで水のみならず油に対しても同様の修復挙動を示した。
以上は特に高温環境や機械的接触が激しい部分に対する超撥水・超撥油表面の応用において重要な成果と考えられ、さらなる応用の可能性の拡大が期待される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は湿式法により作製した酸化セリウム表面の濡れ性の検討および再陥没アノード酸化皮膜の形成を目的としたが、特に前者の酸化セリウムの作製条件の確立に重きを置くことを予定していた。当初は作製直後から撥水性を示す表面の作製のため、表面の親水性水酸基を除去すべく熱処理を行うことを検討したが、熱処理による基板成分の表面拡散を抑えられず、方針の変更を余儀なくされた。方針を模索している段階で、一ヶ月以上前に酸化セリウムを形成した試料が明らかに高い撥水性を示していることを発見し、その詳細な濡れ挙動を調べる方針に転換した。電気化学的手法により作製した酸化セリウム表面は、作製直後は親水性であるものの、大気中放置により3日以内に撥水化し、同様に放置した陽極酸化アルミナと比較し特異的な濡れ挙動を示すことを見出した。これは本年度前半に発見できたため、基板を電解エッチングして表面に凹凸形態を導入し、撥水性を向上させる段階に早めに切り替えることができた。本年度は予定になかった表面の超撥水化を達成するなど期待以上に研究が進み、学術論文の投稿を予定している。
また、新テーマを同時進行するよりも、本年度以前から進めていた、多孔質陽極酸化アルミナを利用した自己修復性表面の作製の研究を先に進めるべきであると判断し、同テーマを並行して進めてきた。自己修復表面の作製については、陽極酸化ナノポアに撥水・撥油化剤を過剰に貯蔵する方針を定め、明らかでなかった多孔質アルミナのナノポア径または長さといった形態パラメータと自己修復挙動との関連を見出した。また、超撥油表面においても同様の修復挙動を示すことを確認したが、複数回修復させることが未だできていない。こちらについては着実に研究が進んでいるものの、十分とは言い難い。
以上を総括すると、本年度は期待以上とまではいかないものの、おおむね順調に進行していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、本年度に酸化セリウムコーティングによる表面の超撥水化に成功したことを受け、アルミニウムなどステンレス鋼以外の金属を基板とした場合に対する酸化セリウムの形成を試みる。アルミニウムに対する均一な酸化セリウムの形成は困難を極めると予想されるため、電解液濃度、電解条件など、均一形成条件の探索に重点を置く。その後、ステンレス鋼の場合と同様に大気中放置による濡れ挙動を検討する。また本年度に引き続き、多孔質陽極酸化アルミナを利用した自己修復超撥油表面の研究も進める。特に、複数回修復できていない原因を明らかする。この原因としてはナノポア内部において撥水・撥油化剤が重合あるいは蒸発し、貯蔵していた分子が大気中放置に伴い失われている可能性を予想している。撥水・撥油化剤を変更するなど、自己修復に最適な条件を確立する。ここまではプラズマ処理による化学的損傷に対する修復挙動を検討してきたため、例えば指で擦るなど、機械的に表面の撥水・撥油化した場合における修復挙動も検討する。
上記と同時並行で、表面の撥水・撥油化に有効と考えられる、多孔質陽極酸化皮膜のナノポア径が深さ方向に周期的に変調する再陥没陽極酸化皮膜を作製し、有機系フッ素処理した際の表面濡れ性について検討する。具体的には、陽極酸化電圧を周期的に変動させ、連続的に陽極酸化することで再陥没構造を得る。撥水・撥油性に効果を及ぼし得る電圧の組み合わせなど、最適条件の探索を重点的に行う。その後、陽極酸化によりマイクロメーターサイズに近い大きさの六角セル構造を有する皮膜を作製することでポア径を幅広く制御し、表面濡れ性への影響について調べる。この六角セルはディンプル状になっているため一種の柱状構造としても利用出来る。上記の再陥没陽極酸化皮膜と六角セルによるピラー構造を組み合わせ、超撥水・超撥油性表面の作製とその機械的安定性についての検討を行う。
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Research Products
(4 results)
