2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of a Process for Preparation of Robust Structurally Colored Coating Films
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18K19132
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
片桐 清文 広島大学, 大学院工学研究科, 准教授 (30432248)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 構造色 / 電気泳動堆積法 / コロイド粒子 / コーティング膜 / 電解析出法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
構造色は微細構造における光の散乱や干渉で発色するもので、色素とは発色メカニズムが全く異なる色材として注目されている。微粒子集積体による構造色材料はその代表例であるが、構造安定性が乏しいうえに、濡れた場合、空隙に水が入り込むことで屈折率差が変化し、色調が変わってしまう問題点があった。本研究課題では、耐摩擦特性を有し、かつ環境の変化によっても色調が変わらない「ロバスト」な構造色コーティング膜の作製手法の開拓に挑戦することを目的としている。
本研究におけるコーティング膜の作製は、電気泳動堆積法（電着法）による粒子堆積膜の作製をベースとする。これまでの予備検討において粒子堆積膜を電着法で作製することは達成しているが、その膜は耐摩擦性が極めて乏しかった。
そこで初年度である2018年度は、電着膜の耐摩擦性向上をターゲットとして研究を遂行した。粒子堆積膜において、粒子間の空隙を別の無機固体で埋めることができれば、膜中で粒子間に強い結合が形成され、堅牢な構造になると見込まれる。その手法として、金属(水)酸化物の電解析出法を検討した。電着用ゾル中に金属イオンを添加することで、SiO2粒子の電荷を負から正へと反転させ、カソード電着による粒子集積膜の作製が可能となった。ここでCa2+やMg2+などの多価カチオンを用いることが必要であることもわかった。また、カソード表面では水の電気分解等によって局所的にOH-イオン濃度が上昇しており、その影響でSiO2粒子の堆積と同時に金属水酸化物が析出することも分かった。この金属水酸化物がSiO2粒子と基板間、あるいは粒子どうしを接着する役割を果たすことが分かった。とりわけMg2+を用いたものでMg(OH)2が粒子間に均一に析出し、得られた膜が構造色を発色すると同時に高い耐摩擦性を有することも明らかとなった。その膜強度は添加するMg2+イオンの量や電着時に印加する電圧等で変化することも明らかとなった。
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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
当初の計画通り、金属イオンを電着用ゾルに添加することで、鮮やかな構造色を呈するコーティング膜をカソード電着法で作製できた。また、得られた膜が粒子集積膜の空隙に金属水酸化物が析出した複合構造を有しており、その金属水酸化物がバインダーとして機能し、これまでの降雨分子電解質を添加する手法によって作製した膜より耐摩擦性が高いコーティング膜とすることにも成功した。
また、種々の金属イオンのうちMg2+を添加した系で特に優れた耐摩擦特性を有する膜の作製ができることもわかった。
さらに、製膜条件等が粒子間の空隙に析出する金属水酸化物の量などにも影響をおよぼし、限界膜厚などにもその条件が影響することなども見出している。
以上を総合的に勘案し、当初の計画にしたがって、おおむね順調に研究が進展していると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
2018年度は金属水酸化物であるMg(OH)2を粒子の電着と同時に電析させることで、耐摩擦性の高い構造色コーティングが得られることを明らかにしたが、酸化物で粒子間の空隙を埋めることはできていない。耐摩擦性と鮮やかな構造発色を両立するには、SiO2粒子間の空隙をSiO2より屈折率の高い結晶性の酸化物で埋める必要があると考えられる。
そこで、2019年度においては、結晶性のTiO2、ZrO2、ZnOなどを液相から直接SiO2粒子堆積膜の空隙に析出させることを検討する。粒子集積体における構造発色は、塗膜が濡れて粒子間に液体が入り込むと屈折率差の変化から色調が変化してしまう問題もあるが、粒子間が別の酸化物で充填されれば、液体の侵入もなくなり、濡れによる構造色の色調変化も防止できると考えられる。またTiO2やZnOは光触媒活性を有することからセルフクリーニング機能が期待できる。構造色コーティングにセルフクリーニング機能を付与できれば、汚れによる色のくすみも防ぐことができると考えられる。そこで塗膜のセルフクリーニング機能をメチレンブルー等の色素を表面に付着させ、UV照射による色素除去の試験を行って評価する。
さらに、様々な粒径の粒子を用いた多様な色のコーティング、複雑形状表面へのコーティングや印加電圧で粒子充填状態を制御して発色の角度依存性を制御することも継続的に試み、2年間の研究期間で通じてロバストな「構造色塗装」の学理の構築を目指す。
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| Causes of Carryover |
（理由）
当初はゾル－ゲル法によって様々な粒径を有する単分散シリカ粒子の合成を行う予定であったが、研究協力者から、これらの提供を受けることが可能となったため、その合成等に用いる予定であった試薬やガラス器具等の購入費用を軽減することができたため。
（使用計画）
当初計画どおりに研究が進展しており、得られた成果も大きな注目を集めている。したがって得られた成果を国際会議で発表することや、オープンアクセスの論文誌に投稿し、成果のさらなる普及を行うことを計画している。
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