2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of a Process for Preparation of Robust Structurally Colored Coating Films
| Project/Area Number |
18K19132
|
|---|
| Research Institution | Hiroshima University |
|---|
Principal Investigator |
片桐 清文 広島大学, 大学院工学研究科, 教授 (30432248)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2021-03-31
|
| 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 |
|---|
| 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発色性材料はその代表例であるが、構造安定性が乏しいうえに、水に濡れた場合、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。
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、粒子堆積膜において、粒子同士をバインダーとなるMg(OH)2の同時電析させることを試み、高い堅牢性を有する構造発色性コーティング膜の作製に成功している。
その結果を受け2019年度は、この粒子の電着とMg(OH)2の電析が同時に起こる過程についてより詳細な解析を行った。クローンメータを用いた解析では、ゾル中の硝酸マグネシウムの濃度がコーティング過程における積算クーロン量の変化に大きな影響を及ぼし、高濃度の場合、積算クーロン量の増加が膜の成長と同時に停止することが分かった。また、粒径の異なるSiO2粒子を逐次電着して複数の層からなるコーティング膜を作製し、混色コーティングについても検討を行ったところ、上層の厚さを制御することで様々な色調のコーティング膜の作製が可能であることも明らかになった。
|
| 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、電着用ゾルに添加する硝酸マグネシウムの量が、電着によるコーティング過程に大きな影響を及ぼし、高い硝酸マグネシウム濃度の電着用ゾルを用いた場合には、シリカ粒子間に析出するMg(OH)2の量が増大し、結果として基板表面をふさぎ、一定の膜厚で膜成長が停止することを明らかにすることができた。これにより硝酸マグネシウム添加量と得られる膜厚ならびに膜の耐摩擦性の関係を明らかにすることができた。さらには多層コーティングの検討をすることで、単一のサイズの粒子から得られる構造色だけでなく、複数の異なるサイズの粒子由来の構造色を混色することが可能であること、さらには、発色に関与する膜厚についての知見も得ることができた。
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。
|
| Strategy for Future Research Activity |
これまでに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、水酸化物ではなく、MgOなどの酸化物で粒子同士や粒子と基板を接着することはできていない。これは構造発色性を高めるために添加する黒色物質の耐熱性が乏しく、Mg(OH)2をMgOへと変化させる温度にするとカーボンブラックは焼失し、Fe3O4は赤色のFe2O3になってしまうためである。そこで、より高い耐摩擦性を実現するために、耐熱性を有する黒色物質を探索する。
また、耐摩擦性と鮮やかな構造発色を両立するには、単に粒子を接着するのではなく、より屈折率を有する遷移金属酸化物結晶でSiO2粒子堆積膜の空隙を完全に埋める必要がある。そこで、様々な手法で、ZnO、TiO2、Nb2O5などを粒子間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ことも視野に入れている。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る。
最終的に、本研究課題を通じた成果をとりまとめることで、ロバストな「構造色塗装」の学理の構築を目指す。
|
| Causes of Carryover |
（理由）
当初は様々な粒径を有する単分散シリカ粒子の合成を自ら合成して用いる予定であったが、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、さらに、参加を予定していた学会が新型コロナウイルスの影響により中止・延期となり、その旅費や参加費の使用が急遽無くなったため。
（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。したがって前年度中止となった学会で発表予定であった成果を今年度中に開催される学会で発表することや、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。
|
