2022 Fiscal Year Annual Research Report

Development of thin film materials with long-term low water contact angles

Research Project

Project/Area Number	21H02030
Allocation Type	Single-year Grants
Research Institution	Kansai University
Principal Investigator	幸塚広光関西大学, 化学生命工学部, 教授 (80178219)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2025-03-31
Keywords	濡れ / 接触角 / コーティング / 膜 / 表面 / 酸化物 / ゾル－ゲル法 / 安定性
Outline of Annual Research Achievements	硝酸塩をアルカリ金属酸化物源とし、アルコキシドをシリカ源としてゾル－ゲル法により作製したLi2O-SiO2薄膜とNa2O-SiO2薄膜のいずれについても、水滴を滴下すると滴下跡が肉眼で観察されるにもかかわらず、ICPによる耐水性試験では、市販のソーダ石灰ガラスよりも耐水性が良いという結果となり、後者の試験結果に疑問が持たれた。そこで耐水性試験（水への浸漬）前後でXPSによる深さ方向分析を行ったところ、試験中にLiイオンとNaイオンがほとんど全て溶出していることがわかり、決して耐水性が高くないことが判明した（浸漬前の膜では、表面側でアルカリの濃度が若干高いという膜厚方向での組成傾斜が見られた）。なお、市販のソーダ石灰ガラスを300 h大気中で静置すると、その水との接触角は約10°から45°に増加するが、水に浸漬して得られるシリカ膜は、20～30°付近とやや高めながらも、ソーダ石灰ガラスと比べて低い接触角を300 h以上維持した。硝酸塩をアルカリ土類金属酸化物源とし、アルコキシドをシリカ源としてゾル－ゲル法により作製したMgO-SiO2薄膜とCaO-SiO2薄膜について、水との接触角の静置時間依存性を調べたところ、Li2O-SiO2薄膜とNa2O-SiO2薄膜とは対照的に、その接触角は静置前から40°前後と高く、300 hの静置過程で40～50°を保った。MgO-SiO2薄膜は、水に浸漬した後にも約50°という高い接触角を示したが、CaO-SiO2薄膜は、水に浸漬した後には、10°以下の低い接触角を300 h以上維持した。XPSによる深さ方向分析の結果、CaO-SiO2薄膜から水にCaイオンがほぼ全て溶出しており、膜はシリカ膜となっていることが分かった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason Li2O-SiO2薄膜とNa2O-SiO2薄膜を水に浸漬するとアルカリ金属イオンが溶出することから、これらの薄膜の耐水性が著しく低いことは明らかである。しかしながら、これらの薄膜が低い接触角を長時間維持する事実は従来知られていないことであり、発見であると言え、その原因を明らかにすることは、低接触角を維持する薄膜の開発の指針を与えうる。また、CaO-SiO2薄膜を水に浸漬して得られるシリカ膜が10°以下の低い接触角を長時間維持したという結果は興味深く、これもまた低接触角を維持する薄膜の開発の指針を与えうる。
Strategy for Future Research Activity	Li2O-SiO2薄膜とNa2O-SiO2薄膜が低い接触角を長時間維持する原因について、未解明のままである。まず、市販のソーダ石灰ガラスや石英ガラスの接触角が静置過程で増加する原因を解明すべく、XPSによる表面分析結果の静置時間依存性を調べ、Li2O-SiO2薄膜とNa2O-SiO2薄膜のそれとの結果を比較する。それらの結果から、Li2O-SiO2薄膜とNa2O-SiO2薄膜が低い接触角を長時間維持する原因について考察する。 CaO-SiO2薄膜を水に浸漬して得られるシリカ膜が10°以下の低い接触角を長時間維持したという結果は興味深い。今後、まず、その再現性を慎重に検討する。次に、CaO-SiO2薄膜を含むアルカリ土類ケイ酸塩薄膜において、アルカリ土類酸化物の量と熱処理温度が、水の浸漬により得られる多孔質シリカ膜の微細構造に及ぼす影響を調べ、それらが接触角の時間依存性に及ぼす影響を明らかにする。一方、ブロック共重合体の共存下でアルコキシドを加水分解して得られるシリカゾルからメソポーラスシリカ膜を作製し、接触角の時間依存性に及ぼす微細構造の影響を調べる。