WO2022014607A1 - 撥水膜付きガラス物品及びその製造方法 - Google Patents

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瑶子 渡邊
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    • C03C2218/30—Aspects of methods for coating glass not covered above
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    • C03C2218/30—Aspects of methods for coating glass not covered above
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Definitions

  • the present invention relates to a glass article with a water-repellent film and a method for manufacturing the same.
  • a water-repellent film may be formed on the surface of a glass substrate or other substrate.
  • the water-repellent film is generally formed by applying a water-repellent agent containing a water-repellent organic substance, specifically, a fluorine-containing compound or a silicone-based compound. It has also been proposed that a part of the water repellent film is composed of an inorganic compound.
  • Patent Document 1 discloses a water-repellent article comprising a base material and a water-repellent film, wherein the water-repellent film has a metal oxide particle layer and an overcoat layer in this order from the base material side.
  • the metal oxide particle layer has fine irregularities on its surface, thereby improving the water repellency and wear resistance imparted by the overcoat layer.
  • the oxide constituting the metal oxide particles is only SiO 2 in the examples, but CeO 2 and other oxides are also exemplifiedly listed.
  • the overcoat layer used in the examples is a hydrolyzed polycondensate of a hydrolyzable organosilicon compound.
  • Patent Document 2 discloses a technique for sintering oxide ceramics and imparting water repellency by firing the oxide ceramics at 1600 ° C. for 5 hours in an atmosphere having a low organic substance concentration and a low water concentration.
  • the oxide constituting the oxide ceramics include rare earth oxides such as CeO 2 , aluminum oxide, and titanium oxide.
  • the glass substrate may be treated with heating, and this heating may reach a high temperature of several hundred degrees depending on the content of the treatment.
  • the water repellency imparted by the organic matter disappears completely at such a high temperature.
  • the water repellency according to Patent Document 2 can be expected to be stably expressed even at high temperatures.
  • the technique according to Patent Document 2 imparts water repellency to the oxide ceramic itself, which is a base material having high heat resistance, and requires sintering at a high temperature. Therefore, it is difficult to apply it to a glass substrate.
  • the glass substrate is heated under the conditions of 1600 ° C. and 5 hours disclosed in Patent Document 2, it is usually softened to at least the shape as a substrate cannot be maintained, and in some cases, it is completely melted.
  • the present invention A glass article with a water-repellent film, comprising a glass substrate and a water-repellent film on the glass substrate.
  • the water-repellent film contains cerium oxide and contains The contact angle of water on the surface of the water-repellent film is 75 ° or more. The contact angle after exposing the glass article to heat treatment at 760 ° C. and 4 minutes is 75 ° or more.
  • a glass article with a water-repellent film is provided.
  • a step of drying the coating film to form a water-repellent film is provided.
  • the cerium oxide contains CeO 2 .
  • a glass substrate having water repellency that does not disappear even when subjected to heat treatment.
  • the "main component” means a component having a content of 50% or more, particularly 60% or more on a mass basis.
  • substantially free means that the content is less than 1% and even less than 0.1% on a mass basis.
  • substantially flat means that no unevenness having a height or a depth of 500 nm or more is confirmed except for fine particles and fine particle-like convex portions on the surface when observed by SEM.
  • Room temperature is used as a term to mean a temperature in the range of 5 to 35 ° C, especially 10 to 30 ° C.
  • the glass article with a water-repellent film provided by the present embodiment is A glass substrate and a water-repellent film on the glass substrate are provided.
  • the water-repellent film contains cerium oxide and contains The contact angle of water on the surface of the water-repellent film is 75 ° or more.
  • the contact angle after exposing the glass article to heat treatment at 760 ° C. and 4 minutes is 75 ° or more.
  • the method for manufacturing a glass article with a water-repellent film provided by the present embodiment is as follows.
  • a coating liquid containing cerium oxide as a solid content is applied onto a glass substrate to form a coating film on the glass substrate.
  • the coating film is dried to form a water-repellent film.
  • the cerium oxide contains CeO 2 .
  • cerium oxide can function as a water-repellent material.
  • the water repellency due to the cerium oxide can reach 75 ° or more, 80 ° or more, and even 85 ° or more in terms of the contact angle of water. So far, this degree of contact angle has been realized by surface treatment using an organic water repellent.
  • the organic water repellent is usually decomposed in the process of heating to about 300 ° C., but the cerium oxide is stably present even when heated to a higher temperature.
  • the contact angle of water after exposing the glass article with a water-repellent film to heat treatment at 760 ° C. and 4 minutes can be 75 ° or more, 80 ° or more, and further 85 ° or more.
  • the contact angle of water on the surface of the water-repellent film may temporarily decrease immediately after the heat treatment, and therefore may be measured after a period of time from the heat treatment. It may take tens of days to recover the contact angle. Therefore, the contact angle may be measured, for example, after the glass article is exposed to heat treatment at 760 ° C. for 4 minutes and further stored in the air at room temperature for 40 days.
  • the glass base material and the water-repellent film constituting the glass article with the water-repellent film of the present embodiment will be described, the characteristics that can be achieved by the present embodiment will be described, and finally, the manufacturing method of the present embodiment will be described. explain.
  • the glass substrate may be made of various types of glass called soda-lime glass, borosilicate glass, aluminosilicate glass, non-alkali glass, quartz glass and the like.
  • the glass substrate may contain SiO 2 as a main component.
  • the glass substrate may be a glass plate, a glass container, a glass lid, a glass tube, a glass valve, a glass lens, a glass fiber, a glass filler or other molded body.
  • the glass container is, for example, a glass vial, a glass ampoule, a glass bottle, but may have other shapes called trays, petri dishes, and the like.
  • the shape of the glass lid is not limited as long as it functions as a lid, and may have a shape that can be used as a lid of a cooking utensil, for example.
  • the glass fiber may be a long fiber or a short fiber.
  • the glass filler may have, for example, a flake-like shape.
  • the glass plate may have a flat plate shape, but may have a bending shape given by a bending process.
  • the thickness of the glass plate is not particularly limited, but is, for example, in the range of 0.5 to 12 mm.
  • the glass plate may be treated so as to be suitable for use as a window glass of a building, a vehicle, or the like.
  • the glass plate may be subjected to a strengthening treatment.
  • As the strengthening treatment wind-cooled strengthening that rapidly cools after heating to form a compressive stress layer on the surface and chemical strengthening that forms a compressive stress layer on the surface by ion exchange of alkali metal ions are known.
  • the glass plate may be integrated with another glass plate by laminating and / or multi-layering.
  • a film may be formed on the surface of the glass plate in order to impart or control properties other than water repellency.
  • the film include a conductive film, a reflection inhibitory film, and a colored film.
  • the colored film is, for example, a ceramic coating for imparting a black frame to the peripheral edge of a glass plate.
  • the above-mentioned treatment of the glass plate often involves heating the glass plate.
  • the bending process of a glass plate includes a step of heating and softening the glass plate.
  • the laminating process and the multi-layer process are also performed depending on the type of resin film sandwiched between the glass plates or the type of sealing material used to seal the space between the glasses. May be heated to high temperatures.
  • the water repellency of the water-repellent film that develops water repellency due to an organic substance is greatly reduced. Therefore, the formation of the water-repellent film had to be carried out after the treatment involving heating of the glass plate. Such process restrictions may hinder the efficiency of mass production.
  • evenly applying the coating liquid to a curved surface is much more difficult than applying it on the surface of a flat plate.
  • the step of applying the coating liquid to the flat strip-shaped glass that has not been cut and processed so as to have a curved surface individually can be carried out remarkably efficiently.
  • the problem of water repellency deterioration due to treatment involving heating occurs not only in glass plates but also in glass substrates in general.
  • the glass substrate on which the water-repellent film is formed can be heated to perform various treatments on the glass substrate.
  • the various treatments for the glass plate are selected from the group consisting of bending treatment involving heating (heat bending treatment), air cooling strengthening treatment, chemical strengthening treatment, laminating processing, multi-layer processing, and film forming treatment.
  • the glass substrate may be a glass plate that has undergone at least one treatment selected from the group consisting of heat bending treatment and air cooling strengthening treatment.
  • the temperature applied to the above heat treatment is usually at most 760 ° C. or lower.
  • a heat bending treatment and / or an air cooling strengthening treatment is performed, and then a coating liquid for forming a water-repellent film is applied to the main surface of the glass plate.
  • rice field Therefore, a part of the coating liquid adhered to the end face of the glass plate, and a water-repellent film was formed on at least a part of the end face.
  • a coating liquid is applied to the main surface of a flat glass plate to form a water-repellent film, and then the glass plate is subjected to heat bending treatment and air cooling strengthening treatment. At least one process selected from the group can be performed.
  • the glass plate provided in this form may have a water repellent film on at least one main surface thereof and may not have a water repellent film on the end face of the glass plate.
  • a thick water-repellent film may be locally formed on the end face where the coating liquid tends to collect. Therefore, avoiding this is advantageous in terms of ensuring the aesthetic appearance of the product.
  • the water repellent film contains cerium oxide.
  • the water-repellent film may contain cerium oxide as a main component.
  • the water repellent film may have a surface on which the cerium oxide is exposed.
  • the cerium oxide preferably contains CeO 2 , an oxide of tetravalent cerium.
  • CeO 2 is a desirable component from the viewpoint of increasing water repellency more than Ce 2 O 3, that is, an oxide of trivalent cerium.
  • the water-repellent film may contain Ce 2 O 3 as a cerium oxide.
  • the water-repellent film on a substrate such as glass usually has a multi-layer structure of a metal oxide layer providing a base and an overcoat layer of an organic compound (see Patent Document 1).
  • the overcoat layer is often composed of a hydrolyzed polycondensate of a hydrolyzable organosilicon compound in order to bond strongly with the metal oxide layer.
  • the hydrolyzable organosilicon compound is an organic compound suitable for improving water repellency, typically a fluoroalkyl group-containing compound.
  • the water-repellent membrane may be substantially free of the hydrolyzed polycondensate of the hydrolyzable organosilicon compound. Further, the water-repellent film may be substantially free of the fluoroalkyl group-containing compound.
  • the water-repellent film may be a single-layer film or a multi-layer film composed of a plurality of layers, but the single-layer film is advantageous in reducing mass production costs.
  • the water-repellent film of the present embodiment can maintain water repellency even if it is a single-layer film.
  • the water-repellent film includes a layer containing a cerium oxide as the uppermost layer of the multi-layer film.
  • the water-repellent film of the present embodiment can provide a contact angle of water of 75 ° or more, further 80 ° or more, 85 ° or more, and in some cases 90 ° or more.
  • the upper limit of the contact angle of water is not particularly limited, but is, for example, less than 110 ° and further less than 100 °.
  • the contact angle of water can be measured by dropping 4 ml of pure water onto the surface of the water-repellent membrane.
  • the water-repellent film of the present embodiment does not completely lose its water repellency even when heated to a high temperature, for example, 500 ° C. or even 760 ° C.
  • the water-repellent film of the present embodiment is, for example, contacted with water of 75 ° or more, further 80 ° or more, 85 ° or more, and in some cases 90 ° or more even after the glass article is exposed to heat treatment at 760 ° C. and 4 minutes. Can provide horns.
  • the water repellency of the water-repellent film of this embodiment may temporarily decrease after being heated at a high temperature.
  • the measured value may not be stable immediately after the film formation and may show a low value.
  • the contact angle of water gradually increases and becomes more stable and shows the above-mentioned degree of contact angle only by exposing it to the atmosphere and storing it at room temperature.
  • the period required for recovery and stability is about 30 to 40 days. Therefore, it is desirable to measure the contact angle after heat treatment at high temperature after storing in the air at room temperature for a predetermined period.
  • the water repellent film may contain an organic component.
  • the organic component may be an organic compound or an organic group bonded to an oxide or the like constituting a film.
  • the content of the organic component in the water-repellent film is not particularly limited, but may be 0.01% or more, further 0.1% or more, 10% or less, and further 1% or less on a mass basis.
  • Water repellent films that have not been exposed to high temperature heat treatment may contain relatively high content of organic components. However, the water-repellent film may be substantially free of organic components.
  • the organic group contained in the water-repellent film may contain an epoxy group.
  • the epoxy group is a preferable functional group suitable for use in the production examples of the water-repellent film described later. As will be described later, the epoxy group is consumed by reacting with other components, specifically, an acid, but the excessively added epoxy group can remain in the water-repellent film.
  • the epoxy groups remaining on the water repellent film can function as a cross-linking agent, especially during heat treatment, and affect the structure of the film.
  • the water-repellent film may contain an inorganic compound other than cerium oxide.
  • oxides other than cerium oxide include silicon oxides, aluminum oxides, zirconium oxides, titanium oxides, ruthenium oxides, and rare earth oxides other than cerium.
  • the inorganic compound may be, for example, a nitride, a carbide, or the like other than the oxide.
  • the film thickness of the water repellent film is, for example, 5 to 1000 nm.
  • the film thickness of the water-repellent film may be 10 nm or more, 500 nm or less, and further 200 nm or less.
  • the water-repellent film may have a dense structure, but may have holes inside.
  • the porosity of the water-repellent film may be, for example, 20% or more, 25% or more, 30% or more, and in some cases 40% or more, 85% or less, 70% or less, 60% or less, and in some cases 50. It may be less than or equal to%.
  • a water repellent film having an appropriate porosity can have excellent optical properties. Specifically, by controlling the porosity, it is possible to eliminate the interference color that may be caused by the water-repellent film, improve the visible light transmittance and the reflectance, and the like.
  • the surface of the water-repellent film may have minute irregularities represented by the following indexes.
  • the arithmetic average roughness Ra may be 1 nm or more, 2 nm or more, further 3 nm or more, and in some cases 10 nm or more, and may be 50 nm or less, 40 nm or less, further 30 nm or less, and in some cases 25 nm or less.
  • the ten-point average roughness RzJIS may be 20 nm or more, further 50 nm or more, 100 nm or more, further 200 nm or more, and may be 500 nm or less, 400 nm or less, and further 300 nm or less.
  • Ra is the arithmetic mean roughness specified in Japanese Industrial Standards (JIS) B0601: 2013, and RzJIS is the ten-point average roughness specified in JIS B0601: 2001.
  • a water-repellent film having appropriate fine irregularities may have further improved water repellency because it acts on the surface tension of water droplets to which the fine irregularities adhere, for example.
  • the water-repellent film may have a plurality of fine particles on its surface.
  • the fine particles may be cerium oxide fine particles.
  • the cerium oxide contained in the water-repellent film may be contained as fine particles partially exposed on the surface of the film as fine particles.
  • the surface of the water repellent film may be substantially flat. As described above, whether or not the surface is substantially flat is determined based on the flatness of the surface excluding the fine particles, that is, excluding the unevenness imparted by the fine particles.
  • the particle size of the cerium oxide fine particles may be in the range of 100 nm to 1.5 ⁇ m and further may be in the range of 250 nm to 1 ⁇ m. The particle size of the fine particles can be measured by SEM observation.
  • the fine particles having the above particle size may be present at a density in the range of 1 to 100 and further 2 to 20 on a 5 ⁇ m square of the film surface.
  • the presence of fine particles can contribute to the improvement of water repellency through the development of fine irregularities.
  • the crystallite size of the cerium oxide fine particles contained in the water-repellent film is not particularly limited, but may be in the range of, for example, 1 to 100 nm, and further may be in the range of 2 to 20 nm.
  • the water repellency that the glass article of this embodiment can provide is as described above.
  • the glass article of the present embodiment may have, for example, the following optical properties.
  • the visible light transmittance may be 70% or more, 80% or more, and further 85% or more.
  • the upper limit of the visible light transmittance is not particularly limited, but is, for example, 95%.
  • the visible light reflectance may be 20% or less, 15% or less, 10% or less, and further 8% or less.
  • the lower limit of the visible light reflectance is not particularly limited, but is, for example, 2%.
  • the visible light reflectance is the visible light reflectance for the surface on which the water-repellent film is formed, in other words, the reflectance of visible light that reaches the glass substrate from the outside of the glass article through the water-repellent film.
  • the haze rate is, for example, 20% or less, preferably 10% or less, further 5% or less, and particularly 4% or less.
  • the preferable ranges of the visible light transmittance, the visible light reflectance, and the haze rate are as follows. The range in parentheses is more preferable. Visible light transmittance: 80-95% (85-95%), Haze rate: 5% or less (4% or less), Visible light reflectance on the surface of the glass substrate on which the water-repellent film is formed: 2 to 20% (2 to 8%)
  • the glass article of the present embodiment may be manufactured by a method other than the following manufacturing methods.
  • the manufacturing method of the present embodiment comprises a step of applying a coating liquid containing cerium oxide as a solid content on a glass substrate to form a coating film on the glass substrate, and a step of drying the coating film.
  • Cerium oxide contains CeO 2.
  • the "cerium oxide" as a solid content does not have to exist as a complete oxide as long as it is a component capable of supplying the cerium oxide to the water-repellent film, and the cerium oxide is supplied after dehydration condensation.
  • the obtained cerium acid hydroxide and cerium hydroxide are also included.
  • This manufacturing method may further include a step of preparing a coating liquid.
  • the coating liquid may contain a polar solvent, particularly a lower alcohol having 5 or less carbon atoms as a solvent.
  • the lower alcohol may be methanol and / or ethanol.
  • the step of preparing the coating liquid may include hydrolyzing the cerium compound containing trivalent cerium.
  • the hydrolyzable cerium compound is preferably a compound that dissolves in a polar solvent, and specifically, it may be selected from water-soluble cerium compounds.
  • the cerium compound may be, for example, at least one selected from the group consisting of cerium halide and cerium nitrate.
  • the cerium halide is, for example, cerium chloride (III) or cerium bromide (III).
  • preferred cerium compounds, including cerium nitrate (III) are trivalent cerium compounds.
  • the present invention is not limited to this, and the cerium compound may contain tetravalent cerium.
  • an acid or alkali is added to the coating liquid in order to promote the hydrolysis of the metal compound.
  • an acid or an alkali may be added.
  • more preferred additives are organic compounds that function as acid scavengers, specifically epoxy group-containing organic compounds, especially water-soluble epoxides.
  • the water-soluble epoxide is an epoxy group-containing compound having a solubility in water at 20 ° C. of 1 g / 100 ml or more.
  • the water-soluble epoxide may be a monofunctional epoxide or a polyfunctional epoxide.
  • the monofunctional water-soluble epoxide is, for example, an epoxy group-containing alkane such as propylene oxide (1,2-epoxypropane) or 1,2-epoxybutane, as well as a lauryl alcohol EO adduct glycidyl ether and a phenol EO adduct glycidyl ether. And so on.
  • the polyfunctional water-soluble epoxide is, for example, a glycerol polyglycidyl ether, a polyglycerol diglycidyl ether, or a sorbitol polyglycidyl ether.
  • the cerium compound is preferably hydrolyzed in the presence of a water-soluble epoxide.
  • the acid produced by the hydrolysis of the cerium compound is consumed and the hydrolysis reaction is promoted.
  • tetravalent cerium is likely to be generated from tetravalent cerium. This phenomenon is considered to be due to the improvement in the stability of tetravalent cerium in the high pH region.
  • the prepared coating liquid is applied on the glass substrate.
  • the coating liquid can be applied by a known method such as spin coating, bar coating, spray coating, nozzle flow coating, roll coating and the like.
  • the production method of the present embodiment may further include a step of applying at least one treatment selected from washing and drying to the coating film.
  • the wet coating as it is applied contains organic compounds contained in the coating liquid, such as water-soluble epoxides and ring-opening reaction products thereof, together with cerium oxide. At least some of the organic compounds in the wet coating are removed from the coating by a treatment that is washing and / or drying, especially washing.
  • a treatment that is washing and / or drying, especially washing.
  • an organic solvent particularly a polar organic solvent having 5 or less carbon atoms is suitable.
  • An example of a preferred wash is performed with lower alcohols and ketones in sequence.
  • the lower alcohol is an alcohol having 5 or less carbon atoms, as described above.
  • ketones are ketones having 7 or less carbon atoms, 5 or less, and further 3 or less.
  • pores may be formed in the water-repellent film after drying, and fine irregularities may be formed on the surface thereof.
  • the porosity and the size of the fine irregularities can be controlled by the amount of the organic compound added and the like.
  • the manufacturing method exemplified above is particularly suitable for forming a water-repellent film having a desired porosity and fine irregularities.
  • the production method of the present embodiment may further include a step of holding at least one selected from the coating liquid and the coating film in a wet state for a predetermined time.
  • This step can be carried out, for example, by holding at least one selected from the prepared coating liquid and the wet coating film at a temperature of 5 to 80 ° C. and 0.5 to 48 hours.
  • the coating liquid or the coating film undergoes so-called "aging", and the ratio of tetravalent cerium increases.
  • a coating liquid is preferable as the target for aging.
  • the coating liquid For example, as the conversion of the coating liquid to tetravalent cerium progresses, color development due to tetravalent cerium is observed. A coating liquid containing only trivalent cerium is colorless unless it contains other materials that cause coloring. As the tetravalent cerium is produced, the coating liquid can typically be colored first brownish and then further yellowish. In order to produce a sufficient amount of tetravalent cerium during retention, it is desirable to keep the pH of the coating solution not too low. For pH control, for example, the amount of water-soluble epoxide that acts as an acid scavenger may be adjusted appropriately.
  • the process of tetravalent cerium formation can be monitored by the absorption spectrum from the ultraviolet region to the visible region. For example, the absorption edge of the ultraviolet region of the coating liquid moves to the long wavelength region as tetravalent cerium is produced. When the aging is continued until the absorption edge is present in the region of, for example, 350 nm or more, particularly 360 nm or more, a sufficient amount of tetravalent cerium is produced to form a water-repellent film.
  • the preferable amount of the water-soluble epoxide added differs depending on the type and the like.
  • the mixing ratio of cerium (III) contained in the cerium compound and propylene oxide is expressed as a molar ratio of 1:10 to 1:90, 1:15 to 1:80, Further, it may be in the range of 1:20 to 1:70, particularly 1:25 to 1:50.
  • an epoxide-containing organic compound such as a water-soluble epoxide may be further supplied.
  • the epoxy group-containing organic compound may be supplied to the membrane for cleaning the membrane.
  • the supply of the epoxy group-containing organic compound after hydrolysis can contribute to the early stabilization of the contact angle of water after film formation. It can also contribute to improving the contact angle of water after heat treatment.
  • the manufacturing method of the present embodiment may further include a step of forming a water-repellent film on the glass substrate and then performing a treatment accompanied by heating on the glass substrate.
  • the treatment involving heating is at least one selected from the group consisting of the above-mentioned examples, and is particularly a heat bending treatment and / or an air cooling strengthening treatment.
  • the glass substrate of the present embodiment can be used without undergoing such treatment.
  • the glass article with a water-repellent film of the present embodiment is not limited to that produced by a method involving hydrolysis of the cerium compound exemplified above.
  • the glass article with a water-repellent film of the present embodiment can also be manufactured by using, for example, a vacuum film forming method typified by a sputtering method.
  • Visible light transmittance and visible light reflectance are obtained from the visible ultraviolet absorption spectrum measured by a spectrophotometer (Hitachi, 330 type), and the haze rate is obtained using a haze meter (Suga Test Instruments, HZ-V3 type). It was measured.
  • the contact angle of water was measured by dropping 4 mg of purified water onto the surface of the water-repellent membrane using a contact angle measuring device (DMs-401 type manufactured by Kyowa Surface Science Co., Ltd.). However, the contact angle of water was determined after the water-repellent film was formed and left in the air at room temperature for 20 days. The contact angle of water after the heat treatment was measured when the glass plate with a water-repellent film was left in the air at room temperature for 40 days after the heat treatment.
  • DMs-401 type manufactured by Kyowa Surface Science Co., Ltd.
  • the glass plate with a water-repellent film was heated in an electric furnace set at 760 ° C. for 4 minutes, taken out of the furnace, wrapped in ceramic wool, and cooled to room temperature at a cooling rate that did not cause thermal cracking. Even after the heat treatment, the contact angle of water and the like were measured.
  • Example 1 0.168 g of cerium (III) chloride heptahydrate (99.9%, manufactured by Sigma-Aldrich) was dissolved in 2 mL of anhydrous methanol (manufactured by Sigma-Aldrich) to obtain a colorless and transparent cerium (III) chloride solution. .. This solution contains 9.6% by mass of cerium (III) chloride. Next, 1.75 g of a cerium (III) chloride solution and 0.859 g of propylene oxide (manufactured by TIC, ⁇ 99.0%) were mixed to obtain a stock solution. In this stock solution, the molar ratio of Ce to propylene oxide is 1: 33.0.
  • the concentration of CeCl 3 is 0.075 mmol / L.
  • the coating was then aged at room temperature with continued stirring overnight. During aging, the coating liquid became colorless and transparent, cloudy, brown, and then pale yellow. From the evaluation of the visible ultraviolet absorption spectrum of the coating liquid during aging, it was confirmed that at least a part of the trivalent cerium ion was oxidized to tetravalent.
  • Highly transparent glass manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd., Opti White (registered trademark) 3 mm thick
  • the aged coating liquid was applied to the glass substrate.
  • the coating was performed using a spin coater (manufactured by Mikasa Co., Ltd., 1H-360S type) at a substrate rotation speed of 1000 rpm and a rotation holding time of 10 seconds after coating.
  • the wet film obtained by applying the coating liquid was washed with isopropyl alcohol and then with acetone.
  • the wet film after washing was held in an electric dryer set at 60 ° C. to obtain a glass plate with a water-repellent film.
  • Example 2 A glass plate with a water-repellent film was obtained in the same manner as in Example 1 except that cleaning with a 38% ethanol solution of cyclohexene oxide (manufactured by Fuji Film Co., Ltd., 95%) was performed instead of cleaning with acetone. rice field.
  • Example 3 A glass plate with a water-repellent film was obtained in the same manner as in Example 1 except that the molar ratio of Ce and propylene oxide in the stock solution of Example 1 was 1: 65.7.
  • Example 4 A CeO 2 film was formed on the surface of the glass substrate used in Example 1 by magnetron sputtering using a CeO 2 target to obtain a glass plate with a water-repellent film.
  • Example 1 A glass plate with a water-repellent film was obtained in the same manner as in Example 1 except that the molar ratio of Ce and propylene oxide in the stock solution of Example 1 was 1: 6.7.
  • Comparative Example 2 Glass with a water-repellent film in the same manner as in Example 1 except that the molar ratio of Ce and propylene oxide in the stock solution of Example 1 was 1: 0, that is, except that propylene oxide was not added. I got a board.
  • Comparative Example 3 is a glass plate itself without a water-repellent film.
  • the contact angle of water in this comparative example was measured after the glass plate was washed and left in the air at room temperature for 20 days, and after the heat treatment described above, it was left in the air at room temperature for 40 days.
  • Example 4 A pink interference color was observed from Example 4, but no interference color due to the water-repellent film was observed from the other examples.
  • Example 1 the contact angle of water immediately after film formation was less than 75 °, but gradually increased.
  • Example 2 the contact angle of 75 ° or more was measured immediately after the film formation. Further, in each example, when the contact angle of water was measured 100 days after the film formation and the heat treatment, the measured value was stable at 75 ° or more in each case. Storage up to the 100th day was also carried out in the air at room temperature.
  • Example 2 As in Example 1, the absorption edge of the absorption spectrum of the coating liquid moved to the long wavelength side during aging. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, no change of the absorption edge to the long wavelength side was observed during aging.
  • Example 1 the surface of the water-repellent film was observed using SEM after the heat treatment. The results are shown in FIGS. 1 and 2.
  • the surface of the water-repellent film was substantially flat, but fine irregularities were imparted by the cerium oxide fine particles present on the surface. It can be confirmed that a relatively large amount of cerium oxide fine particles are present on the film surface of Example 2 (FIG. 2).
  • Example 2 When the crystallite size of cerium oxide after the heat treatment was measured by the X-ray diffraction method, it was 4.85 nm for Example 1 and 2.10 nm for Example 2. In Example 2, it is considered that the growth of the crystallite was inhibited by the added epoxy group-containing organic compound (cyclohexene oxide).

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Abstract

本開示は、熱処理に供しても消失しない撥水性が付与されたガラス基材を提供する。提供される撥水膜付きガラス物品は、ガラス基材と、前記ガラス基材上の撥水膜とを備え、前記撥水膜は、セリウム酸化物を含み、前記撥水膜の表面上の水の接触角が７５°以上であり、前記ガラス物品を７６０℃及び４分間の熱処理に曝した後の前記接触角は７５°以上である。

Description

撥水膜付きガラス物品及びその製造方法
　本発明は、撥水膜付きガラス物品とその製造方法に関する。
　ガラス基材その他の基材の表面には撥水膜が形成されることがある。撥水膜は一般に、撥水性の有機物、具体的にはフッ素含有化合物又はシリコーン系化合物を含む撥水剤を塗布して成膜される。撥水膜の一部を無機化合物により構成することも提案されている。例えば、特許文献１には、基材と撥水膜とを備え、撥水膜が、基材側から、金属酸化物粒子層及びオーバーコート層をこの順に有する撥水性物品が開示されている。金属酸化物粒子層は、その表面に微小凹凸を有し、それによってオーバーコート層により付与される撥水性の耐摩耗性等を向上させる。金属酸化物粒子を構成する酸化物は、実施例ではＳｉＯ2のみであるが、ＣｅＯ2その他の酸化物も例示的に列挙されている。実施例で使用されているオーバーコート層は、加水分解性有機ケイ素化合物の加水分解重縮合物である。
　有機物に頼ることなく撥水性を付与する技術についても、検討が進められている。例えば、特許文献２には、酸化物セラミックスを有機物濃度及び水分濃度が低い雰囲気中で１６００℃及び５時間焼成することにより、酸化物セラミックスを焼結し、撥水性を付与する技術が開示されている。酸化物セラミックスを構成する酸化物としては、ＣｅＯ2等の希土類の酸化物、アルミニウム酸化物、チタニウム酸化物が例示されている。
特開２０１５－１１６７３１号公報 特開２０１５－１４０２７７号公報
　ガラス基材には加熱を伴う処理が施されることがあり、この加熱は、処理の内容によっては数百度の高温に及ぶことがある。有機物により付与された撥水性は、この程度の高温では完全に消失する。一方、特許文献２による撥水性は、高温でも安定して発現することが期待できる。しかし、特許文献２による技術は、耐熱性が高い基材である酸化物セラミックス自体に撥水性を付与するものであって、高温での焼結を必須とする。このため、ガラス基材に適用することは困難である。ガラス基材は、特許文献２が開示する１６００℃及び５時間の条件で加熱すると、通常、少なくとも基材としての形状を維持し得ない程度に軟化し、場合によっては完全に溶融する。
　以上に鑑み、本発明は、熱処理に供しても消失することがない撥水性が付与されたガラス基材を提供することを目的とする。
　本発明は、
　ガラス基材と、前記ガラス基材上の撥水膜とを備えた、撥水膜付きガラス物品であって、
　前記撥水膜は、セリウム酸化物を含み、
　前記撥水膜の表面上の水の接触角が７５°以上であり、
　前記ガラス物品を７６０℃及び４分間の熱処理に曝した後の前記接触角が７５°以上である、
　撥水膜付きガラス物品、を提供する。
　また、本発明は、別の側面から、
　ガラス基材上に、セリウム酸化物を固形分として含有するコーティング液を塗布して前記ガラス基材上に塗膜を形成する工程と、
　前記塗膜を乾燥させて撥水膜を形成する工程と、を具備し、
　前記セリウム酸化物がＣｅＯ2を含む、
　撥水膜付きガラス物品の製造方法、を提供する。
　本発明によれば、熱処理に供しても消失することがない撥水性が付与されたガラス基材が提供される。
実施例１で作製した撥水膜付きガラス物品を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結果を示す図である。 実施例２で作製した撥水膜付きガラス物品をＳＥＭで観察した結果を示す図である。
　以下の本発明の実施形態についての説明は、本発明を特定の形態に制限する趣旨ではない。本明細書において、「主成分」は、質量基準で、含有率が５０％以上、特に６０％以上の成分を意味する。「実質的に含まない」は、質量基準で、含有率が１％未満、さらに０．１％未満であることを意味する。「実質的に平坦」は、ＳＥＭで観察したときに当該表面上の微粒子及微粒子状の凸部を除いて高さ又は深さ５００ｎｍ以上の凹凸が確認されないことを意味する。「常温」は、５～３５℃、特に１０～３０℃の範囲の温度を意味する用語として使用する。
　本実施形態により提供される撥水膜付きガラス物品は、
　ガラス基材と、前記ガラス基材上の撥水膜とを備え、
　前記撥水膜は、セリウム酸化物を含み、
　前記撥水膜の表面上の水の接触角が７５°以上であり、
　前記ガラス物品を７６０℃及び４分間の熱処理に曝した後の前記接触角が７５°以上である。
　本実施形態により提供される撥水膜付きガラス物品の製造方法は、
　ガラス基材上に、セリウム酸化物を固形分として含有するコーティング液を塗布して前記ガラス基材上に塗膜を形成することと、
　前記塗膜を乾燥させて撥水膜を形成することと、を具備し、
　前記セリウム酸化物がＣｅＯ2を含む。
　セリウム酸化物は、アルミニウム酸化物、シリコン酸化物等と異なり、撥水性の材料として機能し得る。本発明者の検討によると、セリウム酸化物による撥水性は、水の接触角により表示して７５°以上、８０°以上、さらには８５°以上にまで到達し得る。この程度の接触角は、これまでは有機物である撥水剤を用いた表面処理により実現されてきた。有機物である撥水剤は、通常、３００℃程度までに加熱する過程で分解するが、セリウム酸化物はより高温に加熱しても安定して存在する。
　本実施形態では、撥水膜付きガラス物品を７６０℃及び４分間の熱処理に曝した後の水の接触角が７５°以上、８０°以上、さらには８５°以上であり得る。ただし、本実施形態において、撥水膜の表面上の水の接触角は、熱処理直後には一時的に低下することがあるため、熱処理から期間を置いて測定されるものであってもよい。接触角の回復には数十日間を要することがある。したがって、上記接触角は、例えば、ガラス物品を７６０℃及び４分間の熱処理に曝し、さらに、常温の大気中で４０日間保管した後に測定されたものであってもよい。
　以下では、本実施形態の撥水膜付きガラス物品を構成するガラス基材及び撥水膜を説明し、引き続き本実施形態により達成され得る特性についても説明し、最後に本実施形態の製造方法について説明する。
（ガラス基材）
　ガラス基材を構成するガラスの種類に特に制限はない。ガラス基材は、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、無アルカリガラス、石英ガラス等と呼ばれている各種のガラスにより構成されていてもよい。ガラス基材はＳｉＯ2を主成分としていてもよい。ガラス基材のサイズ及び形状にも特段の制限はない。ガラス基材は、ガラス板、ガラス容器、ガラス蓋、ガラス管、ガラスバルブ、ガラスレンズ、ガラス繊維、ガラスフィラーその他の成形体であってもよい。ガラス容器は、例えばガラスバイアル、ガラスアンプル、ガラス瓶であるが、トレイ、シャーレ等と呼ばれるその他の形状を有していてもよい。ガラス蓋は、蓋として機能する限り、その形状に制限はなく、例えば調理器具の蓋として使用可能な形状を有していてもよい。ガラス繊維は、長繊維であっても短繊維であってもよい。ガラスフィラーは、例えばフレーク状の形状を有していてもよい。
　ガラス板は、平板状であってもよいが、曲げ加工処理により付与された曲げ形状を有していてもよい。ガラス板の厚みは、特に制限されないが、例えば０．５～１２ｍｍの範囲内である。ガラス板は、建築物、車両等の窓ガラスとしての使用に適するように処理されていてもよい。ガラス板には、例えば強化処理が施されていてもよい。強化処理としては、加熱後に急冷して表面に圧縮応力層を生じさせる風冷強化と、アルカリ金属イオンのイオン交換により表面に圧縮応力層を生じさせる化学強化とが知られている。ガラス板は、合わせ加工及び／又は複層加工により別のガラス板と一体化されていてもよい。ガラス板の表面には、撥水性以外の特性の付与又は制御のために、被膜が形成されていてもよい。被膜としては、導電膜、反射抑制膜、着色膜等を例示できる。着色膜は、例えば、ガラス板の周縁に黒色系の枠を付与するためのセラミックコーティングである。
　ガラス板の上述の処理には、ガラス板の加熱を伴うものが多い。例えば、ガラス板の曲げ加工処理は、ガラス板を加熱して軟化させる工程を含む。強化処理に加え、合わせ加工処理や複層加工処理も、ガラス板の間に挟持される樹脂膜、又はガラスの間の空間を封止するために使用される封止材の種類に応じ、ガラス板は高温に加熱されることがある。これらの加熱を経ると、有機物により撥水性を発現させる撥水膜は、その撥水性が大きく低下する。このため、撥水膜の形成は、ガラス板の加熱を伴う処理の後に実施する必要があった。このような工程上の制限は、量産の効率化を阻害することがある。例えば、曲面にコーティング液を均一に塗布することは、平板の表面上における塗布と比較すると、その難易度は格段に高い。切断されて個々に曲面を有するように加工される前の平坦な帯状ガラスに塗布液を塗布する工程は、格段に効率よく実施できる。
　加熱を伴う処理による撥水性低下の問題は、ガラス板に限らず、ガラス基材全般において生じる。これに対し、本実施形態によれば、有機物に頼ることなく撥水性が発現しているため、加熱に伴う撥水性の低下は抑制され得る。したがって、本実施形態による方法では、撥水膜を形成した後に、撥水膜が形成されたガラス基材を加熱してガラス基材の各種の処理を実施することができる。各種の処理は、ガラス板について例示すると、加熱を伴う曲げ加工処理（加熱曲げ処理）、風冷強化処理、化学強化処理、合わせ加工処理、複層加工処理、及び被膜形成処理からなる群より選ばれる少なくとも１つ、特に加熱曲げ処理及び／又は風冷強化処理である。すなわち、本実施形態では、ガラス基材が、加熱曲げ処理及び風冷強化処理からなる群より選ばれる少なくとも１つの処理を受けたガラス板であってもよい。以上の熱処理に適用される温度は、通常は、高くても７６０℃程度以下である。
　従来は、ガラス板を所定の形状に切断してから加熱曲げ処理及び／又は風冷強化処理を実施し、その後に撥水膜を形成するためのコーティング液をガラス板の主面に塗布していた。このため、コーティング液の一部がガラス板の端面に付着し、端面の少なくとも一部にも撥水膜が形成されていた。これに対し、本実施形態によれば、平板状のガラス板の主面にコーティング液を塗布して撥水膜を形成し、その後にガラス板に対して加熱曲げ処理及び風冷強化処理からなる群より選ばれる少なくとも１つの処理を実施できる。この形態により提供されるガラス板は、その少なくとも一方の主面上に撥水膜を備え、ガラス板の端面には撥水膜を有さないものとなり得る。コーティング液が溜まりやすい端面には局部的に厚い撥水膜が形成されることがある。したがってこれを回避できることは、製品の美観の確保等の点で利点がある。こうした品質の向上だけでなく、切断前の大面積のガラス板に連続的にコーティング処理を施すことができるため、最終製品のコストダウンに寄与する。
（撥水膜）
　撥水膜はセリウム酸化物を含む。撥水膜はセリウム酸化物を主成分としていてもよい。撥水膜は、セリウム酸化物が露出した表面を有していてもよい。セリウム酸化物は、ＣｅＯ2、すなわち４価のセリウムの酸化物を含むことが好ましい。ＣｅＯ2は、Ｃｅ2Ｏ3、すなわち３価のセリウムの酸化物よりも撥水性を高める観点からは望ましい成分である。ただし、撥水膜には、セリウム酸化物としてＣｅ2Ｏ3が含まれていてもよい。例えば、セリウム酸化物の供給源として３価のセリウムを含む化合物を用い、その一部を４価のセリウムに酸化した場合は、ＣｅＯ2と共に、残部の３価のセリウムがＣｅ2Ｏ3として撥水膜に含まれる。
　ガラス等の基材上の撥水膜は、下地を提供する金属酸化物層と、有機化合物のオーバーコート層との複層構成を有することが通常であった（特許文献１参照）。オーバーコート層は、金属酸化物層と強く結合させるために、加水分解性有機ケイ素化合物の加水分解重縮合物により構成されることが多い。加水分解性有機ケイ素化合物は、撥水性の向上に適した有機化合物、典型的にはフルオロアルキル基含有化合物である。これに対し、本実施形態では、撥水膜が、加水分解性有機ケイ素化合物の加水分解重縮合物を実質的に含まなくてもよい。また、撥水膜は、フルオロアルキル基含有化合物を実質的に含まなくてもよい。
　撥水膜は、単層膜であっても、複数層により構成された複層膜であってもよいが、単層膜が量産コストを削減する上では有利である。本実施形態の撥水膜は、単層膜であっても撥水性を維持できる。複層膜である場合、撥水膜は、複層膜の最上層として、セリウム酸化物を含む層を備えることが望ましい。
　本実施形態の撥水膜は、７５°以上、さらに８０°以上、８５°以上、場合によっては９０°以上の水の接触角を提供することができる。水の接触角の上限は、特に制限されないが、例えば１１０°未満、さらに１００°未満である。水の接触角は、４ｍｌの純水を撥水膜の表面に滴下することにより測定できる。
　本実施形態の撥水膜は、高温、例えば５００℃、さらには７６０℃にまで加熱しても、その撥水性を完全に消失しない。本実施形態の撥水膜は、例えば、ガラス物品を７６０℃及び４分間の熱処理に曝した後にも、７５°以上、さらに８０°以上、８５°以上、場合によっては９０°以上の水の接触角を提供し得る。
　理由の詳細は不明であるが、本実施形態の撥水膜の撥水性は、高温で加熱された後に一時的に低下することがある。また、成膜の直後には測定値が安定せず低い値を示すことがある。しかし、これらの場合も、大気に曝して常温で保管しておくだけで、水の接触角は徐々に上昇し、さらに安定して、上述した程度の接触角を示すようになる。本発明者の検討によると、回復及び安定に要する期間は、概ね３０～４０日程度である。したがって、高温で熱処理した後の接触角の測定は、所定期間、常温の大気中で保管した後に測定することが望ましい。
　撥水膜は、有機成分を含んでいてもよい。有機成分は、有機化合物であっても、膜を構成する酸化物等と結合した有機基であってもよい。撥水膜における有機成分の含有率は、特に制限されないが、質量基準で０．０１％以上、さらに０．１％以上であってよく、１０％以下、さらに１％以下であってよい。高温の熱処理に曝されていない撥水膜は、相対的に高い含有率の有機成分を含み得る。ただし、撥水膜は、有機成分を実質的に含まなくてもよい。
　撥水膜に含まれる有機基は、エポキシ基を含んでいてもよい。エポキシ基は、後述する撥水膜の製造例における使用に適した好ましい官能基である。後述するように、エポキシ基は他の成分、具体的には酸、と反応して消費されていくが、過剰に添加されたエポキシ基は撥水膜に残存し得る。撥水膜に残存しているエポキシ基は、特に熱処理の際に架橋剤として機能し、膜の構造に影響を及ぼし得る。
　撥水膜は、セリウム酸化物以外の無機化合物を含んでいてもよい。セリウム酸化物以外の酸化物としては、シリコン酸化物、アルミニウム酸化物、ジルコニウム酸化物、チタン酸化物、ルテニウム酸化物、セリウムを除く希土類の酸化物を例示できる。無機化合物は、酸化物以外、例えば窒化物、炭化物等であっても構わない。
　撥水膜の膜厚は、例えば５～１０００ｎｍである。撥水膜の膜厚は、１０ｎｍ以上であってもよく、５００ｎｍ以下、さらに２００ｎｍ以下であってもよい。
　撥水膜は、緻密な構造を有していてもよいが、内部に孔を有していてもよい。撥水膜の気孔率は、例えば、２０％以上、２５％以上、３０％以上、場合によっては４０％以上であってもよく、８５％以下、７０％以下、６０％以下、場合によっては５０％以下であってもよい。適切な気孔率を有する撥水膜は、優れた光学特性を有し得る。具体的には、気孔率の制御によって、撥水膜によって生じ得る干渉色の排除、可視光透過率及び反射率の改善等が可能になる。
　撥水膜の表面には、以下の指標により表わされる微小凹凸が形成されていてもよい。算術平均粗さＲａは、１ｎｍ以上、２ｎｍ以上、さらに３ｎｍ以上、場合によっては１０ｎｍ以上であってもよく、５０ｎｍ以下、４０ｎｍ以下、さらに３０ｎｍ以下、場合によっては２５ｎｍ以下であってもよい。十点平均粗さＲｚJISは、２０ｎｍ以上、さらに５０ｎｍ以上、１００ｎｍ以上、さらに２００ｎｍ以上であってもよく、５００ｎｍ以下、４００ｎｍ以下、さらに３００ｎｍ以下であってもよい。ここで、Ｒａは日本産業規格（ＪＩＳ）Ｂ０６０１：２０１３に規定された算術平均粗さであり、ＲｚJISはＪＩＳ　Ｂ０６０１:２００１に規定された十点平均粗さである。適切な微小凹凸を有する撥水膜は、例えば、微小凹凸が付着する水滴の表面張力に作用するため、さらに向上した撥水性を有し得る。
　撥水膜は、その表面上に複数の微粒子を有していてもよい。微粒子は、セリウム酸化物微粒子であってもよい。言い換えると、撥水膜に含まれるセリウム酸化物は、その一部が微粒子として膜の表面に露出した微粒子として含まれていてもよい。撥水膜の表面は実質的に平坦であってもよい。上述したとおり、実質的に平坦か否かは、微粒子を除いた表面の平坦性に基づいて、すなわち微粒子により付与された凹凸を除いて判断する。セリウム酸化物微粒子の粒径は、１００ｎｍ～１．５μｍ、さらに２５０ｎｍ～１μｍの範囲にあってもよい。微粒子の粒径は、ＳＥＭ観察により測定することができる。撥水膜の表面において、上記粒径を有する微粒子は、膜表面５μｍ四方において１～１００個、さらに２～２０個の範囲の密度で存在してもよい。微粒子の存在は、微小凹凸の発達を通じて、撥水性の向上に寄与し得る。
　撥水膜に含まれる酸化セリウム微粒子の結晶子サイズは、特に制限されないが、例えば１～１００ｎｍ、さらに２～２０ｎｍの範囲にあってもよい。
（特性）
　本実施形態のガラス物品が提供し得る撥水性は上述したとおりである。これに加え、本実施形態のガラス物品は、例えば以下の光学特性を有し得る。可視光透過率は、７０％以上、８０％以上、さらに８５％以上であってよい。可視光透過率の上限は、特に制限されないが、例えば９５％である。可視光反射率は、２０％以下、１５％以下、１０％以下、さらに８％以下であってよい。可視光反射率の下限は、特に制限されないが、例えば２％である。ここで、可視光反射率は、撥水膜が形成された面についての可視光反射率、言い換えると、ガラス物品の外部から撥水膜を通してガラス基材に到達する可視光の反射率である。ヘイズ率は、例えば２０％以下であるが、好ましくは１０％以下、さらに５％以下、特に４％以下である。
　可視光透過率、可視光反射率、ヘイズ率の好ましい範囲は、以下のとおりである。カッコ内はさらに好ましい範囲である。
　可視光透過率：８０～９５％（８５～９５％）、
　ヘイズ率：５％以下（４％以下）、
　撥水膜が形成されたガラス基材の面についての可視光反射率：２～２０％（２～８％）
（製造方法）
　次に、本実施形態のガラス物品の製造方法を説明する。ただし、本実施形態のガラス物品は、以下の製造方法以外の方法によって製造されたものであってもよい。
　本実施形態の製造方法は、ガラス基材上に、セリウム酸化物を固形分として含有するコーティング液を塗布してガラス基材上に塗膜を形成する工程と、塗膜を乾燥させる工程とを具備し、セリウム酸化物がＣｅＯ2を含んでいる。なお、固形分としての「セリウム酸化物」は、撥水膜にセリウム酸化物を供給できる成分である限り、完全な酸化物として存在している必要はなく、脱水縮合後にセリウム酸化物を供給し得るセリウム酸水酸化物及びセリウム水酸化物も包含する。
　この製造方法は、コーティング液を調製する工程をさらに具備していてもよい。コーティング液は、極性溶媒、特に炭素数５以下の低級アルコールを溶媒として含んでいてもよい。低級アルコールは、メタノール及び／又はエタノールであってもよい。コーティング液を調製する工程は、３価のセリウムを含むセリウム化合物を加水分解することを含んでいてもよい。加水分解可能なセリウム化合物は、極性溶媒に溶解する化合物であることが好ましく、具体的には水溶性セリウム化合物から選択するとよい。セリウム化合物は、例えば、ハロゲン化セリウム及び硝酸セリウムからなる群より選ばれる少なくとも１つであってもよい。ハロゲン化セリウムは、例えば塩化セリウム（III）、臭化セリウム（III）である。硝酸セリウム（III）を含め、ここに例示したように、好ましいセリウム化合物は、３価のセリウムの化合物である。ただしこれに限らず、セリウム化合物は、４価のセリウムを含んでいてもよい。
　一般的なゾルゲル法では、金属化合物の加水分解を促進するために、コーティング液には酸又はアルカリが添加される。本実施形態の製造方法においても、酸又はアルカリを添加してもよい。ただし、より好ましい添加剤は、酸スカベンジャーとして機能する有機化合物、具体的にはエポキシ基含有有機化合物、特に水溶性エポキシドである。水溶性エポキシドは、２０℃の水への溶解度が１ｇ／１００ｍｌ以上のエポキシ基含有化合物である。水溶性エポキシドは、単官能エポキシドでも多官能エポキシドであってもよい。単官能の水溶性エポキシドは、例えば、プロピレンオキシド（１，２－エポキシプロパン）、１，２－エポキシブタン等のエポキシ基含有アルカンに加え、ラウリルアルコールＥＯ付加物グリシジルエーテル、フェノールＥＯ付加物グリシジルエーテル等であってもよい。多官能の水溶性エポキシドは、例えば、グリセロールポリグリシジルエーテル、ポリグリセロールジグリシジルエーテル、ソルビトールポリグリシジルエーテルである。
　上述したように、本実施形態の製造方法では、好ましくは、水溶性エポキシドの存在下でセリウム化合物が加水分解される。セリウム化合物を水溶性エポキシドの存在下で加水分解すると、セリウム化合物の加水分解により生じる酸が消費され、加水分解反応が促進される。また、水溶性エポキシドを過剰に添加したコーティング液では、３価のセリウムから４価のセリウムが生じやすくなる。この現象は、ｐＨが高い領域では４価のセリウムの安定性が向上することによると考えられる。
　調製されたコーティング液はガラス基材上に塗布される。コーティング液の塗布は、例えば、スピンコーティング、バーコーティング、スプレーコーティング、ノズルフローコーティング、ロールコーティング等の公知の手法により実施できる。
　本実施形態の製造方法は、塗膜に洗浄及び乾燥から選択される少なくとも１つの処理を施す工程をさらに含んでいてもよい。塗布されたままの湿潤状態にある塗膜には、コーティング液に含まれていた有機化合物、例えば水溶性エポキシド及びその開環反応生成物がセリウム酸化物と共に含まれている。湿潤状態にある塗膜中の有機化合物の少なくとも一部は、洗浄及び／又は乾燥である処理、特に洗浄によって塗膜から除去される。洗浄に使用する溶剤は、有機溶剤、特に炭素数５以下の極性有機溶剤が適している。好ましい洗浄の一例は、低級アルコールとケトンとを順次用いて実施される。ここで、低級アルコールは、上述したとおり、炭素数５以下のアルコールである。好ましいケトンは、炭素数が７以下、５以下、さらに３以下のケトンである。有機化合物の除去により、乾燥後の撥水膜中には気孔が形成され、その表面には微小凹凸が形成され得る。気孔率と微小凹凸の大きさは、有機化合物の添加量その他により制御できる。上記に例示した製造方法は、所望の気孔率及び微小凹凸を有する撥水膜の形成に特に適している。
　上述した３価のセリウムの４価のセリウムへの酸化には時間を要する場合がある。したがって、本実施形態の製造方法は、コーティング液及び湿潤状態にある塗膜から選ばれる少なくとも１つを所定時間だけ保持する工程をさらに含んでいてもよい。この工程は、例えば、調製したコーティング液及び湿潤状態にある塗膜から選ばれる少なくとも１つを温度５～８０℃及び０．５～４８時間保持することによって実施できる。この工程によって、コーティング液又は塗膜は、いわば「エージング」が進行し、４価のセリウムの比率が高くなる。エージングする対象としては、コーティング液が好ましい。例えば、コーティング液は、４価のセリウムへの転換が進むにつれて、４価のセリウムに起因する発色が観察されるようになる。３価のセリウムのみが含まれているコーティング液は、その他に着色の要因となる材料が含まれていなければ無色である。コーティング液は、４価のセリウムが生成するにつれて、典型的には、まず茶色系に、その後さらに黄色系に着色され得る。保持している間に、十分な量の４価のセリウムを生成させるためには、コーティング液のｐＨは低くなり過ぎないように維持することが望ましい。ｐＨの制御のためには、例えば、酸スカベンジャーとして作用する水溶性エポキシドの添加量を適切に調整するとよい。
　４価のセリウムの生成の過程は、紫外域から可視域にかけての吸収スペクトルによりモニタリングすることが可能である。例えばコーティング液の紫外域の吸収端は、４価のセリウムが生成するにつれて長波長域へと移動する。この吸収端が、例えば、３５０ｎｍ以上、特に３６０ｎｍ以上の領域に存在するまでエージングを継続すると、撥水膜の生成に十分な量の４価のセリウムが生成する。
　なお、好ましい水溶性エポキシドの添加量は、その種類等によって相違する。水溶性エポキシドがプロピレンオキシドの場合、セリウム化合物に含まれるセリウム（III）とプロピレンオキシドとの混合比は、モル比により表示して、１：１０～１：９０、１：１５～１：８０、さらに１：２０～１：７０、特に１：２５～１：５０の範囲とするとよい。
　セリウム化合物の加水分解後に、水溶性エポキシド等のエポキシ基含有有機化合物をさらに供給してもよい。エポキシ基含有有機化合物は、膜の洗浄を兼ねて膜に供給してもよい。加水分解後のエポキシ基含有有機化合物の供給は、成膜後の水の接触角の早期安定化に寄与し得る。また、熱処理後の水の接触角の向上にも寄与し得る。
　本実施形態の製造方法は、ガラス基材上に撥水膜を形成した後に、ガラス基材に加熱を伴う処理を実施する工程をさらに具備していてもよい。加熱を伴う処理は、上述した例からなる群より選ばれる少なくとも１つであり、特に加熱曲げ処理及び／又は風冷強化処理である。もっとも、本実施形態のガラス基材は、このような処理を受けることなく使用に供することも可能である。
（その他の製造方法）
　本実施形態の撥水膜付きガラス物品は、上記で例示したセリウム化合物の加水分解を伴う方法により製造されるものに限定されない。本実施形態の撥水膜付きガラス物品は、例えば、スパッタリング法に代表される減圧成膜法を用いて製造することも可能である。
　以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、以下の実施例も本発明を特定の形態に制限する趣旨で提示するものではない。
　まず、特性の測定方法を説明する。
（気孔率）
　エリプソメーター（溝尻光学社製、ＤＶＡ－ＦＬ型）を用い、反射光のスペクトル分析を行って、膜の光学パラメータを求めた。それに際し、撥水性膜付きガラス板の積層構造をガラス板（屈折率１．５２）／撥水膜（屈折率２．２；気孔率０の場合）と設定し、撥水膜の屈折率と膜厚とをフィッティングにより算出し、気孔率を算出した。
（光学特性）
　可視光透過率及び可視光反射率は分光光度計（日立社製、３３０型）で測定した可視紫外吸収スペクトルから求め、ヘイズ率はヘイズメータ（スガ試験機社製、ＨＺ－Ｖ３型）を用いて測定した。
（水の接触角）
　水の接触角は、接触角測定機（共和界面科学社製、ＤＭｓ－４０１型）を用い、４ｍｇの精製水を撥水膜の表面に滴下して測定した。ただし、水の接触角は、撥水膜の成膜後、常温の大気中に２０日間放置した後に実施した。熱処理後の水の接触角は、熱処理後に撥水膜付きガラス板を常温の大気中で４０日間放置した時点で実施した。
（膜の表面形状）
　原子間力顕微鏡（旧エスアイアイ・ナノテクノロジー社製、ＳＰＡ－４００型）を用い、視野５μｍ角について表面高さプロファイルを取得し、このプロファイルに基づき、ＪＩＳ　Ｂ０６０１：２０１３の算術平均粗さＲａ、ＪＩＳ　Ｂ０６０１：２００１の十点平均粗さＲｚJISを算出した。
（熱処理）
　撥水膜付きガラス板を、７６０℃に設定した電気炉内で４分加熱し、炉から取り出してセラミックウールで包んで熱割れしない冷却速度で室温まで冷却した。熱処理後にも、水の接触角等を測定した。
（実施例１）
　塩化セリウム（III）七水和物（シグマアルドリッチ社製、９９．９％）０．１６８ｇを２ｍＬの無水メタノール（シグマアルドリッチ社製）に溶解し、無色透明な塩化セリウム（III）溶液を得た。この溶液中には、塩化セリウム（III）が９．６質量％含まれている。次に、塩化セリウム（III）溶液１．７５ｇと、プロピレンオキシド（ＴＩＣ社製、≧９９．０％）０．８５９ｇを混合し、原液を得た。この原液において、Ｃｅとプロピレンオキシドのモル比は１：３３．０である。原液２．６０９ｇをエタノール（関東化学社製、９９．５％）２．３７ｇで希釈し、コーティング液を得た。このコーティング液において、ＣｅＣｌ3の濃度は０．０７５ｍｍｏｌ／Ｌである。次に、コーティング液を室温で一晩攪拌し続けてエージングした。エージング中において、コーティング液は、無色透明から白濁、茶色を経て薄黄色を呈した。エージング途中のコーティング液の可視紫外吸収スペクトルの評価から、３価のセリウムイオンの少なくとも一部が４価に酸化されたことが確認された。
　高透過ガラス（日本板硝子社製、オプティホワイト（登録商標）３ｍｍ厚）を１０ｃｍ角に切断し、洗浄及び乾燥させ、ガラス基板を準備した。エージング済みのコーティング液をガラス基板に塗布した。塗布はスピンコータ（ミカサ株式会社製、１Ｈ－３６０Ｓ型）を用い、基板回転数１０００ｒｐｍ、塗布後の回転保持時間１０秒で行った。コーティング液を塗布して得た湿潤膜をイソプロピルアルコールで洗浄し、さらにアセトンで洗浄した。洗浄後の湿潤膜を６０℃に設定した電気乾燥機に保持し、撥水膜付きガラス板を得た。
（実施例２）
　アセトンによる洗浄に代えて、シクロヘキセンオキシド（富士フィルム社製、９５％）の３８％エタノール溶液による洗浄を実施したことを除いては、実施例１と同様にして、撥水膜付きガラス板を得た。
（実施例３）
　実施例１の原液におけるＣｅとプロピレンオキシドのモル比を１：６５．７としたことを除いては、実施例１と同様にして、撥水膜付きガラス板を得た。
（実施例４）
　実施例１で用いたガラス基板の表面に、ＣｅＯ2ターゲットを用いたマグネトロンスパッタリングにより、ＣｅＯ2膜を成膜し、撥水膜付きガラス板を得た。
（比較例１）
　実施例１の原液におけるＣｅとプロピレンオキシドのモル比を１：６．７としたことを除いては、実施例１と同様にして、撥水膜付きガラス板を得た。
（比較例２）
　実施例１の原液におけるＣｅとプロピレンオキシドのモル比を１：０としたことを除いては、すなわちプロピレンオキシドを添加しないことを除いては、実施例１と同様にして、撥水膜付きガラス板を得た。
（比較例３）
　実施例１で用いたガラス基板をそのまま用いた。すなわち比較例３は撥水膜のないガラス板そのものである。なお、本比較例における水の接触角は、ガラス板の洗浄後に常温の大気中に２０日間放置した後、及び前述の熱処理後に常温の大気中で４０日間放置した時点で実施した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　実施例４からはピンク色の干渉色が観察されたが、その他の実施例からは撥水膜による干渉色は観察されなかった。実施例１では、成膜直後の水の接触角は７５°を下回っていたが、徐々に上昇した。これに対し、実施例２では、成膜直後から７５°以上の接触角が測定された。また、各実施例において、成膜及び熱処理から１００日経過後にも水の接触角を測定したところ、いずれの場合も測定値は７５°以上で安定していた。なお、１００日目までの保管も常温の大気中で実施した。
　実施例２及び３においても、実施例１と同様、エージング中にコーティング液の吸収スペクトルの吸収端は長波長側に移動した。一方、比較例１及び２では、エージング中に、吸収端の長波長側への変化は観察されなかった。
　実施例１及び２について、熱処理後に、ＳＥＭを用いて撥水膜の表面を観察した。結果を図１及び２に示す。撥水膜の表面は、実質的に平坦であったが、その表面に存在する酸化セリウム微粒子により微小凹凸が付与されていた。実施例２（図２）の膜表面には、相対的に多くの酸化セリウム微粒子が存在していることが確認できる。
　Ｘ線回折法を用いて熱処理後の酸化セリウムの結晶子サイズを測定したところ、実施例１について４．８５ｎｍ、実施例２について２．１０ｎｍであった。実施例２では、追加されたエポキシ基含有有機化合物（シクロヘキセンオキシド）により、結晶子の成長が阻害されたと考えられる。
 
 

Claims (20)

  1. 　ガラス基材と、前記ガラス基材上の撥水膜とを備えた、撥水膜付きガラス物品であって、
    　前記撥水膜は、セリウム酸化物を含み、
    　前記撥水膜の表面上の水の接触角が７５°以上であり、
    　前記ガラス物品を７６０℃及び４分間の熱処理に曝した後の前記接触角が７５°以上である、
    　撥水膜付きガラス物品。
  2. 　前記撥水膜の気孔率が２０～８５％の範囲にある、
    　請求項１に記載の撥水膜付きガラス物品。
  3. 　前記撥水膜の表面の算術平均粗さＲａが１～５０ｎｍの範囲にあり、
    　前記撥水膜の表面の十点平均粗さＲｚJISが２０～５００ｎｍの範囲にある、
    　請求項１又は２に記載の撥水膜付きガラス物品。
    　ただし、Ｒａは日本産業規格（ＪＩＳ）Ｂ０６０１：２０１３に規定された算術平均粗さであり、ＲｚJISはＪＩＳ　Ｂ０６０１:２００１に規定された十点平均粗さである。
  4. 　前記算術平均粗さＲａが３～３０ｎｍの範囲にあり、
    　前記十点平均粗さＲｚJISが１００～５００ｎｍの範囲にある、
    　請求項３に記載の撥水膜付きガラス物品。
  5. 　可視光透過率が８０～９５％の範囲にあり、
    　ヘイズ率が５％以下であり、
    　前記撥水膜が形成された側から前記ガラス物品に入射する可視光についての可視光反射率が２～２０％の範囲にある、
    　請求項１～４のいずれか１項に記載の撥水膜付きガラス物品。
  6. 　可視光透過率が８５～９５％の範囲にあり、
    　ヘイズ率が４％以下であり、
    　前記撥水膜が形成された側から前記ガラス物品に入射する可視光についての可視光反射率が２～８％の範囲にある、
    　請求項５に記載の撥水膜付きガラス物品。
  7. 　前記撥水膜の厚さが１０～２００ｎｍの範囲にある、
    　請求項１～６のいずれか１項に記載の撥水膜付きガラス物品。
  8. 　前記撥水膜が有機基をさらに含み、
    　前記有機基がエポキシ基を含む、
    　請求項１～７のいずれか１項に記載の撥水膜付きガラス物品。
  9. 　前記セリウム酸化物がＣｅＯ2を含む、
    　請求項１～８のいずれか１項に記載の撥水膜付きガラス物品。
  10. 　前記セリウム酸化物がＣｅＯ2とＣｅ2Ｏ3とをともに含む、
    　請求項１～９のいずれか１項に記載の撥水膜付きガラス物品。
  11. 　前記撥水膜は、前記セリウム酸化物が露出した表面を有する、
    　請求項１～１０のいずれか１項に記載の撥水膜付きガラス物品。
  12. 　前記撥水膜は、実質的に平坦な表面と、前記表面上の複数のセリウム酸化物微粒子とを有する、
    　請求項１～１１のいずれか１項に記載の撥水膜付きガラス物品。
  13. 　前記ガラス基材は、加熱曲げ処理及び風冷強化処理からなる群より選ばれる少なくとも１つの処理を受けたガラス板である、
    　請求項１～１２のいずれか１項に記載の撥水膜付きガラス物品。
  14. 　前記ガラス板の少なくとも一方の主面上に前記撥水膜を備え、
    　前記ガラス板の端面には前記撥水膜を有さない、
    　請求項１３に記載の撥水膜付きガラス物品。
  15. 　ガラス基材上に、セリウム酸化物を固形分として含有するコーティング液を塗布して前記ガラス基材上に塗膜を形成する工程と、
    　前記塗膜を乾燥させて撥水膜を形成する工程と、を具備し、
    　前記セリウム酸化物がＣｅＯ2を含む、
    　撥水膜付きガラス物品の製造方法。
  16. 　前記コーティング液を調製する工程をさらに具備し、
    　当該コーティング液を調製する工程が、
    　３価のセリウムを含むセリウム化合物を加水分解することを含む、
    　請求項１５に記載の撥水膜付きガラス物品の製造方法。
  17. 　前記セリウム化合物は、ハロゲン化セリウム及び硝酸セリウムからなる群より選ばれる少なくとも１つである、
    　請求項１６に記載の撥水膜付きガラス物品の製造方法。
  18. 　前記セリウム化合物を水溶性エポキシドの存在下で加水分解する、
    　請求項１６又は１７に記載の撥水膜付きガラス物品の製造方法。
  19. 　調製した前記コーティング液及び湿潤状態にある前記塗膜から選ばれる少なくとも１つを温度５～８０℃及び０．５～４８時間保持する、
    　請求項１６～１８のいずれか１項に記載の撥水膜付きガラス物品の製造方法。
  20. 　前記塗膜を乾燥させる前に、
    　低級アルコール及びケトンを用いて前記塗膜を洗浄する工程をさらに含む、
    　請求項１５～１９のいずれか１項に記載の撥水膜付きガラス物品の製造方法。
     
     
     
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