セルフクリーニングガラス

セルフクリーニングガラスは、表面が汚れや垢から自動的に保護される 特殊なタイプのガラスです。

ガラスのセルフクリーニングコーティングの分野は、疎水性と親水性の2 つのカテゴリに分けられます。これら 2 種類のコーティングはどちらも水の作用によって自己洗浄します。前者は水滴を転がすことによって、後者は汚れを流す水をシート状にすることによって洗浄します。ただし、チタニア(二酸化チタン) をベースにした親水性コーティングには、吸収した汚れを日光で化学的に分解するという追加の特性があります。

自己洗浄性疎水性表面の要件は、非常に高い静的水接触角θ（よく引用される条件はθ>160°）と非常に低い転がり角、つまり液滴が表面から転がり落ちるのに必要な最小傾斜角です。^[1]

疎水性表面をパターン化する技術としては、成形ポリマーやワックスの使用、イオンエッチングやポリマービーズの圧縮などの物理的処理法、プラズマ化学粗面化などの化学的方法などが知られており、いずれも超疎水性コーティングを生成できる。^[2]これらの表面は効果的なセルフクリーニング機能を持つが、これまで広範囲に適用できなかった多くの欠点がある。疎水性材料のバッチ処理はコストがかかり時間のかかる技術であり、生成されるコーティングは通常曇っているため、レンズや窓、壊れやすい材料には適用できない。2 つ目のセルフクリーニング機能を持つ表面は親水性表面で、汚れを洗い流すのに水の流れだけに頼らない。これらのコーティングは光にさらされると汚れを化学的に分解する。このプロセスは光触媒と呼ばれる。多くの製品で親水性セルフクリーニングコーティングが商品化されているにもかかわらず、この分野はまだ成熟にはほど遠い。セルフクリーニングの基本的なメカニズムと新しいコーティングの特性に関する研究は、一次文献に定期的に掲載されています。

最初のセルフクリーニングガラスは、薄膜 チタンコーティングをベースとしていました。^{[3]このフィルムは、有機チタン酸塩キレート化前駆体（例えば、アセチルアセトンでキレート化されたチタンイソテトラプロポキシド）を}スピンコーティングして塗布し、その後、高温で熱処理して有機残留物を燃焼させてアナターゼ相を形成します。その場合、ナトリウムがガラスから新生二酸化チタンに拡散し、予防措置を講じない限り、親水性/触媒効果が低下します^[4]。ガラスは2段階で自己洗浄します。プロセスの「光触媒」段階では、紫外線を使用してガラス上の有機汚れを分解し、ガラスを超親水性にします（通常、ガラスは疎水性です）。次の「超親水性」段階では、雨が汚れを洗い流し、水が超親水性表面に均一に広がるため、ほとんど筋が残りません。^[5]

2001 年、ピルキントングラスは初のセルフクリーニング ウィンドウである Pilkington Activ™ の開発を発表し、その後数か月で他の大手ガラス会社数社が同様の製品を発売しました。その結果、ガラスはおそらく現在までにセルフクリーニング コーティングの最大の商業的応用例です。これらの窓はすべて、二酸化チタンの薄い透明層でコーティングされています。このコーティングは、光触媒と親水性という2 つの異なる特性を利用して、2 段階で窓をクリーニングします。日光の下では、光触媒によりコーティングが窓に吸着した有機汚れを化学的に分解します。ガラスが雨やその他の水で濡れると、親水性により接触角が非常に低い値に低下し、水が液滴ではなく薄い層を形成し、この層が汚れを洗い流します。

二酸化チタンは、その優れた物理的・化学的特性から、セルフクリーニング窓や親水性セルフクリーニング表面全般に好まれる素材となっている。^[要出典]二酸化チタンは、太陽光の下で汚れを光触媒して超親水性状態に達する効率が高いだけでなく、毒性がなく、光がない場合でも化学的に不活性で、安価で、取り扱いが比較的容易で、薄膜に堆積しやすく、化粧品や塗料の顔料、食品添加物として使用される確立された家庭用化学物質である。^[6]

準安定 アナターゼ相は、一般的にチタンの多形構造の中で最も光触媒性が高いと考えられていますが、これはおそらく、通常、比表面積が大きいことが原因です。^{[7]さらに、紫外線照射により、架橋部位に表面酸素空孔が生成され、関連する Ti 4+}サイトが Ti ³⁺サイトに変換され、解離性水吸着に有利になります。^[8]これらの欠陥は、おそらく周囲のサイトの化学吸着水に対する親和性に影響を与え、親水性ドメインを形成しますが、表面の残りの部分は親油性のままです。親水性ドメインは、解離性水が吸着される領域であり、(110) 面の [001] 方向に沿って優先的に光生成される酸素空孔と関連しています。この方向は、酸素架橋部位が整列する方向と同じです。^[9]

その他の応用分野としては、指紋が付着することを望まないコンピュータモニターやPDA画面が挙げられる。^[10]

二酸化チタンベースのガラスは、塗料やシリコンなどの厚い不透明な堆積物、防水指紋や風化後の滲み、建設中に生成されたスタッコの粉塵を分解することができません。[ 11 ^]

2001年以来、国際ガラス委員会のTC24「ガラスへのコーティング」委員会は、ガラスへの光触媒セルフクリーニングコーティングの評価のための試験方法を確立しようと努めてきました。^[12]

• ピルキントン社のPilkington Activブランドは、同社によれば初のセルフクリーニングガラスである。Pilkington Activ™は、大気圧化学蒸着法によってソーダ石灰ケイ酸塩フロートガラスに蒸着された20～30nmのナノ結晶アナターゼ型二酸化チタン層で構成されている。^[13]その結果、極めて良好な可視透過率と反射率特性を持つ製品が生まれた。Activ™の可視反射率は約7%、可視ヘイズは1%未満であるが、セルフクリーニングプロセスで使用される入射太陽紫外線の20%を吸収する。コーティングはまた頑丈で、スコッチテープを貼ったり中程度の機械的摩擦を受けたりしても損傷しない。ピルキントン社は、このコーティングは窓枠の寿命と同じくらい長持ちすると主張している。
• PPGインダストリーズのSunCleanブランドも、特許取得済みのプロセスで塗布された二酸化チタンのコーティングを使用しています。^[14]
• カーディナルガラスインダストリーズのニートガラスには、マグネトロンスパッタリング法で塗布された厚さ10nm未満の二酸化チタン層が使用されています。^[11]
• サンゴバン社によるSGGアクアクリーン（第1世代、親水性のみ、2002年^[15]）とバイオクリーン（第2世代、光活性と親水性の両方、2003年^[16]）。^[17]バイオクリーンコーティングは化学蒸着法で塗布される。
• 日本板硝子のレイボーグ光^[18 ]
• レイン-X

• ETFEフィルム、自己洗浄性があるとされる透明ポリマーフィルム