JP2013203554A - 多孔質ガラスの成形体とその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性、剛性、軽量性を有し、可視光領域において透明な多孔質ガラス成形体を提供する。
【解決手段】本発明の多孔質ガラス成形体は、ＳｉＯ₂主成分の化合物相を三次元骨格とし孔径３０ｎｍ以下の多数の貫通した細孔を有するものであり、４０〜７５ｗｔ％のＳｉＯ₂と１０〜３０ｗｔ％のＢ₂Ｏ₃とを主材料とし、この主材料に０〜１０ｗｔ％のＡｌ₂Ｏ₃と、０〜５ｗｔ％のＣａＯと、０〜１０ｗｔ％のＮａ₂Ｏと、０〜１５ｗｔ％のＫ₂Ｏを添加してなるガラスを原材料とし、熱処理温度５１０〜６４０℃で熱処理時間０．５〜２０時間で熱処理を施すことにより、ＳｉＯ₂主成分の化合物相と可溶相とからなる分相ガラスを得、この分相ガラスを成形加工して成形ガラスを得、この成形ガラスを酸およびアルカリ処理して可溶相を溶出させたことにより作製される。
【選択図】図１

Description

本発明は、多孔質ガラスの成形体とその作製方法に関するものである。

透明な材料としてガラス材と樹脂材がある。ガラス材は、耐熱性があり、また変形し難い剛性を有する長所がある。しかし、ガラス材は、重いという欠点がある。例えば、光学ガラスでは、比重が２．５２ｇ／ｃｍ³であり、合成石英ガラスでは比重が２．２ｇ／ｃｍ³である。一方、樹脂材は、軽いという長所がある。例えば光学樹脂材では、比重が１．０７〜１．４１ｇ／ｃｍ³である。しかし、樹脂材は、耐熱性や剛性に劣り、傷付き易いという欠点がある。

多孔質ガラスは、こうした一般的なガラス材や樹脂材と比較して耐熱性、剛性を有すると共に、軽量であり、ガラス材と樹脂材双方の長所を併せ持つ。

しかし、従来の多孔質ガラス成形体では、一般的なガラス材や樹脂材の特徴を持ち合わせるものの、多孔質を構成する孔径が５０ｎｍ以上であり、これにより細孔内部での光の散乱が発生するために白濁して透明性が得られないものであった。なお、多孔質ガラスに関する特許文献を下記に挙げることができる。

これらの特許文献のいずれも、多孔質ガラスを加熱により分相処理し、次いで、酸処理しガラス層の厚みが１〜１００μｍで多孔化した成形体を得る技術が開示されている。しかし、得られた成形体が焼結法による孔径０．１〜５．０μｍの多孔質セラミックスと多孔質ガラスの複合材であるため、多孔質ガラスの孔径に関わらず、多孔質セラミックスの細孔内部の光の散乱により透明な材料とはならなかった。

特開２００７−１６９１１０号公報 特開２００７−１６９１１１号公報

本発明においては、耐熱性、剛性、軽量性を有し、可視光領域において透明な多孔質ガラス成形体を提供することを解決すべき課題としている。

本発明による多孔質ガラス成形体は、ＳｉＯ₂主成分の化合物相を三次元骨格とし、孔径３０ｎｍ以下の多数の貫通した細孔を有する、ことを特徴とするものである。

前記成形体は、４０〜７５ｗｔ％のＳｉＯ₂と１０〜３０ｗｔ％のＢ₂Ｏ₃とを主材料とし、この主材料に０〜１０ｗｔ％のＡｌ₂Ｏ₃と、０〜５ｗｔ％のＣａＯと、０〜１０ｗｔ％のＮａ₂Ｏと、０〜１５ｗｔ％のＫ₂Ｏを添加してなるガラスを原材料とし、この原材料に対して、熱処理温度５１０〜６４０℃で熱処理時間０．５〜２０時間で熱処理を施すことにより、ＳｉＯ₂主成分の化合物相とＢ₂Ｏ₃−Ａｌ₂Ｏ₃−ＣａＯ−Ｎａ₂Ｏ−Ｋ₂Ｏの可溶相とからなる分相ガラスを得、次いで、この分相ガラスを成形加工し、その成形加工により得られた成形体を酸処理後、アルカリ処理して、当該成形体から前記可溶相を溶出させたことにより作製されたものであることを特徴とする。

本発明による多孔質ガラス成形体の作製方法は、４０〜７５ｗｔ％のＳｉＯ₂と１０〜３０ｗｔ％のＢ₂Ｏ₃とを主材料とし、この主材料に０〜１０ｗｔ％のＡｌ₂Ｏ₃と、０〜５ｗｔ％のＣａＯと、０〜１０ｗｔ％のＮａ₂Ｏと、０〜１５ｗｔ％のＫ₂Ｏを添加してなるガラスを原材料とし、この原材料に対して、熱処理温度５１０〜６４０℃で熱処理時間０．５〜２０時間で熱処理を施すことにより、ＳｉＯ₂主成分の化合物相とＢ₂Ｏ₃−Ａｌ₂Ｏ₃−ＣａＯ−Ｎａ₂Ｏ−Ｋ₂Ｏの可溶相とからなる分相ガラスを得、前記分相ガラスを成形加工して成形ガラスを得、前記成形ガラスを酸処理後、アルカリ処理して、当該成形ガラスから前記可溶相を溶出させて、多孔質ガラスを作製することを特徴とする。

本発明の多孔質ガラス成形体は、ガラス材料の長所である耐熱性、剛性と樹脂材の長所である軽量性を供えると共に、従来の多孔質ガラスでは得られなかった高い透明性を有する。

図１（ａ）は、成形体全面にスポンジ状の貫通穴を有する状態を示す多孔質ガラス成形体のＳＥＭ写真、図１（ｂ）は、孔径３０ｎｍ以下の多孔質ガラス成形体のＳＥＭ写真を示す図である。 図２は、図１（ｂ）のＳＥＭ写真の矩形領域を概念的かつ模式的に示す図である。 図３は、孔径５０ｎｍと３０ｎｍの多孔質ガラス成形体において可視光領域での光透過率を示す図である。 図４は、前記多孔質ガラス成形体の作製過程を示す図である。 図５（ａ）は、孔径３０ｎｍの板状多孔質ガラス成形体の透明性を模式的に示す図、図５（ｂ）は孔径５０ｎｍの板状多孔質ガラス成形体の透明性を模式的に示す図、図５（ｃ）は孔径２００ｎｍの板状多孔質ガラス成形体の透明性を模式的に示す図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る多孔質ガラス成形体とその作製方法を説明する。

本発明の多孔質ガラス成形体１は、実施形態では、図１（ａ）のＳＥＭ写真で示す成形体全面にスポンジ状の貫通穴を有する状態である。細孔の状態は図１（ｂ）で示す孔径３０ｎｍ以下の状態である。図２は、図１（ｂ）のＳＥＭ写真の短形領域を概念的かつ模式的に示す図であり、ＳｉＯ₂主成分の化合物相２を三次元骨格とし、その骨格内に孔径３０ｎｍ以下の多数の細孔３を有している。当該多孔質ガラス成形体１の作製方法は、ホウ珪酸ガラスを２つの相に分相させて作製する、いわゆる分相法によるものである。これらの２つの相が絡み合う構造（スピノーゲル構造）であるため、多数の細孔３同士も三次元に連結し、多孔質ガラス成形体１全体を貫通している。

前記多数の細孔３は、互いに連結することで多孔質ガラス成形体１を貫通しているが、ここでの前記「連結」は、成形体１の全体における細孔３のすべてが互いに連結していることに限定しない。なお、図１（ｂ）のＳＥＭ写真からは、それら多数の細孔３がほぼ均等に分布して存在し、立体的に連結していることが明らかに示されている。また、図１のＳＥＭ写真の一部を図２で平面的に示した多孔質ガラス成形体１においては、ハッチングがＳｉＯ₂主成分の化合物相２であり、白抜き部分が細孔３を示している。

ただし、本発明の多孔質ガラス成形体１は、成形体全体にわたり、すべての細孔３が均等に分布して存在することに限定する趣旨ではない。

この多孔質ガラス成形体１は、主材料をＳｉＯ₂とＢ₂Ｏ₃とし、この主材料にＡｌ₂Ｏ₃とＣａＯとＮａ₂ＯとＫ₂Ｏとを添加材としてなるホウ珪酸ガラスを用いて、分相法により作製したものである。さらに詳しくは、前記成形体１は、４０〜７５ｗｔ％のＳｉＯ₂と１０〜３０ｗｔ％のＢ₂Ｏ₃とを主材料とし、この主材料に０〜１０ｗｔ％のＡｌ₂Ｏ₃と、０〜５ｗｔ％のＣａＯと、０〜１０ｗｔ％のＮａ₂Ｏと、０〜１５ｗｔ％のＫ₂Ｏを添加してなるガラスを原材料とし、この原材料に対して、熱処理温度５１０〜６４０℃で熱処理時間０．５〜２０時間で熱処理を施すことにより、ＳｉＯ₂主成分の化合物相とＢ₂Ｏ₃−Ａｌ₂Ｏ₃−ＣａＯ−Ｎａ₂Ｏ−Ｋ₂Ｏの可溶相とからなる分相ガラスを得、次いで、この分相ガラスを成形加工し、その成形加工により得られた成形体を酸処理後、アルカリ処理して、当該成形体から前記可溶相を溶出させたことにより作製されたものである。

本発明の多孔質ガラス成形体１の細孔を構成する孔径は３０ｎｍ以下である。孔径が３０ｎｍ以下の場合、可視光領域における細孔内部の光の散乱がほとんど生じず透明性が極めて高くなる。ＳｉＯ₂主成分の化合物相２を三次元骨格とするため、耐熱性、剛性、軽量性を備えることを可能としている。

図３は、従来と本発明の多孔質ガラス成形体を、板厚０．３ｍｍの平板状とした場合の光透過率を比較して示すものである。図３の横軸は光波長、縦軸は光透過率を示す。（ａ）は従来の孔径５０ｎｍの板状多孔質ガラス成形体の光透過率特性、（ｂ）は本発明の孔径３０ｎｍの板状多孔質ガラス成形体の光透過率特性を示す。

図３で示すように、従来の多孔質ガラス成形体（ａ）では、可視光領域における光透過率が９０％以下の部分が存在するのに対して、本発明の多孔質ガラス成形体（ｂ）では、可視光領域全域にわたり、その光透過率が９０％以上である。以上から本発明の多孔質ガラス成形体１は、孔径が３０ｎｍ以下であるため、図３に示す孔径３０ｎｍの多孔質ガラス成形体以上に、より透明性が極めて高いことが伺える。尚、図３の光透過率の測定には、以下の機種の測定器械等を用いた。

測定機種：日本分光（秩）製の分光光度計Ｖ−５７０型、
同 ：日本分光（秩）製の積分球装置ＩＮＳ−４７０型、
標準反射板：米国ラブスフェア製のスペクトラロンＴＭ、
測定波長範囲：２５０−２０００ｎｍ、
リファレンス：空気（拡散透過率測定）スペクトラロンＴＭ（拡散反射率測定）
次に、図４を参照して、本発明の多孔質ガラス成形体の作製例を説明する。

本発明では、分相法により多孔質ガラス成形体を作製した。

図４（ａ）は、多孔質ガラス成形体の原材料を示す。図４（ｂ）は、熱処理による分相工程、図４（ｃ）は、成形工程、図４（ｄ）は、酸処理工程、図４（ｅ）は、アルカリ処理工程を示す。

原材料：
図４（ａ）に示す本発明の多孔質ガラスの原材料はホウ珪酸ガラス４である。このホウ珪酸ガラス４は、４０〜７５ｗｔ％のＳｉＯ₂と１０〜３０ｗｔ％のＢ₂Ｏ₃とを主材料とし、この主材料に０〜１０ｗｔ％のＡｌ₂Ｏ₃と、０〜５ｗｔ％のＣａＯと、０〜１０ｗｔ％のＮａ₂Ｏと、０〜１５ｗｔ％のＫ₂Ｏを添加して構成されている。なお、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏのうち少なくとも１つの材料は添加するものとする。したがって、主材料であるＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃の合計ｗｔ％で１００％にはならない。

I、熱処理：
熱処理工程では、前記原材料であるホウ珪酸ガラス４に対し、５１０〜６４０℃の温度の下で、０．５〜２０時間の間、熱処理をする。この熱処理の条件により、多孔質ガラスの細孔の孔径を３０ｎｍ以下に制御することができる。

この熱処理により、図４（ｂ）で示す分相ガラス５を得る。図４（ｂ）において、分相ガラス５は、黒塗りで示すＳｉＯ₂主成分の化合物相６と、ハッチングで示すＢ₂Ｏ₃−Ａｌ₂Ｏ₃−ＣａＯ−Ｎａ₂Ｏ−Ｋ₂Ｏの可溶相７とからなる。この分相の原理は周知であるので、説明を略する。

II、成形：
前記分相ガラス５を、所望の形状、例えば板状に成形し、図４（ｃ）で示す成形体８を得る。この加工には、切断、研磨等の各種加工を含む。

III、酸処理：
前記ガラス成形体８に対して、７０℃以上に加温したＨＣＬ，Ｈ₂ＳＯ₄，ＨＮＯ₃等により酸処理を施すことにより可溶相７が溶出される。その結果、図４（ｄ）で示すように、三次元骨格をなす前記ＳｉＯ₂主成分の化合物相６と、可溶相７が溶出した跡のＳｉＯ₂ゲル９とからなるＳｉＯ₂ゲル含有多孔質ガラス成形体１０を得る。前記ＳｉＯ₂ゲル９は、可溶相７の溶出残りで、ＳｉＯ₂を主成分として存在するものである。

IV、アルカリ処理：
ＳｉＯ₂ゲル含有多孔質ガラス成形体１０に対してＮａ₂ＣＯ₃、ＮａＨＣＯ₃、ＮａＯＨ等によりアルカリ処理することにより、前記ＳｉＯ₂ゲル９を溶出させ、この溶出した跡が孔径３０ｎｍ以下の細孔１１となって、本発明の多孔質ガラス成形体１２を得る。なお、酸処理からアルカリ処理への移行に際しては、洗浄の後、ウェットまたはドライの状態で移行する。

図５（ａ）〜（ｃ）に、板状に成形されかつ孔径が３０ｎｍ、５０ｎｍ、２００ｎｍの多孔質ガラス成形体１３、１４、１５それぞれをカラー写真１６上に載置した場合のカラー写真の見え方の違いによって、各多孔質ガラス成形体１３、１４、１５の光透過性を模式的に示す。多孔質ガラス成形体１３は本発明のものであり、多孔質ガラス成形体１４、１５は従来のものである。カラー写真１６は概念的に白抜きで示す。

図５（ａ）に示すように、本発明の孔径３０ｎｍの多孔質ガラス成形体１３は、その透明性が高いので、それで覆われたカラー写真部分を明瞭に視認することができる。多孔質ガラス成形体１３は、その透明性を示すため、白抜きで示す。

図５（ｂ）に示すように、従来の孔径５０ｎｍの多孔質ガラス成形体１４は細孔内部での光の散乱が発生するため、白濁した状態となるため、それで覆われたカラー写真部分は視認しにくい。その視認状態をハッチングで示す。

図５（ｃ）に示すように、従来の孔径２００ｎｍの多孔質ガラス成形体１５は不透明であるため、多孔質ガラス成形体１５で覆われたカラー写真部分は視認することができない。多孔質ガラス成形体１５は不透明であることを示すため、クロスハッチングで示す。

以上説明したように本発明の多孔質ガラス成形体は、ＳｉＯ₂主成分の化合物相を三次元骨格とするので、耐熱性、剛性、軽量性を備え、また、その細孔の孔径は、３０ｎｍ以下であるので、細孔内部での光の散乱がほとんど生じず、結果、高い透明性を有した成形体となっている。

１ 多孔質ガラス成形体
２ ＳｉＯ₂主成分の化合物相
３ 細孔
４ ホウ珪酸ガラス
５ 分相ガラス
６ ＳｉＯ₂主成分の化合物相
７ 可溶相
８ ガラス成形体
９ ＳｉＯ₂ゲル
１０ ＳｉＯ₂ゲル含有多孔質ガラス成形体
１１ 細孔
１２ 多孔質ガラス成形体

Claims (3)

1. ＳｉＯ₂主成分の化合物相を三次元骨格とし、孔径３０ｎｍ以下の多数の貫通した細孔を有する、ことを特徴とする多孔質ガラス成形体。
2. 当該多孔質ガラスは、
   ４０〜７５ｗｔ％のＳｉＯ₂と１０〜３０ｗｔ％のＢ₂Ｏ₃とを主材料とし、この主材料に０〜１０ｗｔ％のＡｌ₂Ｏ₃と、０〜５ｗｔ％のＣａＯと、０〜１０ｗｔ％のＮａ₂Ｏと、０〜１５ｗｔ％のＫ₂Ｏを添加してなるガラスを原材料とし、
   この原材料に対して、熱処理温度５１０〜６４０℃で熱処理時間０．５〜２０時間で熱処理を施すことにより、ＳｉＯ₂主成分の化合物相とＢ₂Ｏ₃−Ａｌ₂Ｏ₃−ＣａＯ−Ｎａ₂Ｏ−Ｋ₂Ｏの可溶相とからなる分相ガラスを得、
   前記分相ガラスを成形加工して成形ガラスを得、
   前記成形ガラスを酸およびアルカリ処理して、当該成形ガラスから前記可溶相を溶出させたことにより、作製されたものである、請求項１に記載の多孔質ガラス成形体。
3. ４０〜７５ｗｔ％のＳｉＯ₂と１０〜３０ｗｔ％のＢ₂Ｏ₃とを主材料とし、この主材料に０〜１０ｗｔ％のＡｌ₂Ｏ₃と、０〜５ｗｔ％のＣａＯと、０〜１０ｗｔ％のＮａ₂Ｏと、０〜１５ｗｔ％のＫ₂Ｏを添加してなるガラスを原材料とし、
   この原材料に対して、熱処理温度５１０〜６４０℃で熱処理時間０．５〜２０時間で熱処理を施すことにより、ＳｉＯ₂主成分の化合物相とＢ₂Ｏ₃−Ａｌ₂Ｏ₃−ＣａＯ−Ｎａ₂Ｏ−Ｋ₂Ｏの可溶相とからなる分相ガラスを得、
   前記分相ガラスを成形加工して成形ガラスを得、
   前記成形ガラスを酸処理後、アルカリ処理して、当該成形ガラスから前記可溶相を溶出させて、多孔質ガラスを作製することを特徴とする多孔質ガラス成形体の作製方法。