JP5230906B2 - ガラスセラミック独立フィルム及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明はガラスセラミック独立フィルム及びその製造方法に関する。
ゾル-ゲル法は、金属アルコキシド等の有機金属化合物溶液や無機化合物溶液から金属酸化物もしくは水酸化物ゾルを得、さらにこれをゲル化し、このゲルを加熱することによりセラミックスやガラスを作製する方法である。
ゾル-ゲル法を用いたSiO2ガラスの作製方法も従来より知られており、非特許文献1に紹介されているが、その多くは、金属アルコキシド溶液を用いてガラスや導体等の基板上に、基板と一体として形成された1μm未満の薄いコーティング膜の作製方法である。ゾル-ゲル法を用い、基板等とは別体の独立したバルク状のSiO2ガラス体の作製方法についても検討されているが、乾燥工程でのクラックの発生を防止するため、一般に非常に特殊な乾燥機(超臨界乾燥)を必要とする。また、そうでない場合でも、非常にゆっくりした乾燥を必要とする。例えば、特許文献1(特開昭61−236619号公報)はゾル-ゲル法による石英ガラスの製造法を記載している。その乾燥方法では20℃で一晩放置した後、容器の蓋として所定の開口率のものを用いて、60℃で10日間乾燥させている。また、特許文献2(特開平4−292425号公報)においてゾル-ゲル法によるシリカガラスの製造法を教示している。そこでは原料ゾルをシャーレに入れ、室温でゲル化させた後、シャーレの蓋を穴のあいたものに代えて、60℃で100日間乾燥させている。このような長時間の乾燥は製造を非常に困難なものにしている。
また、上述するバルク状のSiO2ガラスは、数10mm以上の厚みを持つバルク体が主体であり、基板と別体で、支持体を必要としない独立した薄いフィルム状のガラス(以下、「独立ガラスフィルム」という)を作製する方法は知られていない。
「ゾル-ゲル法の科学」 作花済夫著 アグネ承風社 特開昭61−236619号公報 特開平4−292425号公報
そこで、本発明の1つの目的は、ゾル-ゲル法を用いた独立ガラスフィルムの製造方法を提供することである。本発明の別の目的は、ゾル-ゲル法を用い、クラックがない独立ガラスフィルムを長時間の乾燥を必要とせずに製造する方法を提供することである。
本発明は、1つの態様によると、SiO2母材ガラスと、その母材ガラス中に分散された微結晶ZrO2粒子とを含む、ガラスセラミック独立フィルムを提供する。
本発明は、さらに別の態様によると、pH4以下に調整したコロイダルシリカゾルと、ジルコニウム含有化合物と、バインダーとを混合して、混合液を製造する工程と、その混合液を基材上に塗布する工程と、塗布された混合液を乾燥し、該基材上に前駆体フィルムを形成させる工程と、その前駆体フィルムを基材から剥離する工程と、剥離された前駆体フィルムを焼成する工程と、を含む、ガラスセラミック独立フィルムの製造方法を提供する。
本発明のガラスセラミックス独立フィルムは、無機ガラスセラミックフィルムであるので、耐候性、耐熱性、耐食性を有する。また、特にZrO2微結晶を含むため、耐スクラッチ性が高い。さらに、独立なフィルムであるため、板状のものに比べ、柔軟性を有する。また、種々の基材に貼りあわせて使用することもできる。
本発明の製造方法によれば、混合液を作製する際に、ジルコニウム含有化合物を混合する前に、シリカゾルのpHを4以下に調整するため、シリカゾルとジルコニウム含有化合物との良好な分散混合状態を得ることができる。その結果、クラックのない透明な独立フィルムが得られる。また、この製造方法によれば、乾燥時間を短時間にすることができる。
本発明を好適な実施態様について説明する。
本発明によるガラスセラミック独立フィルムは、SiO2母材ガラスと、その母材ガラス中に分散された微結晶ZrO2粒子とを含む、支持体を必要としない独立したフィルムである。このガラスセラミックス独立フィルムは、例えば以下に説明するゾル-ゲル法を使用した製造方法により作製される。この作製方法においては、まず、酸性に調整されたコロイダルシリカゾルに、硝酸ジルコニルなどのジルコニウム含有化合物とバインダーとを混合し、混合液を作製する。次にこの混合液を基材上に塗布し、乾燥し、基材上に前駆体フィルムを形成する。その後、この前駆体フィルムを基材から剥離し、焼成することでSiO2ガラス中にZrO2微結晶が分散されたガラスセラミックスを得ることができる。
以下、各工程についてより詳細に説明する。
[混合液の作製]
コロイダルシリカゾル、ジルコニウム含有化合物、バインダー及び必要に応じて添加物を混合し、混合液を準備する。以下、混合液の各成分について説明する。
<コロイダルシリカゾル>
シリカ微粒子が分散媒に安定に分散したコロイダルシリカゾルを用いる。分散媒の種類に特に限定はしないが、水を分散媒とする、いわゆる水性のシリカゾルを用いることができる。シリカ粒子径としては550nm以下が望ましく、好適には300nm以下であり、更に好適には100nm以下である。シリカ微粒子の径が大きすぎると、透明性をもったフィルムを形成することが困難になる。また、粒子径が大きいものは分散安定性が低下するため不均質になり易い。更には粒子径が大きすぎる場合、粒子間の空隙寸法も大きくなるため緻密化に必要な温度が高温化する。一方、シリカ微粒子の粒子径は好ましくは4nm以上である。更に好ましくは8nm以上である。粒子径が小さすぎると、クラックを生じやすく、このため、独立フィルムを形成することが困難になる傾向があるからである。
また、シリカゾルは、硝酸ジルコニルなどのジルコニウム含有化合物と混合されるが、その前に、シリカゾルは酸性、具体的にはpH4以下、より好ましくはpH3以下に調整しておく。シリカゾルのpHがこの条件を満たさない場合は、ジルコニウム含有化合物がゲル化を生じ又は沈殿を生じるので、シリカゾル中に均質にジルコニウムを分散させることができない。
なお、あらかじめ酸性に調整された市版のコロイダルシリカを用いることもできるが、中性もしくはアルカリ性のコロイダルシリカを使用する場合は、ジルコニウム含有化合物を混合する前に、塩酸、硝酸、酢酸などの酸性水溶液を追加することで、コロイダルシリカゾルのpHを4以下に調整してもよい。なお、このpH値はジルコニウム含有液を混合する直前のコロイダルシリカ溶液のpH値である。
<ジルコニウム含有化合物>
上記のコロイダルシリカゾルは、ジルコニウム含有化合物と混合される。混合されたジルコニウム含有化合物は、焼成時に酸化ジルコニウム(ZrO2)微結晶を生じることができるものである。具体的には、硝酸ジルコニル及び酢酸ジルコニルを用いることができるが、硝酸ジルコニルは緻密でかつ透明な独立フィルムを得ることができる点で望ましいジルコニウム含有化合物である。
なお、シリカゾルに混合する際、ジルコニウム含有化合物は、粉末などの固体形態のものを直接混合させてもよいし、ジルコニウム含有化合物を水に溶かした水溶液とした後、シリカゾルと混合しても良い。
ジルコニウム含有化合物の量は、得られるシリカ−酸化ジルコニウム(SiO2+ZrO2)ガラスセラミック独立フィルムの質量に対してZrO2の質量に換算して10〜60質量%であることが望ましい。好ましくは15〜55質量%であることが望ましい。より好ましくは20〜50質量%であることが望ましい。
ZrO2添加量が高すぎると、混合液を乾燥する段階、或いは前駆体フォルムを焼成する段階でクラックが発生しやすくなる。
<バインダー>
上述のシリカゾルと、ジルコニウム含有化合物とともに、バインダーが混合されて混合液を形成する。バインダーとしてはポリビニルアルコール、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリビニルピロリドン等の水溶性高分子が挙げられる。多量のバインダーの添加は焼成工程前の前駆体フィルムの強度向上には望ましいが、その後の焼成工程で大きな収縮やそれに伴うクラックを発生させる傾向がある。また、多量のバインダーの添加は製造コストを高くしてしまう。このため、バインダー添加量は少ないほうが望ましく、その量は、得られるシリカ−酸化ジルコニウム(SiO2+ZrO2)ガラスセラミック独立フィルムの質量に対して(すなわち、シリカ及び酸化ジルコニウムからなる無機固体分に対する質量%として)、100質量%以下が望ましく、好適には80質量%以下であり、更に好適には50質量%以下である。一方、バインダーの量が少なすぎると、グリーンの強度が十分でなく、焼成前の剥離工程でフィルムが破壊されやすくなる。好ましくは、バインダーの添加量はシリカ及び酸化ジルコニウムからなる無機固体分に対する質量%で2〜100%である。好ましくは5〜50%である。
<その他の添加物>
また、混合液中には、上記バインダーのほか、添加剤として有機溶剤を添加してもよい。有機溶剤としては、トリエタノールアミン、ジエタノールアミン、モノエタノールアミンなどのアルカノールアミン類の他、γ−ブチロラクトン、乳酸、エチレングリコール、グリセリン、1,4ブタンジオールなどの多価アルコール、更にはエチレングリコールモノプロピルエーテルなどの多価アルコール誘導体が挙げられる。これら有機溶剤の添加量は、得られるシリカ−酸化ジルコニウム(SiO2+ZrO2)ガラスセラミック独立フィルムの質量に対して(すなわち、シリカ及び酸化ジルコニウムからなる無機固体分に対する質量%として)好適には5質量%以下であり、更に好適には3質量%以下である。有機溶剤を添加すると、乾燥速度を制御し前駆体フィルムのクラックを生じにくくするとともに、前駆体フィルムに柔軟性を付与し、ハンドリング性が改善される。添加量が大きすぎると、フィルムの乾燥を著しく遅らせることになる。
また、混合液に、界面活性剤を加えてもよい。界面活性剤は、前駆体フィルムと基材との密着を抑制し、前駆体フィルムを基材からし易くする効果がある。なお、界面活性剤の種類に限定はないが、例えばシリカゾルとの混合安定性が良好なポリオキシエチレンアルキルアミン等が使用できる。
[乾燥、剥離、焼成工程]
得られた混合液を、基材上に塗布する。基材としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)などのポリエステルフィルム、ポリメチルメタクリレート(PMMA)などのアクリルフィルム、ポリカーボネート及びポリイミド等、プラスチックフィルムのほか、ガラスやセラミック板、金属板などが挙げられる。基材は、乾燥後の前駆体フィルムの剥離を容易にするように、シリコーン処理などの剥離処理を施されたものであってよい。しかし、比較的に薄いフィルムを形成する場合には、フィルム形成能力が低下しないように剥離処理を施さない基材を用いたほうがよい場合もある。基材上への塗布にはダイコート、スプレーコート、バーコート、ナイフコート、キャスティング、スピンコート、スクリーン印刷などの印刷法等の種々の方法を用いることができる。
基材に塗布された混合液は、乾燥され、前駆体フィルムとなる。乾燥は室温(25℃)または加熱状態で、大気圧又は減圧下に行なうことができる。室温(25℃)では、数時間の乾燥で十分であるが、作業日程にあわせ一昼夜乾燥させてもよい。
乾燥後、前駆体フィルムは基材より剥離される。なお、必要に応じ剥離後の前駆体フィルムは、適当な寸法に裁断してもよい。
この後、剥離した前駆体フィルムを焼成する。焼成には電気炉を用いることができ、加熱初期における有機物がバーンアウトされる温度(約450℃〜500℃以下)ではゆっくりとした加熱、たとえば、5℃/分の昇温速度、好ましくは3℃/分、更に好ましくは1℃/分、その後、最終温度までは、それより速い昇温速度、たとえば、5〜10℃/分で昇温を行なうことができる。最終温度である焼成温度で15分間以上の焼成でガラスセラミック独立フィルムを形成することができる。焼成温度は、通常、600℃〜1300℃である。
なお、前駆体フィルムを焼成前に剥離するのは、剥離しないと、焼成時の加熱によって基材と前駆体フィルムとの間に応力が生じ、クラックが生じやすくなるからである。
上記本発明の実施の態様の製造方法によれば、フィルム形成用混合液がジルコニウム含有化合物及びバインダーを含んでおり、乾燥時及び焼成時においてクラックを生じにくい。この実施の態様の製造方法により得られた独立フィルムは、X線回折(XRD)分析及び走査型電子顕微鏡(TEM)による分析によって、SiO2母材ガラスと中に分散された微結晶ZrO2粒子を含む。また、XRD分析及びTEM分析によると、微結晶ZrO2粒子は粒子径が100nm以下であることも分かった。このような微結晶ZrO2粒子を含むガラスセラミック独立フィルムは、耐スクラッチ性が高く、透明である。さらに、得られるガラスセラミック独立フィルムは、その厚さを広く変更することができ、たとえば、5μm〜2mmのフィルムを得ることができる。特に、10〜100μmの厚さの薄い独立フィルムは無機フィルムであるが、十分な可とう性を示す。なお、フィルムの厚さはマイクロメーターや顕微鏡観察などよって測定される。
<ガラスセラミック独立フィルムの用途>
製造されたガラスセラミック独立フィルムは、種々の他の材料に貼り付けて使用することができる。プラスチックフィルム、金属、木材、コンクリート、セラミックス等に貼り付けて使用できる。貼り付ける他の材料としては、金属、コンクリート、セラミックスなどの耐熱性を持つものでもよいし、耐熱性を持たないプラスチックフィルムや紙類にも貼り付けて用いることもできる。本発明で得られたガラスセラミック独立フィルムを他の材料に施すことにより、種々の他の材料の耐熱性を高めたり、耐スクラッチ性、耐化学薬品性を向上させることが可能となる。また、所定の焼成条件でガラスセラミックフィルムを形成して、緻密化したフィルムを製造した場合は、ガスバリアー性を向上させることができる。一方、十分な緻密化させずにガラスセラミックフィルムを形成した場合には、断熱性を付与することができる。
具体的には、ガラスセラミックフィルムはプラスチックフィルムに貼ることによって、プラズマディスプレイパネル(PDP)、液晶ディスプレーパネル(LCP)等の表示装置、更には窓材などの軽量化構造材料等として使用できる。
以下において、本発明を実施例に基づいて説明する。特に指示がないかぎり、百分率は質量基準であるものとする。
実施例1:
コロイダルシリカゾルとして、pH約2.8のスノーテックス(Snowtex)ST−O(日産化学社製)(粒子径10〜20nm、固体含有率20.5wt%)を用いた。なお、スノーテックス(Snowtex)ST−OのpHは、数十ccの試料を容器に採取し、これを市販のポータブルチェッカー(商品名「チェッカー1」HANA INSTRUMENTS製)を用いて測定した。
硝酸ジルコニル二水和物(和光純薬工業社)1.0gを1.9gの蒸留水に溶解させた。得られた硝酸ジルコニル水溶液をコロイダルシリカゾル5.3gに混合した。
別に、バインダーとしてポリビニルアルコール(クラレポバールPVA−105)(株式会社クラレ)を蒸留水に溶解して、ポリビニルアルコール5%溶液を作製した。
更に水1.8gに2−アミノエタノール(和光純薬工業製)0.6gを溶解させ、そこに酢酸(和光純薬工業社製)1.8gをゆっくり添加して中和し、アミノエタノール溶液を作製した。
ポリビニルアルコール5%溶液6gに、界面活性剤であるアミート105(花王株式会社)0.1gと、アミノエタノール溶液0.2gを添加し、そこに上で調製した硝酸ジルコニル含有シリカゾル4.8gを加えて混合し、混合液とした。
その混合液を、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(東レ社製)(ルミラー)上にキャストし、一晩室温下で乾燥させた。乾燥した前駆体フィルムをPETフィルムから剥離し、それをアルミナ基板上において電気炉により焼成した。焼成は、室温から500℃までは脱バインダーを目的として3時間かけ(昇温速度2.65℃/分)、ゆっくり昇温させた。さらに、1時間かけて1200℃まで昇温して(昇温速度12℃/分)、その温度で30分間かけて焼成した。
得られた試料は透明なガラスセラミック独立フィルムであった。マイクロメーターで数箇所測定し、有効部分のおおよその厚みを測定したところ、フィルムの厚みは約50μmであった。X線回折(XRD)分析によると、透明な焼成試料はt−ZrO2微結晶を含んでいることが確認できた。すなわち、得られた独立フィルムは、SiO2母体ガラス中に微結晶ZrO2が分散した構造を持つことが確認できた。TEM像の直接観察から微結晶t−ZrO2の粒子径は5〜10nmであった。このように得られたフィルムは手で押してたわむ程度の柔軟性を有していた。図1には1200℃焼成後のXRDの結果を示す。
実施例2〜6:
実施例1に従い、独立フィルムを作製した。ただし、ここでは、最終の焼成温度を表1のように変化させた。表1には、実施例1と同様に算出した微結晶粒子径及びフィルムの厚さも記載した。
Figure 0005230906
表1から分かるようにいずれの場合も焼成によって透明な独立フィルムが得られた。また、いずれの試料も手で押してたわむ程度の柔軟性を有していた。また、図2には各温度で焼成されたフィルムのXRD結果を示す。
実施例7:
実施例1に従い、独立フィルムを作製した。ただし、ここでは、バインダーとしてポリビニルアルコールの代わりにヒドロキシプロピルメチルセルロース(TC−5)(信越化学工業製)を2%水溶液として使用した。焼成された独立フィルムは透明で、手で押してたわむ程度の柔軟性を有していた。実施例1の結果とXRDの結果をベースに算出して求めた。微結晶粒子径は5〜10nmであり、及びフィルムの厚さはおよそ50μmであった。
実施例8:
実施例1に従い、独立フィルムを作製した。ただし、ここでは、バインダーとしてポリビニルアルコールの代わりにメチルセルロース(25cP)(和光純薬工業製)を2%水溶液として使用した。焼成されたフィルムは透明で、手で押してたわむ程度の柔軟性を有していた。実施例1の結果とXRDの結果をベースに算出して求めた。微結晶粒子径は5〜10nmであり、及びフィルムの厚さは60μmであった。
実施例9:
実施例1に従い、独立フィルムを作製した。ただし、ここでは、コロイダルシリカゾルとしてスノーテックスST−Oに代えてスノーテックスST−OS(粒子径8〜11nm、固体含有率20.5wt%)とした。なお、このコロイダルシリカゾルのpH値は、実施例1と同様の測定によりpH2.8であった。ここでも得られた焼成フィルムは透明で、手で押してたわむ程度の柔軟性を示した。実施例1の結果とXRDの結果をベースに算出して求めた。微結晶粒子径は5〜10nmであり、及びフィルムの厚さは50μmであった。
実施例10:
実施例1に従い、独立フィルムを作製した。ただし、ここでは、シリカゾルをスノーテックスST−Oに代えてスノーテックスST−O40(粒子径20〜30nm、固体含有率40.8wt%)とした。ここでも得られた焼成フィルムは透明で、手で押してたわむ程度の柔軟性を示した。実施例1の結果とXRDの結果をベースに算出して求めた。微結晶粒子径は5〜10nmであり、及びフィルムの厚さは60μmであった。
実施例11〜13:
実施例1に従い、独立フィルムを作製した。ただし、ここでは、下記の表2に示すようにシリカゾルをスノーテックスST−Oに代えてスノーテックスST−O40(粒子径20〜30nm、固体含有率40.8wt%)とスノーテックスST−OXS(粒子径4〜6nm、固体含有率10.5wt%)をそれぞれ混合したものとした。ここでも得られた焼成フィルムは透明で、手で押してたわむ程度の柔軟性を示した。表2には、実施例1の結果とXRDの結果をベースに算出して求めた微結晶粒子径及びフィルムの厚さも記載した。
Figure 0005230906
実施例14〜18:
実施例1に従い、独立フィルムを作製した。ただし、ここでは、硝酸ジルコニルの量を下記の表3に示されるように変化させた。表3には、実施例1の結果とXRDの結果をベースに算出して求めた微結晶粒子径及びフィルムの厚さも記載した。
Figure 0005230906
実施例19:
実施例1に従い、独立フィルムを作製した。ただし、ここでは硝酸ジルコニルの代わりに酢酸ジルコニル(添川理化学社製)を用いた。表4に示すように、ここでも得られた焼成フィルムは透明で、手で押してたわむ程度の柔軟性を示した。実施例1の結果とXRDの結果をベースに算出して求めた微結晶粒子径は5〜10nmであり、及びフィルムの厚さは50μmであった。
Figure 0005230906
実施例20〜27:
実施例1に従い、独立フィルムを作製した。ただし、ここでは、有機溶剤として酢酸と混合された2−アミノ−エタノールの代わりに、同じ質量の下記の表5に示された有機溶剤を加えた。いずれの場合も、得られた焼成フィルムは透明で、手で押してたわむ程度の柔軟性を示した。
Figure 0005230906
比較例1:
実施例1に従い、独立フィルムの作製を試みた。ただし、ここでは、シリカゾルであるスノーテックス(Snowtex)ST−O(日産化学社製)(粒子径10〜20nm、固体含有率20.5wt%)の代わりに、スノーテックス(Snowtex)ST−C(日産化学社製)(粒子径10〜20nm、固体含有率20.5wt%、pH8.6)を用いた。硝酸ジルコニル二水和物(和光純薬工業社)を蒸留水に溶解させたものをゾルと混合したところ、沈殿物が生じ、ゾル混合液を形成することができなかった。
比較例2〜3:
実施例1に従い、独立フィルムを作製した。ただし、ここでは、最終の焼成温度を表6のように変化させた。
Figure 0005230906
表6から分かるように焼成温度が400℃、500℃では残留炭素による着色が見られた。
実施例1における焼成後のフィルムのX線回折(XRD)のグラフを示す。 実施例2〜6における焼成後のフィルムのX線回折(XRD)のグラフを示す。

Claims (4)

  1. 5μm〜2mmの厚さを有するガラスセラミック独立フィルムの製造方法であって、
    pH4以下に調整したコロイダルシリカゾルと、ジルコニウム含有化合物と、バインダーとを混合して、混合液を製造する工程と、
    前記混合液を基材上に塗布する工程と、
    塗布された基材上の混合液を乾燥し、該基材上に前駆体フィルムを形成させる工程と、
    前記前駆体フィルムを前記基材から剥離する工程と、
    剥離された前記前駆体フィルムを焼成する工程と
    を含み、
    前記コロイダルシリカゾルのシリカ微粒子は4〜550nmの粒子径を有し、
    前記ジルコニウム含有化合物の量は、前記ガラスセラミック独立フィルムの質量に対してZrO2の質量の換算して10〜60質量%であり、
    前記バインダーは水溶性高分子であり、
    前記バインダーの添加量は、シリカ及び酸化ジルコニウムからなる無機固体分に対する質量%として、2〜100%であり、
    前記焼成工程において、焼成温度は600℃以上である、ガラスセラミック独立フィルムの製造方法。
  2. 前記ジルコニウム含有化合物は、硝酸ジルコニルまたは酢酸ジルコニルである、請求項1記載のガラスセラミック独立フィルムの製造方法。
  3. 前記混合液を製造する工程において、水と混和性があり、沸点が100℃以上の有機溶剤をさらに添加する、請求項1又は2記載のガラスセラミック独立フィルムの製造方法。
  4. 前記有機溶剤は、アルカノールアミン、乳酸及び多価アルコールからなる群から選択される少なくとも1以上の有機溶剤である、請求項3記載のガラスセラミック独立フィルムの製造方法。
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