2014-02-05

洗車・コーティングと酸

酸は金属汚れを溶解します。金属汚れとは、鉄(鉄酸化物)や金属イオン(カルシウム塩やマグネシウム塩など)、シリカ(SiO2)が付着した状態です。


酸というと何が思い浮かぶでしょうか。台所にある食酢・クエン酸や、理科の実験室では、塩酸・硫酸などがなじみ深いところでしょうか。

酸性洗剤として思い浮かぶものに「サンポール」(大日本除虫菊)や「トイレのルック」(ライオン)などがあります。これらの酸性洗剤は、主に便器に付着した尿石汚れを洗浄する目的で酸の溶解力が使用されています。

便器の汚れである尿石は、人の尿に含まれる成分に由来するカルシウム塩(炭酸カルシウムなど)が固着・堆積したものです。カルシウム塩は水には溶けにくく、溶解洗浄するには酸が有効です。酸の中でも、無機酸である塩酸やスルファミン酸の溶解力が優れています。


サンポールには塩酸が、トイレのルックにはスルファミン酸が含有されているため、尿石による汚れを洗浄することができます。


鉄など金属汚れを洗浄

サンポールに含まれる塩酸(無機酸)は、金属類を溶解する能力に優れているので、鉄分汚れや鉄サビ汚れなどもよく落とすことができます。

有機酸としては、食酢に含まれる酢酸・
グリコール酸・ホウレンソウなどに含まれるシュウ酸などががあります。これらは塩酸よりも溶解力が弱いのですが、鉄分汚れ落としとして有効です。


無機物(金属イオン)汚れを洗浄

トイレのルックに含まれるスミルファミン酸(無機酸)は、カルシウム塩やマグネシウム塩の溶解力が優れています。水道水に含まれるカルシウムイオンやマグネシウムイオンによる汚れ(スケール、ウォータースポット、イオンデポジット、無機物汚れ)をよく落とすことができます。

有機酸としては、レモンなどの柑橘類に含まれるクエン酸や、食酢に含まれる酢酸などがカルシウムイオンなどによる無機物汚れ落として有効です。



無機物(シリカ)汚れを洗浄

シリカ(SiO2)を溶解できる酸はフッ化水素です。フッ化水素はガラスを擦りガラスに加工したり、ガラスに模様を入れるなどのエッチング加工に使用されるものです。

フッ化水素(水溶液はフッ化水素酸あるいはフッ酸と呼ばれる)は、法令で毒物に指定されています。フッ化アンモニウムあるいは、フッ化水素アンモニウム・フッ化ナトリウムもシリカ=ガラスを溶解します。いずれも大変に危険な物質です。


コーティングと酸

弊社のコーティングは「シリコーンレジンコーティング」、「業務用ガラスコーティング」ともに、酸に強いシロキサン骨格構造のケイ素化合物です。このため、酸性雨をはじめ、さまざまな酸に対しても高い耐力を有しています。

ただし、上記のシリカ汚れを落とすフッ化水素などについては、全てのコーティングが落ちてしまいます。この場合は容易に窓ガラス、塗装、金属部分、人間の皮膚や骨も溶解しますので細心の注意が必要です。


(参考)酸に由来する汚れついてはこちらをご覧ください→ウォータースポット(イオンデポジット)とは


自動車と酸

自動車はボディ・フレームをはじめ、エンジン、サスペンション、ブレーキ、ホイール、マフラーなど金属の塊です。


このため、金属汚れや無機物汚れを落とすために酸を使用することは、自動車の様々な部分の金属腐食を促進させてしまうため、使用しないことが重要です。

塩酸を使用しますと、塩酸は常温で塩化水素として蒸発するため、塩酸(水溶液)が金属に付着しないように作業したとしても、気体として雰囲気を汚染し金属を腐食させることがあります。

フッ化水素やフッ化ナトリウム・フッ化アンモニウムなど、シリカガラスを溶かすものは、金属・ガラス・塗装や人体の皮膚・骨を強力に溶解し、失明や癌リスクが高まります。


自動車や人と環境にとって、非常に危険性が高いことを認識し、使用は絶対に避けなければなりません。

ホイールやボディに付着した鉄粉を除去するものとして、グリコール酸を使用した洗浄液があります。これはグリコール酸が鉄を溶解する能力を利用しているのですが、酸をアンモニア水溶液などのアルカリで中和しているものです。このような自動車・洗車用に調整された鉄粉除去用のものは、洗浄後に洗浄液が付着したままにせず、よく水で洗い流すことが必要です。







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2014-02-04

超撥水性コーティング

自動車のボディや窓ガラスにおいて、「超撥水性コーティング」とはどのようなものなのでしょうか?実現可能なのでしょうか?

 

「超撥水」と「撥水」の違いは何

コーティングや塗装表面における水の接触角が大きいほど「撥水が良い」とか「高撥水である」などと表現されるわけですが、超撥水と撥水の違いは何なのでしょうか?

絶対的な親水性の接触角は、限りなく0°(ゼロ)に近づいた状態
:超親水性となり、これ以上ない極限の撥水性の接触角は、限りなく180°に近づいた状態:超撥水性となります。


コーティングにおいて、水の接触角0°~180°間は、超親水、親水、撥水、低撥水、高撥水、超撥水、疎水、滑水などさまざまな表現をされています。

今回は、コーティングにおける超撥水とはどのような状態であり、実現性があるのかについて考えてみたいと思います。
Wikipedia 超撥水によりますと、根拠や定義の出所は不明ですが、超撥水とは150°を超える接触角としているようです。
 

平滑面コーティングにおける超撥水とは

自動車のボディ塗装や窓ガラスは、艶のある塗装や透明な窓ガラスであり平滑な表面ですね。マット塗装(艶消し塗装)や擦りガラス(スリガラス)は別にして、透明感のある塗装やガラスの表面は、ミクロン以下の小さなサイズで見ても、凸凹が少ない平滑性が高い表面となっています。

平滑性の高い表面において、撥水性(疎水性)を高めるためには、表面張力をできるだけ小さくすることが必要です。現在このような条件に適合する表面を作るには、表面張力の小さいフッ素化合物やメチル基シリコーンなどを、表面に高密度に配向することが必要です。
 

中でもフッ素(F)の表面張力が小さい理由は、電気陰性度が最も大きい物質だからです。高校化学で教わったように、元素の周期表でフッ素(F)が最も右側に位置することを思い出してみましょう(参考:Wikipedia 電気陰性度)。

電気陰性度が最も大きいということは、フッ素の化合物は分子間力が小さい(表面自由エネルギーが小さい)ので、原理的にフッ素化合物の表面張力は最も小さくなるということになります。

このため
平滑な表面を改質するコーティングとして、透明度や艶を保ちながら、撥水性を最大にできる物質はフッ素化合物なのです。現在のところフッ素化合物の中でも、最も表面張力の小さいものは、メチル基(-CH3)の3つの水素(H)すべてが、フッ素(F)に置き換えられたトリフルオロメチル基(-CF3)です。

このトリフルオロメチル基(-CF3)を持つフッ素化合物で処理された表面の水の接触角は、理論上120°程度となります。しかし、これは実験室など整った条件下で確認できるもので、実際のコーティングにおいては、110°程度が最高の撥水となります。


このように平滑面コーティングにおいては、接触角が120°を超えるような場合「超撥水性コーティング」と言っても良いのかもしれません。


超撥水性表面は艶消し・不透明になる

それでは接触角150°以上の超撥水性や、120°を超える撥水性表面はどのようになっているのでしょうか。

超撥水の事例として、自然界ではハスやイモの葉表面や、日常生活ではフッ素加工された傘などがあります。

これらの超撥水表面は、小さな凹凸が多く規則的な乱れなく配列された表面になっています。このように超撥水性表面は、連続した小さな凹凸により光が乱反射するため、艶があり透明感のある平滑な表面ではなく、艶消し・不透明表面になります。



平滑面の超撥水性コーティングはできない

仮に、塗装や窓ガラス表面の艶や透明感に影響を与えない程度の、微細な凹凸が人工的に作れたとしましょう。このようなデリケートな凹凸表面は、自動車が屋外を走行し、大気や雨にさらされることで、油分やチリやホコリなどの汚れが付着しますので、微細な凹凸はすぐに埋められてしまうことが考えられます。

このほかにも、洗車によるスポンジ・タオルや、ワイパーの動作による摩擦などでミクロな凹凸が無くなってしまい、平滑化してしまうことにより超撥水性が失われてしまうでしょう。

このように平滑面において、
接触角120°を超えるような超撥水性コーティングは、残念ながら実現できないのです。

ガラスコーティングの撥水性についてはこちらをご覧ください。→撥水性ガラスコーティングとは



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2014-02-02

撥水性ガラスコーティングとは ~各種コーティングの撥水~

以前「ガラスの親水性」についてブログ記事をアップしたためでしょうか、逆に「撥水性ガラスコーティング」に関するお問い合わせをいただくことがあります。


これまでにも、ガラスコーティングの撥水性について断片的に触れた来ましたので、今回は少しまとめてみたいと思います。

それではまず、そもそも「ガラスは撥水性」それとも、「ガラスは親水性」なのか?




一般的なガラスは基本的に親水性

その理由はガラスの一般的な製造過程において、不純物として水酸基(OH基)を含むからです。水酸基は水との親和性が高いため、水酸基を含む一般的なガラスの表面は親水性(油分やシリケートやチリなどで汚染されていない場合)となるわけです。



高純度なガラスは撥水性

光ファイバに使用する石英ガラスのように、赤外線光(波長:1.3μm~1.55μm)を長距離伝送する場合、透明度を高めるために不純物を極力取り除く必要があります。

光ファイバの石英ガラスの中に、親水性の水酸基(OH基)が含まれていると、波長:1.4μm付近での赤外線を吸収するため、長距離高速通信に使用することができなくなります。

このため通信用光ファイバのガラスは、不純物である水酸基を高温熱処理などによって極限まで取り除き、高純度化した石英ガラスを使用する必要があります。このような親水基を持たない、高純度ガラス表面は撥水性=疎水性を帯びるようになります。



ガラスコーティングには水酸基が含まれている

ポリシラザンなどのガラスコーティングの説明には、「純粋なガラスだから親水性です」のような表現が見受けられますが、このような表現には疑問があります。
正しくは、「水(H2O)との親和性がある水酸基(OH基)を含んでいるガラスなので親水性です」というべきではないでしょうか。

このように、不純物を含む一般的な製造方法によるガラスは親水性であり、水酸基を含まない高純度のガラスは撥水性=疎水性となるのです。あくまでも一般的なガラスは親水性であるということなのです。


それではガラスコーティングのガラス被膜を含めて、ガラスを作る方法から見てみましょう。



ガラスを作る方法

ガラスを作り出す方法を大きく分類しますと、下記のようになります。


1.溶融法
固体の原料を高温で加熱することで溶かして液体状態にした後、冷却してガラスにします。窓ガラスや食器など最も一般的な方法です。


2.気相法
固体を物理的に蒸発させて薄膜や微粒子を得るPVD法と、気体原料から化学反応によって薄膜や微粒子・バルクを得るCVD法に分類できます。上記の通信用光ファイバーはCVD法を用いています。


3.ゾル・ゲル法
金属アルコキシドなどの液体の原料を、加水分解し縮重合させてゾルとし、水分を除いて生じたゲルを焼結してガラス化するのです。塊や厚みのあるガラスの場合はゲルを高温で焼き固める必要があるのですが、自動車塗装に対するガラスコーティングのように薄いガラス被膜を形成するのであれば、焼き固めなくても常温での被膜形成が可能です。

一般に自動車塗装保護用ガラスコーティングは、このゾル・ゲル法を用いています。


液体の原料に添加成分を混ぜ込むなどにより、いろいろな性質(例えば撥水性や親水性など)のガラスを作ることも可能です。この方法の利点は、気相法ほどではありませんが純度の高いガラスが作れること、そして硬化反応が室温であること、大掛かりな設備を必要としないことです。


自動車塗装保護におけるガラスコーティングの場合は、ガラス被膜を形成する方法によって、親水性あるいは撥水性のどちらもあるのが正解です。その理由をガラス被膜形成方式ごとに見てみましょう。



ゾル・ゲル法によるガラスコーティング

市場にあるガラスコーティングすべてを調べたわけではありませんが、おそらく硬化するガラス被膜コーティングのほとんどはこのゾル・ゲル法によるものと思われます。

異論はあるかもしれませんが、アルキルシラン類のゾル・ゲル法ガラスコーティングの可能性のある方式は、下記の2種類のいずれかに分類されるものと考えます。
 


1.ポリシラザン・ガラスコーティングの撥水化
ポリシラザンは、シランの一種で、ケイ素(Si)・窒素(N)・活性水素基と化学結合する反応基を持つ化合物です。
ポリシラザンは、空気中の水分と反応してシリル基が導入され、塩基性のアンモニアを発生させながら、縮合してSiO2のガラス状被膜を形成するものです。

市場に出ているポリシラザンによるガラスコーティングは、特別に反応基を持たせていないため、縮合(硬化)したSiO2ガラス状被膜には、親水性の水酸基(OH基)が表面に配向するため親水性となります。


このポリシラザンを撥水性=疎水性にするには、数百℃以上の高温で、不純物である水酸基(OH基)を除去する必要がありますが、自動車本体にダメージを与えてしまうためこのような加工は不可能です。

このように市場にあるポリシラザン・ガラスコーティングは親水性となるため、撥水性=疎水性表面にするには、表面張力の小さいシリコーンオイルやシリコーンレジンまたは、フッ素含有レジンなどを上塗り(トップコート)する必要があります。

(参考)親水性と防汚 ~ポリシラザンガラスコーティングを例として~:こちらをご覧ください→http://coating.th-angel.com/2013/11/blog-post_15.html



2.アルコキシシラン・ガラスコーティングの撥水化
アルコキシシラン(オルガノポリシロキサン)は、シランの一種で、ケイ素(Si)・活性水素基と化学結合する反応基を持つ化合物です。
アルコキシシランは、空気中の水分と反応してシラノール基が導入され、アルコールを発生させながら、縮合してSiO2のガラス状被膜を形成するものです。

弊社のアルコキシシラン・業務用ガラスコーティングは、このアルコキシシランを採用しています。
アルコキシシランによるSiO2ガラス状被膜には、親水性の水酸基(OH基)を含むが、一つの分子中に反応性の異なる複数の官能基(原子団)を持たせることができます。


ガラスコーティング表面に配向する官能基を変えることで、メチル基などを配向した場合:撥水性=疎水性にしたり、シラノール基などを配向した場合:親水性とすることができます。


ガラスコーティングの撥水性とは
このように自動車塗装保護用ガラスコーティングでは、下記のようにまとめることができます。


ホリシラザン:
親水性のみに対応。撥水性を持たせるにはシリコーンやフッ素を上塗りする。

アルコキシシラン(オルガノポリシロキサン):
設計により、撥水性または親水性にできる。


超撥水性コーティングについてはこちらをご覧ください。→超撥水性コーティング






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