---

真空紫外光による各種シリコーンハードコートの表面改質と耐摩耗性

Surface Modification and Abrasion Resistance of Silicone Hard-coats                  
by Vacuum Ultraviolet Light

 
For the practical application of plastic glazing, Nojiri et al. developed a technology that modifies a silicone hard-coat (referred to as hard-coat hereinafter) surface with vacuum ultraviolet (VUV) light from excimer lamps. In this study, we evaluated the characteristics of abrasion resistance ΔH of three commercially available hard-coats before and after VUV irradiation and verified the relationship with the chemical compositions at the surface using Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). We found that the abrasion resistance ΔH tended to worsen as the ratio of the inorganic glass component, estimated from the FT-IR spectrum, on the surface increased. We also estimated that the ratio of the inorganic glass component would be between approximately 40 % and 50 % to achieve the criterion of ΔH < 2 % for the windshield.

Keywords: vacuum ultraviolet light, excimer lamp, silicon hard-coat, abrasion resistance, Fourier transform infrared spectroscopy

1. 緒言

電気自動車の普及に伴って，航続距離向上のため，車体の軽量化が求められている．車体部品の中で窓材の無機ガラスの重量割合は大きく，これをポリカーボネート（PC）などの樹脂に置き換える樹脂グレージングが検討されている¹⁾．PCは無機ガラスと同等の透明性を有し比重は約1/2であるため，無機ガラス比で約50%の軽量化を実現できる．一方で，PCは無機ガラスに比べて，耐摩耗性，耐候性などが劣るため，PC表面にシリコーンハードコート（以下，ハードコート）がコーティングされる¹⁾．しかし，自動車用安全ガラス認証におけるフロントガラスの耐摩耗性を満足するためには，ハードコートだけでは不十分であり，野尻らは，真空紫外（VUV；Vacuum ultraviolet）光を照射してハードコート表面を改質する技術を開発し，モメンティブ社のハードコートに適用すると無機ガラスと同等の耐摩耗性が得られたことを報告している²⁾．しかし，ハードコートであればVUV照射し改質することで必ず耐摩耗性が向上するかは検証されていない．本研究では，市販の3種類のハードコートについてVUV照射前後の耐摩耗性を評価し，ハードコートの表面組成との関係を検証した．

2. 実験方法

モメンティブ社を含む市販のハードコート3種類をPCにコーティングしたサンプル（A，B，C）を準備した．VUV照射は，搬送式エキシマ照射装置（ウシオ電機，SVS3シリーズ）を用いて実施した．VUV照射時の酸素濃度は約1000 ppmとし，照射距離は5 mmとした．積算光量の水準は，0 J/cm²（VUV照射なし），1.5 J/cm²，3 J/cm²，5 J/cm²とし，所定の積算光量になるように搬送回数を調整した．VUV照射前後の各サンプルの耐摩耗性は，ASTM D1044規格に基づいたテーバー摩耗試験前後のヘイズの差ΔHで評価した．テーバー摩耗試験は，テーバー摩耗試験機（テーバー社，Taber 1700）を用いて，荷重4.9 N，摩耗輪CS-10F，回転数1000の条件で行った．テーバー摩耗試験前後のヘイズはヘーズメータ（スガ試験機，HZ-0）で測定した．VUV照射前後の各サンプルのハードコート表面の化学組成は，簡便な方法としてフーリエ変換赤外分光（FT-IR）測定で調べた．フーリエ変換赤外分光光度計（日本分光，FT/IR-4600）を用いて，全反射減衰（ATR）法で行った．

3. 実験結果および考察

図1は各サンプルにおける積算光量を変えたときの耐摩耗性ΔHの評価結果である．サンプルAの耐摩耗性ΔHは0 J/cm²で2.3 %だったが，1.5 J/cm²以上では1.5 %以下になり，VUV照射することで耐摩耗性ΔHが向上した．サンプルBは，0 J/cm²では耐摩耗性ΔHは22 %程度と大きいが，5 J/cm²では18 %程度まで低下し，サンプルAと同様，耐摩耗性ΔHの向上が見られた．一方，サンプルCの耐摩耗性ΔHは0 J/cm²で2.8 %であったが，5 J/cm²では約6 %になり，VUV照射によって耐摩耗性ΔHは逆に低下した．したがって，ハードコートによってはVUV照射し改質することで逆に耐摩耗性ΔHが低下するものがあることが明らかになった．以降では，耐摩耗性ΔHが同程度であるサンプルAとCのFT-IR測定による表面組成と耐摩耗性ΔHの関係を検討する．本研究では，ハードコートは有機と無機の両方の性質を有することに着目し，FT-IRスペクトルのSi-O-Si結合を無機ガラス成分と有機シリコーン成分に分解した．具体的には，1020 cm^-1付近のSi-O伸縮は無機ガラス成分，1100 cm^-1付近のSi-O伸縮は有機シリコーン成分にそれぞれ帰属するとした．無機ガラス成分と有機シリコーン成分の比率は，FT/IR-4600付属の標準ソフトウェアを用いて，それぞれのSi-O伸縮のピーク位置を指定し自動でフィッテイングさせて算出した．図2は，耐摩耗性ΔHと無機ガラス成分の比率の関係を示している．図2から，耐摩耗性ΔHは無機ガラス成分の比率が大きくなると悪化する傾向にあり，フロントガラスの耐摩耗性の基準ΔH < 2 %を実現できるのは無機ガラス成分の比率が概ね40 %～50 %の範囲である．これはテーバー摩耗試験の摩耗メカニズムが硬くて粗い摩耗輪によるアブレシブ摩耗（切削，研削作用による摩耗）であることに関係している．すなわち，VUV照射でハードコート表面が改質され無機ガラス成分が増加し硬くなると，耐摩耗性ΔHは向上するものの，ハードコート表面が硬くなりすぎると脆くなるため，耐摩耗性ΔHは逆に低下してしまうと考えられる．    

4. 結論

市販の3種類のハードコートの耐摩耗性ΔHを評価した結果，VUV照射し改質することで耐摩耗性ΔHが低下するものが確認された．耐摩耗性ΔHは，FT-IRスペクトルから算出したハードコート表面の無機ガラス成分の比率が大きくなると悪化する傾向を示し，フロントガラスの耐摩耗性の基準ΔH < 2 %を実現できる無機ガラス成分の比率は概ね40 %～50 %の範囲であった．これは，テーバー摩耗試験の摩耗メカニズムがアブレシブ摩耗であり，VUV照射によりハードコート表面が改質され無機ガラス成分が増加し硬くなりすぎると脆くなるため，耐摩耗性ΔHは低下したと考えられる．

参考文献

1)    福井博之，NEW GLASS, Vol.25, No.1（2010）
2)　野尻秀智ほか，成形加工，30（1），30-36（2018）

*Ren Iida
Graduate School of Engineering, Gifu Univ.
1-1 Yanagido, Gifu 501-1193
Tel: 058-230-1111
E-mail: iida.ren.j4@s.gifu-u.ac.jp