(57)【要約】【課題】空気を通過させた時の圧力損失が低く、光触媒層の表面積が大きい上にその受光面積も大きい光触媒を用いたガス除去用フィルタを提供することにある。【解決手段】空隙率が高く厚みのある金属繊維２のニットメッシュ１からなるフィルタ骨格６の表面に、金属あるいは金属酸化粒子９を分散させた有機−無機ハイブリッド膜からなるプライマー層７を形成させて、その上に光触媒材料８を担持したガス除去用フィルタにある。【選択図】　　　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空隙率が高く厚みのある金属繊維からなる三次元網目構造体の表面に、金属粒子あるいは金属酸化物粒子を分散させた有機−無機ハイブリッド膜からなるプライマー層を形成させて、その上に光触媒材料を担持したガス除去用フィルタ。
【請求項２】
前記三次元網目構造体は、金属繊維をニット編みしたニットメッシュに、山状部と谷状部が交互に連続して形成した波状ニットメッシュの積層体である請求項１に記載のガス除去用フィルタ。
【請求項３】
前記金属繊維は紫外光を吸収せずに反射する材質で、これを三次元網目構造体にしたときの空隙率が９０％〜９８％でフィルタ骨格の使用時の厚みが５〜１００ｍｍである請求項１または２に記載のガス除去用フィルタ。
【請求項４】
前記プライマー層は、金属粒子あるいは金属酸化物粒子を分散させたポリアルキルシロキサン膜からなる請求項１に記載のガス除去用フィルタ。
【請求項５】
前記金属粒子あるいは金属酸化物粒子の平均粒径は、０．０１〜１μｍである請求項１または４に記載のガス除去用フィルタ。
【請求項６】
前記光触媒材料は、バンドギャップが２．５〜５ｅＶで、平均粒径０．０１〜１μｍの金属酸化物粒子である請求項１に記載のガス除去用フィルタ。
【請求項７】
空隙率が高く厚みのある金属繊維からなる三次元網目構造体を金属粒子あるいは金属酸化物粒子を分散させたアルキル基を持つアルコキシシラン溶液にディッピングし、前記三次元網目構造体の表面に有機−無機ハイブリッド膜からなるプライマー層を形成する第１の工程と、
前記プライマー層を形成した三次元網目構造体を光触媒粒子分散液あるいは光触媒前駆体溶液にディッピングし、プライマー層の表面に光触媒材料を担持する第２の工程と
からなるガス除去用フィルタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光触媒材料を用いて、空気中の有害物質、悪臭物質等を除去する自己再生型のガス除去用フィルタ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ホルムアルデヒド、トルエン等の芳香族炭化水素、アセトアルデヒド等の悪臭物質が、室内空気汚染の主要な原因物質とされている。これらを除去する方法として、主として吸着剤を担持したケミカルフィルタが用いられている。しかし、ケミカルフィルタは、短期間で吸着破過に達してしまうという問題がある。
【０００３】
これに対し、ケミカルフィルタの長寿命化を図るために、ケミカルフィルタの前段に自己再生型の光触媒フィルタを設置した空気清浄機が知られている。しかし、現状の光触媒フィルタは、光触媒材料そのものの活性の低さ、光触媒の有効な担持量の少なさに起因して除去効率の低さが指摘されている。
【０００４】
一方、酸化チタン等の光触媒材料は、その表面に吸着した空気中の有害物質や悪臭物質を、照射された紫外光のエネルギーを利用して酸化分解する。これらを担持する担体の材質に求められる性質として、
（１）紫外線を吸収しない特性。
【０００５】
（２）耐熱性（担持時における３００〜６００℃の加熱処理に耐える）。（３）強度（担持処理及び洗浄処理に耐える強度を持つ）。
【０００６】
（４）耐溶剤性（担持処理及び洗浄処理に用いる薬品に対する耐性を持つ）。
【０００７】
（５）低価格性。
【０００８】
の５つが上げられる。
【０００９】
有機材料の中では、フッ素樹脂が提案されているが、（加熱処理（３００〜６００℃）に伴う劣化は避けられない。セラミックス材料では、多孔質材料が提案されているが、光触媒を作動させる波長域の紫外光の吸収は避けられない。ガラス材料では、繊維形態のものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、低価格の通常品では光触媒を作動させる波長域の紫外光の吸収は避けられない。
【００１０】
金属材料は、上記５つの性質を満たし、特に三次元網目構造にしたときに、紫外光を吸収せずに反射して散乱することによって、受光面積を大きくできるという利点がある。しかし、金属材料をガス除去用フィルタの骨格として用いる場合、空気が通過するために多数の穴が空いた構造であることが求められる。空気が通過するときの圧力損失を小さくするためには、貫通した穴が多数ある網目構造であることが望ましい。
【００１１】
これまで、フィルタ骨格を二次元網目構造とした金網構造のもので、このフィルタ骨格の基体の表面積を増大するために、粒子を積層し、この粒子の表面に光触媒機能を形成したものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）及び（例えば、特許文献３参照。）。
【００１２】
さらに、ウェブ状金属長繊維集合体（金属繊維不織布）に光触媒をコーティングした防汚機能、防臭機能、抗菌機能、有害成分除去機能等を有するフィルタが知られている（例えば、特許文献４参照。）。
【００１３】
【特許文献１】
特開平９−３０８８０９号公報、
【００１４】
【特許文献２】
特開平８−２１５５７７号公報
【００１５】
【特許文献３】
特開平１１−２１６３６５号公報
【００１６】
【特許文献４】
特開２０００−４２３２０号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１のものは、低価格の通常品では光触媒を作動させる波長域の紫外光の吸収は避けられない。
【００１８】
特許文献２及び特許文献３のものは、光触媒を担持するための表面積が小さすぎる。三次元網目構造としては、空隙率が小さく厚みの小さい不織布構造が提案されているが、不織布構造は、空気を通過させるときの圧力損失が大きすぎ、風量が大きくなるとフィルタとしては使用できない等の事情がある。また、特許文献４のものは、不織布に光触媒をディッピング法によってコーティングしたものであるが、空隙率が小さいために、ディッピングコーティング時に液膜を形成し、液切れが悪く、コーティングに時間が掛かり、生産性が悪いという事情がある。
【００１９】
本発明は、前記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、紫外光を吸収せずに反射し、耐熱性、強度、耐溶剤性を合わせ持ち、さらに、空気を通過させた時の圧力損失が低く、光触媒層の表面積が大きい上にその受光面積も大きい光触媒を用いたガス除去用フィルタ及びその製造方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、空隙率が高く厚みのある金属繊維からなる三次元網目構造体の表面に、金属粒子あるいは金属酸化物粒子を分散させた有機−無機ハイブリッド膜からなるプライマー層を形成させて、その上に光触媒材料を担持したガス除去用フィルタにある。
【００２１】
前記三次元網目構造体は、好ましくは、金属繊維をニット編みしたニットメッシュに、山状部と谷状部が交互に連続して形成した波状ニットメッシュの積層体である。
【００２２】
前記金属繊維は、好ましくは、紫外光を吸収せずに反射する材質で、これを三次元網目構造体にしたときの空隙率が９０％〜９８％でフィルタ骨格の使用時の厚みが５〜１００ｍｍである。
【００２３】
前記プライマー層は、好ましくは、金属粒子あるいは金属酸化物粒子を分散させたポリアルキルメタロキサン膜からなる。
【００２４】
前記金属粒子あるいは金属酸化物粒子の平均粒径は、好ましくは、０．０１〜１μｍである。
【００２５】
前記光触媒材料は、好ましくは、バンドギャップが２．５〜５ｅＶで、平均粒径０．０１〜１μｍの金属酸化物粒子である。
【００２６】
本発明は、前記目的を達成するために、空隙率が高く厚みのある金属繊維からなる三次元網目構造体を金属粒子あるいは金属酸化物粒子を分散させたアルキルアルコキシシラン溶液にディッピングし、前記三次元網目構造体の表面に有機−無機ハイブリッド膜からなるプライマー層を形成する第１の工程と、前記プライマー層を形成した三次元網目構造体を光触媒粒子分散液あるいは光触媒前駆体溶液にディッピングし、プライマー層の表面に光触媒材料を担持する第２の工程とからなるガス除去用フィルタの製造方法にある。
【００２７】
前述のように構成することにより、フィルタ骨格は、その材質が紫外光を吸収せずに反射し、耐熱性、強度耐溶剤性を合わせ持ち、価格も安い金属材料で、その繊維からなる構造体が、空隙率が９０〜９８％で使用時の厚みが５〜１００ｍｍで、空気が通過することによる圧力損失が小さく、光の散乱を利用することによって実質的な受光面積が大きい三次元網目構造体である。
【００２８】
この上に、まず金属酸化物粒子を分散した有機−無機ハイブリッド膜からなるプライマー層を形成させ、さらにその上に光触媒材料を担持させたガス除去用フィルタとする。
【００２９】
金属繊維の種類は、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、真鍮、チタニウム、ニッケル等で、中でも低価格のステンレス鋼が好ましい。
【００３０】
金属繊維からなるフィルタ骨格の構造は、三次元網目構造の穴の大きさを大きく厚みを増やした、空隙率が９０％以上で厚みが５〜１００ｍｍでニット状のデミスタのような構造で、空気が通過する時の圧力損失が小さく、光触媒を担持するための表面積を大きく取れると同時に、紫外光の散乱によってその実質的な受光面積も大きく取れる。
【００３１】
プライマー層は、平均粒径０．０１〜１μｍの金属酸化物粒子あるいは金属粒子を分散させたポリアルキルシロキサン膜からなる。金属酸化物粒子及び金属粒子は、ポリアルキルシロキサン膜の表面を凸凹に形成させ、光触媒を担持するための表面積を増加させるとともに、その上に積層する光触媒層を堅固に担持するためのアンカー効果の役割も果たす。
【００３２】
ポリアルキルシロキサン膜は、金属繊維の加熱処理に伴う酸化を防ぐと共に、金属イオンの拡散を防ぐバリア層の役割も果たし、特にアルキル鎖は、膜に可撓性を持たせる役割を果たす。プライマー層の作製方法は、金属酸化物粒子あるいは金属粒子を、アルキル基を持つ金属アルコキシドを含む揮発性の高い有機溶媒に分散させた液で、金属繊維フィルタ骨格にディップコートする。金属酸化物粒子は、平均粒径０．０１〜１μｍで、その種類としては、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化セリウム、シリカ、アルミナ等が好ましい。金属粒子は、平均粒径０．０１〜１μｍで、工業的に多く用いられているアルミニウム、亜鉛等が好ましい。中でも、それ自身が光触媒活性を持つと同時に化学的安定性の高い酸化チタンが好ましい。アルキル基を持つアルコキシシランとしては、短いアルキル基を１つあるいは２つ持つ金属アルコキシドが好ましく、中でもメチルアルコキシシラン、エチルアルコキシシランが好ましい。有機溶媒は、揮発性が高く、アルコキシシランの溶解性が高い低級アルコールが好ましい。
【００３３】
光触媒材料は、２．５〜５ｅＶバンドギャップを持つ、平均粒径０．０１〜１μｍの金属酸化物粒子である。すなわち、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化セリウム等の超微粒子が好ましい。中でも、化学的安定性の高い酸化チタン超微粒子が好ましい。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３５】
【実施例１】
図１〜図４はガス除去用フィルタを製造する方法及び構成を示し、図１及び図２はフィルタ骨格を構成するニットメッシュ１である。ニットメッシュ１は、直径数百μｍ前後のステンレス鋼繊維２をニット状に編組したニットメッシュ構造体であり、５ｍｍφ前後の網目３を有している。このニットメッシュ１は、ステンレス鋼繊維２を編組した後、ロール加工等によって波状に成形され、山状部４と谷状部５が交互に連続して設けられている。この山状部４と谷状部５との高低差は５ｍｍ前後の三次元網目構造に形成されている。
【００３６】
さらに、ニットメッシュ１は、１枚の山状部４がもう１枚の山状部４に嵌合するように複数枚重ねあわせた積層構造を形成でき、この場合、厚さが１０ｍｍに形成されている。すなわち、ニットメッシュ１を、図３に示すように、複数枚積層することにより、各ニットメッシュ１の網目３が重なる部分とずれる部分とが混在した輻輳状態にあり、網目３の数分の１〜数十分の１の網目サイズとなる。しかし、網目３を構成するステンレス鋼繊維２の直径は、数百μｍ前後であるため、空隙率９０％以上、好ましくは９５％のニットメッシュ積層構造のフィルタ骨格６となる。
【００３７】
従って、フィルタ骨格は、空気が通過する時の圧力損失が小さく、後述する光触媒を担持するための表面積を大きく取れると同時に、紫外光の散乱によってその実質的な受光面積も大きく取れる。
【００３８】
このフィルタ骨格を構成するステンレス鋼繊維２には、プライマー層７を介して光触媒材料８が担持されている。図４はステンレス鋼繊維２にプライマー層７を介して光触媒材料８が担持する方法を示し、図４（ａ）はステンレス鋼繊維２の断面図である。
【００３９】
ニットメッシュ積層構造のフィルタ骨格６を、平均粒径３０ｎｍの酸化チタン超微粒子９（５０ｇ）をアルキルアルコキシシランのエタノール１０ｖｏｌ％溶液５００ｍｌに分散させた液にディッピングした後、乾燥すると、図４（ｂ）に示すように、ステンレス鋼繊維２の表面に、膜厚が１００ｎｍ程度のポリアルキルシロキサン膜１０が形成される。さらに、ポリアルキルシロキサン膜１０の表面から酸化チタン超微粒子９が突出した状態のプライマー層７が形成される。
【００４０】
次に、光触媒活性を持つ平均粒径３０ｎｍの酸化チタン超微粒子７５ｇをエタノール５００ｍｌに分散させた液でディッピングした後、乾燥させた後、３００℃で１時間加熱処理すると、図４（ｃ）に示すように、プライマー層７の表面に光触媒材料８が担持される。プライマー層７を形成する際に、溶液に酸化チタン超微粒子９を混入することにより、ポリアルキルシロキサン膜１０の表面に凸凹が形成され、光触媒材料８を担持するための表面積を増加させることができ、凹凸は、その上に積層する光触媒材料８を堅固に担持するためのアンカー効果の役割も果たす。
【００４１】
また、フィルタ骨格６は、空隙率が高く厚みのある金属繊維からなるニットメッシュ積層構造体であるため、ディッピングコート時の液切れに要する時間が不織布に比べて１／２０となり、コーティング時間が短縮され、生産性の向上を図ることができる。
【００４２】
【実施例２】
ニットメッシュ１からなるフィルタ骨格６の厚さを２０ｍｍにした。それ以外は、実施例１と同様にした。
【００４３】
【比較例１】
フィルタの構造を２０メッシュの金網構造にした以外は実施例１と同様にした。
【００４４】
【比較例２】
フィルタの構造を５ｍｍ穴の空いたパンチングメタルにした以外は実施例１と同様にした。
【００４５】
【試験例１】
アセトアルデヒドの経時的分解量の測定（光触媒活性の評価）
酸化チタンの光触媒活性を測定するための装置として、試料ホルダー、紫外線光源をセットしたＳＵＳ３０４製の光触媒反応容器と、光路長１０ｍのガスセルとをＳＵＳ３１６製フレキシブルチューブで繋いでガス流路を形成し、このガス流路にガス循環ポンプを介在させてガスを循環するように構成し、測定機器としては、日本電子（株）製のフーリエ変換赤外吸収分光分析装置（ＦＴＩＲ）を使用した。
【００４６】
測定条件は、ガス循環量２．６×１０−４ｍ３　／ｓｅｃ、測定時の圧力は大気圧で、測定時の温度は２４±１℃、湿度が４０±１％、ＦＴＩＲの測定条件は、分解能０．５ｃｍ−１、積分回数５０回、測定波数域７００〜４０００ｃｍ−１で、紫外線光源（ブラックライト）の中心波長が３６５ｎｍ、紫外線光源の中心付近での強度が３．０ｍＷ／ｃｍ２　、紫外線光源の試料端部での強度が２．０ｍＷ／ｃｍ２　とした。測定初期の吸着平衡に達するまでの待機時間は１０分とし、紫外線を照射しながら経時的に赤外吸収スペクトルを測定した。
【００４７】
また、測定に際しては、アセトアルデヒドの初期濃度を約１３０ｐｐｍとし、吸光度２６００〜２９００ｃｍ−１のアセトアルデヒド（ＣＨ３ＣＨＯ）のＣ−Ｈ伸縮に帰属する赤外吸収スペクトルに着目して定量した。
【００４８】
表１に、各試料の分解速度定数を、図５にアセトアルデヒドの残存量を吸光度で示したグラフを示す。
【００４９】
【表１】
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【００５０】
表１及び図５に示すように、厚さ１０ｍｍの不織布構造をした試料１、厚さ２０ｍｍのニットメッシュ構造にした試料３、厚さ１０ｍｍのニットメッシュ構造にした試料２の順に活性が高く、金網構造やパンチングメタル構造の２〜３倍の活性を示した。
【００５１】
前述のように構成されたガス除去用フィルタは、空気清浄機、空気調和機、換気ダクト中に設置されるフィルタとして適用できる。従って、用途に応じてニットメッシュの網目の大きさ、積層枚数を設定すればよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、紫外光を吸収せずに反射し、耐熱性、強度、耐溶剤性を合わせ持ち、さらに、空気を通過させた時の圧力損失が低く、光触媒層の表面積が大きい上にその受光面積も大きい光触媒を用いたガス除去用フィルタを提供できる。
【００５３】
さらに、本発明は、空隙率が高く厚みのある金属繊維からなる三次元網目構造体であるため、不織布に比べてディッピングコート時の液切れが優れ、コーティング時間が短縮され、生産性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示し、（ａ）はニットメッシュの平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は左側面図。
【図２】同実施形態を示し、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図３】同実施形態のフィルタ骨格の斜視図。
【図４】同実施形態のガス除去用フィルタの製造方法の一部を示す説明図。
【図５】アセトアルデヒドの残存量を吸光度で示したグラフ。
【符号の説明】
１…ニットメッシュ
２…ステンレス鋼繊維
３…網目
４…山状部
５…谷状部
６…フィルタ骨格
７…プライマー層
８…光触媒材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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