(57)【要約】【課題】効率のよい光触媒フィルタを提供する。【解決手段】シリカ、ガラス等のシリカ材から成り、表面に多数の微細な凹凸部を有するシリカ微粒子２を光ファイバ１のクラッド部１Ｂの外周面に付着させ、そのシリカ微粒子のその表面に、適宜の光触媒微粒子３を担持させてなる光触媒ファイバである。【選択図】        図１
2004168616.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカ、ガラス等のシリカ材から成り、表面に多数の微細な凹凸部を有するシリカ微粒子（２）を光ファイバ（１）のクラッド部（１Ｂ）の外周面に付着させ、前記シリカ微粒子（２）の表面に、適宜の光触媒微粒子（３）を担持させた光触媒ファイバ。
【請求項２】
前記シリカ微粒子（２）の表面に適宜の吸着材（４）を付着させ、その吸着材（４）に適宜の光触媒微粒子（３）を担持させたことを特徴ととする、請求項１記載の光触媒ファイバ。
【請求項３】
前記光触媒ファイバの全表面に透明な吸着材（４）を付加したことを特徴とする、請求項１記載の光触媒ファイバ。
【請求項４】
前記光触媒微粒子（３）に適宜の金属粒子を付加して、その酸化還元反応効率を向上させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の光触媒ファイバ。
【請求項５】
前記クラッド部（１Ｂ）の外周面における前記シリカ微粒子（２）間の間隙部に、フッ素樹脂層（５）を融着させたことを特徴とする、請求項１記載の光触媒ファイバ。
【請求項６】
前記シリカ微粒子（２）の透明度を変化させることによって光の透過度を変えたことを特徴とする、請求項１記載の光触媒ファイバ。
【請求項７】
前記クラッド部（１Ｂ）の外周面に付着された前記シリカ微粒子（２）の透明度を、前記クラッド部（１Ｂ）の光の伝送方向に沿って上流から下流に向かって順に高くしたことを特徴とする、請求項１記載の光触媒ファイバ。
【請求項８】
表面に多数の微細な凹凸を有するシリカ微粒子（２）の表面に適宜の光触媒微粒子（３）を担持させ、それを光ファイバ（１）のクラッド部（１Ｂ）の外周面に付着させて成る光触媒ファイバの複数本を、同一方向に互いに密接させて並べるか、あるいはこれらを縦糸、横糸として織るかによって概して一つの平板状に形成したものを積層してなる光触媒フィルタ。
【請求項９】
有機系外部被覆の除去された光ファイバ（１）のクラッド部（１Ｂ）に粒径が３０ｎｍ〜３μｍのシリカ微粒子（２）を気相法によって付着させた後、脱水焼結してガラス化する工程と、次いでゾルゲル法、パエロゾル法、蒸着法等の適宜な化学的または物理的な方法によって二酸化チタンのような適宜の光触媒（３）を担持させる工程とを有する光触媒ファイバの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は光触媒ファイバおよび光触媒フィルタと製造方法、さらに詳しく言えば、光触媒による酸化還元反応を利用して処理すべき気体または液体中の有機化合物を分解し、これによりそれら流体中に含まれる汚染物質、細菌、悪臭などを除去する光触媒フィルタ、またその構成単位となるファイバ状の光触媒ファイバ、およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術文献に言及する前に、光触媒フィルタおよびその構成単位である光触媒ファイバが効率よく機能するための必要かつ十分な構成上の条件を以下に説明する。まず、
Ｃ１．（条件１の意味、以下同じ）  処理のために対象流体を捕捉し、所要の化学反応が完了するまで、フィルタ内にある程度の時間滞留させ得ることと、この反応がおこる場所を広くするためにフィルタの容積に比して接触表面積が大きいことが必要であって、このためフィルタは多くの微細な空隙部（微小孔や微小凹凸部）が互いに連通した連通多空隙状（連通多孔状）に形成されていることが必要である。
【０００３】
Ｃ２．しかしてこのすべての連通空隙部の表面に、たとえばＴｉＯ２のような光触媒が高い密度で付着配設されていることが必要である。この条件Ｃ１，Ｃ２の二つは、処理すべき流体が、高密度に存在する光触媒にある程度の時間、直接に接触することを保証するものである。
【０００４】
Ｃ３．しかして光触媒反応を効率的におこなわせるために、この光触媒には所要の波長の光、たとえば上記の例のＴｉＯ２（二酸化チタン）であれば紫外線が継続的に十分に照射されることが必要である。
【０００５】
Ｃ４．処理のための化学反応のためには酸素（Ｏ２）の存在が必要である。Ｏ２の代わりにこれを含む水分（Ｈ２Ｏ）が存在してもよい。
【０００６】
以上の４つの条件を頭に置いて、まず特開平９−２２５２６２号「光触媒フィルタ、その装置、およびそれを用いた流体処理方法」（特許文献１参照）を調べてみる。ここに開示された光触媒フィルタは、光触媒を導光体（光ファイバのクラッド部）の表面に付着させた線状の光触媒ファイバによる織り構造であり、この光触媒ファイバをすだれ格子状に組み合わせ、あるいはカラスの巣の材料のように複雑にからみ曲げ合わせて処理すべき対象との接触面積を拡大する工夫を施したものである。
【０００７】
しかしこのものでは、構成単位である光触媒ファイバそのものが、概して平滑で凹凸や空隙部が少なく、したがって処理対象流体を捕捉する能力に欠け、処理のための化学反応の時間が十分でない。つまりこのものでは光触媒ファイバ自体もまたこれを構成単位とした光触媒フィルタも必要十分条件Ｃ１，Ｃ２を欠いている。また光源からの距離が大きい光触媒ファイバ上の場所では、散乱損失が大きくなって条件Ｃ３も欠くことになる。
【０００８】
処理すべき流体の捕捉能力が足りない点はこの先行技術の発明者も意識していたらしく、その明細書の〔００４３〕において、ゼオライトや活性炭と共存させることを記載しているが、これでは捕捉した処理流体の滞留する位置と、光触媒が位置するところはあくまで互いに離れた位置であって、直接接触状態の確保という条件Ｃ２を改善したことにはならないのである。
【０００９】
さらにこの先行技術では光ファイバのクラッド部に光触媒を担持させ、光導波路としてコア部分を利用しているため、ステップ型もしくはグレーテッド型の光ファイバでは、光を光触媒担持面に適度に漏らすために開口角よりわずかに大きい角度で入射させる必要があり、また逆に光の散乱損失が大きな光ファイバでは光が漏れすぎないように、開口角よりも小さい角度で光を入射させる必要があるなど、光源部分の装置が複雑になる欠点がある。
【００１０】
また別の先行技術である特開平１１−２９０７０１「光触媒担持部材および光触媒フィルタ」（特許文献２参照）においては、シングルモード光ファイバの外側面の全面または一部に光触媒を担持させて光触媒ファイバとし、この光触媒ファイバを縦、横に組み合わせて織った布状体を積層して処理すべき流体を捕捉する多空隙構造体としたものであるかり、光触媒に光が照射されることについての条件Ｃ３については十分に適格であると言える。
【００１１】
しかしながら、光触媒ファイバを布状に織って形成した光触媒フィルタではあっても、その構成単位である光触媒ファイバそのものが特許文献１について説明したように概して平滑であるために、処理対象流体を捕捉する能力に欠け、したがって必要条件Ｃ１，Ｃ２を欠いている。
【００１２】
さらに別の先行技術である特開平１１−２９０６９５「光触媒フィルタ」（特許文献３参照）を検討してみよう。これは光触媒を表面ないし内部に担持させた吸着材（繊維状活性炭）と、光導波路（シングルモード光ファイバ）とを一体に組み合わせたものである。
【００１３】
この先行技術では、その明細書の各実施例をみても、光触媒を担持した布状の吸着材と、光導波路としての光ファイバを束ねてシート状にしたものを交互に積層したり、あるいは横糸、縦糸として交互に織り込んだりした構造であって、処理すべき流体の停留位置と、光触媒位置とが合致する場所は縦糸、横糸の交錯部分のみに限られており、処理流体と光触媒とは総体として、さきの特許文献１と同様にかなり離隔していると言わざるを得ない。すなわち光触媒フィルタとしての条件Ｃ３を欠いている。またこの構造では物理的に捕捉効率が悪く、条件Ｃ１についても十分ではない。
【００１４】
またこの先行技術においても上記のものと同様に、各光ファイバについて光源からの距離が大きすぎれば散乱損失が大きくなって条件Ｃ３も欠くことになるから、光源からの距離が大きくなると光触媒による処理性能が低下してしまう不都合がある。
【００１５】
【特許文献１】
特開平９−２２５２６２号公報（全文、特に要約と図面）
【特許文献２】
特開平１１−２９０７０１号公報（同上）
【特許文献３】
特開平１１−２９０６９５号公報（同上）
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上述の光触媒フィルタとしての必要かつ十分な条件Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４がすべて満たされる光触媒フィルタおよびその構成単位となる光触媒ファイバおよびこれらの製造方法を求めようとするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明は上述の課題をすべて解決するためになされたものであって、請求項１の発明によるその解決手段は、シリカ、ガラス等のシリカ材から成り、表面に多数の微細な凹凸部を有するシリカ微粒子を光ファイバのクラッド部の外周面に付着させ、前記シリカ微粒子の表面に、適宜の光触媒微粒子を担持させた光触媒ファイバである。
【００１８】
また請求項２の発明によるその解決手段は、前記シリカ微粒子の表面に適宜の吸着材を付着させ、その吸着材に適宜の光触媒微粒子を担持させたことを特徴ととする、請求項１記載の光触媒ファイバである。
【００１９】
また請求項３の発明によるその解決手段は、前記光触媒ファイバの全表面に透明な吸着材を付加したことを特徴とする請求項１記載の光触媒ファイバである。
【００２０】
また請求項４の発明によるその解決手段は、前記光触媒微粒子に適宜の金属粒子を付加して、その酸化還元反応効率を向上させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の光触媒ファイバである。
【００２１】
また請求項５の発明によるその解決手段は、前記クラッド部の外周面における前記シリカ微粒子の間隙部に、フッ素樹脂層を融着させたことを特徴とする、請求項１記載の光触媒ファイバである。
【００２２】
また請求項６の発明によるその解決手段は、前記シリカ微粒子の透明度を変化させることによって光の透過度を変えたことを特徴とする請求項１記載の光触媒ファイバである。
【００２３】
また請求項７の発明によるその解決手段は、前記クラッド部上に付着された前記シリカ微粒子の透明度を、前記クラッド部の光の伝送方向に沿って上流から下流に向かって順に高くしたことを特徴とする、請求項１記載の光触媒ファイバである。
【００２４】
また請求項８の発明によるその解決手段は、表面に多数の微細な凹凸を有するシリカ微粒子のその表面に適宜の光触媒微粒子を担持させ、それを光ファイバのクラッド部の外周面に付着させて成る光触媒ファイバの複数本を、同一方向に互いに密接させて並べるか、あるいはこれらを縦糸、横糸として織るかによって概して一つの平板状に形成したものを積層してなる光触媒フィルタである。
【００２５】
また請求項９の発明によるその解決手段は、有機系外部被覆の除去された光ファイバのクラッド部に粒径が３０ｎｍ〜３μｍのシリカ微粒子を気相法によって付着させた後脱水焼結してガラス化する工程と、次いでゾルゲル法、パエロゾル法、蒸着法等の適宜な化学的または物理的な方法によって二酸化チタンのような適宜の光触媒を担持させる工程とを有する光触媒ファイバの製造方法である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
まず順序を変えて、本発明の光触媒ファイバの製造方法から先に説明する。このことによって本発明の光触媒ファイバやそれを構成要素とした光触媒フィルタの構成が一層明確にできる。
【００２７】
まず原料としてシリカ材を用意する。ここでシリカ材というのは、文字通り二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を主体とした材料であって、その結晶形は問わない。普通は六方晶形の石英が主流となる。この純然たるシリカ材の他に各種のガラス類、ガラスカレット、廃却スート（光ファイバ母材製造におけるもの）、廃却ガラス類などを用いてもよい。重要なことはそれらが、触媒作用で必要となる波長の光が透過できるようできるだけ透明であることである。
【００２８】
これらの原料のシリカ材を粉砕してシリカ微粒子２（大きさは３０ｎｍ〜３μｍ）とする。そして光ファイバ１のクラッド部１Ｂの外周面に、気相法（蒸着）その他の方法によって付着させ、さらに脱水焼結してガラス化し、表面に多数の微細な凹凸部（穴部や空隙部）を形成して表面積を大きくする。
【００２９】
ここで光ファイバ１について言えば、石英製ファイバが望ましく、シングルモードファイバ、イメージ・バンドルファイバの別を問わない。光ファイバは新品でもリサイクル利用品でも構わないが、有機被覆のないものを使用する。
【００３０】
光導波路としてはコア部１Ａでもクラッド部１Ｂでもよく、光を表面方向に放射状に発光させるように加工したものとする。
【００３１】
クラッド部１Ｂに付着させたシリカ微粒子２に、図１で黒点で示した光触媒３を担持させる工程を説明する。これには、ゾルゲル法、パエロゾル法、ウォッシュ・コート法、蒸着法、スパッタ法、熱分解法、金属酸化法など化学的または物理的な各方法が利用できる。
【００３２】
光触媒３としては、もっとも好適なものとしてアナターゼ型二酸化チタンがよく、この他にルチル型二酸化チタン、含水二酸化チタンでもよい。しかしてこの光触媒３の大きさは、粒径３０ｎｍ以下が望ましい。なお図１においては図が錯綜しないために光触媒３は数個の黒点で示しただけだが、実際は微細凹凸部２１の表面に高密度に付着しているものと理解されたい。
【００３３】
また図示してはいないが、これらの光触媒３の表面にさらに金属粒子を付加担持させることで光触媒反応の速度をさらに増大させ得ることが知られており、付加される金属粒子の材質としては、白金、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、タンタル、銀、ニッケル、銅、ジルコニウム、クロム、バナジウム、酸化テル、酸化スズ、酸化マンガン、酸化ニッケル、酸化ルテニウムなどがある。
【００３４】
あるいは光触媒担持体２による処理流体の捕捉性能を増すために、図３に示すように、微細凹凸部２１の表面に適宜の吸着材４を付加し、この吸着材４の上に光触媒３を付着させてもよい。このような吸着材４としては、透明で透光性を有することが望ましく、シリカゲルが適している。また透光性は劣るが選択性吸着の性質を持つハイドロキシアパタイト、活性炭、ゼオライト等がある。
【００３５】
シリカ微粒子２は光を散乱させることが知られており、光ファイバ１内からの伝送光を半径方向外方に向かって自由に散乱させることができる。なおシリカ微粒子２の原料としては、既に述べたようにガラス、不純物を混ぜたガラス、また故意に不純物を混ぜて屈折率を変えるようにしたものでもよい。
【００３６】
光は光導波路内を伝送されてゆく過程で当然散乱によりエネルギーを失い、したがって光導波路の末端にゆくに従って減衰する。このため末端では光触媒３に供給される光量が少なくなり、酸化還元反応の効率が光触媒ファイバの長手方向の位置によって相違して一様でなくなるという問題がある。
【００３７】
これでは光触媒フィルタの構成要素として不適当なので、これを改善するため図２に示すように、光の伝送方向に関して光源に近い位置に付着させたシリカ微粒子２Ａほど透明度を低くし、光源から遠ざかる位置に付着させたシリカ微粒子２Ｂ，２Ｃほど、透明度を高くして、ファイバ全体として光源からの距離のいかんに関わらず一様な光を光触媒３に導くようにした光触媒ファイバを作ることもできる。
【００３８】
このための具体的な方法は、上述した脱水焼結工程において実施できる。すなわち焼結を完全におこなわないで途中で止めることにより、水分が残った未焼結のシリカ微粒子２を作ることである。水分の残量が多くなる程不透明になるわけだから、その透明度の程度に応じてファイバの長手方向に順に並べることによって、光導波路から受ける光量を長手方向全体として一様になるよう調整することができる。
【００３９】
光触媒ファイバは一般に可撓性が低く折れやすいので、これを織ってフィルタにするためには都合が悪い。これを改善するには図４に示すように、クラッド部１Ｂの外周面の、ここに付着させたシリカ微粒子２の間の間隙部の全面にわたってフッ素樹脂層５を、特殊なプライマーを介在させることによって融着形成するのが効果的である。光触媒ファイバにかかる曲げ応力がこのフッ素樹脂層５に吸収されるから、所期の可撓性改善の効果が期待できることになる。
【００４０】
以上に本発明の光触媒ファイバの説明を終えた。次にこれを構成要素にした光触媒フィルタを説明する。これにはこの光触媒フィルタを同一方向に互いに密接させて束ね、断面を所要寸法の四角形にすればよい。あるいは適宜寸法の断面のユニットとしてこれを所要枚数重ねて使用するようにしてもよい。
【００４１】
あるいは光触媒ファイバを種々の織り方で一つの平面織布状にし、これを積層して使用してもよい。
【００４２】
本発明の光触媒フィルタは、光触媒ファイバを密集させて束にする仕方でも、あるいは織布状のものを積層した形でも、一つ一つの光触媒ファイバが外周が平滑な繊維状ではなく、外周に多数の微細な凹凸に富んだシリカ微粒子２がびっしりと付着している形であるから、これを束ねたときにはこれらのシリカ微粒子２が互いに絡み合う形となって非常にすぐれた流体捕捉性を発揮でき、その中を多数の光導波路が貫通しているわけだから、そのシリカ微粒子２に担持された光触媒３にも十分に継続的に所望の光が供給されることになり、光触媒反応が効率的に、しかもフィルタの中で場所的にむらなく、生起できるのである。
【００４３】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、この光触媒ファイバば前項の〔００４２〕においてその効果を詳しく説明した光触媒フィルタの構成要素となり得る効果がある。つまり条件Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を全て完全に充足しており、酸素または水分は処理すべき流体自身が含んでいるので条件Ｃ４についても問題なく、これによって光触媒フィルタとしての４つの条件をすべて十分にクリアしたものである。また請求項２および請求項３は吸着材の付加によって処理すべき流体の捕捉性能をさらに増し、また請求項４の発明は光触媒反応をさらに促進させ、こうして共に光触媒フィルタとしての効果を助長する効果がある。
【００４４】
また請求項５の発明は個々の光触媒ファイバの可撓性をさらに高め、これによって曲面状のフィルタの製作を容易にするとともに、曲面の多い場所へのフィルタ設置を容易にする効果がある。また請求項６および請求項７の発明は、光触媒フィルタにおける、酸化還元反応効率の場所的な変動を排除する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光触媒ファイバを示す一部拡大して示した側断面図である。
【図２】光ファイバの長手方向に光触媒反応が一様になる光触媒ファイバを示す側断面図である。
【図３】吸着性能の改善された光触媒ファイバを示す側断面図である。
【図４】可撓性を改善した光触媒ファイバを示す側断面図である。
【符号の説明】
１    光ファイバ
１Ａ      コア部
１Ｂ      クラッド部
２        シリカ微粒子
２１      凹凸部
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ  シリカ微粒子
３        光触媒
４        吸着材
５        フッ素樹脂層
【図１】
2004168616.tif 000003
【図２】
2004168616.tif 000004
【図３】
2004168616.tif 000005
【図４】
2004168616.tif 000006