(57)【要約】【課題】  無機バインダを使用せずに、基材表面に十分な厚さの光触媒層を剥落することなく形成することができる光触媒粒子およびその固定化方法ならびに光触媒性部材を提供する。【解決手段】  ＯＨ基を５０ｐｐｍ以上含有する光触媒活性を有する二酸化チタン粒子からなり、粒径が２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下である光触媒粒子を、水中に分散させてスラリー状とし、これを、アルミナ質、アルミナ−コージライト質、シリカ質、ムライト質のいずれかのセラミックスからなる表面に微細な凹凸を有する基材にコーティングした後、乾燥させることにより、基材表面に光触媒層を形成する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＯＨ基を５０ｐｐｍ以上含有する光触媒活性を有する二酸化チタン粒子からなることを特徴とする光触媒粒子。
【請求項２】
粒径が２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の光触媒粒子。
【請求項３】
前記二酸化チタン粒子に、７００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下の窒素がドープされていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光触媒粒子。
【請求項４】
前記二酸化チタン粒子に、前記窒素以外に、炭素、硫黄、水素のうちのいずれか１種以上がドープされていることを特徴とする請求項３記載の光触媒粒子。
【請求項５】
光触媒粒子を基材表面に固定化させる方法において、請求項１から請求項４までのいずれかに記載された光触媒粒子を水中に分散させたスラリーを基材にコーティングした後、乾燥させることにより、基材表面に光触媒層を形成することを特徴とする光触媒粒子の固定化方法。
【請求項６】
請求項１から請求項４までのいずれかに記載された光触媒粒子が、基材表面に固定化されていることを特徴とする光触媒性部材。
【請求項７】
前記基材は、表面に微細な凹凸を有するセラミックスからなることを特徴とする請求項６記載の光触媒性部材。
【請求項８】
前記セラミックスは、アルミナ質、アルミナ−コージライト質、シリカ質、ムライト質のいずれかであることを特徴とする請求項７記載の光触媒性部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塗料、繊維製品、インテリア、シックハウス解消剤、工業排水・排ガスの無害化処理剤等に用いられ、有害物の分解・除去、消臭、抗菌、防汚、防曇等の作用を奏する光触媒粒子およびその固定化方法ならびに該光触媒粒子が固定化された光触媒性部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化チタン等の光触媒粒子は、一般に、紫外光の照射を受けることによって、有害物の分解・除去、消臭、抗菌、防汚、防曇等の作用を奏することが知られており、既に、これらの作用を利用した塗料、繊維製品、インテリア、シックハウス解消剤、工業排水・排ガスの無害化処理剤等の様々な製品が実用化されている。
【０００３】
上記のように、前記光触媒粒子は、光の照射により、その触媒作用を奏するものであるが、どのような態様で使用されるか、また、どのように基材に固定させるかについては、依然として改善の余地が大きく、種々の検討が行われている。
【０００４】
例えば、空気清浄機、エアコン等においては、金属繊維構造体、セラミックス繊維多孔体またはセラミックスフォーム等からなる板状の基材表面に、光触媒粒子を固定化させることにより、空気清浄フィルタとして用いられている（特許文献１、２等参照）。
前記空気清浄フィルタは、空気を流通させ、紫外光を照射することによって、吸着された空気中の有害物質・臭気成分等を、光触媒作用により分解・除去するものである。
【０００５】
上記のような空気清浄フィルタ等において使用されている基材への光触媒粒子の固定化方法としては、一般に、無機バインダ等による接着固定が用いられている。例えば、光触媒粒子と無機バインダとの混合物を、基材表面に塗布またはコーティング等した後、焼成することにより、光触媒粒子を基材表面に固定することができる。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２６２９０３号公報
【特許文献２】特開２０００−１２６５５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のようにして固定化された光触媒粒子は、バインダ膜の表面に露出している粒子が一部に限られ、場合によっては、すべてバインダ中に埋没してしまい、全く表面に露出していないこともあった。
このような状態では、光触媒粒子が、その光触媒作用により分解・除去等をしようとする有害物質等と十分に接触することができず、光触媒としての機能が十分に発揮されない。
一方、少量の無機バインダで、光触媒粒子を固定しようとすると、光触媒としての有効表面積は増大するが、該光触媒粒子は、剥離・脱落しやすくなる。
【０００８】
上記のように、無機バインダを用いて、光触媒粒子を剥落しないように固定化させると、その用いる無機バインダにより、光触媒として有効な表面積が減少することとなり、逆に、有効な表面積を増大させようとすると、使用に耐え得る接着力で固定化させることは困難であった。
【０００９】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、無機バインダを使用せずに、基材表面に十分な厚さの光触媒層を剥落することなく形成することができる光触媒粒子およびその固定化方法ならびに光触媒性部材を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る光触媒粒子は、ＯＨ基を５０ｐｐｍ以上含有する光触媒活性を有する二酸化チタン粒子からなることを特徴とする。
このような光触媒粒子を用いれば、無機バインダを用いることなく、基材表面に従来よりも厚い光触媒層を形成することができ、また、無機バインダにより粒子表面が被覆されることもなく、光触媒効果を十分に発揮することができる。
【００１１】
前記光触媒粒子は、粒径が２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であることが好ましい。
水によるスラリー調製時における粒子同士の凝集の程度、分散性等の観点から、前記粒径は、上記範囲内であることが好ましい。
【００１２】
また、前記二酸化チタン粒子には、７００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下の窒素がドープされていることが好ましい。
上記二酸化チタン粒子によれば、紫外線照射に対する光触媒活性も、従来の二酸化チタン光触媒と同程度以上の性能を示し、しかも、可視光照射による光触媒効果も得ることができる。
【００１３】
さらに、前記二酸化チタン粒子には、前記窒素以外に、炭素、硫黄、水素のうちのいずれか１種以上がドープされていることが好ましい。
このように構成された二酸化チタン粒子は、可視光に対する光触媒活性の安定性、持続性がより優れたものとなる。
【００１４】
また、本発明に係る光触媒粒子の固定化方法は、光触媒粒子を基材表面に固定化させる方法において、上記のような光触媒粒子を水中に分散させたスラリーを基材にコーティングした後、乾燥させることにより、基材表面に光触媒層を形成することを特徴とする。
上記方法によれば、無機バインダを使用せずに、従来品の二酸化チタン粒子からなる光触媒粒子よりも優れた塗布性で、より厚い光触媒層を基材表面に形成することができる。
【００１５】
また、本発明に係る光触媒性部材は、上記した光触媒粒子が、基材表面に固定化されていることを特徴とするものである。
本発明に係る光触媒粒子を基本として基材表面に固定化させることにより、光触媒層を様々な構成とすることが可能であり、粒子の本来の光触媒効果、すなわち、分解、除去、消臭、抗菌、防汚、防曇等の作用が抑制されることなく、繊維製品、建材、自動車等への内装材、家具、家電製品、住宅設備等における様々な基材に対応することができる。
【００１６】
前記基材は、表面に微細な凹凸を有するセラミックスからなることが好ましい。
本発明においては、光触媒粒子のより優れた付着性を得る観点からは、上記のような表面形状を有する基材を用いることが好ましい。
【００１７】
特に、前記セラミックスは、アルミナ質、アルミナ−コージライト質、シリカ質、ムライト質のいずれかであることが好ましい。
前記光触媒粒子のＯＨ基との親和性等の観点から、上記のような酸化物系セラミックスが好適に用いられる。
【発明の効果】
【００１８】
上述のとおり、本発明によれば、二酸化チタンからなる光触媒粒子を、無機バインダを使用することなく、基材表面に固定化させることができ、しかも、従来よりも厚い光触媒層を剥落することなく形成することができる。
したがって、本発明に係る光触媒性部材は、固定化された光触媒粒子が、粒子本来の光触媒効果、すなわち、分解、除去、消臭、抗菌、防汚、防曇等の作用を奏するものであり、繊維製品、建材、自動車等への内装材、家具、家電製品、住宅設備等における様々な基材に対応可能であり、優れた光触媒効果を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明に係る光触媒粒子は、光触媒活性を有する二酸化チタン粒子からなるものであり、かつ、ＯＨ基を従来の二酸化チタンからなる光触媒よりも多い５０ｐｐｍ以上の濃度で含有することを特徴とするものである。
このため、本発明に係る光触媒粒子は、高濃度のＯＨ基により、触媒を固定化させる基材表面に、無機バインダを用いることなく、従来よりも厚い光触媒層を形成することができる。
しかも、前記光触媒粒子を用いて基材表面に光触媒層を形成することにより、無機バインダを用いた場合のように、粒子表面が被覆されるようなことはなく、露出した状態となるため、光触媒効果が抑制されることなく、その効果を十分に発揮することができる。
【００２０】
上記光触媒粒子を基材表面に固定化させる方法としては、該光触媒粒子を水中に分散させて、スラリー状にした後、該スラリーを基材にコーティングして、乾燥させることにより、基材表面に光触媒層を形成することが好ましい。
このように、本発明に係る方法によれば、光触媒粒子を固定化させるために、無機バインダ等の接着剤を使用する必要はない。
【００２１】
従来品の二酸化チタン粒子からなる光触媒粒子を水中に分散させたスラリーは、光触媒粒子による吸着性、紫外光によるアルデヒドガスの分解能力、すなわち、光触媒活性は優れているものの、例えば、アルミナ基材表面に塗布した場合、塗布性に劣り、厚さ０．０１〜０．５μｍ程度でしか光触媒層を形成することができず、しかも、剥落しやすいものであった。
これに対して、本発明に係る光触媒粒子は、水中に分散させてスラリー状にして、基材表面に塗布すると、従来品の光触媒粒子よりも、塗布性に優れ、厚さ十数μｍ、すなわち、従来品の数倍以上の厚さで光触媒層を形成することができる。
【００２２】
図１に、本発明に係る光触媒粒子を上記のようにスラリーとして、アルミナ基材上に光触媒層を形成したものの断面の顕微鏡写真を示す。なお、図１に示す写真において、表層部のワックス３は、断面撮影のための切断時に光触媒層を保護するための固定剤として用いたものであり、実際に光触媒性部材として使用する際には不要なものである。
図１の断面写真から分かるように、本発明に係る光触媒粒子は、アルミナ基材１表面に、しっかりと固定化されて厚さ約２０μｍの光触媒層２を形成している。また、該光触媒層２は、従来よりも厚い層として形成されているだけでなく、無数の微細な凹凸が形成されており、表面積が大きく、このため、光触媒として有効に作用する表面積が大きいという利点を有している。
【００２３】
また、図２に、本発明に係る光触媒粒子および従来品の光触媒粒子をそれぞれ水中に分散させたスラリーをガラス板上に滴下して、乾燥させた各試料についてのＦＴ−ＩＲスペクトルを示す。なお、前記ガラス板は、ＯＨ基を含まない特殊なシリカガラスである。
図２のＦＴ−ＩＲスペクトルに示したように、本発明に係る光触媒粒子については、従来品とは異なり、波長３７００ｃｍ-1付近にＯＨ基の吸収ピークが認められた。
また、上記の各ガラス板試料を観察すると、従来品の光触媒粒子は、しっかりと固定化されておらず、剥落したが、本発明に係る光触媒粒子は、剥落することなく、ガラス板上にしっかりと固定化されていた。
このように、本発明に係る光触媒粒子は、従来品の光触媒粒子と比べて、高濃度のＯＨ基を含有していることから、親水性に優れており、このため、基材に付着しやすいと考えられる。
【００２４】
本発明に係る光触媒粒子は、粒径が２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であることが好ましい。
前記粒径が２０ｎｍ未満の場合、水によるスラリー調製時における粒子同士の凝集が著しく、均等に分散させることが困難となり、また、十分な厚さの光触媒層を形成する工程における効率が劣る。
一方、前記粒径が６０ｎｍを超える場合も、光触媒粒子のスラリー調製時に、凝集した粒子が沈降し、均等な分散性が得られない。
【００２５】
上記のような粒径の本発明に係る光触媒粒子は、水中で凝集すると、粒径３μｍ程度になるが、粒子表面のＯＨ基が互いに反発し合うことにより、水中における凝集粒子の沈降速度は抑制され、均等に分散したスラリーを得ることができる。
このため、上記スラリーを基材表面に塗布・コーティング等することにより、従来は、厚さ数μｍ以下でしか形成することができなかった光触媒層を、厚さ１０μｍ以上で形成することができる。
【００２６】
また、本発明に係る光触媒粒子を構成する二酸化チタン粒子は、可視光活性型光触媒粒子であることが好ましい。
二酸化チタン粒子に、可視光応答型の光触媒活性を発揮させるためには、例えば、遷移金属ドープ、白金ドープ、窒素または他の非金属のドープ等の方法を用いることができる。
これらのうちでも、特に、二酸化チタン粒子に、７００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下の窒素がドープされていることが好ましい。
上記のような窒素ドープ型の二酸化チタンであれば、紫外線照射に対する光触媒活性も、従来の二酸化チタン光触媒と同程度以上の性能を示し、さらに、紫外光に限らず、可視光照射による光触媒効果も得ることができる。例えば、室内における蛍光灯の光等の照射により、特殊な光を使用することなく、有害物質・臭気成分等の光触媒作用による分解・除去が可能である。
【００２７】
また、可視光に対する光触媒効果のより優れた安定性、持続性の観点から、前記二酸化チタン粒子には、前記窒素以外に、炭素、硫黄、水素のうちのいずれか１種以上がドープされていることが好ましい。
また、本発明に係る光触媒粒子を構成する二酸化チタンは、いずれの結晶型でもよいが、上記と同様に、可視光活性の観点からは、アナターゼ型であることがより好ましい。
【００２８】
上記のような本発明に係る二酸化チタンからなる光触媒粒子は、種々の方法で製造することが可能であるが、例えば、チタンの塩化物、硫酸化物等の化合物の酸素雰囲気での燃焼、または、加水分解により得られた通常の粒径１０ｎｍ程度の二酸化チタン微粒子を原料として、アンモニアガスおよび炭化水素ガス（混合比２０：１）の混合雰囲気中で、５００〜６００℃で熱処理することにより得ることが好ましい。
この製造方法によれば、例えば、ＯＨ基を３００ｐｐｍ、窒素を３０００ｐｐｍ程度含有する粒径３０ｎｍ程度の本発明に係る光触媒粒子が容易に得られる。
【００２９】
本発明に係る光触媒性部材は、上記のような本発明に係る光触媒粒子が、基材表面に固定化されているものであるが、本発明に係る光触媒粒子を用いて基材表面に光触媒層を形成した後、さらに、従来品の光触媒粒子を水中に分散させたスラリーによる光触媒層を重ねて形成することもできる。
このように、本発明に係る光触媒粒子による光触媒層を介在させることにより、無機バインダを使用することなく、従来品の光触媒粒子の塗布性の欠点を補うことができ、かつ、従来品の光触媒粒子の特性を十分に発揮させることも可能である。
【００３０】
また、光触媒層の異なる態様としては、本発明に係る光触媒粒子と従来品の光触媒粒子とを予め混合したものをスラリーとして、塗布・コーティングしてもよい。
さらにまた、二酸化チタンからなる光触媒粒子は、結晶型がアナターゼ型とルチル型のものを組み合わせて用いることにより、光触媒性能が向上することから、ルチル型の二酸化チタンからなる本発明に係る光触媒粒子による光触媒層を基材表面に形成した後、その上に、アナターゼ型の二酸化チタンからなる本発明品または従来品の光触媒粒子による光触媒層を形成する等、光触媒層を複層としてもよい。
【００３１】
上記のような光触媒性部材は、本発明に係る光触媒粒子を基本として基材表面に固定化させることにより、光触媒層を様々な構成とすることが可能である。
したがって、固定化された光触媒粒子の本来の光触媒効果、すなわち、分解、除去、消臭、抗菌、防汚、防曇等の作用を抑制されることなく、繊維製品、建材、自動車等への内装材、家具、家電製品、住宅設備等における様々な基材に対応可能であり、優れた光触媒効果を発揮することができる。
【００３２】
本発明において光触媒粒子を固定化させる基材は、無機材料、有機材料を問わず、紙、繊維、布等も含め、特に限定されるものではないが、光触媒粒子のより優れた付着性を得る観点からは、所定の形状が維持される材質であることが好ましい。特に、表面に微細な凹凸を有するセラミックスであることが好ましい。
前記セラミックスの中でも、特に、前記光触媒粒子のＯＨ基との親和性等の観点から、アルミナ質、アルミナ−コージライト質、シリカ質、ムライト質等の酸化物系セラミックスが好適に用いられる。
【実施例】
【００３３】
以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
５０ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍのアルミナセラミックフォームからなる基材に、ＯＨ基３００ｐｐｍ、窒素３０００ｐｐｍを含有する粒径３０ｎｍの二酸化チタン粒子からなる光触媒粒子１５ｇを水１００リットルに分散させてスラリー状としたものを塗布した。
これを乾燥させた後、１０分間の超音波洗浄および乾燥を５回繰り返し行った。
超音波洗浄および乾燥を１回行う毎に、光触媒粒子の基材表面への付着状態を観察した。
その結果、超音波洗浄および乾燥を１回行った後は、塗布した光触媒粒子の２０％が剥落したが、２回目以降は、光触媒粒子は基材表面から剥落せず、変化は見られなかった。
【００３４】
［比較例１］
従来品の二酸化チタン粒子からなる光触媒粒子（粒径７ｎｍ）を分散させた市販品のスラリーを、実施例１と同様にして、アルミナセラミックフォームからなる基材に塗布して乾燥させた後、超音波洗浄および乾燥を５回繰り返し、光触媒粒子の基材表面への付着状態を観察した。
その結果、超音波洗浄および乾燥を１回行った後は、塗布した光触媒粒子の８０％が剥落し、２回行った後も、２％が剥落した。３回目以降は、光触媒粒子は基材表面から剥落せず、変化は見られなかった。
【００３５】
［比較例２］
従来品の二酸化チタン粒子からなる粒径７ｎｍの光触媒粒子１５ｇを、水１００リットル中に分散させようとしたが、粒子は沈降してしまい、基材表面に塗布するためのスラリーを得ることができなかった。
【００３６】
上記実施例１から、本発明に係る光触媒粒子を用いて、基材表面に光触媒層を形成すれば、無機バインダを使用しなくても、良好な付着性を得ることができることが認められた。このため、例えば、空気清浄機等の気流のある環境下でも、従来よりも厚い光触媒層を適用することが可能である。
【００３７】
［実施例２］
１２ｃｍ×１２ｃｍ×１ｃｍのアルミナセラミックスフォームからなる基材に、実施例１と同様にして作製した本発明に係る二酸化チタンからなる光触媒粒子のスラリーを塗布した後、乾燥させて、光触媒層を形成した。
これを３リットルのガラス容器内に配置し、アセトアルデヒドガスを５００ｐｐｍ導入し、ブラックライトにより、光強度１ｍＷ／ｃｍ2で３０分間照射した後、アセトアルデヒド濃度を測定し、光触媒活性の評価を行った。
その結果、アセトアルデヒドガスは検出されなかった。
【００３８】
［実施例３］
二酸化チタンからなる光触媒粒子として、実施例１と同様の本発明に係る光触媒粒子と、従来品の光触媒粒子とを混合したものを用いて、それ以外については、実施例２と同様にして、光触媒活性の評価を行った。
その結果、３０分間照射後、アセトアルデヒドガスは検出されなかった。
【００３９】
［比較例３］
１２ｃｍ×１２ｃｍ×１ｃｍのアルミナセラミックスフォームからなる基材に、従来品の二酸化チタンからなる光触媒粒子を無機バインダにより固定化させて、光触媒層を形成したものを、３リットルのガラス容器内に配置し、実施例２と同様にして、光触媒活性の評価を行った。
その結果、３０分間照射後、アセトアルデヒドガス濃度は５０ｐｐｍであった。
【００４０】
［比較例４］
１２ｃｍ×１２ｃｍ×１ｃｍのアルミナセラミックスフォームからなる基材に、従来品の二酸化チタンからなる光触媒粒子を分散させた市販品のスラリーを塗布した後、乾燥させて光触媒層を形成したものを、３リットルのガラス容器内に配置し、実施例２と同様にして、光触媒活性の評価を行った。
その結果、３０分間照射後、アセトアルデヒドガス濃度は１０ｐｐｍであった。
【００４１】
上記実施例２、３および比較例３、４から分かるように、本発明に係る光触媒粒子を用いれば、無機バインダを用いずに固定化することができるだけでなく、その光触媒効果により、優れたアセトアルデヒドガスの分解能力（脱臭効果）が得られることが認められた。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】アルミナセラミックスからなる基材表面に形成された本発明に係る光触媒粒子の光触媒層の断面のＳＥＭ写真である。
【図２】ガラス板からなる基材表面に光触媒層を形成した場合のＦＴ−ＩＲスペクトルを示したものである。
【符号の説明】
【００４３】
１  基材
２  光触媒層
３  ワックス
【図１】
2005254128.tif 000002
【図２】
2005254128.tif 000003