JP2011225397A - ガラスセラミックス、その製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】優れた光触媒活性を有するとともに、耐久性にも優れた光触媒機能性素材を提供する。
【解決手段】 亜鉛成分を含む結晶相を有し、光触媒活性を有するガラスセラミックスが提供される。このガラスセラミックスは、酸化物換算組成の全物質量に対して、モル%でZnO成分を10〜70%含有してもよく、さらにSiO2成分、GeO2成分、B2O3成分、及びP2O5成分からなる群より選択される1種以上の成分30〜80%を含有してもよい。このガラスセラミックスは、粉粒状、ファイバー状、スラリー状混合物、焼結体、基材との複合体などの形態をとることが出来る。
【選択図】 図1
【解決手段】 亜鉛成分を含む結晶相を有し、光触媒活性を有するガラスセラミックスが提供される。このガラスセラミックスは、酸化物換算組成の全物質量に対して、モル%でZnO成分を10〜70%含有してもよく、さらにSiO2成分、GeO2成分、B2O3成分、及びP2O5成分からなる群より選択される1種以上の成分30〜80%を含有してもよい。このガラスセラミックスは、粉粒状、ファイバー状、スラリー状混合物、焼結体、基材との複合体などの形態をとることが出来る。
【選択図】 図1
Description
本発明は、ガラスセラミックス、その製造方法及びその利用に関する。
光触媒活性を有する化合物(以下、単に「光触媒」と記すことがある)は、バンドギャップエネルギー以上のエネルギーの光が照射されると、電子や正孔を生成するため、光触媒を含む成形体の表面近傍において、酸化還元反応が強く促進される。また、光触媒を含む成形体の表面は、水に濡れ易い親水性を呈するため、雨等の水滴で洗浄される、いわゆるセルフクリーニング作用を有することが知られている。
光触媒としては、主に酸化チタンが研究されてきたが、酸化チタンはバンドギャップが3〜3.2eVであるため、波長400nm以下の紫外線を照射する必要があり、可視光では十分な光触媒活性が得られないという欠点があった。一方、酸化亜鉛(ZnO)も、バンドギャップが約3〜4eVであり、酸化チタンと同様の光触媒活性を有することが知られており、例えば特許文献1では酸化亜鉛を含む光触媒塗料が提案されている。
特許文献2では、ZnO結晶を含有する実質的に透明なガラスセラミックスが提案されているが、光ファイバー等の用途に用いるものであり、光触媒活性に関しては全く開示されていない。
ところで、光触媒を基材に担持させる手法として、基材の表面に光触媒を含む膜を成膜する技術や、光触媒を基材中に含ませる技術などが検討されている。基材の表面に光触媒を含む膜を成膜する方法としては、塗布によって塗布膜を形成する塗布法のほか、スパッタリング、蒸着、ゾルゲル、CVD(化学気相成長)等の方法が知られている。
一方、光触媒を基材中に含ませる技術として、酸化チタンに関するものであるが、例えば特許文献3では、SiO2、Al2O3、CaO、MgO、B2O3、ZrO2、及びTiO2の各成分を所定量含有する光触媒用ガラスが開示されている。
多くの従来技術では、基材の表面に光触媒を含む膜を成膜することによって、光触媒を担持させるという考え方を採用している。しかし、このような考え方に立脚する手法に共通の課題として、基材と光触媒を含む膜との密着性および膜自体の耐久性を確保することが難しい点が挙げられる。つまり、これらの手法で製造された光触媒機能性製品は、光触媒を含む膜が基材から剥離したり、膜が劣化して光触媒機能が損なわれたりするおそれがある。例えば塗料を用いて塗布膜を形成した場合、塗布膜に残留している樹脂や有機バインダーが、紫外線等によって分解されたり、光触媒の触媒作用で酸化還元されたりする結果、塗布膜が経時的に劣化しやすく、耐久性が十分ではないという問題があった。また、膜中に担持させた光触媒の活性を十分に引き出すためには、光触媒をナノサイズの超微粒子に加工する必要があるが、ナノサイズの超微粒子は作製コストが高くなるとともに、表面エネルギーの増大によって凝集しやすくなり、取り扱いが難しいという問題点があった。また、スパッタリングによって光触媒膜を形成する場合、微粒子化は必要でなく、基材と光触媒膜との密着性も多少改善されるが、成膜速度が遅いこと、スパッタリング装置などの大掛かりな設備が必要になること、適用できる基材の材質や形状が限定されること、などの問題があった。
一方、特許文献3で開示される光触媒用ガラスは、ガラス中に酸化チタンを含有させている点で他の従来技術とは考え方を異にしている。しかし、特許文献3の技術では、光触媒である酸化チタンは結晶構造を有しておらず、アモルファスの形でガラス中に存在するため、その光触媒活性が弱く、不充分であった。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、優れた光触媒活性を有するとともに、耐久性にも優れた光触媒機能性素材を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、ガラス中に、亜鉛成分を含む結晶相を生じさせることにより、優れた光触媒機能を有する素材および製品を提供できることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、以下の(1)〜(32)に存する。
(1)亜鉛成分を含む結晶相を有し、光触媒活性を有するガラスセラミックス。
(2)酸化物換算組成の全物質量に対して、モル%でZnO成分を10〜70%含有する上記(1)に記載のガラスセラミックス。
(3)前記結晶相が、ZnO結晶、Zn2GeO4結晶、Zn2SiO4結晶、及びこれらの固溶体からなる群より選択される1種以上の結晶を含む上記(1)又は(2)に記載のガラスセラミックス。
(4)酸化物換算組成の全物質量に対して、モル%で、SiO2成分、GeO2成分、B2O3成分、及びP2O5成分からなる群より選択される1種以上の成分30〜80%を、さらに含有する上記(1)〜(3)のいずれかに記載のガラスセラミックス。
(5)酸化物換算組成の全物質量に対して、モル%で
Li2O成分 0〜30%、及び/又は
Na2O成分 0〜30%、及び/又は
K2O成分 0〜30%、及び/又は
Rb2O成分 0〜20%、及び/又は
Cs2O成分 0〜20%
の各成分をさらに含有する上記(1)〜(4)のいずれかに記載のガラスセラミックス。
Li2O成分 0〜30%、及び/又は
Na2O成分 0〜30%、及び/又は
K2O成分 0〜30%、及び/又は
Rb2O成分 0〜20%、及び/又は
Cs2O成分 0〜20%
の各成分をさらに含有する上記(1)〜(4)のいずれかに記載のガラスセラミックス。
(6)酸化物換算組成の全物質量に対して、モル%で
MgO成分 0〜30%、及び/又は
CaO成分 0〜30%、及び/又は
SrO成分 0〜30%、及び/又は
BaO成分 0〜30%
の各成分をさらに含有する上記(1)〜(5)のいずれかに記載のガラスセラミックス。
MgO成分 0〜30%、及び/又は
CaO成分 0〜30%、及び/又は
SrO成分 0〜30%、及び/又は
BaO成分 0〜30%
の各成分をさらに含有する上記(1)〜(5)のいずれかに記載のガラスセラミックス。
(7)酸化物換算組成の全物質量に対して、モル%で
Al2O3成分 0〜35%、及び/又は
Ga2O3成分 0〜35%、及び/又は
In2O3成分 0〜10%
の各成分をさらに含有する上記(1)〜(6)のいずれかに記載のガラスセラミックス。
Al2O3成分 0〜35%、及び/又は
Ga2O3成分 0〜35%、及び/又は
In2O3成分 0〜10%
の各成分をさらに含有する上記(1)〜(6)のいずれかに記載のガラスセラミックス。
(8)酸化物換算組成の全物質量に対して、モル%で
ZrO2成分 0〜20%、及び/又は
TiO2成分 0〜40%、及び/又は
SnO成分、SnO2成分、及びSnO3成分 合計で0〜10%
の各成分をさらに含有する上記(1)〜(7)のいずれかに記載のガラスセラミックス。
ZrO2成分 0〜20%、及び/又は
TiO2成分 0〜40%、及び/又は
SnO成分、SnO2成分、及びSnO3成分 合計で0〜10%
の各成分をさらに含有する上記(1)〜(7)のいずれかに記載のガラスセラミックス。
(9)酸化物換算組成の全物質量に対して、モル%で
Nb2O5成分 0〜20%、及び/又は
Ta2O5成分 0〜20%、及び/又は
WO3成分 0〜40%、及び/又は
MoO3成分 0〜10%
の各成分をさらに含有する上記(1)〜(8)のいずれかに記載のガラスセラミックス。
Nb2O5成分 0〜20%、及び/又は
Ta2O5成分 0〜20%、及び/又は
WO3成分 0〜40%、及び/又は
MoO3成分 0〜10%
の各成分をさらに含有する上記(1)〜(8)のいずれかに記載のガラスセラミックス。
(10)酸化物換算組成の全物質量に対して、モル%で
Bi2O3成分 0〜20%、及び/又は
TeO2成分 0〜20%、及び/又は
Ln2O3成分(式中、LnはSc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuからなる群より選択される1種以上とする) 合計で0〜20%、及び/又は
MxOy成分(式中、MはV、Cr、Mn、Fe、Co、Niからなる群より選択される1種以上とし、x及びyは、それぞれx:y=2:Mの価数、を満たす最小の自然数とする) 合計で0〜5%、及び/又は
As2O3成分及び/又はSb2O3成分 合計で0〜5%
の各成分をさらに含有する上記(1)〜(9)のいずれかに記載のガラスセラミックス。
Bi2O3成分 0〜20%、及び/又は
TeO2成分 0〜20%、及び/又は
Ln2O3成分(式中、LnはSc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuからなる群より選択される1種以上とする) 合計で0〜20%、及び/又は
MxOy成分(式中、MはV、Cr、Mn、Fe、Co、Niからなる群より選択される1種以上とし、x及びyは、それぞれx:y=2:Mの価数、を満たす最小の自然数とする) 合計で0〜5%、及び/又は
As2O3成分及び/又はSb2O3成分 合計で0〜5%
の各成分をさらに含有する上記(1)〜(9)のいずれかに記載のガラスセラミックス。
(11)F、Cl、Br、S、N、及びCからなる群より選ばれる少なくとも1種以上の成分が、ガラス全質量に対する外割り質量比で20%以下含まれている上記(1)〜(10)のいずれかに記載のガラスセラミックス。
(12)Cu、Ag、Au、Pd、Re及びPtからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属粒子が、ガラス全質量に対する外割り質量比で10%以下含まれている上記(1)〜(11)のいずれかに記載のガラスセラミックス。
(13)前記結晶相が、TiO2、WO3及びこれらの固溶体のうち1種以上から選ばれる結晶を含有する上記(1)〜(12)のいずれかに記載のガラスセラミックス。
(14)紫外領域から可視領域までの波長の光によって触媒活性が発現される上記(1)〜(13)のいずれかに記載のガラスセラミックス。
(15)紫外領域から可視領域までの波長の光を照射した表面と水滴との接触角が30°以下である上記(1)〜(13)のいずれかに記載のガラスセラミックス。
(16)上記(1)〜(15)のいずれかに記載のガラスセラミックスからなるガラスセラミックス成形体。
(17)上記(1)〜(15)のいずれかに記載のガラスセラミックスからなる光触媒。
(18)粉粒体又はファイバー状の形態を有する上記(17)に記載の光触媒。
(19)上記(17)又は(18)に記載の光触媒と、溶媒と、を含有するスラリー状混合物。
(20)上記(17)又は(18)に記載の光触媒を含む光触媒部材。
(21)上記(17)又は(18)に記載の光触媒を含む浄化装置。
(22)上記(17)又は(18)に記載の光触媒を含むフィルタ。
(23)粉砕ガラスを焼結させてなる焼結体であって、
上記焼結体中に、上記(1)〜(15)のいずれかに記載のガラスセラミックスを含むことを特徴とする焼結体。
上記焼結体中に、上記(1)〜(15)のいずれかに記載のガラスセラミックスを含むことを特徴とする焼結体。
(24)得られるガラス体が、酸化物換算組成のモル%で、ZnO成分を10〜70%含有し、さらにSiO2成分、GeO2成分、B2O3成分、及びP2O5成分からなる群より選択される1種以上の成分を、モル%で30〜80%含有するように調製された原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製するガラス化工程と、
前記ガラス体を粉砕して粉砕ガラスを作製する粉砕工程と、
前記粉砕ガラスを所望形状の成形体に成形する成形工程と、
前記成形体を加熱して焼結させるとともに、ガラス中に少なくともZnO結晶及び/又はその固溶体を含む結晶相を生成させて焼結体を作製する焼結工程と、
を含む方法により製造されるものである上記(23)に記載の焼結体。
前記ガラス体を粉砕して粉砕ガラスを作製する粉砕工程と、
前記粉砕ガラスを所望形状の成形体に成形する成形工程と、
前記成形体を加熱して焼結させるとともに、ガラス中に少なくともZnO結晶及び/又はその固溶体を含む結晶相を生成させて焼結体を作製する焼結工程と、
を含む方法により製造されるものである上記(23)に記載の焼結体。
(25)前記方法は、前記粉砕ガラスにZnO結晶及び/又はTiO2結晶及び/又はWO3結晶を混合する工程を、さらに含む上記(24)に記載の焼結体。
(26)基材と、この基材上に設けられたガラスセラミックス層とを有するガラスセラミックス複合体であって、
前記ガラスセラミックス層が、上記(1)〜(15)のいずれかに記載のガラスセラミックスを含むことを特徴とするガラスセラミックス複合体。
前記ガラスセラミックス層が、上記(1)〜(15)のいずれかに記載のガラスセラミックスを含むことを特徴とするガラスセラミックス複合体。
(27)加熱することにより、ガラスから光触媒活性を有する結晶を生成し、上記(1)〜(15)のいずれかに記載のガラスセラミックスとなるガラス。
(28)粉粒状又はファイバー状の形態を有する上記(27)に記載のガラス。
(29)上記(28)に記載のガラスを含有するスラリー状混合物。
(30)上記(1)〜(15)のいずれかに記載のガラスセラミックスの製造方法であって、
原料を混合してその融液を得る溶融工程と、
前記融液を冷却してガラスを得る冷却工程と、
前記ガラスの温度を結晶化温度領域まで上昇させる再加熱工程と、
前記温度を前記結晶化温度領域内で維持して結晶を生じさせる結晶化工程と、
前記温度を前記結晶化温度領域外まで低下させて前記ガラスセラミックスを得る再冷却工程と、
を有するガラスセラミックスの製造方法。
原料を混合してその融液を得る溶融工程と、
前記融液を冷却してガラスを得る冷却工程と、
前記ガラスの温度を結晶化温度領域まで上昇させる再加熱工程と、
前記温度を前記結晶化温度領域内で維持して結晶を生じさせる結晶化工程と、
前記温度を前記結晶化温度領域外まで低下させて前記ガラスセラミックスを得る再冷却工程と、
を有するガラスセラミックスの製造方法。
(31)前記結晶化温度領域は、500℃以上1100℃以下である上記(30)に記載のガラスセラミックスの製造方法。
(32)前記ガラスセラミックスに対してドライエッチング及び/又はウェットエッチングを行うエッチング工程をさらに有する上記(30)又は(31)に記載のガラスセラミックスの製造方法。
本発明のガラスセラミックスは、その内部および表面に光触媒活性を持つ亜鉛成分を含む結晶が均質に存在しているため、優れた光触媒活性を有する。また、仮に表面が削られても性能の低下が少なく、極めて耐久性に優れたものである。また、本発明のガラスセラミックスは、大きさや形状などを加工する場合の自由度が高く、光触媒機能が要求される様々な物品に利用できる。従って、本発明のガラスセラミックスは、光触媒機能性素材として有用である。
また、本発明のガラスセラミックスの製造方法によれば、原料の配合組成と熱処理温度の制御によってガラス中に亜鉛成分を含む結晶を生成させることができるため、特殊な設備を用いることなく、優れた光触媒活性を備え、光触媒機能性素材として有用なガラスセラミックスを工業的規模で容易に製造することができる。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
[ガラスセラミックス]
本発明のガラスセラミックスは、亜鉛成分を含む結晶を含有する。ガラスセラミックスは、ガラスを熱処理することによりガラス相中に結晶相を析出させて得られる材料であり、結晶化ガラスとも呼ばれる。ガラスセラミックスは、ガラス相及び結晶相から成る材料のみならず、ガラス相が全て結晶相に変化した材料、すなわち、材料中の結晶量(結晶化度)が100質量%のものも含んでよい。本発明のガラスセラミックスは、結晶化工程の制御により結晶の粒径、析出結晶の種類、結晶化度をコントロールできる。
[ガラスセラミックス]
本発明のガラスセラミックスは、亜鉛成分を含む結晶を含有する。ガラスセラミックスは、ガラスを熱処理することによりガラス相中に結晶相を析出させて得られる材料であり、結晶化ガラスとも呼ばれる。ガラスセラミックスは、ガラス相及び結晶相から成る材料のみならず、ガラス相が全て結晶相に変化した材料、すなわち、材料中の結晶量(結晶化度)が100質量%のものも含んでよい。本発明のガラスセラミックスは、結晶化工程の制御により結晶の粒径、析出結晶の種類、結晶化度をコントロールできる。
次に、本発明のガラスセラミックスの成分及び物性について説明する。なお、本明細書中において、ガラスセラミックスを構成する各成分の含有量は特に断りがない場合は、全て酸化物換算組成の全物質量に対するモル%で表示されるものとする。ここで、「酸化物換算組成」とは、本発明のガラス構成成分の原料として使用される酸化物、複合塩、金属弗化物等が溶融時に全て分解され酸化物へ変化すると仮定した場合に、当該生成酸化物の総物質量を100モル%として、ガラス中に含有される各成分を表記した組成である。
亜鉛成分は、ガラスセラミックスに光触媒特性をもたらす必須成分である。本発明のガラスセラミックスは、強い光触媒活性を有する亜鉛成分を含む結晶として、例えばZnO結晶、Zn2GeO4結晶、Zn2SiO4結晶、及びこれらの固溶体から選ばれる1種以上の結晶を含むことが好ましい。
本発明のガラスセラミックスは、酸化物換算組成の全物質量に対して、モル%でZnO成分を10〜70%の範囲内で含有することが好ましい。ZnO成分の含有量が10%未満では、十分な光触媒活性が得られない。一方、ZnO成分の含有量が70%を超えると、ガラスの安定性が損なわれる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するZnO成分の含有量は、好ましくは10%、より好ましくは15%、最も好ましくは20%を下限とし、好ましくは70%、より好ましくは65%、最も好ましくは60%を上限とする。ZnO成分は、原料として例えばZnO等を用いてガラスセラミックス中に導入することができる。
SiO2成分は、ガラスの網目構造を構成し、ガラスの安定性と化学的耐久性を高める成分であるとともに、Zn2SiO4結晶の構成成分でもある。しかし、SiO2成分の含有量が80%を超えると、ガラスの溶融性が悪くなる。従って、SiO2成分を単独で添加する場合、酸化物換算組成の全物質量に対するSiO2成分の含有量は、好ましくは30%、より好ましくは35%を下限とし、好ましくは80%、より好ましくは70%、最も好ましくは60%を上限とする。SiO2成分は、原料として例えばSiO2、K2SiF6、Na2SiF6等を用いてガラスセラミックス内に導入することができる。
GeO2成分は、上記のSiO2と相似な働きを有する成分であり、更にZn2GeO4結晶の構成成分でもある。GeO2成分の含有量を70%以下にすることで、高価なGeO2成分の使用が抑えられるため、ガラスセラミックスの材料コストを低減することができる。従って、GeO2成分を単独で添加する場合、酸化物換算組成の全物質量に対するGeO2成分の含有量は、好ましくは30%、より好ましくは35%を下限とし、好ましくは70%、より好ましくは65%、最も好ましくは60%を上限とする。GeO2成分は、原料として例えばGeO2等を用いてガラスセラミックス内に導入することができる。
B2O3成分は、ガラスの網目構造を構成し、ガラスの安定性を高める成分であり、任意に添加できる成分である。しかし、その含有量が80%を超えると、亜鉛成分を含む結晶が析出し難い傾向が強くなる。従って、B2O3成分を単独で添加する場合、酸化物換算組成の全物質量に対するB2O3成分の含有量は、好ましくは30%、より好ましくは35%を下限とし、好ましくは80%、より好ましくは70%、最も好ましくは65%を上限とする。B2O3成分は、原料として例えばH3BO3、Na2B4O7、Na2B4O7・10H2O、BPO4等を用いてガラスセラミックス内に導入することができる。
P2O5成分は、ガラスの網目構造を構成する成分であり、任意に添加できる成分である。本発明のガラスセラミックスを、P2O5成分が網目構造の主成分であるリン酸塩系ガラスにすることにより、より多くの亜鉛成分をガラスに取り込ませることができる。また、P2O5成分を配合することによって、より低い熱処理温度で亜鉛成分を含む結晶を析出させることが可能であるとともに、TiO2成分を含有する場合に光触媒活性の高いアナターゼ型TiO2結晶から光触媒活性の低いルチル型への相転位を低減する効果も期待できる。しかし、P2O5の含有量が80%を超えると亜鉛成分を含む結晶が析出し難くなる。従って、P2O5成分を添加する場合、酸化物換算組成の全物質量に対するP2O5成分の含有量は、好ましくは20%、より好ましくは30%、最も好ましくは35%を下限とし、好ましくは80%、より好ましくは70%、最も好ましくは60%を上限とする。P2O5成分は、原料として例えばAl(PO3)3、Ca(PO3)2、Ba(PO3)2、NaPO3、BPO4、H3PO4等を用いてガラスセラミックス内に導入することができる。
本発明のガラスセラミックスは、SiO2成分、GeO2成分、B2O3成分、及びP2O5成分、から選ばれる少なくとも1種以上の成分を30%以上80%以下の範囲内で含有することが好ましい。特に、SiO2成分、GeO2成分、B2O3成分、及びP2O5成分の合計量を80%以下にすることで、ガラスの溶融性、安定性及び化学耐久性が向上するとともに、熱処理後のガラスセラミックスにひび割れが生じ難くなるので、より高い機械強度のガラスセラミックスが簡単に得られる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対する合計量(SiO2+GeO2+B2O3+P2O5)は、好ましくは80%、より好ましくは70%、最も好ましくは65%を上限とする。なお、これらの成分の合計量が30%未満であると、ガラスが得られにくくなるので、30%以上の添加が好ましく、35%以上がより好ましく、40%以上が最も好ましい。
Li2O成分は、ガラスの溶融性と安定性を向上させる成分であり、任意に添加できる成分である。また、ガラス転移温度を下げて亜鉛成分を含む結晶を生成させやすくするとともに、熱処理温度をより低く抑える成分である。しかし、Li2O成分の含有量が30%を超えると、かえってガラスの安定性が悪くなり、亜鉛成分を含む結晶の析出も困難となる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するLi2O成分の含有量は、好ましくは30%、より好ましくは25%、最も好ましくは20%を上限とする。Li2O成分は、原料として例えばLi2CO3、LiNO3、LiF等を用いてガラスセラミックス内に導入することができる。
Na2O成分は、ガラスの溶融性と安定性を向上させる成分であり、任意に添加できる成分である。また、ガラス転移温度を下げて亜鉛成分を含む結晶を生成させやすくするとともに、熱処理温度をより低く抑える成分である。しかし、Na2O成分の含有量が30%を超えると、かえってガラスの安定性が悪くなり、亜鉛成分を含む結晶の析出も困難となる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するNa2O成分の含有量は、好ましくは30%、より好ましくは25%、最も好ましくは20%を上限とする。Na2O成分は、原料として例えばNa2O、Na2CO3、NaNO3、NaF、Na2S、Na2SiF6等を用いてガラスセラミックス内に導入することができる。
K2O成分は、ガラスの溶融性と安定性を向上させる成分であり、任意に添加できる成分である。また、ガラス転移温度を下げて亜鉛成分を含む結晶を生成させやすくするとともに、熱処理温度をより低く抑える成分である。しかし、K2O成分の含有量が30%を超えると、かえってガラスの安定性が悪くなり、亜鉛成分を含む結晶の析出も困難となる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するK2O成分の含有量は、好ましくは30%、より好ましくは25%、最も好ましくは20%を上限とする。K2O成分は、原料として例えばK2CO3、KNO3、KF、KHF2、K2SiF6等を用いてガラスセラミックス内に導入することができる。
Rb2O成分は、ガラスの溶融性と安定性を向上させる成分であり、任意に添加できる成分である。また、ガラス転移温度を下げて亜鉛成分を含む結晶を生成させやすくするとともに、熱処理温度をより低く抑える成分である。しかし、Rb2O成分の含有量が20%を超えると、かえってガラスの安定性が悪くなり、亜鉛成分を含む結晶の析出も困難となる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するRb2O成分の含有量は、好ましくは20%、より好ましくは10%、最も好ましくは5%を上限とする。Rb2O成分は、原料として例えばRb2CO3、RbNO3等を用いてガラスセラミックス内に導入することができる。
Cs2O成分は、ガラスの溶融性と安定性を向上させる成分であり、任意に添加できる成分である。また、ガラス転移温度を下げて亜鉛成分を含む結晶を生成させやすくするとともに、熱処理温度をより低く抑える成分である。しかし、Cs2O成分の含有量が20%を超えると、かえってガラスの安定性が悪くなり、亜鉛成分を含む結晶の析出も困難となる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するCs2O成分の含有量は、好ましくは20%、より好ましくは10%、最も好ましくは5%を上限とする。Cs2O成分は、原料として例えばCs2CO3、CsNO3等を用いてガラスセラミックス内に導入することができる。
本発明のガラスセラミックスは、Rn2O(式中、RnはLi、Na、K、RbおよびCsからなる群より選択される1種以上)成分から選ばれる少なくとも1種以上の成分を30%以下含有することが好ましい。特に、Rn2O成分の合計量を30%以下にすることで、ガラスの安定性が向上し、亜鉛成分を含む結晶が析出し易くなるため、ガラスセラミックスの触媒活性を確保することができる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対する、Rn2O成分の合計量は、好ましくは30%、より好ましくは25%、最も好ましくは20%を上限とする。
MgO成分は、ガラスの溶融性と安定性を向上させる成分であり、任意に添加できる成分である。また、ガラス転移温度を下げて亜鉛成分を含む結晶を生成させやすくするとともに、熱処理温度をより低く抑える成分である。しかし、MgO成分の含有量が30%を超えると、かえってガラスの安定性が悪くなり、亜鉛成分を含む結晶の析出も困難となる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するMgO成分の含有量は、好ましくは30%、より好ましくは25%、最も好ましくは15%を上限とする。MgO成分は、原料として例えばMgCO3、MgF2等を用いてガラスセラミックス内に導入することができる。
CaO成分は、ガラスの溶融性と安定性を向上させる成分であり、任意に添加できる成分である。また、ガラス転移温度を下げて亜鉛成分を含む結晶を生成させやすくするとともに、熱処理温度をより低く抑える成分である。しかし、CaO成分の含有量が30%を超えると、かえってガラスの安定性が悪くなり、亜鉛成分を含む結晶の析出も困難となる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するCaO成分の含有量は、好ましくは30%、より好ましくは25%、最も好ましくは15%を上限とする。CaO成分は、原料として例えばCaCO3、CaF2等を用いてガラスセラミックス内に導入することができる。
SrO成分は、ガラスの溶融性と安定性を向上させる成分であり、任意に添加できる成分である。また、ガラス転移温度を下げて亜鉛成分を含む結晶を生成させやすくするとともに、熱処理温度をより低く抑える成分である。しかし、SrO成分の含有量が30%を超えると、かえってガラスの安定性が悪くなり、亜鉛成分を含む結晶の析出も困難となる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するSrO成分の含有量は、好ましくは30%、より好ましくは25%、最も好ましくは15%を上限とする。SrO成分は、原料として例えばSr(NO3)2、SrF2等を用いてガラスセラミックス内に導入することができる。
BaO成分は、ガラスの溶融性と安定性を向上させる成分であり、任意に添加できる成分である。また、ガラス転移温度を下げて亜鉛成分を含む結晶を生成させやすくするとともに、熱処理温度をより低く抑える成分である。しかし、BaO成分の含有量が30%を超えると、かえってガラスの安定性が悪くなり亜鉛成分を含む結晶の析出も困難となる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するBaO成分の含有量は、好ましくは30%、より好ましくは25%、最も好ましくは15%を上限とする。BaO成分は、原料として例えばBaCO3、Ba(NO3)2、BaF2等を用いてガラスセラミックス内に導入することができる。
本発明のガラスセラミックスは、RO(式中、RはMg、Ca、SrおよびBaからなる群より選択される1種以上)成分から選ばれる少なくとも1種以上の成分を30%以下含有することが好ましい。特に、RO成分の合計量を30%以下にすることで、ガラスの安定性が向上し、亜鉛成分を含む結晶が析出し易くなるため、ガラスセラミックスの触媒活性を確保することができる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対する、RO成分の合計量は、好ましくは30%、より好ましくは25%、最も好ましくは15%を上限とする。
また、本発明のガラスセラミックスは、RO(式中、RはMg、Ca、SrおよびBaからなる群より選択される1種以上)成分及びRn2O(式中、RnはLi、Na、K、Rb、Csからなる群より選択される1種以上)成分から選ばれる少なくとも1種以上の成分を30%以下含有することが好ましい。特に、RO成分及びRn2O成分の合計量を30%以下にすることで、ガラスの安定性が向上し、ガラス転移温度(Tg)が下がり、ひび割れが生じ難く機械的な強度の高いガラスセラミックスがより容易に得られる。一方で、RO成分及びRn2O成分の合計量が30%より多いと、ガラスの安定性が悪くなり、亜鉛成分を含む結晶の析出も困難となる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対する合計量(RO+Rn2O)は、好ましくは30%、より好ましくは25%、最も好ましくは20%を上限とする。
ここで、本発明のガラスセラミックスは、RO(式中、RはMg、Ca、SrおよびBaからなる群より選択される1種以上)成分及びRn2O(式中、RnはLi、Na、K、Rb、Csからなる群より選択される1種以上)成分から選ばれる成分のうち2種類以上を含有することにより、ガラスの安定性が大幅に向上し、熱処理後のガラスセラミックスの機械強度がより高くなり、亜鉛成分を含む結晶がガラスからより析出し易くなる。従って、本発明のガラスセラミックスは、RO成分及びRn2O成分から選ばれる成分のうち2種類以上を含有することが好ましい。
Al2O3成分は、ガラスの安定性及びガラスセラミックスの化学的耐久性を高め、ガラスからの亜鉛成分を含む結晶の析出を促進する成分であり、任意に添加できる成分である。しかし、その含有量が35%を超えると、溶解温度が著しく上昇し、ガラス化し難くなる。従って、Al2O3成分を添加する場合、酸化物換算組成の全物質量に対するAl2O3成分の含有量は、好ましくは35%、より好ましくは25%、最も好ましくは20%を上限とする。Al2O3成分は、原料として例えばAl2O3、Al(OH)3、AlF3等を用いてガラスセラミックスに導入することができる。
Ga2O3成分は、ガラスの安定性を高め、ガラスからの亜鉛成分を含む結晶の析出を促進し、且つGa3+イオンが亜鉛成分を含む結晶に固溶して光触媒特性の向上に寄与する成分であり、任意に添加できる成分である。しかし、その含有量が35%を超えると、溶解温度が著しく上昇し、ガラス化し難くなる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するGa2O3成分の含有量は、好ましくは35%、より好ましくは25%、最も好ましくは20%を上限とする。Ga2O3成分は、原料として例えばGa2O3、GaF3等を用いてガラスセラミックスに導入することができる。
In2O3成分は、上記のAl2O3及びGa2O3と相似な効果がある成分であり、任意に添加できる成分である。In2O3成分は高価なため、その含有量の上限は10%にすることが好ましく、5%にすることがより好ましく、3%にすることが最も好ましい。In2O3成分は、原料として例えばIn2O3、InF3等を用いてガラスセラミックスに導入することができる。
本発明のガラスセラミックスは、Al2O3成分、Ga2O3成分、及びIn2O3成分から選ばれる少なくとも1種以上の成分を35%以下含有することが好ましい。特に、これらの成分の合計量を35%以下にすることで、亜鉛成分を含む結晶がより析出し易くなるため、ガラスセラミックスの光触媒特性のさらなる向上に寄与することができる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対する合計量(Al2O3+Ga2O3+In2O3)は、好ましくは35%、より好ましくは25%、最も好ましくは20%を上限とする。なお、Al2O3成分、Ga2O3成分、及びIn2O3成分は、いずれも含有しなくとも高い光触媒特性を有するガラスセラミックスを得ることは可能であるが、これらの成分の合計量を0.5%以上にすることで、亜鉛成分を含む結晶の析出がさらに促進されるため、ガラスセラミックスの光触媒特性のさらなる向上に寄与することができる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対する合計量(Al2O3+Ga2O3+In2O3)は、好ましくは0.5%、より好ましくは1%、最も好ましくは3%を下限とする。
ZrO2成分は、ガラスセラミックスの化学的耐久性を高め、亜鉛成分を含む結晶の析出を促進し、且つZr4+イオンが亜鉛成分を含む結晶に固溶して光触媒特性の向上に寄与する成分であり、任意に添加できる成分である。しかし、ZrO2成分の含有量が20%を超えると、ガラス化し難くなる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するZrO2成分の含有量は、好ましくは20%、より好ましくは15%、最も好ましくは10%を上限とする。ZrO2成分は、原料として例えばZrO2、ZrF4等を用いてガラスセラミックスに導入することができる。
TiO2成分は、ガラスを結晶化することにより、TiO2の結晶、又はリンとの化合物の結晶としてガラスから析出し、特に紫外線領域で強い光触媒活性を示す成分であり、任意成分である。必須成分であるZnO結晶等の亜鉛成分を含む結晶と組み合わせてTiO2結晶を含有させることによって、本発明のガラスセラミックスに紫外線から可視光までの幅広い範囲の波長に対する応答性を持つ光触媒活性を付与できる。酸化チタンの結晶型としては、アナターゼ(Anatase)型、ルチル(Rutile)型及びブルッカイト(Brookite)型が知られているが、アナターゼ型およびブルッカイト型が好ましく、特に高い光触媒特性をもつアナターゼ型の酸化チタンを含有することが有利である。また、TiO2成分は、上記P2O5成分と組み合わせて含有させることによって、より低い熱処理温度でTiO2結晶を析出させることが可能になり、光触媒活性の高いアナターゼ型TiO2結晶から光触媒活性の低いルチル型への相転位を低減することができる。また、TiO2成分は亜鉛成分を含む結晶の核形成剤の役割を果たす効果もあるので、亜鉛成分を含む結晶の析出に寄与する。しかし、TiO2成分の含有量が40%を超えると、ガラス化が非常に難しくなる。従って、TiO2成分を添加する場合、酸化物換算組成の全物質量に対するTiO2成分の含有量は、好ましくは40%、より好ましくは30%、最も好ましくは25%を上限とする。TiO2成分は、原料として例えばTiO2等を用いてガラスセラミックス内に導入することができる。
SnO成分、SnO2成分、及びSnO3成分は、亜鉛成分を含む結晶の析出を促進し、且つ亜鉛成分を含む結晶に固溶して光触媒特性の向上に効果がある成分であり、また、光触媒活性を高める作用のある後述のAgやAuやPtイオンと一緒に添加する場合は還元剤の役割を果たし、間接的に光触媒の活性の向上に寄与する成分であり、任意に添加できる成分である。しかし、これらの成分の含有量が10%を超えると、ガラスの安定性が悪くなり、光触媒特性も低下し易くなる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するSnO成分、SnO2成分、及びSnO3成分の含有量は、合計で、好ましくは10%、より好ましくは8%、最も好ましくは5%を上限とする。また、これらの成分を添加する場合は、好ましくは0.01%、より好ましくは0.05%、最も好ましくは0.1%を下限とする。SnO成分、SnO2成分、及びSnO3成分は、原料として例えばSnO、SnO2、SnO3等を用いてガラスセラミックスに導入することができる。
本発明のガラスセラミックスは、ZrO2成分、TiO2成分、SnO成分、SnO2成分、及びSnO3成分から選ばれる少なくとも1種以上の成分を30%以下含有することが好ましい。特に、これらの成分の合計量を30%以下にすることで、ガラスセラミックスの安定性が確保されるため、良好なガラスセラミックスを形成することができる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対する合計量(ZrO2+TiO2+SnO+SnO2+SnO3)は、好ましくは30%、より好ましくは25%、最も好ましくは20%を上限とする。なお、ZrO2成分、TiO2成分、SnO成分、SnO2成分、及びSnO3成分は、いずれも含有しなくとも高い光触媒特性を有するガラスセラミックスを得ることは可能であるが、これらの成分の合計量を0.5%以上にすることで、ガラスセラミックスの光触媒特性をさらに向上させることができる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対する合計量(ZrO2+TiO2+SnO+SnO2+SnO3)は、好ましくは0.5%、より好ましくは1%、最も好ましくは2%を下限とする。
Nb2O5成分は、ガラスの溶融性と安定性を高める成分であり、任意に添加できる成分である。しかし、Nb2O5成分の含有量が20%を超えると、ガラスの安定性が著しく悪くなる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するNb2O5成分の含有量は、好ましくは20%、より好ましくは15%、最も好ましくは10%を上限とする。Nb2O5成分は、原料として例えばNb2O5等を用いてガラスセラミックスに導入することができる。
Ta2O5成分は、ガラスの安定性を高める成分であり、任意に添加できる成分である。しかし、Ta2O5成分の含有量が20%を超えると、ガラスの安定性が著しく悪くなる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するTa2O5成分の含有量は、好ましくは20%、より好ましくは15%、最も好ましくは10%を上限とする。Ta2O5成分は、原料として例えばTa2O5等を用いてガラスセラミックスに導入することができる。
WO3成分は、ガラスの溶融性と安定性を高める成分であり、光触媒特性を向上させる成分であり、任意に添加できる成分である。また、WO3結晶は、強い可視光応答性の光触媒活性を有しており、ガラスセラミックスの光触媒活性を増強させる効果が期待できる。しかし、WO3成分の含有量が40%を超えると、ガラスの安定性が著しく悪くなる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するWO3成分の含有量は、好ましくは40%、より好ましくは35%、最も好ましくは30%を上限とする。WO3成分は、原料として例えばWO3等を用いてガラスセラミックス内に導入することができる。
MoO3成分は、ガラスの溶融性と安定性を高める成分であり、任意に添加できる成分である。しかし、MoO3成分の含有量が10%を超えると、ガラスの安定性が著しく悪くなる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するMoO3成分の含有量は、好ましくは10%、より好ましくは5%、最も好ましくは3%を上限とする。MoO3成分は、原料として例えばMoO3等を用いてガラスセラミックス内に導入することができる。
本発明のガラスセラミックスは、Nb2O5成分、Ta2O5成分、WO3成分、及びMoO3成分から選ばれる少なくとも1種以上の成分を30%以下含有することが好ましい。特に、これらの成分の合計量を30%以下にすることで、ガラスセラミックスの安定性が確保されるため、良好なガラスセラミックスを形成することができる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対する合計量(Nb2O5+Ta2O5+WO3+MoO3)は、好ましくは30%、より好ましくは25%、最も好ましくは20%を上限とする。なお、Nb2O5成分、Ta2O5成分、WO3成分、及びMoO3成分はいずれも含有しなくとも高い光触媒特性を有するガラスセラミックスを得ることは可能であるが、これらの成分の合計量を0.5%以上にすることで、ガラスセラミックスの光触媒特性をさらに向上させることができる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対する合計量(Nb2O5+Ta2O5+WO3+MoO3)は、好ましくは0.5%、より好ましくは1%、最も好ましくは2%を下限とする。
Bi2O3成分は、ガラスの溶融性と安定性を高める成分であり、任意に添加できる成分である。また、ガラス転移温度を下げて亜鉛成分を含む結晶を生成させやすくするとともに、熱処理温度をより低く抑える成分である。しかし、Bi2O3成分の含有量が20%を超えると、ガラスの安定性が悪くなり、亜鉛成分を含む結晶の析出が難しくなる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するBi2O3成分の含有量は、好ましくは20%、より好ましくは15%、最も好ましくは10%を上限とする。Bi2O3成分は、原料として例えばBi2O3等を用いてガラスセラミックスに導入することができる。
TeO2成分は、ガラスの溶融性と安定性を高める成分であり、任意に添加できる成分である。また、ガラス転移温度を下げて亜鉛成分を含む結晶を生成させやすくするとともに、熱処理温度をより低く抑える成分である。しかし、TeO2成分の含有量が20%を超えると、ガラスの安定性が悪くなり、亜鉛成分を含む結晶の析出が難しくなる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するTeO2成分の含有量は、好ましくは20%、より好ましくは15%、最も好ましくは10%を上限とする。TeO2成分は、原料として例えばTeO2等を用いてガラスセラミックスに導入することができる。
Ln2O3成分(式中、LnはSc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuからなる群より選択される1種以上とする)は、ガラスセラミックスの化学的耐久性を高める成分であり、且つ亜鉛成分を含む結晶に固溶し、又はその近傍に存在することで、光触媒特性を向上させる成分であり、任意に添加できる成分である。しかし、Ln2O3成分の含有量の合計が20%を超えると、ガラスの安定性が著しく悪くなる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対する、Ln2O3成分の合計量は、好ましくは20%、より好ましくは10%、最も好ましくは5%を上限とする。Ln2O3成分は、原料として例えばLa2O3、La(NO3)3・XH2O(Xは任意の整数)、Gd2O3、GdF3、Y2O3、YF3、CeO2、CeF3、Nd2O3、Dy2O3、Yb2O3、Lu2O3等を用いてガラスセラミックスに導入することができる。
MxOy成分(式中、MはV、Cr、Mn、Fe、Co、Niからなる群より選択される1種以上とし、x及びyはそれぞれx:y=2:Mの価数、を満たす最小の自然数とする)は、亜鉛成分を含む結晶に固溶するか、又はその近傍に存在することで、光触媒特性の向上に寄与し、且つ一部の波長の可視光を吸収してガラスセラミックスに外観色を付与する成分であり、本発明のガラスセラミックス中の任意成分である。特に、MxOy成分の合計量を5%以下にすることで、ガラスセラミックスの安定性を高め、ガラスセラミックスの外観の色を容易に調節することができる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対する、MxOy成分の合計量は、好ましくは5%、より好ましくは3%、最も好ましくは1%を上限とする。また、これらの成分を添加する場合は、好ましくは0.01%、より好ましくは0.03%、最も好ましくは0.05%を下限とする。
As2O3成分及び/又はSb2O3成分は、ガラスを清澄させ、脱泡させる成分であり、また、光触媒活性を高める作用のある後述のAgやAuやPtイオンと一緒に添加する場合は、還元剤の役割を果たすので、間接的に光触媒活性の向上に寄与する成分であり、任意に添加できる成分である。しかし、これらの成分の含有量が合計で5%を超えると、ガラスの安定性が悪くなり、光触媒特性も低下し易くなる。従って、酸化物換算組成の全物質量に対するAs2O3成分及び/又はSb2O3成分の含有量の合計は、好ましくは5%、より好ましくは3%、最も好ましくは1%を上限とする。As2O3成分及びSb2O3成分は、原料として例えばAs2O3、As2O5、Sb2O3、Sb2O5、Na2H2Sb2O7・5H2O等を用いてガラスセラミックスに導入することができる。
なお、ガラスを清澄させ、脱泡させる成分は、上記のAs2O3成分及びSb2O3成分に限定されるものではなく、例えばCeO2成分やTeO2成分等のような、ガラス製造の分野における公知の清澄剤や脱泡剤、或いはそれらの組み合わせを用いることができる。
本発明のガラスセラミックスには、F成分、Cl成分、Br成分、S成分、N成分、及びC成分からなる群より選ばれる少なくとも1種以上の非金属元素成分が含まれていてもよい。これらの成分は、亜鉛成分を含む結晶に固溶し、又はその近傍に存在することで、光触媒特性を向上させる成分であり、任意に添加できる成分である。しかし、これらの成分の含有量が合計で20%を超えると、ガラスの安定性が著しく悪くなり、光触媒特性も低下し易くなる。従って、良好な特性を確保するために、酸化物換算組成のガラスセラミックス全質量に対する非金属元素成分の含有量の外割り質量比の合計は、好ましくは20%、より好ましくは10%、最も好ましくは5%を上限とする。これらの非金属元素成分は、アルカリ金属又はアルカリ土類金属のフッ化物、塩化物、臭化物、硫化物、窒化物、炭化物等の形でガラスセラミックス中に導入するのが好ましい。なお、本明細書における非金属元素成分の含有量は、ガラスセラミックスを構成するカチオン成分全てが電荷の釣り合うだけの酸素と結合した酸化物でできていると仮定し、それら酸化物でできたガラス全体の質量を100%として、非金属元素成分の質量を質量%で表したもの(酸化物基準の質量に対する外割り質量%)である。非金属元素成分の原料は特に限定されないが、例えば、F成分の原料としてZrF4、AlF3、NaF、CaF2等、Cl成分の原料としてNaCl、AgCl等、Br成分の原料としてNaBr等、S成分の原料としてNaS,Fe2S3,CaS2等、N成分の原料としてAlN3、SiN4等、C成分の原料としてTiC、SiC又はZrC等を用いることで、ガラスセラミックス内に導入することができる。なお、これらの原料は、2種以上を組み合わせて添加してもよいし、単独で添加してもよい。
本発明のガラスセラミックスには、Cu成分、Ag成分、Au成分、Pd成分、Re成分、およびPt成分から選ばれる少なくとも1種の金属元素成分が含まれていてもよい。これらの金属元素成分は、亜鉛成分を含む結晶の近傍に存在することで、光触媒活性を向上させる成分であり、任意に添加できる成分である。しかし、これらの金属元素成分の含有量の合計が10%を超えるとガラスの安定性が著しく悪くなり、光触媒特性がかえって低下し易くなる。従って、酸化物換算組成のガラスセラミックス全質量に対する上記金属元素成分の含有量の外割り質量比合計は、好ましくは10%、より好ましくは5%、最も好ましくは3%を上限とする。これらの金属元素成分は、原料として例えばCuO、Cu2O、Ag2O、AuCl3、PtCl2、PtCl4、H2PtCl6、PdCl2等を用いてガラスセラミックスに導入することができる。なお、本明細書における金属元素成分の含有量は、ガラスセラミックスを構成するカチオン成分全てが電荷の釣り合うだけの酸素と結合した酸化物でできていると仮定し、それら酸化物でできたガラス全体の質量を100%として、金属元素成分の質量を質量%で表したもの(酸化物基準の質量に対する外割り質量%)である。また、これらの成分を添加する場合は、好ましくは0.005%、より好ましくは0.01%、最も好ましくは0.03%を下限とする。
本発明のガラスセラミックスには、上記成分以外の成分をガラスセラミックスの特性を損なわない範囲で必要に応じ、添加することができる。但し、PbO等の鉛化合物、Th、Cd、Tl、Os、Se、Hgの各成分は、近年有害な化学物質として使用を控える傾向にあり、ガラスセラミックスの製造工程のみならず、加工工程、及び製品化後の処分に至るまで環境対策上の措置が必要とされる。従って、環境上の影響を重視する場合には、不可避な混入を除き、これらを実質的に含有しないことが好ましい。これにより、ガラスセラミックスに環境を汚染する物質が実質的に含まれなくなる。そのため、特別な環境対策上の措置を講じなくとも、このガラスセラミックスを製造し、加工し、及び廃棄することができる。
本発明のガラスセラミックスは、結晶相に、TiO2、WO3及びこれらの固溶体のうち1種以上からなる結晶が含まれていても良く、その場合、アナターゼ(Anatase)型又はブルッカイト(Brookite)型のTiO2からなる結晶が含まれていることがより好ましい。これらの結晶が含まれていることにより、ガラスセラミックスが高い光触媒機能を有することができる。その中でも特にアナターゼ型の酸化チタン(TiO2)は、ルチル(Rutile)型に比べても光触媒機能が高いため、ガラスセラミックスにより高い光触媒機能を付与することができる。
本発明のガラスセラミックスは、その組成が酸化物換算組成の全物質量に対するモル%で表されているため直接的に質量%の記載に表せるものではないが、本発明において要求される諸特性を満たす組成物中に存在する各成分の質量%表示による組成は、酸化物換算組成で概ね以下の値をとる。
ZnO成分 10〜60質量%
並びに
SiO2成分 0〜60質量%及び/又は
GeO2成分 0〜60質量%及び/又は
B2O3成分 0〜60質量%及び/又は
P2O5成分 0〜60質量%及び/又は
Li2O成分 0〜25質量%及び/又は
Na2O成分 0〜25質量%及び/又は
K2O成分 0〜30質量%及び/又は
Rb2O成分 0〜10質量%及び/又は
Cs2O成分 0〜10質量%及び/又は
MgO成分 0〜25質量%及び/又は
CaO成分 0〜30質量%及び/又は
SrO成分 0〜30質量%及び/又は
BaO成分 0〜30質量%及び/又は
Al2O3成分 0〜35質量%及び/又は
Ga2O3成分 0〜35質量%及び/又は
In2O3成分 0〜10質量%及び/又は
ZrO2成分 0〜20質量%及び/又は
TiO2成分 0〜30質量%及び/又は
SnO成分、SnO2成分、SnO3成分 0〜10質量%及び/又は
Nb2O5成分 0〜20質量%及び/又は
Ta2O5成分 0〜30質量%及び/又は
WO3成分 0〜50質量%及び/又は
MoO3成分 0〜20質量%及び/又は
Bi2O3成分 0〜30質量%及び/又は
TeO2成分 0〜30質量%及び/又は
Ln2O3成分 合計で0〜30質量%及び/又は
MxOy成分 合計で0〜10質量%及び/又は
As2O3成分及びSb2O3成分 合計で0〜5質量%
さらに、
前記酸化物換算組成のガラスセラミックス全質量100%に対して、
F成分、Cl成分、Br成分、S成分、N成分、及びC成分からなる群より選ばれる少なくとも1種以上の非金属元素成分 0〜20質量%及び/又は
Cu成分、Ag成分、Au成分、Pd成分、Re成分、及びPt成分からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素成分 0〜5質量%
ZnO成分 10〜60質量%
並びに
SiO2成分 0〜60質量%及び/又は
GeO2成分 0〜60質量%及び/又は
B2O3成分 0〜60質量%及び/又は
P2O5成分 0〜60質量%及び/又は
Li2O成分 0〜25質量%及び/又は
Na2O成分 0〜25質量%及び/又は
K2O成分 0〜30質量%及び/又は
Rb2O成分 0〜10質量%及び/又は
Cs2O成分 0〜10質量%及び/又は
MgO成分 0〜25質量%及び/又は
CaO成分 0〜30質量%及び/又は
SrO成分 0〜30質量%及び/又は
BaO成分 0〜30質量%及び/又は
Al2O3成分 0〜35質量%及び/又は
Ga2O3成分 0〜35質量%及び/又は
In2O3成分 0〜10質量%及び/又は
ZrO2成分 0〜20質量%及び/又は
TiO2成分 0〜30質量%及び/又は
SnO成分、SnO2成分、SnO3成分 0〜10質量%及び/又は
Nb2O5成分 0〜20質量%及び/又は
Ta2O5成分 0〜30質量%及び/又は
WO3成分 0〜50質量%及び/又は
MoO3成分 0〜20質量%及び/又は
Bi2O3成分 0〜30質量%及び/又は
TeO2成分 0〜30質量%及び/又は
Ln2O3成分 合計で0〜30質量%及び/又は
MxOy成分 合計で0〜10質量%及び/又は
As2O3成分及びSb2O3成分 合計で0〜5質量%
さらに、
前記酸化物換算組成のガラスセラミックス全質量100%に対して、
F成分、Cl成分、Br成分、S成分、N成分、及びC成分からなる群より選ばれる少なくとも1種以上の非金属元素成分 0〜20質量%及び/又は
Cu成分、Ag成分、Au成分、Pd成分、Re成分、及びPt成分からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素成分 0〜5質量%
また、本発明のガラスセラミックスは、ZnO、Zn2GeO4、ZnSiSO4、及びこれらの固溶体のうち1種以上からなる結晶を含む結晶相をガラス全体積に対する体積比で1.0%以上98.0%以下の範囲内で含んでいることが好ましい。このような結晶相の含有率が1.0%以上であることにより、ガラスセラミックスが良好な光触媒特性を有することができる。一方で、上記結晶相の含有率が98.0%以下であることにより、ガラスセラミックスが良好な機械的な強度を得ることができる。ガラスセラミックスの結晶化率は、体積比で好ましくは1.0%、より好ましくは5.0%、最も好ましくは10.0%を下限とし、好ましくは98.0%、より好ましくは95.0%、最も好ましくは90.0%を上限とする。前記結晶の大きさは、球近似したときの平均径が、5nm〜10μmであることが好ましい。熱処理条件をコントロールすることにより、析出した結晶のサイズを制御することが可能であるが、有効な光触媒特性を引き出すため、結晶のサイズを6nm〜10μmの範囲とすることが好ましく、11nm〜3μmの範囲とすることがより好ましく、21nm〜1μmの範囲とすることが最も好ましい。結晶粒径及びその平均値はXRDの回折ピークの半値幅より、シェラーの式より見積もることができる。回折ピークが弱かったり、重なったりする場合は、走査型電子顕微鏡(SEM)又は透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて測定した結晶粒子面積から、これを円と仮定してその直径を求めて測定できる。顕微鏡を用いて平均値を算出する際には、無作為に100個以上の結晶直径を測定することが好ましい。
本発明のガラスセラミックスは、紫外領域から可視領域までの波長の光によって触媒活性が発現されることが好ましい。ここで、本発明でいう紫外領域の波長の光は、波長が可視光線より短く軟X線よりも長い不可視光線の電磁波のことであり、その波長はおよそ10〜400nmの範囲にある。また、本発明でいう可視領域の波長の光は、電磁波のうち、ヒトの目で見える波長の電磁波のことであり、その波長はおよそ400nm〜700nmの範囲にある。これら紫外領域から可視領域までのいずれかの波長の光、又はそれらが複合した波長の光がガラスセラミックスの表面に照射されたときに触媒活性が発現されることにより、ガラスセラミックスの表面に付着した汚れ物質や細菌等が酸化又は還元反応により分解されるため、ガラスセラミックスを防汚用途や抗菌用途等に用いることができる。
また、本発明のガラスセラミックスは、紫外領域から可視領域までの波長の光を照射した表面と水滴との接触角が30°以下であることが好ましい。これにより、ガラスセラミックスの表面が親水性を呈し、セルフクリーニング作用を有するため、ガラスセラミックスの表面を水で容易に洗浄することができ、汚れによる光触媒特性の低下を抑制することができる。光を照射したガラスセラミックス表面と水滴との接触角は、30°以下が好ましく、25°以下がより好ましい。
[ガラスセラミックスの製造方法]
次に、本発明のガラスセラミックスの製造方法について、具体的工程を例示して説明する。ただし、本発明のガラスセラミックスの製造方法は、以下に示す方法に限定されるものではない。
次に、本発明のガラスセラミックスの製造方法について、具体的工程を例示して説明する。ただし、本発明のガラスセラミックスの製造方法は、以下に示す方法に限定されるものではない。
ガラスセラミックスの製造方法は、原料を混合してその融液を得る溶融工程と、前記融液を冷却してガラスを得る冷却工程と、前記ガラスの温度を結晶化温度領域まで上昇させる再加熱工程と、前記温度を前記結晶化温度領域内で維持して結晶を生じさせる結晶化工程と、前記温度を前記結晶化温度領域外まで低下させて結晶分散ガラスを得る再冷却工程と、を有することができる。
(溶融工程)
溶融工程は、上述の組成を有する原料を混合し、その融液を得る工程である。より具体的には、ガラスセラミックスの各成分が所定の含有量の範囲内になるように原料を調合し、均一に混合して作製した混合物を白金坩堝、石英坩堝又はアルミナ坩堝に投入して電気炉で1200〜1600℃の温度範囲で1〜24時間溶融し、攪拌均質化して融液を作製する。なお、原料の溶融の条件は上記温度範囲に限定されず、原料組成物の組成及び配合量等に応じて、適宜設定することができる。
溶融工程は、上述の組成を有する原料を混合し、その融液を得る工程である。より具体的には、ガラスセラミックスの各成分が所定の含有量の範囲内になるように原料を調合し、均一に混合して作製した混合物を白金坩堝、石英坩堝又はアルミナ坩堝に投入して電気炉で1200〜1600℃の温度範囲で1〜24時間溶融し、攪拌均質化して融液を作製する。なお、原料の溶融の条件は上記温度範囲に限定されず、原料組成物の組成及び配合量等に応じて、適宜設定することができる。
(冷却工程)
冷却工程は、溶融工程で得られた融液を冷却してガラス化することで、ガラスを作製する工程である。具体的には、融液を流出させて適宜冷却することで、ガラス化されたガラス体を形成する。ここで、ガラス化の条件は特に限定されるものではなく、原料の組成及び量等に応じて適宜設定されてよい。また、本工程で得られるガラス体の形状は特に限定されず、板状、粒状等であってよいが、ガラス体を迅速且つ大量に作製できる点では、板状であることが好ましい。
冷却工程は、溶融工程で得られた融液を冷却してガラス化することで、ガラスを作製する工程である。具体的には、融液を流出させて適宜冷却することで、ガラス化されたガラス体を形成する。ここで、ガラス化の条件は特に限定されるものではなく、原料の組成及び量等に応じて適宜設定されてよい。また、本工程で得られるガラス体の形状は特に限定されず、板状、粒状等であってよいが、ガラス体を迅速且つ大量に作製できる点では、板状であることが好ましい。
(再加熱工程)
再加熱工程は、冷却工程で得られたガラスの温度を結晶化温度領域まで上昇させる工程である。この工程では、昇温速度及び温度が結晶の形成や結晶サイズに大きな影響を及ぼすので、これらを精密に制御することが重要である。
再加熱工程は、冷却工程で得られたガラスの温度を結晶化温度領域まで上昇させる工程である。この工程では、昇温速度及び温度が結晶の形成や結晶サイズに大きな影響を及ぼすので、これらを精密に制御することが重要である。
(結晶化工程)
結晶化工程は、結晶化温度領域で所定の時間保持することによりZnO等の結晶を生成させる工程である。この結晶化工程で結晶化温度領域に所定時間保持することにより、ナノからミクロン単位までの所望のサイズを有するZnO等の結晶をガラス体の内部に均一に分散させて形成できる。結晶化温度領域は、例えばガラス転移温度を超える温度領域である。ガラス転移温度はガラス組成ごとに異なるため、ガラス転移温度に応じて結晶化温度を設定することが好ましい。また、結晶化温度領域は、ガラス転移温度より10℃以上高い温度領域とすることが好ましく、20℃以上高くすることがより好ましく、30℃以上高くすることが最も好ましい。好ましい結晶化温度領域の下限は500℃であり、より好ましくは550℃であり、最も好ましくは600℃である。他方、結晶化温度が高くなり過ぎると、目的以外の未知相が析出する傾向が強くなり、光触媒特性が消失し易くなるので、結晶化温度領域の上限は1100℃が好ましく、1000℃がより好ましく、900℃が最も好ましい。この工程では、昇温速度及び温度が結晶のサイズに大きな影響を及ぼすので、組成や熱処理温度に応じて適切に制御することが重要である。また、結晶化のための熱処理時間は、ガラスの組成や熱処理温度などに応じて結晶をある程度まで成長させ、かつ十分な量の結晶を析出させ得る条件で設定する必要がある。熱処理時間は、結晶化温度によって様々な範囲で設定できる。昇温速度を遅くすれば、熱処理温度まで加熱するだけでいい場合もあるが、目安としては高い温度の場合は短く、低い温度の場合は、長く設定することが好ましい。結晶化過程は、1段階の熱処理過程を経ても良く、2段階以上の熱処理過程を経ても良い。
結晶化工程は、結晶化温度領域で所定の時間保持することによりZnO等の結晶を生成させる工程である。この結晶化工程で結晶化温度領域に所定時間保持することにより、ナノからミクロン単位までの所望のサイズを有するZnO等の結晶をガラス体の内部に均一に分散させて形成できる。結晶化温度領域は、例えばガラス転移温度を超える温度領域である。ガラス転移温度はガラス組成ごとに異なるため、ガラス転移温度に応じて結晶化温度を設定することが好ましい。また、結晶化温度領域は、ガラス転移温度より10℃以上高い温度領域とすることが好ましく、20℃以上高くすることがより好ましく、30℃以上高くすることが最も好ましい。好ましい結晶化温度領域の下限は500℃であり、より好ましくは550℃であり、最も好ましくは600℃である。他方、結晶化温度が高くなり過ぎると、目的以外の未知相が析出する傾向が強くなり、光触媒特性が消失し易くなるので、結晶化温度領域の上限は1100℃が好ましく、1000℃がより好ましく、900℃が最も好ましい。この工程では、昇温速度及び温度が結晶のサイズに大きな影響を及ぼすので、組成や熱処理温度に応じて適切に制御することが重要である。また、結晶化のための熱処理時間は、ガラスの組成や熱処理温度などに応じて結晶をある程度まで成長させ、かつ十分な量の結晶を析出させ得る条件で設定する必要がある。熱処理時間は、結晶化温度によって様々な範囲で設定できる。昇温速度を遅くすれば、熱処理温度まで加熱するだけでいい場合もあるが、目安としては高い温度の場合は短く、低い温度の場合は、長く設定することが好ましい。結晶化過程は、1段階の熱処理過程を経ても良く、2段階以上の熱処理過程を経ても良い。
(再冷却工程)
再冷却工程は、結晶化が完了した後、温度を結晶化温度領域外まで低下させてZnO等の結晶を有する結晶分散ガラスを得る工程である。
再冷却工程は、結晶化が完了した後、温度を結晶化温度領域外まで低下させてZnO等の結晶を有する結晶分散ガラスを得る工程である。
(エッチング工程)
結晶が生じた後のガラスセラミックスは、そのままの状態、又は研磨などの機械的な加工を施した状態で高い光触媒特性を奏することが可能であるが、このガラスセラミックスに対してエッチングを行うことにより、結晶相の周りのガラス相が取り除かれ、表面に露出する結晶相の比表面積が大きくなるため、ガラスセラミックスの光触媒特性をより高めることが可能である。また、エッチング工程に用いる溶液やエッチング時間をコントロールすることにより、亜鉛成分を含む結晶相が残る多孔質体を得ることが可能である。ここで、エッチングの方法としては、例えば、ドライエッチング、溶液への浸漬によるウェットエッチング、およびこれらの組み合わせなどの方法が挙げられる。浸漬に使用される酸性もしくはアルカリ性の溶液は、ガラスセラミックスの表面を腐食できれば特に限定されず、例えばフッ素又は塩素を含む酸(フッ化水素酸、塩酸)であってよい。なお、このエッチング工程は、フッ化水素ガス、塩化水素ガス、フッ化水素酸、塩酸等を、ガラスセラミックスの表面に吹き付けることで行ってよい。
結晶が生じた後のガラスセラミックスは、そのままの状態、又は研磨などの機械的な加工を施した状態で高い光触媒特性を奏することが可能であるが、このガラスセラミックスに対してエッチングを行うことにより、結晶相の周りのガラス相が取り除かれ、表面に露出する結晶相の比表面積が大きくなるため、ガラスセラミックスの光触媒特性をより高めることが可能である。また、エッチング工程に用いる溶液やエッチング時間をコントロールすることにより、亜鉛成分を含む結晶相が残る多孔質体を得ることが可能である。ここで、エッチングの方法としては、例えば、ドライエッチング、溶液への浸漬によるウェットエッチング、およびこれらの組み合わせなどの方法が挙げられる。浸漬に使用される酸性もしくはアルカリ性の溶液は、ガラスセラミックスの表面を腐食できれば特に限定されず、例えばフッ素又は塩素を含む酸(フッ化水素酸、塩酸)であってよい。なお、このエッチング工程は、フッ化水素ガス、塩化水素ガス、フッ化水素酸、塩酸等を、ガラスセラミックスの表面に吹き付けることで行ってよい。
上記方法では、必要に応じて成形工程を設けてガラスもしくはガラスセラミックスを任意の形状に加工することができる。
以上のように、本発明のガラスセラミックスは、その内部および表面に光触媒活性を持つ亜鉛成分を含む結晶が均質に析出しているため、優れた光触媒活性を有するとともに、耐久性にも優れている。従って、基材の表面にのみ光触媒層が設けられている従来技術の光触媒機能性部材のように、光触媒層が剥離して光触媒活性が失われる、ということがない。また、仮に表面が削られても内部に存在する亜鉛成分を含む結晶が露出して光触媒活性が維持される。また、本発明のガラスセラミックスは、溶融ガラスの形態から製造できるので、大きさや形状などを加工する場合の自由度が高く、光触媒機能が要求される様々な物品に加工できる。
また、本発明のガラスセラミックスの製造方法によれば、原料の配合組成と熱処理温度の制御によって亜鉛成分を含む結晶を生成させることができるため、光触媒技術における大きな課題であった結晶粒子の微細化に要する手間が不要になり、優れた光触媒活性を有するガラスセラミックスを工業的規模で容易に製造することができる。
[光触媒]
以上のようにして製造されるガラスセラミックスは、そのまま、あるいは任意の形状に加工して光触媒として用いることができる。ここで「光触媒」は、例えば、バルクの状態、粉末状などその形状は問わない。また、光触媒は、紫外線等の光によって有機物を分解する作用と、水に対する接触角を小さくして親水性を付与する作用と、のいずれか片方の活性を有するものであればよいが、両方の活性を有するものであることが好ましい。この光触媒は、例えば光触媒材料、光触媒部材(例えば水の浄化材、空気浄化材など)、親水性材料、親水性部材(例えば窓、ミラー、パネル、タイルなど)等として利用できる。
以上のようにして製造されるガラスセラミックスは、そのまま、あるいは任意の形状に加工して光触媒として用いることができる。ここで「光触媒」は、例えば、バルクの状態、粉末状などその形状は問わない。また、光触媒は、紫外線等の光によって有機物を分解する作用と、水に対する接触角を小さくして親水性を付与する作用と、のいずれか片方の活性を有するものであればよいが、両方の活性を有するものであることが好ましい。この光触媒は、例えば光触媒材料、光触媒部材(例えば水の浄化材、空気浄化材など)、親水性材料、親水性部材(例えば窓、ミラー、パネル、タイルなど)等として利用できる。
[ガラスセラミックス成形体]
以上のようにして製造されるガラスセラミックスは、例えば板状、粉状などの任意の形状に成形することにより、光触媒機能性のガラスセラミックス成形体として様々な機械、装置、器具類等の用途に利用できる。特に、タイル、窓枠、建材等の用途に用いることが好ましい。これにより、ガラスセラミックス成形体の表面に光触媒機能が奏され、ガラスセラミックス成形体の表面に付着した菌類が殺菌されるため、これらの用途に用いたときに表面を衛生的に保つことができる。また、ガラスセラミックス成形体の表面は親水性を持つため、これらの用途に用いたときにガラスセラミックス成形体の表面に付着した汚れを雨滴等で容易に洗い流すことができる。
以上のようにして製造されるガラスセラミックスは、例えば板状、粉状などの任意の形状に成形することにより、光触媒機能性のガラスセラミックス成形体として様々な機械、装置、器具類等の用途に利用できる。特に、タイル、窓枠、建材等の用途に用いることが好ましい。これにより、ガラスセラミックス成形体の表面に光触媒機能が奏され、ガラスセラミックス成形体の表面に付着した菌類が殺菌されるため、これらの用途に用いたときに表面を衛生的に保つことができる。また、ガラスセラミックス成形体の表面は親水性を持つため、これらの用途に用いたときにガラスセラミックス成形体の表面に付着した汚れを雨滴等で容易に洗い流すことができる。
また、本発明のガラスセラミックス成形体は、用途に応じて、種々の形態に加工することができる。特に、例えばガラスビーズやガラス繊維(ガラスファイバー)の形態を採用することにより、ZnO等の結晶の露出面積が増えるため、ガラスセラミックス成形体の光触媒活性をより高めることができる。以下、ガラスセラミックスの代表的な実施形態として、ガラスセラミックスビーズ、ガラスセラミックス繊維、粉粒体、スラリー状混合物、ガラスセラミックス焼結体、ガラスセラミックス複合体等を例に挙げて説明する。
[ガラスセラミックスビーズ]
本発明におけるガラスセラミックスビーズは、亜鉛成分を含む結晶を含有するビーズ状の成形体である。なお、ビーズ状には顆粒状も含む。一般に、工業用のビーズは、耐久性などの利点から、主にガラスを用いて作られており、一般にガラス製の微小球(直径数μmから数mm)をガラスビーズと呼んでいる。代表的な用途として例えば道路の標識板、路面表示ラインに使われる塗料、反射クロス、濾過材、ブラスト研磨材などがある。道路標識塗料、反射クロス等にガラスビーズを混入、分散させると、夜間、車のライト等から出た光がビーズを介して元のところへ反射(再帰反射)し、視認性が高くなる。ガラスビーズのこのような機能は、ジョギング用ウエアー、工事用チョッキ、バイクドライバー用ベスト等にも使用されている。塗料に本発明のガラスセラミックスビーズを混入すると、光触媒機能により、標識板やラインに付着した汚れが分解されるので、常に清潔な状態を維持でき、メンテナンスの手間を大幅に減少できる。さらに、本発明のガラスセラミックスビーズは、組成、析出結晶のサイズ、及び結晶の量を調整することで、再帰反射機能と光触媒機能を同時に持たせることも可能である。なお、より再帰反射性の高いガラスセラミックスビーズを得るためには、該ビーズを構成するガラスマトリックス相及び/又は結晶相の屈折率が1.8〜2.1の範囲内であることが好ましく、特に1.9前後がより好ましい。
本発明におけるガラスセラミックスビーズは、亜鉛成分を含む結晶を含有するビーズ状の成形体である。なお、ビーズ状には顆粒状も含む。一般に、工業用のビーズは、耐久性などの利点から、主にガラスを用いて作られており、一般にガラス製の微小球(直径数μmから数mm)をガラスビーズと呼んでいる。代表的な用途として例えば道路の標識板、路面表示ラインに使われる塗料、反射クロス、濾過材、ブラスト研磨材などがある。道路標識塗料、反射クロス等にガラスビーズを混入、分散させると、夜間、車のライト等から出た光がビーズを介して元のところへ反射(再帰反射)し、視認性が高くなる。ガラスビーズのこのような機能は、ジョギング用ウエアー、工事用チョッキ、バイクドライバー用ベスト等にも使用されている。塗料に本発明のガラスセラミックスビーズを混入すると、光触媒機能により、標識板やラインに付着した汚れが分解されるので、常に清潔な状態を維持でき、メンテナンスの手間を大幅に減少できる。さらに、本発明のガラスセラミックスビーズは、組成、析出結晶のサイズ、及び結晶の量を調整することで、再帰反射機能と光触媒機能を同時に持たせることも可能である。なお、より再帰反射性の高いガラスセラミックスビーズを得るためには、該ビーズを構成するガラスマトリックス相及び/又は結晶相の屈折率が1.8〜2.1の範囲内であることが好ましく、特に1.9前後がより好ましい。
その他の用途として、工業用のガラスビーズは、濾過材として利用されている。ガラスビーズは砂や石等と異なり、すべて球形であるため充填率が高く間隙率も計算できるので、単独又は、他の濾過材と組み合わせて、広く使用されている。本発明のガラスセラミックスビーズは、このようなガラスビーズ本来の機能に加え、光触媒機能を合わせ持つものである。特に、膜やコーティング層などを有さず、単体で光触媒特性を呈するので、剥離による触媒活性劣化がなく、交換やメンテナンスの手間が省け、例えばフィルタ及び浄化装置に好適に用いられる。また、光触媒機能を利用したフィルタ部材及び浄化部材は装置内で光源となる部材に隣接した構成である場合が多いが、ガラスセラミックスのビーズは、装置内の容器などに簡単に納められるので好適に利用できる。
さらに、ガラスビーズは、化学的安定性に優れ、球状であることから、被加工物をあまり傷めないので、ブラスト研磨用材に利用される。ブラストとは、粒材を噴射して被加工面に衝突させることによって、掃除、美装、ピーニングなどを行うことをいう。本発明のガラスセラミックスビーズは当該メリットに加え、光触媒機能を併せ持つので、ブラストと同時に光触媒反応を応用した同時加工が可能である。
本発明のガラスセラミックスビーズの粒径は、その用途に応じて適宜決めることができる。例えば、塗料に配合する場合は、100〜2500μm、好ましくは100〜2000μmの粒径とすることができる。反射クロスに使用する場合は、20〜100μm、好ましくは20〜50μmの粒径とすることができる。濾過材に使用する場合は、30〜8000μm、好ましくは50〜5000μmの粒径とすることができる。
次に、本発明のガラスセラミックスビーズの製造方法について説明する。本発明のガラスセラミックスビーズの製造方法は、原料を混合してその融液を得る溶融工程と、融液又は融液から得られるガラスを用いてビーズ体に成形する成形工程と、ビーズ体の温度を、ガラス転移温度を超える結晶化温度領域に上昇させ、その温度で所定の時間保持し、所望の結晶を析出させる結晶化工程を含むことができる。なお、上記ガラスセラミックスの一般的な製造方法も矛盾しない範囲でこの具体例に適用できるため、それらを適宜援用して重複する記載を省略する。
(溶融工程)
上記ガラスセラミックスの製造方法と同様に実施できる。
上記ガラスセラミックスの製造方法と同様に実施できる。
(成形工程)
その後、溶融工程で得られた融液から微粒状のビーズ体へ成形する。ビーズ体の成形方法には様々なものがあり、適宜選択すれば良いが、一般的に、ガラス融液又はガラス→粉砕→粒度調整→球状化のプロセスを辿って作ることができる。粉砕工程においては、冷却固化したガラスを粉砕したり、融液状のガラスを水に流し入れ水砕したり、さらにボールミルにて粉砕するなどして粒状ガラスを得る。その後篩等を使って粒度を調整し、再加熱して表面張力にて球状に成形したり、黒鉛などの粉末材料と一緒にドラムに入れ、回転させながら物理力で球状に成形する、などの方法がある。又は、粉砕工程を経ることなく溶融ガラスから直接球状化させる方法を取ることもできる。例えば溶融ガラスを空気中に噴射して表面張力にて球状化する、流出ノズルから出る溶融ガラスを回転する刃物のような部材で細かく切り飛ばして球状化する、流体の中に滴下して落下中に球状化させる、などの方法がある。通常、成形後のビーズは再度粒度を調整した後に製品化される。成形温度におけるガラスの粘性や失透し易さなどを考慮し、これらの方法から最適なものを選べば良い。
その後、溶融工程で得られた融液から微粒状のビーズ体へ成形する。ビーズ体の成形方法には様々なものがあり、適宜選択すれば良いが、一般的に、ガラス融液又はガラス→粉砕→粒度調整→球状化のプロセスを辿って作ることができる。粉砕工程においては、冷却固化したガラスを粉砕したり、融液状のガラスを水に流し入れ水砕したり、さらにボールミルにて粉砕するなどして粒状ガラスを得る。その後篩等を使って粒度を調整し、再加熱して表面張力にて球状に成形したり、黒鉛などの粉末材料と一緒にドラムに入れ、回転させながら物理力で球状に成形する、などの方法がある。又は、粉砕工程を経ることなく溶融ガラスから直接球状化させる方法を取ることもできる。例えば溶融ガラスを空気中に噴射して表面張力にて球状化する、流出ノズルから出る溶融ガラスを回転する刃物のような部材で細かく切り飛ばして球状化する、流体の中に滴下して落下中に球状化させる、などの方法がある。通常、成形後のビーズは再度粒度を調整した後に製品化される。成形温度におけるガラスの粘性や失透し易さなどを考慮し、これらの方法から最適なものを選べば良い。
(結晶化工程)
上記プロセスによって得られたビーズ体を、再加熱し、所望の結晶を析出させる結晶化工程を行う。結晶化工程は、上記ガラスセラミックスの製造方法と同様の条件で実施できる。所望の結晶が得られたら結晶化温度領域外まで冷却し結晶が分散したガラスセラミックスビーズを得る。
上記プロセスによって得られたビーズ体を、再加熱し、所望の結晶を析出させる結晶化工程を行う。結晶化工程は、上記ガラスセラミックスの製造方法と同様の条件で実施できる。所望の結晶が得られたら結晶化温度領域外まで冷却し結晶が分散したガラスセラミックスビーズを得る。
結晶化工程を行って結晶が生じた後のガラスセラミックスビーズは、そのままの状態でも高い光触媒特性を奏することが可能であるが、このガラスセラミックスビーズに対してエッチング工程を行うことにより、結晶相の周りのガラス相が取り除かれ、表面に露出する結晶相の比表面積が大きくなるため、ガラスセラミックスビーズの光触媒特性をより高めることが可能である。また、エッチング工程に用いる溶液やエッチング時間をコントロールすることにより、光触媒結晶相のみが残る多孔質体ビーズを得ることが可能である。エッチング工程は、上記ガラスセラミックスの製造方法と同様に実施できる。
[ガラスセラミックス繊維]
本発明のガラスセラミックス繊維は、ガラス繊維の一般的な性質を有する。すなわち、通常の繊維に比べ引っ張り強度・比強度が大きい、弾性率・比弾性率が大きい、寸法安定性が良い、耐熱性が大きい、不燃性である、耐化学性が良いなどの物性上のメリットを有し、これらを活かした様々な用途に利用できる。また、繊維の内部及び表面に光触媒結晶を有するので、前述したメリットに加え光触媒特性を有し、さらに幅広い分野に応用できる繊維構造体を提供できる。ここで繊維構造体とは、繊維が、織物、編制物、積層物、又はそれらの複合体として形成された三次元の構造体をいい、例えば不織布を挙げることができる。
本発明のガラスセラミックス繊維は、ガラス繊維の一般的な性質を有する。すなわち、通常の繊維に比べ引っ張り強度・比強度が大きい、弾性率・比弾性率が大きい、寸法安定性が良い、耐熱性が大きい、不燃性である、耐化学性が良いなどの物性上のメリットを有し、これらを活かした様々な用途に利用できる。また、繊維の内部及び表面に光触媒結晶を有するので、前述したメリットに加え光触媒特性を有し、さらに幅広い分野に応用できる繊維構造体を提供できる。ここで繊維構造体とは、繊維が、織物、編制物、積層物、又はそれらの複合体として形成された三次元の構造体をいい、例えば不織布を挙げることができる。
ガラス繊維の、耐熱性、不燃性を活かした用途としてカーテン、シート、壁貼クロス、防虫網、衣服類、又は断熱材等があるが、本発明のガラスセラミックス繊維を用いると、さらに前記用途における物品に光触媒作用による、消臭機能、汚れ分解機能などを与え、掃除やメンテナンスの手間を大幅に減らすことができる。
また、ガラス繊維はその耐化学性から濾過材として用いられることが多いが、本発明のガラスセラミックス繊維は、単に濾過するだけでなく、光触媒反応によって被処理物中の悪臭物質、汚れ、菌などを分解するので、より積極的な浄化機能を有する浄化装置及びフィルタを提供できる。さらには、光触媒層の剥離・離脱による特性の劣化がほとんど生じないので、これらの製品の長寿命化に貢献する。
次に、本発明のガラスセラミックス繊維の製造方法について説明する。本発明のガラスセラミックス繊維の製造方法は、原料を混合してその融液を得る溶融工程と、融液又は融液から得られるガラスを用いて繊維状に成形する紡糸工程と、該繊維の温度を、ガラス転移温度を超える結晶化温度領域に上昇させ、その温度で所定の時間保持し、所望の結晶を析出させる結晶化工程を含むことができる。なお、上記ガラスセラミックスの一般的な製造方法も矛盾しない範囲でこの具体例に適用できるため、それらを適宜援用して重複する記載を省略する。
(溶融工程)
上記ガラスセラミックスの製造方法と同様に実施できる。
上記ガラスセラミックスの製造方法と同様に実施できる。
(紡糸工程)
次に、溶融工程で得られた融液からガラス繊維へ成形する。繊維体の成形方法は特に限定されず、公知の手法を用いて成形すれば良い。巻き取り機に連続的に巻き取れるタイプの繊維(長繊維)に成形する場合は、公知のDM法(ダイレクトメルト法)又はMM法(マーブルメルト法)で紡糸すれば良く、繊維長数十cm程度の短繊維に成形する場合は、遠心法を用いたり、もしくは前記長繊維をカットしても良い。繊維径は、用途によって適宜選択すれば良い。ただ、細いほど可撓性が高く、風合いの良い織物になるが、紡糸の生産効率が悪くなりコスト高になり、逆に太すぎると紡糸生産性は良くなるが、加工性や取り扱い性が悪くなる。織物などの繊維製品にする場合、繊維径を3〜24μmの範囲にすることが好ましく、浄化装置、フィルタなどの用途に適した積層構造体などにする場合は繊維径を9μm以上にすることが好ましい。その後、用途に応じて綿状にしたり、ロービング、クロスなどの繊維構造体を作ることができる。
次に、溶融工程で得られた融液からガラス繊維へ成形する。繊維体の成形方法は特に限定されず、公知の手法を用いて成形すれば良い。巻き取り機に連続的に巻き取れるタイプの繊維(長繊維)に成形する場合は、公知のDM法(ダイレクトメルト法)又はMM法(マーブルメルト法)で紡糸すれば良く、繊維長数十cm程度の短繊維に成形する場合は、遠心法を用いたり、もしくは前記長繊維をカットしても良い。繊維径は、用途によって適宜選択すれば良い。ただ、細いほど可撓性が高く、風合いの良い織物になるが、紡糸の生産効率が悪くなりコスト高になり、逆に太すぎると紡糸生産性は良くなるが、加工性や取り扱い性が悪くなる。織物などの繊維製品にする場合、繊維径を3〜24μmの範囲にすることが好ましく、浄化装置、フィルタなどの用途に適した積層構造体などにする場合は繊維径を9μm以上にすることが好ましい。その後、用途に応じて綿状にしたり、ロービング、クロスなどの繊維構造体を作ることができる。
(結晶化工程)
次に、上記プロセスによって得られた繊維又は繊維構造体を再加熱し、繊維の中及び表面に所望の結晶を析出させる結晶化工程を行う。結晶化工程は、上記ガラスセラミックスの製造方法と同様の条件で実施できる。所望の結晶が得られたら結晶化温度領域外まで冷却し光触媒結晶が分散したガラスセラミックス繊維又は繊維構造体を得ることができる。
次に、上記プロセスによって得られた繊維又は繊維構造体を再加熱し、繊維の中及び表面に所望の結晶を析出させる結晶化工程を行う。結晶化工程は、上記ガラスセラミックスの製造方法と同様の条件で実施できる。所望の結晶が得られたら結晶化温度領域外まで冷却し光触媒結晶が分散したガラスセラミックス繊維又は繊維構造体を得ることができる。
結晶化工程を行って結晶が生じた後のガラスセラミックス繊維は、そのままの状態でも高い光触媒特性を奏することが可能であるが、このガラスセラミックス繊維に対してエッチング工程を行うことにより、結晶相の周りのガラス相が取り除かれ、表面に露出する結晶相の比表面積が大きくなるため、ガラスセラミックス繊維の光触媒特性をより高めることが可能である。また、エッチング工程に用いる溶液やエッチング時間をコントロールすることにより、光触媒結晶相のみが残る多孔質体繊維を得ることが可能である。エッチング工程は、上記ガラスセラミックスの製造方法と同様に実施できる。
[ガラス粉粒体]
本発明に係るガラス粉粒体は、ガラス内に光触媒特性を有する亜鉛成分を含む結晶相を含有するか、あるいは、加熱されることにより、ガラス内に前記結晶相を生成させ得るものである。この結晶相はガラス粉粒体を構成する非晶質のガラスの内部及び表面に均一に分散して存在し、又は生成する。ガラス粉粒体は、後述するガラスセラミックス焼結体及びガラスセラミックス複合体の製造にも使用できる。
本発明に係るガラス粉粒体は、ガラス内に光触媒特性を有する亜鉛成分を含む結晶相を含有するか、あるいは、加熱されることにより、ガラス内に前記結晶相を生成させ得るものである。この結晶相はガラス粉粒体を構成する非晶質のガラスの内部及び表面に均一に分散して存在し、又は生成する。ガラス粉粒体は、後述するガラスセラミックス焼結体及びガラスセラミックス複合体の製造にも使用できる。
「ガラス粉粒体」が結晶を含む場合は、ガラス粉粒体は光触媒特性を有している。このようなガラス粉粒体は、原料組成物から得られたガラス体を粉砕した後結晶化させるか、あるいは原料組成物から得られたガラス体を熱処理して結晶化させた後に粉砕することにより得られる。本明細書では、このように結晶を含むガラス粉粒体を「ガラスセラミックス粉粒体」と記すことがある。一方、「ガラス粉粒体」が結晶を含まない場合は、ガラス粉粒体は光触媒特性を有しておらず、ガラス粉粒体を加熱することにより、結晶を析出させることができる。本明細書では、このように、熱処理によって光触媒特性を有する結晶を生成させることができるガラス粉粒体を「未結晶化ガラス粉粒体」と記すことがある。単にガラス粉粒体というときは、「ガラスセラミックス粉粒体」と「未結晶化ガラス粉粒体」の両方を含む意味で用いる。
次に、本発明のガラスセラミックス粉粒体と未結晶化ガラス粉粒体の製造方法について、別々に説明する。なお、本発明のガラス粉粒体の製造方法は、以下に説明する工程以外の任意の工程を含むことができる。
(1)ガラスセラミックス粉粒体の製造方法
ガラスセラミックス粉粒体は、特に限定されるものではないが、以下の2通りの方法で製造することができる。
ガラスセラミックス粉粒体は、特に限定されるものではないが、以下の2通りの方法で製造することができる。
製造方法A1:
この製造方法A1は、原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製するガラス化工程と、ガラス体に熱処理を施し、ガラスセラミックスを作製する結晶化工程と、ガラスセラミックスを粉砕してガラスセラミックス粉粒体を作製する粉砕工程と、を有することができる。
この製造方法A1は、原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製するガラス化工程と、ガラス体に熱処理を施し、ガラスセラミックスを作製する結晶化工程と、ガラスセラミックスを粉砕してガラスセラミックス粉粒体を作製する粉砕工程と、を有することができる。
(ガラス化工程)
ガラス化工程では、所定の原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製する。具体的には、白金又は耐火物からなる容器に原料組成物を投入し、原料組成物を高温に加熱することで溶融する。これにより得られる溶融ガラスを流出させ、適宜冷却することで、ガラス化されたガラス体を形成する。ガラス化工程は、上記ガラスセラミックスの製造方法の溶融工程及び冷却工程に準じて行うことができる。
ガラス化工程では、所定の原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製する。具体的には、白金又は耐火物からなる容器に原料組成物を投入し、原料組成物を高温に加熱することで溶融する。これにより得られる溶融ガラスを流出させ、適宜冷却することで、ガラス化されたガラス体を形成する。ガラス化工程は、上記ガラスセラミックスの製造方法の溶融工程及び冷却工程に準じて行うことができる。
(結晶化工程)
結晶化工程では、ガラス体に熱処理を施し、ガラスセラミックスを作製する。結晶化工程により、ガラス体の内部及び表面に亜鉛成分を含む結晶相が析出するため、後で、ガラス粉粒体中に亜鉛成分を含む結晶相を確実に含有させることができる。熱処理の条件(温度、時間)は、ガラス体の組成、必要とされる結晶化の程度等に応じて、適宜設定することができる。結晶化工程は、上記ガラスセラミックスの製造方法と同様の条件で実施できる。
結晶化工程では、ガラス体に熱処理を施し、ガラスセラミックスを作製する。結晶化工程により、ガラス体の内部及び表面に亜鉛成分を含む結晶相が析出するため、後で、ガラス粉粒体中に亜鉛成分を含む結晶相を確実に含有させることができる。熱処理の条件(温度、時間)は、ガラス体の組成、必要とされる結晶化の程度等に応じて、適宜設定することができる。結晶化工程は、上記ガラスセラミックスの製造方法と同様の条件で実施できる。
(粉砕工程)
粉砕工程では、ガラスセラミックスを粉砕してガラスセラミックス粉粒体を作製する。なお、ガラスの粉砕方法は、特に限定されないが、例えばボールミル、ジェットミル等を用いて行うことができる。また、目的とする粒径になるまで、粉砕機の種類を変えながら粉砕工程を行うことも可能である。
粉砕工程では、ガラスセラミックスを粉砕してガラスセラミックス粉粒体を作製する。なお、ガラスの粉砕方法は、特に限定されないが、例えばボールミル、ジェットミル等を用いて行うことができる。また、目的とする粒径になるまで、粉砕機の種類を変えながら粉砕工程を行うことも可能である。
製造方法A2:
製造方法A2は、原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製するガラス化工程と、ガラス体を粉砕して未結晶化ガラス粉粒体を作製する粉砕工程と、未結晶化ガラス粉粒体に熱処理を施し、ガラスセラミックス粉粒体を作製する結晶化工程と、を有することができる。
製造方法A2は、原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製するガラス化工程と、ガラス体を粉砕して未結晶化ガラス粉粒体を作製する粉砕工程と、未結晶化ガラス粉粒体に熱処理を施し、ガラスセラミックス粉粒体を作製する結晶化工程と、を有することができる。
(ガラス化工程)
ガラス化工程は、原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製する。このガラス化工程は、製法方法A1のガラス化工程と同様に上記ガラスセラミックスの製造方法の溶融工程及び冷却工程に準じて行うことができる。
ガラス化工程は、原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製する。このガラス化工程は、製法方法A1のガラス化工程と同様に上記ガラスセラミックスの製造方法の溶融工程及び冷却工程に準じて行うことができる。
(粉砕工程)
粉砕工程では、ガラス体を粉砕して未結晶化ガラス粉粒体を作製する。この粉砕工程は、結晶化されていないガラス体を粉砕して未結晶化ガラス粉粒体を作製することを除き、製法方法A1における粉砕工程と同様に実施できる。
粉砕工程では、ガラス体を粉砕して未結晶化ガラス粉粒体を作製する。この粉砕工程は、結晶化されていないガラス体を粉砕して未結晶化ガラス粉粒体を作製することを除き、製法方法A1における粉砕工程と同様に実施できる。
(結晶化工程)
結晶化工程では、未結晶化ガラス粉粒体に熱処理を施し、ガラスセラミックス粉粒体を作製する。結晶化工程により、ガラスセラミックスの内部及び表面に亜鉛成分を含む結晶相が析出する。この結晶化工程における熱処理の条件(温度、時間)は、ガラス体に代えて未結晶化ガラス粉粒体に熱処理を行う点を除き、製法方法A1における結晶化工程と同様に実施できる。
結晶化工程では、未結晶化ガラス粉粒体に熱処理を施し、ガラスセラミックス粉粒体を作製する。結晶化工程により、ガラスセラミックスの内部及び表面に亜鉛成分を含む結晶相が析出する。この結晶化工程における熱処理の条件(温度、時間)は、ガラス体に代えて未結晶化ガラス粉粒体に熱処理を行う点を除き、製法方法A1における結晶化工程と同様に実施できる。
(2)未結晶化ガラス粉粒体の製造方法
製造方法A3:
未結晶化ガラス粉粒体の製造方法は、特に限定されるものではないが、原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製するガラス化工程と、ガラス体を粉砕して未結晶化ガラス粉粒体を作製する粉砕工程と、を有することができる。つまり、ガラスセラミックス粉粒体の製造方法A2における結晶化工程を除くこと以外は、上記製造方法A2と同様に実施できる。これにより、光触媒特性を有する結晶を含有しないが、後の加熱によって該結晶を生成し得る未結晶化ガラス粉粒体を製造できる。
製造方法A3:
未結晶化ガラス粉粒体の製造方法は、特に限定されるものではないが、原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製するガラス化工程と、ガラス体を粉砕して未結晶化ガラス粉粒体を作製する粉砕工程と、を有することができる。つまり、ガラスセラミックス粉粒体の製造方法A2における結晶化工程を除くこと以外は、上記製造方法A2と同様に実施できる。これにより、光触媒特性を有する結晶を含有しないが、後の加熱によって該結晶を生成し得る未結晶化ガラス粉粒体を製造できる。
なお、未結晶化ガラス粉粒体を加熱して結晶を生成させる際の熱処理の方法は、ガラスセラミックス粉粒体の製造方法で説明した上記結晶化工程と同様に実施できる。ただし、任意の基材に塗布するなどして担持させている場合は、基材の耐熱温度に応じて熱処理温度を調節することが好ましい。
(添加工程)
本発明の製造方法A1〜A3は、ガラス粉粒体に任意の成分を混合することにより、当該成分を増量させる添加工程を含むことができる。この工程は、製造方法A1〜A3において粉砕工程の後に行うことが好ましく、後から熱処理(結晶化工程)を行う製造方法A2において熱処理(結晶化工程)の前に行うことが最も好ましい。添加工程でガラス粉粒体に添加する成分としては、特に制限はないが、ガラス粉粒体の段階で増量させることによって当該成分の機能を増強させ得る成分や、ガラス化が難しくなるために溶融ガラスの原料組成物には少量しか配合できない成分などを混合することが好ましい。なお、本明細書では、本工程でガラス粉粒体に他の成分を混合した後の状態を「粉粒混合物」と総称することがある。添加工程を行った場合は、添加工程以降に行われる各工程において、添加工程を行わない場合の「ガラス粉粒体」を「粉粒混合物」に置き換える以外は同様に実施できる。
本発明の製造方法A1〜A3は、ガラス粉粒体に任意の成分を混合することにより、当該成分を増量させる添加工程を含むことができる。この工程は、製造方法A1〜A3において粉砕工程の後に行うことが好ましく、後から熱処理(結晶化工程)を行う製造方法A2において熱処理(結晶化工程)の前に行うことが最も好ましい。添加工程でガラス粉粒体に添加する成分としては、特に制限はないが、ガラス粉粒体の段階で増量させることによって当該成分の機能を増強させ得る成分や、ガラス化が難しくなるために溶融ガラスの原料組成物には少量しか配合できない成分などを混合することが好ましい。なお、本明細書では、本工程でガラス粉粒体に他の成分を混合した後の状態を「粉粒混合物」と総称することがある。添加工程を行った場合は、添加工程以降に行われる各工程において、添加工程を行わない場合の「ガラス粉粒体」を「粉粒混合物」に置き換える以外は同様に実施できる。
(光触媒結晶の添加)
本発明の製造方法A1〜A3は、ガラス粉粒体に結晶状態のZnO、TiO2、WO3等の光触媒活性を有する結晶(光触媒結晶)を添加して粉粒混合物を作製する添加工程を有してもよい。本発明方法では、光触媒結晶を混合しなくても、ガラス体から亜鉛成分を含む結晶相を生成することができる。しかし、既に結晶状態の光触媒結晶をガラス粉粒体に添加することで、結晶の量を増加させ、光触媒結晶を豊富に含有し、光触媒機能が増強されたガラス粉粒体を製造できる。
本発明の製造方法A1〜A3は、ガラス粉粒体に結晶状態のZnO、TiO2、WO3等の光触媒活性を有する結晶(光触媒結晶)を添加して粉粒混合物を作製する添加工程を有してもよい。本発明方法では、光触媒結晶を混合しなくても、ガラス体から亜鉛成分を含む結晶相を生成することができる。しかし、既に結晶状態の光触媒結晶をガラス粉粒体に添加することで、結晶の量を増加させ、光触媒結晶を豊富に含有し、光触媒機能が増強されたガラス粉粒体を製造できる。
光触媒結晶の混合量は、ガラス体の組成、製造工程における温度等に応じ、所望の量の光触媒の結晶がガラス粉粒体を用いた材料中に存在するよう、適宜設定することができる。ガラス粉粒体の光触媒機能を向上させる観点から、混合する結晶状態の光触媒結晶の量の下限は、粉粒混合物に対する質量比で1.0%であることが好ましく、より好ましくは5.0%、最も好ましくは10.0%である。他方、混合する結晶状態の光触媒結晶の量の上限は、粉粒混合物に対する質量比で95.0%であることが好ましく、より好ましくは80.0%、最も好ましくは60.0%である。なお、複数種類の光触媒結晶を混合する場合は、合計量が上記の上限値及び下限値の範囲内であることが好ましい。
ガラス粉粒体に添加する光触媒結晶の原料粒子サイズは、光触媒活性を高める観点から出来るだけ小さい方がよい。しかし、原料粒子サイズが小さ過ぎると、熱処理の際にガラスと反応し、結晶状態を保つことができずに消失するおそれがある。また、原料粒子が細かすぎると、製造工程における取り扱いが難しくなる問題もある。一方で、原料粒子サイズが大きすぎると、原料粒子の形態で最終製品に残りやすく、所望の光触媒特性を得にくい傾向が強くなる。従って、原料粒子のサイズは11〜500nmの範囲内が好ましく、21〜200nmの範囲内がより好ましく、31〜100nmの範囲内が最も好ましい。
(非金属元素成分の添加)
本発明の製造方法A1〜A3は、N成分、S成分、F成分、Cl成分、Br成分、及びC成分からなる群より選ばれる1種以上を含む添加物を、前述のガラス粉粒体又は粉粒混合物に添加する添加工程を有してもよい。これらの非金属元素成分は、前述したようにガラス体を作製する前のバッチやカレットを作る段階で原料組成物の成分の一部として配合しておくことも可能である。しかし、ガラス体を作製してからこれらの非金属元素成分をガラス粉粒体に混合する方が、導入が容易であるとともに、その機能をより効果的に発揮させることができるため、より高い光触媒特性を持つガラス粉粒体を容易に得ることが可能になる。
本発明の製造方法A1〜A3は、N成分、S成分、F成分、Cl成分、Br成分、及びC成分からなる群より選ばれる1種以上を含む添加物を、前述のガラス粉粒体又は粉粒混合物に添加する添加工程を有してもよい。これらの非金属元素成分は、前述したようにガラス体を作製する前のバッチやカレットを作る段階で原料組成物の成分の一部として配合しておくことも可能である。しかし、ガラス体を作製してからこれらの非金属元素成分をガラス粉粒体に混合する方が、導入が容易であるとともに、その機能をより効果的に発揮させることができるため、より高い光触媒特性を持つガラス粉粒体を容易に得ることが可能になる。
非金属元素成分を添加する場合、その混合量は、ガラス体の組成等に応じ、適宜設定することができる。ガラス粉粒体の光触媒機能を充分に向上させる観点から、非金属成分の合計として、粉砕したガラス体又はその粉粒混合物に対する質量比で好ましくは0.01%以上、より好ましくは0.05%以上、最も好ましくは0.1%以上を添加することが効果的である。他方、過剰に添加すると光触媒特性が低下し易くなることから、混合量の上限は、非金属成分の合計として、粉砕したガラス又はその粉粒混合物に対する質量比で好ましくは20.0%であり、より好ましくは10.0%であり、最も好ましくは5.0%である。
非金属元素成分を添加する場合の原料としては、特に限定されないが、N成分はAlN3、SiN4等、S成分はNaS、Fe2S3、CaS2等、F成分はZrF4、AlF3、NaF、CaF2等、Cl成分はNaCl、AgCl等、Br成分はNaBr等、C成分はTiC、SiC又はZrC等を用いることができる。なお、これらの非金属元素成分の原料は、2種以上を組み合わせて添加してもよいし、単独で添加してもよい。
(金属元素成分の添加)
本発明の製造方法A1〜A3は、Cu、Ag、Au、Pd、Re及びPtからなる群より選ばれる1種以上からなる金属元素成分をガラス粉粒体又は粉粒混合物に添加する添加工程を有してもよい。これらの金属元素成分は、前述したようにガラス体を作製する前のバッチやカレットを作る段階で原料組成物の成分の一部として配合しておくことも可能である。しかし、ガラス体を作製してからこれらの金属元素成分をガラス粉粒体に混合する方が、導入が容易であるとともに、その機能をより効果的に発揮させることができるため、より高い光触媒特性を持つガラス粉粒体を容易に得ることが可能になる。金属元素成分を添加する場合、その混合量は、ガラス体の組成等に応じ、適宜設定することができる。ガラス粉粒体の光触媒機能を充分に向上させる観点から、金属元素成分の合計として、粉砕したガラス体又はその粉粒混合物に対する質量比で好ましくは0.001%以上、より好ましくは0.005%以上、最も好ましくは0.01%以上を添加することが効果的である。他方、過剰に添加すると光触媒特性が低下し易くなることから、混合量の上限は、金属元素成分の合計として、粉砕したガラス又はその粉粒混合物に対する質量比で好ましくは10.0%であり、より好ましくは5.0%であり、最も好ましくは3.0%である。なお、金属元素成分を添加する場合の原料としては、特に限定されないが、例えばCuO、Cu2O、Ag2O、AuCl3、PtCl4、H2PtCl6、PdCl2等を用いることができる。なお、これらの金属元素成分の原料は、2種以上を組み合わせて添加してもよいし、単独で添加してもよい。
本発明の製造方法A1〜A3は、Cu、Ag、Au、Pd、Re及びPtからなる群より選ばれる1種以上からなる金属元素成分をガラス粉粒体又は粉粒混合物に添加する添加工程を有してもよい。これらの金属元素成分は、前述したようにガラス体を作製する前のバッチやカレットを作る段階で原料組成物の成分の一部として配合しておくことも可能である。しかし、ガラス体を作製してからこれらの金属元素成分をガラス粉粒体に混合する方が、導入が容易であるとともに、その機能をより効果的に発揮させることができるため、より高い光触媒特性を持つガラス粉粒体を容易に得ることが可能になる。金属元素成分を添加する場合、その混合量は、ガラス体の組成等に応じ、適宜設定することができる。ガラス粉粒体の光触媒機能を充分に向上させる観点から、金属元素成分の合計として、粉砕したガラス体又はその粉粒混合物に対する質量比で好ましくは0.001%以上、より好ましくは0.005%以上、最も好ましくは0.01%以上を添加することが効果的である。他方、過剰に添加すると光触媒特性が低下し易くなることから、混合量の上限は、金属元素成分の合計として、粉砕したガラス又はその粉粒混合物に対する質量比で好ましくは10.0%であり、より好ましくは5.0%であり、最も好ましくは3.0%である。なお、金属元素成分を添加する場合の原料としては、特に限定されないが、例えばCuO、Cu2O、Ag2O、AuCl3、PtCl4、H2PtCl6、PdCl2等を用いることができる。なお、これらの金属元素成分の原料は、2種以上を組み合わせて添加してもよいし、単独で添加してもよい。
添加物としての金属元素成分の粒子径や形状は、ガラス体の組成、光触媒結晶の量、結晶型等に応じ、適宜設定することができるが、ガラス粉粒体の光触媒機能を最大に発揮するには、金属元素成分の平均粒子径は、できるだけ小さい方がよい。従って、金属元素成分の平均粒子径の上限は、好ましくは5.0μmであり、より好ましくは1.0μmであり、最も好ましくは0.1μmである。
(表面処理工程)
本発明の製造方法A1〜A3は、以上のようにして得られるガラス粉粒体に、エッチング等の表面処理を行う工程(表面処理工程)をさらに有していてもよい。この工程は、特に製造方法A1およびA2により得られるガラスセラミックス粉粒体に対して行うことが好ましい。エッチングは、例えば酸性もしくはアルカリ性の溶液へガラス粉粒体を浸漬することによって実施できる。このようにすれば、ガラス相が溶けてガラス粉粒体の表面を凹凸状態にしたり、多孔質の状態にしたりすることができる。その結果、亜鉛成分を含む結晶相の露出面積が増加するため、より高い光触媒活性を得ることができる。浸漬に使用される酸性もしくはアルカリ性の溶液は、ガラス粉粒体の亜鉛成分を含む結晶相以外のガラス相等を腐蝕することが可能であれば特に限定されず、例えばフッ素又は塩素を含む酸(フッ化水素酸、塩酸など)を用いることができる。
本発明の製造方法A1〜A3は、以上のようにして得られるガラス粉粒体に、エッチング等の表面処理を行う工程(表面処理工程)をさらに有していてもよい。この工程は、特に製造方法A1およびA2により得られるガラスセラミックス粉粒体に対して行うことが好ましい。エッチングは、例えば酸性もしくはアルカリ性の溶液へガラス粉粒体を浸漬することによって実施できる。このようにすれば、ガラス相が溶けてガラス粉粒体の表面を凹凸状態にしたり、多孔質の状態にしたりすることができる。その結果、亜鉛成分を含む結晶相の露出面積が増加するため、より高い光触媒活性を得ることができる。浸漬に使用される酸性もしくはアルカリ性の溶液は、ガラス粉粒体の亜鉛成分を含む結晶相以外のガラス相等を腐蝕することが可能であれば特に限定されず、例えばフッ素又は塩素を含む酸(フッ化水素酸、塩酸など)を用いることができる。
また、エッチングの別の方法として、フッ化水素ガス、塩化水素ガス、フッ化水素酸、塩酸等を、ガラス粉粒体の表面に吹き付けることでエッチングを行ってよい。
[スラリー状混合物]
以上のようにして得られる本発明のガラス粉粒体(ガラスセラミックス粉粒体及び未結晶化ガラス粉粒体)を、任意の溶媒等と混合することによってスラリー状混合物を調製できる。これにより、例えば基材上への塗布等が容易になる。具体的には、ガラス粉粒体に、好ましくは無機もしくは有機バインダー及び/又は溶媒を添加することによりスラリーを調製できる。
以上のようにして得られる本発明のガラス粉粒体(ガラスセラミックス粉粒体及び未結晶化ガラス粉粒体)を、任意の溶媒等と混合することによってスラリー状混合物を調製できる。これにより、例えば基材上への塗布等が容易になる。具体的には、ガラス粉粒体に、好ましくは無機もしくは有機バインダー及び/又は溶媒を添加することによりスラリーを調製できる。
無機バインダーとしては、特に限定されるものではないが、紫外線や可視光線を透過する性質のものが好ましく、例えば、珪酸塩系バインダー、リン酸塩系バインダー、無機コロイド系バインダー、アルミナ、シリカ、ジルコニア等の微粒子等を挙げることができる。
有機バインダーとしては、例えば、プレス成形やラバープレス、押出成形、射出成形用の成形助剤として汎用されている市販のバインダーが使用できる。具体的には、例えば、アクリル樹脂、エチルセルロース、ポリビニルブチラール、メタクリル樹脂、ウレタン樹脂、ブチルメタアクリレート、ビニル系の共重合物等が挙げられる。
溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、イソプロピルアルコール(IPA)、酢酸、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、アセトン、ポリビニルアルコール(PVA)等の公知の溶媒が使用できるが、環境負荷を軽減できる点でアルコール又は水が好ましい。
また、スラリーの均質化を図るために、適量の分散剤を併用してもよい。分散剤としては、特に限定されないが、例えば、トルエン、キシレン、ベンゼン、ヘキサン、シクロヘキサン等の炭化水素類、セロソルブ、カルビトール、テトラヒドロフラン(THF)、ジオキソラン等のエーテル類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸−n−ブチル、酢酸アミル等のエステル類等が挙げられ、これらは単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
本発明のスラリー状混合物には、その用途に応じて、上記成分以外に例えば硬化速度、比重を調節するための添加剤成分等を配合することができる。
本発明のスラリー状混合物におけるガラス粉粒体の含有量は、その用途に応じて適宜設定できる。従って、スラリー状混合物におけるガラス粉粒体の含有量は、特に限定されるものではないが、一例を挙げれば、十分な光触媒特性を発揮させる観点から、好ましくは2質量%、より好ましくは3質量%、最も好ましくは5質量%を下限とし、スラリーとしての流動性と機能性を確保する観点から、好ましくは80質量%、より好ましくは70質量%、最も好ましくは65質量%を上限とすることができる。
本発明のスラリー状混合物は、ガラス粉粒体を溶媒に分散させることによって製造できる。すなわち、本発明のスラリー状混合物の製造方法は、以下の製造方法B1〜B3のいずれかによって行うことができる。なお、本発明のスラリー状混合物の製造方法は、以下に説明する工程以外の任意の工程を含むことができる。
製造方法B1:
製造方法B1は、ガラスセラミックス粉粒体と溶媒とを含有するスラリー状混合物を製造する方法であり、原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製するガラス化工程と、ガラス体に熱処理を施し、ガラスセラミックスを作製する結晶化工程と、ガラスセラミックスを粉砕して前記ガラスセラミックス粉粒体を作製する粉砕工程と、ガラスセラミックス粉粒体を溶媒に分散させる混合工程と、を有することができる。
製造方法B1は、ガラスセラミックス粉粒体と溶媒とを含有するスラリー状混合物を製造する方法であり、原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製するガラス化工程と、ガラス体に熱処理を施し、ガラスセラミックスを作製する結晶化工程と、ガラスセラミックスを粉砕して前記ガラスセラミックス粉粒体を作製する粉砕工程と、ガラスセラミックス粉粒体を溶媒に分散させる混合工程と、を有することができる。
製造方法B2:
製造方法B2は、ガラスセラミックス粉粒体と溶媒とを含有するスラリー状混合物を製造する別の方法であり、原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製するガラス化工程と、ガラス体を粉砕して未結晶化ガラス粉粒体を作製する粉砕工程と、未結晶化ガラス粉粒体に熱処理を施し、ガラスセラミックス粉粒体を作製する結晶化工程と、ガラスセラミックス粉粒体を溶媒に分散させる混合工程と、を有することができる。
製造方法B2は、ガラスセラミックス粉粒体と溶媒とを含有するスラリー状混合物を製造する別の方法であり、原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製するガラス化工程と、ガラス体を粉砕して未結晶化ガラス粉粒体を作製する粉砕工程と、未結晶化ガラス粉粒体に熱処理を施し、ガラスセラミックス粉粒体を作製する結晶化工程と、ガラスセラミックス粉粒体を溶媒に分散させる混合工程と、を有することができる。
製造方法B3:
製造方法B3は、未結晶化ガラス粉粒体と溶媒とを含有するスラリー状混合物を製造する方法であり、原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製するガラス化工程と、ガラス体を粉砕して未結晶化ガラス粉粒体を作製する粉砕工程と、未結晶化ガラス粉粒体を溶媒に分散させる混合工程と、を有することができる。
製造方法B3は、未結晶化ガラス粉粒体と溶媒とを含有するスラリー状混合物を製造する方法であり、原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製するガラス化工程と、ガラス体を粉砕して未結晶化ガラス粉粒体を作製する粉砕工程と、未結晶化ガラス粉粒体を溶媒に分散させる混合工程と、を有することができる。
以上の製造方法B1〜B3では、混合工程以外は、上記製造方法A1〜A3と同様に実施できるので、各工程の詳細は説明を省略する。混合工程は、ガラスセラミックス粉粒体又は未結晶化ガラス粉粒体を上記溶媒に分散させることにより行うことができる。また、上述の添加工程や表面処理工程も含めることができる。
本発明のスラリー状混合物の製造方法B1〜B3は、さらに、ガラス粉粒体の凝集体を除去する工程を有することができる。ガラス粉粒体は、その粒径が小さくなるに従い、表面エネルギーが大きくなって凝集しやすくなる傾向がある。ガラス粉粒体が凝集していると、スラリー状混合物中での均一な分散ができず、所望の光触媒活性が得られないことがある。そのため、ガラス粉粒体の凝集体を除去する工程を設けることが好ましい。凝集体の除去は、例えば、スラリー状混合物を濾過することにより実施できる。スラリー状混合物の濾過は、例えば所定の目開きのメッシュなどの濾過材を用いて行うことができる。
以上の方法で得られる本発明のガラス粉粒体及びこれを含有するスラリー状混合物は、光触媒機能性素材として、例えば塗料、成形/固化が可能な混練物などに配合して使用することができる。
[ガラスセラミックス焼結体]
本発明に係るガラスセラミックス焼結体は、ガラス粉を含む粉状の材料を固化・焼結させたものであって、少なくとも亜鉛成分を含む結晶を含有しており、その結晶相はガラスセラミックス焼結体の内部及び表面に均一に分散している。ガラスセラミックス焼結体の製造方法は、主要な工程として、ガラス化工程、粉砕工程、成形工程、及び焼結工程を有する。各工程の詳細を以下に説明する。
本発明に係るガラスセラミックス焼結体は、ガラス粉を含む粉状の材料を固化・焼結させたものであって、少なくとも亜鉛成分を含む結晶を含有しており、その結晶相はガラスセラミックス焼結体の内部及び表面に均一に分散している。ガラスセラミックス焼結体の製造方法は、主要な工程として、ガラス化工程、粉砕工程、成形工程、及び焼結工程を有する。各工程の詳細を以下に説明する。
(ガラス化工程)
ガラス化工程では、所定の原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製する。具体的には、白金又は耐火物からなる容器に原料組成物を投入し、原料組成物を高温に加熱することで溶融する。これにより得られる溶融ガラスを流出させ、適宜冷却することで、ガラス化されたガラス体を形成する。溶融及びガラス化の条件は、上記ガラスセラミックスの製造方法の溶融工程及び冷却工程に準じて行うことができる。
ガラス化工程では、所定の原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製する。具体的には、白金又は耐火物からなる容器に原料組成物を投入し、原料組成物を高温に加熱することで溶融する。これにより得られる溶融ガラスを流出させ、適宜冷却することで、ガラス化されたガラス体を形成する。溶融及びガラス化の条件は、上記ガラスセラミックスの製造方法の溶融工程及び冷却工程に準じて行うことができる。
(粉砕工程)
粉砕工程では、ガラス体を粉砕して粉砕ガラスを作製する。粉砕ガラスの粒子径や形状は、成形工程で作製される成形体の形状及び寸法の必要とされる精度に応じて適宜設定することができる。例えば、後の工程で任意の基材上に粉砕ガラスを堆積させた後、焼結を行う場合、粉砕ガラスの平均粒子径は数十mmの単位でもよい。一方、ガラスセラミックスを所望の形状に成形したり、他の結晶と複合したりする場合は、粉砕ガラスの平均粒子径が大きすぎると成形が困難になるので、平均粒子径は出来るだけ小さい方が好ましい。そこで、粉砕ガラスの平均粒子径の上限は、好ましくは100μm、より好ましくは50μm、最も好ましくは10μmである。なお、粉砕ガラスの平均粒子径は、例えばレーザー回折散乱法によって測定した時のD50(累積50%径)の値を使用できる。具体的には日機装株式会社の粒度分布測定装置MICROTRAC(MT3300EXII)よって測定した値を用いることができる。
粉砕工程では、ガラス体を粉砕して粉砕ガラスを作製する。粉砕ガラスの粒子径や形状は、成形工程で作製される成形体の形状及び寸法の必要とされる精度に応じて適宜設定することができる。例えば、後の工程で任意の基材上に粉砕ガラスを堆積させた後、焼結を行う場合、粉砕ガラスの平均粒子径は数十mmの単位でもよい。一方、ガラスセラミックスを所望の形状に成形したり、他の結晶と複合したりする場合は、粉砕ガラスの平均粒子径が大きすぎると成形が困難になるので、平均粒子径は出来るだけ小さい方が好ましい。そこで、粉砕ガラスの平均粒子径の上限は、好ましくは100μm、より好ましくは50μm、最も好ましくは10μmである。なお、粉砕ガラスの平均粒子径は、例えばレーザー回折散乱法によって測定した時のD50(累積50%径)の値を使用できる。具体的には日機装株式会社の粒度分布測定装置MICROTRAC(MT3300EXII)よって測定した値を用いることができる。
なお、ガラス体の粉砕方法は、特に限定されないが、例えばボールミル、ジェットミル等を用いて行うことができる。
(添加工程)
粉砕ガラスに任意の成分を混合することにより、当該成分を増量させる添加工程を含むことができる。この工程は、粉砕工程の後、成形工程の前に行うことができる任意の工程である。この添加工程は、上記ガラス粉粒体の製造方法で説明した添加工程に準じて実施できる。
粉砕ガラスに任意の成分を混合することにより、当該成分を増量させる添加工程を含むことができる。この工程は、粉砕工程の後、成形工程の前に行うことができる任意の工程である。この添加工程は、上記ガラス粉粒体の製造方法で説明した添加工程に準じて実施できる。
(成形工程)
成形工程は、粉砕ガラスを所望形状の成形体に成形する工程である。所望の形状にする場合は、破砕ガラスを型に入れて加圧するプレス成形を用いることが好ましい。また、粉砕ガラスを耐火物の上に堆積させて成形することも可能である。この場合、バインダーを用いることもできる。
成形工程は、粉砕ガラスを所望形状の成形体に成形する工程である。所望の形状にする場合は、破砕ガラスを型に入れて加圧するプレス成形を用いることが好ましい。また、粉砕ガラスを耐火物の上に堆積させて成形することも可能である。この場合、バインダーを用いることもできる。
(焼結工程)
焼結工程では、ガラス成形体を加熱して焼結体を作製する。これにより、成形体を構成するガラス体の粒子同士が結合すると同時に亜鉛成分を含む結晶が生成し、ガラスセラミックスが形成される。また、例えば成形体が粉砕ガラスにZnO結晶及び/又はアナターゼ型TiO2結晶等の結晶を添加した混合物から製造される場合は、より多くのZnO結晶及び/又はアナターゼ型TiO2結晶等がガラスセラミックスに生成される。そのため、より高い光触媒活性を得ることができる。
焼結工程では、ガラス成形体を加熱して焼結体を作製する。これにより、成形体を構成するガラス体の粒子同士が結合すると同時に亜鉛成分を含む結晶が生成し、ガラスセラミックスが形成される。また、例えば成形体が粉砕ガラスにZnO結晶及び/又はアナターゼ型TiO2結晶等の結晶を添加した混合物から製造される場合は、より多くのZnO結晶及び/又はアナターゼ型TiO2結晶等がガラスセラミックスに生成される。そのため、より高い光触媒活性を得ることができる。
焼結工程の具体的な手順は特に限定されないが、成形体に予熱を加える工程、成形体を設定温度へと徐々に昇温させる工程、成形体を設定温度に一定時間保持する工程、成形体を室温へと徐々に冷却する工程を含んでいてもよい。
焼結の条件は、成形体を構成するガラス体の組成に応じて適宜設定することができる。焼結工程では、ガラスから結晶を生成させるために、熱処理温度等の条件を、成形体を構成するガラスの結晶化条件に符合させる必要がある。焼結温度が低すぎると所望の結晶を有する焼結体が得られないため、少なくともガラス体のガラス転移温度(Tg)より高い温度での焼結が必要となる。具体的に、焼結温度の下限は、ガラス体のガラス転移温度(Tg)以上であり、好ましくはTg+50℃以上であり、より好ましくはTg+100℃以上であり、最も好ましくはTg+150℃以上である。他方、焼結温度が高すぎると、亜鉛成分を含む結晶の析出が少なくなるとともに、任意成分であるTiO2の結晶がアナターゼ型より活性度の低いルチルへ相転移したり、目的以外の結晶が析出するなどして光触媒活性が大幅に減少する傾向が強くなる。従って、焼結温度の上限は、好ましくはガラス体のTg+600℃以下であり、より好ましくはTg+500℃以下であり、最も好ましくはTg+450℃以下である。
また、成形体が結晶状態のZnO、WO3、TiO2等を含む場合は、ZnO、WO3、TiO2等の結晶の量、結晶サイズ及び結晶型等を考慮して焼結条件を設定する必要がある。
また、焼結時間の下限は、焼結温度に応じて設定する必要があるが、高い温度の場合は短く、低い温度の場合は、長く設定することが好ましい。具体的に、焼結を充分に行うことができる点で、好ましくは3分、より好ましくは20分、最も好ましくは30分を下限とする。一方、焼結時間が24時間を越えると、目的の結晶が大きくなりすぎたり、他の結晶が生成したりして十分な光触媒特性が得られなくなるおそれがある。従って、焼結時間の上限は、好ましくは24時間、より好ましくは19時間、最も好ましくは18時間とする。なお、ここで言う焼結時間とは、焼結工程のうち焼成温度が一定(例えば、上記設定温度)以上に保持されている時間の長さを指す。
焼結工程は、例えばガス炉、マイクロ波炉、電気炉等の中で、空気交換しつつ行うことが好ましい。ただし、この条件に限らず、例えば不活性ガス雰囲気、還元ガス雰囲気、酸化ガス雰囲気等にて行ってもよい。
焼結工程によって形成されるガラスセラミックス焼結体は、結晶相に、ZnO結晶とともに、TiO2、WO3並びにこれらの固溶体のうち1種以上からなる結晶が含まれていてもよく、この場合、アナターゼ(Anatase)型又はブルッカイト(Brookite)型のTiO2からなる結晶が含まれていることがより好ましい。これらの結晶が含まれていることにより、ガラスセラミックス焼結体は高い光触媒機能を有することができる。その中でも特にアナターゼ型のTiO2結晶は、ルチル(Rutile)型に比べても光触媒機能が高いため、ガラスセラミックス焼結体により高い光触媒機能を付与することができる。
[ガラスセラミックス複合体]
本発明において、ガラスセラミックス複合体(以下「複合体」と記すことがある)とは、ガラスを熱処理して結晶を生成させることで得られるガラスセラミックス層と基材とを備えたものであり、このうちガラスセラミックス層は、具体的には非晶質固体及び結晶からなる層である。ガラスセラミックス層は、少なくとも亜鉛成分を含む結晶相を有しており、その結晶相はガラスセラミックスの内部及び表面に均一に分散している。
本発明において、ガラスセラミックス複合体(以下「複合体」と記すことがある)とは、ガラスを熱処理して結晶を生成させることで得られるガラスセラミックス層と基材とを備えたものであり、このうちガラスセラミックス層は、具体的には非晶質固体及び結晶からなる層である。ガラスセラミックス層は、少なくとも亜鉛成分を含む結晶相を有しており、その結晶相はガラスセラミックスの内部及び表面に均一に分散している。
本発明に係るガラスセラミックス複合体の製造方法は、原料組成物から得られた粉砕ガラスを基材上で焼成して、少なくとも亜鉛成分を含む結晶相を含有するガラスセラミックス層を形成する工程(焼成工程)を有する。本発明方法における好ましい態様では、原料組成物を溶融しガラス化することでガラス体を作成するガラス化工程、ガラス体を粉砕して粉砕ガラスを作製する粉砕工程、及び粉砕ガラスを基材上で焼成することによりガラスセラミックス層を形成する焼成工程を含むことができる。
なお、本実施の形態において「粉砕ガラス」とは、原料組成物から得られたガラス体を粉砕することにより得られるものであり、非晶質状態のガラスの粉砕物と、結晶を有するガラスセラミックスの粉砕物と、ガラスの粉砕物中に結晶を析出させたものと、を包含する意味で用いる。すなわち、「粉砕ガラス」は結晶を有する場合と有しない場合がある。粉砕ガラスが結晶を有する場合、ガラス体を熱処理して結晶を析出させた後で粉砕することによって製造してもよいし、ガラス体を粉砕した後に熱処理を行って粉砕ガラス中で結晶を析出させることにより製造してもよい。なお、「粉砕ガラス」が結晶を含まない場合は、粉砕ガラスを基材上に配置した後、焼成温度を制御することで、結晶を析出させることができる。
また、結晶化処理は、例えば、(a)ガラス化工程後・粉砕工程の前、(b)粉砕工程後・焼成工程の前、(c)焼成工程と同時、の各タイミングで実施できる。この中でも、ガラスセラミックス層の焼結が容易でバインダーが不要になることや、プロセスの簡素化によるスループットの向上、省エネルギーなどの観点から、上記(c)の焼成工程と同時に、焼成の中で結晶化処理を行うことが好ましい。しかし、複合体を構成する基材として耐熱性が低いものを使用する場合には、上記(a)ガラス化工程後・粉砕工程の前、又は(b)粉砕工程後・焼成工程の前、のタイミングで結晶化を行うことが好ましい。
以下、各工程の詳細を説明する。
(ガラス化工程)
ガラス化工程では、所定の原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製する。具体的には、白金又は耐火物からなる容器に原料組成物を投入し、原料組成物を高温に加熱することで溶融する。これにより得られる溶融ガラスを流出させ、適宜冷却することで、ガラス化されたガラス体を形成する。溶融及びガラス化の条件は、上記ガラスセラミックスの製造方法の溶融工程及び冷却工程に準じて行うことができる。
(ガラス化工程)
ガラス化工程では、所定の原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製する。具体的には、白金又は耐火物からなる容器に原料組成物を投入し、原料組成物を高温に加熱することで溶融する。これにより得られる溶融ガラスを流出させ、適宜冷却することで、ガラス化されたガラス体を形成する。溶融及びガラス化の条件は、上記ガラスセラミックスの製造方法の溶融工程及び冷却工程に準じて行うことができる。
(粉砕工程)
粉砕工程では、ガラス体を粉砕して粉砕ガラスを作製する。粉砕ガラスを作製することにより、ガラス体が比較的に小粒径化されるため、基材上への適用が容易になる。また、粉砕ガラスとすることで他の成分を混合することが容易になる。粉砕ガラスの粒子径や形状は、基材の種類及び複合体に要される表面特性等に応じて適宜設定することができる。具体的には、粉砕ガラスの平均粒子径が大きすぎると基材上に所望形状のガラスセラミックス層を形成するのが困難になるので、平均粒子径は出来るだけ小さい方が好ましい。そこで、粉砕ガラスの平均粒子径の上限は、好ましくは100μm、より好ましくは50μm、最も好ましくは10μmである。なお、粉砕ガラスの平均粒子径は、例えばレーザー回折散乱法によって測定した時のD50(累積50%径)の値を使用できる。具体的には日機装株式会社の粒度分布測定装置MICROTRAC(MT3300EXII)よって測定した値を用いることができる。
粉砕工程では、ガラス体を粉砕して粉砕ガラスを作製する。粉砕ガラスを作製することにより、ガラス体が比較的に小粒径化されるため、基材上への適用が容易になる。また、粉砕ガラスとすることで他の成分を混合することが容易になる。粉砕ガラスの粒子径や形状は、基材の種類及び複合体に要される表面特性等に応じて適宜設定することができる。具体的には、粉砕ガラスの平均粒子径が大きすぎると基材上に所望形状のガラスセラミックス層を形成するのが困難になるので、平均粒子径は出来るだけ小さい方が好ましい。そこで、粉砕ガラスの平均粒子径の上限は、好ましくは100μm、より好ましくは50μm、最も好ましくは10μmである。なお、粉砕ガラスの平均粒子径は、例えばレーザー回折散乱法によって測定した時のD50(累積50%径)の値を使用できる。具体的には日機装株式会社の粒度分布測定装置MICROTRAC(MT3300EXII)よって測定した値を用いることができる。
なお、ガラス体の粉砕方法は、特に限定されないが、例えばボールミル、ジェットミル等を用いて行うことができる。
(添加工程)
粉砕ガラスに任意の成分を混合することにより、当該成分を増量させる添加工程を含むことができる。この工程は、粉砕工程の後、成形工程の前に行うことができる任意の工程である。この添加工程は、上記ガラスセラミックス粉粒体の製造方法で説明した添加工程に準じて実施できる。
粉砕ガラスに任意の成分を混合することにより、当該成分を増量させる添加工程を含むことができる。この工程は、粉砕工程の後、成形工程の前に行うことができる任意の工程である。この添加工程は、上記ガラスセラミックス粉粒体の製造方法で説明した添加工程に準じて実施できる。
(焼成工程)
焼成工程では、粉砕ガラスを基材上に配置した後に加熱して焼成を行うことで、複合体を作製する。これにより、亜鉛成分を含む結晶相を有するガラスセラミックス層が基材上に形成される。ここで、焼成工程の具体的な手順は特に限定されないが、粉砕ガラスを基材上に配置する工程と、基材上に配置された粉砕ガラスを設定温度へと徐々に昇温させる工程、粉砕ガラスを設定温度に一定時間保持する工程、粉砕ガラスを室温へと徐々に冷却する工程を含んでよい。
焼成工程では、粉砕ガラスを基材上に配置した後に加熱して焼成を行うことで、複合体を作製する。これにより、亜鉛成分を含む結晶相を有するガラスセラミックス層が基材上に形成される。ここで、焼成工程の具体的な手順は特に限定されないが、粉砕ガラスを基材上に配置する工程と、基材上に配置された粉砕ガラスを設定温度へと徐々に昇温させる工程、粉砕ガラスを設定温度に一定時間保持する工程、粉砕ガラスを室温へと徐々に冷却する工程を含んでよい。
(基材上への配置)
まず、粉砕ガラスを基材上に配置する。これにより、より幅広い基材に対して、光触媒特性及び親水性を付与することができる。ここで用いられる基材の材質は特に限定されないが、亜鉛成分を含む結晶と複合化させ易い点で、例えば、ガラス、セラミックス等の無機材料や金属等を用いることが好ましい。
まず、粉砕ガラスを基材上に配置する。これにより、より幅広い基材に対して、光触媒特性及び親水性を付与することができる。ここで用いられる基材の材質は特に限定されないが、亜鉛成分を含む結晶と複合化させ易い点で、例えば、ガラス、セラミックス等の無機材料や金属等を用いることが好ましい。
粉砕ガラスを基材上に配置するには、粉砕ガラスを含有するスラリーを、所定の厚み・寸法で基材上に配置することが好ましい。これにより、光触媒特性を有するガラスセラミックス層を容易に基材上に形成することができる。ここで、最終的に(焼成後に)形成されるガラスセラミックス層の厚さは、複合体の用途に応じて適宜設定できる。ガラスセラミックス層の厚みを広範囲に設定できることも、本発明方法の特長の一つである。ガラスセラミックス層が剥がれないように十分な耐久性を持たせる観点から、その厚みは例えば、500μm以下であることが好ましく、200μm以下であることがより好ましく、100μm以下であることが最も好ましい。スラリーを基材上に配置する方法としては、例えばドクターブレード法やカレンダ法、スピンコートやディップコーティング等の塗布法、インクジェット、バブルジェット(登録商標)、オフセット等の印刷法、ダイコーター法、スプレー法、射出成型法、押し出し成形法、圧延法、プレス成形法、ロール成型法等が挙げられる。
なお、粉砕ガラスを基材上に配置する方法としては、上述のスラリーを用いる方法に限られず、粉砕ガラスの粉末を基材に直接載せてもよい。また、基材上へ配置する粉砕ガラスが熱処理によって既に結晶を含む場合、その結晶化度によっては、有機又は無機バインダー成分と混合して、あるいはバインダー層を基材との間に介在させて配置することもできる。この場合、光触媒作用に対する耐久性の面で、無機バインダーが好ましい。
(焼成工程)
焼成工程における焼成の条件は、粉砕ガラスを構成するガラス体の組成、混合された添加物の種類及び量等に応じ、適宜設定することができる。具体的に、焼成時の雰囲気温度は、基材に配置された粉砕ガラスの状態によって後述する二通りの制御を行うことができる。
焼成工程における焼成の条件は、粉砕ガラスを構成するガラス体の組成、混合された添加物の種類及び量等に応じ、適宜設定することができる。具体的に、焼成時の雰囲気温度は、基材に配置された粉砕ガラスの状態によって後述する二通りの制御を行うことができる。
第1の焼成方法は、基材上に配置された粉砕ガラスに所望の亜鉛成分を含む結晶相が既に生成している場合であり、例えば、ガラス体又は粉砕ガラスに対して結晶化処理が施されている場合が挙げられる。この場合の焼成温度は、基材の耐熱性を考慮しつつ1100℃以下の温度範囲で適宜選択できるが、焼成温度が1100℃を超えると、生成した亜鉛成分を含む結晶相が他の結晶相へと転移し易くなる。従って、焼成温度の上限は、好ましくは1100℃であり、より好ましくは1050℃であり、最も好ましくは1000℃である。
第2の焼成方法は、基材上に配置された粉砕ガラスが未だ結晶化処理されておらず、亜鉛成分を含む結晶相を有していない場合である。この場合は焼成と同時にガラスの結晶化処理を行う必要がある。焼成温度が低すぎると所望の結晶相を有する焼結体が得られないため、少なくともガラス体のガラス転移温度(Tg)より高い温度での焼成が必要となる。具体的に、焼成温度の下限は、ガラス体のガラス転移温度(Tg)であり、好ましくはTg+50℃であり、より好ましくはTg+100℃であり、最も好ましくはTg+150℃である。他方、焼成温度が高くなりすぎると亜鉛成分を含む結晶相が減少し光触媒特性が消失する傾向があるので、焼成温度の上限は、好ましくはガラス体のTg+600℃であり、より好ましくはTg+500℃であり、最も好ましくはTg+450℃である。
また、焼成時間は、ガラスの組成や焼成温度などに応じて設定する必要がある。昇温速度を遅くすれば、熱処理温度まで加熱するだけでいい場合もあるが、目安としては高い温度の場合は短く、低い温度の場合は、長く設定することが好ましい。具体的には、結晶をある程度まで成長させ、かつ十分な量の結晶を析出させ得る点で、好ましくは3分、より好ましくは5分、最も好ましくは10分を下限とする。一方、熱処理時間が24時間を越えると、目的の結晶が大きくなりすぎたり、他の結晶が生成したりして十分な光触媒特性が得られなくなるおそれがある。従って、焼成時間の上限は、好ましくは24時間、より好ましくは19時間、最も好ましくは18時間とする。なお、ここで言う焼成時間とは、焼成工程のうち焼成温度が一定(例えば、上記設定温度)以上に保持されている期間の長さを指す。
[ガラス]
本発明のガラスは、加熱することにより、ガラスから光触媒活性を有する結晶相を生成し、上記ガラスセラミックスとなるものである。つまり、本発明のガラスは、ガラスセラミックスの前駆体として用いることができる。このような未結晶化状態のガラスは、上記に挙げた種々の形態、例えば、ビーズ状、ファイバー状の形態、板状、粉粒状などの形態、基材との複合体、あるいはガラスを含有するスラリー状混合物の形態等をとることができる。
本発明のガラスは、加熱することにより、ガラスから光触媒活性を有する結晶相を生成し、上記ガラスセラミックスとなるものである。つまり、本発明のガラスは、ガラスセラミックスの前駆体として用いることができる。このような未結晶化状態のガラスは、上記に挙げた種々の形態、例えば、ビーズ状、ファイバー状の形態、板状、粉粒状などの形態、基材との複合体、あるいはガラスを含有するスラリー状混合物の形態等をとることができる。
次に、実施例によって本発明をさらに詳しく説明するが、本発明は、以下の実施例に制約されるものではない。
実施例1〜10:
表1に、本発明の実施例1〜10の原料のガラス組成、熱処理(結晶化)条件、およびこれらのガラスに析出した主結晶相の種類を示した。実施例1〜10のガラスセラミックスは、いずれも各成分の原料として各々相当する酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、弗化物、塩化物、メタ燐酸化合物等の通常のガラスに使用される高純度の原料を選定して用いた。これらの原料を、表1に示した各実施例の組成の割合になるように秤量して均一に混合した後、白金坩堝に投入し、ガラス組成の溶融難易度に応じて電気炉で1200℃〜1600℃の温度範囲で1〜24時間溶解し、攪拌均質化して泡切れ等を行った。その後、ガラスの溶液を金型に鋳込み、徐冷してガラスを作製した。得られたガラスについて、表1の各実施例に記載された結晶化温度に加熱し、記載された時間にわたり保持して結晶化を行った。その後、結晶化温度から冷却して目的の結晶相を有するガラスセラミックスを得た。
表1に、本発明の実施例1〜10の原料のガラス組成、熱処理(結晶化)条件、およびこれらのガラスに析出した主結晶相の種類を示した。実施例1〜10のガラスセラミックスは、いずれも各成分の原料として各々相当する酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、弗化物、塩化物、メタ燐酸化合物等の通常のガラスに使用される高純度の原料を選定して用いた。これらの原料を、表1に示した各実施例の組成の割合になるように秤量して均一に混合した後、白金坩堝に投入し、ガラス組成の溶融難易度に応じて電気炉で1200℃〜1600℃の温度範囲で1〜24時間溶解し、攪拌均質化して泡切れ等を行った。その後、ガラスの溶液を金型に鋳込み、徐冷してガラスを作製した。得られたガラスについて、表1の各実施例に記載された結晶化温度に加熱し、記載された時間にわたり保持して結晶化を行った。その後、結晶化温度から冷却して目的の結晶相を有するガラスセラミックスを得た。
ここで、実施例1〜10のガラスセラミックスの析出結晶相の種類は、X線回折装置(フィリップス社製、商品名:X’Pert−MPD)で同定した。
表1に示されるように、実施例1〜10のガラスセラミックスは、光触媒活性の高いZnO結晶、Zn2GeO4結晶、又はZn2SiO4結晶を主結晶相として含有していた。
図1は、実施例1と同様の成分組成で結晶化条件(時間)を変えて結晶化を行ったサンプルについてのX線回折分析(XRD)の結果を示している。結晶化温度は850℃であり、結晶化の熱処理時間は12時間とした。実施例1のXRDパターンでは、入射角2θ=31.8°、36.2°付近のほか「○」で表されるZnO結晶のピークが観察された。従って、実施例1のガラスセラミックスは、優れた光触媒活性を奏することが推察された。
また、実施例1と同様の成分組成で結晶化条件(温度、時間)を変えて得られたガラスセラミックスについて、46質量%のフッ酸で1分間エッチングした後に、JIS R 1703−2:2007に基づくメチレンブルーの分解試験を行った。ここでは、結晶化条件を800℃・12時間又は850℃・12時間とした。メチレンブルーの分解試験の結果は図2に示した。メチレンブルーの分解活性指数は、いずれの結晶化条件においても8.0nmol/L/min以上であり、優れた光触媒活性を有することが確認できた。
また、実施例1で得られた光触媒ガラスの親水性についてθ/2法によりサンプル表面と水滴との接触角を測定することにより評価した。すなわち、紫外線照射前および照射後のガラスの表面にそれぞれ水を滴下し、ガラスの表面から水滴の頂点までの高さhと、水滴の試験片に接している面の半径rと、を協和界面科学社製の接触角計(DM501)を用いて測定し、θ=2tan−1(h/r)の関係式より、水との接触角θを求めた。なお、紫外線照射は、水銀ランプを用い、照度10mW/cm2、照射時間0(照射せず)、60分間、109分、161分、214分で行った。その結果、図3に示すように、130分以上(例えば161分)の紫外線照射によって水との接触角が30°以下となり、210分以上(例えば214分)の紫外線照射によって水との接触角が25°以下となることが確認された。これにより、実施例1のガラスセラミックスは、高い親水性を有することが明らかになった。
以上の実験結果が示すように、ZnO結晶等を含有する実施例1〜10のガラスセラミックスは、優れた光触媒活性を有しており、かつ光触媒結晶が均一にガラスに分散しているため、剥離による光触媒機能の損失がなく、耐久性に優れた光触媒機能性素材として利用できることが確認された。
以上、本発明の実施の形態を例示の目的で詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に制約されることはない。当業者は本発明の思想及び範囲を逸脱することなく多くの改変を成し得、それらも本発明の範囲内に含まれる。
Claims (32)
- 亜鉛成分を含む結晶相を有し、光触媒活性を有するガラスセラミックス。
- 酸化物換算組成の全物質量に対して、モル%でZnO成分を10〜70%含有する請求項1に記載のガラスセラミックス。
- 前記結晶相が、ZnO結晶、Zn2GeO4結晶、Zn2SiO4結晶、及びこれらの固溶体からなる群より選択される1種以上の結晶を含む請求項1又は2に記載のガラスセラミックス。
- 酸化物換算組成の全物質量に対して、モル%で、SiO2成分、GeO2成分、B2O3成分、及びP2O5成分からなる群より選択される1種以上の成分30〜80%を、さらに含有する請求項1から3のいずれかに記載のガラスセラミックス。
- 酸化物換算組成の全物質量に対して、モル%で
Li2O成分 0〜30%、及び/又は
Na2O成分 0〜30%、及び/又は
K2O成分 0〜30%、及び/又は
Rb2O成分 0〜20%、及び/又は
Cs2O成分 0〜20%
の各成分をさらに含有する請求項1から4のいずれかに記載のガラスセラミックス。 - 酸化物換算組成の全物質量に対して、モル%で
MgO成分 0〜30%、及び/又は
CaO成分 0〜30%、及び/又は
SrO成分 0〜30%、及び/又は
BaO成分 0〜30%
の各成分をさらに含有する請求項1から5のいずれかに記載のガラスセラミックス。 - 酸化物換算組成の全物質量に対して、モル%で
Al2O3成分 0〜35%、及び/又は
Ga2O3成分 0〜35%、及び/又は
In2O3成分 0〜10%
の各成分をさらに含有する請求項1から6のいずれかに記載のガラスセラミックス。 - 酸化物換算組成の全物質量に対して、モル%で
ZrO2成分 0〜20%、及び/又は
TiO2成分 0〜40%、及び/又は
SnO成分、SnO2成分、及びSnO3成分 合計で0〜10%
の各成分をさらに含有する請求項1から7のいずれかに記載のガラスセラミックス。 - 酸化物換算組成の全物質量に対して、モル%で
Nb2O5成分 0〜20%、及び/又は
Ta2O5成分 0〜20%、及び/又は
WO3成分 0〜40%、及び/又は
MoO3成分 0〜10%
の各成分をさらに含有する請求項1から8のいずれかに記載のガラスセラミックス。 - 酸化物換算組成の全物質量に対して、モル%で
Bi2O3成分 0〜20%、及び/又は
TeO2成分 0〜20%、及び/又は
Ln2O3成分(式中、LnはSc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuからなる群より選択される1種以上とする) 合計で0〜20%、及び/又は
MxOy成分(式中、MはV、Cr、Mn、Fe、Co、Niからなる群より選択される1種以上とし、x及びyは、それぞれx:y=2:Mの価数、を満たす最小の自然数とする) 合計で0〜5%、及び/又は
As2O3成分及び/又はSb2O3成分 合計で0〜5%
の各成分をさらに含有する請求項1から9のいずれかに記載のガラスセラミックス。 - F、Cl、Br、S、N、及びCからなる群より選ばれる少なくとも1種以上の成分が、ガラス全質量に対する外割り質量比で20%以下含まれている請求項1から10のいずれかに記載のガラスセラミックス。
- Cu、Ag、Au、Pd、Re及びPtからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属粒子が、ガラス全質量に対する外割り質量比で10%以下含まれている請求項1から11のいずれかに記載のガラスセラミックス。
- 前記結晶相が、TiO2、WO3及びこれらの固溶体のうち1種以上から選ばれる結晶を含有する請求項1から12のいずれかに記載のガラスセラミックス。
- 紫外領域から可視領域までの波長の光によって触媒活性が発現される請求項1から13のいずれかに記載のガラスセラミックス。
- 紫外領域から可視領域までの波長の光を照射した表面と水滴との接触角が30°以下である請求項1から13のいずれかに記載のガラスセラミックス。
- 請求項1から15のいずれかに記載のガラスセラミックスからなるガラスセラミックス成形体。
- 請求項1から15のいずれかに記載のガラスセラミックスからなる光触媒。
- 粉粒状又はファイバー状の形態を有する請求項17に記載の光触媒。
- 請求項17又は18に記載の光触媒と、溶媒と、を含有するスラリー状混合物
- 請求項17又は18のいずれかに記載の光触媒を含む光触媒部材。
- 請求項17又は18に記載の光触媒を含む浄化装置。
- 請求項17又は18に記載の光触媒を含むフィルタ。
- 粉砕ガラスを焼結させてなる焼結体であって、
前記焼結体中に、請求項1から15のいずれかに記載のガラスセラミックスを含むことを特徴とする焼結体。 - 得られるガラス体が、酸化物換算組成のモル%で、ZnO成分を10〜70%含有し、さらにSiO2成分、GeO2成分、B2O3成分、及びP2O5成分からなる群より選択される1種以上の成分を、モル%で30〜80%含有するように調製された原料組成物を溶融しガラス化することで、ガラス体を作製するガラス化工程と、
前記ガラス体を粉砕して粉砕ガラスを作製する粉砕工程と、
前記粉砕ガラスを所望形状の成形体に成形する成形工程と、
前記成形体を加熱して焼結させるとともに、ガラス中に少なくともZnO結晶及び/又はその固溶体を含む結晶相を生成させて焼結体を作製する焼結工程と、
を含む方法により製造されるものである請求項23に記載の焼結体。 - 前記方法は、前記粉砕ガラスにZnO結晶及び/又はTiO2結晶及び/又はWO3結晶を混合する工程を、さらに含む請求項24に記載の焼結体。
- 基材と、この基材上に設けられたガラスセラミックス層とを有するガラスセラミックス複合体であって、
前記ガラスセラミックス層が、請求項1から15のいずれかに記載のガラスセラミックスを含むことを特徴とするガラスセラミックス複合体。 - 加熱することにより、ガラスから光触媒活性を有する結晶を生成し、請求項1から15のいずれかに記載のガラスセラミックスとなるガラス。
- 粉粒状、又はファイバー状の形態を有する請求項27に記載のガラス。
- 請求項28に記載のガラスを含有するスラリー状混合物。
- 請求項1から15のいずれかに記載のガラスセラミックスの製造方法であって、
原料を混合してその融液を得る溶融工程と、
前記融液を冷却してガラスを得る冷却工程と、
前記ガラスの温度を結晶化温度領域まで上昇させる再加熱工程と、
前記温度を前記結晶化温度領域内で維持して結晶を生じさせる結晶化工程と、
前記温度を前記結晶化温度領域外まで低下させて前記ガラスセラミックスを得る再冷却工程と、を有するガラスセラミックスの製造方法。 - 前記結晶化温度領域は、500℃以上1100℃以下である請求項30に記載のガラスセラミックスの製造方法。
- 前記ガラスセラミックスに対してドライエッチング及び/又はウェットエッチングを行うエッチング工程をさらに有する請求項30又は31に記載のガラスセラミックスの製造方法。
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