JP3420246B2 - 光触媒半導体コーティング方法 - Google Patents

光触媒半導体コーティング方法

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、基体のコーティングに関し、特に、光触媒
半導体(photocatalytic semicondudtor)により基体を
コーティングする技術に関する。
従来の技術 従来、光触媒半導体、例えば二酸化チタンにより基体
をコーティングする際には、種々のゾル−ゲルプロセス
が用いられている。例えば、二酸化チタン(TiO2)疎水
性ゾルの製造においては、チタンアルコキシドを水溶液
系内において加水分解し、得られたTiO2沈殿物を、超音
波の下80℃において適切な量の酸によって解謬してい
る。
解謬が複雑であること、及び、最終生成物の平均粒径
サイズがブレークダウンと凝集との相対比に依存するの
で、溶液のpH、イオン強度、パーティクル濃度、及び温
度には非常に注意を要する。一旦解謬した後に、ゾルか
ら水を蒸発させることで、ゾルをゲルにかえる。
得られたゲルは、加熱され、TiO2の結晶が得られる。
物理吸着された水及び有機溶媒の分離は、100℃で開始
され、ニトレートリガンド即ち硝酸塩配位子及び結合さ
れた有機物の燃焼は、200〜350℃で生じ、TiO2の結晶化
は350〜450℃で生じ、アナタース形からルチル形への転
換は450〜600℃で生じる(ゾルゲル処理により制御され
たTiO2メンブレンの物理−化学特性を参照:phycal−che
mical Propoeties of TiO2 Membrens Controlled by So
l−Gel Processing,Qunyin Xu and Mark Anderson,Publ
ished in Multicomponent Ultrafine Microstructure,M
at. Res. Soc.Symp.Proc.Vol.132,pp.41−46(198
9))。
しかし、ゾル−ゲルプロセスによれば、TiO2がコーテ
ィング処理の間溶液のままとなる安定な溶液が得られる
が、これらのプロセスは、通常時間がかかり、エネルギ
ー要求量が多く、面倒なものとなっている。
基体のコーティングにおいて他に用いられているプロ
セスとしては、光触媒半導体を用いた、TiO2と水のスラ
リーを音波破砕して懸濁液を得て、この懸濁液で基体を
コーティングし、更にコーティングされた懸濁液を真空
にさらし、加熱することで乾燥させる手法が知られてい
る。この手法では、熱を用いることから、コーティング
の接着力が弱くなるという難点がある。このため、基体
をTiO2でコーティングする簡素な手法が求められてい
る。
発明の概要 本発明は、光触媒半導体によって基体をコーティング
する簡素な技術を提供する。本発明においては、光触媒
半導体を水と混合し、得られた混合物のpHを約4以下に
低下させ、この混合物を音波処理して基体をコーティン
グし、コーティングされた基体にUV照射処理を行ってい
る。
本発明の特徴及び利点は、以下の記載及び図面を通じ
て一層明らかとされる。
図面の簡単な説明 図面は、ホルムアルデヒドから二酸化炭素と水への規
格化された酸化レートを、コーティング厚に対する関数
として示したグラフである。
好適実施形態の詳細な説明 以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説
明する。
本発明は、光触媒半導体により基体をコーティングす
る簡素で独特の方法を提供する。この方法は、実質的に
室温下(15〜30℃)におけるコーティングプロセスであ
り、光触媒半導体を水と混合し、得られた混合物を酸化
し、酸化された混合物を音波処理し、音波処理された混
合物によって基体をコーティングし、更に、コーティン
グされた基体にUV(紫外線)照射処理を行う。
その後、光触媒半導体を十分な量の水、好ましくは脱
イオン水に分散させて、混合物を形成するとともに光触
媒半導体粒子の凝集を抑える。通常、この混合物は、水
約1部に対して、光触媒半導体粉体を約4部有する。コ
ーティングを行う際、コーティングを薄くするには、水
の量を多くすることが好ましい。
光触媒半導体は、そのバンドギャップ内の光線によっ
て活性化され、水分子を乖離させて、有機汚染物質を酸
化するヒドロキシラジカルを形成する。このような光触
媒半導体としては、金属酸化物、例えば、二酸化錫(Sn
O2)、二酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、三酸
化タングステン(WO3)、酸化鉛(PbO)、三酸化鉄チタ
ン(FeTiO3)、五酸化二バナジウム(V2O5)、三酸化二
鉄(Fe2O3)や、その他の物質、たとえば硫化カドミウ
ム(CdS)等が挙げられる。
好ましくは、光触媒半導体は、可視光線に近い光吸収
帯を有し、空気中の化合物、例えば有機汚染物質により
容易に被毒されることはなく、かつ、それ自体は容易に
酸化あるいは気化しないものを用いる。このような光触
媒半導体としては、TiO2が挙げられる。TiO2は、高価で
はなく、安定で、環境に与える影響が少なく、被毒に対
して耐性を有し、約400ナノメータ(nm)以下の波長の
紫外線によって容易に活性化される。
TiO2は、その活性形態である、実質的に純粋なアナタ
ース形結晶相二酸化チタンとすることができ、好ましく
は、アナタース形とルチル形TiO2の混合物とする。アナ
タース形を約60(wt%)以上として残りをルチル形とす
ると、純粋なアナタース形TiO2により形成されるコーテ
ィングよりも活性が高くなることが見いだされた。その
結果、本発明においては、アナタース形TiO2を約60〜約
90(wt%)として残部をルチル形とすることが好まし
く、特に好ましくは、アナタース形を約70〜約80(wt
%)として残部をルチル形とする。
光触媒半導体の好適な粒径は、実質的にその表面積及
び所望のコーティング厚に依存する。即ち、粒径サイズ
が大きくなると、最小コーティング厚も厚くなる。粒体
は、所望のコーティング厚みを維持しながら、できるだ
け粒体の表面積を大きくすべきである。コーティングの
厚みは、用途によっては約100ミクロン(μ)を超える
こともあるが、通常は約10.0ミクロン程度であり、好ま
しくは約5.0ミクロンであり、ガスストリーム中の有機
パーティクルの酸化のためには、約0.5〜約4.0ミクロン
が特に好ましい。ガスストリーム内におけるホルムアル
デヒドの二酸化炭素と水とへの分解における、厚さ約1.
0ミクロン〜約3.0ミクロンでの酸化パフォーマンスを図
1に示す。
混合物が形成された後に、この混合物を酸性化して、
光触媒半導体粒子の凝集を防ぎ、光触媒半導体の実質均
一懸濁時間をのばす。酸性化することで、粒子のチャー
ジング即ち粒子への荷電が促進され、従って光触媒半導
体粒子が集まる傾向が抑制されると考えられる。好まし
くは、混合物のpHは、約4以下に下げられ、好ましくは
約3以下、特に好ましくはpHを約2以下とする。
使用できる酸は、光触媒半導体に悪影響を与えず、か
つ容易にコーティングから除去できるものであればよ
く、例えば、ギ酸、塩化水素、硝酸、酢酸、その他が用
いられる。塩化水素は、光触媒半導体と反応せず、か
つ、100℃以下において揮発するという特性から容易に
コーティングから除去できるので、特に好ましい。
上記のような酸の使用による混合物のコーティング特
性向上に加えて、少量の界面活性剤、例えば、イソプロ
ピルアルコール、エタノールその他のアルコールや、比
較的揮発性を有する有機物、例えばアセトンその他を用
いることで、混合物の表面張力を小さくすることが可能
である。これにより、基体の表面に塗布した際の湿潤性
を高めることができる。通常、混合物とアルコールとの
比は、約100:1〜約10:1とし、好ましくは約60:1〜約40:
1とする。
酸とアルコールとが混合物に添加された後に、音波処
理を行うことで、基体のコーティングに用いられる、実
質的に均質な混合物が得られる。音波処理は、従来の手
法を用いてよく、例えば、液相内の光触媒半導体粉体を
混合、切断(dismember)及び分解(distribute)する
ために音響エネルギーを用いたソニケータユニット(so
nicator unit)や、音波ディスメンブレータ(dismembr
ator)や、その他のデバイスを用いることが可能であ
る。基体は、光触媒半導体が接着するのであれば、どの
メディアを用いてもよい。例えば、プラスチック、セラ
ミック、ガラス、金属、その他種々の形態や形状のもの
を用いることができ、例えばプレート、ファイバー、ビ
ード、ロッド等を用いることができる。この際、光触媒
半導体空気及び水の純粋化プロセスに用いるにあたって
は、UV透過性材を用いることが好ましい。
音波処理された混合物による基体のコーティングは、
実質的に基体を平坦にコーティングできるものであれ
ば、どの手法を用いてもよい。例えば、ディッピング即
ち浸漬、ブラッシング、スプレー処理、フローコーティ
ング等の方法が挙げられる。
音波処理された混合物での基体のコーティングを終え
た後に、コーティングを乾燥させる。乾燥処理は、コー
ティングに対してUV処理を行うか、UV処理と高温又は低
温ガス(通常は室温空気)の吹き付け処理とを行うこと
でなされる。UV処理を行うことで、乾燥処理を分離して
行う必要なくして、ファイバの乾燥及び硬化を行うこと
ができる。UV処理を行うことで、表面へのコーティング
の接着力が向上することが見いだされた。
試験例 以下の試験例によって、1μのTiO2によるグラスファ
イバ(外径0.5mm、長さ30cm)のコーティングを行っ
た。
1.デガッサ社製(Degussa Corporation:Ridgefield Par
k,New Jersey)のP25 TiO2を、1リットルの脱イオン水
と混合した。
2.塩酸を10滴垂らして、混合物のpHを約2とした。
3.所望のpHが得られた後に、混合物をフィッシャーの音
波ディスメンブレータ(Fisher sonic dismembrator)
を用いて15分間音波処理した。
4.音波処理された混合物にファイバを浸漬し、この際、
最初の浸漬の後に30秒の間隔をおいて二回目の浸漬を行
い、過剰なコーティングを除去した。
5.クールエアドライヤによって、コーティングされたフ
ァイバをある程度乾燥させ、これにより、乾燥プロセス
の所要時間を短縮させ、最後に、オリエル社(Oriel Co
rp.,Stratford,Connecticut)製のアークランプでUV照
射を行って、コーティングを完全に乾燥及び硬化させ
た。なお、上記用いられたアークランプは、水フィルタ
によって赤外線を除去している。
得られたスラリーを用いて、ファイバに対して、一回
の浸漬ごとに約0.5μの厚みを有する実質的に均一なコ
ーティングを形成した。このコーティングは、特に接着
力が強かった。なお、ファイバーを折れるまで曲げて、
コーティングがファイバに接着したままか、あるいはコ
ーティング粉砕されるかを調べることで、接着力の測定
を行った。いずれの場合においても、ファイバの折れた
部分に微小なチッピングがみられたことを除けば、コー
ティングはファイバに接着したままであった。
本発明による利点としては、乾燥/硬化プロセスにお
いて加熱が不要であること、加熱による従来のウォッシ
ュコートプロセスに比較してコーティングの接着力が優
れていること、簡単な手法で比較的均一なコーティング
が得られること、及びコーティングの厚みを容易にコン
トロールできること等が挙げられる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バーバラ,フィリップス ジェイ. アメリカ合衆国,コネチカット 06096, ウィンザーロックス,エルム ストリー ト 52 (56)参考文献 特開 平8−164334(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 26/00 C03C 25/10

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光触媒半導体を用いた基体のコーティング
    方法であって、 a.光触媒半導体粉体を水と混合して、所定のpHを有する
    混合物を生成し、 b.前記粉体の凝集を防ぐように前記混合物を酸性化し、 c.前記混合物を音波処理して前記粉体を分散させ、 d.前記音波処理された混合物で基体をコーティングし、 e.前記コーティングされた基体にUV照射を行って、前記
    コーティングの乾燥及び硬化を行うとともに、この乾燥
    及び硬化は、実質的に前記コーティングされた基体を加
    熱することなく行われることを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】前記混合物にアルコールを添加すること
    で、前記混合物の表面張力を減少させるステップを有す
    ることを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】前記pHは、前記混合物に塩化水素を添加す
    ることで低下されることを特徴とする請求項1記載の方
    法。
  4. 【請求項4】前記光触媒半導体は、二酸化錫(SnO2)、
    二酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、三酸化タン
    グステン(WO3)、酸化鉛(PbO)、三酸化鉄チタン(Fe
    TiO3)、五酸化二バナジウム(V2O5)、三酸化二鉄(Fe
    2O3)、またはこれらの任意混合物のいずれかであるこ
    とを特徴とする請求項1記載の方法。
  5. 【請求項5】前記光触媒半導体は、その約60(wt%)〜
    90(wt%)がアナタース形で、残部がルチル形であるこ
    とを特徴とする請求項4記載の方法。
  6. 【請求項6】前記光触媒半導体は、約70(wt%)〜80
    (wt%)がアナタース形、残部がルチル形であることを
    特徴とする請求項4記載の方法。
  7. 【請求項7】前記コーティングされた基体を前記UVで照
    射する際に、赤外線フィルタを用いることを特徴とする
    請求項1記載の方法。
  8. 【請求項8】光触媒半導体を用いた基体のコーティング
    方法であって、 a.光触媒半導体粉体を水と混合して、所定のpHを有する
    混合物を生成し、 b.前記粉体の凝集を防ぐように、前記混合物を酸性化し
    てpHの値を約4以下とし、 c.前記混合物を音波処理して前記粉体を分散させ、 d.前記音波処理された混合物で基体をコーティングし、 e.前記コーティングされた基体にUV照射を行って、前記
    コーティングの乾燥及び硬化を行うことを特徴とする方
    法。
  9. 【請求項9】前記コーティングされた基体は、実質的に
    室温で乾燥及び硬化されることを特徴とする請求項1記
    載の方法。
  10. 【請求項10】前記混合物は、酸をこの混合物に添加す
    ることで酸化されてpHが約4以下となることを特徴とす
    る請求項1記載の方法。
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