JP3818811B2

JP3818811B2 - 空気浄化用光触媒フィルター

Info

Publication number: JP3818811B2
Application number: JP37095599A
Authority: JP
Inventors: 和彦森; 充中村; 秀隆梅岡
Original assignee: Nihon Parkerizing Co Ltd; Honda Access Corp
Current assignee: Nihon Parkerizing Co Ltd; Honda Access Corp
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2006-09-06
Anticipated expiration: 2019-12-27
Also published as: US6491883B2; JP2001179091A; US20010014296A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を利用して空気浄化機能を発現する光触媒を利用した空気浄化用光触媒フィルターに関するものである。より詳しく述べるならば、本発明は主として車両及び家屋などの室内空間において人工光または自然光の存在する場所に設置し、脱臭などの空気浄化を行う装置用フィルターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光の照射によって脱臭、抗菌、防汚等の各種機能を発現する光触媒を環境浄化に利用しようとする試みが盛んに研究されている。
空気の浄化を目的としたものでは、例えば二酸化チタン光触媒によってアルデヒドなどの悪臭成分を分解除去し、及び／又はＮＯ_xガスを硝酸の形まで酸化して大気中から除去する方法は、電力や装置を必要としないという利点を有しているため、その実用化の検討が開始されている。
【０００３】
光触媒の実用化にあたっては、例えば特開平７−１７１４０８号公報に開示されているように、光触媒粒子と難分解性バインダーとの混合物により、基材表面に塗膜を形成したものの使用が提案されている。
しかし、この塗膜においては、光触媒粒子自体が紫外線を吸収して空気浄化機能を発揮するものであるから、基材表面に光触媒の厚い層を形成した場合、実際に紫外光が到達して触媒機能を発揮するのは塗膜の表面近傍に分布している光触媒粒子のみであり、塗膜の下層部の光触媒粒子には紫外光が到達しないため、塗膜に含まれる光触媒粒子の反応効率が不十分であるという問題点があった。このような問題点は、光触媒粒子を空気浄化や水質浄化など高い反応速度、反応効率を要求される用途に適用する場合に、大きな障害となっていた。
【０００４】
これらの問題点を解決するための手段としては、例えば特開平８−７１５７３号公報に開示されているように、光透過性支持体の表面に凹凸を形成し、この凹凸表面上に光触媒を担持させることにより光触媒膜の表面積を増大する方法が知られている。
また、特開平７−１７１４０８号公報には、光触媒に結着剤（バインダー）として水ガラス及び／又はシリコン系ポリマーを添加し、この混合物を塗料として形成された塗膜が開示されている。しかし、結着剤として作用する水ガラス及び／又はシリコン系ポリマーには、光触媒粒子の活性を向上させる効果はなく、却って光触媒粒子の表面を被覆してしまうため、その活性を低下させるという不都合が生ずることが多かった。
【０００５】
このように、塗料および塗膜の組成を工夫することにより、光触媒塗膜中の光触媒粒子全体を十分有効に機能させるようにしたものはなく、その光触媒膜の機能にも限界があった。
さらに塗料組成物中に、水ガラスなどを含むものはアルカリ性が強いため基材の腐食や塗装作業環境が悪化するなどの問題を生ずるという不都合があり、またシリコン系ポリマーを用いる場合、それが酸などの触媒を必要とし、及び／又は、それに多量に含まれる有機溶剤により、塗装環境を悪化するなどの解決すべき課題を抱えていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の光触媒塗膜と空気浄化用光触媒フィルターが抱えていた上記問題点を解決し、脱臭や窒素酸化物の除去などの大気（空気）浄化に効果が高く、基材に対する密着性、及び耐久性に優れた光触媒皮膜からなる表面を有する空気浄化用光触媒フィルターを提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決するため、まず二酸化チタン光触媒粉体の粒子径とアセトアルデヒド分解速度との関係について検討し、二酸化チタン光触媒の粒径が０．００１〜０．０５μｍのものが効果が高く、粒径が０．００３〜０．０１μｍの場合に最も効果があることを見出した。
次に、この実験で最も効果の高かった粒径０．００７μｍの光触媒に、シリコン系ポリマー、フッ素系ポリマー、シリカコロイド、アルミナ等をバインダーとして加え、塗料を調製して、アルミニウム板に塗布、乾燥して塗膜を形成して性能確認を行った。
その結果、シリコン系、フッ素系などの樹脂系ポリマーや水ガラスなどを添加すると塗膜としての密着性は良好であるが、塗膜の触媒活性や耐候性が大きく低下することを確認した。一方、シリカコロイド、アルミナゾルなどのコロイドゾル系無機バインダーを使用した場合は、活性の低下は比較的少ないものの、乾燥の際の収縮が大きく塗膜が脆いため、数μｍ以上の膜厚では塗膜のワレ、剥がれが発生して実用に耐えないことを確認した。
本発明者らはこれらの知見をもとに、１０μｍ以上の膜厚に塗布しても密着性や耐候性に問題がなく、しかも塗膜の触媒活性が光触媒粉体と同等またはそれ以上となるような光触媒塗膜組成について研究を重ねた。
【０００８】
その結果、フィルター基材表面に、光触媒粒子と、光触媒粒子の１０〜１０００倍程度の粒径を有する紫外線透過性粒子、例えばガラスの粉砕粒子又はミルドファイバーと、シリカ微粒子と、好ましくはさらに粘土鉱物とからなる皮膜を形成することにより、光触媒の活性を十分に発揮させ、良好な空気浄化能力を付与できるとともに、塗膜を乾燥する際の塗膜の収縮を防止して良好な塗膜密着性が得られることを新たに見出した。また、この皮膜は有機成分を全く含まないため、耐候性、耐水性も良好であることを確認した。
さらに発明者らは皮膜の構造を解析し、表面に紫外線透過性粒子が皮膜層表面に露出した皮膜構造となることにより照射された紫外線が皮膜層の内部、特に下半層まで到達することにより、従来知られている組成、構造の光触媒皮膜では為し得なかったほどの空気浄化能力が得られたとの結論を得て本発明を完成するに至った。
【０００９】
本発明の空気浄化用光触媒フィルターは、基材と、この基材の表面上に形成され、かつ短径が０．２〜５０μｍの紫外線透過性粒子５〜６０重量％と、平均粒子径が０．００１〜０．０２μｍの光触媒粒子２０〜８０重量％と、平均粒子径が０．００２〜０．２μｍのシリカ微粒子１０〜６０重量％とを含み、５〜６０μｍの厚さを有する皮膜層とを有することを特徴とするものである。
本発明の空気浄化用光触媒フィルターにおいて、前記皮膜層が、さらに粘土系鉱物０．２〜２０重量％を含むことが好ましい。
本発明の空気浄化用光触媒フィルターにおいて、前記皮膜層の表面に、紫外線透過性粒子が露出していることが好ましい。
本発明の空気浄化用光触媒フィルターにおいて、前記紫外線透過性粒子が、ガラスの破砕粒子又はガラスファイバーであることが好ましい。
本発明の空気浄化用光触媒フィルターにおいて、前記紫外線透過性粒子の平均短径が、前記皮膜層の厚さの０．１〜１．５倍であることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の空気浄化用光触媒フィルターは、基材と、その表面上に形成された光触媒含有皮膜層とを有するものであって、この皮膜層は、短径が０．２〜５０μｍの紫外線透過性粒子５〜６０重量％と、平均粒子径が０．００１〜０．０２μｍの光触媒粒子２０〜８０重量％と、粒子径が０．００１〜０．０５μｍのシリカ微粒子１０〜６０重量％とを含み、必要によりさらに粘土鉱物０．２〜２０％を含む組成物から形成され、かつ５〜６０μｍ厚さを有するものである。皮膜層は空気の流通を許すものである。
【００１１】
本発明のフィルターの基材としては、パネル、シート、ハニカムなどの各種材料を使用することができるが、光の利用効率を高めるためには、ハニカム構造を有する基材の利用が好ましい。基材の材質としては、アルミニウム、紙、セラミック繊維からなる不織布、及びプラスチック材料などが使用できるが、紙やプラスチック材料を用いる場合は、その表面に無機系プライマーを塗布したものを使用することが好ましい。
【００１２】
本発明において使用される紫外線透過性粒子の短径は、０．２〜５０μｍであることが必要で、０．４〜１０μｍであることがより好ましい。また、紫外線透過性粒子の短径が皮膜層の厚さの０．１〜１．５倍の範囲にあるものが好ましく、０．２〜１．２倍の範囲にあるものがより好ましい。紫外線透過性粒子の長径（長さ）には限定はないが、それは０．４〜２００μｍであることが好ましい。紫外線透過性粒子の短径が０．２μｍ未満では、得られる塗膜に亀裂が発生し易く、密着性や触媒活性が不十分となり、また、その短径が５０μｍを超えると、粒子が塗膜から脱落しやすくなるため好ましくない。
【００１３】
紫外線透過性粒子としては、３００〜４００nmの波長の紫外線の透過率の高いものを用いることが好ましく、このような材料としてはシリカガラス及び硼珪酸ガラスなどの無アルカリガラス及び低アルカリガラスが好ましいが、上記波長範囲の光を透過できるものであればその種類に特に制限はない。また、粒子の形状にも制限はなく、例えば球状、扁平状、板状、針状、繊維状など各種粒子が使用できる。紫外線透過性粒子は、少なくともその一部が、光触媒含有皮膜層の表面に露出し、紫外線を含む光線を皮膜層内部に導入することが好ましい。
本発明に用いられる紫外線透過粒子は、光触媒皮膜中に、５〜６０重量％の含有量で含まれる。その含有量が５重量％未満では紫外線が皮膜下層部まで到達しにくいため脱臭性能が不充分になり、また、それが、６０重量％をこえると、光触媒の含有率が低下するため、同様に脱臭能力が低下する。
【００１４】
また、本発明に用いられる光触媒粒子としては、二酸化チタン粒子を用いることが好ましいが、他の酸化物粒子、例えば酸化亜鉛、チタン酸ストロンチウム、二酸化すずなどの粒子も使用できる。
二酸化チタン光触媒粒子としては、四塩化チタンの燃焼酸化による乾式法、或は硫酸チタン又は塩化チタンの水溶液の加水分解によって得られる二酸化チタン粉体を原料として用いることが好ましい。しかし、チタンアルコキシド又はチタンアセチルアセトネートなどの加水分解によって得られる二酸化チタン粉体またはゾルを使用してもよい。
【００１５】
光触媒粒子の平均粒子径は、０．００１〜０．０２μｍであることが必要である。粒径が０．００１μｍ未満では、量子サイズ効果を発生するため、このような光触媒粒子を長波長の紫外線に対して利用できないという不利益を生じ、また、それが０．０２μｍを超えると、粒子の比表面積が減少して活性が低下するという不都合を生ずる。光触媒粒子の好ましい粒子径は０．００３〜０．０１μｍの範囲である。光触媒粒子の結晶形には特に制限はないが、二酸化チタン粒子の場合、アナターゼ形のものが好ましく、次にルチル形のものが好ましい。なお、アモルファスの二酸化チタンを使用する場合は、塗膜を２００℃以上の温度で乾燥して、これをアナターゼ形に変化させてから実用することが好ましい。
【００１６】
また、本発明に用いられる光触媒粒子は、皮膜層中に２０〜８０重量％の割合で含まれる。光触媒粒子の含有量が２０重量部未満では、得られる皮膜層の光触媒活性が不十分となり、またそれが８０重量部を超えると、得られる皮膜層の硬さ及び基材密着性が不十分になるという不都合を生ずる。
【００１７】
本発明の光触媒フィルターの皮膜層には、粒子径が０．００２〜０．２μｍのシリカ微粒子１０〜６０重量％が含まれている。このシリカ微粒子は、その表面がアルコキシシランなどにより表面修飾されたものであってもよい。
本発明のフィルターにおいて、光触媒含有皮膜層中のシリカ微粒子の含有量は１０〜６０重量％の範囲内であって、この含有量範囲内において得られる皮膜層は良好な固着力と光触媒活性とを示す。シリカ微粒子の含有量の好ましい範囲は１５〜４０重量％である。
【００１８】
本発明の光触媒フィルターの皮膜層中には、必要により、さらに粘土鉱物を含むことが好ましい。本発明に使用できる粘土鉱物は、人工、天然を問わず、スメクタイト、セピオライト、タルク、膨潤性マイカ、及びカオリンなどから選ばれることが好ましい。皮膜層中の粘土鉱物の含有量は０．２〜２０％（重量）であることが好ましく、０．５〜３％であることがより好ましい。粘土鉱物粒子の一次粒子の粒子径は０．２μｍ以下であることが好ましく、この一次粒子は、凝集して粒子径０．２〜２０μｍの二次粒子を形成していてもよい。
本発明のフィルターの光触媒含有皮膜層中に含まれる粘土鉱物粒子は、皮膜層に対してひび割れを防止し、より密着性の良い皮膜が得られるという効果を示すものであって、その含有量が０．２重量％未満であると、上記効果の発現が不十分になり、またそれが２０重量％を超えると皮膜の紫外線透過性が低下して光触媒が充分機能しない。
【００１９】
本発明の空気浄化用光触媒フィルターの構成は、図１及び図に例示されている。
図１において、光触媒フィルター１は、基材２と、その表面上に形成されている光触媒含有皮膜層３とにより構成されている。皮膜層３は、微細な光触媒粒子、シリカ微粒子及び必要により、粘土系粒子からなるマトリックス４と、このマトリックス４中に分布し、前記微粒子にくらべて大きな粒径を有する紫外線透過性粒子５とにより形成されている。紫外線透過性粒子５は皮膜層３中に照射された紫外線を、透過したその表面からマトリックス４中に分布している光触媒粒子に伝播し、これに所望の空気浄化効果を発揮させることができる。
【００２０】
本発明の空気浄化用光触媒フィルターにおいて、上記成分を含む光触媒含有皮膜層は、紫外線透過性粒子を含むため、皮膜層表面に照射された紫外線を、この紫外線透過性粒子を介して皮膜層内部に伝播することができ、それによって、皮膜層内部の光触媒粒子に対しても、それに接触する空気を浄化することができる。このため、本発明において、皮膜層を５〜６０μｍの大きな厚さを有するように形成することができる。また、このような厚い皮膜層は、シリカ微粒子及び必要により粘土系鉱物粒子を含むため、乾燥収縮が少なく、基材に強く密着して、膜割れ或は膜はがれを生ずることがなく、しかも空気の進入・流通を許すことができる。さらに、本発明のフィルターの皮膜層は、有機物成分を含まないため、きわめて優れた耐候性及び耐水性を有するものである。
【００２１】
本発明のフィルターの皮膜層において、図２に示されているように皮膜層３の表面に照射された紫外線を十分に皮膜層内部に伝播するためには、紫外線透過性粒子５の一部分が皮膜層３の表面において外部に向って露出しており、他の部分が、皮膜層内に埋設していることが好ましい。紫外線透過性粒子を上記のように分布させるためには、ディップ法、スプレー法、スピンコート法などの方法により塗布することが好ましい。
また、紫外線透過性粒子が上記の表面露出分布を達成するためには、紫外線透過性粒子が、鋭角を有する端部を有し、比重が小さく、及び／又は疎水性であるなどの特性を有することが好ましい。
【００２２】
本発明の光触媒フィルターは、上記皮膜成分を、水を主成分とする分散媒に分散させて塗料を調製し、これをフィルター基材に塗布し、乾燥させて、光触媒含有皮膜層を形成することにより製造することができる。この塗料中には必要に応じて適宜の量の分散剤を添加してもよい。
本発明の空気浄化用光触媒フィルターにおいて、その光触媒含有皮膜層を、乾燥後の皮膜層の厚さが５〜６０μｍとなるように、スプレー法、ディッピング法、フローコート法、または刷毛塗り法等の方法で塗布形成することが好ましい。皮膜層のより好ましい膜厚は１５〜４０μｍである。
【００２３】
【実施例】
本発明を、下記実施例により具体的に説明する。しかし本発明の範囲はこれら実施例によって何ら制約されるものではない。
【００２４】
実施例１〜８及び比較例１〜５
実施例１〜８及び比較例１〜５において、下記材料が用いられた。
【００２５】
（１）紫外線透過性粒子
紫外線透過性粒子としては、表１に示されているように、実施例１〜５、および比較例２については、（Ａ）旭ファイバーグラス株式会社製Ｅグラス（低ナトリウムガラス）のミルドファイバー粉末〔平均粒子短径１０μｍ、長さ３０〜１００μｍ〕を使用した。また、実施例６〜８、および比較例３〜５については、（Ｂ）ガラス球を所定の大きさに粉砕したパウダーを使用した。また比較例１においては、（Ｃ）紫外線透過性粒子を添加しなかった。
【００２６】
（２）光触媒粒子
実施例１〜８および比較例２〜５では光触媒粒子として、（ａ）石原産業（株）製ＳＴ−０１（アナターゼ形二酸化チタン：平均結晶粒径７nm）を使用した。二酸化チタンは約２００ｇを水８００mLに添加し、ホモミキサーで分散させたものを塗料中に配合した。比較例１では、（ｂ）日本アエロジル（株）製二酸化チタン；Ｐ−２５（平均結晶粒径；０．０３μｍ）使用した。それぞれの使用量を表１に示す。
【００２７】
（シリカ粒子）
比較例１、比較例２、比較例３〜５、実施例１〜５、及び実施例７では、（ｉ）日産化学（株）製水系シリカゾル〔スノーテックスＮ、平均粒径；約０．０２μｍ〕を用い、実施例６および実施例８では（ii）同社製水系シリカゾル〔スノーテックスＯＬ、平均粒径；約０．０５μｍ〕を使用した。
【００２８】
（粘土系鉱物）
比較例１〜３、比較例５および実施例２〜８では（イ）粘土系鉱物として日本シリカ（株）製スメクタイト〔ラポナイトＸＬＧ〔板状；一次粒子径；０．０２〜０．０３μｍ〕を使用した。実施例１及び比較例４においては粘土系鉱物を用いなかった。
【００２９】
基材は、寸法２００×３００mm 厚み１．０mmのものを用い、比較例１、比較例３〜５、実施例１、実施例４、および実施例７では、（あ）アルミニウム合金板に３μｍの膜厚となるようにシリコーンプライマーを塗布し、８０℃で乾燥したものを用いた。比較例２、実施例２〜３、および実施例５〜６、実施例８では、（い）亜鉛めっき鋼板に２０μｍの膜厚となるように粉体ポリエステル塗装した板にシリコーンプライマーを同様に塗布した板を用いた。
【００３０】
基材表面に、皮膜層形成用塗料の塗布において、調製した塗料（固形分濃度３５％）の中に、前記基材を用いて形成され、脱脂されたハニカム（１０cm×１０cm、厚さ１cm）を浸し、引き出して、コンプレッサーエアーを吹き付けてハニカム表面上の余分な塗料分を除去して、ハニカム１枚あたりの乾燥皮膜付着量が約１０ｇ（膜厚；約３０μｍ）となるように塗料層を形成した。
塗料層の乾燥には、乾燥用オーブンを用い、１５０℃で１０分間乾燥して皮膜層を形成した。
【００３１】
塗膜性能の評価は、下記の試験法および評価基準により行った。その結果を表１に示す。
【００３２】
（１）塗膜密着性
塗膜の基材に対する密着性については、塗布したハニカムフィルターを水平に保ち、３０cmの高さから机上に落下させ、ハニカムから剥落した塗膜の重量を測定して、下記５段階に評価した。試験は塗布直後および６ヶ月後に行った。
評価：剥離量が０．５ｇ未満のものを合格（◎）、１ｇ未満のものを（○）、１ｇ以上２ｇ未満のものを（△）、２ｇ以上のものを不合格（×）とした。
【００３３】
（２）紫外線透過性粒子の分散状態
塗膜断面の金属顕微鏡観察により、紫外線透過性粒子の表面の露出の有無を確認した。
【００３４】
（３）アセトアルデヒド分解性
容量３リットルのパイレックスガラスセルに試作した１０cm×１０cmのハニカム試験片を置いて密閉し、アセトアルデヒドガスを注入して約３００ppm の濃度に調整し、セルの上方からブラックライトを用いて０．７mW／cm²の強度の紫外線を照射して、アセトアルデヒドの分解試験を行った。ブラックライトの照射を始めて１５分後に、セル内のアセトアルデヒド濃度を測定してアセトアルデヒドの除去率を算出した。
【００３５】
【表１】

【００３６】
表１の比較例および実施例の結果から明らかなように、本発明に係る実施例１〜８においては、得られたフィルターの皮膜層は、良好な塗膜密着性、耐候性、光触媒性能（脱臭性）を示した。一方、光触媒粒子径が過大である比較例１では、アルデヒド分解性が劣り、シリカ微粒子の含有率が少なく発明の範囲外である比較例２においては、塗膜密着性が劣るため、実用に耐えず、また光触媒粒子が少ない比較例３においては、アルデヒド分解性が劣り、さらに、紫外線透過性粒子の粒径が発明の範囲外にある比較例４，５においては塗膜密着性が不十分であった。
【００３７】
【発明の効果】
上記の説明から明らかなように、本発明の空気浄化用光触媒フィルターにおいて、本発明の特定組成を有する皮膜層を、フィルター基材表面に設けることにより、従来技術では不十分だった優れた空気浄化性（脱臭性）と良好な塗膜物性（密着性、耐候性）とを同時に実現でき、空気浄化用フィルター材料として極めて実用性の高いフィルターを得ることができる。このため、本発明のフィルターは特に空気の汚れた室内、車室内などの環境において、光を利用した脱臭フィルターとして利用することができるものであって、環境対策としてその実用的利用価値の極めて高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空気浄化用光触媒フィルターの一例の構造を示す断面模式図。
【図２】本発明の空気浄化用光触媒フィルターの他の例の構造を示す断面模式図。
【符号の説明】
１…空気浄化用フィルター
２…基材
３…光触媒含有皮膜層
４…光触媒、シリカ、要すれば粘土系微粒子を含むマトリックス
５…紫外線透過性粒子

Claims

基材と、この基材の表面上に形成され、かつ短径が０．２〜５０μｍの紫外線透過性粒子５〜６０重量％と、平均粒子径が０．００１〜０．０２μｍの光触媒粒子２０〜８０重量％と、平均粒子径が０．００２〜０．２μｍのシリカ微粒子１０〜６０重量％とを含み、５〜６０μｍの厚さを有する皮膜層とを有することを特徴とする空気浄化用光触媒フィルター。
前記皮膜層が、さらに粘土系鉱物０．２〜２０重量％を含む、請求項１に記載の空気浄化用光触媒フィルター。
前記皮膜層の表面に、紫外線透過性粒子が露出している、請求項１または２に記載の空気浄化用光触媒フィルター。
前記紫外線透過性粒子が、ガラスの破砕粒子又はガラスファイバーである、請求項１又は３に記載の空気浄化用光触媒フィルター。
前記紫外線透過性粒子の平均短径が、前記皮膜層の厚さの０．１〜１．５倍である請求項１，３及び４のいずれか１項に記載の空気浄化用光触媒フィルター。