JP4187632B2 - Method for forming titanium dioxide thin film and catalyst having the titanium dioxide thin film - Google Patents
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本発明は水分散酸化チタンゾルを用いたセラミックス、プラスチック等の基材に形成した酸化チタンの薄膜の形成方法及びその酸化チタンの薄膜を有する触媒担体、照明器具、建築用ガラス、壁材、窓材に関する。この酸化チタン薄膜は透明性にして光触媒作用に優れ、また基材との密着性が良好なものである。 The present invention relates to a method for forming a thin film of titanium oxide formed on a base material such as ceramics or plastic using a water-dispersed titanium oxide sol , and a catalyst carrier, lighting fixture, architectural glass, wall material, window material having the titanium oxide thin film. About. This titanium oxide thin film is transparent and excellent in photocatalytic action, and has good adhesion to the substrate.
二酸化チタン（以下、酸化チタンと称す）にはアナターゼ、ブルーカイト、ルチル型の３つの結晶相の存在が知られている。四塩化チタンと酸素等の混合燃焼方法で製造する気相法の場合において、最も低温で生成し安定なのがアナターゼ型である。これに熱処理を施し焼成していくと８１６〜１０４０℃でブルーカイト型、それ以上の温度域ではルチル型構造の酸化チタンが得られる（理化学辞典第３版、Ｐ．５１４〜５１５）。 Titanium dioxide (hereinafter referred to as titanium oxide) is known to have three crystal phases of anatase, brookite and rutile type. In the case of a gas phase method produced by a mixed combustion method of titanium tetrachloride and oxygen, the anatase type is produced and stable at the lowest temperature. When this is subjected to heat treatment and baked, titanium oxide having a brookite type at 816 to 1040 ° C. and a rutile type structure in a temperature range higher than that is obtained (Rikagaku Dictionary 3rd edition, pages 514 to 515).
また、液相法では例えば、舟木 好右衛門、工業化学 第５９巻、第１１号、Ｐ．１２９５らにより四塩化チタン水溶液の加水分解により生成する酸化チタンの結晶相について詳細に報告している。これによると、主として高濃度液中からはルチル型が、低濃度側からはアナターゼ型の酸化チタンが生成すると結論づけている。そして液相中ではブルーカイト型でしかも微粒子の酸化チタンの生成は不可能であったと述べている。
これら報告から今までブルーカイト型の酸化チタンを液相法で安定的に製造することは困難であった。上記したように気相法による酸化チタンを高温で熱処理すればブルーカイト型酸化チタンになるが、熱処理するため粒子が成長するので、微細な粒子でブルーカイト型結晶のものを得ることは従来難しかった。
In the liquid phase method, for example, Funaki Yoshiemon, Industrial Chemistry Vol. 59, No. 11, p. 1295 et al. Report in detail the crystal phase of titanium oxide formed by hydrolysis of an aqueous solution of titanium tetrachloride. According to this, it is concluded that rutile type is mainly produced from the high concentration liquid and anatase type titanium oxide is produced from the low concentration side. He stated that in the liquid phase, it was impossible to produce titanium oxide in the form of brookite and fine particles.
From these reports, it has been difficult to stably produce blue-kite type titanium oxide by a liquid phase method. As described above, heat treatment of titanium oxide by a vapor phase method results in brookite-type titanium oxide. However, since the particles grow due to the heat treatment, it has been difficult to obtain brucite-type crystals with fine particles. It was.
一方、酸化チタンゾルの生成方法に関しては、結晶性或いはアモルファスの酸化チタン粒子を分散媒に分散させるか、分散媒中にチタンアルコキシド、硫酸チタン、四塩化チタンなどの酸化チタンの前駆体を混入させ中和、加水分解などの方法によりゾルを形成させることが一般的である。
酸化チタンゾルは酸化チタン粉末の製造に用いられたり、あるいはゾルをガラスやプラスチック等に塗布し、酸化チタンの薄膜をそれらの表面に形成したりするのに用いられている。
酸化チタンは光半導体であり、粒子径が小さくなれば透明性が生じ、かつ光触媒機能が向上することが知られている。酸化チタンの光触媒機能については近年、盛んに研究開発が行われている。この光触媒の利用方法には有害物質の除去による防汚、アンモニアなどの悪臭ガスの脱臭、細菌類の殺菌などがあるが、その利用目的により酸化チタンの形態は、バルク粒子、薄膜、ゾルと様々である。この光触媒機能はさらに透明性を付加しようとする場合はもっぱら薄膜にされる場合が多い。そのために酸化チタンはゾルの形で薄膜生成材料として使用される。
On the other hand, regarding the production method of titanium oxide sol, crystalline or amorphous titanium oxide particles are dispersed in a dispersion medium, or a precursor of titanium oxide such as titanium alkoxide, titanium sulfate, or titanium tetrachloride is mixed in the dispersion medium. In general, a sol is formed by a method such as summation or hydrolysis.
Titanium oxide sols are used for the production of titanium oxide powders, or are used to apply sols to glass, plastics, etc., and to form titanium oxide thin films on their surfaces.
Titanium oxide is an optical semiconductor, and it is known that when the particle size is reduced, transparency occurs and the photocatalytic function is improved. In recent years, research and development has been actively conducted on the photocatalytic function of titanium oxide. This photocatalyst can be used for antifouling by removing harmful substances, deodorizing malodorous gases such as ammonia, and sterilizing bacteria, but there are various forms of titanium oxide such as bulk particles, thin films, and sols depending on the purpose of use. It is. This photocatalytic function is often made into a thin film exclusively in order to add transparency. For this purpose, titanium oxide is used as a thin film forming material in the form of a sol.
酸化チタンの光触媒能力に関しては、ルチル型よりもアナターゼ型の方が能力が大きいことが認められている。その理由は、両者のエネルギーギャップによるものであり、ルチル型が３．０２ｅＶ、アナターゼ型が３．２３ｅＶと約０．２ｅＶの差があることによる（セラミックス３１（１９９６） No.１０、Ｐ．８１７）。このエネルギー差から高エネルギーギャップを持つアナターゼ型酸化チタンが光半導体として好んで用いられている。しかし、ブルーカイト型に関して言えば、今までに単体物質そのものを取り出した例が少なく、その上光半導体（光触媒）として用いることのできるような高比表面積を持つ微粒子として得ることは従来は高温での製造のため粒子が焼結してしまい不可能であった。 Regarding the photocatalytic ability of titanium oxide, it has been recognized that the anatase type has a greater ability than the rutile type. The reason for this is due to the energy gap between the two: the rutile type is 3.02 eV, the anatase type is 3.23 eV and about 0.2 eV (Ceramics 31 (1996) No. 10, P.817. ). Due to this energy difference, anatase-type titanium oxide having a high energy gap is preferably used as an optical semiconductor. However, as far as the blue kite type is concerned, there have been few examples of taking out the single substance so far, and in addition, obtaining it as a fine particle having a high specific surface area that can be used as a photo semiconductor (photocatalyst) has conventionally been at a high temperature. It was impossible to sinter the particles for the production of
薄膜の利用形態として最近照明器具、例えば蛍光ランプのガラス管やそのカバーに酸化チタンゾルを塗布して薄膜を形成し、光触媒作用により上記ガラス管やカバーに油煙等の有機物が付着した場合、それを分解し、ガラス管やカバーの汚れを防止する方法が提案されている。しかし、前記した方法で得られたゾルを用いて薄膜を形成した場合、透明性の高い薄膜とすることが可能であるものは少なく、特にブルーカイト型酸化チタン薄膜を照明器具等の光触媒に用いたものは従来知られていない。 As a form of thin film use, when a thin film is formed by applying a titanium oxide sol to a lighting tube, for example, a glass tube of a fluorescent lamp or its cover, and an organic substance such as oily smoke adheres to the glass tube or cover by photocatalysis, it is A method for disassembling and preventing the glass tube and the cover from being soiled has been proposed. However, when a thin film is formed using the sol obtained by the above-mentioned method, there are few that can be made into a highly transparent thin film, and in particular, a brookite-type titanium oxide thin film is used for a photocatalyst such as a lighting apparatus. What was there is not known in the past.
酸化チタン薄膜をガラス、プラスチック、その他の基材に形成して光触媒として利用する場合、その薄膜は触媒活性が高いことが要求される。光触媒作用は粒子表面での反応であるため高活性を持たせるには粒子が高い表面積をもつ微粒子であること、また結晶性が良いことが好ましい。さらに照明器具等に薄膜を形成する場合には薄膜は透明性であることが必要である。透明性をよくするためにも酸化チタンは触媒活性の場合と同様に微粒子であり、かつ単分散であるものが望ましい。こうした問題に対しては、従来はもっぱらアナターゼ型の酸化チタンを微細化することで対応していた。
また酸化チタン薄膜を基材に形成する場合、薄膜と基材との密着性をよくし、容易に薄膜が剥離しないようにしなければならない。
When a titanium oxide thin film is formed on glass, plastic or other base material and used as a photocatalyst, the thin film is required to have high catalytic activity. Since the photocatalytic action is a reaction on the particle surface, it is preferable that the particle is a fine particle having a high surface area and has good crystallinity in order to have high activity. Furthermore, when a thin film is formed on a lighting fixture or the like, the thin film needs to be transparent. In order to improve transparency, it is desirable that titanium oxide is fine and monodispersed as in the case of catalytic activity. Conventionally, this problem has been dealt with by miniaturizing anatase-type titanium oxide.
Moreover, when forming a titanium oxide thin film on a base material, it is necessary to improve the adhesion between the thin film and the base material so that the thin film does not easily peel off.
従来の四塩化チタンを加水分解する方法では、粒子径が非常に小さい微粒子で、かつ結晶性がよく、薄膜にしたとき透明性がよい酸化チタンゾルをつくることが困難であった。
チタンアルコシド化合物の加水分解ではゾル中の酸化チタンは非常に小さい微粒子となるなど粉体特性としては優れているが、ゾル中にアルコールが含まれ、薄膜にして焼成する場合爆発などの安全上の問題がある。また、爆発を防ぐには防爆の大型設備が必要となり、経済的に不利である。
またチタンアルコシド化合物は四塩化チタンに比べ非常に高価である。
本発明は水分散酸化チタンゾルを各種の基材に塗布し、基材表面に酸化チタンの薄膜を形成した場合、薄膜が光触媒機能及び透明性に優れ、かつ薄膜と基材との密着性が良好となる酸化チタン薄膜の製造方法及びそのような酸化チタン薄膜を用いた触媒担体等の物品を提供することを目的とする。
In the conventional method of hydrolyzing titanium tetrachloride, it has been difficult to produce a titanium oxide sol having fine particles having a very small particle diameter, good crystallinity, and good transparency when formed into a thin film.
In the hydrolysis of titanium alkoxide compounds, titanium oxide in the sol has excellent powder characteristics such as very small fine particles. However, when the sol contains alcohol and is baked as a thin film, it is safe for explosion and other reasons. There is a problem. Moreover, large explosion-proof equipment is required to prevent explosion, which is economically disadvantageous.
Titanium alkoxide compounds are very expensive compared to titanium tetrachloride.
In the present invention, when a water-dispersed titanium oxide sol is applied to various substrates and a titanium oxide thin film is formed on the surface of the substrate, the thin film has excellent photocatalytic function and transparency, and good adhesion between the thin film and the substrate. An object of the present invention is to provide a method for producing a titanium oxide thin film and an article such as a catalyst carrier using the titanium oxide thin film .
本発明者らは、酸化チタンゾルから形成された酸化チタンの薄膜について種々研究した結果、酸化チタンゾル中に含まれる塩素イオンが薄膜の透明性、基材と薄膜との密着性等に関与し、特定の塩素イオン濃度の酸化チタンゾルがこれらの特性をよくすること及び酸化チタンゾルにアルキルシリケートを接着剤として添加することで薄膜の上記特性をさらに向上できることを知見し本発明に至った。 As a result of various studies on a titanium oxide thin film formed from a titanium oxide sol, the present inventors have found that chlorine ions contained in the titanium oxide sol are involved in the transparency of the thin film, the adhesion between the substrate and the thin film, and the like. The present inventors have found that a titanium oxide sol having a chlorine ion concentration of 5 % can improve these characteristics and that the above-mentioned characteristics of the thin film can be further improved by adding an alkyl silicate as an adhesive to the titanium oxide sol .
本発明は基本的には以下の発明からなる。
（１）二酸化チタンが結晶質であり塩素イオンを塩素元素として６００〜１０，０００ｐｐｍ含み、かつ、接着剤としてアルキルシリケートを前記二酸化チタンに対してＳｉＯ ２ 換算で１〜５０重量％含む水分散二酸化チタンゾルを、基材表面に塗布することを特徴とする二酸化チタン薄膜の形成方法。
（２）水分散二酸化チタンゾルに前記接着剤を成膜直前に混入し、基材表面に塗布する、（１）に記載の二酸化チタン薄膜の形成方法。
（３）基材表面に水分散二酸化チタンゾルを塗布した後、焼成する、（１）に記載の二酸化チタン薄膜の形成方法。
（４）水分散二酸化チタンゾルが１０〜１０，０００ｐｐｍの水溶性高分子を含む、（１）〜（３）のいずれか１項に記載の二酸化チタン薄膜の形成方法。
（５）基材が触媒担体である、（１）〜（４）のいずれか１項に記載の二酸化チタン薄膜の形成方法。
（６）基材が照明器具である、（１）〜（４）のいずれか１項に記載の二酸化チタン薄膜の形成方法。
（７）基材が建築用ガラスである、（１）〜（４）のいずれか１項に記載の二酸化チタン薄膜の形成方法。
（８）基材が壁材である、（１）〜（４）のいずれか１項に記載の二酸化チタン薄膜の形成方法。
（９）基材が窓材である、（１）〜（４）のいずれか１項に記載の二酸化チタン薄膜の形成方法。
（１０）（５）に記載の方法で形成された二酸化チタン薄膜を含有する触媒。
（１１）（６）に記載の方法で形成された二酸化チタン薄膜を含有する照明器具。
（１２）（７）に記載の方法で形成された二酸化チタン薄膜を含有する建築用ガラス。
（１３）（８）に記載の方法で形成された二酸化チタン薄膜を含有する壁材。
（１４）（９）に記載の方法で形成された二酸化チタン薄膜を含有する窓材。
The present invention basically includes the following inventions.
(1) Water-dispersed dioxide containing titanium dioxide in crystalline form, containing 600 to 10,000 ppm of chlorine ions as elemental chlorine, and containing 1 to 50% by weight of alkyl silicate as an adhesive in terms of SiO 2 with respect to the titanium dioxide. A method for forming a titanium dioxide thin film, comprising applying a titanium sol to a substrate surface.
(2) The method for forming a titanium dioxide thin film according to (1), wherein the adhesive is mixed immediately before film formation in a water-dispersed titanium dioxide sol and applied to the surface of the substrate.
(3) The method for forming a titanium dioxide thin film according to (1), wherein a water-dispersed titanium dioxide sol is applied to the surface of the substrate and then baked.
(4) The method for forming a titanium dioxide thin film according to any one of (1) to (3), wherein the water-dispersed titanium dioxide sol contains 10 to 10,000 ppm of a water-soluble polymer.
(5) The method for forming a titanium dioxide thin film according to any one of (1) to (4), wherein the substrate is a catalyst carrier.
(6) The method for forming a titanium dioxide thin film according to any one of (1) to (4), wherein the substrate is a lighting fixture.
(7) The method for forming a titanium dioxide thin film according to any one of (1) to (4), wherein the base material is architectural glass.
(8) The method for forming a titanium dioxide thin film according to any one of (1) to (4), wherein the base material is a wall material.
(9) The method for forming a titanium dioxide thin film according to any one of (1) to (4), wherein the base material is a window material.
(10) A catalyst containing a titanium dioxide thin film formed by the method according to (5).
(11) A lighting fixture containing a titanium dioxide thin film formed by the method according to (6).
(12) Architectural glass containing a titanium dioxide thin film formed by the method according to (7).
(13) A wall material containing a titanium dioxide thin film formed by the method according to (8).
(14) A window material containing a titanium dioxide thin film formed by the method according to (9).
本発明に係わる水分散酸化チタンゾルはこれを各種の基材に塗布して酸化チタンの薄膜を形成した場合、薄膜は透明にして光触媒作用に優れる。特に酸化チタンがブルーカイト型の場合、光触媒作用が高い。また薄膜は硬度が高く、かつ基材との密着性に優れたものとなる。
従って基材上の薄膜は耐久性があり、この薄膜を例えば照明器具のガラス管や照明器具のカバー等に使用すれば光を遮断することなく長期に亘って光触媒作用が維持される。
本発明に係わる水分散酸化チタンゾルは四塩化チタンを原料とする水系で製造することが可能であるので、原料は安価であり、またゾルが容易に薄膜を形成でき、経済的にも有利である。
When the water-dispersed titanium oxide sol according to the present invention is applied to various substrates to form a titanium oxide thin film, the thin film is transparent and excellent in photocatalytic action. In particular, when the titanium oxide is a brookite type, the photocatalytic action is high. The thin film has high hardness and excellent adhesion to the substrate.
Therefore, the thin film on the substrate is durable, and if this thin film is used for, for example, a glass tube of a lighting fixture or a cover of a lighting fixture, the photocatalytic action is maintained for a long time without blocking light.
Since the water-dispersed titanium oxide sol according to the present invention can be produced in an aqueous system using titanium tetrachloride as a raw material, the raw material is inexpensive, and the sol can easily form a thin film, which is economically advantageous. .
本発明に係わる水分散酸化チタンゾルは該ゾルから形成した薄膜が光触媒機能に優れるばかりでなく、特に基材との密着性、透明性を高めたもので、その水分散酸化チタンゾルには塩素イオンが塩素元素として６００〜１０，０００ｐｐｍ、好ましくは６００〜４，０００ｐｐｍ含まれている。四塩化チタンを加水分解して水分散酸化チタンゾルを得る方法では反応により塩化水素が生成する。そしてゾル中では殆ど塩素イオンと水素イオンに解離している。一般的にはこの塩化水素は加熱下の加水分解反応において多くは系外に逸出される。またゾルに塩化水素が含まれているとゾルから酸化チタン粉末を得たり、あるいは酸化チタン薄膜を得る場合にも種々の障害が発生すると考えられ、加水分解反応でゾル中に塩化水素がある程度以上残留した場合は脱塩素処理してできるだけゾル中に塩化水素は含まれないようにするのが普通であった。しかし、従来はこのゾル中の塩素イオンが酸化チタンの薄膜特性に及ぼす影響について考慮されたことはなく、この観点からゾル中の塩素イオンを制御する技術は存在しなかった。 Water dispersible oxidized Chitanzo Le according to the present invention not only thin film formed from the sol has excellent photocatalytic function, particularly adhesion to the substrate, which has enhanced transparency and the aqueous dispersion titanium oxide sol chloride Is contained as an elemental chlorine in an amount of 600 to 10,000 ppm, preferably 600 to 4,000 ppm. In the method of hydrolyzing titanium tetrachloride to obtain a water-dispersed titanium oxide sol, hydrogen chloride is generated by the reaction. In the sol, it is almost dissociated into chlorine ions and hydrogen ions. In general, most of this hydrogen chloride escapes from the system in the hydrolysis reaction under heating. In addition, when hydrogen chloride is contained in the sol, various obstacles may occur when obtaining titanium oxide powder from the sol or obtaining a titanium oxide thin film. Hydrolysis causes a certain amount of hydrogen chloride in the sol. When it remained, it was usual to dechlorinate it so that hydrogen chloride was not contained in the sol as much as possible. However, conventionally, the influence of chlorine ions in the sol on the thin film properties of titanium oxide has not been considered, and there has been no technique for controlling the chlorine ions in the sol from this viewpoint.
水分散酸化チタンゾルにおいて、含有する塩素イオンが塩素元素として５０ｐｐｍ未満では基材に形成した酸化チタン薄膜の基材との密着性が十分でない。特に薄膜を焼成した場合に塩素イオンが６００ｐｐｍ以上含むとこの密着性がより優れる。本発明ではこの密着性は薄膜の基材からの剥離強度及び薄膜の硬度で表わされる。逆にゾル中の塩素イオンが多くなり、塩素元素として１０，０００ｐｐｍを越えると薄膜の透明性が劣る。上記の範囲において特に好ましい範囲は６００〜４，０００ｐｐｍである。 In the water-dispersed titanium oxide sol, if the contained chlorine ion is less than 50 ppm as chlorine element, the adhesion of the titanium oxide thin film formed on the substrate to the substrate is not sufficient. In particular, when the thin film is baked, the adhesion is more excellent when chlorine ions are contained at 600 ppm or more. In the present invention, this adhesion is represented by the peel strength of the thin film from the substrate and the hardness of the thin film. On the contrary, if the chlorine ion in the sol increases and exceeds 10,000 ppm as a chlorine element, the transparency of the thin film is inferior. A particularly preferable range in the above range is 600 to 4,000 ppm.
上記の塩素イオンの作用については定かでないが、酸化チタンゾル中において酸化チタン粒子の粒子間の電気的な反発が多くなるので、粒子の分散性が良好となることにより透明性と剥離強度等にこのような結果がもたらされたものと推定される。
水分散酸化チタンゾルの酸化チタン粒子は細かい方が酸化チタン薄膜の光触媒作用が高まり、また透明性もよくなる。また触媒作用の点から結晶質であることが好ましい。しかし、あまり細かい酸化チタン粒子を得ることは製造上の困難を伴うので、ゾル中の酸化チタン粒子は平均粒径で０．０１〜０．１μｍの範囲が好ましい。
Although the action of the above-mentioned chlorine ions is not clear, since the electrical repulsion between the titanium oxide particles increases in the titanium oxide sol, the dispersibility of the particles improves, so that the transparency and peel strength are improved. It is presumed that such a result was brought about.
The finer the titanium oxide particles in the water-dispersed titanium oxide sol, the higher the photocatalytic action of the titanium oxide thin film and the better the transparency. Moreover, it is preferable that it is crystalline from the point of a catalytic action. However, since obtaining fine titanium oxide particles involves manufacturing difficulties, the titanium oxide particles in the sol preferably have an average particle size in the range of 0.01 to 0.1 μm.
本発明に係わる水分散酸化チタンゾルは、該ゾルから形成された薄膜の光触媒機能及び透明性を高めるために、平均粒子径が０．５μｍ以下、好ましくは０．０１〜０．１μｍで、比表面積が２０ｍ2 ／ｇ以上のブルーカイト型酸化チタン粒子が水に分散したゾルであることが好ましい。このブルーカイト型酸化チタン粒子はエネルギーギャップが３．２３ｅＶ以上である。
酸化チタンの粒子径に関していえば、酸化チタン薄膜の透明性を高めるためゾル中の酸化チタン粒子は平均粒径が０．５μｍ以下、より好ましくは０．０１〜０．１μｍの単分散であることが好ましい。比表面積が大きくても、ゾル中で１次粒子が凝集している場合は塗布して薄膜とした時に透明にはならない。
Water dispersible oxidized Chitanzo Le according to the present invention, in order to increase its photocatalytic function and transparency of the thin film formed from the sol, average particle diameter of 0.5μm or less, preferably 0.01 to 0.1 m, A sol in which brookite-type titanium oxide particles having a specific surface area of 20 m 2 / g or more are dispersed in water is preferable . The blue-kite type titanium oxide particles have an energy gap of 3.23 eV or more.
Regarding the titanium oxide particle size, in order to increase the transparency of the titanium oxide thin film, the titanium oxide particles in the sol should be monodispersed with an average particle size of 0.5 μm or less, more preferably 0.01 to 0.1 μm. Is preferred. Even if the specific surface area is large, when the primary particles are aggregated in the sol, it is not transparent when applied to form a thin film.
従来はブルーカイト型を得るには、前述したようにアナターゼ型酸化チタンの熱処理による方法しかなく、熱処理により得られたブルーカイト型酸化チタン粒子を薄膜としようとする場合は、粒子径が熱処理による焼結により大きく成長しているので薄膜形成用としては全く使用されなかった。
上記の本発明に係わるゾルにおいて、ゾル中の酸化チタン粒子の濃度が高過ぎると粒子が凝集し、ゾルが不安定になる。また酸化チタン粒子の濃度が低過ぎると、例えば薄膜形成の際ゾルの塗布工程に時間がかかるなどの問題が生じる。これらのことから水分散酸化チタンゾル中の酸化チタン粒子の濃度（含有量）は０．０５〜１０モル／リットルが特に適する。
Conventionally, in order to obtain a brookite type, there is only a method by heat treatment of anatase type titanium oxide as described above, and when the brookite type titanium oxide particles obtained by the heat treatment are to be made into a thin film, the particle size is determined by the heat treatment. since strong growth by sintering was not quite such is used for the thin film formation.
In the sol according to the present invention, when the concentration of the titanium oxide particles in the sol is too high, the particles aggregate and the sol becomes unstable. On the other hand, if the concentration of the titanium oxide particles is too low, there arises a problem that, for example, it takes a long time to apply the sol when forming a thin film. For these reasons, the concentration (content) of titanium oxide particles in the water-dispersed titanium oxide sol is particularly preferably 0.05 to 10 mol / liter.
本発明に係わる水分散酸化チタンゾルは、これを濾過、水洗、乾燥することにより酸化チタン粒子を得ることができる。ブルーカイト型酸化チタンのゾルから得られる粒子は平均粒子径が５μｍ以下、好ましくは０．０１〜０．１μｍで、比表面積が２０ｍ2 ／ｇ以上である。そしてエネルギーギャップは３．２３ｅＶ以上である。
また水分散酸化チタンゾルを薄膜形成に用いる場合、塗膜の成膜性を高めるためにゾルに水溶性高分子を少量、例えば１０〜１０，０００ｐｐｍ程度添加することが好ましい。水溶性高分子としてはポリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロース、ＣＭＣ、澱粉などが好適である。
The water-dispersed titanium oxide sol according to the present invention can be obtained by filtering, washing with water and drying. Particles obtained from brookite-type titanium oxide sol have an average particle size of 5 μm or less, preferably 0.01 to 0.1 μm, and a specific surface area of 20 m 2 / g or more. The energy gap is 3.23 eV or more.
Further, when the water-dispersed titanium oxide sol is used for forming a thin film, it is preferable to add a small amount, for example, about 10 to 10,000 ppm of a water-soluble polymer to the sol in order to improve the film formability of the coating film. As the water-soluble polymer, polyvinyl alcohol, methyl cellulose, ethyl cellulose, CMC, starch and the like are suitable.
本発明に係わる水分散酸化チタンゾルを各種の材料、成形体等の基材に塗布し、基材の表面に酸化チタン薄膜を形成することができる。基材としてはセラミックス、ガラス、金属、プラスチック、木材、紙等殆ど制限なく対象とすることができる。基材をアルミナ、ジルコニア等からなる触媒担体とし、これに酸化チタン薄膜の触媒を担持して触媒として使用することもできる。また蛍光ランプ等の照明器具のガラスやそのプラスチックカバー等を基材としてこれに酸化チタン薄膜を形成すれば薄膜は透明であり、かつ光触媒作用を有するので光を遮蔽することなく油煙等の有機物を分解することができ、ガラスやカバーの汚れを防止するのに有効である。また建築用ガラスや壁材に酸化チタン薄膜を形成すれば同様に汚れを防止することが可能になるので、高層ビルなどの窓材や壁材に用いることができ、清掃作業を必要としなくなるためビル管理コスト削減に役立つ。
水分散酸化チタンゾルを基材に塗布するには基材をゾル中に浸漬する方法、基材にゾルをスプレーする方法、ゾルを刷毛で基材に塗布する方法などが採用される。ゾルの塗布量は液状の厚さにして０．０１〜０．２ｍｍが適当である。塗布後乾燥して水分を除去すれば薄膜が得られ、このままでも触媒等の用途に供することができる。
The water-dispersed titanium oxide sol according to the present invention can be applied to a substrate such as various materials and molded bodies to form a titanium oxide thin film on the surface of the substrate. As the substrate, ceramics, glass, metal, plastic, wood, paper, etc. can be used without any limitation. The base material may be a catalyst carrier made of alumina, zirconia or the like, and a titanium oxide thin film catalyst may be supported on the base material and used as a catalyst. In addition, if a titanium oxide thin film is formed on a glass or plastic cover of a lighting fixture such as a fluorescent lamp as a base material, the thin film is transparent and has a photocatalytic action, so that organic substances such as oil and smoke can be removed without shielding light. It can be disassembled and is effective in preventing dirt on the glass and cover. In addition, if a titanium oxide thin film is formed on architectural glass or wall materials, it becomes possible to prevent contamination as well, so it can be used for window materials and wall materials for high-rise buildings, etc., and cleaning work is not required. Helps reduce building management costs.
In order to apply the water-dispersed titanium oxide sol to the substrate, a method of immersing the substrate in the sol, a method of spraying the sol on the substrate, a method of applying the sol to the substrate with a brush, and the like are employed. The coating amount of the sol is suitably 0.01 to 0.2 mm in terms of liquid thickness. A thin film can be obtained by removing moisture by drying after coating, and it can be used for applications such as a catalyst.
基材が金属やセラミックス、例えばガラス等の耐熱性である場合は酸化チタン薄膜を形成後焼成することができ、これによって薄膜は一層強く基材に密着し、薄膜の硬度も上る。この焼成温度は２００℃以上が好ましい。焼成温度の上限には特に制限はなく、基材の耐熱性に応じて定めればよいが、あまり温度を高くしても薄膜の硬度や基材との密着性は増さないので８００℃位迄が適当である。また、ブルーカイト型酸化チタンの場合は、その結晶形を維持するには７００℃以下の温度で焼結するのがよい。
焼成の雰囲気は特に制限されず、大気中でよい。焼成時間は特に制限はなく、例えば１〜６０分の範囲で行えばよい。焼成によって得られる酸化チタン薄膜の厚さは、前記の塗布量の場合０．０５〜１．０μｍ位である。
また、本発明に係わる透明薄膜をより強固で基材に対する接着力を高めるために、適当な接着剤としてアルキルシリケートを水分散酸化チタンゾルに添加する。添加量は酸化チタンゾル中の酸化チタンに対しＳｉＯ2 換算にして１〜５０重量％程度である。添加量が１重量％未満であると、接着剤の添加効果が低い。また、５０重量％を越えると、基材に対する接着強度は非常に強固になるが、酸化チタン粒子が接着剤に完全にくるまれてしまい光触媒能が消失してしまうので好ましくない。この場合の接着剤は、接着剤の性質により成膜直前に混入するかあらかじめゾルに混合した状態にするか選択すればよく、どちらでも本発明の効果には何ら問題はない。この接着剤を含む薄膜は焼成しなくてもよいが焼成することもできる。
When the base material is heat resistant such as metal or ceramics, for example, glass, it can be fired after forming the titanium oxide thin film, whereby the thin film adheres more strongly to the base material and the hardness of the thin film increases. The firing temperature is preferably 200 ° C. or higher. The upper limit of the firing temperature is not particularly limited and may be determined according to the heat resistance of the substrate. However, even if the temperature is increased too much, the hardness of the thin film and the adhesion to the substrate do not increase, so about 800 ° C. Is suitable. In the case of brookite type titanium oxide, it is preferable to sinter at a temperature of 700 ° C. or lower in order to maintain the crystal form.
The firing atmosphere is not particularly limited and may be in the air. There is no restriction | limiting in particular in baking time, For example, what is necessary is just to carry out in the range of 1 to 60 minutes. The thickness of the titanium oxide thin film obtained by firing is about 0.05 to 1.0 μm in the case of the above coating amount.
Further, in order to increase the adhesion to the transparent thin film according to the present invention more robust substrates, the alkyl silicate is added to the aqueous dispersion titanium oxide sol as a suitable adhesive. The addition amount is about 1 to 50% by weight, in terms of SiO 2 with respect to titanium oxide in the oxidation sol. When the addition amount is less than 1% by weight, the effect of adding the adhesive is low. On the other hand, if it exceeds 50% by weight, the adhesive strength to the substrate becomes very strong, but the titanium oxide particles are completely wrapped in the adhesive and the photocatalytic ability is lost, which is not preferable. In this case, the adhesive may be selected to be mixed immediately before film formation or mixed in advance with the sol depending on the nature of the adhesive, and there is no problem with the effect of the present invention. The thin film containing the adhesive does not need to be fired, but can be fired.
本発明において酸化チタンゾルを用いて製造される酸化チタン薄膜は共通して結晶性であること、酸化チタン微粒子が非常に微細な粒子であること、不純物を含んでいないこと、さらにこの酸化チタン微粒子が１次粒子に限りなく近く分散していることから光触媒能力及び透明性が高く、特に酸化チタンがブルーカイト型である場合一層触媒能力が高い。 It titanium oxide thin film prepared using the Oite titanium oxide sol of the present invention is crystalline in common, that the titanium oxide fine particles are very fine particles, it does not contain impurities, further titanium oxide Since the fine particles are dispersed as close as possible to the primary particles, the photocatalytic ability and transparency are high, and the catalytic ability is particularly high when the titanium oxide is a blue kite type.
次にゾルの製造法の発明について説明する。
本発明に係わる水分散酸化チタンゾルは前記した量の塩素イオンが含まれていればよく、その製法は特に限定されない。例えばチタンのアルコキシド化合物を加水分解し、アルコールを少量含む水分散酸化チタンゾルを得、これにＨＣｌ等を加え、塩素イオン濃度を前記の範囲とすることも可能である。しかし、加水分解により塩化水素が生成する四塩化チタンを用いることが好ましい。上記の好適なブルーカイト型酸化チタンの水分散酸化チタンゾルは四塩化チタンを特定の条件で加水分解することにより得られる。
これらの加水分解において生成する塩化水素は反応槽からの逸出を防止し、できるだけゾル中に残留させることが好ましい。発生する塩化水素を逸出させながら四塩化チタンの加水分解を行なうとゾル中の酸化チタンは粒子径が小さくなりにくく、また結晶性もよくない。
Next, the invention of the method for producing sol will be described.
The water-dispersed titanium oxide sol according to the present invention is not particularly limited as long as it contains the above-mentioned amount of chlorine ions. For example, it is possible to hydrolyze an alkoxide compound of titanium to obtain a water-dispersed titanium oxide sol containing a small amount of alcohol, and to add HCl or the like to the chlorine ion concentration within the above range. However, it is preferable to use titanium tetrachloride which generates hydrogen chloride by hydrolysis. The preferred water dispersion titanium oxide sol of blue kite type titanium oxide can be obtained by hydrolyzing titanium tetrachloride under specific conditions.
It is preferable that the hydrogen chloride produced in these hydrolysiss is prevented from escaping from the reaction vessel and remains in the sol as much as possible. When the titanium tetrachloride is hydrolyzed while the generated hydrogen chloride is escaped, the titanium oxide in the sol is less likely to have a small particle size and poor crystallinity.
加水分解により発生する塩化水素は完全に逸出が防止されていなくても抑制されておればよい。またその方法も抑制できるものであれば特に限定されず、例えば加圧することによっても可能であるが、最も容易にして効果的な方法は加水分解の反応槽に還流冷却器を設置して加水分解を行う方法である。この装置を図１に示す。図において１が四塩化チタンの水溶液２を充填した反応槽で、これに還流冷却器３が設置されている。４は撹拌機、５は温度計、６は反応槽を加熱するための装置である。加水分解反応によって水及び塩化水素の蒸気が発生するが、その大部分は還流冷却器により凝縮し、反応槽に戻されるので反応槽から外に塩化水素が逸出することは殆どない。 Hydrogen chloride generated by hydrolysis may be suppressed even if escape is not completely prevented. The method is not particularly limited as long as it can also be suppressed. For example, it is possible to apply pressure, but the easiest and most effective method is to install a reflux condenser in the hydrolysis reaction tank to perform hydrolysis. It is a method to do. This apparatus is shown in FIG. In the figure, 1 is a reaction tank filled with an aqueous solution 4 of titanium tetrachloride, and a reflux condenser 3 is installed in this reaction tank. 4 is a stirrer, 5 is a thermometer, and 6 is an apparatus for heating the reaction vessel. Although water and hydrogen chloride vapor are generated by the hydrolysis reaction, most of them are condensed by the reflux condenser and returned to the reaction tank, so that hydrogen chloride hardly escapes from the reaction tank.
加水分解する四塩化チタン水溶液中の四塩化チタンの濃度は低過ぎると生産性が悪く、生成する水分散酸化チタンゾルから薄膜を形成する際に効率が低く、また濃度が高過ぎると反応が激しくなり、得られる酸化チタンの粒子が微細になりにくく、かつ分散性も悪くなるために透明薄膜形成材としては適さない。従って加水分解により酸化チタンの濃度の高いゾルを生成させ、これを多量の水で希釈して前記したような酸化チタンの濃度０．０５〜１０モル／リットルに調整する方法は好ましくない。ゾルの生成時において酸化チタンの濃度が前記の範囲にするのがよく、そのためには加水分解される四塩化チタン水溶液中の四塩化チタンの濃度は前記した生成する酸化チタンの濃度と大差ない値、即ちほぼ０．０５〜１０モル／リットルとすればよく、必要ならば以後の工程で少量の水の添加もしくは濃縮することで濃度を０．０５〜１０モル／リットルに調整してもよい。 If the concentration of titanium tetrachloride in the aqueous solution of titanium tetrachloride to be hydrolyzed is too low, the productivity is poor, the efficiency is low when forming a thin film from the water-dispersed titanium oxide sol that is produced, and if the concentration is too high, the reaction becomes intense. Since the obtained titanium oxide particles are difficult to be fine and the dispersibility is also deteriorated, it is not suitable as a transparent thin film forming material. Accordingly, it is not preferable to produce a sol having a high titanium oxide concentration by hydrolysis and diluting it with a large amount of water to adjust the titanium oxide concentration to 0.05 to 10 mol / liter as described above. The concentration of titanium oxide should be within the above range at the time of sol formation. For this purpose, the concentration of titanium tetrachloride in the aqueous solution of titanium tetrachloride to be hydrolyzed is a value that is not significantly different from the concentration of titanium oxide produced above. That is, it may be about 0.05 to 10 mol / liter, and if necessary, the concentration may be adjusted to 0.05 to 10 mol / liter by adding or concentrating a small amount of water in the subsequent steps.
加水分解における温度は５０℃以上、四塩化チタン水溶液の沸点迄の範囲が好ましい。５０℃未満では加水分解反応に長時間を要する。加水分解は上記の温度に昇温し、１０分から１２時間程度保持して行われる。この保持時間は加水分解の温度が高温側にある程短くてよい。
四塩化チタン水溶液の加水分解は四塩化チタンと水との混合溶液を反応槽中で所定の温度に加熱してもよく、また水を反応槽中で予め加熱しておき、これに四塩化チタンを添加し、所定の温度にしてもよい。この加水分解により一般的にはブルーカイト型にアナターゼ型及び／又はブルーカイト型が混合した酸化チタンが得られる。その中でブルーカイト型の酸化チタンの含有率を高めるには水を反応槽で予め７５〜１００℃に加熱しておき、これに四塩化チタンを添加し、７５℃〜溶液の沸点の温度範囲で加水分解する方法が適する。その方法によって生成する全酸化チタンのうちブルーカイト型の酸化チタンを７０重量％以上とすることが可能である。
The temperature in the hydrolysis is preferably in the range of 50 ° C. or higher and the boiling point of the aqueous titanium tetrachloride solution. Below 50 ° C., the hydrolysis reaction takes a long time. The hydrolysis is carried out by raising the temperature to the above temperature and holding it for about 10 minutes to 12 hours. This holding time may be shorter as the hydrolysis temperature is higher.
Hydrolysis of the titanium tetrachloride aqueous solution may be performed by heating a mixed solution of titanium tetrachloride and water to a predetermined temperature in the reaction vessel, or by preheating water in the reaction vessel, May be added to a predetermined temperature. This hydrolysis generally provides titanium oxide in which an anatase type and / or a blue kite type are mixed with a blue kite type. In order to increase the content of blue-kite type titanium oxide, water is heated to 75 to 100 ° C. in advance in a reaction vessel, and titanium tetrachloride is added thereto, and the temperature range from 75 ° C. to the boiling point of the solution. The method of hydrolyzing with is suitable. Of the total titanium oxide produced by the method, the blue-kite type titanium oxide can be made 70% by weight or more.
加水分解における四塩化チタン水溶液の昇温速度は早い方が得られる粒子が細かくなるので、好ましくは０．２℃／ｍｉｎ以上、さらに好ましくは０．５℃／ｍｉｎ以上である。
この方法によってゾル中の酸化チタン粒子は平均粒径が０．５μｍ以下、好ましくは０．０１〜０．１μｍの範囲の結晶性のよいものとなる。
本発明に係わる水分散酸化チタンゾルの製造方法はバッチ式に限らず、反応槽を連続槽にして四塩化チタンと水を連続投入しながら、投入口の反対側で反応液を取り出し、引き続き脱塩素処理するような連続方式も可能である。
生成したゾルは脱塩素処理やあるいは支障ない範囲で水の添加、脱水等により塩素イオンが６００〜１０，０００ｐｐｍになるように調整する。
The faster the rate of temperature increase of the aqueous titanium tetrachloride solution in the hydrolysis, the finer the particles obtained, so that it is preferably 0.2 ° C./min or higher, more preferably 0.5 ° C./min or higher.
By this method, the titanium oxide particles in the sol have good crystallinity with an average particle size of 0.5 μm or less, preferably 0.01 to 0.1 μm.
The production method of the water-dispersed titanium oxide sol according to the present invention is not limited to the batch type, and the reaction vessel is continuously fed and titanium tetrachloride and water are continuously fed, while the reaction solution is taken out on the opposite side of the charging port, followed by dechlorination. A continuous method of processing is also possible.
The generated sol is adjusted so that the chlorine ion becomes 600 to 10,000 ppm by dechlorination treatment or addition of water or dehydration within a range that does not hinder .
脱塩素処理は一般の公知手段でよく電気透析、イオン交換樹脂、電気分解などが可能である。脱塩素の程度はゾルのｐＨを目安にすればよく、塩素イオンが６００〜１０，０００ｐｐｍの場合、ｐＨは約５〜０．５、好ましい範囲である６００〜４，０００ｐｐｍの場合、ｐＨは約４〜１である。
本発明に係わる水分散ゾルに有機溶媒を加え、水と有機溶媒の混合物に酸化チタン粒子を分散させることもできる。
本発明に係わる水分散酸化チタンゾルから酸化チタンの薄膜を形成する場合、加水分解反応で生成したゾルをそのまま用いるのが好ましく、このゾルから酸化チタンの粉末を製造し、これを水に分散し、ゾルにして用いることは好ましい方法ではない。酸化チタンの粒子は表面活性が高く、微粒子になればなるほど活性度が上昇するため水への分散は非常に困難になる、すなわち凝集体となってしまい、これからつくられた薄膜は透明性に劣り、光触媒作用も低下するからである。
The dechlorination treatment may be performed by a general known means, and electrodialysis, ion exchange resin, electrolysis and the like are possible. The degree of dechlorination may be based on the pH of the sol. When the chlorine ion is 600 to 10,000 ppm, the pH is about 5 to 0.5, and when the preferred range is 600 to 4,000 ppm, the pH is about 4 to 1.
An organic solvent can be added to the water-dispersed sol according to the present invention , and the titanium oxide particles can be dispersed in a mixture of water and the organic solvent.
In the case of forming a thin film of titanium oxide from the water-dispersed titanium oxide sol according to the present invention, it is preferable to use the sol generated by the hydrolysis reaction as it is, to produce a titanium oxide powder from this sol, and disperse it in water. Use as a sol is not a preferred method. Titanium oxide particles have a high surface activity, and the finer the particles, the higher the activity. Therefore, dispersion in water becomes very difficult, that is, agglomerates are formed, and thin films made from them are inferior in transparency. This is because the photocatalytic action is also reduced.
以下、実施例により具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
（参考例１〜６）
四塩化チタン（純度９９．９％）に水を加え、四塩化チタン濃度が０．２５モル／リットル（酸化チタン換算２重量％）となるように溶液を調整した。この時、水溶液の液温が５０℃以上に上昇しないように氷冷など適当な冷却装置を設けた。次に、この水溶液１リットルを図１に示す還流冷却器付きの反応槽に装入し、沸点付近（１０４℃）まで加熱し、６０分間保持して加水分解した。得られたゾルを冷却後、反応で生成した残留塩素を電気透析により取り除き、表１に示す塩素イオン濃度とした。電気透析は旭化成工業（株）製電気透析装置Ｇ３型を用いゾル液のｐＨを監視しながら実施した。
塩素イオンを調整した夫々の水分散酸化チタンゾルに、成膜用助剤として水溶性高分子であるポリビニルアルコールをゾル液重量に対して１，０００ｐｐｍ添加した。このゾルは塩素イオンが５０〜１０，０００ｐｐｍのものは安定であり、１日以上経過しても生成した酸化チタン微粒子の沈降は認められなかった。しかし、塩素イオンが３０ｐｐｍのものはゾル中の酸化チタンの凝集がみられ、また１５，０００ｐｐｍのものはそれを用いた薄膜が薄い白色を呈した。
透過型電子顕微鏡でゾル中の粒子を観察したところ粒子の平均粒子径は０．０１５〜０．０１８μｍであり、Ｘ線回折装置から前記粒子の同定を行ったところ結晶性の酸化チタンであった。
Hereinafter, although an example explains concretely, the present invention is not limited to an example.
( Reference Examples 1-6)
Water was added to titanium tetrachloride (purity 99.9%), and the solution was adjusted so that the titanium tetrachloride concentration was 0.25 mol / liter (2% by weight in terms of titanium oxide). At this time, an appropriate cooling device such as ice cooling was provided so that the temperature of the aqueous solution would not rise above 50 ° C. Next, 1 liter of this aqueous solution was charged into the reaction tank equipped with a reflux condenser shown in FIG. 1, heated to near the boiling point (104 ° C.), and maintained for 60 minutes for hydrolysis. After cooling the obtained sol, residual chlorine produced by the reaction was removed by electrodialysis to obtain chloride ion concentrations shown in Table 1. The electrodialysis was performed using Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd. electrodialyzer G3 type while monitoring the pH of the sol solution.
To each water-dispersed titanium oxide sol with adjusted chlorine ions, 1,000 ppm of polyvinyl alcohol, which is a water-soluble polymer, was added as a film forming aid to the weight of the sol. This sol was stable when the chlorine ions were 50 to 10,000 ppm, and no precipitation of the titanium oxide fine particles produced was observed even after 1 day or more. However, the aggregation of titanium oxide in the sol was observed when the chlorine ion was 30 ppm, and the thin film using it had a light white color when it was 15,000 ppm.
When the particles in the sol were observed with a transmission electron microscope, the average particle diameter of the particles was 0.015 to 0.018 μm, and when the particles were identified from an X-ray diffractometer, it was crystalline titanium oxide. .
（比較例１，２）
水分散酸化チタンゾル中の塩素イオン濃度を３０ｐｐｍ（比較例１）及び１５，０００ｐｐｍ（比較例２）とした以外は参考例と同様にしてゾルを得た。
(Comparative Examples 1 and 2)
A sol was obtained in the same manner as in the reference example except that the chlorine ion concentration in the water-dispersed titanium oxide sol was 30 ppm (Comparative Example 1) and 15,000 ppm (Comparative Example 2).
参考例、比較例のゾルを用いてディップコートによりガラス板上に塗布して乾燥後、５００℃で１時間空気中で熱処理して酸化チタン薄膜を得た。熱処理後の酸化チタン薄膜の厚さは０．１５μｍであった。
酸化チタンの結晶形を粉末Ｘ線回折パターンのリートベルト解析により調べた結果、熱処理前のものはアナターゼ型約５０重量％と、ブルーカイト型約５０重量％の混合物であり、８００℃以上に加熱するとルチル型単独となった。
The sols of Reference Examples and Comparative Examples were applied on a glass plate by dip coating, dried, and then heat-treated in air at 500 ° C. for 1 hour to obtain a titanium oxide thin film. The thickness of the titanium oxide thin film after the heat treatment was 0.15 μm.
As a result of examining the crystal form of titanium oxide by Rietveld analysis of the powder X-ray diffraction pattern, the one before heat treatment is a mixture of about 50% by weight of anatase type and about 50% by weight of brookite type, and heated to 800 ° C. or higher. Then, it became a rutile type alone.
成膜の評価
参考例、比較例それぞれの水分散酸化チタンゾルから得た酸化チタン薄膜の光透過率、光触媒能力及び石英ガラス板との密着性を測定した。
光透過率の測定方法は、石英ガラス板上に成膜した酸化チタン薄膜を日本分光（株）製分光光度計にセットして７００〜２００ｎｍまで波長を連続的に変化させることで光透過率を測定した。そして５５０ｎｍにおける光透過率を本発明における光透過率として表わした。その結果を表１に示す。
シュウ酸の分解方法は、成膜した酸化チタン薄膜付石英ガラス板で反応容器を作製し、これに５ミリモル／リットルのシュウ酸を入れ、酸素を吹込みながら１００Ｗの水銀ランプを照射し、４時間後のシュウ酸の分解量を過マンガン酸カリウムの酸化還元滴定により求めた。その結果を表１に示す。
また焼成後の石英ガラス板と薄膜との密着性は鉛筆硬度試験法ならびにごばん目剥離試験法（ＪＩＳ Ｋ５４００）により求めた。その結果を表１に示す。
Evaluation of film formation
The light transmittance, photocatalytic ability, and adhesion to the quartz glass plate of the titanium oxide thin film obtained from each of the water-dispersed titanium oxide sols of the reference example and the comparative example were measured.
The light transmittance is measured by setting a titanium oxide thin film formed on a quartz glass plate in a spectrophotometer manufactured by JASCO Corporation, and changing the wavelength continuously from 700 to 200 nm. It was measured. The light transmittance at 550 nm was expressed as the light transmittance in the present invention. The results are shown in Table 1.
The method for decomposing oxalic acid is to prepare a reaction vessel with a quartz glass plate with a titanium oxide thin film formed, put 5 mmol / liter of oxalic acid into this, and irradiate a 100 W mercury lamp while blowing oxygen. The amount of oxalic acid decomposed after time was determined by redox titration of potassium permanganate. The results are shown in Table 1.
Further, the adhesion between the fired quartz glass plate and the thin film was determined by a pencil hardness test method and a goblet peel test method (JIS K5400). The results are shown in Table 1.
（参考例７，８、比較例３，４）
参考例１〜６、比較例１，２と同じく水分散酸化チタンゾルを用い、基材としてプラスチック（ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ））板を用い、その上に前記酸化チタンゾルの塗膜を形成し、焼成の代りに１００℃で乾燥した以外は前記参考例、比較例と同様にして酸化チタン薄膜を形成し、その薄膜の特性を評価した。
その結果を表２に示す。
( Reference Examples 7 and 8, Comparative Examples 3 and 4)
As in Reference Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2, a water-dispersed titanium oxide sol is used, a plastic (polyethylene terephthalate (PET)) plate is used as a base material, a coating film of the titanium oxide sol is formed thereon, Instead, a titanium oxide thin film was formed in the same manner as in the above Reference Example and Comparative Example except that it was dried at 100 ° C., and the characteristics of the thin film were evaluated.
The results are shown in Table 2.
（参考例９）
蒸留水９５４ｍｌを図１に示す還流冷却器付きの反応槽に装入し、９５℃に加温する。撹拌速度を約２００ｒｐｍに保ちながら、ここに四塩化チタン（Ｔｉ含有量：１６．３％、比重１．５９、純度９９．９％）水溶液４６ｍｌを約５ｍｌ／ｍｉｎの速度で反応槽に滴下した。この時、反応液の温度が下がらないように注意した。その結果、四塩化チタン濃度が０．２５ｍｏｌ／ｌ（酸化チタン換算２重量％）であった。
反応槽中では反応液が滴下直後から、白濁し始めたがそのままの温度で保持を続け、滴下終了後さらに昇温し沸点付近（１０４℃）まで加熱し、この状態で６０分間保持して完全に反応を終了した。冷却後、反応で生成した残留塩素を電気透析により取り除き、ｐＨ＝２（塩素イオン６００ｐｐｍ）とした後、成膜用助剤として水溶性高分子であるポリビニルアルコールを酸化チタン含有量に対して０．１％添加して、酸化チタンゾルとした。このゾルは安定であり、３０日以上経過しても生成した酸化チタン微粒子の沈降は認められなかった。
( Reference Example 9)
Distilled water (954 ml) is charged into the reaction vessel with a reflux condenser shown in FIG. 1 and heated to 95 ° C. While maintaining the stirring speed at about 200 rpm, 46 ml of an aqueous solution of titanium tetrachloride (Ti content: 16.3%, specific gravity 1.59, purity 99.9%) was dropped into the reaction vessel at a rate of about 5 ml / min. . At this time, care was taken not to lower the temperature of the reaction solution. As a result, the titanium tetrachloride concentration was 0.25 mol / l (2% by weight in terms of titanium oxide).
In the reaction vessel, the reaction solution started to become cloudy immediately after dropping, but kept at the same temperature. After the dropping was completed, the temperature was further raised and heated to the vicinity of the boiling point (104 ° C.). The reaction was terminated. After cooling, residual chlorine generated by the reaction is removed by electrodialysis to adjust pH = 2 (chlorine ion 600 ppm), and then water-soluble polymer polyvinyl alcohol is added to the titanium oxide content as a film forming aid. .1% was added to obtain a titanium oxide sol. This sol was stable, and no precipitation of titanium oxide fine particles formed was observed even after 30 days or more.
前記ゾルを濾過後６０℃の真空乾燥器を用いて粉末として取り出し、前記したＸ線回折法により同定した結果、酸化チタンはブルーカイト型が９６．７重量％、ルチル型が０．９重量％、アナターゼ型が２．４重量％であった。また、透過型電子顕微鏡でこの微粒子を観察したところ、１次粒子の平均粒子径は１５ｎｍであった。さらにＢＥＴ法によりこの微粒子比表面積は１００ｍ2 ／ｇであった。
一方、前記ゾルをスピンコーターを用いて石英ガラス基板に均一に塗布して、１００℃乾燥器で乾燥し透明膜を得た。この薄膜付き石英ガラス基板の透過率は可視部では９５％以上を示し完全に透明であった。さらに、紫外部において吸収が認められ、基礎吸収端から求めたエネルギーギャップは３．７５ｅＶであった。この時のエネルギーギャップを求める式は（１）式に示す。
λ＝１２３９／Ｅｇ （１）
λ：基礎吸収端（ｎｍ） Ｅｇ：エネルギーギャップ（ｅＶ）
The sol was filtered and taken out as a powder using a vacuum dryer at 60 ° C. and identified by the above-mentioned X-ray diffraction method. As a result, titanium oxide was 96.7% by weight of the blue kite type and 0.9% by weight of the rutile type. The anatase type was 2.4% by weight. Further, when the fine particles were observed with a transmission electron microscope, the average particle diameter of the primary particles was 15 nm. Further, this fine particle specific surface area was 100 m 2 / g by BET method.
On the other hand, the sol was uniformly applied to a quartz glass substrate using a spin coater and dried with a 100 ° C. drier to obtain a transparent film. The transmittance of the quartz glass substrate with the thin film was 95% or more in the visible part and was completely transparent. Furthermore, absorption was recognized in the ultraviolet region, and the energy gap determined from the fundamental absorption edge was 3.75 eV. The equation for obtaining the energy gap at this time is shown in equation (1).
λ = 1239 / Eg (1)
λ: fundamental absorption edge (nm) Eg: energy gap (eV)
（参考例１０）
参考例９において、四塩化チタン水溶液の滴下する反応温度を７５℃とした以外は、参考例９と同様にして酸化チタンを析出させた。この粒子を同様にＸ線回折装置で同定したところブルーカイト型酸化チタンが７５重量％、ルチル型酸化チタンが２５重量％であった。また、透過型電子顕微鏡でこの微粒子を観察したところ、１次粒子の平均粒子径は１０ｎｍであった。さらにＢＥＴ法によりこの微粒子比表面積は１２０ｍ2 ／ｇであった。
電気透析により、ｐＨ＝１（塩素イオン３０００ｐｐｍ）とした酸化チタンゾルを用いてガラス基板に塗布して、５００℃に焼成することで透明薄膜を作製した。この薄膜を薄膜Ｘ線回折で測定したところ、前記同様ブルーカイト型とルチル型の混合酸化チタンであった。また、この薄膜付きガラス基板の透過スペクトルから可視部では９５％以上の透過率を示し完全に透明であった。さらに、紫外部による基礎吸収端から求めたエネルギーギャップは３．３０ｅＶであった。
( Reference Example 10)
In Reference Example 9, titanium oxide was deposited in the same manner as in Reference Example 9 except that the reaction temperature at which the aqueous titanium tetrachloride solution was dropped was 75 ° C. This particle was similarly identified by an X-ray diffractometer. As a result, it was found that brookite type titanium oxide was 75% by weight and rutile type titanium oxide was 25% by weight. Moreover, when the fine particles were observed with a transmission electron microscope, the average particle diameter of the primary particles was 10 nm. Further, this fine particle specific surface area was 120 m 2 / g by BET method.
A transparent thin film was prepared by applying a titanium oxide sol with pH = 1 (chlorine ion 3000 ppm) to a glass substrate by electrodialysis and baking at 500 ° C. When this thin film was measured by thin film X-ray diffraction, it was a mixed titanium oxide of brookite type and rutile type as described above. Further, from the transmission spectrum of the glass substrate with a thin film, the visible portion showed a transmittance of 95% or more and was completely transparent. Furthermore, the energy gap calculated | required from the fundamental absorption edge by an ultraviolet part was 3.30 eV.
（参考例１１）
参考例９において、水と四塩化チタン水溶液の量をそれぞれ８６２ｍｌ、１３８ｍｌとした以外は同様にした。電気透析でｐＨを２とした後、このゾルに対してエチルアルコールを等量添加して有機溶媒混合ゾルとした。これをポリエチレンシート上に塗布して乾燥することで酸化チタン薄膜を得た。解析の結果、結晶形はブルーカイト型８５重量％、ルチル型１５重量％の混合物で、粒子径は１５ｎｍであった。可視部の透過率は８０％以上であり、エネルギーギャップは３．５１ｅＶであった。
( Reference Example 11)
In Reference Example 9, the procedure was the same except that the amounts of water and the aqueous solution of titanium tetrachloride were 862 ml and 138 ml, respectively. After adjusting the pH to 2 by electrodialysis, an equal amount of ethyl alcohol was added to this sol to obtain an organic solvent mixed sol. This was coated on a polyethylene sheet and dried to obtain a titanium oxide thin film. As a result of analysis, the crystal form was a mixture of 85% by weight of brookite type and 15% by weight of rutile type, and the particle diameter was 15 nm. The transmittance of the visible part was 80% or more, and the energy gap was 3.51 eV.
（比較例５）
１次粒子径が７ｎｍであるアナターゼ型酸化チタン粒子を用い、参考例９と同じように酸化チタン濃度が２％水溶液となるように水に超音波分散器を用いて分散させた。この際、解膠剤として塩酸を添加してｐＨ１とし、以下同様の操作をして酸化チタンゾルとした。また、同様にガラス基板上に塗布、１００℃での乾燥により透明薄膜を作成した。
(Comparative Example 5)
Anatase-type titanium oxide particles having a primary particle diameter of 7 nm were used and dispersed in water using an ultrasonic disperser in the same manner as in Reference Example 9 so that the titanium oxide concentration was a 2% aqueous solution. At this time, hydrochloric acid was added as a peptizer to adjust the pH to 1, and the same operation was performed to obtain a titanium oxide sol. Similarly, a transparent thin film was prepared by coating on a glass substrate and drying at 100 ° C.
（比較例６）
１次粒子径が５０ｎｍであるルチル型の酸化チタン粒子を用いた以外は比較例５と同様にして酸化チタンゾルを得た。このゾルも比較例５と同様酸化チタン微粒子の沈降が認められたので解膠剤として塩酸を用いて再分散させて成膜した。この酸化チタンのゾルは時間の経過と共に酸化チタンの微粒子が沈降した。沈降後の上澄み液で成膜した膜に光触媒能力が認められなかったため、ゾルを作成直後に超音波分散器で分散させてから参考例９と同じ方法でガラス基板上に成膜し、光触媒能力の評価を行った。
(Comparative Example 6)
A titanium oxide sol was obtained in the same manner as in Comparative Example 5 except that rutile type titanium oxide particles having a primary particle diameter of 50 nm were used. As in Comparative Example 5, since the precipitation of titanium oxide fine particles was observed, this sol was redispersed using hydrochloric acid as a peptizer and formed into a film. In the titanium oxide sol, fine particles of titanium oxide settled with time. Since the photocatalytic ability was not recognized in the film formed with the supernatant liquid after sedimentation, the sol was dispersed with an ultrasonic disperser immediately after the formation, and then formed on the glass substrate in the same manner as in Reference Example 9, and the photocatalytic ability was obtained. Was evaluated.
成膜した薄膜の評価結果
参考例９〜１１、比較例５，６のそれぞれの酸化チタンゾルから得た酸化チタン薄膜の光触媒能力を前記したシュウ酸分解法で求めた。その結果を表３に示す。
Evaluation results of the deposited thin film
The photocatalytic ability of the titanium oxide thin films obtained from the respective titanium oxide sols of Reference Examples 9 to 11 and Comparative Examples 5 and 6 was determined by the oxalic acid decomposition method described above. The results are shown in Table 3.
比較例５においては、酸化チタンの凝集体がガラス基板上に形成され表面が不均一であった。
比較例６においては、透明な酸化チタン薄膜が得られなかったため、光触媒能力の評価は実施しなかった。
In Comparative Example 5, an aggregate of titanium oxide was formed on the glass substrate and the surface was non-uniform.
In Comparative Example 6, since a transparent titanium oxide thin film was not obtained, the photocatalytic ability was not evaluated.
（実施例１）
参考例９と同様の反応を行い、濃度が０．２５ｍｏｌ／ｌの四塩化チタン（酸化チタン換算２重量％）を加水分解させた。次にこの反応液を濃縮し酸化チタン濃度を１０重量％とし、電気透析で残留塩素を取り除き、ｐＨ＝２（塩素イオン濃度約６００ｐｐｍ）とした後、接着剤としてテトラメチルオルソシリケートＳｉ（ＯＣＨ3 ）4 を酸化チタンに対してＳｉＯ2 換算で５重量％となるように添加して、酸化チタンゾルとした。
(Example 1 )
The same reaction as in Reference Example 9 was performed to hydrolyze titanium tetrachloride having a concentration of 0.25 mol / l (2% by weight in terms of titanium oxide). Next, this reaction solution is concentrated to a titanium oxide concentration of 10% by weight, residual chlorine is removed by electrodialysis to pH = 2 (chlorine ion concentration of about 600 ppm), and tetramethylorthosilicate Si (OCH 3 ) is used as an adhesive. 4 ) was added to titanium oxide so as to be 5% by weight in terms of SiO 2 to obtain a titanium oxide sol.
（実施例２）
実施例１と濃縮、電気透析まで同様な操作を行った後、イソプロピルアルコールで５倍に希釈した後、接着剤としてテトラエチルオルソシリケートＳｉ（ＯＣ2 Ｈ5 ）4 を酸化チタンに対してＳｉＯ2 換算で２０重量％となるように添加して、有機溶媒混合の酸化チタンゾルとした。
(Example 2 )
After performing the same operations as in Example 1 up to concentration and electrodialysis, after diluting 5 times with isopropyl alcohol, tetraethylorthosilicate Si (OC 2 H 5 ) 4 as an adhesive was converted to SiO 2 in terms of SiO 2. The titanium oxide sol was mixed with an organic solvent.
（実施例３）
実施例１において、テトラエチルオルソシリケートの代りにテトラプロピルオルソシリケートＳｉ（ＯＣ3 Ｈ7 ）4 を酸化チタンに対してＳｉＯ2 換算で３５重量％となるように添加して、酸化チタンゾルとした。
(Example 3 )
In Example 1 , instead of tetraethylorthosilicate, tetrapropylorthosilicate Si (OC 3 H 7 ) 4 was added so as to be 35% by weight in terms of SiO 2 with respect to titanium oxide to obtain a titanium oxide sol.
（比較例７）
実施例３において、テトラプロピルオルソシリケートＳｉ（ＯＣ3 Ｈ7 ）4 を酸化チタンに対してＳｉＯ2 換算で５５重量％となるように添加して、酸化チタンゾルとした。
(Comparative Example 7)
In Example 3 , tetrapropyl orthosilicate Si (OC 3 H 7 ) 4 was added so as to be 55% by weight in terms of SiO 2 with respect to titanium oxide to obtain a titanium oxide sol.
成膜した薄膜の評価結果
実施例１〜３、比較例７のそれぞれの酸化チタンゾルをスピンコーターを用いて石英ガラス板に均一に塗布して室温に放置・乾燥して透明膜を得た。この膜付き石英ガラス板の透過率は可視部では９５％以上の透過率を示し完全に透明であった。また、透明膜付きの石英ガラス板の鉛筆硬度試験と密着性の試験を前述の方法で評価した。その結果を表４に示す。
Evaluation Results of Deposited Thin Films Titanium oxide sols of Examples 1 to 3 and Comparative Example 7 were uniformly applied to a quartz glass plate using a spin coater, and allowed to stand at room temperature and dried to obtain a transparent film. The transmittance of this film-coated quartz glass plate was 95% or higher in the visible part and completely transparent. Further, the pencil hardness test and the adhesion test of the quartz glass plate with a transparent film were evaluated by the above-described methods. The results are shown in Table 4.
１…反応槽
２…四塩化チタン水溶液
３…還流冷却器
４…撹拌機
５…温度計
６…加熱装置
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