JP4787253B2 - アルミナ被膜形成方法及びアルミナ繊維並びに同アルミナ繊維を備えたガス処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、アルミナ被膜の形成方法及びアルミナ繊維並びに同アルミナ繊維を備えたガス処理装置に関する。

従来より、純アルミニウムや、アルミニウム合金などのアルミニウム系金属は、常温下で空気にさらすことにより、アルミニウム系金属の表面と空気中の酸素とが反応して、表面に自然酸化膜が形成されることが知られている。

この自然酸化膜は、アルミナ（酸化アルミニウム）で形成されるものであり、耐熱性や耐食性などを示すという効果をもっているのであるが、自然酸化膜のみでは、高温条件下ばかりでなく通常環境下においても十分な耐熱性や耐食性を示すことが困難であり、また塗装等のコーティング加工を施すためにはより厚い酸化膜の形成が必要である。

そこで、自然酸化膜の下層を更に酸化することで人工酸化膜を形成して二層構造とし、耐久性や耐熱性の向上および加工性能の向上が図られている。

この二層目の人工酸化膜を形成する方法としては、主に、強酸性の溶液を用いる方法や陽極酸化技術による酸化方法が知られている。

一方、アルミニウム系金属で形成した繊維（以下、単にアルミニウム繊維という）は、他の金属繊維と比較して強度や加工性に優れており、また、非常に大きな膜表面積を有することから、工業材料や触媒の担体として幅広い分野で利用されている。

しかも、このアルミニウム繊維の表面を厚膜状に酸化した繊維（以下、アルミナ繊維という）を形成することが可能であれば、ディップコーティング加工性が向上するため、白金やプラチナなど担持させ機能性触媒繊維としたり、耐久性に優れた光触媒チタニアコーティングを施すことができる。それゆえ、より厚い酸化膜を有するアルミナ繊維が望まれていた。

ところが、アルミニウム繊維の表面を強酸性の溶液を用いて酸化する方法で処理すると、強酸性の溶液にアルミニウムが溶解してしまうために、厚膜状の酸化膜を有するアルミナ繊維を製造することは困難であった。

そこで、強酸性の溶液を用いることなく、空気中で100〜400℃に加熱することにより、アルミニウム繊維を酸化する方法が提案されている（たとえば、特許文献1参照）。

しかしながら、上記した100〜400℃に加熱する酸化方法は、自然酸化膜を形成していない非酸化状態のアルミニウム繊維を酸化するのには有効であるが、既に自然酸化膜を形成したアルミニウム繊維に厚膜状の酸化膜を形成することは困難であった。

これは、一度形成された自然酸化膜が、金属繊維の深部への酸素の浸透を妨げることで、100〜400℃に加熱しても酸化が緩慢にしか進まないことが原因であると推測される。

しかも、上記した100〜400℃に加熱する酸化方法で調製したアルミナ繊維では、表面に光触媒チタニアコーティングを施した際に、チタニア薄膜を十分に形成することができず、コーティングが剥離してしまう。そのため、光触媒チタニア薄膜を形成するための担体としての適性を欠くと共に、ルチル型光触媒チタニア繊維の被膜形成に十分な加熱温度（約750℃）に耐え得る耐熱性を有していなかった。

これは、アルミニウム繊維に形成した酸化膜の厚みが不足し、アルミニウムと酸化膜との結合の強度不足を生じていることを示唆しており、光触媒チタニアコーティングの担体として十分な厚みを持った酸化膜が形成されていないことから、触媒担体としての利用が可能か否か技術的な疑問が生じていた。

そこで、本発明者は、表面が自然酸化膜で覆われたアルミニウム繊維において、より良質で厚膜状の酸化被膜を有するアルミナ繊維の形成を可能とすべく研究開発を行い、本発明を成すに至ったものである。また、本発明に係るアルミナ繊維にチタニア被覆を施した光触媒体に光源からの光を照射して生じた活性酸素種を水中で拡散することにより、水に活性酸素種の機能を付与し、この水による酸化反応を利用した洗浄を行うことのできる光触媒反応水生成装置についても提供する。併せて、アルミナ繊維にチタニア被覆を施した光触媒能を有するアルミナ繊維を備えるガス処理装置についても提供する。
特開平11−279843号公報

上記課題を解決するために、本発明のアルミナ被膜形成方法では、表面を自然酸化膜で被覆したアルミニウム製またはアルミニウム合金製のアルミニウム繊維を、その融点温度の2分の1の温度まで、毎分当たり５℃以下の温度勾配を維持しながら加熱した後に、融点温度の2分の1の温度を所定時間保持して、酸化膜の膜厚を5nm以上とする工程と、この5nm以上の膜厚の酸化膜を有する繊維を、前記アルミニウム繊維の融点温度よりも10％低い温度から、前記アルミニウム繊維の融点温度までの温度範囲内の温度に加熱した後に、同温度範囲内の温度で所定時間保持して、酸化膜の膜厚を50nm以上とする工程と、を有することを特徴とすることとした。

また、請求項２に記載のアルミナ被膜形成方法では、表面を自然酸化膜で被覆したアルミニウム製またはアルミニウム合金製のアルミニウム繊維を、その融点温度の2分の1の温度まで、毎分当たり５℃以下の温度勾配を維持しながら加熱した後に、融点温度の2分の1の温度を所定時間保持して、酸化膜の膜厚を5nm以上とする工程と、この5nm以上の膜厚の酸化膜を有する繊維を、前記アルミニウム繊維の融点温度よりも10％低い温度から、前記アルミニウム繊維の融点温度までの温度範囲内の温度に加熱した後に、同温度範囲内の温度で所定時間保持して、酸化膜の膜厚を50nm以上とする工程と、この50nm以上の膜厚の酸化膜を有する繊維を、前記アルミニウム繊維の融点温度を超えた温度で加熱する工程と、を有することとした。

また請求項３に記載のアルミナ繊維では、請求項１又は請求項２に記載のアルミナ被膜形成方法にて形成したアルミナ被膜を有するアルミナ繊維であって、前記アルミナ被膜の下層は、前記アルミニウム又はアルミニウム合金の状態としていることとした。

また、請求項４に記載のガス処理装置では、ガスを送気させる流路中に、ガス処理用フィルターを設け、ガスを処理するガス処理装置において、前記ガス処理用フィルターに水を供給する給水部を具備し、前記ガス処理用フィルターの表面に水フィルターを形成するように構成するとともに、前記ガス処理用フィルターは、請求項３に記載のアルミナ繊維を備えていることとした。

アルミニウム繊維集合体、アルミナ繊維集合体及びチタニア繊維集合体の態様例を示した説明図である。 アルミニウム繊維の調製装置を示した模式図である。 アルミニウム繊維の調製装置を示した模式図である。 チタニア繊維集合体と光触媒能を付与した不織布とのアセトアルデヒド分解比較試験結果を示す説明図である。 チタニア繊維集合体のアセトアルデヒド分解比較試験結果を示す説明図である。 チタニア繊維集合体のNOx分解試験の試験方法を示した説明図である。 チタニア繊維集合体のNOx分解試験の結果を示す説明図である。 チタニア繊維集合体のNOx分解試験の結果を示す説明図である。 本発明に係るガス処理装置の全体斜視図である。 本発明に係るガス処理装置の正面図である。 図10のI−I線における断面図である。 第1の水タンク内の構成を示す説明図である。

本発明に係るアルミナ被膜形成方法は、表面を自然酸化膜で被覆したアルミニウム繊維において、自然酸化膜の下層のアルミニウムを、アルミニウム繊維の融点温度の約2分の1の温度まで加熱しながら酸化して、自然酸化膜の下層に人工酸化膜を腐食保護膜として形成している。

アルミニウム繊維は、純アルミニウムやアルミニウム合金（以下、アルミニウム系金属という）から形成することができる。アルミニウム合金とは、アルミニウムに珪素、鉄、銅、マンガン、マグネシウム、亜鉛、クロム等の元素を添加して調製した合金であり、一般に、1000系、2000系、3000系、4000系、5000系、6000系、7000系として知られる金属をいう。

ここで融点温度の約2分の1の温度とは、0℃から、アルミニウム繊維を形成するアルミニウム系金属の融点温度（摂氏）までの約半分±10％の範囲に含まれる温度をいう。

換言すれば、融点温度の約2分の1の温度は、下記の式で求められる上限温度と下限温度の範囲内に含まれる温度のことをいう。

上限温度〔℃〕＝（アルミニウム系金属の融点温度〔℃〕÷2）×1.1
下限温度〔℃〕＝（アルミニウム系金属の融点温度〔℃〕÷2）×0.9
そして、この人工酸化膜の下層のアルミニウムを、アルミニウム繊維を形成するアルミニウム系金属の融点温度の約2分の1から融点温度に近い温度まで加熱しながら酸化することにより、人工酸化膜の下層に更に深層酸化膜を形成し、融点を越える温度まで加熱する事により、この深層酸化膜の下層のアルミニウムを酸化して、深層酸化膜の下層に厚膜状の最深層酸化膜を形成するものである。

すなわち、本発明に係るアルミナ被膜形成方法では、アルミニウム繊維に3段階の加熱処理を行うことで、繊維形状を維持しながら酸素をアルミニウム繊維の深部まで浸透可能とし、しかも、四層構造の酸化膜を形成することで、良好な耐熱性やディップコーティング加工性をそなえたアルミナ繊維を調製することができる。

また、本発明に係るアルミナ被膜形成方法により調製したアルミナ繊維は、表面にアルミナ層を有しながらも、同アルミナ層よりも更に下層をアルミニウム系金属の状態としているので、繊維の柔軟性が高く、所望の形に容易に変形させることができる。この繊維が有する柔軟性は、次に述べるアルミナ繊維集合体を所望の形に変形させる場合においても、優れた成型性を発揮させることができる。

また、本発明は簡便かつ低コストな製造方法により、アルミニウム繊維の表面にアルミナ被膜を単繊維の状態ばかりでなく、繊維の集合体の状態でも均一に形成することができ、しかも、アルミナ被膜の形成前に比して耐熱性や機械的特性を向上することができるアルミナ被膜の形成方法及び同方法により形成したアルミナ繊維を提供するものでもある。ここで言うアルミナ繊維とは、アルミニウム繊維が有する自然酸化膜の下層に人工酸化膜を形成し、更に、同人工酸化膜の下層に深層酸化膜を形成したものをいう。

アルミニウム繊維は、たとえば、アルミニウム系金属を溶融し、後述する溶融紡糸法などで繊維状に成形することができる。その際、繊維径は50〜200μmが好ましく、80〜150μmが更に好ましい。繊維径が50μmを下回ると、酸化膜を形成したアルミナ繊維の強度が不足する恐れがあり、200μmを上回ると、酸化膜の形成時に加熱むらが生じやすくなる。また、繊維長は用途に合わせて適宜調整可能であり特に限定されるものではない。

ここで、アルミニウム繊維は、さまざまな形で集合させてアルミニウム繊維集合体としても良い。たとえば図1(a)に示すように、アルミニウム繊維を織成してシート状に形成することで、フィルター等に好適な各繊維の集合体とすることができる。また、図1(b)に示すように、各繊維を不織布状に形成することでも、フィルター等に好適な各繊維の集合体とすることができる。更に、図1(c)に示すように、各繊維を単にスチールウール状に寄せ集めて集合体を構成しても良い。このような集合体とすることで、集合体を形成するための費用を安価に抑えることができる。また、スチールウール状とした集合体は、自在に形状を変化させることができるので、球状、板状、柱状、筒状等に適宜用途に合わせて成型しても良い。アルミニウム繊維を絡み合わせてアルミニウム繊維集合体とすることにより、比較的小さな体積に大きな表面積を有する多孔質体とすることができる。

アルミニウム繊維を集合体としても、各酸化膜形成工程で加えられた熱を、アルミニウム繊維集合体の隅々にまで行き渡らせることができ、ムラのない加熱を行い均一な酸化膜を焼成させることができる。また、各酸化膜形成工程に独特な加熱を行うことにより、アルミニウム繊維集合体を形成する各アルミニウム繊維が、熱膨張して僅かずつ移動し、繊維同士の接点が接触したり離隔することを繰り返すため、さらにムラのない酸化膜の加熱焼成をおこなうことができる。

このように形成したアルミニウム繊維またはアルミニウム繊維集合体を、後述する人工酸化膜形成工程、深層酸化膜形成工程、及び必要に応じて最深層酸化膜形成工程を経てアルミナ繊維またはアルミナ繊維集合体とすることができる。

たとえば、板状のアルミナ繊維集合体を調製する場合には、スチールウール状のアルミニウム繊維集合体を型枠に収納し、押圧して板状に形を整え、同アルミニウム繊維集合体を加熱することでアルミナ繊維集合体を形成することができる。この際、1cm³当たりのアルミニウム繊維量を0.5g〜3gとすることにより、フィルターや触媒担体に適した空隙とアルミニウム繊維密度を有するアルミニウム繊維集合体とすることができる。

また、上述の方法によれば、予めアルミニウム繊維を集合してアルミニウム繊維集合体を形成し、このアルミニウム繊維集合体を加熱してアルミナ繊維集合体を形成することとしているが、アルミニウム繊維をそのまま加熱してアルミナ繊維とし、このアルミナ繊維を集合させてアルミナ繊維集合体を形成するようにしても良い。

アルミナ繊維集合体もまた、自在に形状を変化させることができるので、球状、板状、柱状、筒状等に適宜用途に合わせて成型しても良い。

この場合もまた、アルミナ繊維の単位体積あたりの密度は、0.5g/cm³〜3g/cm³とするのが好ましい。

更に、アルミナ繊維を担体としてチタニア被覆したチタニア繊維やアルミナ繊維集合体を担体としてチタニア被覆したチタニア繊維集合体は、担体由来の優れた耐久性と、親水性と、保水性とを有し、効率の良い光触媒性能を有している。したがって、本発明は、悪臭などの消臭や、エンジン等から排出される排ガスの浄化用途、水の殺菌浄化、有機物の分解など幅広い分野で、しかも常温空気中のみならず、水中、高温条件下でも光触媒能を発現可能なチタニア繊維を提供するものでもある。

また、前記アルミナ繊維及び／または前記チタニア繊維を備えたガス処理用フィルターを有するガス処理装置も提供する。

このガス処理装置によれば、チタニア繊維の優れた光触媒能による有害物質の酸化分解により、ガスを確実に効率よく処理することができる。

なお、このガス処理装置にアルミナ繊維集合体の表面にチタニアコーティングを施したチタニア繊維集合体を光触媒体として備える場合には、繊維長を5mm〜20cmとすると良い。このような繊維長のチタニア繊維を有するチタニア繊維集合体を光触媒体として用いることで、多数の繊維末端を有する光触媒体とすることができる。したがって、この光触媒体を水中に浸漬して紫外線と超音波を照射した際に、水中に効率よく活性酸素種を拡散させることができる。なお、繊維長を5mmよりも短くすると、繊維同士が絡みづらく、光触媒体の保形性が悪くなる。また、繊維長を20cm以上とすると、単位重量当たりの光触媒体が有する繊維末端の数が少なくなるため、活性酸素種の拡散効率が悪化する恐れがある。ただし比表面面積測定など繊維が絡み合ったままでは不都合な場合には、繊維長を5mmに規定しあえて繊維同士が絡み合わないように形成することも可能である。

以下、本実施形態に係るアルミナ繊維の製造方法を下記の順で詳細に説明する。
（1）アルミニウム繊維調製工程
（2）人工酸化膜形成工程
（3）深層酸化膜形成工程
（4）最深層酸化膜形成工程

（1）アルミニウム繊維調製工程
本発明に係るアルミナ繊維の元となるアルミニウム繊維は、特に限定されるものではないが、たとえば、次のような方法によって調製することができる。

図2及び図3は、アルミニウム繊維を調製する装置を示したものである。

密閉容器1には、アルミニウム系金属の溶湯Mを収納した溶解るつぼ7を設けており、同密閉容器1内に圧縮気体を送り込んで、溶湯Mを噴出孔5、5、…から噴出させる。そして、噴出した溶湯Mは急冷されて固化し、アルミニウム繊維が形成される。以下、このアルミニウム繊維形成方法を溶融紡糸法という。

なお、図2及び図3中、符号1は密閉容器、符号2は加熱装置、符号3は短管部、符号3aはフランジ、符号4はノズル、符号5、5、…は噴出孔、符号6、6、…はボルト、符号7は溶融るつぼ、符号7aは底部、符号8は溶湯供給管、符号8aは下端開口部、符号8bは曲管部、符号8cは上端開口部、符号9は加圧機構、符号10は加圧ガス供給管、符号10aは端部、符号Mは溶湯、符号Mｏは湯面を示している。

この溶融紡糸法によれば、容易に大量のアルミニウム繊維を得ることができる。ここで、得られたアルミニウム繊維は、スチールウール状に集合させてアルミニウム繊維集合体としても良い。後述する酸化膜の形成にアルミニウム繊維集合体を供することで、アルミナ繊維集合体を得ることができる。

また、アルミニウム繊維やアルミニウム繊維集合体には、その繊維表面にアルミナ細繊維を付着させても良い。

このアルミナ細繊維は、アルミニウム繊維集合体を構成するアルミニウム繊維の繊維径よりも小さい直径約3〜10μmの結晶質アルミナ繊維を用いることができ、たとえば、三菱化学産資株式会社製マフテック（登録商標）ALS、MLS−2等を使用する事ができる。

（2）人工酸化膜形成工程
次に、アルミニウム繊維の表面に人工酸化膜を形成する方法について説明する。アルミニウム繊維の自然酸化膜の下層に形成する人工酸化膜は、同アルミニウム繊維の融点温度の約2分の1の温度（±10％までは許容する）まで加熱して形成する。

この人工酸化膜を形成する加熱処理では、毎分当たり約5℃以下の温度勾配を維持しながら大気雰囲気などの酸化雰囲気中で加熱することで、緻密な人工酸化膜を形成することができる。

形成した人工酸化膜は、後述の深層酸化膜の加熱形成時に、アルミニウム繊維が溶融して型くずれするのを防止する役割を担っている。

また、ここで、人工酸化膜の形成は、アルミニウム繊維を、その融点温度の約2分の1の温度まで、毎分当たり約5℃以下の温度勾配を維持しながら加熱した後に、融点温度の約2分の1の温度を所定時間保持しても良い。

融点温度の約2分の1の温度を所定時間保持することにより、人工酸化膜の厚みを増すことができる。それゆえ、深層酸化膜形成時にアルミニウム繊維が溶融して型くずれするのを更に防止することができる。また、保持することにより、安定した膜厚を有するアルミナ繊維を形成できるという効果もある。

保持時間は、所望する膜の厚みに応じて適宜変更することができ、好ましくは30分間〜3時間程度保持することで、深層酸化膜の膜厚を安定させる効果を生起させることができる。

保持時間が30分未満では温度を保持した効果が見られず、また、保持時間が3時間を超えても、顕著な膜厚の増加が望めず生産効率を低下させることとなる。

また、上述の方法により形成する人工酸化膜は、自然酸化膜と人工酸化膜との合計の厚みが5nm以上となるように処理を行うことが好ましく、型くずれを防ぎながら深層酸化膜の形成を行うことができる。

（3）深層酸化膜形成工程
次に、人工酸化膜の下層に深層酸化膜を形成する。この深層酸化膜を形成することにより、アルミニウム繊維をアルミナ繊維とすることができる。

このアルミナ繊維は、アルミニウム繊維を形成するアルミニウム系金属の融点温度の約2分の1から融点温度に近い温度まで大気雰囲気などの酸化雰囲気中で加熱して形成する。

この深層酸化膜を形成する加熱処理は、アルミニウム繊維を形成するアルミニウム系金属の融点を下回る温度であって、かつ、できるだけ高い温度であれば良い。好ましくは、融点温度（℃）よりも約10％程低い温度とすることができる。これは、加熱処理温度が高いほど効率的にアルミニウムを酸化できるのと同時に、誤って融点を超える温度で加熱してしまうことを防止するためである。

深層酸化膜を形成したアルミナ繊維は、厚膜状のアルミナの殻で囲繞した繊維となる。

このアルミナの殻の融点温度は、純アルミニウムの融点温度（660℃）や一般的なアルミニウム系金属の融点温度よりも高く、約1400〜2050℃である。

それゆえ、アルミナ繊維にアルミニウム系金属の融点温度を超える温度を加えた場合、この殻の下層から中心部にかけて存在するアルミニウム系金属は溶融することとなるが、アルミナの殻が溶融することがなければ、アルミナ繊維は繊維形状を保つことができる。

すなわち、自然酸化膜と人工酸化膜と深層酸化膜とは、後述の最深層酸化膜の加熱形成処理工程においてアルミニウム系金属の融点以上の加熱を行った際に、深層酸化膜よりも下層のアルミニウム系金属が溶融流出するのを防ぐ殻の役割を果たす。

したがって、アルミニウムの融点を超える最深層酸化膜の加熱形成処理工程で、繊維内部のアルミニウム系金属が溶融しても、繊維表面の自然酸化膜、人工酸化膜及び深層酸化膜が溶融しないので、繊維形状を保持することができる。

なお、最深層酸化膜の加熱形成処理に耐えうる人工酸化膜及び深層酸化膜とするためには、深層酸化膜の加熱形成処理工程で、自然酸化膜と人工酸化膜と深層酸化膜との合計の厚さを50nm以上とすることが好ましい。厚さ50nmのアルミナ皮膜の厚みは、直径100μmのアルミニウム繊維を用いた際、直径の2000分の1に相当し、それ以下であると、最深層酸化膜の加熱形成処理工程で繊維形状を保持できなくなり、内部のアルミニウムが溶出してしまい塊状となるおそれがある。

また、人工酸化膜及び深層酸化膜は、耐食性の高い酸化アルミニウムで構成されているので、アルミナ繊維の内部に存在するアルミニウム系金属を腐食から保護する腐食保護膜ともなる。

併せて、本発明者らの鋭意研究により、酸化膜の膜厚は50nm以上で良好なディップコーティングに適した表面を得られることがわかっている。

このアルミナ繊維は全体としてアルミニウム系金属の融点よりも高い温度に対する耐熱性を有することとなる。なお、ここで耐熱性とは、上記したように、アルミニウム繊維を形成するアルミニウム系金属の融点よりも高い温度条件下においても、アルミナ繊維が繊維形状を保つことができる性質のことを示し、瞬間暴露温ではなく環境維持温度に対する耐熱性を示している。

また、深層酸化膜工程では、融点温度に近い温度で所定時間保持することにより、更に厚みが安定した深層酸化膜を形成することができる。ここで、温度を保持する時間は、特に限定されるものではないが、約30分〜約12時間とすることができる。保持時間が30分間未満であると、深層酸化膜の膜厚を安定化させる効果が表れず、また、12時間を超えて温度を保持しても膜厚の安定化効果がより顕著に表れることがない。

また、アルミニウム系金属の融点温度の約2分の1の温度で行う加熱と、アルミニウム系金属の融点温度の約2分の1から融点温度に近い温度まで2段階に行う加熱を所定時間行うことによって、自然酸化膜の下層により膜厚が安定した人工酸化膜及び深層酸化膜が形成するようにしても良い。

なお、このようにして形成した自然酸化膜と人工酸化膜と深層酸化膜とを有する本発明に係るアルミナ繊維は、良好なディップコーティングに適した表面を有している。

しかるに、融点以下の温度で長時間加熱処理を行うことにより、時間依存性に酸化反応は緩慢に進み、おおよそ50nmのアルミナ膜厚を越えた時点より、アルミナとしての機能を発現しはじめることがわかる。これは、後述する最深層酸化膜を設けない場合であっても、光触媒の担体として十分な利用価値を有することを示している。したがって、所望の用途や使用条件に応じて、アルミナ繊維又はチタニア繊維を三層構造としても良く、また、四層構造としても良い。

（4）最深層酸化膜形成工程
次に、アルミナ繊維に最深層酸化膜を形成する方法について説明する。

前述の深層酸化膜を有するアルミナ繊維は、既に良好なディップコーティングに適した表面を有しているため、所望する酸化膜の膜厚によっては、本工程は必ずしも必要ではない。しかしながら、アルミナ繊維にさらなる耐熱性を付与したい場合など、より厚い酸化膜を必要とする場合に本工程は有用である。

本工程で形成する最深層酸化膜は、アルミニウム繊維を形成するアルミニウム系金属の融点よりも高い温度に加熱することで、深層酸化膜の更に下層に形成する。

本工程で行う加熱処理は、アルミニウム繊維を形成するアルミニウム系金属の融点を上回る温度であって、かつ、繊維形状を保持し、アルミナの結晶構造を維持できる温度であれば良い。

したがって、アルミニウム繊維を形成するアルミニウム系金属の融点に応じて、最深層酸化膜の加熱形成温度を、適宜調整することが好ましい。

たとえば、アルミニウム繊維を形成するアルミニウム系金属を、融点が約660℃の1000番台アルミニウムとした場合は、最深層酸化膜の加熱形成温度を660℃〜800℃の範囲内とすることができる。

このようにしてアルミナ被膜を形成することで、自然酸化膜、人工酸化膜、深層酸化膜及び最深層酸化膜のアルミナ被膜からなる四層構造とし、四層とした酸化膜の膜厚を50nm以上として、優れた耐熱性を付与することができる。

また、人工酸化膜、深層酸化膜及び最深層酸化膜の加熱形成処理は、特に空気中で行うことにより安価で高品質なアルミナ繊維を製造することが可能である。

なお、人工酸化膜、深層酸化膜及び最深層酸化膜の加熱形成処理は、連続的に昇温することで形成するようにしても良い。しかしその際は、アルミニウム繊維を毎分5℃で緩徐に600℃に至るまで連続的に昇温させることで人工酸化膜と深層酸化膜とを連続的に形成したのち、融点を超え、最深層酸化膜の形成させることも可能である。

このようにして、アルミニウム繊維から本発明に係るアルミナ繊維を形成することが可能であるが、アルミニウム繊維集合体を同様に処理することによりアルミナ繊維集合体を形成できるのは勿論である。また、アルミナ繊維を形成した後に繊維同士を集合させてアルミナ繊維集合体を形成するようにしても良い。

次に、上述してきた（1）アルミニウム繊維調製工程、（2）人工酸化膜形成工程、（3）深層酸化膜形成工程、（4）最深層酸化膜形成工程の各工程で得られたアルミニウム繊維及びアルミナ繊維の性状について述べる。

（5）アルミニウム繊維及びアルミナ繊維の膜厚
まず、前述の（1）〜（4）の各工程で得られた、アルミニウム繊維またはアルミナ繊維の有する酸化膜の膜厚測定を行った。

測定した試料は、1000系のアルミニウム系金属を溶融紡糸法により100μmの直径に調製したアルミニウム繊維を、前述の（1）〜（4）の各工程に供したものである。

また、膜厚は、AESディプスプロファイル測定で行った。本測定方法によると、アルミニウム繊維またはアルミナ繊維の表面から深部へ微細な穴を掘り進めることで、酸化膜の膜厚を測定することができる。なお、AESディプスプロファイル測定には、オージェ電子分光分析計（日本電子株式会社製オージェマイクロウェーブ JAMP−10MXII）を使用した。測定より得られたアルミニウムと酸素の相対的質量曲線の交点よりアルミナ層の膜厚を算出した。実際にはアルミナ層は得られた数値以上の厚みを持つものと考えられるが、数値の誤差範囲を考慮し交点をアルミナ層の膜厚と規定した。

表1のA−1に示すように、アルミニウム繊維調製工程で得られたアルミニウム繊維の表面には、約1nm程度の自然酸化膜が形成されていることが示された。

また、A−2は、人工酸化膜形成工程で、空気中で350℃まで、毎分当たり約5℃以下の温度勾配を維持しながら加熱して10時間保持することにより人工酸化膜の形成を行った結果を示しており、アルミニウム繊維に存在する自然酸化膜と、人工酸化膜との合計の厚みは約5nm程度であることが示された。

特にA−2の結果に着目すると、融点以下の温度で長時間（本実施形態においては合計10時間）加熱処理を行っても、一段階の加熱焼成のみでは、酸化反応は緩慢にしか進まないことがわかる。

A−3は、深層酸化膜形成工程で加熱処理を行ったアルミナ繊維の膜厚を示す。その結果、A−2に比して更に厚い13nmの酸化膜が得られていることが分かった。

A−4は、深層酸化膜形成工程を経たアルミナ繊維を、更に750℃まで加熱して最深層酸化膜を形成した際の膜厚の測定結果を示している。最深層酸化膜形成工程を経ることにより、アルミナ繊維は、本試験系の測定限界以上である50nm以上の酸化膜が形成されたことが示された。

これらA−1〜A−4の結果より、本発明に係るアルミナ被膜の形成方法によれば、自然酸化膜の10〜50倍以上の厚膜状の酸化膜を形成することが可能であることが示された。

次に、深層酸化膜形成工程で、アルミニウム繊維を構成するアルミニウム系金属の融点温度に近い温度で所定時間保持した際の膜厚に与える影響を確認した。

表2に示すB−1は、深層酸化膜形成工程で、1000系アルミニウム系金属の融点温度に近い温度（600℃）を6時間保持した際の酸化被膜の膜厚を示している。本測定の結果、膜厚は28.9nmであった。

この結果より、表1のA−3に示した3時間保持の結果と比較して、深層酸化膜の加熱形成工程で融点温度に近い温度で所定時間保持することにより、酸化膜の膜厚をより厚く形成することが可能であることが示された。

次に、人工酸化膜形成工程で、融点温度の約2分の1の温度で所定時間保持した後、深層酸化膜形成工程で融点温度付近まで昇温し、次いで、同融点温度を所定時間保持した場合の膜厚に与える影響の確認を行った。

表3のC−1は人工酸化膜形成工程で3時間、深層酸化膜形成工程6時間保持した場合の結果を示しており、C−2は、人工酸化膜形成工程で3時間、深層酸化膜形成工程12時間保持した場合の結果を示している。

表3より、人工酸化膜形成工程と、深層酸化膜形成工程との2段階で温度保持をおこなうことにより、更に厚膜状の酸化膜を形成することができることが示された。

しかも、2連または3連の繰り返し試験の結果より、ほぼ安定した膜厚のアルミナ繊維が得られることが示された。

次に、人工酸化膜形成工程や深層酸化膜形成工程を経ずに、予め融点温度付近に加熱した炉内にアルミニウム繊維を入れて焼成した場合の膜厚測定試験の結果を示す。

表4のD−1は、予め600℃に保った炉内に、アルミニウム繊維を入れて酸化膜を形成した場合の結果である。4回繰り返して試験した結果、非常に大きな膜厚のばらつきが見られた。また、繰り返し試験の2連目及び4連目では酸化膜の膜厚が50nmを大幅に下回っており、本試験方法による酸化膜の形成方法では、良好な耐熱性やディップコーティング性を有するアルミナ繊維を形成するのは困難であることが分かる。

本試験の結果より、人工酸化膜形成工程と深層酸化膜形成工程とは、安定した酸化膜の形成に寄与していることが分かる。

また、安定した膜厚を得るためには、アルミニウム繊維を構成するアルミニウム系金属の融点の約半分の温度に至るまで、5℃／分以下の温度勾配で加熱し、しかも、融点の約半分の温度を所定時間保持するのが重要であることが示唆された。

このようにしてアルミナ被膜を形成することで、自然酸化膜、人工酸化膜、深層酸化膜及び最深層酸化膜のアルミナ被膜からなる四層構造とし、四層とした酸化膜の膜厚を50nm以上として、優れた耐熱性を付与することができる。

また、人工酸化膜、深層酸化膜及び最深層酸化膜の加熱形成処理は、特に空気中で行うことにより安価で高品質なアルミナ繊維を製造することが可能である。

なお、人工酸化膜、深層酸化膜及び最深層酸化膜の加熱形成処理は、連続的に昇温することで形成するようにしても良い。しかしその際は、アルミニウム繊維を毎分5℃で緩徐に600℃に至るまで連続的に昇温させることで人工酸化膜と深層酸化膜とを連続的に形成したのち、融点を超え、最深層酸化膜の形成をさせることとなる。

（6）アルミニウム繊維及びアルミナ繊維の表面積
続いて、1000系アルミニウム系金属の融点の約半分の温度（350℃）に至るまで、5℃／分以下の温度勾配で加熱し、更に、融点の約半分の温度を3時間保持したのち、そのまま融点温度の−10％の温度である約600℃まで加熱、最長12時間にわたり焼成を継続したアルミナ繊維の比表面積の測定を行った。

比表面積は、Quantachrome Instruments社製Autosorb-1を用い、Brunauer-Emmett-Teller (BET)法により測定を行った。なお、本法における測定に先立って、前処置として300℃で30分間窒素ガス置換をおこなった。

以下に、比表面積測定結果を示す。

表5は、E−1からE−7に至るまでの各測定点で測定した比表面積の結果を示している。

その結果、比表面積は、350℃の加熱焼成にて増加し、3時間350℃焼成を行った（E−3）で最大の1.47m²/gとなるものの、引き続き600℃まで加熱することで、一度比表面積は減少に転じる。（E−5）に示すように600℃焼成3時間でその比表面積は0.56m²/gまで縮小し、極小値を迎えることがわかった。しかし更に600℃焼成を継続するに伴って、比表面積は増加し、12時間後には（E−7）では1.01m²/gとなった。

これらの結果を考察するに、（E−1）から（E−4）までの加熱で得られる人工酸化膜は、比表面積は加熱に伴って増加するものの、未だ薄い酸化膜の集合体であり、繊維深部のアルミニウム系金属と緩やかに結合している脆弱な膜であると考えられる。

これは、（E−1）から（E−4）までの加熱で得られる各繊維を、試料瓶等に入れて乾燥状態で撹拌すると、剥離した粉状の酸化膜が壁面に付着することからも示唆される。

引き続きおこなわれた600℃の加熱焼成にてその緩やかな結合は、引き締まり硬く強固な結合となるため、比表面積が一度減少する（E−5）。

その後、深層酸化膜の膜厚は、時間依存性にその厚みを増すものと考えられる。

これらの結果より、十分な膜厚を有し、しかも、比表面積の大きいアルミナ繊維を得るためには、アルミニウム繊維を形成するアルミニウム系金属の融点の約半分の温度に至るまで、5℃／分以下の温度勾配で加熱し、次いで、融点の約半分の温度を所定時間保持するとともに、融点付近まで昇温して、更に融点付近で所定時間保持することが好ましいことが示唆された。

次に、繊維径100μmのアルミニウム繊維に、繊維径5μmのアルミナ細繊維を結合したアルミニウム繊維の比表面積の測定を行った。前述のようにマフテック（登録商標）ALS、MLS−2等の直径約3〜5μの結晶質アルミナ繊維を、板状に成型したアルミニウム繊維集合体に載置し、アルミニウム繊維を細かく振動させて篩をかけるようにすることで、同アルミニウム繊維の表面にアルミナ細繊維を満遍なく付着させ、アルミニウム繊維の人工酸化膜形成工程で付着させたまま350℃まで昇温し、同温度を3時間保持した後に、深層酸化膜形成工程で600℃まで昇温し、同温度で12時間保持することによって酸化膜の形成を行ったものである。

表6に示すように、ALSと共に酸化膜を形成させたアルミニウム繊維F−1は1g当たり0.96m²の比表面積を有していた。

上述してきたように、本発明に係るアルミナ被膜の形成方法によれば、アルミニウム繊維に厚膜状のアルミナ層を形成することができる。このことは、アルミナ繊維の耐熱性及びディップコーティングに適した表面を有していることを示している。

（7）チタニアコーティング
次に、上述の試験で調製したアルミニウム繊維E−1とアルミナ繊維E−7とアルミナ繊維F−1とで、それぞれ各繊維の集合体を形成し、ディップコーティング法によりチタニアコーティングを施した例を示す。

なお、ここで、アルミニウム繊維E−1にディップコーティングを施した繊維は、アルミナ繊維にチタニアコーティングを施したチタニア繊維と区別するためにチタニア被覆アルミニウム繊維といい、この繊維を集合させたものをチタニア被覆アルミニウム繊維集合体という。

アナターゼ型チタニア被膜を有するアルミナ繊維集合体（以下、単にチタニア繊維集合体という）は、深層酸化膜形成工程を経たアルミナ繊維集合体でも形成可能であるが、ルチル型のチタニア繊維集合体は、加熱焼成処理において約750℃まで加熱焼成する必要性があるために、最深層酸化膜を有したアルミナ繊維集合体を用いるのが好ましい。

このディップコーティング法は、チタニア化合物を含有するゾル液に、アルミナ繊維集合体またはアルミニウム繊維集合体を浸漬して引き上げ、同アルミナ繊維集合体またはアルミニウム繊維集合体の表面に付着したゾル液を乾燥させてチタニア薄膜を形成させるものである。

ディップコーティング法で使用するゾル液がチタン化合物と、ゾル化剤と、溶媒とから構成される場合、これらの成分の割合は、例えば、一般的には、モル比として、約1：0.5：5〜1：10：100、好ましくは約1：1：10〜1：5：50の割合であるのがよい。また、ゾル液がチタン化合物と、キレート化リガンドと、溶媒とから構成される場合、これらの成分の割合は、例えば、一般的には約1：0.1：5〜1：10：100、好ましくは約1：0.5：10〜1：5：50の割合であるのがよい。

たとえば、以下に示す2種のゾル液を調製してそれぞれチタニア薄膜の形成を行うことが可能である。

ゾルA液：
チタンテトライソプロポキシドと、ジエタノールアミンと、エタノールとをモル比で1：2.5：34の割合で混合したゾル液
ゾルB液：
チタンテトライソプロポキシドと、アセチルアセトンと、脱イオン水と、エタノールとをモル比で1：1：3：20の割合で混合したゾル液
そして、これらのゾル液中にアルミナ繊維集合体またはアルミニウム繊維集合体を一定時間浸漬した後、ゾル液から取り出して空気中で一次乾燥をさせる。

一次乾燥終了後、マッフル炉（ヤマト社製FO300）にて、空気雰囲気で、加熱焼成を行うが、この加熱処理の最高温度の決定は300℃〜550℃の範囲で50℃刻みで検討を行い、最高温度450℃が最も良くアナターゼ型光触媒反応を惹起する事が判明した。加熱工程の上昇温度は、徐々に反応させた方が良く、室温から1分に2℃の昇温割合で450℃まで加熱し3時間保持後、自然冷却させるのが最も効率よくコーティングが可能である。光触媒能は劣るが可視光応答型であるルチル型光触媒反応を生じさせるためにはこの焼成温度を750℃に維持する必要がある。

上記の、1回の浸漬過熱焼成操作で、アルミナ繊維集合体を構成するE−7アルミナ繊維上に約140nmの膜厚のチタニア被膜が形成され、これらの操作を合計3回繰り返し、アルミナ繊維上に約400nmの膜厚のチタニア被膜を形成した後、はじめてチタニア繊維集合体として光触媒能を発揮する機能性触媒繊維となる。

また、アルミニウム繊維集合体E−1に対しても同様にディップコーティングを3回繰り返して、膜厚が約400nmのチタニア薄膜を有するチタニアコートアルミニウム繊維集合体を形成させることが可能であった。

ところで、前述したゾルA液またはゾルB液を用いることで、マフテック（登録商標）ALS、MLS−2等のアルミナ細繊維集合体にもディップコーティングは可能であるが、細繊維であるため、ゾル液の付着にムラが出やすい。そこで、マフテック（登録商標）ALS、MLS−2等のアルミナ細繊維集合体へのチタニアディップコーティングは、以下に述べる方法で、ムラの発生を防止しながらディップコーティングを行った。

すなわち、マフテック（登録商標）ALS、MLS−2等のアルミナ細繊維集合体のディップコーティング用のゾル液は、チタンテトライソプロポキシド：エタノール：アセチルアセトン：蒸留水＝1：20：3：6のモル比で調製した（以下、ゾルC液という）。このモル比で調製したゾルC液は、粘性が少なく繊維の間隙に浸透しやすいため、細繊維へのコーディング、特に、アルミナ細繊維のチタニアコーティングに好適である。

具体的には、調製したゾルC液を、ステンレス製バットに分注し、同バット内にアルミナ細繊維集合体を浸漬する。

次いで、ゾルC液中に中波長の超音波振動を15分間加え、その後45分間静置する。このように、ゾルC液に中波長の超音波振動を加えることで、繊維網内部へ十分に溶液が行渡り深部までコーティングすることが可能となる。超音波振動を与える時間は、本実施例では15分間としたが、30秒から30分が好ましい。超音波振動を与える時間が30秒以下であると、ゾル液が繊維に十分に浸透しない恐れがあり、30分以上超音波振動を与えると、アルミナ繊維のアルミナ層に悪影響を与える恐れがある。なお、低波長の超音波振動は、付着したチタニア層が損傷し剥離する可能性があるため、用いるべきではないと思われる。

超音波処理後の静置時間は、本実施形態によれば45分間で行っているが、特に限定されるものではなく、30分から6時間程度に亘って静置すれば良い。

ゾルC液中に浸漬して1時間が経過したアルミナ細繊維集合体を、同ゾルC液中から緩徐に取り出して、常温の空気中で2時間以上放置して1次乾燥を行う。この際、風乾させることにより、アルミナ細繊維集合体に付着しているゾルC液を、より効率的に乾燥させることができる。また、ゾル液が付着した繊維または繊維体に対して、赤外線の照射を行い、乾燥をより迅速に行わせるようにしても良い。

次いで、付着したゾルC液を乾燥させたアルミナ細繊維集合体を加熱して、チタニアの定着を行った。この加熱は、マッフル炉にて、空気雰囲気で、室温から1分に2℃から15℃の昇温割合に設定することが好ましく、本実施例では、2℃の昇温割合で450℃まで加熱し3時間保持後、自然冷却した。

上述したゾルC液への浸漬、風乾、加熱定着の一連の工程を、3回以上繰り返して、アルミナ細繊維集合体にチタニアコーティングを行って、チタニア繊維集合体を調製した。

なお、本実施形態において、ゾルC液にのみ超音波処理を施してチタニアコーティングを行っているが、ゾルA液やゾルB液でチタニアコーティングを行う際にも、超音波処理を行っても良い。

（8）色素分解試験
次に、E−1を用いて調製したチタニアコートアルミニウム繊維集合体と、E−7及びF−1のチタニア繊維集合体との光触媒能を検証すべく、色素の分解性能試験を行った。また、同時にアルミナ細繊維にチタニアコーティングを行った試料についても色素の分解能試験を行った。

すなわち、試験対象とした試料は、
Cont.：チタニアコーティングを施していないアルミナ繊維集合体（コントロール）
試料1：E−1アルミニウム繊維集合体にゾルA液を用いてチタニアコーティング
試料2：E−7アルミナ繊維集合体にゾルB液を用いてチタニアコーティング
試料3：E−7アルミナ繊維集合体にゾルC液を用いてチタニアコーティング
試料4：マフテック（登録商標）ALSを用いたF−1アルミナ繊維集合体にゾルC液を用いてチタニアコーティング
試料5：マフテック（登録商標）MLS−2を用いたF−1アルミナ繊維集合体にゾルC液を用いてチタニアコーティング
試料6：マフテック（登録商標）ALSにゾルC液を用いてチタニアコーティング
試料7：マフテック（登録商標）MLS−2にゾルC液を用いてチタニアコーティング
の計8種とした。

また、分解対象物は、メチレンブルー（methylene blue：3,7-ビス（ジメチルアミノ）フェノチアジン-5-イウムクロリド）を用いた。

各繊維を1g白色磁器容器内へ置き、そこへ0.1％メチレンブルー溶液を10mLずつ分注し、2本のブラックライトから紫外線を照射して色素分解試験を行った。

その結果、コントロール以外の全ての試料において、メチレンブルーの分解作用が確認された。また、これらの試料の中でも、試料6、試料7に次いで試料3が、最も強いメチレンブルーの分解作用を呈した。このことから、現時点ではゾルC液が最も強力な光触媒作用を発揮するものと判断された。試料6および試料7のチタニア細繊維に対するチタニアコーティングであるが、その強力な光触媒能は、基材である繊維の径におけるコーティング面積の拡大によるものが大きいと判断した。

（9）消臭試験（アセトアルデヒド分解試験）
次に、アルミニウム繊維集合体E−1にチタニアコーティングを施したチタニア被覆アルミニウム繊維集合体（以下、チタニア被覆E−1という）と、アルミナ繊維集合体E−7及びF−1からそれぞれ形成した及びチタニア繊維集合体（以下、それぞれE−7チタニア繊維集合体及びF−1チタニア繊維集合体という）の光触媒作用による消臭能力を調べるために、密閉容器に封入したアセトアルデヒドを分解する試験を行った。

まず、チタニア被覆E−1と、E−7チタニア繊維集合体について行ったアセトアルデヒド分解試験について述べる。本試験では、比較サンプルとして光触媒能を付与した不織布（NB社製）についても試験に供した。

はじめに、繊維に付着した酸化チタンの余剰成分を除去するために、試験に供した繊維集合体は5分間に亘って超音波洗浄し、蒸留水で脱イオンをおこなった後、200℃で2時間再焼成した。

そして、50mm角に切り取った試験試料を、所定容量を有するガラス製密閉容器に収納し、定常状態を確認の後、試験試料に紫外線を照射した。この際、容器内部のアセトアルデヒド濃度及び二酸化炭素濃度の経時変化について、ガスクロマトグラフ装置（株式会社島津製作所製 GC-8A型）を用いて計測を行った。このようにして消臭試験を行ったデータを図4に示す。

図4（a）はNB社製の不織布の試験結果を示し、（b）はチタニア被覆E−1の試験結果を示し、（c）はE−7チタニア繊維集合体各2.5gの試験結果を示している。

（a）に示す不織布では、試験開始後約50分間は弱い低下傾向が見られ、その後、アセトアルデヒドが急激に減少し、試験開始後100分目に検出限界以下となった。

また、二酸化炭素は、紫外線の照射開始と同時に濃度が上昇し、試験開始後200分目には最大の3291ppmとなった。

（b）に示すチタニア被覆E−1では、紫外線を照射直後より急激にアセトアルデヒドの濃度は低下し、紫外線照射開始後75分目にはほぼ検出限界以下となった。しかし二酸化炭素濃度は120分後でも222ppmに留まった。この結果について考察すると、光触媒を付した不織布では、紫外線の照射と同時に大量の二酸化炭素が発生しているが、チタニア被覆E−1繊維集合体は急速なアセトアルデヒドの消失にもかかわらず、二酸化炭素があまり発生していないことがわかる。すなわち、前述のチタニアコーティングで形成したチタニア層において光触媒反応により一旦吸着されたアセトアルデヒドが、その後徐々に分解される事が示された。ここに光誘発吸着能が発現している事がわかる。チタニア被覆されていないE−1繊維には吸着能を有しておらず、また光誘発吸着能も持たないため(図示せず)、この吸着能はゾルＡ液、ゾルＢ液、ゾルＣ液それぞれの組成に由来する本チタニアコーティング固有の能力であるものと判断できる。

（c）に示すチタニア被覆E−7では、紫外線を照射直後より急激にアセトアルデヒドの濃度は低下し、紫外線照射開始後30分目にはほぼ検出限界以下となった。一旦吸着されたアセトアルデヒドは、その後徐々に分解され、紫外線照射開始後90分目で最大の388ppmとなった。これはアルミニウム繊維よりアルミナ繊維へコーティングの基材を変更する事により、その光触媒能は著明に高くなり、光誘発吸着能および分解能ともにその能力が高まったことが示された。

このことは、例えば有害物質の吸着に限られるものではなく、酸化チタンや白金などの機能性触媒を担持させる際にもそれらを強固に保持することが可能であることを示している。すなわち、本発明に係るアルミナ繊維及びアルミナ繊維集合体は、優れた触媒基材として利用することができる可能性を示している。

続いて、F−1チタニア繊維集合体についても、アセトアルデヒドの分解試験を行った。また、アルミナ細繊維（マフテック（登録商標）ALS）にゾルC液でチタニアコーティングを施したものについても試験に供することとした。また、本試験では紫外線照射前のアセトアルデヒド濃度を約250〜350ppmとし、先の試験よりも更に高濃度のアセトアルデヒドに対する分解能の確認を行った。なお、本試験に供した各試料の重量は1gとした。
試料1：E−7チタニア繊維集合体
試料2：マフテック（登録商標）ALSを結合させたF−1チタニア繊維集合体
試料3：マフテック（登録商標）MLS−2にゾルC液を用いてチタニアコーティング
図5(a)に試料1、図5(b)に試料2、図5(c)に試料3の試験結果をそれぞれ示す。図5(a)、(b)、(c)より、いずれも優れた光触媒能を有している事がわかる。

まず図5(a)に着目すると、先の試験に供したE−7チタニア繊維集合体は、更に高濃度のアセトアルデヒド下においても、約75分でほぼすべてのアセトアルデヒドを分解してしまうことから、強力なアセトアルデヒド分解能を有していることが示された。このチタニア繊維のBET値は1.35m²/gと大きな比表面積を維持していた。さらに、アセトアルデヒドの初発濃度を約3倍としているにもかかわらず、二酸化炭素の発生量は少なく、チタニアコーティングを施した本発明に係るアルミナ繊維またはアルミナ繊維集合体は、優れた物質吸着能を有していることが示唆された。

また、図5(b)に示すF−1チタニア繊維集合体についても、優れた光触媒能を有していることが示された。このF−1チタニア繊維集合体の比表面積は0.77m²/gであった。

さらに図5(c)に示すように、試料3において、極めて優れた光触媒能が観察されたことから、先に示したゾルC液によるディップコーティングは、アルミナ細繊維のような極細の繊維であっても、繊維径を選ぶことなく容易にコーティング可能な液であることが示された。また、マフテック（登録商標）MLS−2は、二酸化珪素を約28％を含んでいるが、高い光触媒能が観察されたことから良好なディップコーティングが成されていることが示唆されており、ゾルC液は二酸化珪素を含むアルミナに対してもディップコーティング可能なゾル液であることが示された。この試料3（チタニアコーティングを施したMLS−2アルミナ細繊維）の比表面積は9.31m²/gであった。

（10）NOx分解試験
次に、図6に示す試験装置に、C−2チタニア繊維集合体または比較試料を収納し、NO（一酸化窒素）を送気することでNOx試験を行った。本試験法は発明者が独自に改良したJIS法に類似の試験方法としており、試料が繊維形状であることから、NOが繊維内部を通気するようにして試料の評価を行っている。なお、JIS法に供するための試験装置を図6(a)に、本発明者が試験したJIS変法を(b)に示す。

図6(a)の如く、JIS法では、表面を通過するNOガスの変化のみしか測定することができない。一方、E−7チタニア繊維集合体は、NOガスの変化がワイヤーウール状の繊維の空隙部分でも生じる。したがって、通常のJIS法では十分な評価を行うことができないこととなる。そのために、本発明者は繊維集合体内部をNOガスが通気するように構成した、図6(b)に示すJIS変法を適用して試料の評価を行った。

本試験では、JIS法に準じ25±2.0℃の温度で、3.0L／分の流量で1ppmのNO（一酸化窒素）を試験装置の上流側から試料中に送気し、試料中を通過して試験装置の下流側に達したガスをNOx分析装置で分析することにより、データを収集した。試料通過により回路内の圧力損失は無い事を確認した。また、本試験では、E−7チタニア繊維集合体に紫外線を照射せずにNOを通気させた試験と、同E−7チタニア繊維集合体に紫外線を照射しながらNOを通気させた試験とを行った。

その結果を図7に示す。図7(a)からもわかるように、NOの濃度は紫外線照射開始前の0.95ppmから急激に0.54ppmにまで減少し、60分を越えても装置の下流側で採取したガスのNO濃度は0.68ppmを維持し続けていた。次に、JIS変法を行った結果を図7(b)に示す。図7(b)からもわかるように紫外線照射開始NO濃度は0.54ppmとなり、120分経過後もNOは0.62ppmを維持した。一方NO₂濃度はNOの濃度は28％まで分解しているのがわかる。

次に、チタニアコーティングの際に、ディップコーティングを3回行ったE−7チタニア繊維集合体と、4回行ったE−7チタニア繊維集合体とのNO分解作用を比較すべくNO分解試験を行った。

図8の(a)はディップコーティングを3回行ったE−7チタニア繊維集合体のNO分解試験の試験結果を示し、図8(b)はディップコーティングを4回行ったE−7チタニア繊維集合体のNO分解試験の試験結果を示している。

この結果、図8(a)では約0.92ppmのNOガスが、紫外線を照射することにより約0.56ppmにまで減少したのに対し、図8(b)では約0.93ppmのNOガスが、約0.51ppmにまで減少した。

このことから、ディップコーティングを多数回行うことにより、更に良好な光触媒作用を生起できることが示された。

（11）水中の殺菌・殺虫・有機物分解に応用した例
チタニア繊維またはチタニア繊維集合体は、OH⁻またはO⁻のラジカル基等のいわゆるマイナスイオンやイオンクラスターと呼ばれる環境改善イオンを発生させる光触媒体として機能させることができる。

すなわち、例えばアセトアルデヒド、ホルムアルデヒド、キシレン、トルエン、スチレン、硫化水素、メチルメルカプタン、硫化メチル、トリメチルアミン、イソ吉草酸、アンモニア、窒素酸化物、硫黄酸化物等のガス中の有害物質を酸化・分解処理することができるとともに細菌やウイルスの殺菌に利用することができる。

しかし、この気相中の反応はその不安定性により持続時間が極めて短く、その反応は光触媒体のごく近傍でのみの反応とされ、有害物質の分解処理や細菌類の殺菌処理は、光触媒体表面に接触している場合に限られていた。

そこで、環境改善イオンが備える活性酸素種としての機能を水に付与し、この水による酸化反応を利用することが可能となれば、光触媒体表面から離れた場所であっても、活性酸素種に由来する強力な酸化作用を、時間・空間的に離れた場所で発現させることが可能となる。この水は、光触媒反応により生じた活性酸素種を多量に含有しており、以下において同水を光触媒反応水と規定した。

すなわち、本発明に係る光触媒反応水生成装置では、この光触媒反応水による酸化反応を利用した洗浄を行うことのできる光触媒反応水生成装置を提供するものである。なお、ここで洗浄とは、物質に付着した汚れを落とすことを意味するのは勿論のこと、微生物の殺滅、有機物の酸化分解などの概念を有する。

この光触媒反応水は、水をチタニア繊維集合体に接触させて紫外線を照射して生成するものである。ここで、紫外線の線源としては、紫外線ランプ(ブラックライト)、LED、太陽光など、340nm〜370nmの紫外線を放射可能な線源であれば特に限定されるものではない。

また、水中の光触媒体に紫外線を照射する場合には、水上の紫外線源から放射された紫外線を光ファイバーで水中に導くとともに、光ファイバーの終端部を光触媒体へ対向させておくことにより、光触媒体の所望の場所に紫外線を照射することができる。また、水が汚れている場合であっても、光ファイバーを用いて紫外線を導くことにより、紫外線を光触媒体へ容易に到達させることができる。

光触媒体に接触させて光触媒反応水とするための水は、予め溶存酸素濃度を高めておくと良い。水の溶存酸素濃度が高い程、チタニア繊維集合体表面での光触媒反応が活発化し、活性酸素種が多量に発生するので効率よく光触媒反応水を生成することができる。

また、光触媒反応水を生成する際には、光触媒体に超音波が届く位置に、水中で発振可能な超音波振動子を備えるようにしても良い。超音波がチタニア繊維を振動することにより、チタニア繊維の表面に生じた活性酸素種を効率的に水中へ拡散することができる。すなわち、光触媒体を構成するチタニア繊維集合体は、多数のチタニア繊維の集合であるため多孔質体となっており、非常に大きな表面積を有することから、多量の活性酸素種が生じることとなる。また、これと同時に、発生した活性酸素種は速やかに超音波の振動によって表面から振るい落とされて大量に水中に遊離する。そして、即時に新たな活性酸素種が生じ、再び超音波の振動にあわせて振るい落とされ、また水中に遊離することとなる。これが瞬時の間に幾度となく繰り返されることとなるため、極めて効率良く水中に活性酸素種を含ませることができる。しかも、チタニア繊維集合体は繊維の自由末端を多数有しており、これらが振動することにより多量の活性酸素種が拡散されることとなる。

併せて、このチタニア繊維集合体を形成するチタニア繊維は、アルミニウム系金属から構成されるアルミニウム層と、自然酸化膜と人工酸化膜と深層酸化膜とを備えるアルミナ層と、ゾルＡ液またはゾルＢ液またはゾルＣ液を用いて形成したチタニア層とが強固に結びついており、耐久性が高いことから、超音波環境下の水中においても実用性を保ちながら長期間の使用に耐えることができる。

このようにして生成した光触媒反応水は、物品や食品や生物の除菌洗浄に有効であるはかりでなく、その強力な酸化力は海洋生物における寄生虫の駆虫やアメーバなどの原虫類の駆除にも利用することができる。

（12）空気清浄機に応用した例
次に、チタニア繊維集合体を空気清浄機のフィルターに適用した例を示す。

従来、実験研究室、病院の手術室、工場、し尿保管場所等からは恒常的にガス（例えばホルムアルデヒドや、笑気ガス（N₂O）等の有害ガス）が排出されている。このようなガスは、慢性的神経疾患や肝臓疾患、あるいは催奇形性や発癌性などの健康障害の原因となるなど、健康に悪影響を与えるばかりでなく、地球温暖化やオゾン層破壊など環境への悪影響も指摘されていることから、その処理対策が急務となっている。

そこで、本発明に係るガス処理装置では、ガス処理用フィルターに水を供給する給水部を具備し、前記ガス処理用フィルターの表面に水フィルターを形成するように構成するとともに、前記ガス処理用フィルターは、本発明に係るアルミナ繊維集合体もしくはチタニア繊維集合体を備えている。

以下、本発明に係るガス処理装置Aを図面を用いて具体的に説明する。

図9及び図10に示すように、本発明に係るガス処理装置Aは、ケーシング11の上部に第1の水タンク12を設けるとともに、ケーシング1内の下部に水を貯蔵し、これを第2の水タンク13としており、両タンク12,13に後述する水フィルターFを形成するための水を貯蔵している。また、水フィルターFは、アルミナ繊維集合体もしくはチタニア繊維集合体で形成している。

前記第1の水タンク12前記第2の水タンク13の間には、給水手段としての給水パイプ21を設けており、第2の水タンク13内に設ける同じく給水手段としての給水ポンプ41によって、第2の水タンク13内に貯蔵された水を給水パイプ21を介して第1の水タンク12に汲み上げて移動することができるようにしている。

ここで、図10に示すように、第1の水タンク12と、第2の水タンク13との内部には、チタニア繊維集合体を備えるガス処理用フィルターを配設して光触媒部130を構成するとともに、超音波発信器（図示せず）に接続した超音波振動子120と、紫外線ランプ20’とを配設している。このため水フィルターにて捕らえた有害物質の分解および、水フィルターシステム中で発生した細菌の殺菌を行うことが可能である。照射に使用する紫外線はブラックライト(波長約340nm〜370nm)単独ではなく殺菌灯(波長約260nm)を併用することも可能である。

ガス流路部14は、図11に示すように、送風通路15→鏡面送風室16→鏡面排風室17→排風通路18→炭素繊維収容室111とガスが通流する流路Rが形成されている。
前記排気口18aに炭素繊維収容室111を取り付けることで、活性炭素繊維を触媒・吸着剤として、前記ガス流路部14で処理できなかったガス中の有害物質（例えば有機ガス中の窒素化合物）を炭素繊維収容室111内で吸着・還元処理し、その後、排気するようにしており、ガスの処理効率を向上させるようにしている。

このように、アルミナ繊維をチタニアコーティングすることによって構成したガス処理用フィルター19に紫外線を照射することで、ガス処理フィルター19の表面で生じた活性酸素種だけでなく、上下の水タンク内で光触媒反応水を生成させ、水を媒体としてのガス処理も行うようにしたものである。

したがって、ガス処理フィルター19表面の光触媒（チタニアコーティング）で生じた活性酸素種を、媒体を介することなく直接作用させて、光触媒体表面に接触した有害物質のみを処理する従来までの方法と異なり、本発明は、光触媒体から離れた場所でも、活性酸素種によるガス処理効果を享受することができる。

このことは、ガス処理装置Aの流路R内部に、エアロゾルの状態で拡散している活性酸素種を含む水の飛沫についても同様であり、処理対象の有害物質がガス処理フィルターに直接接触することがなくとも、流路R中に存在する細かい水滴自体に酸化・分解能力を付与しているので、飛躍的にガス処理効率を向上させることとなる。

また、第1の水タンク12には、例えば焼成珊瑚や琉球石灰岩等の炭酸カルシウム（CaCO₃）を含む炭酸カルシウム含有材（図示しない）を配設して、第1の水タンク12内部の水を炭酸カルシウム水溶液としてもよい。

さらに、第1の水タンク12内の水には尿素を添加することも可能である。

したがって、水フィルターFの吸着能力をより向上させながら、ガス中の有害物質を適宜石膏化させ、水フィルターFの吸着能力を維持することができる。

なお、図9〜12中において、15aは吸気口、19aは前面、19bは後面、20aは後面、21は給水パイプ、22は排水パイプ、41は給水ポンプ、61は排風通路前壁、62は排風通路左壁、63は排風通路周壁、64は第1連結部、71は鏡面送風室周壁、72は第2連結部、81は鏡面排風室周壁、82は第3連結部、91はファン、92は排風通路後壁、93は排風通路左壁、94は排風通路周壁、100は紫外線反射アルミパネルを示している。

上述してきたように、本発明に係るアルミナ被膜形成方法によれば、厚膜状の酸化被膜を有するアルミナ繊維の形成を可能とすることができる。また、本発明に係るアルミナ繊維によれば、優れた耐熱性やディップコーティング性を有するアルミナ繊維を提供することができ、しかも、スチールウール状に集合させたアルミナ繊維やディップコーティングを施して光触媒機能を持たせたアルミナ繊維を提供することができる。併せて、本発明に係る空気清浄装置によれば、アルミナ繊維の厚膜状の酸化膜に由来する優れた物質吸着能と光触媒機能を持たせたアルミナ繊維との少なくともいずれか一つを利用することにより、優れた物質除去能力を有する空気清浄装置を提供することができる。

最後に、上述した各実施の形態の説明は本発明の一例であり、本発明は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。例えば、図9〜12に示した空気清浄装置Aでは、チタニア繊維集合体を用いたガス処理フィルター19を1枚のみとしているが、これに限定されるものではなく、例えば、複数のガス処理フィルター19´を備えるように構成しても良い。

請求項１に記載のアルミナ被膜形成方法では、表面を自然酸化膜で被覆したアルミニウム製またはアルミニウム合金製のアルミニウム繊維を、その融点温度の2分の1の温度まで、毎分当たり５℃以下の温度勾配を維持しながら加熱した後に、融点温度の2分の1の温度を所定時間保持して、酸化膜の膜厚を5nm以上とする工程と、この5nm以上の膜厚の酸化膜を有する繊維を、前記アルミニウム繊維の融点温度よりも10％低い温度から、前記アルミニウム繊維の融点温度までの温度範囲内の温度に加熱した後に、同温度範囲内の温度で所定時間保持して、酸化膜の膜厚を50nm以上とする工程と、を有することとした。

これにより、アルミニウム繊維の表面を覆う自然酸化膜の下層方向に、人工酸化膜と深層酸化膜とを連続して形成することができるため、酸化膜を三層構造として、密着性の高いコーティング、たとえば光触媒チタニアコーティング等を施すことが可能な酸化膜を形成することができる。併せて、深層酸化膜を耐熱膜として、融点以上に加熱して形成する後述の最深層酸化膜を形成することができる。

また、アルミニウム繊維を、その融点温度の2分の1の温度まで加熱しながら形成しているので、融点温度の2分の1の温度を超えて加熱する後述の深層酸化膜の形成時に、繊維形状を崩すことなく深層酸化膜を形成することができる。

また、アルミニウム繊維を毎分当たり5℃以下の温度勾配を維持しながら加熱して形成しているので、人工酸化膜を緻密に形成することができ、深層酸化膜を形成する際の加熱時に、繊維形状が崩れるのを更に防止しつつ、深層酸化膜を形成することができる。

また、アルミニウム繊維を、その融点温度の2分の1の温度まで、毎分当たり5℃以下の温度勾配を維持しながら加熱した後に、融点温度の2分の1の温度を所定時間保持して形成しているため、深層酸化膜の膜厚がばらつくのを防止できて、所望する膜厚のアルミナ薄膜を安定して形成することができる。

また、酸化膜の膜厚を5nm以上とすることで、強固な酸化膜を形づくることが可能となり、繊維の耐侯性、耐食性、安定性を向上させることができる。

また、この5nm以上の膜厚の酸化膜を有する繊維を、前記アルミニウム繊維の融点温度よりも10％低い温度から、前記アルミニウム繊維の融点温度までの温度範囲内の温度に加熱しているので、加熱雰囲気中の酸素が自然酸化膜と人工酸化膜とを透過できて、繊維形状を保持しつつ深層酸化膜を形成することができる。

また、酸化膜の膜厚を50nm以上としているので、アルミニウム独自の柔軟性を備えると共に、アルミニウムの融点を越えても繊維形状を保持可能なアルミナ繊維を形成することができる。しかも、密着性の高いコーティング、たとえば光触媒チタニアコーティング等を施すことが可能な酸化膜を形成することができる。さらに、ルチル型光触媒チタニア繊維の被膜形成に必要な加熱温度（約750℃）に耐え得る耐熱性を有したアルミナ薄膜を形成することができる。

また、所望するアルミナ膜厚に応じて、アルミニウム繊維の融点温度に近い温度まで加熱した後に、その温度近傍で保持する時間を調節することにより、深層酸化膜の膜厚を調整することができる。

また、酸化膜は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点よりも高い温度に対する耐熱性を有するので、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点を超えて更なる加熱や昇温を行うことができる。

また、請求項２に記載のアルミナ薄膜形成方法では、表面を自然酸化膜で被覆したアルミニウム製またはアルミニウム合金製のアルミニウム繊維を、その融点温度の2分の1の温度まで、毎分当たり５℃以下の温度勾配を維持しながら加熱した後に、融点温度の2分の1の温度を所定時間保持して、酸化膜の膜厚を5nm以上とする工程と、この5nm以上の膜厚の酸化膜を有する繊維を、前記アルミニウム繊維の融点温度よりも10％低い温度から、前記アルミニウム繊維の融点温度までの温度範囲内の温度に加熱した後に、同温度範囲内の温度で所定時間保持して、酸化膜の膜厚を50nm以上とする工程と、この50nm以上の膜厚の酸化膜を有する繊維を、前記アルミニウム繊維の融点温度を超えた温度で加熱する工程と、を有することしているので、ルチル型光触媒チタニア繊維の被膜形成に必要な加熱温度（約750℃）に耐え得る耐熱性を有したアルミナ薄膜を形成することができる。

また、請求項３に記載のアルミナ繊維では、請求項１又は請求項２に記載のアルミナ被膜形成方法にて形成したアルミナ被膜を有するアルミナ繊維であって、前記アルミナ被膜の下層は、前記アルミニウム又はアルミニウム合金の状態としているので、密着性の高いコーティング、たとえば光触媒チタニアコーティング等を施すことが可能な酸化膜を備えたアルミナ繊維とすることができる。また、耐熱膜として、融点以上に加熱することが可能なアルミナ繊維とすることができる。

また、アルミニウム繊維を、その融点温度の2分の1の温度まで加熱して形成したので、融点温度の2分の1の温度を超えて加熱する後述の深層酸化膜の形成時に、繊維形状が崩れることなく深層酸化膜が形成可能なアルミナ繊維とすることができる。

また、アルミニウム繊維を毎分当たり5℃以下の温度勾配を維持しながら加熱して形成したので、緻密な酸化膜とすることができ、深層酸化膜を形成する際の加熱時に、繊維形状が崩れるのを更に防止しつつ、深層酸化膜を形成可能なアルミナ繊維とすることができる。

また、アルミニウム繊維を、その融点温度の2分の1の温度まで、毎分当たり約5℃以下の温度勾配を維持しながら加熱した後に、融点温度の2分の1の温度を所定時間保持して形成したため、酸化膜の膜厚がばらつくのを防止できて、所望する膜厚のアルミナ薄膜を安定して形成することができる。

また、酸化膜の膜厚を5nm以上とする工程を経たので、強固な酸化膜を形づくることが可能となり、繊維の耐侯性、耐食性、安定性を向上させたアルミナ繊維とすることができる。

また、酸化膜の膜厚を5nm以上とする工程を経た後、アルミニウム繊維の融点温度よりも10％低い温度から、前記アルミニウム繊維の融点温度までの温度範囲内の温度に加熱して形成したので、密着性の高いコーティング、たとえば光触媒チタニアコーティング等を施すことが可能なアルミナ繊維とすることができる。また、酸化膜を耐熱膜として、融点以上に加熱して形成する酸化膜を形成可能なアルミナ繊維とすることができる。

また、酸化膜の膜厚を50nm以上とする工程を経たので、アルミニウム独自の柔軟性を備えると共に、アルミニウムの融点を越えても繊維形状を保持可能なアルミナ繊維を形成することができる。しかも、密着性の高いコーティング、たとえば光触媒チタニアコーティング等を施すことが可能な酸化膜を形成することができる。さらに、ルチル型光触媒チタニア繊維の被膜形成に必要な加熱温度（約750℃）に耐え得る耐熱性を有したアルミナ繊維とすることができる。

また、酸化膜は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点よりも高い温度に対する耐熱性を有するので、更なる加熱や昇温を行うことができる。

また、アルミニウム繊維の融点温度を超えた温度で加熱する工程を経ることにより、ルチル型光触媒チタニア繊維の被膜形成に必要な加熱温度（約750℃）に耐え得る耐熱性を有したアルミナ繊維とすることができる。

更に、請求項４に記載のガス処理装置では、ガス処理用フィルターに水を供給する給水部を具備し、ガス処理用フィルターの表面に水フィルターを形成するように構成するとともに、ガス処理用フィルターは、請求項３に記載のアルミナ繊維を備えていることとしたので、ガス処理用フィルターと水フィルターとでガスを確実に処理できる。

Claims (4)

1. 表面を自然酸化膜で被覆したアルミニウム製またはアルミニウム合金製のアルミニウム繊維を、その融点温度の2分の1の温度まで、毎分当たり５℃以下の温度勾配を維持しながら加熱した後に、融点温度の2分の1の温度を所定時間保持して、酸化膜の膜厚を5nm以上とする工程と、
   この5nm以上の膜厚の酸化膜を有する繊維を、前記アルミニウム繊維の融点温度よりも10％低い温度から、前記アルミニウム繊維の融点温度までの温度範囲内の温度に加熱した後に、同温度範囲内の温度で所定時間保持して、酸化膜の膜厚を50nm以上とする工程と、を有することを特徴とするアルミナ被膜形成方法。
2. 表面を自然酸化膜で被覆したアルミニウム製またはアルミニウム合金製のアルミニウム繊維を、その融点温度の2分の1の温度まで、毎分当たり５℃以下の温度勾配を維持しながら加熱した後に、融点温度の2分の1の温度を所定時間保持して、酸化膜の膜厚を5nm以上とする工程と、
   この5nm以上の膜厚の酸化膜を有する繊維を、前記アルミニウム繊維の融点温度よりも10％低い温度から、前記アルミニウム繊維の融点温度までの温度範囲内の温度に加熱した後に、同温度範囲内の温度で所定時間保持して、酸化膜の膜厚を50nm以上とする工程と、
   この50nm以上の膜厚の酸化膜を有する繊維を、前記アルミニウム繊維の融点温度を超えた温度で加熱する工程と、を有することを特徴とするアルミナ被膜形成方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載のアルミナ被膜形成方法にて形成したアルミナ被膜を有するアルミナ繊維であって、
   前記アルミナ被膜の下層は、前記アルミニウム又はアルミニウム合金の状態としていることを特徴とするアルミナ繊維。
4. ガスを送気させる流路中に、ガス処理用フィルターを設け、ガスを処理するガス処理装置において、
   前記ガス処理用フィルターに水を供給する給水部を具備し、前記ガス処理用フィルターの表面に水フィルターを形成するように構成するとともに、
   前記ガス処理用フィルターは、請求項３に記載のアルミナ繊維を備えていることを特徴とするガス処理装置。

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