JP5087184B2 - One-pack type coating composition, photocatalyst used therefor, coating film thereof, and production method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸化チタン、酸化タングステンがシリカナノ構造体に固定されてなる粉体とポリシロキサン骨格を有する樹脂とを含有する1液型塗料組成物、これに用いる光触媒粉末、ならびにそれから得られる光触媒塗膜、超親水性塗膜及びそれらの製造方法に関する。 The present invention relates to a one-component coating composition containing a powder in which titanium oxide and tungsten oxide are fixed to a silica nanostructure and a resin having a polysiloxane skeleton, a photocatalyst powder used therefor, and a photocatalyst coating obtained therefrom. The present invention relates to a film, a superhydrophilic coating film, and a production method thereof.
近年、酸化チタンなどの光触媒は、汚れや有害物質等を自発分解し無害化できることで、産業的には非常に注目されている。その応用分野は、住宅、車、医療、土地処理などへと広がり、循環型社会構築の不可欠技術として位置付けられている。通常、光触媒そのものは粉末であり、現実空間で使用するためにはバインダー樹脂との混合による塗料化、さらには塗膜化することが必須となる。塗膜化した後、塗膜の触媒活性を発現するためには、光触媒活性点(例えば、酸化チタン粒子)が塗膜表面に分布、固定された状態にならなくてはならず、なおかつ、その光触媒が塗膜連続層(バインダー)、および塗布された基材を保護しなければならない。特に、有機系バインダーを主とする光触媒塗膜を目的とする場合、この問題は避けては通らない。即ち、光触媒塗膜が基材表面の汚れ防止とともに基材を保護しなければそれの応用はほとんど期待できない。従って、光触媒塗膜に関して、さまざまな工夫が検討されている。 In recent years, photocatalysts such as titanium oxide have received much attention industrially because they can spontaneously decompose and detoxify dirt and harmful substances. Its application fields spread to houses, cars, medical care, land processing, etc., and are positioned as essential technologies for building a recycling-oriented society. Usually, the photocatalyst itself is a powder, and in order to use it in an actual space, it is indispensable to form a paint by mixing with a binder resin, and further to form a coating film. In order to express the catalytic activity of the coating film after it has been formed, the photocatalytic activity points (for example, titanium oxide particles) must be distributed and fixed on the coating surface, and The photocatalyst must protect the coating layer (binder) and the coated substrate. This problem is unavoidable especially when the purpose is a photocatalytic coating film mainly composed of an organic binder. That is, unless the photocatalyst coating film protects the base material as well as prevents the surface of the base material from being stained, its application is hardly expected. Therefore, various devices have been studied for the photocatalytic coating film.
例えば、基材表面に下塗り膜を作製後、その上に光触媒含有の上塗り膜を形成させることが考案されている(例えば、特許文献1〜4参照)。特許文献1では、下塗り用塗液として、アルコキシシランと紫外線吸収剤などを用いてこれを基材に塗布後乾かし、その上に酸化チタン等の光触媒粉末とシリカゾル液とからなる塗液を塗布して光触媒塗膜を形成させる方法が提供されている。この手法によれば、基材に耐候性をもたせ、上塗り層に光触媒が固定されることで、汚れ防止、超親水性付与などをもたらすことができる。特許文献2では、透明プラスチック基材用下塗り用の塗液として、アルコキシシラン類と側鎖に水酸基を有するフッ素系樹脂、更に必要により多官能イソシアネート樹脂成分が含まれた組成物を基材表面に塗布、乾燥後、その上に酸化チタン粉末を含む光触媒組成物を塗布する方法が提供されている。又、特許文献3では、紫外線にも劣化しない強い耐候性を有するフッ素樹脂含有ポリシロキサンゾル液を下塗り組成物として塗布乾燥後、その上に光触媒組成物を塗布することで、長寿命化を図る光触媒塗膜が提案されている。更に又、特許文献4では、光触媒コーティング剤による基材表面劣化が発生するおそれがある基材についての下塗り法も検討されている。具体的には、下塗り用組成物としてペルオキソチタン酸水溶液などを用いてミスト塗布を行い、その上に酸化チタン光触媒を塗布する方法が提案されている。
For example, it has been devised to form an undercoat film on the surface of a substrate and then form a photocatalyst-containing overcoat film thereon (see, for example,
下塗り膜を使用せず、基材表面に光触媒組成物を直塗りすることも考案されている。例えば、光触媒活性は低く紫外線吸収能力が高いルチル型酸化チタンと、光触媒活性が高いアナターゼ型酸化チタンなどとを、ポリアクリレート、ポリシロキサン、コロイダルシリカなどを含む水性バインダーと混合し、その組成物を基材表面に直塗りすることで、光触媒塗膜を作製している(例えば、特許文献5参照)。この方法の狙いは、ルチル酸化チタンの紫外線吸収を強め、従来の下塗り層の機能を付与することにある。 It has also been devised to directly coat the photocatalytic composition on the surface of the substrate without using an undercoat film. For example, rutile type titanium oxide having low photocatalytic activity and high UV absorption ability and anatase type titanium oxide having high photocatalytic activity are mixed with an aqueous binder containing polyacrylate, polysiloxane, colloidal silica, etc., and the composition is mixed. A photocatalyst coating film is produced by directly coating the surface of the substrate (for example, see Patent Document 5). The aim of this method is to enhance the ultraviolet absorption of rutile titanium oxide and to give the function of a conventional undercoat layer.
実際、光触媒塗料の場合、光触媒として機能する酸化チタンなどは、表面に裸出状態にならないとその機能は低下する。従って、酸化チタンの頭出しを工夫する光触媒塗膜の作製法も検討されている(例えば、特許文献6参照)。特許文献6では、充填材を含むシリコーン樹脂塗料などを基材表面に塗布し、乾燥することで、塗膜表面を多孔質状態にし、次に、その多孔質膜の上に光触媒粉末とポリマーバインダーを含む組成物を塗布すると、ポリマーバインダーは溶液状態なので多孔質の孔に浸透し、光触媒固体はその表面に残存しやすくなり、できるだけ多くの光触媒を塗膜表面から頭だしさせることができるとの記載がある。
In fact, in the case of a photocatalyst paint, the function of titanium oxide or the like that functions as a photocatalyst deteriorates unless it is exposed on the surface. Therefore, a method for producing a photocatalyst coating that devise the cueing of titanium oxide has also been studied (see, for example, Patent Document 6). In
また、蛍光灯と比較して長寿命且つ消費電力量が少ないLED照明が急激な普及を見せており、近い将来にはLED照明が室内用照明の大部分を占めると推測されている。このため、室内環境中において光触媒を有効に使用するためには、LEDランプの発光波長に対応する完全可視光応答型の光触媒の開発が必須である。 In addition, LED lighting, which has a longer life and less power consumption than fluorescent lamps, is rapidly spreading, and it is estimated that LED lighting will occupy most of indoor lighting in the near future. For this reason, in order to effectively use the photocatalyst in an indoor environment, it is essential to develop a photocatalyst of a completely visible light response type corresponding to the emission wavelength of the LED lamp.
このLED照明には紫外線が一切含まれておらず、全ての発光波長が可視光線であり、通常の酸化チタンでは光触媒機能を発現しない。また、現状の可視光応答型酸化チタン光触媒においても、LED光源下では微弱な光触媒活性を示すのみである。 This LED illumination does not contain any ultraviolet rays, all emission wavelengths are visible light, and ordinary titanium oxide does not exhibit a photocatalytic function. Also, the current visible light responsive titanium oxide photocatalyst only shows weak photocatalytic activity under an LED light source.
近年、可視光応答能力を持たない酸化チタンに変わり、もともと可視光吸収能力を持ち、且つ、光触媒機能を有する酸化タングステン光触媒に注目が集まっている。しかしながら、酸化タングステンのようにバンドギャップが低い場合、価電子帯から導電帯へと励起される電子は逆戻りしやすく、触媒機能を発現するには、その電子を「プールまたはトラップ」できる構造の設計が必要となり、例えば、遷移金属を酸化タングステンに担持する方法が研究されている(例えば、特許文献7参照)。しかし、この遷移金属担持酸化タングステン光触媒は現状の可視光応答型酸化チタンの3倍程度の光触媒活性でしかなく、室内空間におけるLED照明用途に満足できる性能とは到底言えない。また、上記酸化タングテン光触媒の製造プロセスは、高温焼成において得られた酸化タングステン粒子を粉砕し、濾過フィルターに通すことによって酸化タングステンの微粒子を得た後、その微粒子上に遷移金属を担持するものであり、構造設計に至ってなく、その製造プロセスも非効率的であると言える。 In recent years, attention has been focused on a tungsten oxide photocatalyst that originally has a visible light absorption ability and a photocatalytic function, instead of titanium oxide that does not have a visible light response ability. However, when the band gap is low, such as tungsten oxide, the electrons excited from the valence band to the conduction band are likely to reverse, and the structure is designed so that the electrons can be “pooled or trapped” in order to develop a catalytic function. For example, a method of supporting a transition metal on tungsten oxide has been studied (for example, see Patent Document 7). However, this transition metal-supported tungsten oxide photocatalyst has a photocatalytic activity that is about three times that of the current visible light responsive titanium oxide, and cannot be said to be satisfactory in LED lighting applications in indoor spaces. The manufacturing process of the above-mentioned tungsten oxide photocatalyst is such that tungsten oxide particles obtained in high-temperature firing are pulverized and passed through a filter to obtain tungsten oxide particles, and then a transition metal is supported on the particles. There is no structural design, and the manufacturing process is inefficient.
上記のように、可視光応答型の光触媒やこれを用いる光触媒塗膜及びその作製においては様々な検討が行なわれているが、どの手法も結局手間隙かかることが多く、実に煩雑である。このままでは、仮にこれらの塗膜の光触媒機能が十分といっても、実用性には向いてない。実際、室内照明下で使用する光触媒塗膜については、有効性ばかり予測されるものの、いまだに実用面において有効な光触媒塗膜は見出されてない。下塗りという2度塗りなしで光触媒塗膜を作製するには、設計思想を見直しするしかない。それには、バインダー設計と光触媒設計とを同時に思案することが必須である。 As described above, various studies have been made on the visible light responsive photocatalyst, the photocatalyst coating film using the visible light photocatalyst, and the production thereof. However, each method is often cumbersome and is very complicated. As it is, even if the photocatalytic function of these coating films is sufficient, it is not suitable for practical use. In fact, the photocatalyst coating film used under room lighting is only expected to be effective, but no photocatalyst coating effective in practical use has been found yet. The only way to create a photocatalytic coating without undercoating twice is to review the design philosophy. To do so, it is essential to consider both binder design and photocatalyst design at the same time.
実用的な光触媒塗膜を考えた場合、必ず1液型の直塗りが要求される。そのためには、光触媒塗膜構造を従来の方式から切り離して設計することが必要である。ここでの前提条件としては、どのような方式であっても、光触媒塗膜そのものが基材を劣化させることになってはならず、また、光触媒塗膜中の光触媒の活性サイトがバインダー樹脂そのものを傷めてはならないということである。 When considering a practical photocatalytic coating, a one-component direct coating is always required. For that purpose, it is necessary to design the photocatalyst coating film structure separately from the conventional system. The precondition here is that the photocatalyst coating itself should not deteriorate the substrate in any system, and the active site of the photocatalyst in the photocatalyst coating is the binder resin itself. It should not be hurt.
上記のことを総合的に考えた場合、光触媒塗膜の表面構造には、ナノからミクロンスケールでの凹凸構造が必要であり、その凸部に光触媒として機能する活性サイトが固定されていることがもっとも好ましいことになる。しかし、光触媒サイトが固定される凸部はバインダー樹脂で形成してはならない。さらに、バインダー樹脂そのもの自体が十分な耐候性をもたなければならないし、光触媒を頑丈に固定することも必要である。 When the above is considered comprehensively, the surface structure of the photocatalyst coating film must have an uneven structure on the nano to micron scale, and active sites that function as a photocatalyst are fixed to the convex portions. Most preferred. However, the convex part to which the photocatalytic site is fixed must not be formed of a binder resin. Furthermore, the binder resin itself must have sufficient weather resistance, and it is also necessary to firmly fix the photocatalyst.
従って、本発明が解決しようとする課題は、可視光下でも充分な光触媒機能を有する粉体と、これを含有する1液型で基材に直塗りが可能な塗料組成物を提供することであり、該組成物を塗布し乾燥して得られる塗膜表面には凹凸構造が自発的に形成されると共に、凸部の最表面に光触媒の活性サイトが固定され、且つ該活性サイトと塗料組成物中のバインダー樹脂とが直接結合していない、光触媒機能を有する塗膜となりうる、その簡便な製造方法を提供することにある。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a powder having a sufficient photocatalytic function even under visible light and a coating composition containing the powder and capable of being directly applied to a substrate in a one-component type. The coating film surface obtained by applying and drying the composition has a concavo-convex structure spontaneously formed, the active site of the photocatalyst is fixed on the outermost surface of the convex part, and the active site and the coating composition It is an object of the present invention to provide a simple production method capable of forming a coating film having a photocatalytic function that is not directly bonded to a binder resin in a product.
本発明者は、前記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、ナノファイバーをベースとする複雑形状を持つ高比表面積シリカナノ構造体に酸化チタンや酸化タングステンのナノ粒子が焼き付けられてなるシリカ・酸化チタン複合型の粉末状の光触媒、又はシリカ・酸化タングステン複合型の粉末状光触媒と、ポリシロキサン骨格を有するポリマー鎖が結合した(メタ)アクリレート系重合体の樹脂とを混合してなる塗料組成物を用いて任意材質の基材上に塗布し乾燥・硬化されてなる塗膜が、太陽光及び蛍光灯照射下において極めて高い光触媒機能と、当該構造に基づいた超親水性機能と、を示すことを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventor has obtained silica having titanium oxide and tungsten oxide nanoparticles baked on a high specific surface area silica nanostructure having a complex shape based on nanofibers. A paint comprising a titanium oxide composite powder photocatalyst or a silica / tungsten oxide composite powder photocatalyst mixed with a (meth) acrylate polymer resin to which a polymer chain having a polysiloxane skeleton is bonded. A coating film formed by applying a composition on a base material of any material and drying / curing has an extremely high photocatalytic function under the irradiation of sunlight and a fluorescent lamp, and a superhydrophilic function based on the structure. As a result, the present invention has been completed.
即ち本発明は、酸化チタン(a1)がシリカナノ構造体(a2)に固定されてなる粉体(A1)、及び/又は酸化タングステン(a3)がシリカナノ構造体(a2)に固定されてなる粉体(A2)と、ポリシロキサン骨格を有する樹脂(B)とを含有することを特徴とする1液型塗料組成物と、これを用いて得られる光触媒塗膜、超親水性塗膜、及びそれらの製造方法を提供するものである。 That is, the present invention provides a powder (A1) in which titanium oxide (a1) is fixed to the silica nanostructure (a2) and / or a powder in which tungsten oxide (a3) is fixed to the silica nanostructure (a2). (A2) and a resin (B) having a polysiloxane skeleton, a one-component coating composition characterized by comprising, a photocatalytic coating film, a superhydrophilic coating film obtained by using the coating composition, and their A manufacturing method is provided.
更に、本発明は、酸化チタン(a1)又は酸化タングステン(a3)がシリカナノ構造体(a2)に固定されてなる複合体からなる粉体状の光触媒であって、前記シリカナノ構造体(a2)が、太さ又は厚みが10〜100nmでアスペクト比が2以上のシリカナノファイバー又はシリカナノリボンを基本ユニットとして1μm〜20μmの範囲で集合してなるものであり、かつ、当該複合体中における酸化チタン(a1)又は酸化タングステン(a3)の含有率が10〜80質量%であることを特徴とする光触媒と、これらの簡便な製造方法を提供するものである。 Furthermore, the present invention is a powdery photocatalyst comprising a composite in which titanium oxide (a1) or tungsten oxide (a3) is fixed to a silica nanostructure (a2), wherein the silica nanostructure (a2) is , Which are formed by collecting silica nanofibers or silica nanoribbons having a thickness or thickness of 10 to 100 nm and an aspect ratio of 2 or more in the range of 1 μm to 20 μm as a basic unit, and titanium oxide (a1 ) Or tungsten oxide (a3) content of 10 to 80% by mass, and a simple production method thereof.
通常、光触媒として用いる酸化チタン結晶粉末は、その屈折率が高く、光触媒反応に必要とする大部分の光を反射させてしまい、光源からの光を有効的に活用できていない。本発明の酸化チタン/シリカナノ構造体の複合体である光触媒は、従来と全く違って、酸化チタンのナノ粒子と複雑形状のシリカナノ構造体とが複合してなる。この酸化チタン/シリカ複合型の光触媒において、光は酸化チタンに直接吸収されることだけではなく、シリカナノ構造体に散乱されやすく、その散乱光がシリカナノ構造体に固定された酸化チタンに当たることになる。その結果、光触媒活性サイトの酸化チタンの光吸収確率が増大し、結果として、光触媒活性が向上する。また、焼き付けされた酸化チタンのナノ粒子とシリカナノ構造体の間には、ナノレベルでの界面が形成され、そのナノ界面も酸化チタンの光触媒活性サイトの機能を増大させることにつながる。 Usually, the titanium oxide crystal powder used as a photocatalyst has a high refractive index, reflects most of the light necessary for the photocatalytic reaction, and cannot effectively utilize the light from the light source. The photocatalyst, which is a composite of titanium oxide / silica nanostructure according to the present invention, is completely different from the conventional one, and is composed of a composite of titanium oxide nanoparticles and a silica nanostructure having a complicated shape. In this titanium oxide / silica composite photocatalyst, light is not only directly absorbed by titanium oxide but also easily scattered by the silica nanostructure, and the scattered light hits the titanium oxide fixed to the silica nanostructure. . As a result, the light absorption probability of titanium oxide at the photocatalytic activity site is increased, and as a result, the photocatalytic activity is improved. In addition, an interface at the nano level is formed between the baked titanium oxide nanoparticles and the silica nanostructure, and the nano interface also increases the function of the photocatalytic active site of titanium oxide.
又、同様に、本来可視光応答型として光触媒機能を発現できる可能性を有する酸化タングステンの粒子を、シリカナノ構造体の表面に焼き付けて固定することで、アモルファスのシリカと結晶性の酸化タングステン間に、ナノレベルでの界面を形成させることができる。このナノ界面は一種の電子プール効果を持ち、光照射により発生した励起電子をトラップすることで、高い量子収率を発揮する。また、このように構成された酸化タングステン/シリカ複合型の光触媒においても、複雑な形状を有するシリカナノ構造体が光散乱を引き起こし、光子を触媒活性サイト周辺に閉じ込める機能を果たすことになる。 Similarly, tungsten oxide particles that have the possibility of exhibiting a photocatalytic function as a visible light responsive type are baked and fixed on the surface of the silica nanostructure, so that amorphous silica and crystalline tungsten oxide are fixed. , An interface at the nano level can be formed. This nano interface has a kind of electron pool effect, and exhibits a high quantum yield by trapping excited electrons generated by light irradiation. In the tungsten oxide / silica composite photocatalyst configured as described above, the silica nanostructure having a complicated shape causes light scattering and functions to confine photons around the catalytically active site.
また、シリカナノ構造体は多くの空洞、隙間を有し、それらが空気を有効にトラップする。また、シリカのアモルファス構造にはシラノール基が多く、それは常に水分子を効率的に吸着する。さらに、シリカナノ構造体表面は基質の有機物を触媒活性サイト周辺に有効に拡散・吸着・伝送することができる。従って、シリカ/酸化タングステン複合型の光触媒は、紫外線を含まないLED照明光下であっても、有機化合物を効率的に分解する触媒として機能することができる。 Silica nanostructures have many cavities and gaps, which effectively trap air. Silica's amorphous structure has many silanol groups, which always adsorb water molecules efficiently. Further, the surface of the silica nanostructure can effectively diffuse, adsorb and transmit the organic substance of the substrate around the catalytically active site. Therefore, the silica / tungsten oxide composite photocatalyst can function as a catalyst that efficiently decomposes an organic compound even under LED illumination light that does not contain ultraviolet rays.
このような光触媒機能を有する特定の構造を有する粉体を塗膜作製に用いた際、複雑形状のシリカナノ構造体の構造が反映された凹凸表面が形成され、バインダー樹脂に植え込まれたシリカナノ構造体部分と、凸部として頭出ししているシリカナノ構造体部分とが一体として膜を形成する。従って、塗膜状態でも光散乱が起こりやすく、また、頭出しのナノ構造体部分に固定された光触媒活性サイトは当該光触媒の固体粉末と同様な状態で機能できる。これは、酸化チタン等の光触媒粉末を直接バインダーに結合する従来の光触媒塗膜と根本的に異なるものである。 When a powder having a specific structure having such a photocatalytic function is used for coating film production, an uneven surface reflecting the structure of a complex-shaped silica nanostructure is formed, and the silica nanostructure implanted in a binder resin The body part and the silica nanostructure part protruding as the convex part integrally form a film. Therefore, light scattering is likely to occur even in the state of the coating film, and the photocatalytic active site fixed to the head of the nanostructure can function in the same state as the solid powder of the photocatalyst. This is fundamentally different from a conventional photocatalyst coating film in which a photocatalyst powder such as titanium oxide is directly bonded to a binder.
さらに、本発明の光触媒塗膜は、膜全体にシリカナノ構造体による凹凸性を有するので、光触媒が機能する際、膜全体は超親水性になりやすい。また、本発明の光触媒塗膜は、塗料組成物を1液型として塗布し、乾燥させる簡便な工程で得ることができる。従って、本発明の光触媒塗膜は、室内、室外に対応できる高効率の光触媒塗膜として用いることができる。また、本発明の1液型塗料組成物は、基材の材質または形状を問わず、ガラス、プラスチック、金属、陶器、木材、紙、布にも適応できる。さらに、本発明の1液型塗料組成物は、作業性などの簡便さから、専門業者はもちろん、普通家庭でも必要箇所に塗布し、光触媒塗膜を作製することができる。即ち、本発明は、紫外線を含まない照明光下であっても、汚れ防止、セルフクリーニング、空気浄化、殺菌、抗ウイルスなどに機能する光触媒塗膜として、産業現場、医療現場、学校、老人ホーム、家庭など広い建物施設に快適に用いることができる。 Furthermore, since the photocatalyst coating film of this invention has the unevenness | corrugation property by a silica nanostructure in the whole film | membrane, when a photocatalyst functions, the whole film | membrane tends to become super hydrophilicity. Moreover, the photocatalyst coating film of this invention can be obtained by the simple process of apply | coating a coating composition as 1 liquid type, and drying. Therefore, the photocatalyst coating film of the present invention can be used as a highly efficient photocatalyst coating film that can be used indoors and outdoors. Further, the one-component coating composition of the present invention can be applied to glass, plastic, metal, ceramics, wood, paper, and cloth regardless of the material or shape of the substrate. Furthermore, the one-component coating composition of the present invention can be applied to necessary places in ordinary homes as well as specialists because of the ease of workability and the like, and a photocatalytic coating film can be produced. That is, the present invention provides a photocatalytic coating film that functions for preventing dirt, self-cleaning, air purification, sterilization, anti-virus, etc. even under illumination light that does not contain ultraviolet rays. It can be used comfortably in large building facilities such as homes.
光触媒塗膜はすでに20年近くの歴史をもっている。特に、屋外(紫外線)用途としての光触媒塗膜は汚れ防止と超親水性によるセルフクリーニング効果が示され、高層ビルや大型建築には酸化チタン粉体を用いた光触媒塗膜が稀に施行されている。しかし、屋内用途または戸建住宅などを考えた場合、酸化チタンの結晶粉末のままの光触媒を塗膜の構造に取り入れることだけでは、光触媒の活路は広がらない。又、可視光を吸収し有機物を分解できるとして知られている酸化タングステンは、可視光エネルギーが照射された状態では電子と正孔に電荷分離するが、そのエネルギーギャップが低いゆえに、電子/正孔の再結合が起こりやすいため、安定的な光触媒機能を有するとは言いがたく、やはりこれを塗膜化しても、長期的に有効な光触媒塗膜にはならない。 Photocatalytic coatings have a history of nearly 20 years. In particular, photocatalytic coatings for outdoor (ultraviolet) applications have a self-cleaning effect due to dirt prevention and super hydrophilicity, and photocatalytic coatings using titanium oxide powder are rarely applied to high-rise buildings and large buildings. Yes. However, when considering indoor use or a detached house, the photocatalyst's active path cannot be expanded simply by incorporating a photocatalyst in the form of crystal powder of titanium oxide into the coating film structure. Tungsten oxide, which is known to absorb visible light and decompose organic substances, separates charges into electrons and holes when irradiated with visible light energy, but because of its low energy gap, Since recombination is likely to occur, it is difficult to say that it has a stable photocatalytic function. Even if it is formed into a coating film, it does not become a photocatalytic coating film that is effective in the long term.
光触媒塗膜の開拓には、まず塗膜構築に合わせて設計された光触媒がなくてはならない。そのため、本発明では、光触媒としての機能が通常の酸化チタン結晶粉末そのものより数倍高い機能を発現させるための構造設計を考案した。それは、シリカナノ構造体に酸化チタン又は酸化タングステンのナノ粒子を焼き付けした複合構造の光触媒である。このような複合型の光触媒は、光閉じ込め効果を引き起こしやすく、光触媒活性サイトの光利用効率を向上させることになると同時に、酸化チタンや酸化タングステンのナノ粒子とシリカナノ構造体でのナノ界面を形成させ、光触媒機能を向上させる。 To develop a photocatalyst coating film, first, there must be a photocatalyst designed for the construction of the coating film. Therefore, the present invention has devised a structural design for expressing the function as a photocatalyst several times higher than that of ordinary titanium oxide crystal powder itself. It is a composite photocatalyst obtained by baking titanium oxide or tungsten oxide nanoparticles on a silica nanostructure. Such a composite type photocatalyst tends to cause a light confinement effect, improves the light utilization efficiency of the photocatalytically active site, and at the same time forms a nanointerface between titanium oxide or tungsten oxide nanoparticles and silica nanostructures. , Improve the photocatalytic function.
通常、触媒というのは、単純な活性サイトだけではなく、その活性サイト周辺構造を設計することにより、その全体が協調することで触媒として機能発現できるものである。酸化チタンや酸化タングステンを有効成分とする光触媒においても、その精密な構造設計により、電荷分離状態の長時間維持、分離された電子による酸素の還元からの活性酸素の発生、正孔によるC−H結合の直接酸化、及び水の酸化によるラジカル水酸基の生成などが期待できる。即ち、光触媒を酸化チタンや酸化タングステンの活性サイトだけで構成するのではなく、その周辺で光を拡散したり閉じ込めたりするための、言わば「光子濃縮」の機能、空気中の酸素と水分とを触媒活性サイト周辺にトラップする「酸素、水の濃縮」機能、基質有機物を触媒活性サイト周辺に効率的に拡散、集積する「足場」機能、触媒活性サイトの活性化を促進するナノ界面構造など、諸要素を満たす構成を構築しなければならない。 Usually, a catalyst is not only a simple active site, but can function as a catalyst by designing the structure around the active site and by cooperating the whole. Even in photocatalysts containing titanium oxide or tungsten oxide as an active ingredient, the precise structure design allows the charge separation state to be maintained for a long time, the generation of active oxygen from the reduction of oxygen by the separated electrons, and the C—H by holes. Generation of radical hydroxyl groups by direct oxidation of bonds and oxidation of water can be expected. In other words, the photocatalyst is not composed only of the active sites of titanium oxide or tungsten oxide, but rather functions to “diffuse and confine light” around it, that is, the function of “photon concentration”, oxygen and moisture in the air. “Oxygen and water concentration” function that traps around the catalytic activity site, “scaffolding” function that efficiently diffuses and accumulates substrate organic substances around the catalytic activity site, nano-interface structure that promotes activation of the catalytic activity site, etc. A structure that satisfies the various elements must be constructed.
上記本発明の複合型光触媒を塗膜形成に用いた場合、光触媒自身はバインダー樹脂に埋め込まれることがなく、表面にシリカナノ構造体による凹凸を形成させることで、容易に光触媒活性サイトの部分を頭出しにさせることができる。これは光触媒をバインダーから宙に浮かぶ状態にさせることに等しく、塗膜表面での光触媒機能を最大限に発現させることになる。光触媒塗膜の開拓には、バインダー樹脂に光触媒と一体化する化学構造要素と強い耐候性が要求される。それには、通常の有機ポリマーに無機成分が含まれた状態のハイブリッド樹脂が必要となる。本発明では、上記の要求を満たす光触媒設計とバインダー樹脂設計をベースに、光触媒塗膜の新しい概念を提案する。以下、本発明を詳細に述べる。 When the composite photocatalyst of the present invention is used for coating film formation, the photocatalyst itself is not embedded in the binder resin, and the surface of the photocatalytically active site can be easily recognized by forming irregularities due to the silica nanostructure on the surface. You can make it out. This is equivalent to making the photocatalyst float in the air from the binder, and maximizes the photocatalytic function on the surface of the coating film. To develop a photocatalytic coating film, a chemical structural element integrated with the photocatalyst in the binder resin and strong weather resistance are required. For this purpose, a hybrid resin in which an inorganic component is contained in a normal organic polymer is required. In the present invention, a new concept of a photocatalyst coating film is proposed based on a photocatalyst design and a binder resin design that satisfy the above requirements. The present invention will be described in detail below.
[酸化チタン(a1)]
本発明で用いる酸化チタン(a1)としては、特に限定されるものではなく、アナターゼ、ルチル、またはアナターゼ/ルチル混晶の何れの結晶相であっても良く、又当該酸化チタンの結晶中に金属イオンや窒素原子等がドープされた酸化チタンであっても良い。[Titanium oxide (a1)]
The titanium oxide (a1) used in the present invention is not particularly limited, and may be any crystal phase of anatase, rutile, or anatase / rutile mixed crystal, and a metal is contained in the titanium oxide crystal. Titanium oxide doped with ions, nitrogen atoms or the like may be used.
また、酸化チタン(a1)を後述するシリカナノ構造体(a2)上に効率良く固定するためには、10〜100nmの微粒子状の酸化チタン粉末を使用することが好ましい。 Moreover, in order to fix titanium oxide (a1) on the silica nanostructure (a2) described later efficiently, it is preferable to use fine titanium oxide powder of 10 to 100 nm.
[シリカナノ構造体(a2)]
本発明で用いるシリカナノ構造体(a2)は、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーが水性媒体中で形成する結晶性会合体を鋳型とし、シリカ前駆体であるアルコキシシランのゾルゲル反応を用いて製造するものである。具体的には、既に本発明者によって、特開2005−264421号、特開2005−336440号、特開2006−63097号、特開2006−306711号、特開2007−51056号、特開2009−24124号にて提供している何れのシリカナノ構造体であっても本発明のシリカナノ構造体(a2)として用いることができる。これらのシリカナノ構造体(a2)はシリカゲル等の一般的なマクロサイズシリカとは異なり、ナノメートルオーダーの基本ユニットを構成単位とし、これが三次元空間で集合してなるものであることを特徴とする。又、これらの特許文献において提供しているシリカナノ構造体中には、金属イオンや金属ナノ粒子が含まれている場合もあるが、これらは光触媒機能を阻害するものではないため(金属種によっては、光触媒機能を増強する効果も有する)、そのまま本発明で用いるシリカナノ構造体(a2)として好適に用いることができる。[Silica nanostructure (a2)]
The silica nanostructure (a2) used in the present invention is produced by using a sol-gel reaction of an alkoxysilane, which is a silica precursor, using a crystalline association formed by a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton in an aqueous medium as a template. To do. Specifically, the present inventors have already made JP 2005-264421, JP 2005-336440, JP 2006-63097, JP 2006-306711, JP 2007-51056, JP 2009- Any silica nanostructure provided in No. 24124 can be used as the silica nanostructure (a2) of the present invention. These silica nanostructures (a2) are different from general macro-size silica such as silica gel, and are characterized by having basic units of the order of nanometers as structural units, which are assembled in a three-dimensional space. . The silica nanostructures provided in these patent documents may contain metal ions or metal nanoparticles, but these do not inhibit the photocatalytic function (depending on the metal species). It also has an effect of enhancing the photocatalytic function) and can be suitably used as the silica nanostructure (a2) used in the present invention as it is.
製造方法としては、例えば、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを水中に懸濁させ、80℃付近の温度で溶解させる。ポリマーの溶解を確認した後、室温(25〜30℃)まで静置冷却を行う。30分程度の静置冷却で、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの全体構造や共存するその他の物質(金属イオンや酸性化合物など)により、ナノファイバー、ナノリボン、ナノナノファイバー等の構造を基本ユニットとする集合体である沈殿物が得られる。ここにテトラアルコキシシラン(縮合物を含む)等のシリカソースを20wt%程度含んだエタノール溶液を混合させることで、ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの種々の構造を有する基本ユニット上に均一にシリカを析出させるとともに、当該基本ユニット同士が会合体を形成し、ポリマー鎖を内部に有するシリカナノ構造体を得ることができる。 As a production method, for example, a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton is suspended in water and dissolved at a temperature around 80 ° C. After confirming the dissolution of the polymer, it is allowed to cool to room temperature (25-30 ° C.). The basic unit of nanofibers, nanoribbons, nanonanofibers, etc., depending on the overall structure of the polymer having a linear polyethyleneimine skeleton and other coexisting substances (metal ions, acidic compounds, etc.) A precipitate which is an aggregate is obtained. By mixing an ethanol solution containing about 20 wt% of a silica source such as tetraalkoxysilane (including condensate), silica is uniformly deposited on the basic unit having various structures of a polymer having a polyethyleneimine skeleton. In addition, the silica nanostructure having the polymer unit inside can be obtained by forming an association between the basic units.
また、上記の直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを80℃の加温で溶解させる際に、ポリエチレングリコール等の他のポリマーを混合させることにより、異なった形状を基本ユニットとする沈殿物を得ることも可能であり、この沈殿物中におけるポリエチレンイミン上に同様の手法でシリカを析出させた得られる複雑形状のシリカナノ構造体の使用も可能である。 In addition, when the above polymer having a linear polyethyleneimine skeleton is dissolved by heating at 80 ° C., other polymers such as polyethylene glycol are mixed to obtain precipitates having different shapes as basic units. It is also possible to use a silica nanostructure having a complicated shape obtained by depositing silica in the same manner on polyethyleneimine in the precipitate.
また、上記の直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを水中に溶解させる方法としては、加温による溶解のみでなく、酸添加による溶解も可能である。この手法では、溶解後に塩基性化合物を添加し、pHを8程度に調製することで直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーのナノ結晶体を析出させることができ、それに前記と同様にシリカソースを混合すると、複雑形状のシリカナノ構造体を得ることができる。 Moreover, as a method for dissolving the polymer having the above-mentioned linear polyethyleneimine skeleton in water, not only dissolution by heating but also dissolution by acid addition is possible. In this method, by adding a basic compound after dissolution and adjusting the pH to about 8, a nanocrystal of a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton can be precipitated. When mixed, a silica nanostructure having a complicated shape can be obtained.
これらの方法で得られるシリカナノ構造体は、ナノメートルオーダーの構造体を基本ユニットとし、これらが集合してマイクロサイズになっていることを特徴とする。 Silica nanostructures obtained by these methods are characterized by having nanometer-order structures as basic units, which are aggregated into a micro size.
シリカナノ構造体(a2)として、具体的には、太さが10〜100nm、好ましくは20〜80nmであり、アスペクト比が2以上、好ましくは5以上のファイバー状の構造体(以下、ナノファイバー)を基本ユニットとしているものや、厚さが10〜100nm、好ましくは15〜50nmであり、この厚みに対する長さをアスペクト比とした場合のその値が2以上、好ましくは5以上のリボン状の構造体(以下、ナノリボン)を基本ユニットとしているものが挙げられる。そして、この基本ユニットを構成単位として集合してなる集合体の大きさ(TEM画像で観測したときの、最も長い部分)は、通常1μm〜20μm、好ましくは3〜15μmである。 Specifically, the silica nanostructure (a2) is a fiber-like structure (hereinafter referred to as nanofiber) having a thickness of 10 to 100 nm, preferably 20 to 80 nm, and an aspect ratio of 2 or more, preferably 5 or more. Or a ribbon-like structure having a thickness of 10 to 100 nm, preferably 15 to 50 nm, and a value of 2 or more, preferably 5 or more when the length with respect to the thickness is an aspect ratio. The body (hereinafter referred to as nanoribbon) is the basic unit. And the magnitude | size (longest part when observed with a TEM image) of the aggregate | assembly which aggregates this basic unit as a structural unit is 1 micrometer-20 micrometers normally, Preferably it is 3-15 micrometers.
また、上記の方法で調製したシリカナノ構造体の内部に存在する、鋳型として使用した直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーは、該構造体を400〜900℃で焼成することにより除去することが可能である。このとき、全体形状は焼成の前後で変化が無いため、シリカを主構成成分とするシリカナノ構造体を得ることができる。尚、シリカを主構成成分とするということは、焼成温度・雰囲気等によってポリマーが炭化した成分が残ることもあるが、意図的に第三成分を併用しない場合において、シリカ以外の成分を含まないことを示すものである。本発明においては、前述の、ポリマー鎖を含むシリカナノ構造体(複合体)であっても、焼成によって該ポリマー鎖を除去したシリカナノ構造体であっても好適に用いることができる。 In addition, the polymer having a linear polyethyleneimine skeleton used as a template and present in the silica nanostructure prepared by the above method can be removed by baking the structure at 400 to 900 ° C. It is. At this time, since the overall shape does not change before and after firing, a silica nanostructure having silica as a main constituent can be obtained. In addition, the fact that silica is the main constituent means that a component obtained by carbonization of the polymer may remain depending on the firing temperature, atmosphere, etc., but in the case where the third component is not intentionally used, it does not contain components other than silica. It shows that. In the present invention, the above-described silica nanostructure (composite) containing a polymer chain or the silica nanostructure from which the polymer chain has been removed by firing can be suitably used.
〔シリカナノ構造体(a2)に酸化チタン(a1)を固定した複合体からなる粉体(A1)〕
前記シリカナノ構造体(a2)への酸化チタン(a1)の固定は、「吸着」と引き続き行なう「焼成」によって容易且つ再現性良く実施することができる。具体的には、まず、シリカナノ構造体(a2)の粉末と酸化チタン(a1)の粉末とを水性媒体中で懸濁することによって、分散・混合、及び物理的吸着を行なう。このとき、超音波処理やスターラー等で攪拌、分散を行うことが好ましい。[Powder (A1) composed of a composite in which titanium oxide (a1) is fixed to silica nanostructure (a2)]
Fixation of titanium oxide (a1) to the silica nanostructure (a2) can be easily and reproducibly performed by “adsorption” and subsequent “calcination”. Specifically, first, dispersion / mixing and physical adsorption are performed by suspending the powder of silica nanostructure (a2) and the powder of titanium oxide (a1) in an aqueous medium. At this time, it is preferable to perform stirring and dispersion by ultrasonic treatment, a stirrer, or the like.
通常シリカの表面は多数のOH基の存在により極性が強く、また、酸化チタン表面も同様の理由で極性が高い。そのため、攪拌、分散処理を行ったあとに遠心分離等により、上澄み水溶液を取り除き、乾燥処理を行うことでシリカナノ構造体(a2)の表面上に酸化チタン(a1)の粉末を物理吸着させることができる。 Usually, the surface of silica is strongly polar due to the presence of many OH groups, and the surface of titanium oxide is also highly polar for the same reason. Therefore, the titanium oxide (a1) powder can be physically adsorbed on the surface of the silica nanostructure (a2) by removing the supernatant aqueous solution by centrifugation or the like after stirring and dispersing treatment and performing a drying treatment. it can.
酸化チタン(a1)の粉末とシリカナノ構造体(a2)との使用割合としては、(a1)/(a2)で表される質量比として10/95〜80/20であることが好ましく、より好ましくは、30/60〜50/50の範囲である。 The use ratio of the titanium oxide (a1) powder and the silica nanostructure (a2) is preferably 10/95 to 80/20 as the mass ratio represented by (a1) / (a2), more preferably. Is in the range of 30/60 to 50/50.
酸化チタン(a1)とシリカナノ構造体(a2)とを混合する際に使用する水性媒体の量は特に限定するものではないが、酸化チタン(a1)とシリカナノ構造体(a2)との合計の質量に対し、質量比で10〜30倍の範囲であれば好適である。 The amount of the aqueous medium used when mixing titanium oxide (a1) and silica nanostructure (a2) is not particularly limited, but is the total mass of titanium oxide (a1) and silica nanostructure (a2). On the other hand, a mass ratio of 10 to 30 times is preferable.
前記水性媒体としては、水単独のほか、種々の親水性有機溶媒との混合溶媒であっても良く、例えば、エタノール、2−プロパノール、アセトン等が挙げられる。 The aqueous medium may be water alone or a mixed solvent with various hydrophilic organic solvents, and examples thereof include ethanol, 2-propanol, and acetone.
酸化チタン(a1)とシリカナノ構造体(a2)とを水性媒体中で混合する際に、より吸着を確実にするために、塩基性ポリマーを併用しても良い。このとき使用できる塩基性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、ポリビニルアミン、ポリリシンなどのポリアミン類を挙げることができる。 When mixing the titanium oxide (a1) and the silica nanostructure (a2) in an aqueous medium, a basic polymer may be used in combination in order to further ensure adsorption. Examples of the basic polymer that can be used at this time include polyamines such as polyethyleneimine, polyallylamine, polyvinylamine, and polylysine.
酸化チタン(a1)とシリカナノ構造体(a2)との混合による吸着工程の詳細な方法については特に制限されるものではなく、例えば、一定割合で混合した後、それを室温(20〜30℃)で1〜24時間攪拌することで十分に物理吸着できる。 The detailed method of the adsorption step by mixing the titanium oxide (a1) and the silica nanostructure (a2) is not particularly limited. For example, after mixing at a constant ratio, the room temperature (20-30 ° C.) Can be sufficiently adsorbed by stirring for 1 to 24 hours.
上記で得られた、シリカナノ構造体(a2)に酸化チタン(a1)の粉末が吸着した構造体を加熱焼成することで、シリカナノ構造体(a2)に酸化チタン(a1)が固定された複合体からなる粉体(A1)が得られる。 A composite in which titanium oxide (a1) is fixed to silica nanostructure (a2) by heating and firing the structure obtained above by adsorbing titanium oxide (a1) powder to silica nanostructure (a2) The powder (A1) which consists of is obtained.
加熱焼成温度は、用いたシリカナノ構造体(a2)が、既に内部のポリマー鎖を除去したものである場合には、350〜900℃の温度範囲であれば良く、ポリマー鎖が内部に存在するシリカナノ構造体(a2)を用いた場合には、ポリマー鎖の除去を同時に行なう目的で400℃以上の温度で焼成する。 When the used silica nanostructure (a2) has already been removed from the inner polymer chain, the heating and firing temperature may be in the temperature range of 350 to 900 ° C., and the silica nanostructure in which the polymer chain exists is present. When the structure (a2) is used, it is fired at a temperature of 400 ° C. or higher for the purpose of simultaneously removing the polymer chain.
焼成時間は通常2〜8時間であればよく、温度上昇をプログラム的に制御することが好ましい。例えば、室温から300℃まで1時間をかけて上昇させ、その後、30分かけて500℃まで上昇させた後、その温度で3時間保持させること等、段階的な焼成であることが好ましい。 The firing time is usually 2 to 8 hours, and it is preferable to control the temperature rise programmatically. For example, stepwise firing is preferable, for example, raising from room temperature to 300 ° C. over 1 hour, then raising to 500 ° C. over 30 minutes, and holding at that temperature for 3 hours.
温度上昇プログラムは、得られる酸化チタン焼結固定後のシリカナノ構造体からなる粉体(A1)の光触媒活性に影響を与えるが、固定する酸化チタン(a1)の種類によってもそのプログラムをその都度調整することが好ましい。例えば、炭素または窒素ドープされた酸化チタンを焼結固定する際は、ドープされた構造を維持させるために、温度上昇での最高温度を500℃以下に設定することが望ましく、450℃以下がより望ましい。また、固定される酸化チタン結晶がすでにアナターゼとルチルの二つの結晶の混晶状態の場合、焼成における最高温度を600℃以下にすることが好ましい。 The temperature increase program affects the photocatalytic activity of the powder (A1) composed of the silica nanostructure after the titanium oxide sintered and fixed, and the program is adjusted each time depending on the type of titanium oxide (a1) to be fixed. It is preferable to do. For example, when sintering and fixing titanium oxide doped with carbon or nitrogen, in order to maintain the doped structure, it is desirable to set the maximum temperature at the temperature rise to 500 ° C. or less, and 450 ° C. or less is more preferable. desirable. Moreover, when the titanium oxide crystal to be fixed is already a mixed crystal state of two crystals of anatase and rutile, it is preferable to set the maximum temperature in firing to 600 ° C. or lower.
また、加熱焼成過程を空気雰囲気下で行なうことが好ましいが、不活性ガス、例えば、窒素雰囲気下で行なうこともできる。 Moreover, although it is preferable to perform a heat-firing process in an air atmosphere, it can also be performed in inert gas, for example, nitrogen atmosphere.
焼成後の酸化チタン(a1)の含有率は、基本的に吸着された酸化チタン(a1)の量によって決まるものであり、10〜80質量%の範囲に調製することができる。 The content of titanium oxide (a1) after firing is basically determined by the amount of adsorbed titanium oxide (a1), and can be adjusted in the range of 10 to 80% by mass.
上記製法で得られる酸化チタン(a2)を固定したシリカナノ構造体からなる粉体(A1)において、酸化チタン(a1)の結晶とシリカナノ構造体(a2)とがどのような接合界面を形成しているかは不明であるが、焼成処理を行わないと触媒活性の向上が見られない点、シリカゲル等の複雑形状を持たないシリカ系でもある程度の光触媒活性の向上が見られる点から、酸化チタン(a1)とシリカナノ構造体(a2)の接合界面において高い光閉じ込め効果とナノ界面における有機物質の濃縮効果(光分解する有機物質を光触媒活性サイト近傍に濃縮すること)が発現していると推察される。 In the powder (A1) composed of the silica nanostructure to which the titanium oxide (a2) obtained by the above production method is fixed, what kind of bonding interface is formed between the crystal of the titanium oxide (a1) and the silica nanostructure (a2)? It is unclear, but since the catalytic activity cannot be improved without performing the calcination treatment, a certain degree of improvement in the photocatalytic activity can be seen even in a silica system having no complicated shape such as silica gel. ) And silica nanostructure (a2) at the junction interface, it is presumed that a high light confinement effect and an organic substance concentration effect (concentration of the photodegradable organic substance in the vicinity of the photocatalytic active site) at the nanointerface are manifested. .
前述の手法で得られた酸化チタン(a1)がシリカナノ構造体(a2)に固定されてなる複合体からなる粉体(A1)はそのまま光触媒として機能発現する。酸化チタン(a1)とシリカナノ構造体(a2)との複合状態の粉体(A1)は、酸化チタン単独の触媒より、活性が数倍向上する。例えば、アセトアルデヒドの分解反応において、単位重さ触媒量で比較した場合、一定量の複合状態の光触媒に含まれた酸化チタンがはるかに少ないにも関わらず、同じ重さの酸化チタンを用いた系より、光触媒活性が倍増する。 The powder (A1) composed of a composite obtained by fixing the titanium oxide (a1) obtained by the above-described method to the silica nanostructure (a2) exhibits its function as a photocatalyst as it is. The activity of the powder (A1) in a composite state of titanium oxide (a1) and silica nanostructure (a2) is several times higher than that of a catalyst containing titanium oxide alone. For example, in the decomposition reaction of acetaldehyde, when compared with a unit weight catalyst amount, a system using titanium oxide of the same weight even though much less titanium oxide was contained in a certain amount of composite photocatalyst. This doubles the photocatalytic activity.
また、これで得られる粉体(A1)は、様々な光源、例えば、太陽光、キセノンランプ、水銀ランプ、ハロゲンランプ、ブラックライト、蛍光灯などにより高い触媒活性を示す。 The powder (A1) thus obtained exhibits high catalytic activity with various light sources such as sunlight, xenon lamp, mercury lamp, halogen lamp, black light, fluorescent lamp and the like.
〔シリカナノ構造体(a2)に酸化タングステン(a3)を固定した複合体からなる粉体(A2)〕
従来酸化タングステンの粉末の製造は、タングステン酸塩を用いるものであり、具体的にはタングステン酸塩類を各種溶液とし、これを乾燥させて得られた前駆体を焼成する方法である。この前駆体は特定の周期構造を持たないため、焼成により粒子成長を起こして大きなバルク体を形成する。バルク体の酸化タングステン粉末を、シリカナノ構造体(a2)の表面に固定することは困難である。[Powder (A2) composed of a composite in which tungsten oxide (a3) is fixed to silica nanostructure (a2)]
Conventionally, the production of tungsten oxide powder uses a tungstate, and specifically, a method of firing a precursor obtained by using various tungstates as solutions and drying them. Since this precursor does not have a specific periodic structure, particle growth is caused by firing to form a large bulk body. It is difficult to fix the bulk tungsten oxide powder to the surface of the silica nanostructure (a2).
本発明では、このようなバルク体への成長を制御する方法を検討し、酸化タングステン(a3)の粒子のシリカナノ構造体(a2)への固定方法として、下記工程を見出した。 In the present invention, a method for controlling the growth to such a bulk body was examined, and the following steps were found as a method for fixing the particles of tungsten oxide (a3) to the silica nanostructure (a2).
第一の方法は、前述のシリカナノ構造体(a2)(内部にポリマーが存在していても、又焼成によって除去され、シリカを主構成成分とするものであっても良い。)の分散液に、タングステン酸塩(a3’)を混合し、シリカナノ構造体(a2)中にタングステン酸塩(a3’)を吸着させた後、これを900℃以下で焼成し、シリカナノ構造体(a2)への酸化タングステン(a3)粒子の固定を行なうものである。 The first method is to prepare a dispersion of the aforementioned silica nanostructure (a2) (the polymer may be present inside or removed by calcination and silica may be the main constituent). , Tungstate (a3 ′) is mixed, and tungstate (a3 ′) is adsorbed in silica nanostructure (a2), and then baked at 900 ° C. or lower to form silica nanostructure (a2). Tungsten oxide (a3) particles are fixed.
シリカナノ構造体(a2)を媒体に分散させた分散液と、酸化タングステン(a3)のソースであるタングステン酸塩(a3’)を媒体中で混合すると、前記酸化チタン(a1)を混合したときと同様に、シリカナノ構造体(a2)の表面に当該タングステン酸塩(a3’)が吸着され濃縮される。この状態にしてから焼成すると、表面に吸着されたタングステン酸塩(a3’)は酸化タングステン(a3)となるが、その場所が固定されていることから粒子の成長が制御され、ナノサイズの酸化タングステン(a3)となる。 When the dispersion liquid in which the silica nanostructure (a2) is dispersed in the medium and the tungstate (a3 ′) which is the source of the tungsten oxide (a3) are mixed in the medium, the titanium oxide (a1) is mixed. Similarly, the tungstate (a3 ′) is adsorbed and concentrated on the surface of the silica nanostructure (a2). When firing in this state, the tungstate (a3 ′) adsorbed on the surface becomes tungsten oxide (a3). However, since the location is fixed, the growth of particles is controlled, and nano-sized oxidation is performed. Tungsten (a3).
ここで用いることができるタングステン酸塩(a3’)としては、焼成によって酸化タングステンになるものであれば良く、特に限定されるものではないが、例えば、タングステン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、タングステン酸カルシウム等が挙げられ、工業的な原料入手容易性や、焼成によりカウンターイオンも除去できる観点から、メタタングステン酸アンモニウムを用いることが好ましい。 The tungstate (a3 ′) that can be used here is not particularly limited as long as it becomes tungsten oxide by firing, and examples thereof include ammonium tungstate, sodium tungstate, and calcium tungstate. It is preferable to use ammonium metatungstate from the viewpoint of easy availability of industrial raw materials and the viewpoint that counter ions can be removed by firing.
通常シリカの表面は多数のOH基の存在により極性が強い。そのため、シリカナノ構造体(a2)を媒体に分散させた分散液と、酸化タングステン(a3)のソースであるタングステン酸塩(a3’)を媒体中で攪拌、分散処理を行ったあとに遠心分離等により、上澄み水溶液を取り除き、乾燥処理を行うと、シリカナノ構造体(a2)表面上にタングステン酸塩(a3’)が吸着している粉体が得られる。 Usually, the surface of silica is strongly polar due to the presence of many OH groups. Therefore, the dispersion obtained by dispersing the silica nanostructure (a2) in the medium and the tungstate (a3 ′) which is the source of the tungsten oxide (a3) are stirred and dispersed in the medium, and then centrifuged. Thus, when the supernatant aqueous solution is removed and drying treatment is performed, a powder in which the tungstate (a3 ′) is adsorbed on the surface of the silica nanostructure (a2) is obtained.
タングステン酸塩(a3’)とシリカナノ構造体(a2)との使用割合としては、焼成後の酸化タングステン(a3)と、焼成後のシリカナノ構造体(a2)との比、即ち(a3)/(a2)で表される質量比として10/95〜80/20となるように用いることが好ましく、より好ましくは、30/60〜50/50の範囲である。 The use ratio of tungstate (a3 ′) to silica nanostructure (a2) is the ratio of tungsten oxide (a3) after firing to silica nanostructure (a2) after firing, that is, (a3) / ( It is preferable to use it so that it may become 10 / 95-80 / 20 as mass ratio represented by a2), More preferably, it is the range of 30 / 60-50 / 50.
タングステン酸塩(a3’)とシリカナノ構造体(a2)とを混合する際に使用する媒体の量は特に限定するものではないが、タングステン酸塩(a3’)とシリカナノ構造体(a2)との合計の質量に対し、質量比で10〜30倍の範囲であれば好適である。 The amount of the medium used when mixing the tungstate (a3 ′) and the silica nanostructure (a2) is not particularly limited, but the tungstate (a3 ′) and the silica nanostructure (a2) It is suitable if it is in the range of 10 to 30 times by mass ratio with respect to the total mass.
前記媒体としては、水単独のほか、種々の親水性有機溶媒との混合溶媒であっても良く、例えば、エタノール、2−プロパノール、アセトン等が挙げられる。 The medium may be water alone or a mixed solvent with various hydrophilic organic solvents, and examples thereof include ethanol, 2-propanol, and acetone.
タングステン酸塩(a3’)とシリカナノ構造体(a2)とを媒体中で混合する際に、より吸着を確実にするために、ポリアミンを併用しても良い。即ち、シリカナノ構造体(a2)の分散液にポリアミンを混合し、これを吸着させてから、タングステン酸塩(a3’)を混合する方法であっても良い。 When the tungstate (a3 ') and the silica nanostructure (a2) are mixed in a medium, a polyamine may be used in combination in order to ensure more adsorption. That is, a method may be used in which polyamine is mixed in a dispersion of silica nanostructure (a2) and adsorbed thereon, and then tungstate (a3 ′) is mixed.
前記ポリアミンとしては、例えば、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、ポリビニルアミン、ポリリシン類を挙げることができ、単独でも2種以上を併用しても良い。 Examples of the polyamine include polyethyleneimine, polyallylamine, polyvinylamine, and polylysine, and these may be used alone or in combination of two or more.
タングステン酸塩(a3’)とシリカナノ構造体(a2)との混合による吸着工程の詳細な方法については特に制限されるものではなく、例えば、一定割合で混合した後、それを室温(20〜30℃)で1〜24時間攪拌することで十分に吸着できる。 The detailed method of the adsorption step by mixing the tungstate (a3 ′) and the silica nanostructure (a2) is not particularly limited, and for example, after mixing at a constant ratio, it is allowed to move to room temperature (20-30). The mixture can be sufficiently adsorbed by stirring at 1 ° C. for 1 to 24 hours.
〔焼成工程〕
上記で得られた、タングステン酸塩(a3’)がシリカナノ構造体(a2)に吸着している粉体を加熱焼成することで、シリカナノ構造体(a2)に酸化タングステン(a3)の粒子が固定される。[Baking process]
The powder of tungsten oxide (a3 ') adsorbed to the silica nanostructure (a2) obtained above is fired and fired to fix the tungsten oxide (a3) particles to the silica nanostructure (a2). Is done.
加熱焼成温度は、既に内部のポリマー鎖を除去したシリカナノ構造体(a2)を使用している場合は350〜900℃の温度範囲であれば良く、ポリマー鎖が内部に存在するシリカナノ構造体(a2)を用いた場合や、ポリアミンを併用している場合など、これらの有機物の除去を同時に行なう目的で600℃以上の温度で焼成することが好ましい。尚、900℃を超える温度では、シリカの溶融が始まり、シリカナノ構造体(a2)の該構造が崩れる虞があり、又酸化タングステン(a3)の粒子成長が起こる可能性もあるため、焼成温度の上限は900℃である。 When the silica nanostructure (a2) from which the internal polymer chain has already been removed is used, the heating and baking temperature may be in the temperature range of 350 to 900 ° C., and the silica nanostructure (a2 in which the polymer chain exists) ) Or when polyamine is used in combination, it is preferable to perform firing at a temperature of 600 ° C. or higher for the purpose of simultaneously removing these organic substances. Note that, at a temperature exceeding 900 ° C., the silica starts to melt, the structure of the silica nanostructure (a2) may be destroyed, and particle growth of tungsten oxide (a3) may occur. The upper limit is 900 ° C.
焼成時間は通常2〜8時間であればよく、温度上昇をプログラム的に制御することが好ましい。例えば、室温から300℃まで1時間をかけて上昇させ、その後、30分かけて500℃まで上昇させた後、その温度で3時間保持させること等、段階的な焼成であることが好ましい。 The firing time is usually 2 to 8 hours, and it is preferable to control the temperature rise programmatically. For example, stepwise firing is preferable, for example, raising from room temperature to 300 ° C. over 1 hour, then raising to 500 ° C. over 30 minutes, and holding at that temperature for 3 hours.
また、加熱焼成過程を空気雰囲気下で行なうことが好ましいが、不活性ガス、例えば、窒素雰囲気下で行なうこともできる。 Moreover, although it is preferable to perform a heat-firing process in an air atmosphere, it can also be performed in inert gas, for example, nitrogen atmosphere.
焼成後の酸化タングステン(a3)の含有率は、基本的に吸着されたタングステン酸塩(a3’)の量によって決まるものであり、10〜80質量%の範囲に調製することができる。 The content of tungsten oxide (a3) after firing is basically determined by the amount of adsorbed tungstate (a3 ') and can be adjusted in the range of 10 to 80% by mass.
〔酸化タングステン(a3)の粒子の製造方法と、これを用いる粉体(A2)の製造方法〕
また、予め酸化タングステン(a3)の粒子を調整し、これを、シリカナノ構造体(a2)に物理吸着させてから焼成することにより、酸化タングステン(a3)の粒子のシリカナノ構造体(a2)への固定を行なうこともできる。即ち、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを水性媒体中で会合させ、更に、タングステン酸塩(a3’)の水溶液を混合してポリマーとタングステン酸又はタングステン酸塩(a3’)が会合してなる析出物を得、これを加熱焼成すると酸化タングステン(a3)の粒子を得ることができ、これを、前述と同様の方法でシリカナノ構造体(a2)に吸着させてからこれを焼成すると、本発明の粉体(A2)を得ることができる。[Method for Producing Tungsten Oxide (a3) Particles and Method for Producing Powder (A2) Using the Same]
Moreover, by preparing particles of tungsten oxide (a3) in advance and physically adsorbing the particles to silica nanostructure (a2) and then firing, the particles of tungsten oxide (a3) are applied to silica nanostructure (a2). Fixing can also be performed. That is, a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton is associated in an aqueous medium, and an aqueous solution of tungstate (a3 ′) is further mixed to associate the polymer with tungstic acid or tungstate (a3 ′). When this is heated and fired, particles of tungsten oxide (a3) can be obtained. When this is adsorbed to the silica nanostructure (a2) by the same method as described above, The powder (A2) of the invention can be obtained.
前記、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの会合体を得る方法は、前述のシリカナノ構造体(a2)を得る方法と同様である。ポリマーの会合体を得た後、シリカソースの変わりに、酸化タングステンのソースであるタングステン酸塩(a3’)を水性媒体下で混合すると、当該ポリマーとタングステン酸塩(a3’)又はタングステン酸とが複合化した沈殿物を得ることができる。 The method for obtaining the polymer aggregate having a linear polyethyleneimine skeleton is the same as the method for obtaining the silica nanostructure (a2). After obtaining a polymer aggregate, instead of silica source, tungstate (a3 ′), which is a source of tungsten oxide, is mixed in an aqueous medium, and the polymer and tungstate (a3 ′) or tungstic acid are mixed. Can be obtained.
このとき、ポリマーとタングステン酸塩(a3’)との使用割合としては、当該ポリマー中におけるエチレンイミンユニットと、タングステン酸塩(a3’)とのモル比として95/5〜20/80の範囲であることが、両者の複合化が確実に行なわれる点から好ましい。 At this time, as a use ratio of the polymer and the tungstate (a3 ′), the molar ratio of the ethyleneimine unit and the tungstate (a3 ′) in the polymer is within a range of 95/5 to 20/80. It is preferable from the viewpoint that the combination of the two is surely performed.
また、ポリマーとタングステン酸塩(a3’)との混合は、水性媒体中で行なうが、このときの濃度としてはポリマーの濃度として0.01〜10.0質量%の範囲であることが好ましい。水性媒体としては、水単独のほか、アルコール類等の親水性溶媒と水との混合溶媒であっても良いが、ポリマーの会合体が溶解しない、若しくは溶解しにくいものであることが必要である。 The mixing of the polymer and the tungstate (a3 ') is carried out in an aqueous medium. The concentration at this time is preferably in the range of 0.01 to 10.0% by mass as the concentration of the polymer. The aqueous medium may be water alone or a mixed solvent of a hydrophilic solvent such as alcohols and water, but it is necessary that the aggregate of the polymer does not dissolve or is difficult to dissolve. .
また、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの会合体を得る際に、金属イオンを加えたり、有機酸等を加えたりすることより会合体の形態を制御することもできる。 In addition, when obtaining an aggregate of a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton, the form of the aggregate can be controlled by adding a metal ion or an organic acid.
直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーとタングステン酸塩(a3’)又はタングステン酸との複合化は速やかに進行するが、室温(20〜30℃)で1〜24時間程度の範囲で攪拌を行うのが好適である。 Compounding of a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton and tungstate (a3 ′) or tungstic acid proceeds rapidly, but stirring is performed at room temperature (20 to 30 ° C.) for about 1 to 24 hours. Is preferred.
このようにして得られた複合体は沈殿物となる。これを単離後、加熱焼成することにより、酸化タングステン(a3)のナノ粒子(ナノメートルオーダーの平均粒子径を有する粒子)が得られる。加熱焼成温度は500〜800℃である事が好ましい。焼成時間は通常2〜8時間であれば良く、温度上昇をプログラム的に制御することが好ましい。例えば、室温から300℃まで1時間をかけて上昇させ、その後、30分かけて500℃まで上昇させた後、その温度で3時間保持させること等、段階的な焼成であることが好ましい。また、加熱焼成過程は空気雰囲気下で行うことが望ましいが、不活性ガス、例えば窒素雰囲気下で行い、ポリマーを残留させることもできる。 The complex thus obtained becomes a precipitate. This is isolated and then heated and fired to obtain tungsten oxide (a3) nanoparticles (particles having an average particle size on the order of nanometers). The baking temperature is preferably 500 to 800 ° C. The firing time is usually 2 to 8 hours, and it is preferable to control the temperature rise programmatically. For example, stepwise firing is preferable, for example, raising from room temperature to 300 ° C. over 1 hour, then raising to 500 ° C. over 30 minutes, and holding at that temperature for 3 hours. The heating and baking process is preferably performed in an air atmosphere, but the process may be performed in an inert gas, for example, a nitrogen atmosphere to leave the polymer.
上記方法で得られる酸化タングステン(a3)のナノ粒子は、タングステン酸塩(a3’)を単純乾燥により析出させ、焼成することにより調整したものと比較して比表面積が大きく、また、例えば、紫外線を含まないLED照明光でも光触媒活性を発現する。これは、ポリマーの自己組織化効果により、酸化タングステンの成長が制御されているためであると推察される。このようにして得られた酸化タングステン(a3)のナノ粒子を、前記と同様、シリカナノ構造体(a2)に固定することにより、その光触媒作用は更に活性化される。 The nanoparticles of tungsten oxide (a3) obtained by the above method have a larger specific surface area than that prepared by precipitating tungstate (a3 ′) by simple drying and firing, and, for example, ultraviolet rays Even if it does not contain LED illumination light, it exhibits photocatalytic activity. This is presumably because the growth of tungsten oxide is controlled by the self-organizing effect of the polymer. By fixing the tungsten oxide (a3) nanoparticles thus obtained to the silica nanostructure (a2) in the same manner as described above, the photocatalytic action is further activated.
上記で得られた酸化タングステン(a3)ナノ粒子のシリカナノ構造体(a2)への固定による、粉体(A2)の製造方法は、基本的には、前述と同様である。即ち、前述の手法で得られた酸化タングステン(a3)のナノ粒子と、シリカナノ構造体(a2)と、を水性媒体中で混合し、酸化タングステン(a3)のナノ粒子をシリカナノ構造体(a2)に吸着させ、遠心分離等により上澄み液を取り除いて、乾燥処理を行った後、これを焼成する。 The method for producing the powder (A2) by fixing the tungsten oxide (a3) nanoparticles obtained above to the silica nanostructure (a2) is basically the same as described above. That is, the tungsten oxide (a3) nanoparticles obtained by the above-described method and the silica nanostructure (a2) are mixed in an aqueous medium, and the tungsten oxide (a3) nanoparticles are mixed with the silica nanostructure (a2). After adsorbing to the surface, removing the supernatant by centrifugation or the like and performing a drying treatment, the resultant is baked.
シリカナノ構造体(a2)と、酸化タングステン(a3)のナノ粒子との使用割合としては、特に限定されるものではないが、前者/後者で表される質量比として95/10〜20/80の範囲であれば吸着が速やかに進行するため好適である。 The use ratio of the silica nanostructure (a2) and the tungsten oxide (a3) nanoparticles is not particularly limited, but the mass ratio represented by the former / the latter is 95/10 to 20/80. If it is within the range, it is preferable because adsorption proceeds rapidly.
前記シリカナノ構造体(a2)と、酸化タングステン(a3)のナノ粒子とを混合する際に使用する水性媒体の量は特に限定するものではないが、固形分の合計質量に対し、10〜30倍量であれば好適である。 The amount of the aqueous medium used when mixing the silica nanostructure (a2) and the tungsten oxide (a3) nanoparticles is not particularly limited, but is 10 to 30 times the total mass of the solid content. An amount is preferred.
また、前記水性媒体としては水単独、またはアルコール類等、親水性媒体と水との混合溶媒でもよい。このとき、前述同様、ポリアミンを併用することで、吸着を促進することも可能である。 The aqueous medium may be water alone or a mixed solvent of a hydrophilic medium and water such as alcohols. At this time, it is also possible to promote adsorption by using a polyamine together as described above.
前記シリカナノ構造体(a2)と、酸化タングステン(a3)の粒子との混合方法としても特に限定されるものではなく、これらを一定割合で混合した後、それを室温(20〜30℃)で1〜24時間攪拌することで十分である。 The method for mixing the silica nanostructure (a2) and the tungsten oxide (a3) particles is not particularly limited, and after mixing them at a constant ratio, the mixture is made at room temperature (20 to 30 ° C.) for 1 It is sufficient to stir for ~ 24 hours.
〔焼成工程〕
上記で得られた、酸化タングステン(a3)のナノ粒子がシリカナノ構造体(a2)に吸着している粉体を加熱焼成することで、シリカナノ構造体(a2)に酸化タングステン(a3)の粒子が固定される。[Baking process]
By heating and firing the powder obtained above, in which the tungsten oxide (a3) nanoparticles are adsorbed on the silica nanostructure (a2), the tungsten oxide (a3) particles are formed on the silica nanostructure (a2). Fixed.
加熱焼成温度は、既に内部のポリマー鎖を除去したシリカナノ構造体(a2)を使用している場合は350〜900℃の温度範囲であれば良く、ポリマー鎖が内部に存在する構造体(a2)を用いた場合には、ポリマー鎖の除去を同時に行なう目的で600℃以上の温度で焼成することが好ましい。尚、900℃を超える温度では、シリカの溶融が始まり、シリカナノ構造体(a2)の該構造が崩れる虞があり、又酸化タングステン(a3)の粒子成長が起こる可能性もあるため、焼成温度の上限は900℃である。 The heating and baking temperature may be in the temperature range of 350 to 900 ° C. when the silica nanostructure (a2) from which the inner polymer chain is already removed is used, and the structure (a2) in which the polymer chain exists inside When is used, firing is preferably performed at a temperature of 600 ° C. or higher for the purpose of simultaneously removing the polymer chain. Note that, at a temperature exceeding 900 ° C., the silica starts to melt, the structure of the silica nanostructure (a2) may be destroyed, and particle growth of tungsten oxide (a3) may occur. The upper limit is 900 ° C.
焼成時間は通常2〜8時間であればよく、温度上昇をプログラム的に制御することが好ましい。例えば、室温から300℃まで1時間をかけて上昇させ、その後、30分かけて500℃まで上昇させた後、その温度で3時間保持させること等、段階的な焼成であることが好ましい。 The firing time is usually 2 to 8 hours, and it is preferable to control the temperature rise programmatically. For example, stepwise firing is preferable, for example, raising from room temperature to 300 ° C. over 1 hour, then raising to 500 ° C. over 30 minutes, and holding at that temperature for 3 hours.
また、加熱焼成過程を空気雰囲気下で行なうことが好ましいが、不活性ガス、例えば、窒素雰囲気下で行なうこともできる。 Moreover, although it is preferable to perform a heat-firing process in an air atmosphere, it can also be performed in inert gas, for example, nitrogen atmosphere.
焼成後の酸化タングステン(a3)の含有率は、基本的に吸着された酸化タングステン(a3)粒子の量によって決まるものであり、10〜80質量%の範囲に調製することができる。 The content of tungsten oxide (a3) after firing is basically determined by the amount of adsorbed tungsten oxide (a3) particles, and can be adjusted in the range of 10 to 80% by mass.
本発明における酸化タングステン(a3)が固定されたシリカナノ構造体(a2)からなる粉体(A2)において、酸化タングステン(a3)の粒子とシリカナノ構造体(a2)とがどのような接合界面を形成しているかは不明であるが、焼成処理を行わないと触媒活性の向上が見られない点から、酸化タングステン(a3)とシリカナノ構造体(a2)の接合界面において高い励起電子のプール効果、光閉じ込め効果、有機物質の濃縮効果が発現していると推察される。 In the powder (A2) comprising the silica nanostructure (a2) to which the tungsten oxide (a3) is fixed in the present invention, what kind of bonding interface is formed between the tungsten oxide (a3) particles and the silica nanostructure (a2). Although it is unclear whether the catalytic activity is improved without performing the calcination treatment, a high pool effect of excited electrons, light at the junction interface between tungsten oxide (a3) and silica nanostructure (a2). It is presumed that a confinement effect and an organic substance concentration effect are manifested.
〔光触媒機能〕
前述の方法で得られた粉体(A1)又は粉体(A2)は、単独で有機物質の分解反応において有効であり、使用する光源は、太陽光・蛍光灯等、何れのものであっても良い。特に酸化タングステンを複合化してなる粉体(A2)は、近紫外線光をも含まない(可視光のみを含む)光であるLED照明光下であっても、応答性を有し、その活性が高い点において、従来の光触媒よりもその応用範囲が広い。[Photocatalytic function]
The powder (A1) or powder (A2) obtained by the above-mentioned method is effective alone in the decomposition reaction of the organic substance, and the light source used is any one of sunlight and fluorescent lamps. Also good. In particular, the powder (A2) formed by compounding tungsten oxide has responsiveness and activity even under the LED illumination light that does not include near-ultraviolet light (including only visible light). In a high point, the application range is wider than the conventional photocatalyst.
本発明において粉体(A1)又は粉体(A2)の活性を測る手法としては、一定濃度の揮発性有機化合物(VOC)ガスを封入したガラス製反応容器中に当該粉体を静置し、反応器に可視光/LED光を照射することで、揮発性有機化合物ガスが酸化分解することによって発生した、二酸化炭素濃度の光照射時間に伴う変化から見積もることができる。 In the present invention, as a method for measuring the activity of the powder (A1) or the powder (A2), the powder is allowed to stand in a glass reaction vessel in which a volatile organic compound (VOC) gas having a constant concentration is sealed. By irradiating the reactor with visible light / LED light, it can be estimated from the change with the light irradiation time of the carbon dioxide concentration generated by the oxidative decomposition of the volatile organic compound gas.
前述の手法で光触媒の活性を測る場合には、用いる揮発性有機化合物の濃度は50〜500ppmであればよく、触媒作用を有する粉体の使用量は反応器の体積に対して5〜100mg/500mL範囲であれば好適である。 When the activity of the photocatalyst is measured by the above-described method, the concentration of the volatile organic compound to be used may be 50 to 500 ppm, and the amount of the powder having a catalytic action is 5 to 100 mg / kg based on the reactor volume. A 500 mL range is preferable.
前記揮発性有機化合物としては、特に限定することではなく、低分子有機物全般を用いることができる。更に低分子化合物以外の有機化合物、例えば、有機色素、ポリマーなど光触媒の表面に付着可能であれば、光照射によって分解反応を行うことができ、例えば有機色素の発色度合いを測定することによっても光触媒の活性を測ることができる。 The volatile organic compound is not particularly limited, and low molecular organic substances in general can be used. Furthermore, if it can adhere to the surface of a photocatalyst such as an organic compound other than a low-molecular compound, such as an organic dye or a polymer, it can be decomposed by light irradiation. For example, the photocatalyst can be measured by measuring the degree of coloration of the organic dye. The activity of can be measured.
光照射時間は、用いる有機物質の濃度またはその構造により異なるが、1時間〜1日の範囲であることが望ましい。 The light irradiation time varies depending on the concentration of the organic substance used or the structure thereof, but is preferably in the range of 1 hour to 1 day.
特に酸化タングステンを複合化してなる粉体(A2)は、LED光源単独の照射下、その光量が非常に低い状態(例えば、室内照明光量が500lx前後)であっても、十分光触媒として機能することができる。また、本発明の粉体(A1)、(A2)は、紫外線が含まれる単独光源、例えば、キセノンランプ、水銀ランプ、ハロゲンランプ、蛍光灯など、種々の光源下でも光触媒として機能することができる。当然であるが、本発明の光触媒は、直射光ではなく、太陽光、または各種光源照明に反射・散乱された状態の室内光であっても、光触媒として機能するものである。 In particular, the powder (A2) formed by combining tungsten oxide functions sufficiently as a photocatalyst even when the light amount of the LED light source alone is very low (for example, the amount of indoor illumination is around 500 lx). Can do. The powders (A1) and (A2) of the present invention can function as a photocatalyst even under various light sources such as a single light source containing ultraviolet rays, such as a xenon lamp, a mercury lamp, a halogen lamp, and a fluorescent lamp. . As a matter of course, the photocatalyst of the present invention functions as a photocatalyst, even if it is not direct light, but also sunlight or room light reflected or scattered by various light source illuminations.
[ポリシロキサン骨格を有する樹脂(B)]
本発明における塗料用組成物で、バインダーとして用いる樹脂は、ポリシロキサン骨格を有する樹脂(B)であればよく、(メタ)アクリレート系モノマーからなる重合体の一部のモノマー残基の側鎖に、ポリシロキサン骨格を有するポリマーが結合されてなる樹脂であることが好ましい。このような構造を有する樹脂(B)としては、DIC株式会社製のセラネート系列の製品が挙げられる。または、特開平10−36514号公報、特開2006−328354号公報及び国際公開WO2010/067742に開示された方法に従い、合成することもできる。[Resin having polysiloxane skeleton (B)]
In the coating composition in the present invention, the resin used as the binder may be a resin (B) having a polysiloxane skeleton, and the side chain of a part of the monomer residue of the polymer composed of the (meth) acrylate monomer. A resin obtained by bonding a polymer having a polysiloxane skeleton is preferable. Examples of the resin (B) having such a structure include a SERATE series product manufactured by DIC Corporation. Or it can also synthesize | combine according to the method disclosed by Unexamined-Japanese-Patent No. 10-36514, Unexamined-Japanese-Patent No. 2006-328354, and international publication WO2010 / 067742.
例えば、トリアルコキシアルキル(フェニル)シランの加水分解性ケイ素化合物、又は前記トリアルコキシアルキル(フェニル)シランの加水分解性ケイ素化合物と、ジアルコキシジアルキルシラン類、テトラアルコキシシラン類である加水分解性ケイ素化合物とを含む混合物を加水分解縮合し、次いで得られる、ケイ素原子に結合した水酸基および/または加水分解性基を有するポリシロキサンと、加水分解性シリル基および酸基を併有する(メタ)アクリレート系共重合体とを縮合反応させたのち、塩基性化合物で部分中和ないし完全に中和して得られる樹脂を水に分散または溶解して得られる、水性樹脂の分散液または溶液を用いることができる。 For example, hydrolyzable silicon compound of trialkoxyalkyl (phenyl) silane, or hydrolyzable silicon compound of trialkoxyalkyl (phenyl) silane, dialkoxydialkyl silanes, tetraalkoxy silanes A polysiloxane having a hydroxyl group and / or hydrolyzable group bonded to a silicon atom, and a (meth) acrylate copolymer having both a hydrolyzable silyl group and an acid group. A dispersion or solution of an aqueous resin obtained by dispersing or dissolving a resin obtained by subjecting a polymer to a partial neutralization or complete neutralization with a basic compound and then dispersing or dissolving in water can be used. .
または、前記のポリシロキサンと、加水分解性シリル基および酸基と、これ以外の官能基とを併有する(メタ)アクリレート系共重合体とを縮合反応させたのち、塩基性化合物で部分中和ないし完全に中和して得られる樹脂を水に分散または溶解して得られる、水性樹脂の分散液または溶液を用いることができる。 Alternatively, the polysiloxane, a hydrolyzable silyl group and acid group, and a (meth) acrylate copolymer having both other functional groups are subjected to a condensation reaction, and then partially neutralized with a basic compound. Alternatively, a dispersion or solution of an aqueous resin obtained by dispersing or dissolving a resin obtained by complete neutralization in water can be used.
より、単純に言えば、上記水性の樹脂(B)の合成法には、とりわけ、(メタ)アクリレート系共重合体中の一部のモノマー残基の側鎖にトリアルコキシシランの官能基が含まれること、そして、その共重合体の側鎖のトリアルコキシシラン官能基とアルコキシシラン類とを混合し、加水分解的縮合反応させることで、(メタ)アクリレート系共重合体の側鎖にポリシロキサンを結合することを特徴とする。 More simply, in the method for synthesizing the aqueous resin (B), a functional group of trialkoxysilane is included in the side chain of some monomer residues in the (meth) acrylate copolymer, among others. And the side chain of the copolymer is mixed with a trialkoxysilane functional group and alkoxysilanes and subjected to a hydrolytic condensation reaction, whereby a polysiloxane is added to the side chain of the (meth) acrylate copolymer. Are combined.
その具体的例として、下記の反応を取り上げることができる。
反応容器にイソプロパノール470gを仕込み窒素ガスの通気下で80℃まで昇温した。次に同温度でスチレン100g、メチルメタアクリレート300g、n−ブチルメタクリレート334g、n−ブチルアクリレート186g、3−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン30g、アクリル酸50gおよびtert−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート50gをイソプロパノール450gと混合し、先に反応容器に準備したイソプロパノール470gに4時間かけて滴下する。滴下終了後も同温度で16時間攪拌することにより、不揮発分53.5%でかつ数平均分子量が10000以上になるカルボキシル基およびトリメトキシシリル基を併有する共重合体を得る。As specific examples, the following reactions can be taken up.
The reaction vessel was charged with 470 g of isopropanol and heated to 80 ° C. under nitrogen gas. Next, at the same temperature, 100 g of styrene, 300 g of methyl methacrylate, 334 g of n-butyl methacrylate, 186 g of n-butyl acrylate, 30 g of 3-methacryloyloxypropyltrimethoxysilane, 50 g of acrylic acid and tert-butylperoxy-2-ethylhexano 50 g of ate is mixed with 450 g of isopropanol and added dropwise to 470 g of isopropanol prepared in the reaction vessel over 4 hours. After completion of the dropwise addition, the mixture is stirred at the same temperature for 16 hours to obtain a copolymer having both a carboxyl group and a trimethoxysilyl group having a nonvolatile content of 53.5% and a number average molecular weight of 10,000 or more.
上記共重合体1480gとフェニルトリメトキシシラン354gおよびイソプロパノール365gの混合物を80℃にまで昇温する。次に同温度でイソプロピルアシッドホスフェート2.9gとイオン交換水96gとの混合物を5分間かけて滴下し、同温度で4時間攪拌することでポリシロキサン構造を含む樹脂が生成する。次に、同温度でトリエチルアミン54gとイオン交換水1,050gを30分かけて滴下する。その後、減圧蒸留で溶剤であるイソプロパノールを除き、不揮発分が42.3%になる水性の樹脂(B)が得られる。このようにして得られる水性の樹脂(B)は、塗布後、室温乾燥だけでも硬化することができる。また、アルコキシシランシラン化合物と混合してから、塗布し乾燥することで硬化させることもできる。 A mixture of 1480 g of the copolymer, 354 g of phenyltrimethoxysilane and 365 g of isopropanol is heated to 80 ° C. Next, a mixture of 2.9 g of isopropyl acid phosphate and 96 g of ion-exchanged water is added dropwise at the same temperature over 5 minutes, and the mixture is stirred at the same temperature for 4 hours to produce a resin having a polysiloxane structure. Next, 54 g of triethylamine and 1,050 g of ion-exchanged water are added dropwise at the same temperature over 30 minutes. Thereafter, isopropanol as a solvent is removed by distillation under reduced pressure to obtain an aqueous resin (B) having a nonvolatile content of 42.3%. The aqueous resin (B) obtained in this way can be cured only by drying at room temperature after coating. Moreover, after mixing with the alkoxysilane silane compound, it can be cured by coating and drying.
このように室温乾燥硬化で得られる塗膜は、強い耐候性を示す。例えば、サンシャイン・ウエザオメーターによる2,000時間に及ぶ曝露後でも、塗膜は劣化せず、クラックも発生せず、表面光沢性を90%以上維持できる。このことから、上記水性の樹脂(B)は光触媒のバインダー樹脂として好適に用いることができる。 Thus, the coating film obtained by room temperature dry-curing shows strong weather resistance. For example, even after exposure for 2,000 hours with a sunshine weatherometer, the coating film does not deteriorate, cracks do not occur, and surface glossiness of 90% or more can be maintained. From this, the said water-based resin (B) can be used suitably as a binder resin of a photocatalyst.
また、本発明で用いるポリシロキサン骨格を有する樹脂(B)としては、活性エネルギー線硬化性の樹脂であっても良い。このときのポリシロキサン骨格の含有率としては、樹脂(B)の質量を基準として10〜95質量%の範囲が優れた耐久性を有する硬化塗膜を形成することが可能な紫外線硬化性樹脂を得ることができることから好ましく、30〜95質量%がより好ましく、30〜75質量%が更に好ましい。 The resin (B) having a polysiloxane skeleton used in the present invention may be an active energy ray-curable resin. The content of the polysiloxane skeleton at this time is an ultraviolet curable resin capable of forming a cured coating film having excellent durability in a range of 10 to 95% by mass based on the mass of the resin (B). It is preferable because it can be obtained, more preferably 30 to 95% by mass, and still more preferably 30 to 75% by mass.
この様な樹脂(B)は、種々の方法で製造できるが、なかでも下記(1)〜(3)に示す方法で製造することが好ましい。 Such a resin (B) can be produced by various methods, and among them, it is preferably produced by the methods shown in the following (1) to (3).
(1)シラノール基および/または加水分解性シリル基を含有する重合体セグメントを予め調製しておき、この重合体セグメントと、シラノール基および/または加水分解性シリル基、並びに重合性二重結合を併有するシラン化合物とを混合し、加水分解縮合反応を行う方法。 (1) A polymer segment containing a silanol group and / or a hydrolyzable silyl group is prepared in advance, and this polymer segment is combined with a silanol group and / or a hydrolyzable silyl group and a polymerizable double bond. A method in which a hydrolytic condensation reaction is performed by mixing the silane compound.
(2)シラノール基および/または加水分解性シリル基を含有する重合体セグメントを予め調製する。また、シラノール基および/または加水分解性シリル基、並びに重合性二重結合を併有するシラン化合物を加水分解縮合反応してポリシロキサンも予め調製しておく。そして、重合体セグメントとポリシロキサンとを混合し、加水分解縮合反応を行う方法。 (2) A polymer segment containing a silanol group and / or a hydrolyzable silyl group is prepared in advance. In addition, polysiloxane is prepared in advance by hydrolytic condensation reaction of a silane compound having both a silanol group and / or a hydrolyzable silyl group and a polymerizable double bond. And the method of mixing a polymer segment and polysiloxane and performing a hydrolytic condensation reaction.
(3)前記重合体セグメントと、シラノール基および/または加水分解性シリル基、並びに重合性二重結合を併有するシラン化合物と、ポリシロキサンとを混合し、加水分解縮合反応を行う方法。 (3) A method in which the polymer segment, a silane compound having both a silanol group and / or a hydrolyzable silyl group and a polymerizable double bond, and polysiloxane are mixed and subjected to a hydrolytic condensation reaction.
前記(1)〜(3)で示す樹脂(B)の製造工程における加水分解縮合反応は、種々の方法で反応を進行させることができるが、前記製造工程で水と触媒とを供給することで反応を進行させる方法が簡便で好ましい。 The hydrolysis-condensation reaction in the production process of the resin (B) shown in the above (1) to (3) can proceed by various methods, but by supplying water and a catalyst in the production process. A method for allowing the reaction to proceed is simple and preferred.
なお、前記加水分解縮合反応とは、前記加水分解性基の一部が水などの影響で加水分解され水酸基を形成し、次いで該水酸基同士、あるいは該水酸基と加水分解性基との間で進行する進行する縮合反応をいう。 The hydrolysis condensation reaction means that a part of the hydrolyzable group is hydrolyzed under the influence of water or the like to form a hydroxyl group, and then proceeds between the hydroxyl groups or between the hydroxyl group and the hydrolyzable group. Refers to a proceeding condensation reaction.
前記シラノール基および/または加水分解性シリル基を含有する重合体セグメントとしては、例えば、シラノール基および/または加水分解性シリル基を含有するアクリル重合体、シラノール基および/または加水分解性シリル基を含有するフルオロオレフィン重合体、シラノール基および/または加水分解性シリル基を含有するビニルエステル系重合体、シラノール基および/または加水分解性シリル基を含有する芳香族ビニル重合体やシラノール基および/または加水分解性シリル基を含有するポリオレフィン重合体等のシラノール基および/または加水分解性シリル基を含有するビニル重合体や、シラノール基および/または加水分解性シリル基を含有するポリウレタン重合体、シラノール基および/または加水分解性シリル基を含有するポリエステル重合体、シラノール基および/または加水分解性シリル基を含有するポリエーテル重合体等を使用することができる。特に、シラノール基および/または加水分解性シリル基を含有するビニル重合体やシラノール基および/または加水分解性シリル基を含有するポリウレタン重合体を使用することが好ましく、シラノール基および/または加水分解性シリル基を含有するアクリル重合体を使用することがより好ましい。 Examples of the polymer segment containing a silanol group and / or a hydrolyzable silyl group include, for example, an acrylic polymer containing a silanol group and / or a hydrolyzable silyl group, a silanol group and / or a hydrolyzable silyl group. Fluoroolefin polymer containing, vinyl ester polymer containing silanol group and / or hydrolyzable silyl group, aromatic vinyl polymer containing silanol group and / or hydrolyzable silyl group, silanol group and / or Silanol groups such as polyolefin polymers containing hydrolyzable silyl groups and / or vinyl polymers containing hydrolyzable silyl groups, polyurethane polymers containing silanol groups and / or hydrolyzable silyl groups, silanol groups And / or contains hydrolyzable silyl groups Polyester polymer that can be used polyether polymer such as a silanol group and / or a hydrolyzable silyl group. In particular, it is preferable to use a vinyl polymer containing a silanol group and / or a hydrolyzable silyl group or a polyurethane polymer containing a silanol group and / or a hydrolyzable silyl group, and the silanol group and / or hydrolyzable. It is more preferable to use an acrylic polymer containing a silyl group.
前記シラノール基および/または加水分解性シリル基を含有する重合体セグメントとしてアクリル重合体を用いる場合、該アクリル樹脂は、例えば、シラノール基および/または加水分解性シリル基を含有するビニル系単量体と必要に応じて他のビニル系単量体とを重合することにより得ることができる。 When an acrylic polymer is used as the polymer segment containing the silanol group and / or hydrolyzable silyl group, the acrylic resin is, for example, a vinyl monomer containing a silanol group and / or a hydrolyzable silyl group. And, if necessary, can be obtained by polymerizing with other vinyl monomers.
前記シラノール基および/または加水分解性シリル基を含有するビニル系単量体としては、例えば、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルメチルジメトキシシラン、ビニルトリ(2−メトキシエトキシ)シラン、ビニルトリアセトキシシラン、ビニルトリクロロシラン、2−トリメトキシシリルエチルビニルエーテル、3−(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン、3−(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリエトキシシラン、3−(メタ)アクリロイルオキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリクロロシラン等が挙げられる。中でも、加水分解反応を容易に進行でき、また反応後の副生成物を容易に除去することができることからビニルトリメトキシシラン、3−(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシランが好ましい。 Examples of the vinyl monomer containing a silanol group and / or a hydrolyzable silyl group include vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, vinylmethyldimethoxysilane, vinyltri (2-methoxyethoxy) silane, and vinyltrimethyl. Acetoxysilane, vinyltrichlorosilane, 2-trimethoxysilylethyl vinyl ether, 3- (meth) acryloyloxypropyltrimethoxysilane, 3- (meth) acryloyloxypropyltriethoxysilane, 3- (meth) acryloyloxypropylmethyldimethoxysilane , 3- (meth) acryloyloxypropyltrichlorosilane and the like. Among these, vinyltrimethoxysilane and 3- (meth) acryloyloxypropyltrimethoxysilane are preferable because the hydrolysis reaction can easily proceed and by-products after the reaction can be easily removed.
必要に応じて用いる他のビニル系単量体としては、例えば、アクリル系単量体等が挙げられる。具体的には、例えば、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、n−プロピル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、tert−ブチル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート等の炭素原子数が1〜22のアルキル基を有するアルキル(メタ)アクリレート類;ベンジル(メタ)アクリレート、2−フェニルエチル(メタ)アクリレート等のアラルキル(メタ)アクリレート類;シクロヘキシル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート等のシクロアルキル(メタ)アクリレート類;2−メトキシエチル(メタ)アクリレート、4−メトキシブチル(メタ)アクリレート等のω−アルコキシアルキル(メタ)アクリレート類;スチレン、p−tert−ブチルスチレン、α−メチルスチレン、ビニルトルエン等の芳香族ビニル系単量体類;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、ピバリン酸ビニル、安息香酸ビニル等のカルボン酸ビニルエステル類;クロトン酸メチル、クロトン酸エチル等のクロトン酸のアルキルエステル類;ジメチルマレート、ジ−n−ブチルマレート、ジメチルフマレート、ジメチルイタコネート等の不飽和二塩基酸のジアルキルエステル類;エチレン、プロピレン等のα−オレフィン類;フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、クロロトリフルオロエチレン等のフルオロオレフィン類;エチルビニルエーテル、n−ブチルビニルエーテル等のアルキルビニルエーテル類;シクロペンチルビニルエーテル、シクロヘキシルビニルエーテル等のシクロアルキルビニルエーテル類;N,N−ジメチル(メタ)アクリルアミド、N−(メタ)アクリロイルモルホリン、N−(メタ)アクリロイルピロリジン、N−ビニルピロリドン等の3級アミド基含有単量体類等が挙げられる。 Examples of other vinyl monomers used as necessary include acrylic monomers. Specifically, for example, methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, n-propyl (meth) acrylate, n-butyl (meth) acrylate, isobutyl (meth) acrylate, tert-butyl (meth) acrylate, 2 -Alkyl (meth) acrylates having an alkyl group having 1 to 22 carbon atoms such as ethylhexyl (meth) acrylate and lauryl (meth) acrylate; aralkyl such as benzyl (meth) acrylate and 2-phenylethyl (meth) acrylate (Meth) acrylates; cycloalkyl (meth) acrylates such as cyclohexyl (meth) acrylate and isobornyl (meth) acrylate; ω-alkoxy such as 2-methoxyethyl (meth) acrylate and 4-methoxybutyl (meth) acrylate Alkyl (meth) acrylates; aromatic vinyl monomers such as styrene, p-tert-butylstyrene, α-methylstyrene, vinyltoluene; vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl pivalate, vinyl benzoate, etc. Carboxylic acid vinyl esters; alkyl esters of crotonic acid such as methyl crotonic acid and ethyl crotonic acid; dialkyl esters of unsaturated dibasic acids such as dimethyl malate, di-n-butyl malate, dimethyl fumarate, dimethyl itaconate Α-olefins such as ethylene and propylene; fluoroolefins such as vinylidene fluoride, tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene and chlorotrifluoroethylene; alkyl vinyl ethers such as ethyl vinyl ether and n-butyl vinyl ether; Cycloalkyl vinyl ethers such as pentyl vinyl ether and cyclohexyl vinyl ether; tertiary amide group-containing singles such as N, N-dimethyl (meth) acrylamide, N- (meth) acryloylmorpholine, N- (meth) acryloylpyrrolidine and N-vinylpyrrolidone Examples of the polymers.
前記重合体セグメントとしてビニル重合体を用いる場合、該ビニル系重合体は、例えば、塊状ラジカル重合法、溶液ラジカル重合法、非水分散ラジカル重合法等の種々の重合法によって重合させることにより製造することができる。樹脂(B)を有機溶剤に溶解させて紫外線硬化性樹脂組成物とする場合は、有機溶剤中で前記ビニル単量体をラジカル重合させてビニル重合体とすることが好ましい。 When a vinyl polymer is used as the polymer segment, the vinyl polymer is produced by polymerizing by various polymerization methods such as a bulk radical polymerization method, a solution radical polymerization method, and a non-aqueous dispersion radical polymerization method. be able to. When the resin (B) is dissolved in an organic solvent to obtain an ultraviolet curable resin composition, it is preferable to radically polymerize the vinyl monomer in an organic solvent to obtain a vinyl polymer.
前記有機溶剤としては、例えばn−ヘキサン、n−ヘプタン、n−オクタン、シクロヘキサン、シクロペンタン等の脂肪族系又は脂環族系の炭化水素類;トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素類;メタノール、エタノール、n−ブタノール、エチレングルコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル等のアルコール類;酢酸エチル、酢酸n−ブチル、酢酸n−アミル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングルコールモノメチルエーテルアセテート等のエステル類;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルn−アミルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類;ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル等のポリアルキレングリコールジアルキルエーテル類;1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル類;N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド又はエチレンカーボネートを単独で使用又は2種以上を併用して使用することができる。 Examples of the organic solvent include aliphatic or alicyclic hydrocarbons such as n-hexane, n-heptane, n-octane, cyclohexane, and cyclopentane; aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene, and ethylbenzene. Alcohols such as methanol, ethanol, n-butanol, ethylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monomethyl ether; ethyl acetate, n-butyl acetate, n-amyl acetate, ethylene glycol monomethyl ether acetate, propylene glycol monomethyl ether acetate, etc. Esters of; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl n-amyl ketone, cyclohexanone; diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol dibutyl ether Polyalkylene glycol dialkyl ethers; ethers such as 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxane, etc .; N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide or ethylene carbonate are used alone or in combination of two or more. be able to.
また、ラジカル重合法で前記ビニル単量体を重合させる際には、必要に応じて重合開始剤を使用することができる。かかる重合開始剤としては、例えば2,2’−アゾビス(イソブチロニトリル)、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、2,2’−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)等のアゾ化合物類;tert−ブチルパーオキシピバレート、tert−ブチルパーオキシベンゾエート、tert−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート、ジ−tert−ブチルパーオキサイド、クメンハイドロパーオキサイド、ジイソプロピルパーオキシカーボネート等の過酸化物類等を使用することができる。 In addition, when the vinyl monomer is polymerized by radical polymerization, a polymerization initiator can be used as necessary. Examples of such polymerization initiators include 2,2′-azobis (isobutyronitrile), 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), and 2,2′-azobis (2-methylbutyronitrile). ) And the like; tert-butyl peroxypivalate, tert-butyl peroxybenzoate, tert-butyl peroxy-2-ethylhexanoate, di-tert-butyl peroxide, cumene hydroperoxide, diisopropyl peroxide Peroxides such as oxycarbonate can be used.
前記重合体セグメントとしては、数平均分子量で500〜200,000の重合体セグメントが好ましく、数平均分子量で700〜100,000の重合体セグメントがより好ましく、数平均分子量で1,000〜50,000の重合体セグメントが特に好ましい。かかる範囲内の数平均分子量を有する重合体セグメントを使用することによって、樹脂(B)を製造する際の増粘やゲル化を防止でき、且つ耐久性に優れた塗膜が得られる紫外線硬化性樹脂組成物を得ることができる。 The polymer segment is preferably a polymer segment having a number average molecular weight of 500 to 200,000, more preferably a polymer segment having a number average molecular weight of 700 to 100,000, and a number average molecular weight of 1,000 to 50,000. 000 polymer segments are particularly preferred. By using a polymer segment having a number average molecular weight within such a range, it is possible to prevent thickening and gelation during production of the resin (B), and to obtain a coating film having excellent durability. A resin composition can be obtained.
本発明で使用する樹脂(B)を構成する重合体セグメントとして重合性二重結合基を有する重合体セグメントを用いることにより、より耐久性のある硬化塗膜を形成させることができる。重合性二重結合を有する重合体セグメントは、例えば、カルボキシル基を有する重合体セグメントを用い、ここに重合性二重結合とエポキシ基とを併有する化合物、例えばグリシジルメタアクリレートを添加・反応させる方法により得ることができる。 By using a polymer segment having a polymerizable double bond group as the polymer segment constituting the resin (B) used in the present invention, a more durable cured coating film can be formed. For example, a polymer segment having a carboxyl group is used as the polymer segment having a polymerizable double bond, and a compound having both a polymerizable double bond and an epoxy group, such as glycidyl methacrylate, is added and reacted therewith. Can be obtained.
前記方法(1)で用いるシラノール基および/または加水分解性シリル基、並びに重合性二重結合を併有するシラン化合物を含有するシラン化合物としては、例えば、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルメチルジメトキシシラン、ビニルトリ(2−メトキシエトキシ)シラン、ビニルトリアセトキシシラン、ビニルトリクロロシラン、2−トリメトキシシリルエチルビニルエーテル、3−(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン、3−(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリエトキシシラン、3−(メタ)アクリロイルオキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリクロロシラン等が挙げられる。 Examples of the silane compound containing a silanol group and / or hydrolyzable silyl group and a silane compound having a polymerizable double bond used in the method (1) include vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, and vinyl. Methyldimethoxysilane, vinyltri (2-methoxyethoxy) silane, vinyltriacetoxysilane, vinyltrichlorosilane, 2-trimethoxysilylethyl vinyl ether, 3- (meth) acryloyloxypropyltrimethoxysilane, 3- (meth) acryloyloxypropyl Examples include triethoxysilane, 3- (meth) acryloyloxypropylmethyldimethoxysilane, and 3- (meth) acryloyloxypropyltrichlorosilane.
前記シラノール基および/または加水分解性シリル基、並びに重合性二重結合を併有するシラン化合物としては、加水分解縮合反応が容易に進行し、また反応後の副生成物を容易に除去することが可能なことから、ビニルトリメトキシシラン、3−(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシランを使用することが好ましい。 As the silane compound having both a silanol group and / or a hydrolyzable silyl group and a polymerizable double bond, a hydrolysis condensation reaction can easily proceed, and a by-product after the reaction can be easily removed. Since it is possible, it is preferable to use vinyltrimethoxysilane and 3- (meth) acryloyloxypropyltrimethoxysilane.
前記方法(1)で用いるシラン化合物には必要に応じて、前記シラノール基および/または加水分解性シリル基、並びに重合性二重結合を併有するシラン化合物以外の他のシラン化合物を併用しても良い。 If necessary, the silane compound used in the method (1) may be used in combination with another silane compound other than the silane compound having both the silanol group and / or hydrolyzable silyl group and the polymerizable double bond. good.
前記他のシラン化合物としては、例えば、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリ−n−ブトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、iso−ブチルトリメトキシシラン、シクロヘキシルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン等の各種のオルガノトリアルコキシシラン類;ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジメチルジ−n−ブトキシシラン、ジエチルジメトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、メチルシクロヘキシルジメトキシシランもしくはメチルフェニルジメトキシシラン等の、各種のジオルガノジアルコキシシラン類;メチルトリクロロシラン、エチルトリクロロシラン、フェニルトリクロロシラン、ビニルトリクロロシラン、ジメチルジクロロシラン、ジエチルジクロロシランもしくはジフェニルジクロロシラン等のクロロシラン類が挙げられる。 Examples of the other silane compounds include methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, methyltri-n-butoxysilane, ethyltrimethoxysilane, n-propyltrimethoxysilane, iso-butyltrimethoxysilane, and cyclohexyltrimethoxysilane. , Various organotrialkoxysilanes such as phenyltrimethoxysilane and phenyltriethoxysilane; dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, dimethyldi-n-butoxysilane, diethyldimethoxysilane, diphenyldimethoxysilane, methylcyclohexyldimethoxysilane or methyl Various diorganodialkoxysilanes such as phenyldimethoxysilane; methyltrichlorosilane, ethyltrichlorosilane, phenyltrichloro Orchids, vinyl trichlorosilane, dimethyl dichlorosilane, chlorosilane such as diethyl dichlorosilane or diphenyl dichlorosilane and the like.
前記他のシラン化合物としては、加水分解反応が容易に進行し、また反応後の副生成物を容易に除去することが可能なオルガノトリアルコキシシランやジオルガノジアルコキシシランが好ましい。 As the other silane compounds, organotrialkoxysilanes and diorganodialkoxysilanes that can easily undergo hydrolysis reaction and easily remove by-products after the reaction are preferable.
また、前記他のシラン化合物として、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシランもしくはテトラn−プロポキシシランなどの4官能アルコキシシラン化合物や該4官能アルコキシシラン化合物の部分加水分解縮合物を併用することもできる。前記4官能アルコキシシラン化合物又はその部分加水分解縮合物を併用する場合には、前記ポリシロキサンセグメントを構成する全珪素原子に対して、該4官能アルコキシシラン化合物の有する珪素原子が、20モル%を超えない範囲となるように併用することが好ましい。 Moreover, as said other silane compound, tetrafunctional alkoxysilane compounds, such as tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, or tetra n-propoxysilane, and the partial hydrolysis-condensation product of this tetrafunctional alkoxysilane compound can also be used together. When the tetrafunctional alkoxysilane compound or a partially hydrolyzed condensate thereof is used in combination, the silicon atom of the tetrafunctional alkoxysilane compound is 20 mol% with respect to all silicon atoms constituting the polysiloxane segment. It is preferable to use together so that it may become the range which does not exceed.
この様な樹脂(B)には、ポリシロキサン骨格に由来のシラノール(Si−OH)基が多く存在する。この官能基は、シリカ粉末と混合される際、シリカ表面のシラノール基と脱水縮合することができる。この性質は、本発明での光触媒塗膜設計における重要な構造的要素である。 Such a resin (B) has many silanol (Si—OH) groups derived from the polysiloxane skeleton. This functional group can be dehydrated and condensed with silanol groups on the silica surface when mixed with the silica powder. This property is an important structural element in the photocatalytic coating design in the present invention.
[粉体(A1)及び/又は粉体(A2)と樹脂(B)とを含有する1液型塗料組成物]
本発明の1液型塗料組成物は、前述のシリカナノ構造体(a2)に酸化チタン(a1)のナノ粒子が固定された複合体からなる粉体(A1)、及び/又は前述のシリカナノ構造体(a2)に酸化タングステン(a3)のナノ粒子が固定された複合体からなる粉体(A2)と、ポリシロキサン骨格を有する樹脂(B)とを、媒体中で混合することで容易に調製できる。[One-pack type coating composition containing powder (A1) and / or powder (A2) and resin (B)]
The one-component coating composition of the present invention includes a powder (A1) comprising a composite in which nanoparticles of titanium oxide (a1) are fixed to the silica nanostructure (a2), and / or the silica nanostructure. Powder (A2) composed of a composite in which nanoparticles of tungsten oxide (a3) are fixed to (a2) and resin (B) having a polysiloxane skeleton can be easily prepared in a medium. .
塗料組成物を調製する際、まずは媒体中に粉体(A1)及び/又は(A2)を混合し、その混合物をホモミキサー等の高剪断力の分散装置で攪拌し、光触媒粉体の分散液を調製することが好ましい。次に、これで得た分散液と樹脂(B)の分散液又は溶液と混合し、室温(20〜30℃)で1〜3時間攪拌することで、均一分散した塗料組成物が得られる。 When preparing the coating composition, first, the powder (A1) and / or (A2) is mixed in the medium, and the mixture is stirred by a high shearing dispersion device such as a homomixer to obtain a dispersion of the photocatalyst powder. Is preferably prepared. Next, the dispersion obtained in this way and the dispersion or solution of the resin (B) are mixed and stirred at room temperature (20 to 30 ° C.) for 1 to 3 hours to obtain a uniformly dispersed coating composition.
上記塗料組成物の調製の際、樹脂(B)の合成時やその分散液又は溶液を調整する際に用いた溶剤等を混合することもできる。 During the preparation of the coating composition, a solvent or the like used for synthesizing the resin (B) or adjusting the dispersion or solution thereof can be mixed.
塗料組成物中の粉体(A1)及び/又は粉体(A2)と、樹脂(B)との合計である固形分含有率(不揮発分)としては、10〜80wt%の範囲であれば好適に用いることができるが、使用条件、目的に合わせ、適宜調製することが望ましい。 The solid content (nonvolatile content) that is the sum of the powder (A1) and / or the powder (A2) in the coating composition and the resin (B) is preferably in the range of 10 to 80 wt%. However, it is desirable to prepare appropriately according to the use conditions and purpose.
また、塗料組成物の不揮発分中の粉体(A1)及び/又は粉体(A2)と樹脂(B)との組成割合としては、粉体(A1)と粉体(A2)との合計と、前記樹脂(B)との使用割合が、[(A1)+(A2)]/(B)で表される質量比で10/90〜80/20の範囲であることが好ましいが、光触媒活性サイトの塗膜表面での密度を向上させるためには、その質量比を35/65〜65/35の範囲に調整することがより好ましい。 The composition ratio of the powder (A1) and / or the powder (A2) and the resin (B) in the nonvolatile content of the coating composition is the sum of the powder (A1) and the powder (A2). The ratio of use with the resin (B) is preferably in the range of 10/90 to 80/20 by mass ratio represented by [(A1) + (A2)] / (B). In order to improve the density of the coating film surface of the site, it is more preferable to adjust the mass ratio in the range of 35/65 to 65/35.
本発明の塗料組成物には、顔料、染料等混合し、着色塗料にすることもできる。顔料または染料の使用量は色の濃淡に合わせて調製できるが、樹脂(B)の50質量%以下であることが望ましい。 In the coating composition of the present invention, pigments, dyes and the like can be mixed to form a colored coating. The amount of the pigment or dye used can be adjusted according to the color shade, but is preferably 50% by mass or less of the resin (B).
前記で得られる1液型塗料組成物は一日以上長く静置させると、組成物中の光触媒である粉体が沈む傾向があるが、その液を軽く攪拌または振ることで、再び数時間安定分散状態を維持出来る。また、当該組成物は、半年以上室温保存した際、光触媒である粉体が沈むことはあっても、組成物全体がゲル化することは一切なく、長期保存後でも、好適に用いることができる。 When the one-component coating composition obtained above is allowed to stand for more than a day, the photocatalyst powder in the composition tends to sink, but it is stable again for several hours by gently stirring or shaking the liquid. A dispersed state can be maintained. In addition, when the composition is stored at room temperature for half a year or more, the photocatalyst powder may sink, or the entire composition does not gel at all, and can be suitably used even after long-term storage. .
[光触媒塗膜の作製]
上記で得られた、1液型塗料組成物を任意形状の任意基材に塗布し、それを季節環境温度下で乾燥させ、光照射することで、極めて高い光触媒能力と耐候性とを有する光触媒塗膜を得ることができる。[Production of photocatalytic coating film]
The photocatalyst having extremely high photocatalytic ability and weather resistance can be obtained by applying the one-component coating composition obtained above to an arbitrary substrate of arbitrary shape, drying it under a seasonal environmental temperature, and irradiating with light. A coating film can be obtained.
上記の塗料組成物の基材への塗布法は特に限定することなく、用途に合わせて適宜塗布することができる。適用方法としては、バーコート、スピンコート、ブラシ、スプレー、スクリン印刷、グラビア印刷などの方法を取り上げることができる。 The method for applying the coating composition to the substrate is not particularly limited and can be appropriately applied according to the intended use. As an application method, methods such as bar coating, spin coating, brushing, spraying, screen printing, and gravure printing can be taken up.
上記の塗料組成物を用いた塗布によって形成される光触媒塗膜の膜厚は1μm〜30μmの範囲であれば好適である。 The film thickness of the photocatalyst coating film formed by coating using the coating composition is preferably in the range of 1 μm to 30 μm.
上記の塗料組成物を用いた塗布による塗膜硬化は季節環境温度(5〜35℃)〜200℃の範囲で硬化することができる。ここでいう季節環境温度での硬化とは、実は乾燥させることだけであり、その乾燥時間は5〜24時間であれば好適である。加熱硬化の場合は、温度が高い程硬化時間は短く、数分から数時間範囲であることが好ましい。 Coating film curing by coating using the above-described coating composition can be cured in the range of seasonal environmental temperature (5-35 ° C.) to 200 ° C. The curing at the seasonal environmental temperature here is actually only drying, and the drying time is preferably 5 to 24 hours. In the case of heat curing, the higher the temperature, the shorter the curing time, and it is preferably in the range of several minutes to several hours.
本発明の塗料組成物中には、種々のシラン化合物を混合して用いることもできる。シラン化合物としては、例えば、メチルトリメトキシラン、メチルトリエトキシラン、エチルトリメトキシラン、エチルトリエトキシシラン、n−プロピルトリメトキシラン、n−プロピルトリエトキシラン、iso−プロピルトリメトキシシラン、iso−プロピルトリエトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、3−グリシトキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシトキシプロピルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシラン、3−メルカプトプロピルトメトキシシラン、3−メルカプトトリエトキシシラン、3,3,3−トリフロロプロピルトリメトシシラン、3,3,3−トリフロロプロピルトリエトシシラン、3−メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリルオキシプロピルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシラン、p−クロロメチルフェニルトリメトキシラン、p−クロロメチルフェニルトリエトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジエチルジメトキシシラン、ジエチルジエトキシシアンなどが挙げられる。
Various silane compounds can be mixed and used in the coating composition of the present invention. Examples of the silane compound include methyltrimethoxylane, methyltriethoxylane, ethyltrimethoxylane, ethyltriethoxysilane, n-propyltrimethoxylane, n-propyltriethoxysilane, iso-propyltrimethoxysilane, iso- Propyltriethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltriethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, 3-glycitoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycitoxypropyltriethoxysilane, 3 -Aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxylane, 3-mercaptopropyltomethoxysilane, 3-mercaptotriethoxysilane, 3,3,3-
また、上記の塗料組成物に光重合開始剤を加え、UV照射によって硬化させることも可能である。とくに樹脂(B)中に重合性二重結合を有するものを用いる場合には、活性エネルギー線硬化を行なうことが好ましい。その際、塗膜の硬化過程を空気雰囲気下、または不活性ガス、例えば、窒素雰囲気下で行なうこともできる。 It is also possible to add a photopolymerization initiator to the coating composition and cure it by UV irradiation. When using what has a polymerizable double bond in resin (B) especially, it is preferable to perform active energy ray hardening. In that case, the hardening process of a coating film can also be performed in an air atmosphere or inert gas, for example, nitrogen atmosphere.
前記組成物を基材に塗布し硬化させた直後の塗膜表面には、凹凸構造を有するものの、頭出しの光触媒活性サイト(酸化チタンや酸化タングステンのナノ粒子が存在しているサイト)部分も、バインダー樹脂である樹脂(B)が付着しているため、このままでは光触媒塗膜として機能しない。光触媒塗膜として機能させるためには、硬化後の塗膜に光を当て、光触媒活性サイトに付着された樹脂を光照射により分解させる必要がある。光照射の方法としては、特別な光源に限定することなく、塗布後の塗膜を室外、室内の自然光環境に放置することで十分である。特に室外の太陽光下での暴露状態であれば、塗膜の光触媒機能は1時間以上の照射で効果的に発現できる。室内自然光の場合は、数時間または一日以後であれば、塗膜の光触媒機能が効果的に発現される。 The surface of the coating film immediately after the composition is applied to the substrate and cured has a concavo-convex structure, but the cueing photocatalytic activity site (site where titanium oxide or tungsten oxide nanoparticles are present) is also present. Since the resin (B) which is a binder resin is adhered, it does not function as a photocatalyst coating film as it is. In order to function as a photocatalyst coating film, it is necessary to irradiate the cured coating film with light and decompose the resin adhering to the photocatalytic activity site by light irradiation. The light irradiation method is not limited to a special light source, and it is sufficient to leave the coated film in an outdoor or indoor natural light environment. In particular, when exposed to sunlight in the outdoors, the photocatalytic function of the coating film can be effectively exhibited by irradiation for 1 hour or longer. In the case of indoor natural light, the photocatalytic function of the coating film is effectively expressed after several hours or after one day.
塗膜の光触媒を発現させる際、作業上、特定光源が必要の場合、ブラックライト、蛍光灯、高圧水銀灯、キセノンランプなども好適に用いることができる。これら光源による光照射時間は、光源ランプの強度に依存するが、強度が強い、高圧水銀灯、キセノンランプなどの場合、1時間以上の照射で十分であり、強度が低いブラックライト、蛍光灯の場合、5〜24時間範囲での照射が好適である。 When developing a photocatalyst for the coating film, a black light, a fluorescent lamp, a high-pressure mercury lamp, a xenon lamp, or the like can be suitably used if a specific light source is necessary for the work. The light irradiation time by these light sources depends on the intensity of the light source lamp, but in the case of high-intensity, high-pressure mercury lamps, xenon lamps, etc., irradiation for 1 hour or more is sufficient, and in the case of black lights and fluorescent lamps with low intensity Irradiation in the 5-24 hour range is preferred.
[光触媒塗膜]
上記の各工程を経由して得られる光触媒塗膜は、基本構造には、表面に光触媒活性サイトが頭出し、その頭出しを支えるシリカナノ構造体は塗膜の連続層に植え込まれている。これはまるで、タコの頭(光触媒活性サイト)だけが外表面に出され、足は塗膜の連続層に伸び広がったような構造である。タコの足に等しいシリカナノ構造体(a2)のSi−OH官能基はバインダー樹脂である樹脂(B)中のSi−OH官能基と脱水縮合し、Si−O−Si結合を形成しているので、タコ足相当のシリカナノ構造体(a2)はバインダー層と一体となり、塗膜を形成する。従って、本発明での光触媒塗膜は、すべての構成成分(光触媒と樹脂)が化学結合していることを特徴とする。[Photocatalytic coating]
The photocatalytic coating film obtained through each of the above steps has a basic structure in which a photocatalytic active site is found on the surface, and a silica nanostructure that supports the heading is implanted in a continuous layer of the coating. This is like a structure in which only the head of the octopus (photocatalytically active site) is exposed on the outer surface and the foot extends and spreads over a continuous layer of the coating. Since the Si—OH functional group of the silica nanostructure (a2) equal to the octopus foot is dehydrated and condensed with the Si—OH functional group in the resin (B) which is the binder resin, a Si—O—Si bond is formed. The silica nanostructure (a2) corresponding to the octopus foot is integrated with the binder layer to form a coating film. Therefore, the photocatalyst coating film according to the present invention is characterized in that all the constituent components (photocatalyst and resin) are chemically bonded.
本発明の光触媒塗膜の厚みは、2〜50μmの範囲で調製できる。光触媒塗膜の触媒活性、基材密着性、塗膜耐候性等を向上させるためには、塗膜の厚みを5〜20μmに調製することが望ましい。 The thickness of the photocatalyst coating film of the present invention can be prepared in the range of 2 to 50 μm. In order to improve the catalytic activity, substrate adhesion, weather resistance, etc. of the photocatalytic coating film, it is desirable to adjust the thickness of the coating film to 5 to 20 μm.
また、本発明の光触媒塗膜は着色状態にすることもできる。着色は、顔料または染料が塗膜のバインダー樹脂層に埋め込まれた状態になることが望ましい。この状態では、色素成分が頭出しの光触媒活性サイトと接触せず分離されている状態であるので、光触媒(酸化チタンや酸化タングステン)により分解することはない。 Moreover, the photocatalyst coating film of this invention can also be made into a colored state. As for coloring, it is desirable that the pigment or dye is embedded in the binder resin layer of the coating film. In this state, since the pigment component is in a state where it is separated from the cueing photocatalytic active site without contact, it is not decomposed by the photocatalyst (titanium oxide or tungsten oxide).
本発明の光触媒塗膜の表面は凹凸構造で構成されているが、その頭出しの凸部は親水性無機成分のTiO2/SiO2、WO3/SiO2であり、それが膜表面全面に広がっている。従って、表面は水に濡れやすく、水滴を落としてもそれが膜表面に濡れ広がり、水接触角が5°以下を保つことを特徴とする。即ち、超親水性を示す。The surface of the photocatalyst coating film of the present invention is composed of a concavo-convex structure, but the convex portion of the head is a hydrophilic inorganic component TiO 2 / SiO 2 , WO 3 / SiO 2 , which is on the entire film surface. It has spread. Therefore, the surface is easy to get wet with water, and even if a water drop is dropped, it spreads on the surface of the film, and the water contact angle is kept at 5 ° or less. That is, it exhibits super hydrophilicity.
本発明の超親水性を示す光触媒塗膜は、揮発性有機化合物(VOC)を効果的に二酸化炭素に分解することができる。揮発性有機化合物は、室外または室内自然光下で分解されるし、また、蛍光灯、LEDの照明用ランプ下でも分解される。特定光源を用いる場合、高圧水銀灯、キセノンランプ、ハロゲンランプ、ブラックライト照射下、揮発性有機化合物(有害ガス)を効果的に分解することができる。 The photocatalytic coating film showing super hydrophilicity of the present invention can effectively decompose volatile organic compounds (VOC) into carbon dioxide. Volatile organic compounds are decomposed under outdoor or indoor natural light, and are also decomposed under fluorescent lamps and LED lighting lamps. When a specific light source is used, volatile organic compounds (toxic gases) can be effectively decomposed under irradiation of a high-pressure mercury lamp, a xenon lamp, a halogen lamp, or a black light.
以下、実施例および参考例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。特に断らない限り、「%」は「質量%」を表す。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a reference example demonstrate this invention further more concretely, this invention is not limited to these. Unless otherwise specified, “%” represents “mass%”.
〔酸化チタンおよび水性樹脂〕
本実施例において酸化チタン(a1)として、日本アエロジル株式会社製P25を使用した〔以下、酸化チタン(a1−1)とする〕。水性のポリシロキサン骨格を有する樹脂(B)としてはDIC株式会社製セラネートWSA−1070〔以下、樹脂(B−1)とする〕を使用した。[Titanium oxide and aqueous resin]
In this example, P25 manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd. was used as titanium oxide (a1) [hereinafter referred to as titanium oxide (a1-1)]. As resin (B) having an aqueous polysiloxane skeleton, DIC Corporation Ceranate WSA-1070 [hereinafter referred to as resin (B-1)] was used.
〔走査型電子顕微鏡〕
走査型電子顕微鏡はKEYENCE製のVE−9800を使用した。〔Scanning electron microscope〕
The scanning electron microscope used was VE-9800 manufactured by KEYENCE.
〔UV−vis反射スペクトル〕
UV−vis反射スペクトルはOceanOptics製のUSB−4000分光器、DH−2000ランプを使用した。[UV-vis reflection spectrum]
For the UV-vis reflection spectrum, a USB-4000 spectroscope and DH-2000 lamp manufactured by Ocean Optics were used.
〔X線回折法(XRD)〕
試料を測定試料用ホルダーにのせ、それを株式会社リガク製広角X線回折装置「Rint−ultma」にセットし、Cu/Kα線、40kV/30mA、スキャンスピード1.0°/分、走査範囲20〜40°の条件で行った。[X-ray diffraction method (XRD)]
Place the sample on the holder for the measurement sample, set it on the Rigaku wide-angle X-ray diffractometer “Rint-ultma”, Cu / Kα ray, 40 kV / 30 mA, scan speed 1.0 ° / min,
〔透過型電子顕微鏡による構造観察〕
透過型電子顕微鏡はJEOL製のTEM2200FSを使用し、電圧200keVの条件で行った。[Structural observation by transmission electron microscope]
The transmission electron microscope was a TEM2200FS manufactured by JEOL, and the measurement was performed under the condition of a voltage of 200 keV.
〔BET法による比表面積測定〕
比表面積測定はSHIMADZU製のTriStarを使用し、BET法を用いて行った。また、ポアサイズ分布はポア体積分率対ポアサイズのプロットから見積もった。[Specific surface area measurement by BET method]
The specific surface area was measured by using a TriStar made by SHIMADZU and using the BET method. The pore size distribution was estimated from a plot of pore volume fraction versus pore size.
〔蛍光X線スペクトルによる酸化チタン/酸化タングステン含有量測定〕
蛍光X線測定は株式会社リガク製のZSXを用いて、真空条件下で行った。[Titanium oxide / tungsten oxide content measurement by fluorescent X-ray spectrum]
X-ray fluorescence measurement was performed under vacuum conditions using ZSX manufactured by Rigaku Corporation.
〔光触媒活性評価〕
光触媒活性は気相反応での、アセトアルデヒドの酸化分解反応における二酸化炭素発生量の時間変化から評価した。アセトアルデヒドガスは擬似太陽光、ブラックライト照射下では500ppm、蛍光灯照射下では200ppmで行った。粉体状の光触媒では0.2g使用し、光触媒塗膜は10cm2の大きさのものを使用し、500mLのガラス製反応器に封入した状態で光照射を行った。光量は擬似太陽光(SOLAX SET−140F)約10,000lx、ブラックライト(Panasonic製 FL10BL−B)約1,000lx、蛍光灯(Panasonic製 FL−10D)は約6000lxで行った。LED照明は株式会社東芝製 E−CORE LEL−BR9N―F型を用いて、約20,000lx照射下で行った。なお、二酸化炭素発生量はINNOVA社の光音響マルチガスモニタ1312型をテトラヒドロフラン製のチューブで光反応器に連結して調査した。[Photocatalytic activity evaluation]
The photocatalytic activity was evaluated from the change over time in the amount of carbon dioxide generated in the oxidative decomposition reaction of acetaldehyde in a gas phase reaction. The acetaldehyde gas was used at simulated sunlight, 500 ppm under black light irradiation, and 200 ppm under fluorescent lamp irradiation. The powdered photocatalyst was used in an amount of 0.2 g, the photocatalyst coating having a size of 10 cm 2 was used, and light irradiation was performed in a state of being enclosed in a 500 mL glass reactor. The amount of light was about 10,000 lx for simulated sunlight (SOLAX SET-140F), about 1,000 lx for black light (FL10BL-B made by Panasonic), and about 6000 lx for fluorescent light (FL-10D made by Panasonic). LED lighting was performed under irradiation of about 20,000 lx using an E-CORE LEL-BR9N-F type manufactured by Toshiba Corporation. The amount of carbon dioxide generated was investigated by connecting a photoacoustic multi-gas monitor type 1312 manufactured by INNOVA to a photoreactor with a tetrahydrofuran tube.
塗膜表面の光触媒防汚機能性に関しては、一般的に光触媒塗膜防汚評価に良く使われるメチレンブルー色素(東京化成製)の脱色反応速度試験より評価した。使用したメチレンブルー試験液の濃度は30ppmで、一滴を光触媒塗膜上に滴下し自然乾燥後に蛍光灯照射下で評価を行った。蛍光灯の光量は約6,000lxで行った。 The photocatalyst antifouling functionality on the surface of the coating film was evaluated by a decolorization reaction rate test of a methylene blue dye (manufactured by Tokyo Kasei Co., Ltd.) that is commonly used for photocatalytic film antifouling evaluation. The concentration of the methylene blue test solution used was 30 ppm. One drop was dropped on the photocatalyst coating, and after natural drying, evaluation was performed under irradiation with a fluorescent lamp. The light quantity of the fluorescent lamp was about 6,000 lx.
光触媒塗膜の超親水性機能評価に関しては、塗膜形成後にブラックライト照射を12時間行い凸部光触媒活性サイトに付着した樹脂成分を除去した後、約2週間暗所で静置し、その後蛍光灯(光量約6,000lx)照射時間に伴う水接触角の低下を観察することにより行なった。 For the evaluation of the superhydrophilic function of the photocatalyst coating film, irradiation with black light was performed for 12 hours after the coating film was formed. This was done by observing a decrease in the water contact angle with the lamp (light quantity of about 6,000 lx) irradiation time.
合成例1[シリカナノ構造体(a2−1)及び(a2−2)の製造]
特許文献(特開2005−264421号公報、特開2005−336440号公報、特開2006−063097号公報、特開2007−051056号公報)に開示した方法により、シリカナノ構造体を製造した。Synthesis Example 1 [Production of Silica Nanostructures (a2-1) and (a2-2)]
Silica nanostructures were produced by the methods disclosed in patent documents (Japanese Patent Laid-Open Nos. 2005-264421, 2005-336440, 2006-063097, and 2007-051056).
<線状のポリエチレンイミン(P5K)の合成>
市販のポリエチルオキサゾリン(数平均分子量500,000、平均重合度5,000、Aldrich社製)5gを、5Mの塩酸水溶液20mLに溶解させた。その溶液をオイルバスにて90℃に加熱し、その温度で10時間攪拌した。反応液にアセトン50mLを加え、ポリマーを完全に沈殿させ、それを濾過し、メタノールで3回洗浄し、白色のポリエチレンイミンの粉末を得た。得られた粉末を1H−NMR(重水)にて同定したところ、ポリエチルオキサゾリンの側鎖エチル基に由来したピーク1.2ppm(CH3)と2.3ppm(CH2)が完全に消失していることが確認された。即ち、ポリエチルオキサゾリンが完全に加水分解され、ポリエチレンイミンに変換されたことが示された。<Synthesis of linear polyethyleneimine (P5K)>
5 g of commercially available polyethyloxazoline (number average molecular weight 500,000, average polymerization degree 5,000, manufactured by Aldrich) was dissolved in 20 mL of 5 M aqueous hydrochloric acid solution. The solution was heated to 90 ° C. in an oil bath and stirred at that temperature for 10 hours.
その粉末を5mLの蒸留水に溶解し、攪拌しながら、その溶液に15%のアンモニア水50mLを滴下した。その混合液を一晩放置した後、沈殿した粉末を濾過し、その粉末を冷水で3回洗浄した。洗浄後の粉末をデシケータ中で室温(25℃)乾燥し、線状のポリエチレンイミン(P5K)を得た。収量は4.5g(結晶水含有)であった。ポリオキサゾリンの加水分解により得られるポリエチレンイミンは、側鎖だけが反応し、主鎖には変化がない。従って、P5Kの重合度は加水分解前の5,000と同様である。 The powder was dissolved in 5 mL of distilled water, and 50 mL of 15% aqueous ammonia was added dropwise to the solution while stirring. The mixture was allowed to stand overnight, the precipitated powder was filtered, and the powder was washed 3 times with cold water. The washed powder was dried in a desiccator at room temperature (25 ° C.) to obtain linear polyethyleneimine (P5K). The yield was 4.5 g (containing crystallization water). In polyethyleneimine obtained by hydrolysis of polyoxazoline, only the side chain reacts and the main chain does not change. Therefore, the polymerization degree of P5K is the same as 5,000 before hydrolysis.
<シリカナノ構造体の合成>
一定量のP5Kを蒸留水中に混合し、それを90℃に加熱し透明溶液を得た後、全体が3%の水溶液に調製した。該水溶液を室温(25℃)まで自然冷却し、真っ白のP5Kの会合体の分散液を得た。攪拌しながら、その会合体分散液100mL中に、70mLのTMOS(テトラメトキシシラン)のエタノール溶液(体積濃度50%)を加え、室温で1時間攪拌続けた。析出した沈殿物をろ過し、それをエタノールで3回洗浄した後、40℃で加熱下乾燥することにより、粉体15gを得た。図1に得られた粉体のSEM写真を示す。粉体はナノファイバーを基本ユニットとし、これが束状になった構造であることを確認した。これをシリカナノ構造体(a2−1)とする。<Synthesis of silica nanostructure>
A certain amount of P5K was mixed in distilled water, heated to 90 ° C. to obtain a transparent solution, and then prepared as a 3% aqueous solution as a whole. The aqueous solution was naturally cooled to room temperature (25 ° C.) to obtain a pure white P5K aggregate dispersion. While stirring, 70 mL of an ethanol solution (
これで得たシリカナノ構造体(a2−1)の熱重量損失分析(SII Nano Technology Inc社製のTG/DTA6300)から、ポリマー含有量が7wt%であることを確認した。また、比表面積測定(Micrometrics社製 Flow Sorb II 2300)を行なった結果、112m2/gであった。From the thermogravimetric loss analysis (TG / DTA6300 made by SII Nano Technology Inc) of the silica nanostructure (a2-1) obtained in this way, it was confirmed that the polymer content was 7 wt%. In addition, the specific surface area was measured (Flow Sorb II 2300 manufactured by Micrometrics), and as a result, it was 112 m 2 / g.
<加熱焼成によるシリカナノ構造体(a2−2)の製造>
前記で得られたポリマーとシリカとの複合体であるシリカナノ構造体(a2−1)を600℃で1時間焼成することで、ポリマー成分を除去したシリカナノ構造体を得た。図2に焼成後のシリカナノ構造体のSEM写真を示す。得られたシリカナノ構造体は焼成処理においても形状の変化等は見られず、シリカで構成されたナノファイバーの会合体であることを確認した。また、比表面積測定を行った結果、315m2/gであった。上記で得られた粉末をシリカナノ構造体(a2−2)とする。<Manufacture of silica nanostructure (a2-2) by heating and firing>
The silica nanostructure (a2-1), which is a composite of the polymer and silica obtained above, was fired at 600 ° C. for 1 hour to obtain a silica nanostructure from which the polymer component had been removed. FIG. 2 shows an SEM photograph of the silica nanostructure after firing. The obtained silica nanostructure was found to be an aggregate of nanofibers composed of silica without any change in shape or the like even during the firing treatment. Moreover, it was 315 m < 2 > / g as a result of measuring a specific surface area. Let the powder obtained above be a silica nanostructure (a2-2).
合成例2[シリカナノ構造体(a2−3)及び(a2−4)の製造]
合成例1の<直鎖状ポリエチレンイミンの合成>の前段と同様にしてポリエチルオキサゾリンの加水分解を行い、直鎖状ポリエチレンイミンの塩酸塩を得た。この塩酸塩5gを90mLの蒸留水に溶解し、攪拌しながら、その溶液に1.4mol/Lのアンモニア水溶液29.5mLを混合した。その混合液を12時間攪拌後、再び1.4mol/Lのアンモニア水溶液12.5mLを10時間おき5回に分けて滴下し、その後1時間攪拌を行うことで、白色の沈殿物を得た。析出した沈殿物を遠心分離にて3回洗浄した。洗浄後、得られた粉末を120mLの蒸留水中に分散した。その分散液中に、15mLのメチルシリケート(MS51)を加え、室温下(20〜25℃)4時間攪拌した。反応液を遠心分離にて処理し、析出した固形物をエタノールで洗浄後、室温にて乾燥することにより、ポリエチレンイミンとシリカとからなる複合体を得た。収量:9.7g。図3には、得られた複合体のSEM写真を示した。ナノシートの構造を持つ集合体であることが確認できる。XRDから直鎖状ポリエチレンイミンの結晶体由来のピークが観測された。これをシリカナノ構造体(a2−3)とする。Synthesis Example 2 [Production of Silica Nanostructures (a2-3) and (a2-4)]
Polyethyloxazoline was hydrolyzed in the same manner as in the first stage of <Synthesis of linear polyethyleneimine> in Synthesis Example 1 to obtain a hydrochloride of linear polyethyleneimine. 5 g of this hydrochloride was dissolved in 90 mL of distilled water, and 29.5 mL of a 1.4 mol / L aqueous ammonia solution was mixed with the solution while stirring. The mixture was stirred for 12 hours, and then 12.5 mL of a 1.4 mol / L aqueous ammonia solution was added dropwise in 5 portions every 10 hours, followed by stirring for 1 hour to obtain a white precipitate. The deposited precipitate was washed three times by centrifugation. After washing, the obtained powder was dispersed in 120 mL of distilled water. 15 mL of methyl silicate (MS51) was added to the dispersion and stirred at room temperature (20-25 ° C.) for 4 hours. The reaction solution was treated by centrifugation, and the precipitated solid was washed with ethanol and dried at room temperature to obtain a composite composed of polyethyleneimine and silica. Yield: 9.7g. In FIG. 3, the SEM photograph of the obtained composite_body | complex was shown. It can be confirmed that the aggregate has a nanosheet structure. From XRD, a peak derived from a crystal of linear polyethyleneimine was observed. This is designated as silica nanostructure (a2-3).
<加熱焼成によるシリカナノ構造体(a2−4)の製造>
前記工程で得られたナノシート状のシリカナノ構造体(a2−3)0.5gをアルミナ坩堝に加え、それを電気炉内にて焼成した。炉内温度は、1時間かけて800℃まで上げ、その温度にて2時間保持した。これを自然冷却し、ポリマー成分を除去し、粉末を得た。これで得た粉末の比表面積は319.0m2/gであった。図4にはSEM観察のイメージ写真を示した。ナノシートが重なり、構造は800℃焼成後でも変化しなかった。このナノシートの集合体である粉末をシリカナノ構造体(a2−4)とする。<Manufacture of silica nanostructure (a2-4) by heating and firing>
0.5 g of the nanosheet-like silica nanostructure (a2-3) obtained in the above step was added to an alumina crucible and fired in an electric furnace. The furnace temperature was raised to 800 ° C. over 1 hour and held at that temperature for 2 hours. This was naturally cooled to remove the polymer component to obtain a powder. The specific surface area of the powder thus obtained was 319.0 m 2 / g. FIG. 4 shows an image photograph of SEM observation. The nanosheets overlapped and the structure did not change after baking at 800 ° C. Let the powder which is an aggregate | assembly of this nanosheet be a silica nanostructure (a2-4).
合成例3[シリカナノ構造体(a2−5)及び(a2−6)の製造]
<ポリエチレンイミン塩酸塩水溶液の調製、結晶化、複合ナノファイバーの合成>
合成例1の<直鎖状ポリエチレンイミンの合成>の前段と同様にしてポリエチルオキサゾリンの加水分解を行い、直鎖状ポリエチレンイミンの塩酸塩を得た。この塩酸塩5gを60mLの蒸留水に溶解し、攪拌しながら、その溶液に5mol/Lの水酸化ナトリウム溶液10mLを滴下した。この混合液のpHは9.0であった。その混合液を4時間攪拌後、析出した会合体を遠心分離にて3回洗浄した。洗浄後の粉末を500mLの蒸留水中に分散した。この時点での分散液のpH値は6.5であった。その分散液中に、5.5mLのメチルシリケート(MS51)を加え、室温下(20〜25℃)1時間攪拌した。反応液を遠心分離にて処理し、析出した固形物を水で洗浄後、室温にて乾燥し、ポリエチレンイミンとシリカとからなる複合体を得た。収量:10.8g。図5には、得られた複合体のSEM写真を示した。ファイバーが円盤状に集合した構造であることが確認できる。XRDから直鎖状ポリエチレンイミンの結晶体由来のピークが観測された。これをシリカナノ構造体(a2−5)とする。Synthesis Example 3 [Production of Silica Nanostructures (a2-5) and (a2-6)]
<Preparation of polyethylenimine hydrochloride aqueous solution, crystallization, synthesis of composite nanofiber>
Polyethyloxazoline was hydrolyzed in the same manner as in the first stage of <Synthesis of linear polyethyleneimine> in Synthesis Example 1 to obtain a hydrochloride of linear polyethyleneimine. 5 g of this hydrochloride was dissolved in 60 mL of distilled water, and 10 mL of a 5 mol / L sodium hydroxide solution was added dropwise to the solution while stirring. The pH of this mixed solution was 9.0. After stirring the mixed solution for 4 hours, the precipitated aggregate was washed three times by centrifugation. The washed powder was dispersed in 500 mL of distilled water. At this time, the pH value of the dispersion was 6.5. 5.5 mL of methyl silicate (MS51) was added to the dispersion and stirred at room temperature (20-25 ° C.) for 1 hour. The reaction solution was treated by centrifugation, and the precipitated solid was washed with water and then dried at room temperature to obtain a composite consisting of polyethyleneimine and silica. Yield: 10.8g. In FIG. 5, the SEM photograph of the obtained composite_body | complex was shown. It can be confirmed that the structure is a collection of fibers. From XRD, a peak derived from a crystal of linear polyethyleneimine was observed. This is designated as silica nanostructure (a2-5).
<ナノチューブ状のシリカナノ構造体(a2−6)の製造>
上記で得たシリカナノ構造体(a2−5)0.5gを10mLのメタノール中1時間浸漬後、ろ過し、固形分を室温にて乾燥させた。これにより、内部の直鎖状ポリエチレンイミンが溶解し、それを取り囲んでいたシリカの内表面に吸着され、ファイバーの芯が消失したナノチューブ状の複合体であるシリカナノ構造体(a2−6)が得られた。得られたシリカナノ構造体(a2−6)を表面分析測定に用いた。BET表面積は286m2/gであった。それの等温線及びポア分布を、それぞれ図6と図7に示した。ポアサイズ分布の結果から、ポアサイズの3.5nmのところに、シャープなピークが現れた。このピーク値はちょうどチューブ内径サイズを反映する。ポアサイズは2nmから増大し、4nm以下でピーク値を経て、低下する。これは、このファイバー状のシリカ中には、規則的中空構造、即ちチューブを形成していることを強く示唆する。また、TEM観察から、太さが12nm以下の真っすぐ伸びたファイバーが密に重なり、それがシートを形成し、かつ、ファイバーの中心部が透明に映ることが確認された(図8)。即ち、中心部は空洞で、その内径は3〜4nmである。熱分析から、重量損失は25.3wt%であった。<Production of nanotube-like silica nanostructure (a2-6)>
The silica nanostructure (a2-5) obtained above (0.5 g) was immersed in 10 mL of methanol for 1 hour, filtered, and the solid content was dried at room temperature. As a result, the silica nanostructure (a2-6), which is a nanotube-like composite in which the linear polyethyleneimine inside is dissolved and adsorbed on the inner surface of the silica surrounding it, and the fiber core disappears, is obtained. It was. The obtained silica nanostructure (a2-6) was used for surface analysis measurement. The BET surface area was 286 m 2 / g. Its isotherm and pore distribution are shown in FIGS. 6 and 7, respectively. As a result of the pore size distribution, a sharp peak appeared at a pore size of 3.5 nm. This peak value just reflects the tube inner size. The pore size increases from 2 nm, decreases after a peak value at 4 nm or less. This strongly suggests that a regular hollow structure, that is, a tube is formed in the fibrous silica. Further, from TEM observation, it was confirmed that straightly stretched fibers having a thickness of 12 nm or less overlap closely to form a sheet and that the center portion of the fiber appears transparent (FIG. 8). That is, the central part is a cavity and the inner diameter is 3 to 4 nm. From the thermal analysis, the weight loss was 25.3 wt%.
<シリカナノ構造体(a2−6)の焼成によるシリカナノ構造体(a2−7)の製造>
前記工程で得られたナノチューブ状の複合体であるシリカナノ構造体(a2−6)0.5gをアルミナ坩堝に加え、それを電気炉内にて焼成した。炉内温度は、1時間かけて800℃まで上げ、その温度にて2時間保持した。これを自然冷却し、ポリマー成分を除去し、粉末を得た。<Production of silica nanostructure (a2-7) by firing silica nanostructure (a2-6)>
0.5 g of the silica nanostructure (a2-6), which is a nanotube-like composite obtained in the above step, was added to an alumina crucible and fired in an electric furnace. The furnace temperature was raised to 800 ° C. over 1 hour and held at that temperature for 2 hours. This was naturally cooled to remove the polymer component to obtain a powder.
これで得た粉末の比表面積は418.5m2/gであった。この粉末の等温線及びポアサイズ分布は、それぞれ図9と図10に示した。ポアサイズは2nmから低下するが、3nm当たりから増大し、ピーク値後再び低下する。これはちょうどチューブ内径サイズを反映する。また、図11にはTEM観察のイメージ写真を示した。ナノファイバーの重なり構造は800℃焼成後でも変化しなかった。ポアサイズ分布での中空のサイズ(4.2nm)とTEM観察での内径(4nm)はほぼ一致した。このナノチューブ状の粉末をシリカナノ構造体(a2−7)とする。The specific surface area of the powder thus obtained was 418.5 m 2 / g. The isotherm and pore size distribution of this powder are shown in FIGS. 9 and 10, respectively. The pore size decreases from 2 nm, increases from around 3 nm, and decreases again after the peak value. This just reflects the tube bore size. FIG. 11 shows an image photograph of TEM observation. The nanofiber overlap structure did not change even after baking at 800 ° C. The hollow size (4.2 nm) in the pore size distribution almost coincided with the inner diameter (4 nm) in the TEM observation. This nanotube-shaped powder is referred to as silica nanostructure (a2-7).
〔酸化タングステンの粒子の製造〕
合成例4<直鎖状ポリエチレンイミンを用いた酸化タングステン(a3−1)の粒子の製造>
前記合成例1で得られた直鎖状ポリエチレンイミンの粉末0.43gを100mlの蒸留水に懸濁させ、80℃で1時間攪拌し溶解させた。ポリマーの溶解を確認した後、室温(20〜25℃)で30分静置冷却を行い、ナノファイバーを基本構造とするポリエチレンイミンの沈殿物を得た。得られた沈殿物の水分散液中にメタタングステン酸アンモニウム水溶液(日本無機化学工業株式会社製 NV.50%水溶液)6.0mlを加え、1時間攪拌した。遠心分離機を用いて蒸留水を除去し、さらに真空乾燥機を用いて12時間120℃で乾燥させた。乾燥した粉末を空気雰囲気下、電気炉を用いて室温から300℃まで30分加熱し、300℃/1時間保持後、さらに30分かけて600℃まで温度を上げ、その温度で30分保持した後、自然冷却した。これで得た粉末の表面を、SEMを用いて調査し、100nm以下の酸化タングステンの粒子であることを確認した(図12)。結晶構造を、XRDで調べたところ、高い結晶度を持つ酸化タングステンであることが確認できた(図13)。更に、UV−vis反射スペクトルを用いて吸光度スペクトルを測定し、約520nmまでの可視光領域に大きな吸収を持つことを確認した(図14)。また、BET法による比表面積測定では9.0m−2/gであった。これで得られた酸化タングステンの粒子を(a3−1)とする。[Production of tungsten oxide particles]
Synthesis Example 4 <Production of Tungsten Oxide (a3-1) Particles Using Linear Polyethyleneimine>
0.43 g of the linear polyethyleneimine powder obtained in Synthesis Example 1 was suspended in 100 ml of distilled water and dissolved by stirring at 80 ° C. for 1 hour. After confirming the dissolution of the polymer, the mixture was allowed to cool at room temperature (20 to 25 ° C.) for 30 minutes to obtain a polyethyleneimine precipitate having nanofibers as a basic structure. 6.0 ml of ammonium metatungstate aqueous solution (NV.50% aqueous solution manufactured by Nippon Inorganic Chemical Industry Co., Ltd.) was added to the aqueous dispersion of the obtained precipitate, and the mixture was stirred for 1 hour. Distilled water was removed using a centrifuge and further dried at 120 ° C. for 12 hours using a vacuum dryer. The dried powder was heated in an air atmosphere from room temperature to 300 ° C. using an electric furnace for 30 minutes, held at 300 ° C./1 hour, then raised to 600 ° C. over 30 minutes, and held at that temperature for 30 minutes. After that, it was naturally cooled. The surface of the powder thus obtained was examined using an SEM and confirmed to be tungsten oxide particles of 100 nm or less (FIG. 12). When the crystal structure was examined by XRD, it was confirmed to be tungsten oxide having a high crystallinity (FIG. 13). Furthermore, the absorbance spectrum was measured using the UV-vis reflection spectrum, and it was confirmed that the absorption spectrum had a large absorption in the visible light region up to about 520 nm (FIG. 14). Moreover, it was 9.0 m <-2 > / g in the specific surface area measurement by BET method. The tungsten oxide particles thus obtained are designated as (a3-1).
合成例5<乾燥法での酸化タングステン粒子の製造>
メタタングステン酸アンモニウム水溶液10mlを50mlナスフラスコ中でロータリーエバポレータを用いて蒸留水を除去し、得られた析出物を、真空乾燥機を用いて12時間120℃で乾燥させた。乾燥した粉末を空気雰囲気下、電気炉を用いて室温から300℃まで30分加熱し、300℃/1時間保持後、さらに30分かけて600℃まで温度を上げ、その温度で30分保持した後、自然冷却した。この焼成プログラムにより、酸化タングステンの粉末を得た。得られた粉末の表面を、SEM観察したところ、マイクロメートルオーダーのバルク体であることを確認した(図15)。また、BET法による比表面積測定では3.2m−2/gであった。これで得られた酸化タングステンの粒子を(α−1)とする。Synthesis Example 5 <Production of tungsten oxide particles by a drying method>
Distilled water was removed from a 10 ml ammonium metatungstate aqueous solution in a 50 ml eggplant flask using a rotary evaporator, and the resulting precipitate was dried at 120 ° C. for 12 hours using a vacuum dryer. The dried powder was heated in an air atmosphere from room temperature to 300 ° C. using an electric furnace for 30 minutes, held at 300 ° C./1 hour, then raised to 600 ° C. over 30 minutes, and held at that temperature for 30 minutes. After that, it was naturally cooled. By this firing program, tungsten oxide powder was obtained. When the surface of the obtained powder was observed by SEM, it was confirmed that it was a bulk body on the order of micrometers (FIG. 15). Moreover, it was 3.2 m <-2 > / g in the specific surface area measurement by BET method. The tungsten oxide particles thus obtained are defined as (α-1).
合成例6<ポリシロキサン骨格を有する樹脂(B−2)の合成>
特許文献(国際公開WO2010/067742)に開示した方法により、ポリシロキサン骨格を有する樹脂を合成した。Synthesis Example 6 <Synthesis of Resin (B-2) Having Polysiloxane Skeleton>
A resin having a polysiloxane skeleton was synthesized by a method disclosed in a patent document (International Publication WO2010 / 067672).
攪拌機、温度計、滴下ロート、冷却管及び窒素ガス導入口を備えた反応容器に、フェニルトリメトキシシラン(PTMS)191gを仕込んで、120℃まで昇温した。次いで、メチルメタクリレート(MMA)169g、3−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン(MPTS)11g、tert−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート(TBPEH)18gからなる混合物を、前記反応容器中へ4時間かけて滴下した。その後、同温度で16時間撹拌し、トリメトキシシリル基を有するビニル重合体を調製した。 Into a reaction vessel equipped with a stirrer, a thermometer, a dropping funnel, a condenser tube and a nitrogen gas inlet, 191 g of phenyltrimethoxysilane (PTMS) was charged and heated to 120 ° C. Subsequently, a mixture consisting of 169 g of methyl methacrylate (MMA), 11 g of 3-methacryloyloxypropyltrimethoxysilane (MPTS), and 18 g of tert-butylperoxy-2-ethylhexanoate (TBPEH) was added into the reaction vessel for 4 hours. It was dripped over. Thereafter, the mixture was stirred at the same temperature for 16 hours to prepare a vinyl polymer having a trimethoxysilyl group.
次いで、前記反応容器の温度を80℃に調整し、メチルトリメトキシシラン(MTMS)131g、3−アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン(APTS)226g、ジメチルジメトキシシラン(DMDMS)116gを、前記反応容器中へ添加した。その後、堺化学株式会社製の、iso−プロピルアシッドホスフェート6.3gと脱イオン水97gとの混合物を、5分間で滴下し、同温度で2時間撹拌することにより、加水分解縮合反応させ、反応生成物を得た。反応生成物を、1H−NMRで分析したところ、前記ビニル重合体が有するトリメトキシシリル基のほぼ100%が加水分解していた。その後、前記反応生成物を、10〜300mmHgの減圧下で、40〜60℃の条件で2時間蒸留することにより、生成したメタノール及び水を除去することで、不揮発分が99.4%であるポリシロキサンセグメントとビニル重合体セグメントとからなる樹脂(B−2)を600g得た。Next, the temperature of the reaction vessel is adjusted to 80 ° C., and 131 g of methyltrimethoxysilane (MTMS), 226 g of 3-acryloyloxypropyltrimethoxysilane (APTS), and 116 g of dimethyldimethoxysilane (DMDMS) are introduced into the reaction vessel. Added. Thereafter, a mixture of 6.3 g of iso-propyl acid phosphate and 97 g of deionized water made by Sakai Chemical Co., Ltd. was dropped in 5 minutes and stirred at the same temperature for 2 hours to cause a hydrolytic condensation reaction. The product was obtained. When the reaction product was analyzed by 1 H-NMR, almost 100% of the trimethoxysilyl group of the vinyl polymer was hydrolyzed. Thereafter, the reaction product is distilled under a reduced pressure of 10 to 300 mmHg for 2 hours under the condition of 40 to 60 ° C. to remove the generated methanol and water, so that the nonvolatile content is 99.4%. 600 g of a resin (B-2) composed of a polysiloxane segment and a vinyl polymer segment was obtained.
実施例1<シリカナノ構造体と酸化チタンとの複合型光触媒である粉体(A1−1)の合成>
上記で得た直鎖状ポリエチレンイミンを内部に含むシリカナノ構造体(a2−1)10.5gと酸化チタン(a1−1)の粉末0.45gを蒸留水30ml中に懸濁させ、超音波照射を1時間行った後、遠心分離器にて上澄み蒸留水を除去し、固形分を真空乾燥機にて120℃下で2時間乾燥した。乾燥した粉末を、空気雰囲気下、電気炉を用いて室温から300℃まで30分かけて昇温し、300℃で1時間保持後、さらに30分かけて600℃まで温度を上げ、その温度で30分保持した後、自然冷却した。この焼成プログラムにより、酸化チタン(a1−1)とシリカナノ構造体(a2−1)が複合された粉体(A1−1)を得た。図16に得られた粉体(A−1)のTEM写真を示す。酸化チタン(a1−1)のナノ粒子がシリカナノファイバー上に結合接合し、突起部分を形成していることが確認できた。Example 1 <Synthesis of Powder (A1-1) as Composite Photocatalyst of Silica Nanostructure and Titanium Oxide>
10.5 g of the silica nanostructure (a2-1) containing the linear polyethyleneimine obtained above and 0.45 g of titanium oxide (a1-1) powder are suspended in 30 ml of distilled water and subjected to ultrasonic irradiation. After performing for 1 hour, the supernatant distilled water was removed with a centrifugal separator, and the solid content was dried with a vacuum dryer at 120 ° C. for 2 hours. The dried powder was heated from room temperature to 300 ° C. over 30 minutes in an air atmosphere using an electric furnace, held at 300 ° C. for 1 hour, and then heated to 600 ° C. over 30 minutes. After holding for 30 minutes, it was naturally cooled. By this firing program, powder (A1-1) in which titanium oxide (a1-1) and silica nanostructure (a2-1) were combined was obtained. FIG. 16 shows a TEM photograph of the obtained powder (A-1). It was confirmed that the titanium oxide (a1-1) nanoparticles were bonded and bonded on the silica nanofibers to form a protruding portion.
実施例2<1液型塗料組成物の調製:媒体 水>
実施例1で得られた粉体(A1−1)1.5gを蒸留水30mL中に懸濁させ、ミキサー型分散機フィルミクス(PRIMIX製 40−40型)を用いて40m/sの回転速度で30秒間分散させた。粉体(A1−1)と水性のポリシロキサン骨格を有する樹脂(B−1)の固形分質量比(A1−1)/(B−1)が表1に記載の割合になるよう混合し、超音波照射を1時間行い、1液型塗料組成物を得た。Example 2 <Preparation of one-component coating composition: medium water>
1.5 g of the powder (A1-1) obtained in Example 1 was suspended in 30 mL of distilled water, and a rotational speed of 40 m / s was obtained using a mixer-type disperser film mix (PRIMIX model 40-40). For 30 seconds. The powder (A1-1) and the resin (B-1) having an aqueous polysiloxane skeleton are mixed so that the solid content mass ratio (A1-1) / (B-1) is a ratio shown in Table 1. Ultrasonic irradiation was performed for 1 hour to obtain a one-component coating composition.
実施例3<1液型塗料組成物の調製:媒体 イソプロパノール>
実施例2において、媒体をイソプロパノールとした以外は、実施例2と同様にして、表2に示す1液型塗料組成物を調製した。Example 3 <Preparation of one-component coating composition: medium isopropanol>
In Example 2, a one-component coating composition shown in Table 2 was prepared in the same manner as in Example 2 except that the medium was isopropanol.
比較例1<酸化チタンと水性樹脂との混合物の調整:媒体 水>
酸化チタン(a1−1)をそのまま用いる以外は、実施例2と同様にして蒸留水に分散させた後、酸化チタン(a1−1)と樹脂(B−1)との固形分質量比(a1−1)/(B−1)が表3に記載の割合になるよう混合し、超音波照射を1時間行い、比較用の水性塗料組成物を得た。Comparative Example 1 <Preparation of Mixture of Titanium Oxide and Aqueous Resin: Medium Water>
Except for using titanium oxide (a1-1) as it is, after being dispersed in distilled water in the same manner as in Example 2, the solid content mass ratio (a1) of titanium oxide (a1-1) and resin (B-1) -1) / (B-1) was mixed so as to have the ratio shown in Table 3, and ultrasonic irradiation was performed for 1 hour to obtain a comparative aqueous coating composition.
実施例4 <1液型塗料組成物のガラス基材上への塗布による光触媒塗膜の形成>
実施例2で得られたNo.T14の1液型塗料組成物を、アプリケーター(YOSHIMITU製)を用いて速度10、RDS16バーコータでガラス基材上に塗布した。作製した塗膜を室温(25℃)で1晩静置乾燥後、ブラックライトを5時間照射し、光触媒塗膜を得た。この光触媒塗膜のSEM観察イメージを図17に示した。シリカナノ構造体の形状由来の表面凹凸構造が膜全体に広がっているイメージが確認できる。表面層に現われるシリカナノファイバー表面には白く映る粒粒見える。この粒粒は頭出し状態の酸化チタン(a1−1)のナノ粒子である。Example 4 <Formation of a photocatalytic coating film by application of a one-component coating composition on a glass substrate>
No. 2 obtained in Example 2. A one-component coating composition of T14 was applied on a glass substrate using an applicator (manufactured by YOSHIMITU) at a speed of 10 and an RDS16 bar coater. The prepared coating film was left to stand overnight at room temperature (25 ° C.) and then irradiated with black light for 5 hours to obtain a photocatalyst coating film. The SEM observation image of this photocatalyst coating film was shown in FIG. The image that the surface uneven structure derived from the shape of the silica nanostructure spreads over the entire film can be confirmed. On the surface of the silica nanofiber appearing on the surface layer, particles appearing white are visible. These grains are nanoparticles of titanium oxide (a1-1) in a cueing state.
比較例2
比較として比較例1で得られた塗料組成物No.T34を用いて同様にしてバーコータで塗膜を作製し、室温で一晩静置乾燥した。この酸化チタンの粒子をそのまま用いた塗膜をSEMにて観察した結果、実施例4と異なり、複雑形状のようなものは一切確認することはできず平滑な塗膜を形成していた(図18)。酸化チタンの粒子はバインダー層に埋没した状態であることが確認できる。また、実施例4で得られた塗膜にはクラックが一切見られなかったが、比較例2の塗膜には明確なクラックが観察された。これらの相違から、実施例4の塗膜においては、粉体(A1−1)中のシリカナノ構造体が樹脂(B)中のポリシロキサンと強力に結合し、ネットワーク構造を形成して塗膜強度を向上させている事を示唆している。Comparative Example 2
For comparison, the coating composition No. obtained in Comparative Example 1 was used. A coating film was prepared with a bar coater in the same manner using T34, and allowed to stand and dry overnight at room temperature. As a result of observing the coating film using the titanium oxide particles as they were with an SEM, unlike Example 4, it was not possible to confirm any complex shape, and a smooth coating film was formed (Fig. 18). It can be confirmed that the titanium oxide particles are embedded in the binder layer. Further, no cracks were observed in the coating film obtained in Example 4, but clear cracks were observed in the coating film of Comparative Example 2. Because of these differences, in the coating film of Example 4, the silica nanostructure in the powder (A1-1) is strongly bonded to the polysiloxane in the resin (B) to form a network structure, and the coating film strength. It is suggested to improve.
<塗膜評価1:耐摩耗性試験1>
実施例4と比較例2で得られた塗膜の耐磨耗性の試験を行った。日本製紙クレシア株式会社の紙製ウエス(キムワイプ)を用いて手作業で10回研磨した結果を図19に示す。実施例4の塗膜は研磨を行っても剥離等の現象は一切見られなかったが、比較例2の塗膜では、明確な剥離現象が確認された。このことは、シリカナノ構造体がバインダー樹脂と強力に結合し、塗膜の物理強度を向上させていることを強く示唆する。<Evaluation of coating film 1:
The coating film obtained in Example 4 and Comparative Example 2 was tested for wear resistance. FIG. 19 shows the result of manual polishing using a paper waste (Kimwipe) manufactured by Nippon Paper Crecia Co., Ltd. 10 times. Even if the coating film of Example 4 was polished, no phenomenon such as peeling was observed, but in the coating film of Comparative Example 2, a clear peeling phenomenon was confirmed. This strongly suggests that the silica nanostructure is strongly bonded to the binder resin and improves the physical strength of the coating film.
<塗膜評価2:耐摩耗性試験2>
実施例4と比較例2で得られた塗膜の耐磨耗性の試験を行った。磨耗材質として、一般的に家庭等で使用される用途を想定し、スポンジ(ダスキン株式会社製台所用スポンジ抗菌タイプN、素材:エステル系ウレタンフォーム/ポリエステル不織布)の繰り返しこすり試験において性能を評価した。試験機はHEIDON社製 往復磨耗試験機 TYPE30Sを用い、10gの負荷をかけて5,000回研磨を行い、研磨前後の光触媒活性の変化を評価した。実施例4で得られた塗膜では、研磨前後の光触媒活性から、5,000回研磨を行っても塗膜表面には一切劣化が見られないことが確認できた(図20)。一方、比較例2で得られた塗膜では、10回のキムワイプ研磨で剥離した。このことは本願における塗膜が従来型の光触媒塗膜と比較して極めて頑強で実用的な塗膜であることを強く示唆する。<Coating evaluation 2:
The coating film obtained in Example 4 and Comparative Example 2 was tested for wear resistance. Assuming applications that are generally used at home as a wear material, performance was evaluated in repeated rubbing tests of sponges (Duskin's kitchen sponge antibacterial type N, material: ester-based urethane foam / polyester nonwoven fabric). . The tester used HEIDON reciprocating wear tester TYPE30S, and applied 5,000 times with a load of 10 g, and the change in photocatalytic activity before and after polishing was evaluated. In the coating film obtained in Example 4, it was confirmed from the photocatalytic activity before and after the polishing that no deterioration was observed on the surface of the coating film even after polishing 5,000 times (FIG. 20). On the other hand, the coating film obtained in Comparative Example 2 was peeled off by 10 Kimwipe polishing. This strongly suggests that the coating film in the present application is extremely robust and practical compared with the conventional photocatalyst coating film.
<塗膜評価3:ブラックライト照射下における光触媒活性>
実施例4と比較例2で得られた塗膜、及び樹脂(B−1)をそのまま実施例4と同様にしてガラス基材に塗布し乾燥して得られた塗膜の光触媒活性をブラックライト照射下において評価した(図21)。実施例4の塗膜中における酸化チタンの含有率は比較例2の塗膜と比較して少ない酸化チタン量であるにも関わらず、極めて高いアセトアルデヒド分解速度を示す。実施例4の塗膜中の実の酸化チタン量は比較例2の塗膜中に含まれる酸化チタンの35wt%であることから換算すると、酸化チタンの触媒活性が約6倍向上したことになる。<Evaluation of coating film 3: Photocatalytic activity under black light irradiation>
The photocatalytic activity of the coating film obtained by applying the coating film obtained in Example 4 and Comparative Example 2 and the resin (B-1) to a glass substrate as it was in Example 4 and drying it was determined to be black light. Evaluation was performed under irradiation (FIG. 21). Although the content rate of titanium oxide in the coating film of Example 4 is a small amount of titanium oxide as compared with the coating film of Comparative Example 2, the decomposition rate of acetaldehyde is extremely high. When converted from the fact that the actual amount of titanium oxide in the coating film of Example 4 is 35 wt% of the titanium oxide contained in the coating film of Comparative Example 2, the catalytic activity of titanium oxide was improved by about 6 times. .
<塗膜評価4:擬似太陽光照射下における光触媒活性>
実施例4と比較例2で得られた塗膜、及び水性樹脂(B−1)をそのまま実施例4と同様にしてガラス基材に塗布し乾燥して得られた塗膜の光触媒活性を擬似太陽光照射下において評価した(図22)。実施例4の塗膜はブラックライト照射下同様、擬似太陽光照射下においても高い触媒活性を示した。このことは、本発明の塗膜が実空間における外壁塗布に応用できることを示唆している。<Coating evaluation 4: Photocatalytic activity under simulated sunlight irradiation>
The coating film obtained in Example 4 and Comparative Example 2 and the aqueous resin (B-1) were applied to a glass substrate as it was in Example 4 and dried to simulate the photocatalytic activity of the coating film obtained. Evaluation was performed under sunlight irradiation (FIG. 22). The coating film of Example 4 showed high catalytic activity under simulated sunlight irradiation as well as under black light irradiation. This suggests that the coating film of the present invention can be applied to outer wall coating in real space.
<塗膜評価5:蛍光灯照射下における光触媒活性>
実施例4と比較例2で得られた塗膜、及び水性樹脂(B−1)をそのまま実施例4と同様にしてガラス基材に塗布し乾燥して得られた塗膜の光触媒活性を一般家庭において広く使用されている白色蛍光照射下において評価した(図23)。上記評価結果と同様、蛍光灯照射下においても実施例4の塗膜は極めて高い光触媒活性を発現している。このことは、本発明の塗膜が外壁用塗のみでなく、室内空間においても高い実用性を持っていることを強く示唆している。<Evaluation of coating film 5: Photocatalytic activity under fluorescent lamp irradiation>
The photocatalytic activity of the coating film obtained in Example 4 and Comparative Example 2 and the coating film obtained by applying the aqueous resin (B-1) to a glass substrate as it was in Example 4 and drying it was generally Evaluation was performed under white fluorescent irradiation widely used in the home (FIG. 23). Similar to the above evaluation results, the coating film of Example 4 exhibited extremely high photocatalytic activity even under fluorescent lamp irradiation. This strongly suggests that the coating film of the present invention has high utility not only in the coating for the outer wall but also in the indoor space.
<塗膜評価6:蛍光灯照射下における超親水性能>
実施例4で得られた塗膜の超親水性能力を蛍光灯照射下で評価した。室温乾燥後の塗膜にブラックライト照射を12時間行い、酸化チタン面を露出させた。この時点で接触角は5°以下の超親水性表面となっている。この塗膜を暗所に2週間静置させた後、再び接触角を測定したところ約28°であった。この接触角28°の状態の塗膜に蛍光灯照射を行った。照射時間の経過に伴い接触角の低下が確認できた(図24)。蛍光灯照射9時間で再び完全な超親水塗膜に戻った。この塗膜を再度暗所で8時間静置した後に接触角を測定したところ、超親水状態を保持したままであることを確認した。上記の結果は実施例4の塗膜が室内空間において極めて高い超親水性機能を発揮することを示しており、このことは、極めて高い実用性能(例えば風呂壁用、便器用等)を持っていることを強く示唆する。<Coating film evaluation 6: Super hydrophilic performance under fluorescent lamp irradiation>
The superhydrophilic ability of the coating film obtained in Example 4 was evaluated under fluorescent lamp irradiation. The coating film after drying at room temperature was irradiated with black light for 12 hours to expose the titanium oxide surface. At this point, the contact angle is a superhydrophilic surface of 5 ° or less. After leaving this coating film in a dark place for 2 weeks, the contact angle was measured again and found to be about 28 °. The coating film with a contact angle of 28 ° was irradiated with a fluorescent lamp. It was confirmed that the contact angle decreased with the lapse of the irradiation time (FIG. 24). It returned to a complete superhydrophilic coating film again after 9 hours of irradiation with a fluorescent lamp. When this coating film was allowed to stand again in the dark for 8 hours and the contact angle was measured, it was confirmed that the superhydrophilic state was maintained. The above results show that the coating film of Example 4 exhibits a very high superhydrophilic function in the indoor space, which has extremely high practical performance (for example, for bathroom walls, toilets, etc.). I strongly suggest that
<塗膜評価7:蛍光灯照射下におけるメチレンブルー色素を用いた防汚機能評価>
実施例4で得られた塗膜の防汚機能を一般的に光触媒防汚機能の評価試薬として使用されるメチレンブルー色素の脱色速度より評価した。まず、室温乾燥後の塗膜にブラックライト照射を12時間行い、酸化チタン面を露出させた。次にメチレンブルー水溶液を一滴滴下し、室温乾燥後、蛍光灯照射下で脱色速度の評価を行った。蛍光灯照射時間の経過に伴いメチレンブルー色素の脱色が進んでいく様子が確認できる(図25)。照射5時間でメチレンブルー色素の完全脱色が確認できた。これは、本発明の塗膜が蛍光灯照射下において有害ガス分解性能のみでなく、極めて高い光防汚機能を併せ持っていることを示しており、このことは、室内空間において高い実用性能を持っていることを強く示唆する。<Evaluation of antifouling function using methylene blue dye under fluorescent lamp irradiation>
The antifouling function of the coating film obtained in Example 4 was evaluated from the decolorization rate of a methylene blue dye generally used as a reagent for evaluating the photocatalytic antifouling function. First, the coating after drying at room temperature was irradiated with black light for 12 hours to expose the titanium oxide surface. Next, a drop of methylene blue aqueous solution was dropped, dried at room temperature, and evaluated for decolorization rate under fluorescent lamp irradiation. It can be confirmed that the decolorization of the methylene blue dye progresses as the fluorescent lamp irradiation time elapses (FIG. 25). Complete decolorization of the methylene blue dye was confirmed after 5 hours of irradiation. This indicates that the coating film of the present invention has not only a harmful gas decomposition performance under irradiation of a fluorescent lamp but also an extremely high anti-fouling function, and this has a high practical performance in an indoor space. I strongly suggest that
実施例5及び比較例3
組成物中の樹脂固形分の存在比率が高い、組成物No.T12を用いる以外は実施例4と同様にしてガラス基板上に塗膜を作製した(図26)。樹脂の存在比率が高いことにより、酸化チタン(a1−1)とシリカナノ構造体(a2−1)が複合された粉体(A1−1)が創った空間を樹脂が埋めていることが図17との比較より確認できる。ただし、塗膜の表面には凹凸があり、最表面には粉体(A1−1)の存在を確認することができる。比較として、比較例1で得られた組成物No.T32を用いて、同様に塗膜を作製した(図27)。樹脂の存在比率が高いことにより、クラックの発生は抑えられているものの、樹脂中に酸化チタン(a1−1)が埋没しており、触媒が塗膜表面に存在できていないことが確認できた。Example 5 and Comparative Example 3
Composition No. having a high resin solid content ratio in the composition. A coating film was produced on a glass substrate in the same manner as in Example 4 except that T12 was used (FIG. 26). FIG. 17 shows that the resin fills the space created by the powder (A1-1) in which the titanium oxide (a1-1) and the silica nanostructure (a2-1) are composited due to the high ratio of the resin. It can be confirmed by comparison with. However, the surface of the coating film has irregularities, and the presence of the powder (A1-1) can be confirmed on the outermost surface. For comparison, the composition No. obtained in Comparative Example 1 was used. A coating film was similarly produced using T32 (FIG. 27). Although the occurrence of cracks was suppressed due to the high presence ratio of the resin, it was confirmed that titanium oxide (a1-1) was buried in the resin and the catalyst could not be present on the coating film surface. .
<塗膜評価8:擬似太陽光照射下における光触媒活性>
実施例5と比較例3で得られた塗膜、及び水性樹脂(B−1)をそのまま実施例3と同様にしてガラス基材に塗布し乾燥して得られた塗膜の光触媒活性を擬似太陽光照射下において評価した(図28)。樹脂固形分比が増加した場合においても、実の酸化チタン単位量あたりに換算すると6倍以上の光触媒活性を示していることが確認できる。これは、酸化チタン(a1−1)をシリカナノ構造体(a2−1)中のシリカナノファイバーと複合化させたことによって、塗膜表面に酸化チタン(a1−1)を露出させることが可能となることを示すものである。<Coating evaluation 8: Photocatalytic activity under simulated sunlight irradiation>
The coating film obtained in Example 5 and Comparative Example 3 and the aqueous resin (B-1) were applied to a glass substrate in the same manner as in Example 3 and dried to simulate the photocatalytic activity of the coating film obtained. Evaluation was performed under sunlight irradiation (FIG. 28). Even when the resin solid content ratio is increased, it can be confirmed that the photocatalytic activity is 6 times or more when converted to the actual unit amount of titanium oxide. This is because titanium oxide (a1-1) can be exposed on the coating film surface by complexing titanium oxide (a1-1) with silica nanofibers in silica nanostructure (a2-1). It shows that.
実施例6<1液型塗料組成物のガラス基材上への塗布による光触媒塗膜の形成:媒体 イソプロパノール>
実施例3で得られた組成物No.T24を用いる以外は、実施例4と同様にしてガラス基材上に塗膜を作製した。作製した塗膜を室温で約1晩静置乾燥後、ブラックライト5時間照射し、光触媒塗膜を得た。この光触媒塗膜のSEM観察イメージを図29に示した。実施例4で得られた塗膜と同様に、その表面は凹凸であり、最表面に観測されるシリカナノファイバー表面上の頭出し状態の酸化チタン(a1−1)のナノ粒子を確認することができる。Example 6 <Formation of a photocatalytic coating film by application of a one-component coating composition on a glass substrate: medium isopropanol>
Composition No. obtained in Example 3 A coating film was produced on a glass substrate in the same manner as in Example 4 except that T24 was used. The produced coating film was allowed to stand at room temperature for about one night and dried, and then irradiated with black light for 5 hours to obtain a photocatalytic coating film. The SEM observation image of this photocatalyst coating film was shown in FIG. Similar to the coating film obtained in Example 4, the surface is uneven, and it is possible to confirm the cranulated titanium oxide (a1-1) nanoparticles on the silica nanofiber surface observed on the outermost surface. it can.
<塗膜評価9:擬似太陽光照射下における光触媒活性>
実施例6と比較例2で得られた塗膜、及び水性樹脂(B−1)をそのまま実施例4と同様にしてガラス基材に塗布し乾燥して得られた塗膜の光触媒活性を擬似太陽光照射下において評価した(図30)。分散溶媒を蒸留水からイソプロパノールに変更した場合においても、酸化チタンの単位量あたりの触媒活性が6倍以上であることを確認した。このことは、本発明の塗料組成物は、媒体にアルコール類を用いても、良好な光触媒塗膜が作製可能であることを示唆するものである。<Coating evaluation 9: Photocatalytic activity under simulated sunlight irradiation>
The coating film obtained in Example 6 and Comparative Example 2 and the aqueous resin (B-1) were applied to a glass substrate as it was in Example 4 and dried to simulate the photocatalytic activity of the coating film obtained. Evaluation was performed under sunlight irradiation (FIG. 30). Even when the dispersion solvent was changed from distilled water to isopropanol, it was confirmed that the catalytic activity per unit amount of titanium oxide was 6 times or more. This suggests that the coating composition of the present invention can produce a good photocatalytic coating film even when alcohols are used as a medium.
実施例7<タイル板上に作製した超親水性を有する光触媒塗膜>
実施例2で得られたNo.T14の塗料組成物を市販のはけを用いて、一般的に使用される陶磁器製のタイル上に塗布し、室温にて一晩乾燥硬化した。硬化後の塗膜に光を当てる前、水接触角を測ったところ、108.3°であった(図31:c1)。それを屋外の太陽光下1時間暴露後、再び水接触角を測ったところ、5°以下であった(図31:c2)。暴露前は光触媒活性サイトの表面が樹脂に覆われたため、疎水的成分によって表面が形成されていることから水接触角が高くなっていたと考えられる。太陽光下の暴露によって、光触媒活性サイトを覆っていた樹脂成分が分解され、その表面層は光触媒活性サイトの頭出し状態に変化し、凹凸を有する塗膜表面は完全に超親水性膜になった。塗膜をそのまま、屋外に三ヶ月間暴露したところ、塗膜表面損傷またはダメージはなく、水接触角が5°以下の超親水性を保ったままであった(図31:c3)。Example 7 <Photocatalytic coating film having super hydrophilicity produced on a tile plate>
No. 2 obtained in Example 2. The coating composition of T14 was applied onto a commonly used ceramic tile using a commercially available brush and dried and cured overnight at room temperature. Before applying light to the cured coating film, the water contact angle was measured and found to be 108.3 ° (FIG. 31: c1). It was 5 degrees or less when the water contact angle was measured again after exposing it under sunlight for 1 hour outdoors (FIG. 31: c2). Before exposure, the surface of the photocatalytically active site was covered with resin, and the surface was formed by a hydrophobic component, so the water contact angle is considered to be high. Exposure to sunlight breaks down the resin component that covered the photocatalytically active site, its surface layer changes to the cueing state of the photocatalytically active site, and the uneven coating surface becomes a completely superhydrophilic film. It was. When the coating film was exposed outdoors for three months, there was no damage or damage to the coating film surface, and the superhydrophilicity with a water contact angle of 5 ° or less remained (FIG. 31: c3).
実施例8<様々な基材上に形成された光触媒塗膜及び光触媒活性>
実施例2で得られたNo.T14の塗料組成物を用いてガラス基材以外の様々な基材上に塗膜を作製し、光触媒活性評価を行った。用いた基材は木材(ヒノキ)、塩化ビニル板、ポリエチレンテレフタレートフィルム(PET)、アクリル板、ポリカーボネート板(PC)、ポリスチレン板(PS)、ステンレス板、アルミ板、内壁用タイル、屋外用タイル、風呂用タイル、天然石、布(綿)である。なお、塩化ビニル板、ポリエチレンテレフタレートフィルム、アクリル板、ポリカーボネート板、ポリスチレン板、ステンレス板、アルミ板に関しては、塗布前に数秒間プラズマ処理(春日電機株式会社製 プラズマシャワー PS−601S)を行い、表面を親水状態に処理した。それぞれの基板にNo.T14の塗料組成物を塗布後、ブラックライト照射を12時間行い、酸化チタン面を露出させた。ブラックライト照射後の各光触媒塗膜は全ての基材で5°以下の超親水性機能を示した(表4〜5参照)。擬似太陽光照射下におけるアセトアルデヒドガスの光分解反応においても、ガラス基材上の塗膜と同様、極めて高い光触媒活性を示した(図32)。このことは、本発明の1液型塗料組成物を用いることで、種々の基材上に簡便に光触媒塗膜を形成することが可能であることを示し、現実空間において極めて高い実用性能を持っていることを強く示唆する。Example 8 <Photocatalytic coating film and photocatalytic activity formed on various substrates>
No. 2 obtained in Example 2. A coating film was prepared on various substrates other than the glass substrate using the coating composition of T14, and the photocatalytic activity was evaluated. The base materials used are wood (cypress), vinyl chloride plate, polyethylene terephthalate film (PET), acrylic plate, polycarbonate plate (PC), polystyrene plate (PS), stainless steel plate, aluminum plate, inner wall tile, outdoor tile, It is a tile for bath, natural stone, and cloth (cotton). In addition, about a vinyl chloride board, a polyethylene terephthalate film, an acrylic board, a polycarbonate board, a polystyrene board, a stainless steel board, and an aluminum board, plasma processing (Kasuga Denki Co., Ltd. plasma shower PS-601S) is performed for several seconds before application | coating, and the surface Was processed to a hydrophilic state. No. on each substrate. After the coating composition of T14 was applied, black light irradiation was performed for 12 hours to expose the titanium oxide surface. Each photocatalytic coating film after irradiation with black light exhibited a superhydrophilic function of 5 ° or less on all the substrates (see Tables 4 to 5). Also in the photodecomposition reaction of acetaldehyde gas under simulated sunlight irradiation, the photocatalytic activity was extremely high as in the coating film on the glass substrate (FIG. 32). This indicates that by using the one-component coating composition of the present invention, it is possible to easily form a photocatalytic coating on various substrates, and has extremely high practical performance in real space. I strongly suggest that
実施例9<3ヶ月室温静置後の組成物を用いた塗膜の製造>
実施例2で得られた組成物No.T14を25℃〜30℃の室温下で3ヶ月間静置した。3ヶ月静置後の組成物は固形分が沈降していたが、手動で攪拌することにより再分散することが可能であった。再分散した後の組成物を用いて、実施例4と同様にしてガラス基板上に塗膜を作製した。室温での乾燥を1日行った後、ブラックライト照射を12時間行い接触角が0.0であることを確認し、酸化チタン(a1−1)のナノ粒子を露出させることが可能であることを確認した。Example 9 <Production of coating film using composition after standing at room temperature for 3 months>
Composition No. obtained in Example 2 T14 was allowed to stand at room temperature of 25 ° C to 30 ° C for 3 months. The composition after standing for 3 months had a solid content, but could be redispersed by manual stirring. Using the composition after redispersion, a coating film was produced on a glass substrate in the same manner as in Example 4. After drying at room temperature for 1 day, it is possible to expose the nanoparticles of titanium oxide (a1-1) by irradiating with black light for 12 hours and confirming that the contact angle is 0.0. It was confirmed.
<塗膜評価10:擬似太陽光照射下における光触媒活性>
実施例4と実施例9で得られた塗膜の光触媒活性を擬似太陽光照射下において評価した(図33)。調整後の1液型塗料組成物を室温で3ヶ月静置した後でも、得られる塗膜の光触媒活性が良好であり、調整後すぐ塗布したものと比較しても遜色のない光触媒塗膜であることを確認した。<Coating evaluation 10: Photocatalytic activity under simulated sunlight irradiation>
The photocatalytic activity of the coating films obtained in Example 4 and Example 9 was evaluated under simulated sunlight irradiation (FIG. 33). Even after the adjusted one-component coating composition is allowed to stand at room temperature for 3 months, the photocatalytic activity of the resulting coating film is good, and it is a photocatalytic coating film that is comparable to that applied immediately after adjustment. I confirmed that there was.
実施例10<酸化タングステン(a3−1)のシリカナノ構造体(a2−2)への固定>
合成例1で得られたシリカナノ構造体(a2−2)と合成例4で得られた酸化タングステン(a3−1)とをそれらの使用割合が表6に記載の値になるように用い、この混合物の合計1.5gを蒸留水30mlに懸濁させ、1時間超音波照射を行った後、1晩静置した。遠心分離機を用いて蒸留水を除去し、真空乾燥機を用いて更に乾燥した。得られた粉末を空気雰囲気下、電気炉を用いて室温から300℃まで30分加熱し、300℃/1時間保持後、さらに30分かけて400℃まで温度を上げ、その温度で30分保持した後、自然冷却した。この焼成プログラムにより、酸化タングステン(a3−1)の粒子をシリカナノ構造体(a2−2)上に焼き付けて固定をしたことになる。得られた粉末における酸化タングステンの含有率を表6に示す。Example 10 <Immobilization of Tungsten Oxide (a3-1) to Silica Nanostructure (a2-2)>
The silica nanostructure (a2-2) obtained in Synthesis Example 1 and the tungsten oxide (a3-1) obtained in Synthesis Example 4 were used so that their use ratios were values shown in Table 6. A total of 1.5 g of the mixture was suspended in 30 ml of distilled water, subjected to ultrasonic irradiation for 1 hour, and then allowed to stand overnight. Distilled water was removed using a centrifuge and further dried using a vacuum dryer. The obtained powder was heated from room temperature to 300 ° C. for 30 minutes in an air atmosphere using an electric furnace, held at 300 ° C./1 hour, then raised to 400 ° C. over 30 minutes, and held at that temperature for 30 minutes. And then cooled naturally. With this firing program, the particles of tungsten oxide (a3-1) were baked and fixed on the silica nanostructure (a2-2). Table 6 shows the content of tungsten oxide in the obtained powder.
TEMを用いて試料No.T43の表面観察を行った結果、酸化タングステンの粒子がシリカのナノファイバー上に固定されていることが確認できた(図34)。 Using TEM, sample no. As a result of T43 surface observation, it was confirmed that the tungsten oxide particles were fixed on the silica nanofibers (FIG. 34).
実施例11<酸化タングステン(a3−1)のシリカナノ構造体(a2−4)への固定>
用いるシリカナノ構造体として、合成例1で得られた構造体(a2−2)の代わりに、合成例2で得られたシリカナノ構造体(a2−4)を用いる以外は実施例10と同様にして、酸化タングステン(a3−1)のシリカナノ構造体への焼付けによる固定を行なった。酸化タングステン(a3−1)とシリカナノ構造体(a2−4)との使用割合、及び得られた固体中における酸化タングステン含有率を表7に示す。Example 11 <Immobilization of Tungsten Oxide (a3-1) to Silica Nanostructure (a2-4)>
As the silica nanostructure to be used, the silica nanostructure (a2-4) obtained in Synthesis Example 2 was used instead of the structure (a2-2) obtained in Synthesis Example 1 in the same manner as in Example 10. The tungsten oxide (a3-1) was fixed to the silica nanostructure by baking. Table 7 shows the proportions of tungsten oxide (a3-1) and silica nanostructure (a2-4) used, and the tungsten oxide content in the obtained solid.
TEMを用いて試料No.T53の表面観察を行った結果、酸化タングステンの粒子がシリカのナノシート上に固定されていることが確認できた(図35)。 Using TEM, sample no. As a result of surface observation of T53, it was confirmed that the tungsten oxide particles were fixed on the silica nanosheet (FIG. 35).
実施例12<酸化タングステン(a3−1)のシリカナノ構造体(a2−7)への固定>
用いるシリカナノ構造体として、合成例1で得られた構造体(a2−2)の代わりに、合成例3で得られたシリカナノ構造体(a2−7)を用いる以外は実施例10と同様にして、酸化タングステン(a3−1)のシリカナノ構造体への焼付けによる固定を行なった。酸化タングステン(a3−1)とシリカナノ構造体(a2−7)との使用割合、及び得られた固体中における酸化タングステン含有率を表8に示す。Example 12 <Immobilization of Tungsten Oxide (a3-1) to Silica Nanostructure (a2-7)>
The silica nanostructure used is the same as in Example 10 except that the silica nanostructure (a2-7) obtained in Synthesis Example 3 is used instead of the structure (a2-2) obtained in Synthesis Example 1. The tungsten oxide (a3-1) was fixed to the silica nanostructure by baking. Table 8 shows the use ratio of tungsten oxide (a3-1) and silica nanostructure (a2-7), and the tungsten oxide content in the obtained solid.
TEMを用いて試料No.T63の表面観察を行った結果、酸化タングステンの粒子がシリカのナノチューブ上に固定されていることが確認できた(図36)。 Using TEM, sample no. As a result of the surface observation of T63, it was confirmed that the tungsten oxide particles were fixed on the silica nanotubes (FIG. 36).
実施例13<酸化タングステン(a3−1)のシリカナノ構造体(a2−1)への吸着と焼成による固定>
合成例1で得られた構造体(a2−2)の代わりに、合成例1で得られたポリマーとシリカとの複合体であるシリカナノ構造体(a2−1)を用いる以外は実施例10と同様にして、酸化タングステン(a3−1)のシリカナノ構造体への吸着と焼付けによる固定(同時にポリマーの除去)を行った。酸化タングステン(a3−1)とポリマーとシリカとの複合体であるシリカナノ構造体(a2−1)との使用割合、及び得られた固体中における酸化タングステン含有率を表9に示す。Example 13 <Adsorption of Tungsten Oxide (a3-1) to Silica Nanostructure (a2-1) and Immobilization by Firing>
Instead of the structure (a2-2) obtained in Synthesis Example 1, Example 10 is used except that the silica nanostructure (a2-1), which is a composite of the polymer obtained in Synthesis Example 1 and silica, is used. Similarly, tungsten oxide (a3-1) was adsorbed onto the silica nanostructure and fixed by baking (simultaneous removal of the polymer). Table 9 shows the proportion of tungsten oxide (a3-1), silica nanostructure (a2-1), which is a composite of polymer and silica, and the content of tungsten oxide in the obtained solid.
TEMを用いて試料No.T73の表面観察を行った結果、酸化タングステンの粒子がシリカのナノファイバー上に固定されていることが確認できた(図37)。 Using TEM, sample no. As a result of surface observation of T73, it was confirmed that the tungsten oxide particles were fixed on the silica nanofibers (FIG. 37).
実施例14<タングステン酸塩を用いる、シリカナノ構造体(a2−7)への固定>
合成例3で得られたシリカナノ構造体(a2−7)0.2gを秤量した。またメタタングステン酸アンモニウム水溶液を蒸留水を用いて5%に調整した。調整後の5%水溶液を(a3’−1)と称する。これらを、質量比で表10中記載の割合になるよう混合し、更に蒸留水を加えて全体の体積を10mlに調製した。これを1時間攪拌し、得られた懸濁液から蒸留水を除去し、更に真空乾燥器を用いて12時間120℃で乾燥した。乾燥した粉末を空気雰囲気下、電気炉を用いて室温から300℃まで30分加熱し、300℃/1時間保持後、さらに30分かけて600℃まで温度を上げ、その温度で30分保持した後、自然冷却した。この焼成プログラムにより、酸化タングステンの粒子がシリカナノ構造体(a2−7)上に焼き付けて固定をしたことになる。得られた固体における酸化タングステンの含有率を表10に示す。Example 14 <Immobilization to Silica Nanostructure (a2-7) Using Tungstate>
0.2 g of the silica nanostructure (a2-7) obtained in Synthesis Example 3 was weighed. Moreover, the ammonium metatungstate aqueous solution was adjusted to 5% using distilled water. The adjusted 5% aqueous solution is referred to as (a3′-1). These were mixed so as to have a mass ratio described in Table 10, and distilled water was further added to adjust the total volume to 10 ml. This was stirred for 1 hour, distilled water was removed from the resulting suspension, and further dried at 120 ° C. for 12 hours using a vacuum dryer. The dried powder was heated in an air atmosphere from room temperature to 300 ° C. using an electric furnace for 30 minutes, held at 300 ° C./1 hour, then raised to 600 ° C. over 30 minutes, and held at that temperature for 30 minutes. After that, it was naturally cooled. By this firing program, the tungsten oxide particles were baked and fixed on the silica nanostructure (a2-7). Table 10 shows the content of tungsten oxide in the obtained solid.
TEMを用いて試料No.T83の表面観察を行い、酸化タングステンの粒子がナノサイズでシリカナノチューブ中に固定されていることを確認した(図38)。また、X線回折測定を用いて試料No.T83の結晶構造を調査し、酸化タングステンの結晶構造であることを確認した(図39)。また、拡散反射スペクトルを用いて試料No.T83の吸光度スペクトルを測定し、約520nmまでの可視光領域に酸化タングステン由来の吸収領域を持つことを確認した(図40)。 Using TEM, sample no. Surface observation of T83 was performed, and it was confirmed that the tungsten oxide particles were fixed in the silica nanotubes in nano size (FIG. 38). In addition, the sample No. was measured using X-ray diffraction measurement. The crystal structure of T83 was examined and confirmed to be a tungsten oxide crystal structure (FIG. 39). In addition, the sample no. The absorbance spectrum of T83 was measured and confirmed to have an absorption region derived from tungsten oxide in the visible light region up to about 520 nm (FIG. 40).
実施例15<直鎖状ポリエチレンイミンを用いた、酸化タングステンナノ粒子のシリカナノ構造体(a2−7)への固定>
合成例3で得られたシリカナノ構造体(a2−7)0.7gを蒸留水10mL中に分散させた後、合成例1で得られた直鎖状ポリエチレンイミン(PEI)の粉末を加え、80℃で1時間攪拌してポリマーを溶解させた。その後、室温で30分静置冷却を行った。ここにシリカナノ構造体(a2−7)と、焼成後の酸化タングステンとの質量比が70/30になるようにメタタングステン酸アンモニウム水溶液0.6mLを加え、室温下で1時間攪拌した。上澄みの蒸留水を遠心分離器で除去した後、真空乾燥器を用いて12時間120℃で乾燥して粉末を得た。尚、PEIの使用量は、メタタングステン酸アンモニウムに対し、エチレンイミンユニットとのモル比で表11中記載の割合になるように秤量して用いた。Example 15 <Immobilization of Tungsten Oxide Nanoparticles to Silica Nanostructure (a2-7) Using Linear Polyethyleneimine>
After 0.7 g of the silica nanostructure (a2-7) obtained in Synthesis Example 3 was dispersed in 10 mL of distilled water, linear polyethyleneimine (PEI) powder obtained in Synthesis Example 1 was added, and 80 The polymer was dissolved by stirring at 0 ° C. for 1 hour. Then, standing cooling was performed for 30 minutes at room temperature. To this, 0.6 mL of an aqueous ammonium metatungstate solution was added so that the mass ratio of the silica nanostructure (a2-7) to the baked tungsten oxide was 70/30, and the mixture was stirred at room temperature for 1 hour. The supernatant distilled water was removed with a centrifuge, and then dried at 120 ° C. for 12 hours using a vacuum dryer to obtain a powder. In addition, the usage-amount of PEI measured and used so that it might become the ratio of Table 11 by molar ratio with an ethyleneimine unit with respect to ammonium metatungstate.
得られた粉末を空気雰囲気下、電気炉を用いて室温から300℃まで30分加熱し、300℃/1時間保持後、さらに30分かけて600℃まで温度を上げ、その温度で30分保持した後、自然冷却した。この焼成プログラムにより、直鎖状ポリエチレンイミンが除去されると共に、酸化タングステンの粒子がシリカナノ構造体(a2−7)上に焼付け固定されたことになる。この結果を表11に示す。 The obtained powder was heated from room temperature to 300 ° C. in an air atmosphere for 30 minutes using an electric furnace, held at 300 ° C./1 hour, then raised to 600 ° C. over 30 minutes, and held at that temperature for 30 minutes. And then cooled naturally. With this firing program, the linear polyethyleneimine is removed, and the tungsten oxide particles are baked and fixed on the silica nanostructure (a2-7). The results are shown in Table 11.
TEMを用いて試料No.T93の表面観察を行い、酸化タングステンの粒子がナノサイズでシリカナノチューブ上に固定されていることを確認した(図41)。また、X線回折測定を用いて試料No.T93の結晶構造を調査し、酸化タングステンの結晶構造であることを確認した(図42)。また、拡散反射スペクトルを用いて試料No.T93の吸光度スペクトルを測定し、約520nmまでの可視光領域に酸化タングステン由来の吸収領域を持つことを確認した(図43)。 Using TEM, sample no. Surface observation of T93 was performed, and it was confirmed that the tungsten oxide particles were fixed on the silica nanotube in a nano size (FIG. 41). In addition, the sample No. The crystal structure of T93 was investigated and confirmed to be a tungsten oxide crystal structure (FIG. 42). In addition, the sample no. The absorbance spectrum of T93 was measured and confirmed to have an absorption region derived from tungsten oxide in the visible light region up to about 520 nm (FIG. 43).
実施例16<ポリマーとシリカの複合体であるシリカナノ構造体(a2−6)を用いた、酸化タングステンナノ粒子の固定>
合成例3で得られたポリマーとシリカの複合体であるナノチューブ状のシリカナノ構造体(a2−6)0.2gを蒸留水10mL中に分散させた後、5%に調整したメタタングステン酸アンモニウム水溶液(a3’−1)を質量比で表12記載の割合になるよう秤量し、混合後、室温下で1時間攪拌した。得られた懸濁液の上澄みを、遠心分離器を用いて除去し、蒸留水で洗浄する作業を3回繰り返した。得られた沈殿物を、真空乾燥器を用いて12時間120℃で乾燥し、粉末を得た。得られた粉末を空気雰囲気下、電気炉を用いて室温から300℃まで30分加熱し、300℃/1時間保持後、さらに30分かけて600℃まで温度を上げ、その温度で30分保持した後、自然冷却した。この焼成プログラムにより、シリカナノ構造体(a2−6)中のポリマー成分が消失し、酸化タングステンナノ粒子がシリカナノ構造体(a2−7)上に焼付け固定されたことになる。この結果を表12に示した。Example 16 <Immobilization of Tungsten Oxide Nanoparticles Using Silica Nanostructure (a2-6) which is a Composite of Polymer and Silica>
An aqueous solution of ammonium metatungstate adjusted to 5% after 0.2 g of nanotube-like silica nanostructure (a2-6), which is a composite of the polymer and silica obtained in Synthesis Example 3, was dispersed in 10 mL of distilled water. (A3′-1) was weighed so as to have the mass ratio shown in Table 12, and after mixing, stirred at room temperature for 1 hour. The supernatant of the obtained suspension was removed using a centrifuge and the operation of washing with distilled water was repeated three times. The obtained precipitate was dried at 120 ° C. for 12 hours using a vacuum dryer to obtain a powder. The obtained powder was heated from room temperature to 300 ° C. in an air atmosphere for 30 minutes using an electric furnace, held at 300 ° C./1 hour, then raised to 600 ° C. over 30 minutes, and held at that temperature for 30 minutes. And then cooled naturally. By this firing program, the polymer component in the silica nanostructure (a2-6) disappears, and the tungsten oxide nanoparticles are baked and fixed on the silica nanostructure (a2-7). The results are shown in Table 12.
TEMを用いて試料No.T103の表面観察を行い、酸化タングステンの粒子がナノサイズでシリカナノチューブ上に固定されていることを確認した(図44)。また、X線回折測定を用いて試料No.T103の結晶構造を調査し、酸化タングステンの結晶構造であることを確認した(図45)。また、拡散反射スペクトルを用いて試料No.T73の吸光度スペクトルを測定し、約520nmまでの可視光領域に酸化タングステン由来の吸収領域を持つことを確認した(図46)。 Using TEM, sample no. The surface of T103 was observed, and it was confirmed that the tungsten oxide particles were fixed on the silica nanotubes in nano size (FIG. 44). In addition, the sample No. The crystal structure of T103 was investigated and confirmed to be a tungsten oxide crystal structure (FIG. 45). In addition, the sample no. The absorbance spectrum of T73 was measured and confirmed to have an absorption region derived from tungsten oxide in the visible light region up to about 520 nm (FIG. 46).
比較例3<シリカゲルへの酸化タングステン(a3−1)の固定>
シリカ材料として、市販のシリカゲル(メルク:シリカゲル60、以下B’と称する)を使用する以外は実施例10と同様の手法で酸化タングステン(a3−1)を焼き付けた。結果を表13に示す。Comparative Example 3 <Fixation of tungsten oxide (a3-1) to silica gel>
Tungsten oxide (a3-1) was baked in the same manner as in Example 10 except that commercially available silica gel (Merck:
比較例4<銅二価塩担持三酸化タングステン可視光応答型光触媒>
LED照射下での光触媒活性を評価するために、比較例として銅二価塩担持三酸化タングステン可視光応答型光触媒の調製を行った(特開2009−226299号のトレース実験)。Comparative Example 4 <Copper Divalent Salt Supported Tungsten Trioxide Visible Light Responsive Photocatalyst>
In order to evaluate the photocatalytic activity under LED irradiation, a copper divalent salt-supported tungsten trioxide visible light responsive photocatalyst was prepared as a comparative example (Trace experiment of JP 2009-226299 A).
酸化タングステン粉末(平均粒径250nm、株式会社高純度化学研究所)をフィルターに通して粒径1μm以上の粒子を除去し、650℃で3時間焼成する前処理を行うことによって、三酸化タングステンを得た。そしてこの三酸化タングステン微粒子を蒸留水中に10質量%になるように懸濁させ、次にこれに、0.1質量%(Cu(II)vs.WO3)の量でCuCl2・2H2O(和光純薬工業株式会社製)を加え、攪拌しながら90℃に加熱して1時間保持した。次に、得られた懸濁液を吸引濾過によって濾別した後に、残渣を蒸留水によって洗浄し、さらに110℃で加熱乾燥することによって、銅二価塩を担持した三酸化タングステン微粒子を比較用サンプルとして得た。Tungsten oxide powder (
評価1
<酸化タングステン(a3−1)の光触媒活性評価>
合成例4で得た直鎖状ポリエチレンイミンを用いて作製した酸化タングステンのナノ粒子(a3−1)と、合成例5で得た酸化タングステンの粒子(α−1)とを用いて、アセトアルデヒドの酸化分解実験を行い、光触媒としての触媒活性の評価を行なった。結果を図47に示す。酸化タングステンの粒子(α−1)は酸化タングステンのナノ粒子(a3−1)と比較すると、3分の1程度の触媒活性しか示さない。これは、直鎖状ポリエチレンイミンを用いて酸化タングステンの粒子を製造することで、高い比表面積を持つナノサイズの粒子が形成されているためと推定される。
<Evaluation of photocatalytic activity of tungsten oxide (a3-1)>
Using the tungsten oxide nanoparticles (a3-1) prepared using the linear polyethyleneimine obtained in Synthesis Example 4 and the tungsten oxide particles (α-1) obtained in Synthesis Example 5, An oxidative decomposition experiment was conducted to evaluate the catalytic activity as a photocatalyst. The results are shown in FIG. The tungsten oxide particles (α-1) show only about one third of the catalytic activity as compared with the tungsten oxide nanoparticles (a3-1). This is presumably because nanosized particles having a high specific surface area are formed by producing tungsten oxide particles using linear polyethyleneimine.
評価2
<酸化タングステンの粒子を固定したシリカナノ構造体の光触媒活性評価1>
実施例10の試料No.T43、実施例11の試料No.T53、実施例12の試料No.T63を用いて光触媒活性評価を行なった。比較として、比較例3の試料No.T113及び比較例4で得られた銅二価塩担持三酸化タングステンを用いた。結果を図48に示す。ここでのLEDランプの光量は20000lxに設定した。本発明の全ての試料において、極めて高いアセトアルデヒド光分解活性が確認された。特にシリカナノチューブに焼付け固定を行った試料No.T63の触媒活性が高く、光照射20分後にはアセトアルデヒドの分解反応がほぼ終了する傾向であった。試料No.T63は、特に初期活性に優れており、単位時間光照射10分における二酸化炭素ガス発生量は比較例4の触媒の約40倍であった。No.T63は酸化タングステンの構成量が約35%であり、効率良く触媒が機能していることが確認できる。比較例3で得られた試料No.T113においても、比較例4の触媒を若干上回る触媒活性を発揮したものの、本発明の光触媒と比較すると低い活性であった。
<
Sample No. of Example 10 T43, sample No. T53, sample no. The photocatalytic activity was evaluated using T63. As a comparison, sample No. The copper divalent salt-supported tungsten trioxide obtained in T113 and Comparative Example 4 was used. The results are shown in FIG. The light quantity of the LED lamp here was set to 20000 lx. In all samples of the present invention, extremely high acetaldehyde photolytic activity was confirmed. In particular, Sample No. No. 5 was baked and fixed on silica nanotubes. The catalytic activity of T63 was high, and the decomposition reaction of acetaldehyde tended to be almost completed after 20 minutes of light irradiation. Sample No. T63 was particularly excellent in initial activity, and the amount of carbon dioxide gas generated per unit time of light irradiation for 10 minutes was about 40 times that of the catalyst of Comparative Example 4. No. T63 is composed of about 35% tungsten oxide, and it can be confirmed that the catalyst functions efficiently. Sample No. obtained in Comparative Example 3 Even at T113, although the catalyst activity slightly exceeded that of the catalyst of Comparative Example 4, the activity was lower than that of the photocatalyst of the present invention.
評価3
<焼成前後の光触媒活性の比較>
実施例12において、試料No.T63の焼成前後の光触媒活性の比較を行なった。結果を図49に示す。焼成処理によって酸化タングステンの焼付け固定を行なうことによって、触媒活性が向上することを確認した。このことから、酸化タングステンのナノ粒子とシリカナノ構造体の界面が光触媒機能に関与していることが推定できる。
<Comparison of photocatalytic activity before and after firing>
In Example 12, sample no. The photocatalytic activity before and after the firing of T63 was compared. The results are shown in FIG. It was confirmed that the catalytic activity was improved by baking and fixing tungsten oxide by the baking treatment. From this, it can be estimated that the interface between the tungsten oxide nanoparticles and the silica nanostructure is involved in the photocatalytic function.
評価4
<酸化タングステンの粒子を固定したシリカナノ構造体の光触媒活性評価2>
実施例13で得られた試料No.T71の光触媒活性評価を行なった。比較として、比較例4の光触媒を用いた。結果を図50に示す。試料No.T71による単位時間光照射10分での二酸化炭素ガス発生量は比較用触媒の28倍であった。
<
Sample No. obtained in Example 13 The photocatalytic activity of T71 was evaluated. For comparison, the photocatalyst of Comparative Example 4 was used. The results are shown in FIG. Sample No. The amount of carbon dioxide gas generated per unit time of light irradiation by T71 was 28 times that of the comparative catalyst.
評価5
<酸化タングステンの粒子を固定したシリカナノ構造体の光触媒活性評価3>
実施例14で得られた試料No.T83の光触媒活性評価を行なった。比較として、比較例4の光触媒を用いた。結果を図51に示す。試料No.T83による単位時間光照射10分での二酸化炭素ガス発生量は比較用触媒の30倍であった。
<
Sample No. obtained in Example 14 The photocatalytic activity of T83 was evaluated. For comparison, the photocatalyst of Comparative Example 4 was used. The results are shown in FIG. Sample No. The amount of carbon dioxide gas generated per unit time of light irradiation by T83 was 30 times that of the comparative catalyst.
評価6
<酸化タングステンの粒子を固定したシリカナノ構造体の光触媒活性評価4>
実施例15で得られた試料No.T93の光触媒活性評価を行なった。比較として、比較例4の光触媒を用いた。結果を図52に示す。試料No.T93による単位時間光照射10分での二酸化炭素ガス発生量は比較用触媒の28倍であった。
<Evaluation of photocatalytic activity of silica nanostructures with fixed
Sample No. obtained in Example 15 The photocatalytic activity of T93 was evaluated. For comparison, the photocatalyst of Comparative Example 4 was used. The results are shown in FIG. Sample No. The amount of carbon dioxide gas generated per unit time of light irradiation by T93 was 28 times that of the comparative catalyst.
評価7
<酸化タングステンの粒子を固定したシリカナノ構造体の光触媒活性評価5>
実施例16で得られた試料No.T103の光触媒活性評価を行なった。比較として、比較例4の光触媒を用いた。結果を図53に示す。試料No.T103による単位時間光照射10分での二酸化炭素ガス発生量は比較用触媒の29倍であった。Evaluation 7
<Photocatalytic activity evaluation of silica nanostructures with fixed
Sample No. obtained in Example 16 The photocatalytic activity of T103 was evaluated. For comparison, the photocatalyst of Comparative Example 4 was used. The results are shown in FIG. Sample No. The amount of carbon dioxide gas generated per unit time of light irradiation by T103 was 29 times that of the comparative catalyst.
評価8
<酸化タングステンの粒子を固定したシリカナノ構造体の5000lx照射下の光触媒活性評価>
実施例10で得られた試料No.T43を用い、LED照射の光量を5000lxに弱め、その条件下、アセトアルデヒドの光分解を行なった。比較として、比較例4の光触媒を用いた。結果を図54に示す。本発明でのNo.T43は、照射初期から顕著な触媒活性を示し、光照射60分時点での二酸化炭素ガス発生量は比較用触媒の12倍であった。
<Photocatalytic activity evaluation of silica nanostructures with fixed tungsten oxide particles under 5000 lx irradiation>
Sample No. obtained in Example 10 Using T43, the amount of LED irradiation was weakened to 5000 lx, and photolysis of acetaldehyde was performed under the conditions. For comparison, the photocatalyst of Comparative Example 4 was used. The results are shown in FIG. No. in the present invention. T43 showed remarkable catalytic activity from the beginning of irradiation, and the amount of carbon dioxide gas generated at 60 minutes after irradiation was 12 times that of the comparative catalyst.
評価9
<酸化タングステンの粒子を固定したシリカナノ構造体の550lx照射下による触媒活性評価>
評価8において、照射する光量を550lxにする以外は、評価8と同様にして評価を行なった。結果を図55に示す。これほど弱い光量の照射であるにもかかわらず、本発明での試料No.T43は、照射時間に連れて、二酸化炭素発生量が顕著に増大し、60分後の照射での二酸化炭素発生量は165ppmにまで上昇した。比較に用いた触媒の場合、低光量照射下では、照射180分後であっても明確な二酸化炭素の発生は確認できなかった。
<Evaluation of catalytic activity of silica nanostructures with fixed tungsten oxide particles under 550 lx irradiation>
In
実施例17 <1液型塗料組成物の調製:媒体 2−プロパノール>
実施例1で得られた粉体(A1−1)0.375gと実施例12で得られた試料No.T63を1.125g〔25/75(質量比)〕を2−プロパノール(和光純薬工業製、有機合成用)30mL中に懸濁させ、ミキサー型分散機フィルミクス(PRIMIX製40−40型)を用いて40m/sの回転速度で30秒間分散させた。この高速ミキサーを用いて分散処理を行うことにより、粉末(A1−1)とNo.T63がナノレベルで均一に分散することを可能としている。合成例6で得られた樹脂(B−2)を、2−プロパノールを用いて樹脂固形分が55%になるように希釈し使用した。粉体(A1−1)及び試料No.T63の合計質量(A)とバインダー樹脂(B)の固形分質量比[(A1)+(A2)]/(B)が表1に記載の割合になるよう混合し、超音波照射を1時間行い、1液型塗料組成物を得た。Example 17 <Preparation of one-component coating composition: medium 2-propanol>
0.375 g of the powder (A1-1) obtained in Example 1 and the sample No. obtained in Example 12 were used. 1.125 g [25/75 (mass ratio)] of T63 was suspended in 30 mL of 2-propanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., for organic synthesis), and a mixer-type disperser film mix (PRIMIX 40-40 type) For 30 seconds at a rotational speed of 40 m / s. By carrying out dispersion treatment using this high-speed mixer, powder (A1-1) and No. T63 can be uniformly dispersed at the nano level. The resin (B-2) obtained in Synthesis Example 6 was diluted with 2-propanol so that the resin solid content was 55%. Powder (A1-1) and Sample No. The total mass (A) of T63 and the solid content mass ratio [(A1) + (A2)] / (B) of the binder resin (B) are mixed at the ratio shown in Table 1, and ultrasonic irradiation is performed for 1 hour. And a one-component coating composition was obtained.
実施例18 <1液型塗料組成物のガラス基材上への塗布による光触媒塗膜の形成>
実施例17で得られた組成物No.T124の1液型塗料組成物を、アプリケーター(YOSHIMITU製)を用いて速度10、RDS16バーコータでガラス基材上に塗布した。作製した塗膜を室温(25℃)で1晩静置乾燥し、光触媒塗膜を得た。この塗膜のSEM観察イメージを図56に示した。シリカナノ構造体の形状由来の表面凹凸構造が膜全体に広がっているイメージが確認できる。Example 18 <Formation of a photocatalytic coating film by application of a one-component coating composition on a glass substrate>
Composition No. obtained in Example 17 A one-component coating composition of T124 was applied onto a glass substrate using an applicator (manufactured by YOSHIMITU) at a speed of 10 and an RDS16 bar coater. The produced coating film was allowed to stand and dry overnight at room temperature (25 ° C.) to obtain a photocatalyst coating film. The SEM observation image of this coating film was shown in FIG. The image that the surface uneven structure derived from the shape of the silica nanostructure spreads over the entire film can be confirmed.
実施例19<シリカナノ構造体と酸化チタンとの複合型光触媒である粉体(A1−1)と樹脂(B−2)との混合物の調整:媒体 2−プロパノール>
粉体(A1−1)のみを用いる以外は、実施例17と同様にして2−プロパノールに分散させた後、粉体(A1−1)と、2−プロパノールを用いて樹脂固形分が55%になるように希釈した樹脂(B−2)との固形分質量比(A1)/(B)が表15に記載の割合になるよう混合し、超音波照射を1時間行い、塗料組成物を得た。Example 19 <Preparation of mixture of powder (A1-1) and resin (B-2) which is a composite photocatalyst of silica nanostructure and titanium oxide: medium 2-propanol>
Except using only powder (A1-1), it was made to disperse | distribute to 2-propanol like Example 17, Then, resin solid content was 55% using powder (A1-1) and 2-propanol. So that the solid mass ratio (A1) / (B) with the resin (B-2) diluted so as to become the ratio shown in Table 15 was subjected to ultrasonic irradiation for 1 hour, and the coating composition was Obtained.
実施例20<粉体(A1−1)のみを含有する塗料組成物のガラス基材上への塗布による光触媒塗膜の形成>
実施例19で得られたNo.T134の塗料組成物を用いる以外は、実施例18と同様にして、バーコータを用いてガラス基材上に塗布した。この光触媒塗膜のSEM観察イメージを図57に示した。Example 20 <Formation of Photocatalyst Coating Film by Application of Coating Composition Containing Only Powder (A1-1) on Glass Substrate>
No. obtained in Example 19 Except using the coating composition of T134, it apply | coated on the glass base material using the bar-coater like Example 18. FIG. The SEM observation image of this photocatalyst coating film was shown in FIG.
実施例21<シリカナノ構造体と酸化タングステンとの複合型光触媒である粉体(A2)と樹脂(B-2)との混合物の調整:媒体 2−プロパノール>
実施例12で得られた試料No.T63のみを用いる以外は、実施例17と同様にして2−プロパノールに分散させた後、試料No.T63と樹脂(B−2)との固形分質量比(A2)/(B)が表3に記載の割合になるよう混合し、超音波照射を1時間行い、塗料組成物を得た。Example 21 <Preparation of mixture of powder (A2) and resin (B-2), which is a composite photocatalyst of silica nanostructure and tungsten oxide: medium 2-propanol>
Sample No. obtained in Example 12 Sample No. 1 was dispersed in 2-propanol in the same manner as in Example 17 except that only T63 was used. Mixing was performed so that the solid mass ratio (A2) / (B) of T63 and the resin (B-2) was the ratio shown in Table 3, and ultrasonic irradiation was performed for 1 hour to obtain a coating composition.
実施例22<粉体(A2)のみを含有する塗料組成物のガラス基材上への塗布による光触媒塗膜の形成>
実施例21で得られたNo.T144の塗料組成物を用いる以外は、実施例18と同様にして、バーコータを用いてガラス基材上に塗布した。この光触媒塗膜のSEM観察イメージを図58に示した。Example 22 <Formation of Photocatalyst Coating Film by Application of Coating Composition Containing Only Powder (A2) on Glass Substrate>
No. obtained in Example 21. Except using the coating composition of T144, it apply | coated on the glass base material using the bar coater like Example 18. FIG. The SEM observation image of this photocatalyst coating film was shown in FIG.
<塗膜評価11:太陽光暴露下における光触媒塗膜No.T14の超親水性能評価>
実施例18で得られた塗膜、実施例20で得られた塗膜、実施例22で得られた塗膜を太陽光に暴露し、暴露日数の経過による水接触角の変化を評価した(図59)。全ての塗膜から、暴露日数の経過に伴い、明確な水接触角の低下が確認でき、太陽光暴露30日後には全ての塗膜が接触角5°以下の超親水性塗膜となっていることを確認した。シリカナノ構造体と酸化タングステンの複合化を行った粉体(A2)のみを含んでいる塗膜は超親水化が見られたものの、粉体(A1)を使用したものと比較すると超親水化に長期間の太陽光暴露を必要としている。酸化チタンを含有する複合型の粉体(A1)のみを用いたと膜が最も短い太陽光暴露時間で超親水化が起こっている。これは、酸化チタン粒子とシリカナノ構造体を複合化した粉末(A1)が太陽光暴露により、塗膜中において高い光触媒活性を発揮し、表面凹凸構造を形成しているシリカナノ構造体を被覆しているバインダー樹脂成分を分解したことにより、酸化チタンのナノ粒子が短い太陽光暴露日数で頭を出したためであると推察できる。また、粉体(A1)と粉体(A2)の両者を混合している塗膜も粉体(A1)のみを用いた塗膜には劣るものの、粉体(A2)のみを用いた塗膜と比較すると短い暴露期間において超親水化が確認できる。これは、ナノレベルで均一に分散している粉末(A1)が太陽光照射下において極めて高い光触媒活性を発揮することにより、粉末(A1)周辺に存在する樹脂成分のみでなく、粉末(A2)の周辺に存在する樹脂成分をも分解し、粉体(A2)中の触媒活性サイトである酸化タングステン粒子面を塗膜表面上に露出させたためであると推察できる。このことは、シリカナノ構造体と酸化チタンの複合体である粉末(A1)とシリカナノ構造体と酸化タングステンの複合体である粉末(A2)とを混合し、塗膜を作製することで、高い可視光応答性を持つ酸化タングステン光触媒活性面を短期間の光照射下において効率的に露出させることが可能であることを示唆している。<Coating evaluation 11: Photocatalytic coating film No. under exposure to sunlight T14 Superhydrophilic Performance Evaluation>
The coating film obtained in Example 18, the coating film obtained in Example 20, and the coating film obtained in Example 22 were exposed to sunlight, and changes in the water contact angle with the passage of exposure days were evaluated ( FIG. 59). A clear decrease in water contact angle can be confirmed with the passage of exposure days, and all coating films become superhydrophilic coatings with a contact angle of 5 ° or less after 30 days of sunlight exposure. I confirmed. Although the coating film containing only the powder (A2) in which the silica nanostructure and the tungsten oxide are combined is superhydrophilic, it is superhydrophilic as compared with the powder (A1). Long-term exposure to sunlight is required. When only the composite type powder (A1) containing titanium oxide is used, the film is superhydrophilic in the shortest sunlight exposure time. This is because the powder (A1) in which the titanium oxide particles and the silica nanostructure are combined exhibits high photocatalytic activity in the coating film when exposed to sunlight, and the silica nanostructure forming the surface uneven structure is coated. It can be inferred that the titanium oxide nanoparticles came out in a short day of sunlight exposure by decomposing the binder resin component. In addition, the coating film in which both the powder (A1) and the powder (A2) are mixed is inferior to the coating film using only the powder (A1), but the coating film using only the powder (A2). Compared with, superhydrophilicity can be confirmed in a short exposure period. This is because the powder (A1) uniformly dispersed at the nano level exhibits extremely high photocatalytic activity under sunlight irradiation, so that not only the resin component present around the powder (A1) but also the powder (A2) It can be inferred that this is because the resin component present in the periphery of the resin was also decomposed to expose the tungsten oxide particle surface, which is a catalytically active site in the powder (A2), on the coating film surface. This is because the powder (A1) which is a composite of silica nanostructure and titanium oxide and the powder (A2) which is a composite of silica nanostructure and tungsten oxide are mixed to produce a coating film, which is highly visible. It suggests that the photocatalytic tungsten oxide photocatalytic active surface can be efficiently exposed under short-time light irradiation.
<塗膜評価12:LED照明照射下における光触媒活性>
塗膜評価11で超親水化が確認できるまで太陽光に暴露した後、LED照明照射下において光触媒活性評価を行った(実施例18で得られた塗膜:22日間、実施例20で得られた塗膜:10日間、実施例22で得られた塗膜:30日間、それぞれ、太陽光に暴露した後評価を行った)。LED照明照射により、実施例18で得られた塗膜および実施例22で得られた塗膜から明確なアセトアルデヒドの分解が確認できる(図60)。一方で、酸化チタンのみを活性サイトとする粉体(A1)を用いた塗膜(実施例20で得られた塗膜)はLED照明照射下で光触媒活性を示さない。実施例18で得られた塗膜および実施例22で得られた塗膜は酸化タングステンを活性サイトとする粉体(A2)が効率的に働くことにより、同程度の高いLED応答能力を発揮している。このことは、粉体(A1)と粉体(A2)とを混合し塗膜を作製することで、粉体(A2)中の触媒活性サイトである酸化タングステン面が明確に塗膜表面上に露出し、LED照明照射下において高い活性を持つ光触媒塗膜として機能していることを示唆しており、粉体(A1)の混合が粉体(A2)の酸化タングステン活性面の露出を短期間の光照射により可能とすることを意味している。前述の結果から、本発明の光触媒塗膜において、特に酸化タングステンを用いたものは実空間における室内LED照明照射下においても高い実用性を持っていることを強く示唆する。<Coating evaluation 12: Photocatalytic activity under LED illumination>
After exposure to sunlight until superhydrophilicity could be confirmed in coating film evaluation 11, photocatalytic activity evaluation was performed under LED illumination (coating film obtained in Example 18: 22 days, obtained in Example 20) Coating film: 10 days, coating film obtained in Example 22: Evaluation was performed after exposure to sunlight for 30 days). By LED illumination irradiation, clear decomposition of acetaldehyde can be confirmed from the coating film obtained in Example 18 and the coating film obtained in Example 22 (FIG. 60). On the other hand, the coating film using the powder (A1) containing only titanium oxide as an active site (the coating film obtained in Example 20) does not exhibit photocatalytic activity under LED illumination. The coating film obtained in Example 18 and the coating film obtained in Example 22 exhibit the same high LED response capability as the powder (A2) containing tungsten oxide as an active site works efficiently. ing. This means that by mixing the powder (A1) and the powder (A2) to produce a coating film, the tungsten oxide surface, which is a catalytically active site in the powder (A2), is clearly on the coating film surface. It suggests that it is exposed and functions as a photocatalytic coating film having high activity under the illumination of LED light, and mixing of the powder (A1) causes the exposure of the tungsten oxide active surface of the powder (A2) for a short period of time. It means that it is possible by light irradiation. From the above results, it is strongly suggested that the photocatalyst coating film of the present invention, particularly using tungsten oxide, has high practicality even under indoor LED illumination irradiation in real space.
Claims (11)
(1−2)水性媒体の存在下で、工程(1−1)で得られたポリマーの会合体にアルコキシシランを加えることにより、前記ポリマーの会合体とシリカとの複合体を得る工程、
(1−3)工程(1−2)で得られた複合体、又は該複合体を焼成し、複合体中のポリマーを除去したシリカナノ構造体(a2)の分散液と、酸化チタン(a1)の粉末と、を水性媒体中で混合し、酸化チタン(a1)の粉末を吸着させる工程、
(1−4)工程(1−3)で得られた酸化チタン(a1)の粉末を吸着した複合体又はシリカナノ構造体(a2)を600〜900℃で焼成し、シリカナノ構造体(a2)への酸化チタン(a1)の固定を行なう工程、
を経て製造された、酸化チタン(a1)がシリカナノ構造体(a2)に固定されてなる粉体(A1)、及び/又は
(2−1)直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを水性媒体中で会合させる工程、
(2−2)水性媒体の存在下で、工程(2−1)で得られたポリマーの会合体にアルコキシシランを加えることにより、前記ポリマーとシリカとの複合体を得る工程、
(2−3)工程(2−2)で得られた複合体の分散液、又は該複合体を焼成し、複合体中のポリマーを除去したシリカナノ構造体(a2)の分散液に、タングステン酸塩(a3’)を混合し、複合体又はシリカナノ構造体(a2)中にタングステン酸塩(a3’)を吸着させる工程、
(2−4)工程(2−3)で得られたタングステン酸塩(a3’)を有する、複合体又はシリカナノ構造体(a2)を900℃以下で焼成し、シリカナノ構造体(a2)への酸化タングステン(a3)粒子の固定を行なう工程、
を経て製造された、酸化タングステン(a3)がシリカナノ構造体(a2)に固定されてなる粉体(A2−1)、
(3−1)直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを水性媒体中で会合させる工程、
(3−2)水性媒体の存在下で、工程(3−1)で得られたポリマーの会合体にアルコキシシランを加えることにより、前記ポリマーとシリカとの複合体を得る工程、
(3−3)工程(3−2)で得られた複合体の分散液、又は該複合体を焼成し、複合体中のポリマーを除去したシリカナノ構造体(a2)の分散液に、
ポリアミンを混合し、
工程(3−2)で得られた複合体、又はシリカナノ構造体(a2)の表面層に、ポリアミンを吸着させる工程、
(3−4)工程(3−3)で得られたポリアミンが吸着している、複合体又はシリカナノ構造体(a2)の分散液に、タングステン酸塩(a3’)を混合し、複合体又はシリカナノ構造体(a2)中にタングステン酸塩(a3’)を吸着させる工程、
(3−5)工程(3−4)で得られたタングステン酸塩(a3’)を有する、複合体又はシリカナノ構造体(a2)を900℃以下で焼成し、シリカナノ構造体(a2)への酸化タングステン(a3)粒子の固定を行なう工程、
を経て製造された、酸化タングステン(a3)がシリカナノ構造体(a2)に固定されてなる粉体(A2−2)、もしくは
(4−1)直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを水性媒体中で会合させる工程、
(4−2)水性媒体の存在下で、工程(4−1)で得られたポリマーの会合体にアルコキシシランを加えることにより、前記ポリマーとシリカとの複合体を得る工程、
(4−3)直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを水性媒体中で会合させ、更に、タングステン酸塩(a3’)の水溶液を混合してポリマーとタングステン酸又はタングステン酸塩(a3’)が会合してなる析出物を得、これを加熱焼成して酸化タングステン(a3)の粒子を得る工程、
(4−4)工程(4−3)で得た酸化タングステン(a3)の粉末と、工程(4−2)で得られたポリマーとシリカとの複合体、又は該複合体を焼成し、複合体中のポリマーを除去したシリカナノ構造体(a2)と、を水性媒体中で混合し、酸化タングステン(a3)の粒子を
工程(4−2)で得られたポリマーとシリカとの複合体、又はシリカナノ構造体(a2)に吸着させる工程、
(4−5)工程(4−4)で得た、酸化タングステン(a3)の粒子が吸着した複合体又はシリカナノ構造体(a2)を900℃以下で焼成し、シリカナノ構造体(a2)への酸化タングステン(a3)粒子の固定を行なう工程、
を経て製造された、酸化タングステン(a3)がシリカナノ構造体(a2)に固定されてなる粉体(A2−3)、である
酸化タングステン(a3)がシリカナノ構造体(a2)に固定されてなる粉体(A2)と、ポリシロキサン骨格を有する樹脂(B)とを含有することを特徴とする1液型塗料組成物。(1-1) a step of associating a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton in an aqueous medium;
(1-2) A step of obtaining a composite of the polymer aggregate and silica by adding an alkoxysilane to the polymer aggregate obtained in the step (1-1) in the presence of an aqueous medium;
(1-3) The composite obtained in step (1-2), or a dispersion of silica nanostructure (a2) obtained by firing the composite and removing the polymer in the composite, and titanium oxide (a1) Are mixed in an aqueous medium to adsorb the titanium oxide (a1) powder,
(1-4) The composite or silica nanostructure (a2) adsorbing the titanium oxide (a1) powder obtained in the step (1-3) is baked at 600 to 900 ° C. to obtain the silica nanostructure (a2). Fixing titanium oxide (a1) of
In a water-based medium, a powder (A1) produced by passing titanium oxide (a1) and / or (2-1) a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton, prepared by passing through a silica nanostructure (a2) The process of meeting at
(2-2) A step of obtaining a composite of the polymer and silica by adding an alkoxysilane to the polymer aggregate obtained in the step (2-1) in the presence of an aqueous medium;
(2-3) Tungstic acid in the dispersion of the composite obtained in step (2-2) or the dispersion of silica nanostructure (a2) from which the composite was baked to remove the polymer in the composite Mixing the salt (a3 ′) and adsorbing the tungstate (a3 ′) in the composite or silica nanostructure (a2);
(2-4) The composite or silica nanostructure (a2) having the tungstate (a3 ′) obtained in the step (2-3) is baked at 900 ° C. or less, and the silica nanostructure (a2) is obtained. Fixing tungsten oxide (a3) particles;
The powder (A2-1) produced by fixing tungsten oxide (a3) to the silica nanostructure (a2),
(3-1) A step of associating a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton in an aqueous medium,
(3-2) a step of obtaining a composite of the polymer and silica by adding an alkoxysilane to the polymer aggregate obtained in the step (3-1) in the presence of an aqueous medium;
(3-3) A dispersion of the composite obtained in step (3-2), or a dispersion of the silica nanostructure (a2) obtained by firing the composite and removing the polymer in the composite ,
Mix polyamines,
A step of adsorbing a polyamine on the surface layer of the composite obtained in the step (3-2) or the silica nanostructure (a2);
(3-4) The tungstate (a3 ′) is mixed with the dispersion of the composite or silica nanostructure (a2) on which the polyamine obtained in the step (3-3) is adsorbed, and the composite or Adsorbing tungstate (a3 ′) in silica nanostructure (a2),
(3-5) The composite or silica nanostructure (a2) having the tungstate (a3 ′) obtained in the step (3-4) is baked at 900 ° C. or less, and the silica nanostructure (a2) is obtained. Fixing tungsten oxide (a3) particles;
Or (4-1) a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton in which the tungsten oxide (a3) is fixed to the silica nanostructure (a2), or (4-1) a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton. The process of meeting at
(4-2) A step of obtaining a composite of the polymer and silica by adding an alkoxysilane to the polymer aggregate obtained in the step (4-1) in the presence of an aqueous medium.
(4-3) A polymer having a linear polyethyleneimine skeleton is associated in an aqueous medium, and an aqueous solution of tungstate (a3 ′) is further mixed to form a polymer and tungstic acid or tungstate (a3 ′). A step of obtaining a precipitate formed by associating, and heating and firing this to obtain particles of tungsten oxide (a3);
(4-4) The tungsten oxide (a3) powder obtained in the step (4-3) and the polymer / silica composite obtained in the step (4-2), or the composite is fired, Silica nanostructure (a2) from which the polymer in the body has been removed is mixed in an aqueous medium, and particles of tungsten oxide (a3) are mixed.
A step of adsorbing to the composite of the polymer obtained in step (4-2) and silica, or silica nanostructure (a2);
(4-5) The composite or silica nanostructure (a2) adsorbed with the particles of tungsten oxide (a3) obtained in the step (4-4) is baked at 900 ° C. or lower to obtain the silica nanostructure (a2). Fixing tungsten oxide (a3) particles;
The tungsten oxide (a3), which is a powder (A2-3) produced through the process of fixing tungsten oxide (a3) to the silica nanostructure (a2), is fixed to the silica nanostructure (a2). A one-component coating composition comprising powder (A2) and a resin (B) having a polysiloxane skeleton.
前記工程で得られた塗膜に光照射して塗膜表層の有機成分を光分解する工程、
を有することを特徴とする塗膜の製造方法。Applying and curing the one-component coating composition according to any one of claims 1 to 8 on a substrate;
A step of photodegrading the organic component of the coating layer by irradiating the coating obtained in the above step with light,
The manufacturing method of the coating film characterized by having.
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