JP5119407B2 - 光吸収膜、その製造方法およびそれを用いた太陽光集熱器 - Google Patents
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Description
本実施の形態に係る光吸収膜は、酸化チタニウムおよびカーボンナノチューブを主に含む。以下、酸化チタニウムおよびカーボンナノチューブについてそれぞれ説明する。
この実施の形態で使用可能な酸化チタニウムは、酸化雰囲気にて熱分解して酸化チタニウムとなることができる酸化チタニウム前駆体を原料とする。このような酸化チタニウム前駆体としては、有機チタニウム化合物および無機チタニウム化合物が存在する。
この実施の形態で使用可能な炭素材料としてのカーボンナノチューブは、単層型、二層型、多層型の1種類または2種類以上を混合して用いてもよい。カーボンナノチューブはその直径が1〜50nm、長さが20〜500nmのものを好適に用いることができる。その中でも、直径が10〜15nmのカーボンナノチューブを用いるのがより好ましい。
次に、本実施の形態に係る光吸収膜の製造方法について説明する。図1は、本実施の形態に係る光吸収膜の製造方法の流れを示すフローチャートである。
次に、本実施の形態に係る太陽光集熱器について説明する。
[酸化チタニウム前駆体]
「Dlbacac」:ジイソプロポキシチタニウムビスアセチルアセトネート75% 2-プロパノール溶液(Sigma−Aldrich社製)
[酸化チタニウム前駆体用溶剤]
「IPA」:2−プロパノール(和光純薬工業株式会社製)
「CNT1」:カーボンナノチューブ(直径10〜15nm、長さ3μm)(商品名:VGCF(登録商標)−X、昭和電工株式会社製)
「CNT2」:カーボンナノチューブ(直径20nm、長さ1〜10μm)(商品名:Graphistrength(登録商標)C100、ARKEMA社製)
「CF」:カーボンファイバー(直径150nm、長さ10〜20μm)(商品名:VGCF(登録商標)、昭和電工株式会社製)
「CB」:ケッチェンブラック(商品名:EC300J、三菱化学株式会社製)
[カーボンチューブおよびその他の炭素材料の溶媒]
[カーボンナノチューブおよび炭素材料用分散媒]
「IPA」:2−プロパノール(和光純薬工業株式会社社製)
Dlbacacを109.2gとIPAを267.75g混合し、ジイソプロポキシチタニウムビスアセチルアセトネート濃度が0.5mol/lの酸化チタニウム前駆体溶液を調製した。また、カーボンナノチューブおよびその他の炭素材料(以後、カーボンナノチューブとその他の炭素材料とを両方指す場合には、「各炭素材料」という。)1gを200mlのIPAに混合することにより、各炭素材料の0.5wt%混合溶液を調製した。
(実施例1〜4)
カーボンナノチューブの種類および濃度を変えた実施例1〜4の各試料を作製した。カーボンナノチューブを用いた実施例1〜4では、その濃度およびカーボンナノチューブの種類に関わらず、光吸収層は、黒色であった。また、図4(A)〜(D)に示すように、光吸収層に光を当てた場合に、光が反射して光らなかった。さらに、実施例1〜4の試料に対し、JIS K5600−5−6に準拠したクロスカット試験を行ったところ、分類0(剥がれなし)であったことから、光吸収層と基板とが強固に密着していた。また、図9に示すように、実施例2、実施例3の光吸収層に含まれる酸化チタニウムは、アナターゼ型の酸化チタニウムを含んでいた。
実施例2と同じ組成で、分散処理を行わなかった実施例5の試料では、実施例2の試料と比較して光吸収層と基板との密着強度が低かった。
その他の炭素材料として、CFを用いた比較例1の試料の光吸収層は、灰色だった。また、図4(E)に示すように、比較例1の試料に光を当てると、光吸収層が光を反射して光った。図6(A)に示すように、比較例1の試料は、膜厚15〜20μmの光吸収層が形成されていた。さらに、図6(A)、図6(B)および図8(A)に示すように、比較例1の試料では、光吸収膜が平滑ではなく、三次元的に形成されていた。
その他の炭素材料として、CBを用いた比較例2の試料の光吸収層は、灰色だった。また、図4(F)に示すように、比較例2の試料に光を当てると、光吸収層が光を反射して光った。さらに、図4(G)に示すように、光を消した状態で比較例2の試料を見ると、光照射面に酸化チタニウムの干渉跡が視認された。図6(C)に示すように、比較例2の試料は、平均膜厚9μmの光吸収層が形成されていた。さらに、図6(C)、図6(D)および図8(B)に示すように、比較例2の試料の光吸収膜は、光吸収膜が平滑ではなく、立体的に形成されていた。
既存の集光板として、既存の集熱器に用いられている集光板を比較例3の試料とした。比較例3の試料の光吸収膜は、窒化クロムを含むため、濃青だった。また、図4(H)に示すように、比較例3の試料に光をあてると、光吸収膜は、光を反射して光った。さらに、図6(E)および図8(C)に示すように、比較例3の試料は、平滑だった。
比較例2の組成で、分散処理を行わずに比較例4の試料を作成した。表2に示されるように、比較例2と比較例3とを比較すると、分散処理を行った比較例2の試料の方が大きな表面積を有していた。また、図8(B)と図8(D)とを比較すると、分散処理を行った比較例2の方が、光吸収層の表面全体に凹凸が散らばっていた。これは、分散処理により炭素材料が凝集せずに分散したため、光吸収層全体に炭素材料が分散して存在するためであると考えられる。
光の拡散反射率は、分光度計(SolidSpec−3700DUV、株式会社島津製作所製)により絶対反射率を測定した。各炭素材料の種類を変えて拡散反射率測定を行った結果を、図10に示す。カーボンナノチューブの濃度および種類を変えた実施例1〜4および比較例3の拡散反射率測定を行った結果を図11に示す。
実施例6は、鉄およびニッケルの合金であるステンレス鋼(SUS430)を基板として用いた。実施例7は、真鍮から主になる基板を用いた。実施例8は、鉄およびニッケルの他に、クロムを含むステンレス鋼(SUS304)を基板として用いた。図12に示すように、基板の種類を変えた実施例6〜8の各試料は、アルミニウム基板を用いた実施例2の試料とほぼ同様の光吸収率を示した。図9および図13に示すように、実施例6〜8の各試料において、酸化チタニウムは、アナターゼ型だった。また、表3に示すように、実施例7,8の各試料の表面積は、実施例2の表面積と比較して大きな違いはなかった。すなわち、酸化チタニウムとカーボンナノチューブとを含む光吸収膜は、アルミニウム基板以外の基板にも適用可能であることがわかった。
炭素材料を変えて作製した実施例2、比較例1,2および比較例3の各試料に、試料から光源を50cm離間させて、室温18.3℃にて20分間キセノンランプを照射した。光吸収膜の表面側と、その裏面側に熱電対を取り付け、それぞれの温度を測定した。結果を図15に示す。
CNT1の含有量を変化させた実施例1〜3、比較例3および比較例5に、太陽光を1時間照射し、光吸収膜の光照射面側(表側)と、その裏側との温度を測定した。なお、測定は、気温が27.2℃、天気が薄曇り、微風の中で行った。結果を図17に示す。
20 スプレー
Claims (8)
- 主として酸化チタニウムとカーボンナノチューブとから成り、
酸化チタニウム100重量部と、
カーボンナノチューブ2〜10重量部とを含むことを特徴とする光吸収膜。 - 請求項1に記載の光吸収膜において、
前記カーボンナノチューブは、光を照射する面側よりもその裏面側により多く含まれることを特徴とする光吸収膜。 - 請求項1または請求項2に記載の光吸収膜において、
三次元網目状に形成されると共に、複数の孔が形成されていることを特徴とする光吸収膜。 - 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の光吸収膜において、
表面積が投影面積の3倍以上である光照射面を有することを特徴とする光吸収膜。 - 主として酸化チタニウムとカーボンナノチューブとから成り酸化チタニウム100重量部とカーボンナノチューブ2〜10重量部とを含む光吸収膜を製造する方法であって、
上記カーボンナノチューブを溶媒に混合する混合ステップと、
上記酸化チタニウムを生成するための酸化チタニウム前駆体溶液と、上記カーボンナノチューブを混合した溶媒とを基板に塗布し加熱する塗布ステップと、
を有することを特徴とする、光吸収膜の製造方法。 - 請求項5に記載の光吸収膜の製造方法において、
前記混合ステップは、前記カーボンナノチューブを混合した溶媒に対して圧力を付与し、流れ込んだ上記溶媒を相互に衝突させて流れ方向を変えるステップを含むことを特徴とする光吸収膜の製造方法。 - 請求項5または請求項6に記載の光吸収膜の製造方法において、
前記塗布ステップは、加熱された前記基板にスプレーにより塗布することを特徴とする光吸収膜の製造方法。 - 主として酸化チタニウムとカーボンナノチューブとから成り酸化チタニウム100重量部とカーボンナノチューブ2〜10重量部とを含む光吸収膜と、
上記光吸収膜を支持する基板と、を含む太陽光集熱器。
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