JP5152214B2 - 光触媒の担持方法及び光触媒を担持した多孔質材 - Google Patents

Description

本発明は、硬化させることにより表面に多数の微細孔を形成する多孔質材に、バインダーを介することなく光触媒を担持させる光触媒の担持方法及び光触媒を担持した多孔質材に関する。

従来、硬化させることにより表面に多数の微細孔を形成する多孔質材に、光触媒を担持させる光触媒の担持方法としては、多孔質材にバインダー（結合剤等）を介することなく光触媒を担持させる方法がある。例えば、光触媒である酸化チタン（ＴｉＯ_２）の粉末や懸濁液をモルタルやコンクリート等の水硬性材料の表面に塗布・噴霧することにより、多孔質材に光触媒を担持させる方法等がある。

そして、このような光触媒の担持方法によれば、多孔質材にバインダーを介することなく光触媒を強固に担持させることができるようになる。

しかしながら、従来のような光触媒の担持方法によれば、光触媒の粉末や懸濁液を多孔質材の表面に塗布・噴霧する際に粉末が舞い上がってしまい、あるいは多孔質材を硬化させた後、表面に形成される微細孔に光触媒が埋まってしまうという問題がある。

このため、多孔質材の呼吸性能が低下してしまうという問題や、光触媒の触媒性能が阻害されてしまうという問題もある。

また、従来のような光触媒の担持方法によれば、光触媒を担持した多孔質材は、なんら着色されているものではないため、意匠性が低いという問題もある。

そこで、本発明は、多孔質材にバインダー（結合剤等）を介することなく光触媒を担持させる光触媒の担持方法であって、光触媒が多孔質材の表面に形成される微細孔に埋まってしまうことがなく、しかも多孔質材の意匠性を向上させることができる光触媒の担持方法及び光触媒を担持した多孔質材を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、硬化させることにより表面に多数の微細孔を形成する多孔質材に、バインダーを介することなく光触媒を担持させる光触媒の担持方法であって、多孔質材を硬化させる前に、光触媒を担体に担持させた光触媒担体を、前記多孔質材の表面に付着させておく第１工程と、該第１工程により得られた多孔質材を、前記光触媒担体が前記表面に付着した状態のまま硬化させる第２工程と、を有し、前記第１工程において、前記多孔質材として、水硬性材料を用い、且つ、前記光触媒担体として、光触媒である酸化チタン（ＴｉＯ_２）を担体であるシリカゲルに担持させた光触媒担体を用い、 前記第１工程において、プロテクター貫入試験（ＪＩＳ Ａ １１４７）によって測定された貫入抵抗値が３．５Ｎ／ｍｍ ^２ を示す時間となるまでの時間帯に、前記光触媒担体を、前記多孔質材の表面に塗布することを特徴とする。

さらに、本発明は、上記光触媒の担持方法を使用して得られる、光触媒を担持した多孔質材である。

本発明によれば、多孔質材にバインダー（結合剤等）を介することなく光触媒を担持させる際に、光触媒が多孔質材の表面に形成される微細孔に埋まってしまうことがなく、しかも多孔質材の意匠性を向上させることができるという効果を奏する。

光触媒の担持方法を示すフローチャートである。 光触媒を担持した多孔質材の表面を示す概略側面図である。 単回試験を行った際のトルエン除去性能を示すグラフであり、（ａ）は試験回数３回目のトルエン除去性能（３回目）を示し、他方、（ｂ）は試験回数４回目のトルエン除去性能（４回目）を示す。 連続試験を行った際のトルエン除去性能（連続４回）を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の光触媒の担持方法及び光触媒を担持した多孔質材を実施するための最良の形態について説明する。

＝＝＝光触媒の担持方法＝＝＝
まず、図１を参照しながら、本発明の光触媒の担持方法について説明する。図１は本発明の光触媒の担持方法を示すフローチャートである。

図１に示すように、本発明の光触媒の担持方法は、多孔質材４にバインダー（結合剤等）を介することなく光触媒２を担持させる光触媒の担持方法であって、第１工程と第２工程とを有するという構成であり、第１工程は、多孔質材４を硬化させる前に、光触媒２を担体３に担持させた光触媒担体１を、多孔質材４の表面に付着させておくという工程であり、第２工程は、第１工程により得られた多孔質材を、光触媒担体１が表面に付着した状態のまま硬化させるという工程である。

上記構成の本発明において、多孔質材４は、硬化させることにより表面に多数の微細孔（凹部）５を形成しており、この微細孔（凹部）５は通常強い吸着力を有する。このため、多孔質材４は、室内の調湿作用や消臭作用、及び有害物質の吸着作用等の機能を有している（呼吸性能）。このような呼吸性能は、多孔質材４の表面に形成されている微細孔（凹部）５が塞がれ、その吸着力が低下するとともに、その性能も低下してしまう。

一方、酸化チタン（ＴｉＯ_２）等の光触媒２は、紫外線の照射を受けて、周囲の有機物質等（トルエン，ホルムアルデヒド，ＮＯｘ等）の分解を促進させ、防汚作用や抗菌作用、消臭作用に関与するという機能を有している（触媒性能）。このような触媒性能は、阻害物質等の影響を受けると、その活性が顕著に低下し、その性能も阻害されてしまう。

本発明の光触媒の担持方法は、このような触媒機能を有する光触媒２を、呼吸性能を有する多孔質材４の表面に付着させることによって、両者の機能を発揮させ、室内の空調環境等のより一層の改善を図るものである。

このような方法によって、多孔質材４の表面に光触媒２を付着させる際には、光触媒２の平均粒径（ナノメートルオーダー）は、多孔質材４の表面に形成された微細孔（凹部）５の平均粒径（マイクロメートルオーダー）よりも小さいため、光触媒２が微細孔（凹部）５に埋まってしまい、微細孔（凹部）５を塞いでしまうことがある。この場合には、多孔質材４の呼吸性能が低下してしまうだけではなく、光触媒２の触媒機能も阻害されてしまう。そこで、多孔質材４の表面に光触媒２を付着させる際には、両者の機能をともに発揮させるべく、光触媒２が微細孔（凹部）５に埋まってしまうことがないようにする必要がある。以下、このような本発明の第１工程及び第２工程について説明する。

＜第１工程＞
第１工程は、前述のように、多孔質材４を硬化させる前に、光触媒２を担体３に担持させた光触媒担体１を、多孔質材４の表面に付着させておくという工程である。このような第１工程において、バインダー（結合剤等）を用いると、光触媒２はバインダーを介して多孔質材４の表面に強固に担持されるものの、有機系バインダーを用いた場合には、酸化チタン（ＴｉＯ_２）等の光触媒２の触媒機能を阻害し、他方、無機系バインダーを用いた場合には、多孔質材４の呼吸性能を低下させてしまう。このため、第１工程においては、バインダーを用いないことを前提としている。

第１工程において、多孔質材４として、珪藻土、モルタル、コンクリート等の水硬性材料を用い、且つ、光触媒担体１として、光触媒２である酸化チタン（ＴｉＯ_２）を担体３である平均粒径３μｍ以上４５μｍ未満のシリカゲルに担持させた光触媒担体を用いることが好ましい。なお、光触媒２である酸化チタン（ＴｉＯ_２）としては、アナターゼ型の他、ルチル型、ブルッカイト型等の結晶構造を有するものであってもよく、これらのうち複数組み合わせたものであってもよい。

また、第１工程において、光触媒担体１として、色付きでないものを用いてもよいが、多孔質材の意匠性を向上させるという観点からすれば、色付きのものを用いることが好ましい。このような色付きの光触媒担体１としては、例えば、光触媒２を適宜な色（赤、黄、青及びこれらの混色）で着色された担体３に担持させた光触媒担体等がある。

なお、本実施形態では、多孔質材４として、水硬性材料を用いているが、気硬性材料を用いてもよい。ここで、水硬性材料とは、水和反応によって硬化していく材料をいい、例えば、珪藻土、セメントモルタルやポリマーセメントモルタル、石膏プラスター、コンクリート等がある。一方、気硬性材料とは、水分が抜けて乾燥することによって硬化する材料、あるいは気中の炭酸ガスと反応して硬化する材料をいい、例えば、珪藻土、ドロマイトプラスター、漆喰等がある。

また、本実施形態では、光触媒担体１として、光触媒２である酸化チタン（ＴｉＯ_２）を担体３であるシリカゲルに担持させた光触媒担体１を用いているが、酸化チタン（ＴｉＯ_２）以外の光触媒２（例えば、酸化ジルコニウム等）をシリカゲル以外の担体３（例えば、骨材，硝子粉末，スラグ等）に担持させた光触媒担体１を用いてもよい。なお、上記第１工程において、光触媒２を担体３に担持させて光触媒担体１を製造するというステップを含んでもよいが、このようなステップを含むことなく、既に製造された光触媒担体１を用いてもよい。

また、本実施形態では、担体３であるシリカゲルとして、平均粒径３μｍ以上４５μｍ未満のものを用いているが、シリカゲル以外の担体を用いる場合であっても、光触媒２の性質や、微細孔（凹部）５の形状・大きさ等を考慮して、適宜、担体３の形状・大きさ等の適正化を図り、最適なものを用いることが好ましい。

また、本実施形態では、光触媒担体１を多孔質材４の表面に付着させる方法として、噴霧、塗布等によって光触媒担体１を多孔質材４の表面にコーティングする形態を想定しているが、その際に、光触媒担体１が舞い上がってしまうことなく、多孔質材４の表面に分散された状態で均一的に付着させることができ、且つ多孔質材４を硬化させた後に、その表面に形成される多数の微細孔（凹部）５を塞ぐことのない方法であれば、その他の形態であってもよい。

なお、光触媒コーティング材を多孔質材４の表面に塗布するタイミングは、多孔質材４として、コンクリートやモルタル、セメントを混合した珪藻土等を用いる場合には、光触媒コーティング材に含まれる酸化チタン（ＴｉＯ_２）とセメント水和反応に寄与する成分（例えば、カルシウムイオンその他のイオン成分等）とが反応する可能性のある時間帯とする。

具体的には、このようなタイミングとしては、コンクリートの凝結開始時間（始発時間）までの時間帯が好ましく、遅くともコンクリートの凝結終了時間（終結時間）までが好ましい。コンクリートの凝結時間の測定方法としては、プロテクター貫入試験（ＪＩＳ Ａ １１４７）によって貫入抵抗値を測定し、この貫入抵抗値が５００ｐｓｉ（３．５Ｎ／ｍｍ^２ ）を示す時間を始発時間とし、他方、貫入抵抗値が４，０００ｐｓｉ（２８．０Ｎ／ｍｍ^２）を示す時間を終結時間とする。但し、コンクリートの凝結時間の測定対象は、コンクリートから５ｍｍふるいでふるいわけたモルタルとする。

このようにして測定された始発時間は、コンクリートの再振動締め固めを行う限度の目安となる。また、この始発時間は、打ち継ぎ処理を行う限度の目安となる（厳密には、コールドジョイント防止のためには、始発時間まで経過してしまうと遅すぎるが、始発時間までは、硬化し始めたコンクリート表面が、まだ充分に反応性があることを意味する。）。

上記第１工程によれば、光触媒２は平均粒径の大きな担体３に担持されているため、光触媒２を多孔質材４に担持させる際に塗布・噴霧等の吹き付けを行ったとしても、光触媒２が舞い上がってしまうことはない。また、多孔質材４を硬化させた後、光触媒２は光触媒担体１として多孔質材４の表面に付着した状態にあるため、光触媒２が微細孔（凹部）５に埋められてしまうこともない。その結果、微細孔（凹部）５は光触媒２で塞がれた状態にはないため、多孔質材４の吸着性能が低下することなく、さらに、光触媒２の触媒機能が阻害されることもないため、両者の機能が充分に発揮されるようになる。

また、上記第１工程によれば、光触媒担体１として、色付きの光触媒担体を用いるため、多孔質材４の意匠性を向上させることもできるようになる。

＜第２工程＞
他方、第２工程は、前述のように、第１工程により得られた多孔質材を、光触媒担体１が表面に付着した状態のまま硬化させるという工程である。

上記第２工程において、多孔質材４として珪藻土（水硬性材料）を用いた場合には、その表面に光触媒担体１を付着させた状態のまま放置すれば、珪藻土と水との水和反応によって多孔質材４は自然に硬化する。このため、バインダー（結合剤等）を介することなく、多孔質材４の表面に光触媒２を強固に担持させることができるようになる。多孔質材４を硬化させる方法としては、自然乾燥させる方法だけではなく、ドライヤー等で乾燥させる方法もある。また、多孔質材４の表面をコーティングした後、さらに鏝やローラー等を用いて多孔質材４の表面を平滑化し、あるいは光触媒担体１を多孔質材４の表面に刷り込んでもよい。

なお、本実施形態において、光触媒２である酸化チタン（ＴｉＯ_２）と、多孔質材４である各材料との付着力が確保される理由としては、次のような理由（１）〜（４）が挙げられる。（１）光触媒２にペルオキソチタン酸イオンが含有されている場合には、水和した酸化チタン（Ｔｉ−ＯＨ⁻）の水酸基と、多孔質材４の表面吸着水由来の水酸基とが結合することにより、付着力が確保され、他方、光触媒２に酸化チタン（ＴｉＯ_２）が含有されている場合には、コンクリート中の未反応のカルシウムイオン等が結合することにより、付着力が確保されること。（２）酸化チタン（ＴｉＯ_２）は無機粒子であるため、同じ無機粒子である各種セメントや石灰、プラスター等との親和性が高く、特に、無機表面へ酸化チタン（ＴｉＯ_２）を担持させる場合には、有機表面へ酸化チタン（ＴｉＯ_２）を担持させる場合よりも付着力が確保されやすいこと。（３）担体３であるシリカゲルも無機粒子であり、Ｓｉ（シリカ；珪酸質）が主成分であるため、水和反応で生成する水酸化カルシウムと反応してポゾラン反応を起こす可能性があり、付着力が確保されること。（４）多孔質材４であるコンクリート、モルタル及び各種左官材料の表面には、微小な凹凸を有する微細孔（凹部）５が多数形成されており、酸化チタン粒子や酸化チタン膜がアンカーとして作用することにより、付着力が確保されること。

＝＝＝光触媒を担持した多孔質材＝＝＝
次に、図２を参照しながら、本発明の光触媒を担持した多孔質材について説明する。図２は、本発明の光触媒を担持した多孔質材の表面を示す概略側面図である。

図２に示すように、光触媒２を担持した多孔質材４は、その表面に光触媒担体１が強固に付着しており、この光触媒担体１は、光触媒２が担体３に担持されることにより製造されたものである。光触媒担体１の平均粒径は、微細孔（凹部）５の孔径よりも大きいため、光触媒担体１に担持されている光触媒２が微細孔（凹部）５に埋められてしまうことはない。その結果、微細孔（凹部）５は光触媒２で塞がれた状態にはないため、多孔質材４の吸着性能が低下することなく、また、光触媒２の触媒機能が阻害されることもないため、両者の機能が充分に発揮されるようになる。

具体的には、光触媒である酸化チタン（ＴｉＯ_２）が、珪藻土、モルタル及びコンクリート等の水硬性材料表面の凹部に埋まってしまうことがなくなり、塗布した酸化チタン（ＴｉＯ_２）の大部分が効率的に反応する。このような吸着性能及び触媒性能を調べるために、トルエン濃度を経時的に測定し、トルエン除去性能を試験した。その試験結果を図３及び図４に示す。なお、いずれもシリカゲルに酸化チタン（ＴｉＯ_２）を担持させた光触媒担体１を対象としており、多孔質材４として珪藻土を用いている。

図３は、単回試験を行った際のトルエン除去性能を示すグラフであり、（ａ）は試験回数３回目のトルエン除去性能（３回目）を示し、他方、（ｂ）は試験回数４回目のトルエン除去性能（４回目）を示す。
図３に示すように、（ａ）及び（ｂ）ともに、多孔質材４に光触媒担体１を担持させたものは、ふりかけ、刷り込み、いずれの方法で担持させたとしても、多孔質材４に光触媒担体１を担持させていないブランクのものと比べると、トルエン濃度はより顕著に減少している。このことから、本発明の光触媒の担体方法によれば、多孔質材４に光触媒担体１を担持させることにより、多孔質材４の吸着性能は低下しておらず、また、光触媒２である酸化チタン（ＴｉＯ_２）の触媒性能が阻害されていないこともわかる。

図４は、連続試験（連続４回）を行った際のトルエン除去性能を示すグラフである。

図４に示すように、連続試験（連続４回）を行った場合にも、多孔質材４に光触媒担体１を担持させたものは、ふりかけ、刷り込み、いずれの方法で担持させたとしても、多孔質材４に光触媒担体１を担持させていないブランクのものと比べると、トルエン濃度はより顕著に減少している。このことから、本発明の光触媒の担体方法によれば、多孔質材４に光触媒担体１を担持させることにより、多孔質材４の吸着性能は低下しておらず、また、光触媒２である酸化チタン（ＴｉＯ_２）の触媒性能が阻害されていないこともわかる。

なお、図示していないが、光触媒担体１として、色付きの光触媒担体を用いる場合には、多孔質材４の意匠性が向上する。具体的には、担体３であるシリカゲルに着色したものを用いる等、色付きの光触媒担体を用いる場合には、光触媒２である酸化チタン（ＴｉＯ_２）を担持したカラーコンクリートやモルタル等が製造されるため、多孔質材４の意匠性が向上する。

１ 光触媒担体
２ 光触媒（酸化チタン（ＴｉＯ_２）等）
３ 担体（シリカゲル等）
４ 多孔質材
５ 微細孔（凹部）

Claims (2)

1. 硬化させることにより表面に多数の微細孔を形成する多孔質材に、バインダーを介することなく光触媒を担持させる光触媒の担持方法であって、
   多孔質材を硬化させる前に、光触媒を担体に担持させた光触媒担体を、前記多孔質材の表面に付着させておく第１工程と、
   該第１工程により得られた多孔質材を、前記光触媒担体が前記表面に付着した状態のまま硬化させる第２工程と、
   を有し、
   前記第１工程において、
   前記多孔質材として、水硬性材料を用い、且つ、
   前記光触媒担体として、光触媒である酸化チタン（ＴｉＯ_２）を担体であるシリカゲルに担持させた光触媒担体を用い、
   前記第１工程において、
   プロテクター貫入試験（ＪＩＳ Ａ １１４７）によって測定された貫入抵抗値が３．５Ｎ／ｍｍ ^２ を示す時間となるまでの時間帯に、
   前記光触媒担体を、前記多孔質材の表面に塗布することを特徴とする光触媒の担持方法。
2. 請求項１記載の光触媒の担持方法を使用して得られる、光触媒を担持した多孔質材。