JP5656224B2 - 光触媒体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、紫外線環境下で空気や水に含まれる汚染物質を分解する光触媒体と、その製造方法に関する。
アナターゼ型酸化チタンは光触媒として優れた機能を有することが知られているが、金属との親和性に乏しく、金属製のベースに安定的に担持させることが難しい。
同種金属のチタンをベースとする場合であっても、その表面に焼成などにより担持されたアナターゼ型酸化チタンは、その表面から脱落しやすいという問題があった。
同種金属のチタンをベースとする場合であっても、その表面に焼成などにより担持されたアナターゼ型酸化チタンは、その表面から脱落しやすいという問題があった。
そこで従来より、図６に示すように、ベース６１となるチタンの表面を陽極酸化処理することにより、その表面に同種物質である酸化チタンからなる陽極酸化皮膜６２を形成し、光触媒層６３となるアナターゼ型酸化チタン粒子６４との親和性を向上させることにより光触媒を安定的に担持させる方法が提案されている（特許文献１参照）。
この場合、光触媒として担持される酸化チタン粒子６４の結着性は、ベース６１となるチタンと陽極酸化皮膜６２の結着性と、陽極酸化皮膜６２と酸化チタン粒子６３の結着性に依存するが、双方とも結着性は高く、ベース６１となるチタンに光触媒となる酸化チタン粒子を直接担持させる場合に比べれば、はるかに安定的に光触媒を担持させることができる。
しかしながら、ベース６１の表面と光触媒層６３の間に二つの結着要素が存在するため、何らかの原因で一方の結着性が弱くなれば、光触媒の結着性が低下するという問題が残る。
そこで本発明は、ベースとなるチタンに光触媒となる酸化チタン粒子をより安定的に担持できるようにすることを技術的課題としている。
この課題を解決するために、本発明は、ベースとなるチタンに、光触媒層となるアナターゼ型酸化チタン粒子が焼成担持された光触媒体において、前記ベースの表面に前記酸化チタン粒子を担持させる表面処理層が形成されると共に、当該表面処理層として、ベースとなるチタン表面にプラズマ処理を施した表面改質層と、さらにその表面に陽極酸化処理を施した陽極酸化皮膜層が形成されたことを特徴としている。
本発明によれば、ベースとなるチタンの表面に、酸化チタン粒子を担持させる表面処理層が形成され、その表面処理層はベースとなるチタン表面にプラズマ処理を施して表面改質したものであり、表面に何かを付着させて形成したものではないので、ベースと完全に一体化されており、表面処理層とベースが剥離を起こすことがない。
そして、プラズマ処理された表面に、光触媒となるアナターゼ型酸化チタン粒子が焼成されているが、その結着性は、ベースとなるチタンの表面に形成された陽極酸化皮膜との結着性に比して十分に高かった。
これは、ベースの表面をプラズマ処理することにより、イオンが衝突して表面に付着している不純物を除去することができるため結着性が向上するだけでなく、表面に微細な凹凸が形成されてこの凹凸に酸化チタン粒子が引っかかるため結着性が向上しているものと考えることができる。
これは、ベースの表面をプラズマ処理することにより、イオンが衝突して表面に付着している不純物を除去することができるため結着性が向上するだけでなく、表面に微細な凹凸が形成されてこの凹凸に酸化チタン粒子が引っかかるため結着性が向上しているものと考えることができる。
また、表面処理層として、ベースとなるチタン表面に大気圧プラズマ処理を施すだけでなく、さらにその表面に陽極酸化処理を施した場合でも、ベースとなるチタンの表面に陽極酸化皮膜を直接形成する場合に比して、光触媒の結着性は十分に高かった。
これは、プラズマ処理されていないベースの表面と陽極酸化皮膜との結着性よりも、プラズマ処理されたベースの表面と陽極酸化皮膜との結着性の方が高いためと考えられる。
これは、プラズマ処理されていないベースの表面と陽極酸化皮膜との結着性よりも、プラズマ処理されたベースの表面と陽極酸化皮膜との結着性の方が高いためと考えられる。
本発明は、ベースとなるチタンに光触媒となる酸化チタン粒子をより安定的に担持するという目的を達成するために、ベースとなるチタンに、光触媒層となるアナターゼ型酸化チタン粒子が担持された光触媒体において、前記ベースの表面に前記酸化チタン粒子を担持させる表面処理層が形成されると共に、当該表面処理層として、ベースとなるチタン表面にプラズマ処理を施して表面改質層を形成した。
本例の光触媒体１は、図１に示すように、ベース２となる板状純チタンに、光触媒層３となるアナターゼ型酸化チタン粒子４…が担持されている。
ベース２の表面には、酸化チタン粒子４…を担持させる表面処理層５が形成されており、その表面処理層５として、本例では、ベース２の表面にプラズマ処理を施した表面改質層６が形成されている。
ベース２の表面には、酸化チタン粒子４…を担持させる表面処理層５が形成されており、その表面処理層５として、本例では、ベース２の表面にプラズマ処理を施した表面改質層６が形成されている。
図２は、光触媒体１の製造方法を示し、ベース２の表面に酸化チタン粒子４…を担持させるための表面処理層５を形成する表面処理工程Ｐ１と、その表面処理層５に光触媒層３となるアナターゼ型酸化チタン粒子４…を担持させる焼成工程Ｐ２からなる。
表面処理工程Ｐ１では、ベース２となる板状純チタンの片面あるいは両面（光触媒層３を形成しようとする面）にプラズマ処理を施す。
未処理の板状純チタンは、図２（ａ）に示すように、その表面２ａが平滑であり、そのままでは光触媒が担持されにくいので、この点を改質する。
未処理の板状純チタンは、図２（ａ）に示すように、その表面２ａが平滑であり、そのままでは光触媒が担持されにくいので、この点を改質する。
プラズマ処理を行う大気圧プラズマ処理装置１１は、例えば図２（ｂ）に示すように、ガス流路１２の両側にプラズマ生成用平行電極１３Ａ，１３Ｂが配されたプラズマトーチ１４を備えており、前記電極１３Ａ，１３Ｂ間で生成されたプラズマをその直下を通る被処理物（ベース２）に噴き付けることができるようになっており、プラズマが噴き付けられた被処理物の表面はプラズマイオンの衝突により浄化され、活性化されると共に、表面改質が行われる。
改質された表面２ｂは、図２（ｃ）に示すように、ナノメートルオーダーの微細な先鋭棘状山型突起１５…が多数形成されており、これが表面改質層６となって前記表面処理層５を形成している。
次いで、その表面処理層５にアナターゼ型酸化チタン粒子４…を担持させる焼成工程Ｐ２を行う。
焼成工程Ｐ２では、図２（ｄ）に示すように、表面処理工程Ｐ１を終了したベース２の表面処理層５に、アナターゼ型酸化チタン粒子４…が分散されたスラリー１６を塗布し、あるいは、ベース２をスラリー１６中にディッピングした後、図２（ｅ）に示すように焼成炉１７で５５０℃で焼き付けると、図２（ｆ）に示すように、スラリー１６の分散剤が蒸発し、表面処理層５の上にアナターゼ型酸化チタン粒子４…が焼き付けられて担持され、これにより光触媒層３が形成されて光触媒体１が完成する。
焼成工程Ｐ２では、図２（ｄ）に示すように、表面処理工程Ｐ１を終了したベース２の表面処理層５に、アナターゼ型酸化チタン粒子４…が分散されたスラリー１６を塗布し、あるいは、ベース２をスラリー１６中にディッピングした後、図２（ｅ）に示すように焼成炉１７で５５０℃で焼き付けると、図２（ｆ）に示すように、スラリー１６の分散剤が蒸発し、表面処理層５の上にアナターゼ型酸化チタン粒子４…が焼き付けられて担持され、これにより光触媒層３が形成されて光触媒体１が完成する。
このとき、表面処理層５の表面はプラズマ処理されて浄化され、その表面に付着していた不純物が除去されて結着性が向上するだけでなく、その表面が活性化され、さらに、その表面にナノメートルオーダーの微細な先鋭棘状山型突起が多数形成されるため、その凹部に酸化チタン粒子４…が引っかかりやすく、光触媒層３が表面処理層５に強固に結着されることとなる。
したがって、光触媒層３を形成する酸化チタン粒子４…が脱落しにくい。
したがって、光触媒層３を形成する酸化チタン粒子４…が脱落しにくい。
このように形成された板状の光触媒体１を、例えば空気清浄機や浄水器の送風送水ファンなどに用いれば、別途光触媒フィルタなどを装着することなく、光触媒による空気清浄効果、浄水効果が期待できる。
例えば、図３に示す空気清浄機２１は、空気処理室２２にモータ２３で駆動される送風ファン２４が配されており、空気流入口２５から未処理空気を吸い込んで、空気流出口２６から処理済空気を流出する。
送風ファン２４のブレード２７は、板状の光触媒体１により形成されており、送付ファン２４の周囲には、その光触媒体１に担持された光触媒層３を紫外線励起するＬＥＤなどの紫外線光源２８…が配されている。
これによれば、紫外線光源２８…を点灯させた状態で送風ファン２４を回転することにより、空気流入口２５から吸い込まれた未処理空気が、紫外線励起された光触媒層３にあたって拡販されるので、別途光触媒フィルタなどを設けるまでもなく、空気浄化が可能となる。
なお、浄水器として使用する場合は、モータ２３及び光源２６…を防水処理をして配すればよい。
例えば、図３に示す空気清浄機２１は、空気処理室２２にモータ２３で駆動される送風ファン２４が配されており、空気流入口２５から未処理空気を吸い込んで、空気流出口２６から処理済空気を流出する。
送風ファン２４のブレード２７は、板状の光触媒体１により形成されており、送付ファン２４の周囲には、その光触媒体１に担持された光触媒層３を紫外線励起するＬＥＤなどの紫外線光源２８…が配されている。
これによれば、紫外線光源２８…を点灯させた状態で送風ファン２４を回転することにより、空気流入口２５から吸い込まれた未処理空気が、紫外線励起された光触媒層３にあたって拡販されるので、別途光触媒フィルタなどを設けるまでもなく、空気浄化が可能となる。
なお、浄水器として使用する場合は、モータ２３及び光源２６…を防水処理をして配すればよい。
図４は本発明の他の実施形態を示す。なお、実施例１と共通する部分は同一符号を付して説明する。
本例の光触媒体３１は、図４に示すように、ベース２となる板状純チタンに、光触媒層３となるアナターゼ型酸化チタン粒子４…が担持されている。
ベース２の表面には、酸化チタン粒子４…を担持させる表面処理層５が形成されており、その表面処理層５として、ベース２の表面にプラズマ処理を施した表面改質層６と、さらにその表面に陽極酸化処理を施した陽極酸化皮膜層３２が形成されている。
本例の光触媒体３１は、図４に示すように、ベース２となる板状純チタンに、光触媒層３となるアナターゼ型酸化チタン粒子４…が担持されている。
ベース２の表面には、酸化チタン粒子４…を担持させる表面処理層５が形成されており、その表面処理層５として、ベース２の表面にプラズマ処理を施した表面改質層６と、さらにその表面に陽極酸化処理を施した陽極酸化皮膜層３２が形成されている。
図５は、光触媒体３１の製造方法を示し、ベース２の表面に酸化チタン粒子４…を担持させるための表面処理層５を形成する表面処理工程Ｐ１と、その表面処理層５に光触媒層３となるアナターゼ型酸化チタン粒子４…を担持させる焼成工程Ｐ２からなり、表面処理工程Ｐ１は、ベース２となるチタンの表面改質を行うプラズマ処理工程Ｐ１１と、さらにその表面に陽極酸化皮膜層３２を形成する陽極酸化処理工程Ｐ１２とからなる。
プラズマ処理工程Ｐ１１では、ベース２となる板状純チタンの片面あるいは両面（光触媒層３を形成しようとする面）にプラズマ処理を施す。
未処理の板状純チタンは、図５（ａ）に示すように、その表面が平滑であるため、後処理される陽極酸化皮膜３２の密着性を向上させるため、プラズマ処理を行う。
未処理の板状純チタンは、図５（ａ）に示すように、その表面が平滑であるため、後処理される陽極酸化皮膜３２の密着性を向上させるため、プラズマ処理を行う。
プラズマ処理を行う大気圧プラズマ処理装置１１は、例えば図５（ｂ）に示すように、ガス流路１２の両側にプラズマ生成用平行電極１３Ａ，１３Ｂが配されたプラズマトーチ１４を備えており、前記電極１３Ａ，１３Ｂ間で生成されたプラズマをその直下を通る被処理物（ベース２）に噴き付けることができるようになっており、プラズマが噴き付けられた被処理物の表面はプラズマイオンの衝突により浄化され、活性化されると共に、表面改質が行われる。
改質された表面は、図５（ｃ）に示すように、ナノメートルオーダーの微細な先鋭棘状山型突起１５…が多数形成されており、これが表面改質層６となる。
次いで、その表面に陽極酸化皮膜層３２を形成する陽極酸化処理Ｐ１２を行う。
陽極酸化処理工程Ｐ１２は、図５（ｄ）に示すように、リン酸浴（例えばリン酸３％水溶液）中で、陽極となる板状純チタン（ベース２）と陰極との間に所定電圧を印加して行われ、その結果、図５（ｅ）に示すように、ベース２の表面が酸化されて酸化チタンからなる陽極酸化皮膜層３２が形成される。
陽極酸化処理工程Ｐ１２は、図５（ｄ）に示すように、リン酸浴（例えばリン酸３％水溶液）中で、陽極となる板状純チタン（ベース２）と陰極との間に所定電圧を印加して行われ、その結果、図５（ｅ）に示すように、ベース２の表面が酸化されて酸化チタンからなる陽極酸化皮膜層３２が形成される。
このとき、陽極酸化皮膜層３２が形成される表面改質層６の表面は、プラズマ処理により浄化され、その表面に付着していた不純物が除去されて結着性が向上するだけでなく、その表面が活性化され、さらに、その表面にナノメートルオーダーの微細な先鋭棘状山型突起が多数形成されるため、濡れ性が向上され、その表面に均一で強固に結着された陽極酸化皮膜層３２を形成することができる。
次いで、プラズマ処理による表面改質層６及び陽極酸化皮膜層３２からななる表面処理層５にアナターゼ型酸化チタン粒子４…を担持させる焼成工程Ｐ２を行う。
焼成工程Ｐ２では、図５（ｆ）に示すように、表面処理工程Ｐ１を終了したベース２の表面処理層５に、アナターゼ型酸化チタン粒子４…が分散されたスラリー１６を塗布し、あるいは、ベース２をスラリー１６中にディッピングした後、図５（ｇ）に示すように焼成炉１７で５５０℃で焼き付けると、図２（ｈ）に示すように、スラリー１６の分散剤が蒸発し、表面処理層５の上にアナターゼ型酸化チタン粒子４…が焼き付けられて担持され、これにより光触媒層３が形成されて光触媒体３１が完成する。
焼成工程Ｐ２では、図５（ｆ）に示すように、表面処理工程Ｐ１を終了したベース２の表面処理層５に、アナターゼ型酸化チタン粒子４…が分散されたスラリー１６を塗布し、あるいは、ベース２をスラリー１６中にディッピングした後、図５（ｇ）に示すように焼成炉１７で５５０℃で焼き付けると、図２（ｈ）に示すように、スラリー１６の分散剤が蒸発し、表面処理層５の上にアナターゼ型酸化チタン粒子４…が焼き付けられて担持され、これにより光触媒層３が形成されて光触媒体３１が完成する。
このとき、表面処理層５の陽極酸化皮膜層３２は酸化チタンで形成されているため、触媒層を形成するアナターゼ型酸化チタン粒子４…との結着性が高く、また、その表面２ｃにはナノメートルオーダーの微細な膨れ３３…が多数形成されるため、隣接する膨れ３３の間の凹部に酸化チタン粒子４…が引っかかり、形状的にも光触媒層３が表面処理層５に強固に結着されることとなる。
そして、光触媒層３を形成する酸化チタン粒子４…を直接担持する陽極酸化皮膜層３２は、ベース２の表面をプラズマ処理した表面改質層６に強固に結着されているため、光触媒層３の酸化チタン粒子４…は脱落しにくい。
そして、光触媒層３を形成する酸化チタン粒子４…を直接担持する陽極酸化皮膜層３２は、ベース２の表面をプラズマ処理した表面改質層６に強固に結着されているため、光触媒層３の酸化チタン粒子４…は脱落しにくい。
なお、このように形成された板状の光触媒体３１を、図３に示すような空気清浄機や浄水器の送風送水ファンなどに用いれば、別途光触媒フィルタなどを装着することなく、光触媒による空気清浄効果、浄水効果が期待できる点は、実施例１と同様である。
本発明は、紫外線環境下で空気や水に含まれる汚染物質を分解する光触媒体に用いて好適である。
１ 光触媒体
２ ベース
３ 光触媒層
４ アナターゼ型酸化チタン粒子
５ 表面処理層
６ 表面改質層
Ｐ１ 表面処理工程
Ｐ２ 焼成工程
２１ 空気清浄機
２４ 送風ファン
２７ ブレード
３１ 光触媒体
３２ 陽極酸化皮膜層
３３ 膨れ
Ｐ１１ プラズマ処理工程
Ｐ１２ 陽極酸化処理工程
２ ベース
３ 光触媒層
４ アナターゼ型酸化チタン粒子
５ 表面処理層
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Ｐ１ 表面処理工程
Ｐ２ 焼成工程
２１ 空気清浄機
２４ 送風ファン
２７ ブレード
３１ 光触媒体
３２ 陽極酸化皮膜層
３３ 膨れ
Ｐ１１ プラズマ処理工程
Ｐ１２ 陽極酸化処理工程
Claims (3)
- ベースとなるチタンに、光触媒層となるアナターゼ型酸化チタン粒子が焼成担持された光触媒体において、
前記ベースの表面に前記酸化チタン粒子を担持させる表面処理層が形成されると共に、当該表面処理層として、ベースとなるチタン表面にプラズマ処理を施した表面改質層と、さらにその表面に陽極酸化処理を施した陽極酸化皮膜層が形成されたことを特徴とする光触媒体。 - 前記請求項１の光触媒体を板状に形成し、その板状の光触媒体でブレードが形成された空気清浄機用又は浄水機用の送風送水ファン。
- ベースとなるチタンに、光触媒層となるアナターゼ型酸化チタン粒子が焼成担持された光触媒体の製造方法において、
前記ベースの表面に、前記酸化チタン粒子を担持させる表面処理層を形成する表面処理工程と、その表面処理層に光触媒層となるアナターゼ型酸化チタン粒子を担持させる焼成工程を有し、
前記表面処理工程が、ベースとなるチタンの表面改質を行うプラズマ処理工程と、さらにその表面に陽極酸化皮膜を形成する陽極酸化処理工程とからなることを特徴とする光触媒体の製造方法。
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