JP6223327B2 - 触媒活性金属反応発泡材料の製造及びその応用 - Google Patents

Description

本発明は、光流体リアクタ（ｏｐｔｏｆｌｕｉｄｉｃ ｒｅａｃｔｏｒ）に関し、故にバクテリア、ウイルス又は微ダスト及び真菌胞子、並びに他の有害な物質を除去する触媒材料に関する。

当該分野では光流体リアクタとして光触媒物質を使用することが知られている。このような物質は例えば、好ましくは正方晶、アナターゼの結晶形態である酸化チタン（ＴｉＯ_２）である。太陽光が照射されるとき、後者は、不純物又は他の汚染物質を壊して無害な物質にする電子を放出する。酸化物の電子の放出及び付随する光触媒反応は、数多くの物理的及び化学的プロセスから構成される。本質的に、酸素ラジカルは自由電子によって酸化物表面に形成されるが、前記ラジカルはまた、活性酸素とも呼ばれる。これらの酸素ラジカルは、超酸化物アニオン、ヒドロキシルラジカル、ペルオキシルラジカル、又はアルコキシルラジカルなどのフリーラジカルと、また、既知の酸素ペルオキシド、ヒドロペルオキシド、オゾン又は次亜塩素酸アニオンなどの安定な分子ラジカルと、を含む。これらの酸素ラジカルは、酸化物表面に接触するときに、分子及び有機汚染物質を分解する。活性酸素はまた、悪臭物質及び窒素酸化物などの空気汚染物質、並びに有機微ダストを分解する。加えて、この酸素は、バクテリア及びウイルスを殺し、さらにはＳＡＲＳ及びＨ５Ｎ１などの攻撃的な病原菌でさえも、酸化物表面との接触の際に効果的に制御される。

本発明の目的は特に、高い効率度（ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を有する光流体リアクタを提供することである。

本目的は、
ａ）一方で、光触媒と流体流動とを結び付ける触媒材料の製造によって達成され、
ｂ）他方で、触媒的に作用する金属又は金属酸化物を有する金属マトリクスが表面に形成されたコーティングを提供することによって達成される。

これらの２つの側面は、有利には互いに結び付けられ得る。

ａ）の流体流動の目的のために、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリエステル又はポリエーテルで作られた網状のプラスチック発泡体が作り出され、基礎発泡体として網状化される。網状化の間、薄い中間壁が、発泡体を流体透過性にするために、個々の発泡体組織の間で部分的に開口される。このような発泡体は、流体が流れるときに流体によって接触される巨大な表面積を有する。流体は、洗浄される空気であるか、又は洗浄される水であり得る。これに関して、光流体リアクタは好ましくは、室内空気又は水の処理に使用される。

水を処理するために、光流体リアクタはガラスなどのＵＶ光を透過できる層の間に埋め込まれ得るが、それは保護のためである。それは次いで、洗浄される水路の流れ勾配に挿入される。粗い懸濁粒子を濾過するためのプレフィルタがその上流に配置され得る。

流体流動に適切なこのような網状発泡体は有利には、３４ｐｐｉ（ｐｏｒｅｓ ｐｅｒ ｉｎｃｈ）までの孔数を有する。例として、孔数は、平均９ｐｐｉ（８から１０ｐｐｉの変動幅）、平均１０．５ｐｐｉ（８から１３ｐｐｉの変動幅）、平均１４．５ｐｐｉ（１２から１７ｐｐｉの変動幅）、平均１９．５ｐｐｉ（１６から２３ｐｐｉの変動幅）、平均２５．５（１２から２９ｐｐｉの変動幅）、又は平均３０．５（２７から３４ｐｐｉの変動幅）である。

網状の基礎発泡体は次いで、さらなるプロセスステップにおいて、少なくとも１つの第１金属層又は金属合金層で覆われる。結果として、発泡体は硬化され、結果として生じる例えばプレート形態である固体複合材料は、室内の天井部材として、又は分離壁としてここでは使用され得る。この金属コーティングの結果、基礎材料、つまり発泡体の光による脆化は防止される。加えて、このように覆われた発泡体は、適切な金属又は金属合金の選択によって装飾標準に適合する。金属の層厚は、覆われた発泡体材料が固有の耐荷重能力を確保するようにここでは選択される。これはまた、それがパネルとして作られる場合に、複合材料のたわみ又は曲げを防止するのに役立つことができる。材料の強度は、金属の層厚を選択することによって良好に制御され得る。連続して幾つかの金属層を適用することも可能である。適切な層厚は、少なくとも１マイクロメートルを有する。薄い発泡体パネルでは蒸着を用いた金属コーティングが良好な結果を提供する一方で、湿式化学コーティング方法は相対的に厚い発泡体パネルに対して有利であるが、それは、相対的に厚い発泡体がそれによってその中心まで良好に覆われ得るからである。

すべての物理的、熱的、又は湿式化学的に堆積可能な金属又は金属合金が、コーティング金属として適切である。

金属で覆われた発泡体複合体はここでは、続いて適用される触媒活性層、つまり光触媒基板に対して理想的な基板である。使用に適した光触媒基板は、好ましくは正方晶、アナターゼの結晶形態である二酸化チタン（ＴｉＯ_２）であるか、又は、銅、ニッケル、亜鉛、錫、コバルト若しくはマンガンあるいはその合金若しくはその酸化物で作られ、また個々の酸化物の混合物である金属層である。銀、パラジウム若しくはプラチナ又は合金で作られた貴金属層、及びその組成物もまた、光触媒基板として適切である。

そして、少なくとも１つの第１金属層から生じるその強度により、その作用を失うことなく容易に水などで洗浄され得る光流体リアクタが作り出された。

本発明による光触媒と流体流動との上記結合は、触媒の効率の多大な改善を示す。発泡体に製造されたチャネル及び発泡体における枝（ｂｒａｎｃｈｅｓ）などの分岐（ｂｒａｎｃｈｉｎｇ ｏｆｆ）は、表面積と流体体積の大きな比率を確保し、したがって本発明による光流体リアクタは良好な純化を達成する。

好ましい例示の実施形態が以下で説明される：１２−１７ｐｐｉの好ましい孔数及び１０ｍｍの厚さを有する網状プラスチック発泡体が、第１コーティングステップにおいて、数ナノメートルから１マイクロメートル以上の厚さを有する銅層で覆われるが、前記銅層は、蒸着、スパッタリング、又は電気めっきによって発泡体に適用される。この第１金属層は次いで、２０μｍを超える層厚を有する銅、鉄又はアルミニウムを使用する金属めっきを用いたさらなる層によって強化される。ニッケル、ホワイトブロンズ、又はコバルト−錫層は、腐食保護としてこの銅層への電気めっきによって適用され、また、抗アレルギー性コバルト−錫層と結合され得る。この層又は層の組み合わせの代わりに、例えばパラジウム、プラチナ若しくは銀又はその合金の貴金属層を、上述の金属、つまりニッケル、亜鉛、ホワイトブロンズ、コバルト若しくは錫の１つを有する合金として、適用することもまた可能である。少なくとも５μｍの層厚が有利であると示されている。

コーティングによって得られる金属材料は次いで、発泡体を浸漬若しくはフローコーティングすることによって、又はそれをその上にスプレーすることによって、光触媒基板としての二酸化チタン層で覆われる。

コーティングは、ゾルゲル法によって製造される水又は溶媒ベースの二酸化チタン溶液である。その光触媒効果に加えて、このコーティングは、超親水性、自己洗浄性、及び強抗菌性である。

室内の天井パネル又は空間仕切り板は、上記説明による材料から得られる成形体で作られ得、故に室内の空気を洗浄する。室内空間に取り付けられ得る設計要素もまた、室内空気を洗浄するのに有利である。ここでは、最も多様性のある材料の形態が形成され得る。このような実施形態では、室内空気の洗浄効果に加えて、音の吸収が顕著である。例えば、室内部材はオープンプラン式オフィスで有益に採用され得、故にノイズを低減し得る。

成形の目的で、例えばパネルなどの個別の光流体要素が互いに接続され得、例えば接着によって接合され得る。ここでは、十分なＵＶ光がこうして接続された要素の中央に浸透でき、且つ流動が確保されることに注意が払われるべきである。

その間にＵＶランプが埋め込まれる部材で作られたリアクタが有利であると証明された。前記ランプはリアクタの中央から外側に向かってＵＶ光を放射する。放射されるＵＶ光に加えて、関連するランプは追加的に可視光範囲の光を放射でき、したがってこのようなリアクタはまた、光としての機能を果たす。こうして得られるランプの対流（ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ）の結果、関連するランプはまた、このように、結果として生じる熱によって光流体リアクタの強制フラッシング（ｃｏｍｐｕｌｓｏｒｙ ｆｌｕｓｈｉｎｇ）をもたらす。

本発明によると、本質的な機能要素として上記の光流体リアクタを有する換気ユニットもまた含まれる。このような換気ユニットは換気装置等を有し、光流体リアクタを通じて空気を無理に送る。光触媒リアクタのこの強制フラッシングは、空気の洗浄効果を何倍にも増加させる。有利な方法では、このような換気ユニットにおける光流体リアクタとしての本発明による発泡材料は、容易に交換でき、つまり分解でき、また洗浄できる。

本発明による光流体リアクタはまた、有利には空気吸引フードのためのフィルタ本体として使用され得る。それらは、キッチンのための、又は例えば溶媒、溶接煙、若しくは煙ガスなどの煙を排出するための技術分野において使用される。

上記で既に示したように、光流体リアクタの光触媒効果は、ＵＶ−Ａランプによって照射される場合に有利には増加され得る。換気ユニット、空気吸引フード、又は室内成形体の有利な実施形態はしたがって、必要に応じて光流体リアクタを照射するのに役立つＵＶ−Ａランプを有する。したがって、このようなＵＶランプで照射される本発明による金属発泡材料で作られた設計体を形成することもまた適切である。

光流体リアクタのための初期材料として使用され得る網状基礎発泡体の図面である。 光流体リアクタのための初期材料として使用され得る網状基礎発泡体の図面である。図２は、図１からの発泡体の拡大図である。

金属マトリクスが表面に形成されるという解決策ｂ）に関し、新たなコーティングが以下に示されるが、それはバクテリア、ウイルス、及び他の一般的な不純物の除染に役立つ。上記の、且つ最も多様な用途に対して説明された網状基礎発泡体に対するコーティングに加えて、流体フラッシングのないコーティング用途もまた追加的に存在するが、それは、ドアノブ、衛生器具、又は接触され故にバクテリア及びウイルスでの汚染に曝される全ての表面などである。これは、プライベートの家庭、病院、又は公共施設での用途に関連する。

電気めっき電解質において、ダイヤモンドダスト、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣＢＮ、ＷＣ、ＴｉＣ、ＰＴＦＥ、又はグラファイトなどの異なる物質を分散し、且つ、摩耗を低減し、温度抵抗を増加させ、又は滑り特性を改善するために、各要素上に電気めっき（例えば、スルファミン酸ニッケル、ワット硫酸ニッケル（Ｗａｔｔｓ ｓｕｌｆａｔｅ ｎｉｃｋｅｌ）など）又は外部無電流（ｅｘｔｅｒｎａｌｌｙ ｃｕｒｒｅｎｔｌｅｓｓ）（例えばケミカルニッケル（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｎｉｃｋｅｌ）など）によって各電解質を用いてそれらを堆積させることが知られている。

本発明によると、好ましくはアナターゼ形態であるＴｉＯ_２は、いわゆるＴｉＯ_２−金属マトリクス層としての光触媒活性分散層として使用される。

ＴｉＯ_２の好ましい粒子サイズは、０−３μｍである；例えば、ＫＲＯＮＯＣｌｅａｎ（登録商標）７０００及びＫＲＯＮＯＣｌｅａｎ（登録商標）７０５０。

略２０ｎｍのサイズを有するナノスケールのＴｉＯ_２粒子を使用することもまた可能であり、ここで、集塊問題の理由でその懸濁液の製造は複雑であり得るが、実現可能である。ナノスケールの粒子と関連して、補助として分散剤を採用するのが有益である。

例えばＴｉＯ_２−ＥＮｉＰ（ケミカルニッケル−リン金属層を伴うＴｉＯ_２）又は電気めっきされたＮｉＰを用いたコーティング手順の基礎的なプロセスが、空気及び水を洗浄するための網状発泡体に対して以下に説明され、また、プラスチック要素と関連して説明される。

１．第１コーティングステップにおいて、網状発泡体は好ましくは、蒸着又は外部無電流方法（ケミカルカッパー（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｐｐｅｒ））によって、＞１μｍの銅層で覆われる。

２．発泡体が固有の剛性を得るまで、第１金属層は電気めっきによって、１０μｍを超える層厚を有する銅、鉄、又はアルミニウム（好ましくはＣｕ）で覆われる。

３．例えばＮｉ、ホワイトブロンズ、イエローブロンズ、ＮｉＰ、Ｃｒ、ＮｉＣｏ、ＥＮｉＣｏＰなどの、＞５μｍの層厚を有する別の金属層又は金属合金層が、この層に適用される。

４．例えばＮｉＰ−ＴｉＯ_２などの、＞１μｍの層厚を有する光触媒層が、この層に適用される。

ポイント２によって製造された第１金属層に、＞１μｍの層厚を有するＣｕ−ＴｉＯ_２層を適用することもまた可能である。

一実施形態によると、さらなる中間層なしに銅層２に直接光触媒層を適用することが可能である。

一実施形態によると、光触媒層４に、例えばブライトクロム、又は例えばＡｕ、Ｐｄ、Ｒｔ、若しくはＰｔなどの貴金属の層を適用することもまた可能である。金属ワークピースの場合、ステップ１は省略される。

ステップ４による、ＴｉＯ_２−Ｎｉ堆積物を有する金属マトリクスを形成するための電解質を製造する例示的実施形態は、以下の通りである。

以下の組成を有するワット（硫酸）ニッケル電解質：
ＮｉＳＯ_４．６Ｈ_２Ｏ ３５０ｇ／ｌ
ＮｉＣｌ_２．６Ｈ_２Ｏ ４５ｇ／ｌ
Ｈ_３ＢＯ_３ ４５ｇ／ｌ
Ｔ ５５℃
ｐＨ ４
ＴｉＯ_２ ２０−１５０ｇ／ｌ、粒子サイズ０−３μｍ
カソード電流密度 ５Ａ／ｄｍ^２
カチオン活性フルオロ界面活性剤 ０．２ｇ／ｌ ＦＴ２４８（ＢＡＳＦ社）

５０重量％までの組み込み率（ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ）が、この組成を用いることで可能である。

一実施形態によると、孔の形成を抑止するために、ドデシル硫酸ナトリウムなどの湿潤剤、又は電気化学物質（ｇａｌｖａｎｏｃｈｅｍｉｃａｌ）供給会社からの標準的な湿潤剤を使用することもまた可能である。

機械的撹拌を用いた電解質の動きにより、ＴｉＯ_２粒子は懸濁した状態で保たれる。穏やかな空気の導入が有利である。

それぞれの正確なＴｉＯ_２濃度は、酸化物と要素形状との所望の組み込み率、並びに通常は要素（表面粗さ、マイクロ形状など）によって決まる。

撹拌速度及び適用される電流密度もまた、要素形状及び示されたマイクロ構造に応じて組み込み率に本質的な影響を有する。

ｐＨ値を正確に維持することもまた必須であるが、それは、組み込まれるＴｉＯ_２粒子の製造の結果、例えば前駆体物質などの残留物が依然として接着できるからである（アルカリ性及び酸性）。ＴｉＯ_２金属マトリクス堆積物は、マトリクス金属としての種々の電解質で可能である。

採用され、且つ（電流を伴う）電気めっきによって製造される適切なマトリクス金属は、ＮｉＰ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、ルテニウム、ロジウムなどの貴金属、及びその異なる合金である。スルファミン酸電解質又はイオン液体もまた使用され得る。

ケミカルニッケル−リン、及び例えばＮｉ−Ｃｏ−Ｐ（ヒドラジン還元剤）、Ｃｏ−Ｐ、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｐ、Ｎｉ−Ｗ−Ｐ、Ｎｉ−Ｍｏ−Ｐ及びケミカルカッパーなどの種々の合金などの外部無電流方法でのマトリクス金属もまた適切である。

これらのＴｉＯ_２組み込み層の主な利点は、触媒活性粒子が高耐摩耗性金属マトリクスにしっかりと固定され、故に非常に長い活性耐久期間が予期されることである。

加えて、コーティングの摩耗が生じた時でも、任意の箇所において、表面に露出された新たなＴｉＯ_２粒子が常に存在し、故にコーティングが完全に摩耗するまで効果が得られる。ゾルゲル法、印刷方法、（ウェット、コーティングパウダー）、又は薄膜方法（スパッタリング、蒸着など）で適用されるコーティングとは対照的に、金属マトリクスのこれらのコーティングは、比較できないほど長く続き、故に、例えば特に、異なるバクテリア及びウイルスで汚染された病院において、例えば頻繁に接触のストレス下となる摩耗条件下の要素及び表面にとって運命的である（ｐｒｅｄｅｓｔｉｎｅｄ）。

このように作られたＴｉＯ_２金属マトリクス層は、光の存在下でそれらが連続的にドアノブ、グリップ面などにおけるウイルス及びバクテリアを破壊するという主な利点を有し、故に、接触汚染による病気の感染及び伝染から、洗浄サイクルを超えて最大限保護される。

ＴｉＯ_２粒子の環境への導入は故に、耐摩耗性の小さい印刷層上で最小化される。

記載の手順方法を用いて、プラスチック、ガラス又はカーボンベース材料で作られたフリース、織物などの繊維ベース材料を金属で覆うこともまた可能である。

Claims (8)

1. 汚染物質を除去するための触媒材料を製造する方法であって、
   ａ）少なくとも１０ｍｍの厚さを有する網状プラスチック発泡体で作られたパネルを提供するステップと、
   ｂ）前記パネルの表面に２つの金属層を適用するステップであって、前記金属は銅である、ステップと、
   ｃ）浸漬、フローコーティング、又はスプレーによって、ゾルゲル法において溶液から光触媒ＴｉＯ_２物質を適用するステップと、
   を含み、ステップｂ）の後であってステップｃ）の前に、アルミニウム、ニッケル、錫、亜鉛、銀、パラジウム、プラチナ、又はその合金のさらなる金属層が適用されることを特徴とする、方法。
2. 前記さらなる金属層の前記金属は、ニッケル、錫、銀、又はその合金から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 汚染物質を除去するための触媒材料であって、
   ａ）少なくとも１０ｍｍの厚さを有する網状プラスチック発泡体で作られたパネルと、
   ｂ）前記パネルの表面上の２つの金属層であって、前記金属は銅である、金属層と、
   ｃ）光触媒ＴｉＯ_２物質と、
   を含み、ｂ）２つの銅層とｃ）光触媒ＴｉＯ_２物質との間に、アルミニウム、ニッケル、錫、亜鉛、銀、パラジウム、プラチナ、又はその合金で作られたさらなる金属層が適用されることを特徴とする、触媒材料。
4. 前記さらなる金属層の前記金属は、ニッケル、錫、銀、又はその合金から選択されることを特徴とする、請求項３に記載の触媒材料。
5. 請求項３または４に記載の触媒材料のパネルを含み、且つその間にＵＶランプが埋め込まれている、バクテリア、ウイルス、真菌胞子、及び微ダストを流体から除去するためのリアクタ。
6. 前記流体は洗浄される空気であることを特徴とする、請求項５に記載のリアクタ。
7. 前記リアクタは換気ユニットをさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載のリアクタ。
8. 前記流体は純化される水であることを特徴とする、請求項５に記載のリアクタ。

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