JP6424347B2 - 一液型光触媒コーティング組成物及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、１液型光触媒コーティング組成物及びその製造方法に関し、より詳しくは、作業者が被着対象物に１回のみの塗布作業により光触媒分子を効率的に取り付けることができ、それによって優れた光触媒効果が得られる、１液型光触媒コーティング組成物及びその製造方法に関する。
一般的に、光触媒は、外部から光を受け入れて化学反応を促進させる現状を意味し、このような光化学反応を促進させる物質には、半導体・色素・葉緑素などが挙げられる。
光触媒は、有害物質を酸化分解する性質を有していることが判明されるにつれて、環境汚染を取り除き、抗菌や脱臭性能を利用するか、超親水性の機能を応用して、セルフクリーニング効果を有する硝子とタイル、清掃機、エアクリーナー、冷蔵庫、道路の鋪装、カーテン、壁紙、人工観葉植物、コンクリート製品、セラミックス製品、及び硝子などの多様な製品に適用されている。
近来、一般的に使われている光触媒として、半導体性の金属酸化物や硫黄化合物が主に利用されている。このような光触媒効果を有する代表的な例には、ＺｎＯ、ＷＯ３、ＳｎＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＣｄＳ、ＣｄＳｅなどが挙げられる。
特に、ＴｉＯ２光触媒は、安価であり、人体に無害であり、光をエネルギー源として使うようになり、半永久的な使用の可能であるという利点があるため、環境に優しいと共に、経済的な製品として脚光を浴びている。
光触媒物質が光触媒効果を発揮する理由は、次のような反応メカニズムによるものであることが広く知られている。
光触媒物質に対して一定の領域の光エネルギーが加えられれば、多量の電子（ｅ−）が価電子帯（Ｖａｌｅｎｃｅ Ｂａｎｄ）から伝導帯（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｂａｎｄ）に励起され、価電子帯（Ｖａｌｅｎｃｅ Ｂａｎｄ）には多量の正孔（ｈ＋）が形成される。この際、前記正孔（ｈ＋）が水と反応して水酸ラジカル（ＯＨ−）を生成し、反対となる還元反応では空気中の酸素を還元させてスーパーオキサイド陰イオン（Ｏ２ −）の活性酸素を生成する。このような水酸ラジカルは、高い酸化、還元電位を有しているため、ＮＯｘ、ＳＯｘ、揮発性有機化合物（ＶＯＣｓ）、及び各種悪臭の浄化に卓越な効果を有していることが判明されている。
このような光触媒効果の応用分野は非常に多様である。例えば、よく知られているように、建築物の外壁に使われ、新居症侯群の原因として指目されているフォルムアルデヒドなどの有害物質の除去、事務室や室内空間から発生される汚染物の脱臭除去、産業現場からの各種の有機物と有害性ガスの酸化除去、難分解性染色廃水の分解反応、車から排出される各種のＮＯｘの除去のための道路の表面や道路の舗装への適用、自己洗浄効果のための洗浄機、エアクリーナー、冷蔵庫などで多様な形態で使われ得る。
ところが、このように優れた光触媒効果を有する場合であっても、実際の応用分野では非常に制限的である。その理由は、主に光触媒物質を長期間使うために、被着体に安定した状態で固定化させる技術が未だ開発されていないからである。
近来、一般的に知られている光触媒物質の固定化方式は、大体、以下のように有機バインダー混合方式、無機バインダー混合方式、光触媒直接固定方式、及び２液型固定方式などに分類できる。
先ず、前記有機バインダー混合方式は、前記光触媒物質を有機物バインダーに一定分量で混合し、その混合物を被着体に塗布するか、ラミネイティング処理することで光触媒効果を達成したい。しかし、この方式は、前記光触媒物質の酸化還元反応によって有機バインダー成分が分解を発生させるため、耐候性が良くないという問題がある。
次に、前記無機バインダー混合方式は、有機バインダー混合方式の問題点を改善し、有機バインダーの代りに無機質バインダー成分を光触媒物質と混合して使う方式である。この場合、前記光触媒反応によって無機バインダー成分が容易には分解されない利点があるものの、光触媒効果を発揮する前記光触媒物質を無機バインダー成分が包んでいるため、実質的に光触媒効果を期待することは難しい問題がある。
一方、前記光触媒直接固定方式は、有機物バインダーまたは無機物バインダーを使わずに、光触媒物質を被着対象物の表面に直接に固定させる方法である。この方法は、光触媒物質が被着対象物に直接に固定され、その周辺またはその表面を異物（すなわち、バインダー成分）が存在しないので、理論上、光触媒効果を最も良く発揮できる利点がある。ところが、被着対象物に光触媒物質を噴射した後、前記光触媒物質を前記被着対象物に直接に固定させるためには、高価の装備を使わなければならず、また前記被着対象物の使用範囲が非常に制限的であるという問題がある。
一方、前記２液型固定方式は、前述した従来の方法を一層改良したものであって、先ず、被着対象物の表面に無機質バインダー成分を適用して無機質バインダー層を形成させ、その後、光触媒物質を前記無機質バインダー層上に噴射させることで、前記光触媒物質を固定させる方法である。この方法は、前記光触媒物質がバインダー成分によって埋沒されない利点があるが、前記被着対象物に無機質バインダー層を形成し、またその上に光触媒層を形成する作業を２重に遂行しなければならないという問題がある。また、前記被着対象物を特定の範囲に限定して使わなければならないという問題もある。
このように、光触媒物質の有用性は認められているものの、これを広く使うことができ、簡単かつ簡便に使える技術は未だ開発されていない実情である。
本発明は、前記従来技術の諸般の問題点を解決するためのものであって、作業者が被着対象物に１回のみの塗布作業によって光触媒分子を効率的に取り付けることができ、それによって優れた光触媒効果が得られる、１液型光触媒コーティング組成物及びその製造方法を提供することにその目的がある。
本発明は、上記の目的を達成するために、脱イオン水からなる水溶液１００重量部と、外部から光を受けて光触媒効果を示す光触媒物質２〜１５重量部と、前記光触媒物質を前記水溶液の中でマイセル化させる負電荷性界面活性剤１０〜２０重量部と、前記水溶液の中で分散されているコロイド状の無機質バインダー５〜１５重量部と、を含んでいる、１液型光触媒コーティング組成物を提供する。
また、本発明は、脱イオン水からなる水溶液１００重量部に対し、外部から光を受けて光触媒効果を示す光触媒物質２〜１５重量部と、陰イオン性界面活性剤１０〜２０重量部と、を投入し、均一に分散させて懸濁液を作る第１のステップと、前記懸濁液にコロイド状の無機質バインダー成分５〜１５重量部を投入して均一に分散させる第２のステップと、を含んでいる１液型光触媒コーティング組成物の製造方法を提供する。
本発明による１液型光触媒コーティング組成物は、水溶液に光触媒物質と無機質バインダー成分を同時に含んでいると共に、懸濁液として存在し、安定した溶液として存在する利点がある。
また、本発明による１液型光触媒コーティング組成物は、光触媒物質が被着対象物に固定された状態で、従来のように、バインダー成分によって取り囲まれておらず、前記光触媒物質の表面が外部に対して接触可能に開かれているので、光触媒効果が非常に優れている利点がある。
また、本発明による１液型光触媒コーティング組成物は、単一の液状製品で構成されているので、作業者が１回のみの工程により塗布やラミネート作業を完了することができるので、従来に比べて非常に簡単かつ簡便に作業を進行することができる利点もある。
また、本発明による１液型光触媒コーティング組成物は、特定の塗布手段に限定されず、近来、一般的に使われ得る通常の塗布手段をそのまま使うことができるので、その適用範囲が非常に広く、特定の技術や機能を保有した者に限定されず、一般の人たちも簡単に使用できる利点がある。
以下、本発明について、より具体的かつ詳細に説明する。本発明で提供される具体的な実施例は、本発明の好ましい実施様態であって、本発明の技術思想についてより詳細に説明するためのものであり、本発明は、これらに限定されないものであることは明白である。また、本発明の明細書において、当該技術分野で公知されたものであって、通常の技術を有する者によって容易に創作され得る部分については詳細な説明を省略する。
本発明は、光触媒コーティング組成物を製造するために、脱イオン水からなる水溶液１００重量部を含んでいる。前記水溶液は、一般的に使われている水を使用でき、脱イオン水を使うことができる。
本発明は、外部から光を受けて光触媒効果を示す光触媒物質２〜１５重量部を含んでいる。
前記光触媒物質は、一定の領域の光エネルギーが加えられる場合、その物質から多量の電子（ｅ−）及び多量の正孔（ｈ＋）が発生され、前記電子と正孔によって、その物質の周辺に存在する各種の物質に対して酸化還元反応を発生させるようになる物質を意味する。このような光触媒物質には半導体性金属酸化物が挙げられ、より具体的には、ＺｎＯ、ＷＯ３、ＳｎＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＣｄＳ、ＣｄＳｅなどが挙げられる。前記光触媒物質は、微細な粉末状に加工して使うのが好ましい。微細な粉末状に加工した場合、その表面積が広くなって、反応可能な部分が大きくなるからである。前記微細な粉末状は、当該技術分野で通常的に使われている範囲が好ましく、これは当該技術分野の市場で容易に購入して使うことができる。
本発明は、前記光触媒物質の中でも二酸化チタン（ＴｉＯ２）を、好ましい実施例として最も好んで使うことができる。二酸化チタン（ＴｉＯ２）は、結晶配列に応じて、アナターゼ型、ルチル型、及びブルッカイト型の３種の形態に存在する。実際の製造が可能であり、広く使われている形態は、主にアナターゼ型とルチル型である。これは、ＴｉＯ２の最も安定した状態であるルチル型と、低い温度で容易に結晶化され得るアナターゼ型の性質が原因である。アナターゼ型は表面活性が良く、光活性反応に敏感であり、ルチル型は白色輝度と隠蔽力が良いため、それぞれ利点を有している。
本発明は、前記結晶形を単独で使うことができ、互いに混合して使うこともできる。これは、使われる環境に応じて適切に混合して使うのがより効率的な場合が多いからである。本発明は、互いに混合して使う場合、アナターゼ型とルチル型を２：８ないし８：２の比率で使うのが好ましい。前記混合の比率は、与えられた環境に応じて、前記アナターゼ型と前記ルチル型の性質を考慮した上で具体的に決定される。
前記光触媒物質は、前記水溶液１００重量部に対して２重量部ないし１５重量部を使うのが好ましい。２重量部より少なく使う場合には、含有量が少な過ぎて光触媒効果を発揮し難いのに対し、１５重量部以上含む場合には投入量に比べて光触媒効果の上昇効果が比例せず、それに従う界面活性剤の投入量が増加するようになるため好ましくない。
本発明は、前記光触媒物質を前記水溶液の中でマイセル化させる負電荷性界面活性剤１０〜２０重量部を含んでいる。
前記負電荷性界面活性剤は、水溶液の中で分散されている光触媒物質をマイセル化させるために投入される。前記負電荷性界面活性剤は、水溶液の中で前記水溶液１００重量部に対して１０重量部以上が含まれる場合、水溶液の中で分散されている前記光触媒物質をその内部に包み、徐々にマイセル化される。よって、前記負電荷性界面活性剤は、水溶液に対して１０重量部以下に含まれる場合、マイセルを形成し難いので好ましくない。一方、前記負電荷性界面活性剤が水溶液の中で前記水溶液１００重量部に対して２０重量部以上に含まれるようになれば、過量の界面活性剤の投入によって、むしろコロイドの形成に障害を発生させてしまうので好ましくない。
前記負電荷性界面活性剤は、前記光触媒物質をその内部に含ませてマイセル化させるものであれば制限なく使うことができる。本発明は、前記光触媒物質を前記マイセルの内部に含ませることで、その以後に投入される無機質バインダー成分と水溶液の内部で結合されることを一切防止できれば充分であるためである。換言すれば、前記負電荷性界面活性剤による光触媒物質のマイセルは、前記光触媒物質が外部の無機質バインダー成分と反応することを根本的に防止する遮断壁として機能する。
前記負電荷性界面活性剤として、代表的にステアリン酸ナトリウム（Ｓｏｄｉｕｍ ｓｔｅａｒａｔｅ）とドデシルスルホン酸（Ｓｏｄｉｕｍ ｄｏｄｅｃｙｌ ｓｕｌｆａｔｅ）が最も好ましく、その以外に、Ｓｏｄｉｕｍ ｄｏｄｅｃｙｌｂｅｎｚｅｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅ、Ｓｏｄｉｕｍ ｌａｕｒｅｔｈ ｓｕｌｆａｔｅ、Ｓｏｄｉｕｍ ｌａｕｒｏｙｌ ｓａｒｃｏｓｉｎａｔｅ、Ｓｏｄｉｕｍ ｍｙｒｅｔｈ ｓｕｌｆａｔｅ、Ｓｏｄｉｕｍ ｐａｒｅｔｈ ｓｕｌｆａｔｅなどの界面活性剤を使うことができる。
本発明は、前記水溶液の中で分散されているコロイド状の無機質バインダー５〜１５重量部を含んでいる。
前記コロイド状の無機質バインダーは、前記水溶液の内部でコロイド状に存在する無機質材料のバインダー成分を意味する。前記無機質バインダーは、水溶液の中ではコロイド状に存在するが、開始剤が処理された後、一応被着体の表面に塗布された場合、前記被着対象物の表面から水分が蒸発し、溶液内のイオンの造成比の変化に従って徐々にバインダーとしての接着力を発揮するようになる。
前記コロイド状の無機質バインダーは、有機質バインダーとは異なって、光触媒効果によって容易に分解されないゼオライト系列のバインダーであって、多孔性のゼオライト系列のバインダーまたはメインチェーンに元素間の結合エネルギーが大きいＳｉ−Ｏ結合を有するシリコーン系列のバインダーを含んでいる。前記無機質バインダーは水溶液の中で安定した状態で分散されていなければならないので、コロイド状に形成されたものが良い。
前記コロイド状の無機質バインダーが前記水溶液１００重量部に対して５重量部以下に含まれている場合には、最終的に被着対象物に塗布された場合、結合剤としての接着力が弱いので好ましくなく、１５重量部以上の場合には過度な含量によって水溶液の安定性を損なう恐れがあるので好ましくない。前記コロイド状の無機質バインダーには、例えば、コロイド状の多孔性シリカ、アルミノシリケートが最も好ましい。
また、本発明は、前述した１液型光触媒コーティング組成物の製造方法を提供する。
本発明による１液型光触媒コーティング組成物の製造方法は、脱イオン水からなる水溶液１００重量部に対して、外部から光を受けて光触媒効果を示す光触媒物質２〜１５重量部と、陰イオン性界面活性剤１０〜２０重量部と、を投入し、均一に分散させて懸濁液を作る第１のステップを含んでいる。
本発明は、脱イオン水からなる水溶液１００重量部を基準にして、これに光触媒物質２〜１５重量部を投入し、均一に分散させる。前記光触媒物質は、微細に粉末化されたものであって、一般の市中で購入したものを秤量して使うことができる。前記光触媒物質を均一に分散させるために、均一に混合する過程を遂行し、必要に応じて超音波処理を補助的に遂行することができる。
本発明は、光触媒成分が均一に分散されている水溶液に対して、陰イオン性界面活性剤を前記水溶液１００重量部に対して１０〜２０重量部を投入し、均一にミックスして均一な懸濁液を作る。この際、前記懸濁液は、水溶液の中に前記光触媒成分を内部に含み、その周囲に前記陰イオン性界面活性剤が取り囲んでいる多数のマイセルがコロイド形状に存在するようになる。
本発明は、前記光触媒物質を含むマイセルと前記陰イオン性界面活性剤を徐々に混錬して懸濁液を作った後、懸濁液の安定化のために、懸濁液のｐＨを７ないし１０の範囲に属するようにするのが好ましい。前記ｐＨの調節には水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を使うことができる。
本発明は、前記マイセルコロイドを含んでいる水溶性懸濁液に対して、コロイド状の無機質バインダー成分５〜１５重量部を投入して均一に分散させる第２のステップを含んでいる。
本発明は、前記水溶性懸濁液の中に、前記コロイド状の無機質バインダー成分を前記水溶液１００重量部に対して５〜１５重量部を投入し、均一に分散させる。
前記コロイド状の無機質バインダー成分を前記水溶性懸濁液の中に投入するようになれば、前記無機質バインダー成分はそのまま前記懸濁液の中でそのまま分散されて存在するようになる。これは、前記光触媒粉末が既にマイセル化されているため、外部から供給された無機質バインダーと物理的に接触できないためである。
以下、本発明の好ましい実施例を提示する。
＜＜実施例＞＞
２リットルの容器を備え、脱イオン水１０００ｇに対して二酸化チタン（ＴｉＯ２）１００ｇを投入して徐々に撹拌させ、またドデシルスルホン酸１５０ｇを秤量して投入した後、継続的に１時間撹拌した。
２リットルの容器を備え、脱イオン水１０００ｇに対して二酸化チタン（ＴｉＯ２）１００ｇを投入して徐々に撹拌させ、またドデシルスルホン酸１５０ｇを秤量して投入した後、継続的に１時間撹拌した。
撹拌をずっと進行しながら、前記容器内にまたコロイドシリカ１２０ｇを秤量して投入し、その後、３０分間撹拌を更に進行した後、最終的に反応溶液を得た。
このように製造された１液型光触媒コーティング組成物は、安定した懸濁液の状態を維持するようになるので、開始剤である水を混用した以後、被着体の表面に塗布や噴射されるか、ラミネートされるようになる。被着体の表面に塗布された一液型光触媒コーティング組成物は、水分が蒸発することによって、徐々にコロイド状の無機質バインダー成分が被着体の表面に接触して接着力を発揮するようになる。この際、作業者がその上に水を注いで洗い出すようになれば、前記マイセル構造が破壊され、その周囲に形成された界面活性剤が水に溶け、水と共に洗い出されるようになる。
図１は、本発明による１液型光触媒コーティング組成物が被着体の表面に塗布された以後、光触媒物質と無機質バインダーなどの相関関係を更に視覚的に示すために提示した概念図である。
よって、光触媒物質は、無機質バインダー成分によって被着体の表面に固定されるのに対し、前記光触媒物質の上面の表面では前記界面活性剤が水に溶けて、水と共に洗い出されるようになるので、外部の空気または室内の空気等と自由に接触できる開放区間を形成するようになる。
これに対し、従来の２液型光触媒コーティング組成物は、光触媒物質が無機バインダー成分によって取り囲まれるようになる。よって、光触媒物質が前記無機バインダーによって囲まれており、それだけ光触媒効果を達成し難い構造を有している。
図２は、従来の２液型光触媒コーティング組成物において、光触媒物質と無機バインダー成分に関する相関関係を示す概念図である。
以上のように、本発明による１液型光触媒コーティング組成物及びその製造方法について具体的に説明したが、これは本発明の最も好ましい実施様態を記載したものであり、本発明は、これらに限定されず、添付された特許請求の範囲によってその範囲が決定及び限定される。
また、当該技術分野で通常の知識を持った者であれば誰でも本発明の明細書の記載内容によって多様な変形及び模倣ができるはずであるが、これも本発明の範囲を超えたものではないことは明白であると言えるだろう。
Claims (11)
- 脱イオン水からなる水溶液１００重量部と、
外部から光を受けて光触媒効果を示す光触媒物質２〜１５重量部と、
前記光触媒物質を前記水溶液の中でマイセル化させる負電荷性界面活性剤１０〜２０重量部と、
前記水溶液の中で分散されているコロイド状の無機質バインダー５〜１５重量部と、
を含んでいる、１液型光触媒コーティング組成物。 - 前記光触媒物質は、一定の領域の光エネルギーが加えられる場合、その物質から多量の電子（ｅ−）及び多量の正孔（ｈ＋）を発生させ、前記電子と正孔によって、その物質の周辺に存在する物質に対して酸化還元反応を発生させるようになる半導体性金属酸化物または硫黄化合物であることを特徴とする、請求項１に記載の１液型光触媒コーティング組成物。
- 前記光触媒物質は、ＺｎＯ、ＷＯ３、ＳｎＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＣｄＳ、ＣｄＳｅで構成されたグループの中から選択された何れか一つであることを特徴とする、請求項２に記載の１液型光触媒コーティング組成物。
- 前記光触媒物質は、二酸化チタン（ＴｉＯ２）であることを特徴とする、請求項３に記載の１液型光触媒コーティング組成物。
- 前記光触媒物質は、二酸化チタン（ＴｉＯ２）であって、アナターゼ型とルチル型を２：８ないし８：２の比率で使うことを特徴とする、請求項４に記載の１液型光触媒コーティング組成物。
- 前記負電荷性界面活性剤は、前記水溶液の中で前記光触媒物質をマイセル化させることで、前記無機質バインダーが前記光触媒物質と結合されることを防止することを特徴とする、請求項１に記載の１液型光触媒コーティング組成物。
- 前記負電荷性界面活性剤は、ステアリン酸ナトリウム（Ｓｏｄｉｕｍ ｓｔｅａｒａｔｅ）、ドデシルスルホン酸（Ｓｏｄｉｕｍ ｄｏｄｅｃｙｌ ｓｕｌｆａｔｅ）、Ｓｏｄｉｕｍ ｄｏｄｅｃｙｌｂｅｎｚｅｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅ、Ｓｏｄｉｕｍ ｌａｕｒｅｔｈ ｓｕｌｆａｔｅ、Ｓｏｄｉｕｍ ｌａｕｒｏｙｌ ｓａｒｃｏｓｉｎａｔｅ、Ｓｏｄｉｕｍ ｍｙｒｅｔｈ ｓｕｌｆａｔｅ、Ｓｏｄｉｕｍ ｐａｒｅｔｈ ｓｕｌｆａｔｅで構成されたグループの中から選択された何れか一つであることを特徴とする、請求項６に記載の１液型光触媒コーティング組成物。
- 前記無機質バインダーは、水溶液の中ではコロイド状に存在するが、開始剤が処理された後、一応被着体の表面に塗布された場合、前記被着体の表面から水分が蒸発し、徐々にバインダーとしての接着力を発揮するようになることを特徴とする、請求項１に記載の１液型光触媒コーティング組成物。
- 前記無機質バインダーは、多孔性のゼオライトバインダーまたはメインチェーンに元素間の結合エネルギーが大きいＳｉ−Ｏ結合を有するシリコーンバインダーを含んでいることを特徴とする、請求項８に記載の１液型光触媒コーティング組成物。
- 脱イオン水からなる水溶液１００重量部に対し、外部から光を受けて光触媒効果を示す光触媒物質２〜１５重量部と、負電荷性界面活性剤１０〜２０重量部と、を投入して均一に分散させて懸濁液を作る第１のステップと、
前記懸濁液にコロイド状の無機質バインダー成分５〜１５重量部を投入して均一に分散させて仕上げられる第２のステップと、
を含んでいることを特徴とする、１液型光触媒コーティング組成物の製造方法。 - 前記第１のステップでは、前記懸濁液の安定化のために、懸濁液のｐＨを７ないし１０の範囲に限定することを特徴とする、請求項１０に記載の１液型光触媒コーティング組成物の製造方法。
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