JP2011183240A - 光触媒シート及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
触媒シートに光触媒となるアナターゼ型酸化チタンを強固に担持させると共に剥がれを防止し、さらに、光触媒に接する機会を増大させて、光触媒による浄化処理効率を向上させる。
【解決手段】
チタン箔（１）の片面又は両面から非周期的パターンによるエッチング処理を施して表裏を貫通する多数の微細流路（２）を形成することにより、当該チタン箔（１）を非周期性海綿構造とし、その表面に陽極酸化処理を施した後、加熱処理を施して酸化チタンベース（３）を形成し、当該酸化チタンベース（３）にアナターゼ型酸化チタン粒子（４）を焼き付けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、光触媒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シート及びその製造方法に関する。

アナターゼ型の酸化チタンは光触媒として知られており、紫外線照射によりヒドロキシラジカル（・ＯＨ）などの活性種や正孔が生成し、これによって有機物が分解されるため、脱臭効果や殺菌効果が得られ、空気清浄機などに応用されている。

図７は光触媒を利用した従来の流体浄化装置である（特許文献１参照）。
流体浄化装置３１は、ケース３２内部に備えた励起光源３３の周囲を囲うように光触媒構造体３４が配されている。
その光触媒構造体３４は、直径の異なる円筒触媒３５がスペーサ（図示せず）を介して所定の間隔で同心的に配され、各円筒触媒３５は、金属メッシュの全表面に光触媒を担持させて形成されている。
これによれば、円筒触媒３５を同心状に配した三重構造の光触媒構造体３４を用いることによって、光触媒構造体３４の有効表面積が増加し、かつ、通過する流体に乱流が生じるため、流体中の臭気物質との接触割合が大きくなって、臭気物質を短時間で効率よく酸化分解できることが記載されている。

しかしながら、光触媒となるアナターゼ型の酸化チタンを一般の金属メッシュや金属網目体にコーティングさせようとしても、酸化チタンは結合強度が弱く、担体となる金属表面に形成した酸化チタン膜が剥がれやすいため、製品寿命が短く、有害臭気成分を効率的に分解することができないという問題がある。

特に、円筒触媒３５は、表面積を増やすために細いワイヤを細かく編んだ金属メッシュが用いられるが、そのような金属メッシュで形成された円筒触媒３５は手で軽く握るだけで簡単に凹んでしまう程度に機械的強度が低いため、組み立てが困難なだけでなく、光触媒構造体３４に組み立てた後も取り扱い難い。そして、その外周面を握ることにより表面が撓んでしまうと、広範囲にわたって酸化チタン膜が簡単に剥がれ落ちてしまう。

特開平１１−２７６５５８号公報

そこで、本発明は、光触媒となるアナターゼ型酸化チタンを強固に担持させると共に剥がれを防止し、さらに、光触媒に接する機会を増大させて、光触媒による浄化処理効率を格段に向上させ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、本発明に係る光触媒シートは、アナターゼ型酸化チタン粒子を担持した光触媒シートであって、片面又は両面から非周期的パターンによるエッチング処理を施して表裏を貫通する多数の微細流路が形成された非周期性海綿構造を有するチタン箔の表面に、陽極酸化皮膜による酸化チタンベースが形成され、当該酸化チタンベースにアナターゼ型酸化チタン粒子が焼き付けられたことを特徴としている。
この光触媒シートは、チタン箔の片面又は両面から非周期的パターンによるエッチング処理を施して当該チタン箔を表裏を貫通する多数の微細流路が形成された非周期性海綿構造とし、当該チタン箔に陽極酸化処理を施した後、加熱処理を施してその表面に酸化チタンベースを形成し、当該酸化チタンベースにアナターゼ型酸化チタン粒子を焼き付け製造される。

本発明によれば、材料としてチタン箔を用いているので、フレキシブルなシート状に形成することができ、紫外線空気清浄機の仕様に応じて任意の形状に折り曲げたり巻回したりすることができる。
また、エッチング処理が施されて非周期性海綿構造に形成されているので、チタン箔の表裏を貫通する多数の微細流路が形成され、単純なワイヤメッシュやパンチングメタルなどに比して比評面積を大きくすることができる。
特に、チタン箔の両面からエッチング処理を施すことにより非周期性海綿構造を形成すれば、そのパターンに周期性がないことから、チタン箔の表側と裏側から異なるパターンの孔が形成される。その結果、チタン箔の厚さ方向に複雑な形状のラビリンス流路が形成されるので、自然に存在する海綿構造体と同様、比表面積が著しく大きくなる。

また、チタン箔の表面に形成された陽極酸化皮膜による酸化チタンベースに、アナターゼ型酸化チタン粒子を焼き付けて光触媒層が形成されている。
陽極酸化皮膜による酸化チタンベースと光触媒層は、酸化チタン同士が結合することとなり、その結合性が極めて強く、光触媒層が剥がれ難い。

さらに、エッチング処理により微細流路を形成したことにより表面が複雑な凹凸形状をなし、陽極酸化皮膜でなる酸化チタンベースはミクロンオーダーの微細なひび割れを生ずるため、その上に光触媒層が強固に結合するだけでなく、表面積が増え、処理効率が格段に向上する。また、ＵＶ光を照射したときに光触媒層の表面及び酸化チタンベースとの界面で乱反射／光散乱が起き、ＵＶ光を効率よく利用できる。
さらにまた、チタン箔を使用したことで光触媒シート自体を軽量に形成することができることから設計の自由度が大きくなり、耐熱性、耐薬品にも優れるため、過酷な使用条件の下でも使用に耐え得る。
このようにシート状に形成されているので、光源の配置によっては両面照射することもでき、多層化することも可能であり、その場合、光触媒効果もより向上することが期待できる。

本発明に係る光触媒シートの一例を示す説明図。 その製造方法の概略を示す説明図。 その光触媒シートを用いた空気清浄機の例を示す説明図。 本発明に係る他の実施例を示す説明図。 その光触媒シートを用いた空気清浄機の例を示す説明図。 実験結果を示すグラフ。 従来装置を示す説明図。

本発明は、チタン箔に光触媒となるアナターゼ型酸化チタンを強固に担持させると共に剥がれを防止し、さらに、光触媒に接する機会を増大させて、光触媒による浄化処理効率を格段に向上させるという目的を達成するために、チタン箔の片面又は両面から非周期的パターンによるエッチング処理を施して表裏を貫通する多数の微細流路を形成して、当該チタン箔を非周期性海綿構造とし、その表面に陽極酸化処理を施して酸化チタンベースを形成し、当該酸化チタンベースにアナターゼ型酸化チタン粒子を焼き付けて成る。

図１に示す光触媒シートＳ１は、片面又は両面から非周期的パターンによるエッチング処理を施して表裏を貫通する多数の微細流路２が形成された非周期性海綿構造を有するチタン箔１の表面に、陽極酸化皮膜による酸化チタンベース３が形成され、当該酸化チタンベース３にアナターゼ型酸化チタン粒子４を焼き付けた光触媒層５が形成されている。

図２はその光触媒シートＳ１の製造方法を示す説明図である。
まず、チタン箔１に微細流路２を形成するエッチング処理を行う。エッチング処理は、純チタンを圧延して形成したチタン箔１の表裏両面にフォトレジスト剤６を塗布する塗布工程（図２（ａ））と、レジスト剤６の上から非周期的パターンが形成されたマスキングフィルム７、７を重ねて露光する露光工程（図２（ｂ））と、露光後、レジスト剤の感光していない部分を洗浄して感光した部分をチタン箔表面に残す洗浄工程（図２（ｃ））と、レジスト剤６で非周期網目パターンがマスキングされたチタン箔１をエッチング液に浸漬し、表裏両面からチタン箔１の厚さの半分まで浸食させることにより表裏を貫通する多数の微細流路２…を形成する浸漬工程（図２（ｄ））からなる。

このように、チタン箔１の両面からエッチング処理を施せば、そのマスキングパターンに周期性がないことから、チタン箔の表側と裏側から異なるパターンの孔が形成される。その結果、図１に示すように、チタン箔１の厚さ方向に複雑なラビリンス状の微細流路２が形成され、単純なメッシュ構造よりも比表面積が著しく大きくなる。
なお、光触媒シートＳ１の空隙率（エッチング処理後の重量／エッチング処理前の重量）は２０％程度である。
また、その表面を拡大観察すると、この時点では、図２（ｅ）に示すように、概ねフラットな状態となっている。

次いで、その表面に酸化チタンベース３を形成する陽極酸化処理を行う。
陽極酸化処理は、リン酸浴（例えばリン酸３％水溶液）中で、陽極となるチタン箔１と陰極との間に所定電圧を印加して行われ、その結果、図２（ｆ）に示すように、チタン箔１の表面が酸化されて陽極酸化皮膜が形成される。
このとき、酸化皮膜は、チタン箔１の表裏両面だけでなく、微細流路２の内壁面などリン酸浴に曝されている全表面に形成される。
その後、このチタン箔１を大気中で５５０℃、３時間加熱する加熱処理を施し、陽極酸化皮膜が加熱された酸化チタンベース３が形成される。
その表面を拡大観察すると、エッチング処理した時点でフラットだった表面に、陽極酸化処理及び加熱処理によるひび割れ８が多数出現する。

なお、チタンを陽極酸化処理した場合、その酸化皮膜の厚さに応じて光の干渉により異なる色が発色し、厚さ７０ｎｍ程度で紫色、１５０ｎｍ程度で緑色、２００ｎｍ程度でピンク色を呈することが知られている。
本例では、厚さ７０〜１５０ｎｍの皮膜を形成した。

そして最後に、アナターゼ型酸化チタン粒子４を担持させる焼き付け処理を行う。
表面に酸化チタンベース３が形成されたチタン箔１を、アナターゼ型酸化チタン粒子４を分散したスラリー中にディッピングした後、これを５５０℃で焼き付けると、図２（ｇ）に示すように、チタン箔１の表裏両面及び微細流路２の内壁面に光触媒層５が形成される。

酸化チタンベース３と光触媒層５は、酸化チタン同士が結合することになるので、その結合性が極めて強くなり、その結果、光触媒層５が剥がれ難くなる。

さらに、エッチング処理により微細流路２を形成したことにより表面が複雑な凹凸形状をなし、陽極酸化皮膜でなる酸化チタンベース３はミクロンオーダーの微細なひび割れ８を生ずるため、その上に光触媒層５が強固に結合するだけでなく、表面積が増え、処理効率が格段に向上する。また、ＵＶ光を照射したときに光触媒層５の表面及び酸化チタンベース３との界面で乱反射／光散乱が起き、ＵＶ光を効率よく利用できる。
さらにまた、チタン箔を使用したことで光触媒シート自体を軽量に形成することができることから設計の自由度が大きくなり、耐熱性、耐薬品にも優れるため、過酷な使用条件の下でも使用に耐え得る。

そして、図３に示すように、このように製造された光触媒シートＳ１を円筒状に巻いて、その中心に紫外線光源９を配した光触媒ユニットＵ１とし、これを、空気清浄機の処理チャンバ１０内を流れる空気流に曝すように配して使用することができる。
さらに、光触媒シート１は、シート状に形成されているので、光源の配置によっては両面照射することもでき、多層化することも可能であり、その場合、光触媒効果もより向上することが期待できる。

本例の光触媒シートＳ２は、図４に示すように、一方向に沿って連続する起伏が折曲形成された波板状に形成されている。
この光触媒シートＳ２も、実施例１の光触媒シートと同様、片面又は両面から非周期的パターンによるエッチング処理を施して表裏を貫通する多数の微細流路２が形成された非周期性海綿構造を有するチタン箔１に陽極酸化処理及び加熱処理を施して、その全表面に陽極酸化皮膜による酸化チタンベース３を形成し、当該酸化チタンベース３にアナターゼ型酸化チタン粒子４を焼き付けた光触媒層５が形成されている。

また、本例では、光触媒シートＳ２を波板状に形成するため、陽極酸化処理を施した後、加熱処理を施す前に、プレス加工により波板状に形成する成形処理を施してチタン箔１の長手方向に沿って連続する起伏を折曲形成している。
この成形加工は、エッチング処理後、酸化チタンベースにアナターゼ型酸化チタン粒子を焼き付ける焼き付け処理の前であればよく、例えば、エッチング処理後、陽極酸化処理の前にプレス加工をしても良い。

そして、図５に示すように、このように製造された光触媒シートＳ２を円筒状に巻いて、その中心に紫外線光源９を配した光触媒ユニットＵ２とし、これを、空気清浄機の処理チャンバ１０内を流れる空気流に曝すように配して使用することができる。

図６は、このように形成した光触媒シートＳ２の空気浄化性能を確認した実験結果を示す。
実験では、容積１ｍ^３の密閉空間内に、光触媒シートＳ２を二重に巻きつけた光触媒ユニットＵを置き、中心に波長２５４ｎｍの紫外線光源を配して、この光触媒ユニットＵに対し風速５.５ｍ／ｓの風を吹き付けながら、その密閉空間内の所定濃度のアセトアルデヒドの濃度変化を経時的に測定した。
比較例として、陽極酸化処理を行わないことを除き、同一条件で形成した光触媒シートＳｃを二重に巻きつけた光触媒ユニットＵｃを形成し、同一条件で実験を行った。
そして、これらの実験結果より、夫々のアセトアルデヒドの分解速度定数ｋ_１を算出した。
なお、紫外線透過率は、いずれも１２％であった。

実験結果より算出された分解速度定数は、陽極酸化処理を行わない光触媒シートＳｃを用いたタイプがｋ_１＝２.６０であるのに対し、本発明に係る光触媒シートＳ２を用いたタイプはｋ_１＝３.５８と、今までに例を見ない抜群の処理能力を有することが確認された。

本発明は、医療施設、工場、住宅、オフィスの空気を浄化する空気清浄機や、水を浄化する浄水器の用途に適用し得る。

Ｓ１、Ｓ２ 光触媒シート
１ チタン箔
２ 微細流路
３ 酸化チタンベース
４ アナターゼ型酸化チタン粒子
５ 光触媒層

Claims (4)

1. アナターゼ型酸化チタン粒子を担持した光触媒シートであって、
   片面又は両面から非周期的パターンによるエッチング処理を施して表裏を貫通する多数の微細流路が形成された非周期性海綿構造を有するチタン箔の表面に、陽極酸化皮膜による酸化チタンベースが形成され、当該酸化チタンベースにアナターゼ型酸化チタン粒子が焼き付けられたことを特徴とする光触媒シート。
2. 酸化チタンベースが形成された前記チタン箔の一方向に沿って連続する起伏が折曲形成されると共に、その酸化チタンベースにアナターゼ型酸化チタン粒子が焼き付けられた請求項１記載の光触媒シート。
3. アナターゼ型酸化チタン粒子を担持した光触媒シートの製造方法であって、
   チタン箔の片面又は両面から非周期的パターンによるエッチング処理を施して当該チタン箔を表裏を貫通する多数の微細流路が形成された非周期性海綿構造とし、
   当該チタン箔に陽極酸化処理を施した後、加熱処理を施してその表面に酸化チタンベースを形成し、
   当該酸化チタンベースにアナターゼ型酸化チタン粒子を焼き付けることを特徴とする光触媒シートの製造方法。
4. 前記エッチング処理後、酸化チタンベースにアナターゼ型酸化チタン粒子を焼き付ける前に、当該チタン箔の一方向に沿って連続する起伏を折曲形成した請求項３記載の光触媒シートの製造方法。
   
   
   
   

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