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JP7205437B2 - 酸化チタン粒子、酸化チタン粒子分散液及び酸化チタン粒子分散液の製造方法 - Google Patents
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JP7205437B2 - 酸化チタン粒子、酸化チタン粒子分散液及び酸化チタン粒子分散液の製造方法 - Google Patents

酸化チタン粒子、酸化チタン粒子分散液及び酸化チタン粒子分散液の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、酸化チタン粒子、酸化チタン粒子分散液及び酸化チタン粒子分散液の製造方法に関する。
樹脂の成型品や被膜などは、太陽光に含まれる紫外線に長期間に亘って曝露されると、弾性や引張強度などの機械的特性の低下やクラックの発生、光沢低下、退色などの外観の劣化を生じることが知られている。
このような問題を解決するために、樹脂を成形・加工する際には、ベンゾトリアゾール化合物、トリアジン化合物、及びベンゾフェノン化合物等の有機系紫外線吸収剤や、酸化チタン及び酸化亜鉛などの無機系紫外線吸収剤が樹脂に配合されることがある。
しかし、有機系紫外線吸収剤は紫外線に曝露されることでその紫外線吸収性能が徐々に失われていくという問題があり、長期の耐候性が要求される用途には適さない。
一方で、無機系紫外線吸収剤は紫外線に曝露されても紫外線吸収性能は低下しないが、酸化チタンや酸化亜鉛は紫外線を吸収することで光触媒として機能して活性種を生じ、接触している樹脂を劣化させてしまう。そのため、長期の耐候性を得るためには光触媒活性の影響を抑制することが必要である。また、樹脂に配合される酸化チタンや酸化亜鉛の粒子径が大きいと樹脂の透明性が低下するため、粒子径が十分に小さいことが必要である(特許文献1)。
光触媒活性による樹脂の劣化を回避するため、例えば酸化チタン粒子表面にアルミニウム、ケイ素、ジルコニウムなどの酸化物あるいは水酸化物を被覆して酸化チタンと樹脂の直接接触を避ける方法や、酸化チタンの結晶内部にマンガンやコバルトなどの異種金属を固溶させることで酸化チタンの光触媒活性自体を低下させる方法などが一般的に知られている(特許文献2、3、4)。
しかし、前者の表面被覆する方法だけでは光触媒活性の影響を長期間に亘り抑制するには不十分であり、後者の異種金属を固溶する方法では光触媒活性は十分に抑制可能で長期間の耐候性は得られるものの、異種金属固溶による酸化チタンの着色により、樹脂の意匠性を阻害してしまうという問題があった。
特開2005-120137号公報 特開昭63-225532号公報 特開2003-327430号公報 特開2003-327431号公報
従って、本発明は、樹脂材料に長期の耐候性を付与することが可能であり、光触媒活性が十分に抑制されていて着色の少ない無機系紫外線吸収剤に有用な、酸化チタン粒子及び酸化チタン粒子分散液を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究をした結果、スズ成分を固溶した酸化チタン粒子にマンガン成分及び/またはコバルト成分を添加すると、マンガン成分/コバルト成分が酸化チタンに固溶されていなくても、光触媒活性が十分に抑制され、かつ着色も少ない酸化チタン粒子が得られることを見出し、本発明を完成した。
従って、本発明は、下記に示す酸化チタン粒子、それを有する部材、酸化チタン粒子分散液、及び酸化チタン粒子分散液の製造方法を提供するものである。
〔1〕
1)スズ成分 並びに
2)マンガン成分及び/またはコバルト成分
を含有する酸化チタン粒子であって、
スズ成分のみが酸化チタン粒子に固溶され、
マンガン成分及び/またはコバルト成分の含有量が、チタンとのモル比(Ti/Mn及び/またはTi/Co)でそれぞれ5~5,000である、酸化チタン粒子。
〔2〕
〔1〕に記載の酸化チタン粒子の膜を有する部材。
〔3〕
1)スズ成分が固溶された酸化チタン粒子と、
2)マンガン成分及び/またはコバルト成分と
を含有する酸化チタン粒子分散液であって、
マンガン成分及び/またはコバルト成分の含有量が、チタンとのモル比(Ti/Mn及び/またはTi/Co)でそれぞれ5~5,000である酸化チタン粒子分散液。
〔4〕
固形分濃度1質量%の、
(a)スズ成分が固溶され、スズ成分の含有量がチタンとのモル比(Ti/Sn)で20である、酸化チタン粒子分散液と
(b)〔3〕に記載の酸化チタン粒子分散液と
の色差(ΔE* ab)が、30以下である〔3〕に記載の酸化チタン粒子分散液。
〔5〕
更にケイ素成分を含有する〔3〕または〔4〕に記載の酸化チタン粒子分散液。
〔6〕
酸化チタンに固溶されるスズ成分の含有量がチタンとのモル比(Ti/Sn)で1~1,000である〔3〕~〔5〕のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子分散液。
〔7〕
マンガン成分及び/またはコバルト成分の含有量が、チタンとのモル比(Ti/Mn及び/またはTi/Co)でそれぞれ10~3,000である〔3〕~〔6〕のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子分散液。
〔8〕
下記工程(1)~(4)を有することを特徴とする酸化チタン粒子分散液の製造方法。
(1)原料チタン化合物、スズ化合物、塩基性物質、過酸化水素及び水性分散媒から、スズ成分含有ペルオキソチタン酸溶液を製造する工程
(2)上記(1)の工程で製造したスズ成分含有ペルオキソチタン酸溶液を、圧力制御の下、80~250℃で加熱し、スズ成分含有酸化チタン粒子分散液を得る工程
(3)原料マンガン化合物及び/または原料コバルト化合物並びに水性分散媒から、マンガン成分及び/またはコバルト成分の水溶液または水分散液を得る工程
(4)上記(2)の工程で製造したスズ成分含有酸化チタン粒子分散液と、上記(3)の工程で製造したマンガン成分及び/またはコバルト成分の水溶液または水分散液とを混合する工程
本発明の酸化チタン粒子、特に酸化チタン粒子分散液は、光触媒活性が大幅に抑制されているため、樹脂に配合あるいは表面に塗布しても光触媒活性による劣化を回避することができ、また、着色が少なく透明性が高いため、樹脂の意匠性を阻害しない。従って、本発明の酸化チタン粒子及びその分散液は、屋外で使用する樹脂に配合あるいは表面に塗布される無機系紫外線吸収剤として有用である。
以下、本発明について詳細に説明する。
<酸化チタン粒子>
本発明の酸化チタン粒子は、
1)スズ成分 並びに
2)マンガン成分及び/またはコバルト成分
を含有する酸化チタン粒子であって、スズ成分のみが酸化チタン粒子に固溶され、マンガン成分及び/またはコバルト成分の含有量が、チタンとのモル比(Ti/Mn及び/またはTi/Co)でそれぞれ5~5,000である酸化チタン粒子であり、特に、分散液として使用することが望ましい。
<酸化チタン粒子分散液>
本発明の酸化チタン粒子分散液は、水性分散媒中に、1)スズ成分が固溶された酸化チタン粒子と、2)マンガン成分及び/またはコバルト成分とを含有するものである。
ここで、本明細書において、固溶体とは、ある一つの結晶相の格子点にある原子が別の原子と置換するか、格子間隙に別の原子が入り込んだ相、即ち、ある結晶相に他の物質が溶け込んだとみなされる混合相を有するものをいい、結晶相としては均一相であるものをいう。格子点にある溶媒原子が溶質原子と置換したものを置換型固溶体、格子間隙に溶質原子が入ったものを侵入型固溶体というが、本明細書では、このいずれをも指すものとする。
本発明の酸化チタン粒子において、酸化チタン粒子はスズ原子と固溶体を形成することを特徴とする。固溶体としては、置換型であっても侵入型であってもよい。酸化チタンの置換型固溶体は、酸化チタン結晶のチタンサイトが各種金属原子に置換されて形成されるものであり、酸化チタンの侵入型固溶体は、酸化チタン結晶の格子間隙に各種金属原子が入って形成されるものである。酸化チタンに各種金属原子が固溶されると、X線回折などにより結晶相を測定した際、酸化チタンの結晶相のピークのみが観測され、添加した各種金属原子由来の化合物のピークは観測されない。
金属酸化物結晶に異種金属を固溶する方法は特に限定されるものではないが、気相法(CVD法、PVD法など)、液相法(水熱法、ゾル・ゲル法など)、固相法(高温焼成法など)などを挙げることができる。
酸化チタン粒子の結晶相としては、通常、ルチル型、アナターゼ型、ブルッカイト型の3つが知られているが、前記酸化チタン粒子は、主としてルチル型またはアナターゼ型の結晶相を有するものが好ましい。なお、ここでいう「主として」とは、酸化チタン粒子全体のうち、当該結晶相の酸化チタン粒子を50質量%以上含有することを意味し、好ましくは70質量%以上、更に好ましくは90質量%以上であり、100質量%であってもよい。
また、分散液の分散媒は、通常水性溶媒が使用され、水を用いることが好ましいが、水と任意の割合で混合される親水性有機溶媒と水との混合溶媒を用いてもよい。水としては、例えば、ろ過水、脱イオン水、蒸留水、純水等の精製水が好ましい。また、親水性有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール類、エチレングリコール等のグリコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコール-n-プロピルエーテル等のグリコールエーテル類が好ましい。混合溶媒を用いる場合には、混合溶媒中の親水性有機溶媒の割合が0質量%より多く、50質量%以下であることが好ましく、より好ましくは20質量%以下、更に好ましくは10質量%以下である。
酸化チタン粒子としては、紫外線吸収剤として使用される酸化チタンがスズ成分を固溶したものであり、好ましくはスズ成分を固溶し、マンガン成分及びコバルト成分は固溶していない酸化チタン粒子である。これは、マンガン成分及びコバルト成分が固溶されると酸化チタンが着色するため、適用する樹脂の意匠性を阻害する可能性があるからである。なお、本発明の酸化チタン粒子分散液が「マンガン成分及び/またはコバルト成分を含有する」とは、分散液中に該マンガン成分及び/またはコバルト成分を含有するものであり、酸化チタン粒子にマンガン成分及び/またはコバルト成分が固溶されている態様は含まれない。
酸化チタン粒子に固溶するスズ成分は、光触媒活性を抑制するためのものであるが、スズ化合物から誘導されるものであればよく、例えば、スズの金属単体(Sn)、酸化物(SnO、SnO2)、水酸化物、塩化物(SnCl2、SnCl4)、硝酸塩(Sn(NO32)、硫酸塩(SnSO4)、ハロゲン(Br、I)化物、オキソ酸塩(Na2SnO3、K2SnO3)、錯化合物等が挙げられ、これらの1種又は2種類以上を組み合わせて使用したものでもよい。その中でも酸化物(SnO、SnO2)、塩化物(SnCl2、SnCl4)、硫酸塩(SnSO4)、オキソ酸塩(Na2SnO3、K2SnO3)を使用することが好ましい。
酸化チタン粒子中のスズ成分の含有量は、チタンとのモル比(Ti/Sn)で1~1,000、好ましくは5~500、より好ましくは5~100である。これは、モル比が1未満の場合、酸化チタンの含有割合が低下し紫外線吸収効果が十分発揮されないことがあり、1,000超過の場合、光触媒活性の抑制効果が不十分となることがあるためである。なお、酸化チタンに固溶されるのは、スズのみが好ましい。
酸化チタン粒子に添加されるマンガン成分及び/またはコバルト成分としては、金属、酸化物、水酸化物、塩化物、硝酸塩、硫酸塩、ハロゲン(Br、I)化物、オキソ酸塩、錯化合物等が挙げられ、これらの1種又は2種以上が用いられる。
酸化チタン粒子に添加されるマンガン成分及び/またはコバルト成分の含有量は、金属成分の種類に応じて適宜選定し得るが、チタンとのモル比(Ti/Mn及び/またはTi/Co)でそれぞれ5~5,000である。
酸化チタン粒子に添加する金属成分にマンガンを選択する場合、マンガン成分はマンガン化合物から誘導されるものであればよく、例えば、マンガンの金属単体(Mn)、酸化物(MnO、MnO2、Mn23、Mn34)、水酸化物、塩化物(MnCl2)、硝酸塩(Mn(NO32)、硫酸塩(MnSO4)、ハロゲン(Br、I)化物、マンガン酸及びオキソ酸塩(H2MnO4、HMnO4、Na2MnO4、Na2MnO4、K2MnO4、KMnO4)、錯化合物等が挙げられ、これらの1種又は2種以上を組み合わせてもよい。その中でも、塩化物(MnCl2)、硝酸塩(Mn(NO32)、硫酸塩(MnSO4)を使用することが好ましい。
酸化チタン粒子に添加されるマンガン成分の添加量は、チタンとのモル比(Ti/Mn)で5~5,000、好ましくは10~3,000、より好ましくは10~1,000である。これは、モル比が5未満の場合、酸化チタンの含有割合が低下し紫外線吸収効果が十分発揮されないことがあり、5,000超過の場合、光触媒活性の抑制効果が不十分となることがあるためである。
酸化チタン粒子に添加される金属成分にコバルトを選択する場合、コバルト成分はコバルト化合物から誘導されるものであればよく、例えば、コバルトの金属単体(Co)、酸化物(CoO、Co23)、水酸化物、塩化物(CoCl2)、硝酸塩(Co(NO32)、硫酸塩(CoSO4)、ハロゲン(Br、I)化物、コバルト酸及びオキソ酸塩、錯化合物等が挙げられ、これらの1種又は2種以上を組み合わせてもよい。その中でも、塩化物(CoCl2)、硝酸塩(Co(NO32)、硫酸塩(CoSO4)を使用することが好ましい。
酸化チタン粒子に添加されるコバルト成分の添加量は、チタンとのモル比(Ti/Co)で5~5,000、好ましくは10~3,000、より好ましくは10~1,000である。これは、モル比が5未満の場合、酸化チタンの含有割合が低下し紫外線吸収効果が十分発揮されないことがあり、5,000超過の場合、光触媒活性の抑制効果が不十分となることがあるためである。
酸化チタン粒子に添加される金属成分として、マンガン及びコバルトを選択する場合、各成分量は上記範囲内であるが、各成分量の合計とチタンとのモル比[Ti/(Mn+Co)]は、5以上10,000より小さい。
酸化チタン粒子は、1種で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
酸化チタン粒子分散液は、更にケイ素成分を含有してもよい。ケイ素成分を混合するとマンガン成分及び/またはコバルト成分を添加した際に生じる酸化チタン粒子の凝集を抑制することができる。
ケイ素成分はケイ素化合物から誘導されるものであればよく、例えば、ケイ素の金属単体(Si)、酸化物(SiO、SiO2)、アルコキシド(Si(OCH34、Si(OC254、Si(OCH(CH324)、ケイ酸塩(ナトリウム塩、カリウム塩)及びこのケイ酸塩からナトリウムやカリウム等のイオンを除去した活性ケイ酸等が挙げられ、これらの1種又は2種類以上を組み合わせて使用してもよい。その中でも、ケイ酸塩(ケイ酸ナトリウム)や活性ケイ酸を使用することが好ましい。
ケイ素成分はマンガン成分及び/またはコバルト成分の溶液もしくは分散液と混合してから酸化チタン粒子分散液に混合してもよいし、予め酸化チタン粒子分散液に混合しておいた後にマンガン成分及び/またはコバルト成分の溶液もしくは分散液を混合してもよい。
酸化チタン粒子分散液中のケイ素成分の含有量は、チタンとのモル比(Ti/Si)で0.1~1,000、好ましくは0.5~200、より好ましくは1~100である。これは、モル比が0.1未満の場合、酸化チタンの含有割合が低下し紫外線吸収効果が十分発揮されないことがあり、1,000超過の場合、凝集抑制効果が不十分となることがあるためである。
酸化チタン粒子分散液の固形分濃度を1質量%に調整したのちに、色彩計によって蒸留水を基準とした透過測定(JIS Z 8722準拠(視野:10度、光源:D65、測定条件:St、f、W10))を行って、酸化チタン粒子分散液の色彩値(L***)を得ることができる。
本発明の酸化チタン粒子分散液の着色度合いは、下記の比較試料との色差(ΔE* ab)によって評価する。
(a)比較試料:スズ成分が固溶され、スズ成分の含有量がチタンとのモル比(Ti/Sn)で20である、酸化チタン粒子分散液(固形分濃度1質量%)
(b)被評価対象試料:本発明の酸化チタン粒子分散液、即ち、1)スズ成分が固溶された酸化チタン粒子と、2)マンガン成分及び/またはコバルト成分とを含有する酸化チタン粒子であって、マンガン成分及び/またはコバルト成分の含有量が、チタンとのモル比(Ti/Mn及び/またはTi/Co)で5~5,000である酸化チタン粒子分散液(固形分濃度1質量%)
具体的には、比較試料及び被評価対象試料のそれぞれの分散液を固形分濃度1質量%に調整したのちに、上述の方法で得た2つの色彩値(L***)から、JIS Z 8781-4に記載の下記の計算式によって2つの色彩値の色差(ΔE* ab)を算出する。
Figure 0007205437000001
比較試料であるスズ成分がチタンとのモル比(Ti/Sn)で20となるように固溶された酸化チタン粒子分散液は着色が少なく、樹脂に配合、または表面に塗布しても樹脂の意匠性を阻害することがない。
比較試料との色差(ΔE* ab)は30以下であることが好ましく、より好ましくは20以下である。
色差が30を超える場合、着色によって樹脂の意匠性を阻害することがあるためである。
なお、上記分散液の色彩値(L***)を測定する装置としては、例えば、分光色彩・濁度同時測定器TZ7700(日本電色工業(株)製)、分光測色計・色彩色差計CM-5(コニカミノルタジャパン(株)製)等を使用することができる。
マンガン成分及び/またはコバルト成分が添加された酸化チタン粒子分散液中の酸化チタン粒子は、レーザー光を用いた動的光散乱法により測定される体積基準の50%累積分布径(以下、D50と表記することがある)が、3~50nmであることが好ましく、より好ましくは3~30nm、更に好ましくは3~20nmである。D50が、3nm未満の場合、紫外線吸収効果が不十分になることがあり、50nm超過の場合、分散液が不透明となることがあるためである。
また、レーザー光を用いた動的光散乱法により測定される体積基準の90%累積分布径(以下、D90と表記することがある)は、5~100nmであることが好ましく、より好ましくは5~80nmである。D90が、5nm未満の場合、紫外線吸収効果が不十分になることがあり、100nm超過の場合、分散液が不透明となることがあるためである。
本発明の酸化チタン粒子は、D50及びD90が上述した範囲にある微粒子であることが紫外線吸収効果を有し、かつ分散液が透明となるため、好ましい。
なお、上記分散液中の酸化チタン粒子のD50及びD90を測定する装置としては、例えば、ELSZ-2000ZS(大塚電子(株)製)、ナノトラックUPA-EX150(日機装(株)製)、LA-910(堀場製作所(株)製)等を使用することができる。
<酸化チタン粒子分散液の製造方法>
本発明の酸化チタン粒子分散液は、スズ成分が固溶された酸化チタン粒子分散液とマンガン成分及び/またはコバルト成分の水溶液または水分散液をそれぞれ製造し、スズ成分が固溶された酸化チタン粒子分散液とマンガン成分及び/またはコバルト成分の溶液または分散液とを混合することにより調製される。
マンガン成分及び/またはコバルト成分を含有する、スズ成分が固溶された酸化チタン粒子分散液の製造方法として、具体的には、下記工程(1)~(4)を有する製造方法を挙げることができる。
(1)原料チタン化合物、スズ化合物、塩基性物質、過酸化水素及び水性分散媒から、スズ成分含有ペルオキソチタン酸溶液を製造する工程
(2)上記(1)の工程で製造したスズ成分含有ペルオキソチタン酸溶液を、圧力制御の下、80~250℃で加熱し、スズ成分含有酸化チタン粒子分散液を得る工程
(3)原料マンガン化合物及び/または原料コバルト化合物並びに水性分散媒から、マンガン成分及び/またはコバルト成分の水溶液または水分散液を製造する工程
(4)上記(2)の工程で製造したスズ成分含有酸化チタン粒子分散液と、(3)の工程で製造したマンガン成分及び/またはコバルト成分の水溶液または水分散液を混合する工程
工程(1)~(2)はスズ成分が固溶した酸化チタン粒子分散液を得る工程であり、工程(3)はマンガン成分及び/またはコバルト成分の水溶液または水分散液を得る工程であり、そして、工程(4)は最終的にスズ成分が固溶した酸化チタン粒子とマンガン成分及び/またはコバルト成分を含有する分散液を得る工程である。
以下その前提で各工程について詳細に説明する。
・工程(1):
工程(1)では、原料チタン化合物、スズ化合物、塩基性物質及び過酸化水素を水性分散媒中で反応させることにより、スズ成分含有ペルオキソチタン酸溶液を製造する。
反応方法としては、下記i)~iii)の方法のいずれでもよい。
i)水性分散媒中の原料チタン化合物及び塩基性物質に対して、スズ化合物を添加して溶解させてから、スズ成分含有水酸化チタンとし、含有する金属イオン以外の不純物イオンを除去し、過酸化水素を添加してスズ成分含有ペルオキソチタン酸とする方法

ii)水性分散媒中の原料チタン化合物に塩基性物質を添加して水酸化チタンとし、含有する金属イオン以外の不純物イオンを除去した後にスズ化合物を添加し、次いで過酸化水素を添加することでスズ成分含有ペルオキソチタン酸とする方法

iii)水性分散媒中の原料チタン化合物に塩基性物質を添加して水酸化チタンとし、含有する金属イオン以外の不純物イオンを除去し、過酸化水素を添加してペルオキソチタン酸とした後にスズ化合物を添加して、スズ成分含有ペルオキソチタン酸とする方法
なお、i)の方法の前段において、「水性分散媒中の原料チタン化合物及び塩基性物質」を、「原料チタン化合物を分散させた水性分散媒」と「塩基性物質を分散させた水性分散媒」のように2液の水性分散媒に分けて、スズ化合物の当該2液への溶解性に従って、いずれか一方又は両方へ溶解させた後に、両者を混合してもよい。
このようにスズ成分含有ペルオキソチタン酸を得たのち、後述の工程(2)の水熱反応に供することにより、酸化チタンにスズ成分を固溶した酸化チタン粒子を得ることができる。
ここで、原料チタン化合物としては、例えば、チタンの塩化物、硝酸塩、硫酸塩等の無機酸塩、蟻酸、クエン酸、蓚酸、乳酸、グリコール酸等の有機酸塩、これらの水溶液にアルカリを添加して加水分解することにより析出させた水酸化チタン等が挙げられ、これらの1種又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。その中でも、チタンの塩化物(TiCl3、TiCl4)を使用することが好ましい。
スズ化合物、及び水性分散媒としては、それぞれ前述のものが、前述の配合となるように使用される。なお、原料チタン化合物と水性分散媒とから形成される原料チタン化合物水溶液の濃度は、60質量%以下、特に30質量%以下であることが好ましい。濃度の下限は適宜選定されるが、通常1質量%以上であることが好ましい。
塩基性物質は、原料チタン化合物をスムーズに水酸化チタンにするためのもので、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物、アンモニア、アルカノールアミン、アルキルアミン等のアミン化合物が挙げられ、その中でも特にアンモニアを使用することが好ましく、原料チタン化合物水溶液のpHを7以上、特にpH7~10になるような量で添加して使用される。なお、塩基性物質は、上記水性分散媒と共に適当な濃度の水溶液にして使用してもよい。
過酸化水素は、上記原料チタン化合物又は水酸化チタンをペルオキソチタン、つまりTi-O-O-Ti結合を含む酸化チタン化合物に変換させるためのものであり、通常、過酸化水素水の形態で使用される。過酸化水素の添加量は、Ti、Snの合計物質量の1.5~20倍モルとすることが好ましい。また、過酸化水素を添加して原料チタン化合物又は水酸化チタンをペルオキソチタン酸にする反応において、反応温度は5~80℃とすることが好ましく、反応時間は30分~24時間とすることが好ましい。
こうして得られるスズ成分を含有するペルオキソチタン酸溶液は、pH調整等のため、アルカリ性物質又は酸性物質を含んでいてもよい。ここでいう、アルカリ性物質としては、例えば、アンモニア、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、アルキルアミン等が挙げられ、酸性物質としては、例えば、硫酸、硝酸、塩酸、炭酸、リン酸、過酸化水素等の無機酸及び蟻酸、クエン酸、蓚酸、乳酸、グリコール酸等の有機酸が挙げられる。この場合、得られたスズ成分を含有するペルオキソチタン酸溶液のpHは1~9、特に4~7であることが取り扱いの安全性の点で好ましい。
・工程(2):
工程(2)では、上記工程(1)で得られたスズ成分含有ペルオキソチタン酸溶液を、圧力制御の下、80~250℃、好ましくは100~250℃の温度において0.01~24時間水熱反応に供する。反応温度は、反応効率と反応の制御性の観点から80~250℃が適切であり、その結果、スズ成分含有ペルオキソチタン酸は、スズ成分含有酸化チタン粒子に変換されていく。なお、ここで圧力制御の下とは、反応温度が分散媒の沸点を超える場合には、反応温度が維持できるように、適宜加圧を行い、反応温度を維持することをいい、分散媒の沸点以下の温度とする場合に大気圧で制御する場合を含む。ここで用いる圧力は、通常0.12~4.5MPa程度、好ましくは0.15~4.5MPa程度、より好ましくは0.20~4.5MPa程度である。反応時間は、1分~24時間であることが好ましい。この工程(2)により、酸化チタン粒子であるスズ成分含有酸化チタン粒子分散液が得られる。
ここで得られる酸化チタン粒子の粒子径は、既に述べた通りの範囲のものが好ましいが、反応条件を調整することで粒子径を制御することが可能であり、例えば、反応時間や昇温時間を短くすることによって粒子径を小さくすることができる。
・工程(3):
工程(3)では、上記工程(1)~(2)とは別に、原料マンガン化合物及び/または原料コバルト化合物を水性分散媒中に溶解または分散させることで、マンガン成分及び/またはコバルト成分の水溶液または水分散液を製造する。
原料マンガン化合物としては、上述したマンガン化合物、例えば、マンガンの金属単体(Mn)、酸化物(MnO、MnO2、Mn23、Mn34)、水酸化物、塩化物(MnCl2)、硝酸塩(Mn(NO32)、硫酸塩(MnSO4)、ハロゲン(Br、I)化物、マンガン酸及びオキソ酸塩(H2MnO4、HMnO4、Na2MnO4、Na2MnO4、K2MnO4、KMnO4)、錯化合物等が挙げられ、これらの1種又は2種以上を組み合わせてもよい。その中でも、塩化物(MnCl2)、硝酸塩(Mn(NO32)、硫酸塩(MnSO4)が好ましい。
原料コバルト化合物としては、上述したコバルト化合物、例えば、コバルトの金属単体(Co)、酸化物(CoO、Co23)、水酸化物、塩化物(CoCl2)、硝酸塩(Co(NO32)、硫酸塩(CoSO4)、ハロゲン(Br、I)化物、コバルト酸及びオキソ酸塩、錯化合物等が挙げられ、これらの1種又は2種以上を組み合わせてもよい。その中でも、塩化物(CoCl2)、硝酸塩(Co(NO32)、硫酸塩(CoSO4)が好ましい。
工程(3)で製造するマンガン成分及び/またはコバルト成分の水溶液または水分散液中の原料マンガン化合物濃度は0.001~10質量%が好ましく、0.01~5質量%がより好ましく、原料コバルト化合物濃度は0.001~10質量%が好ましく、0.01~5質量%がより好ましい。
また、このマンガン成分及び/またはコバルト成分の水溶液または水分散液はケイ素化合物を溶解または分散していてもよい。
ケイ素化合物としては、例えば、ケイ素の金属単体(Si)、酸化物(SiO、SiO2)、アルコキシド(Si(OCH34、Si(OC254、Si(OCH(CH324)、ケイ酸塩(ナトリウム塩、カリウム塩)及びこのケイ酸塩からナトリウムやカリウム等のイオンを除去した活性ケイ酸等が挙げられ、これらの1種又は2種類以上を組み合わせてもよい。その中でも、ケイ酸塩(ケイ酸ナトリウム)や活性ケイ酸が好ましい。活性ケイ酸は、例えばケイ酸ナトリウムを純水に溶解したケイ酸ナトリウム水溶液に陽イオン交換樹脂を添加してナトリウムイオンを除去することで得られ、得られた活性ケイ酸溶液のpHが2~10、好ましくは2~5となるように陽イオン交換樹脂を添加することが好ましい。
工程(3)で製造するマンガン成分及び/またはコバルト成分の水溶液または水分散液にケイ素化合物を溶解または分散する場合は、SiO2換算で0.001~10質量%、好ましくは0.01~5質量%となるようケイ素化合物を溶解または分散することが好ましい。
こうして得られるマンガン成分及び/またはコバルト成分の溶液または分散液も、pH調整等のため、アルカリ性物質又は酸性物質を含んでいてもよく、ここでいう、アルカリ性物質及び酸性物質は前述の工程(1)と同様のものが挙げられ、そしてpH調整も前述と同様に取り扱うことができる。
・工程(4):
工程(4)では、工程(2)で得られた酸化チタン粒子分散液と工程(3)で得られたマンガン成分及び/またはコバルト成分の水溶液または水分散液とを混合する。混合方法は特に限定されず、攪拌機で撹拌する方法でも、超音波分散機で分散させる方法でもよい。混合時の温度は20~100℃、時間は1分~3時間であることが好ましい。混合比については、それぞれの酸化チタン粒子分散液中のTiとMn及び/またはCoのモル比が、既に述べた通りのモル比になるように混合すればよい。
上記の工程(1)~(4)で得られた酸化チタン粒子分散液は、pH調整等のため、アルカリ性物質又は酸性物質を含んでいてもよく、pH調整剤としては上述のようなものを使用することができる。また、イオン成分濃度の調整のためにイオン交換処理やろ過洗浄処理を行ったり、溶媒成分変更のために溶媒置換処理を行ったりしてもよい。
酸化チタン粒子分散液に含まれる酸化チタン粒子の質量は、酸化チタン粒子分散液の質量と濃度から算出できる。なお、酸化チタン粒子分散液の濃度の測定方法は、酸化チタン粒子分散液の一部をサンプリングし、105℃で1時間加熱して溶媒を揮発させた後の不揮発分(酸化チタン粒子)の質量とサンプリングした酸化チタン粒子分散液の質量から、次式に従い算出することができる。
酸化チタン粒子分散液の濃度(%)=〔不揮発分質量(g)/酸化チタン粒子分散液質量(g)〕×100
こうして調製された酸化チタン粒子分散液中のマンガン成分及び/またはコバルト成分と酸化チタン粒子の合計の濃度は、樹脂への配合や表面への塗工のし易さの点で、0.1~50質量%が好ましく、特に0.5~30質量%が好ましい。濃度調整については、濃度が所望の濃度より高い場合には、水性溶媒を添加して希釈することで濃度を下げることができ、所望の濃度より低い場合には、水性溶媒を揮発もしくは濾別することで濃度を上げることができる。なお、濃度は、上述のように算出することができる。

上記のようにして得られた分散液は、基材(樹脂成型品)上に公知の塗工方法(刷毛塗、噴霧、浸漬、ロールコータ等)により所望の厚さ、好ましくは10nm~10μmに皮膜形成されて使用することが可能である。必要により乾燥または加熱することがよい。
本発明の部材は、本発明の酸化チタン粒子膜を有するものであり、上記のように基材(樹脂成形品)の内部又は表面に本発明の酸化チタン粒子分散液を用いて形成される膜を有するものである。
以下に、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。本発明における各種の測定は次のようにして行った。
(1)分散液中の酸化チタン粒子の50%及び90%累積分布径(D50及びD90
分散液中の酸化チタン粒子のD50及びD90は、粒度分布測定装置(ELSZ-2000ZS(大塚電子(株)製))を使用して、レーザー光を用いた動的光散乱法により測定される体積基準の50%及び90%累積分布径として算出した。
(2)酸化チタン粒子分散液の色差(ΔE* ab
酸化チタン粒子分散液の色差は、被評価対象の酸化チタン粒子分散液と、比較試料の色彩値を色彩計で測定し、得られた色彩値から算出した。
比較試料としては、マンガン成分及びコバルト成分が添加されていない、スズ成分がチタンとのモル比(Ti/Sn)で20となるように固溶された酸化チタン粒子分散液(下記調製例1-1)を使用した。
色彩値(L***)は、具体的には、測定する酸化チタン粒子分散液の固形分濃度を1質量%に調整してから、色彩計によって蒸留水を基準とした透過測定(JIS Z 8722準拠(視野:10度、光源:D65、測定条件:St、f、W10))によって得た。
色差(ΔE* ab)は、上述の方法で得た被評価対象の酸化チタン粒子分散液と、比較試料の酸化チタン粒子分散液の色彩値から、JIS Z 8781-4に記載の上述の計算式によって算出した。
(3)酸化チタン粒子のアセトアルデヒドガス分解性能試験
実施例又は比較例で調製した各酸化チタン粒子分散液を、A4サイズ(210mm×297mm)のPETフィルムの一面に酸化チタン粒子の乾燥質量が約20mgになるように#7のワイヤーバーコーターによって塗り広げて評価用サンプルを作製し、80℃に設定したオーブンで1時間乾燥させて、アセトアルデヒドガス分解性能評価用サンプルを得た。
この評価用サンプルを用いて、酸化チタン粒子の光触媒活性を、アセトアルデヒドガスの分解反応により評価した。評価はバッチ式ガス分解性能評価法により行った。
具体的には、容積5Lの石英ガラス窓付きステンレス製セル内に評価用サンプルを設置したのち、該セルを湿度50%に調湿した初期濃度(20ppm)のアセトアルデヒドガスで満たし、該セル上部に設置した光源で光を照射した。酸化チタンの光触媒作用によりアセトアルデヒドガスが分解すると、該セル中のアセトアルデヒドガス濃度が低下する。そこで、その濃度変化を測定することで光触媒活性の強さを確認できる。アセトアルデヒドガス濃度は光音響マルチガスモニタ(商品名“INNOVA1412”、LumaSense社製)を用いて光照射開始から10時間後の濃度を測定し、アセトアルデヒドガス濃度の低下幅を確認した。低下幅が大きいほど光触媒活性が高く、低下幅が小さいほど光触媒活性が低いことを示す。
試験光源にはUV蛍光ランプ(商品型番“FL10 BLB”、東芝ライテック(株))を使用し、放射照度が0.5mW/cm2の条件で紫外線を照射した。このとき、セル内のアセトアルデヒド初期濃度は20ppmとした。
(4)酸化チタン粒子の結晶相の同定
酸化チタン粒子の結晶相は、得られた酸化チタン粒子の分散液を105℃、3時間乾燥させて回収した酸化チタン粒子粉末の粉末X線回折(商品名“卓上型X線回折装置D2 PHASER”、ブルカー・エイエックスエス(株))を測定することで同定した。
(5)酸化チタン粒子分散液の調製
[調製例1-1]
<スズが固溶された酸化チタン粒子分散液の調製>
36質量%の塩化チタン(IV)水溶液に塩化スズ(IV)をTi/Sn(モル比)が20となるように添加・溶解し、これを純水で10倍に希釈した後、10質量%のアンモニア水を徐々に添加して中和、加水分解することにより、スズを含有する水酸化チタンの沈殿物を得た。このときのpHは8であった。得られた沈殿物を、純水の添加とデカンテーションを繰り返して脱イオン処理した。この脱イオン処理後の、スズを含有する水酸化チタン沈殿物に、H22/(Ti+Sn)(モル比)が10となるように35質量%過酸化水素水を添加し、その後60℃で2時間撹拌して十分に反応させ、橙色透明のスズ含有ペルオキソチタン酸溶液(1a)を得た。
容積500mLのオートクレーブに、スズ含有ペルオキソチタン酸溶液(1a)400mLを仕込み、これを150℃の条件下、90分間水熱処理し、その後、純水を添加して濃度調整を行うことにより、スズが固溶された酸化チタン粒子(1A)の分散液(固形分濃度1.5質量%)を得た。酸化チタン粒子(1A)の粉末X線回折測定を行ったところ、観測されるピークはルチル型酸化チタンのもののみであり、スズが酸化チタンに固溶されていることが分かった。
[調製例1-2]
<スズが固溶された酸化チタン粒子分散液の調製>
塩化スズ(IV)をTi/Sn(モル比)が10となるように添加したことと、水熱処理時間を120分間としたこと以外は調製例1-1と同様にして、スズが固溶された酸化チタン粒子(1B)の分散液(固形分濃度1.5質量%)を得た。酸化チタン粒子(1B)の粉末X線回折測定を行ったところ、観測されるピークはルチル型酸化チタンのもののみであり、スズが酸化チタンに固溶されていることが分かった。
[調製例1-3]
<スズ及びマンガンが固溶された酸化チタン粒子分散液の調製>
36質量%の塩化チタン(IV)水溶液に更に塩化マンガン(II)をTi/Mn(モル比)が100となるように添加したこと以外は調製例1-1と同様にして、スズ及びマンガンが固溶された酸化チタン粒子(1C)の分散液(固形分濃度1.5質量%)を得た。酸化チタン粒子(1C)の粉末X線回折測定を行ったところ、観測されるピークはルチル型酸化チタンのもののみであり、スズ及びマンガンが酸化チタンに固溶されていることが分かった。
[調製例1-4]
<酸化チタン粒子分散液の調製>
36質量%の塩化チタン(IV)水溶液に塩化スズ(IV)を添加せず、130℃の条件下、90分間水熱処理したこと以外は調製例1-1と同様にして、酸化チタン粒子(1D)の分散液(固形分濃度1.5質量%)を得た。酸化チタン粒子(1D)の粉末X線回折測定を行ったところ、観測されるピークはアナターゼ型酸化チタンのものであった。
表1に、各調製例で調製した酸化チタン粒子の原料比、水熱処理条件、分散粒子径(D50、D90)をまとめて示す。分散粒子径はレーザー光を用いた動的光散乱法(ELSZ-2000ZS(大塚電子(株)製)により測定した。
Figure 0007205437000002
(6)マンガン成分及び/またはコバルト成分の溶液の調製
[調製例2-1]
<塩化マンガン水溶液の調製>
純水に塩化マンガン(II)四水和物を0.23質量%となるように溶解して塩化マンガン水溶液(2A)を得た。
[調製例2-2]
<塩化コバルト水溶液の調製>
純水に塩化コバルト(II)六水和物を0.63質量%となるように溶解して塩化コバルト水溶液(2B)を得た。
[調製例2-3]
<塩化マンガン及び活性珪酸の水溶液の調製>
純水にJIS3号珪酸ソーダをSiO2換算で2質量%になるように溶解した。この珪酸ソーダ水溶液を撹拌しながら強酸性陽イオン交換樹脂(アンバージェット1024H(オルガノ(株)製))をpHが3.9になるまで添加したのち、イオン交換樹脂を濾別して活性珪酸水溶液を得た。更にこの活性珪酸水溶液に塩化マンガン(II)四水和物を0.23質量%となるように溶解して、塩化マンガン及び活性珪酸の水溶液(2C)を得た。
[調製例2-4]
<塩化マンガン及び活性珪酸の水溶液の調製>
純水にJIS3号珪酸ソーダをSiO2換算で0.5質量%になるように溶解した。この珪酸ソーダ水溶液を撹拌しながら強酸性陽イオン交換樹脂(アンバージェット1024H(オルガノ(株)製))をpHが4.0になるまで添加したのち、イオン交換樹脂を濾別して活性珪酸水溶液を得た。更にこの活性珪酸水溶液に塩化マンガン(II)四水和物を0.23質量%となるように溶解して、塩化マンガン及び活性珪酸の水溶液(2D)を得た。
[調製例2-5]
<活性珪酸水溶液の調製>
純水にJIS3号珪酸ソーダをSiO2換算で2質量%になるように溶解した。この珪酸ソーダ水溶液を撹拌しながら強酸性陽イオン交換樹脂(アンバージェット1024H(オルガノ(株)製))をpHが3.9になるまで添加したのち、イオン交換樹脂を濾別し、活性珪酸水溶液(2E)を得た。
(7)酸化チタン粒子分散液の調製
[実施例1]
酸化チタン粒子分散液(1A)と塩化マンガン水溶液(2A)を、Ti/Mn(モル比)で434となるように混合することで、酸化チタン粒子分散液(E-1)を得た。
[実施例2]
酸化チタン粒子分散液(1A)と塩化マンガン水溶液(2A)を、Ti/Mn(モル比)で2,174となるように混合することで、酸化チタン粒子分散液(E-2)を得た。
[実施例3]
酸化チタン粒子分散液(1B)と塩化コバルト水溶液(2B)を、Ti/Co(モル比)で187となるように混合することで、酸化チタン粒子分散液(E-3)を得た。
[実施例4]
酸化チタン粒子(1A)と塩化マンガン及び活性珪酸の水溶液(2C)を、Ti/Mn(モル比)で92、Ti/Si(モル比)で3となるように混合することで、酸化チタン粒子分散液(E-4)を得た。
[実施例5]
酸化チタン粒子(1A)と塩化マンガン及び活性珪酸の水溶液(2C)を、Ti/Mn(モル比)で434、Ti/Si(モル比)で15となるように混合することで、酸化チタン粒子分散液(E-5)を得た。
[実施例6]
酸化チタン粒子(1A)と塩化マンガン及び活性珪酸の水溶液(2D)を、Ti/Mn(モル比)で48、Ti/Si(モル比)で7となるように混合することで、酸化チタン粒子分散液(E-6)を得た。
[比較例1]
酸化チタン粒子(1A)のみから酸化チタン粒子分散液(C-1)を得た。
[比較例2]
酸化チタン粒子(1C)のみから酸化チタン粒子分散液(C-2)を得た。
[比較例3]
酸化チタン粒子(1D)と塩化マンガン水溶液(2A)を、Ti/Mn(モル比)で2,174となるように混合することで、酸化チタン粒子分散液(C-3)を得た。
[比較例4]
酸化チタン粒子(1A)と活性珪酸水溶液(2E)を、Ti/Si(モル比)で3となるように混合することで、酸化チタン粒子分散液(C-4)を得た。
実施例及び比較例で調製した酸化チタン分散液に使用した液及び金属のモル比について表2にまとめる。
Figure 0007205437000003
表3に、酸化チタン粒子分散液の分散粒子径(D50、D90)、アセトアルデヒドガス分解試験結果(10時間後の濃度及び濃度の低下幅)、色彩値(L***)及び比較試料の酸化チタン粒子分散液との色差(ΔE* ab)をまとめて示す。分散粒子径はレーザー光を用いた動的光散乱法(ELSZ-2000ZS(大塚電子(株)製)、色彩値は分光色彩・濁度同時測定器TZ7700(日本電色工業(株)製)により測定した。
Figure 0007205437000004
比較例1と比較例4より、マンガン及び/またはコバルト成分を含有しない酸化チタンはアセトアルデヒドガス分解能が高く光触媒活性が高いことが分かった。
比較例2より、マンガンが固溶された酸化チタンの光触媒活性は抑制されているが、色差が大きいことが分かった。
比較例3と実施例2より、スズが固溶されていない酸化チタンはマンガン成分を含有していても光触媒活性が高いことが分かった。

Claims (8)

  1. 1)スズ成分 並びに
    2)マンガン成分及び/またはコバルト成分
    を含有する酸化チタン粒子であって、
    スズ成分のみが酸化チタン粒子に固溶され、マンガン成分及びコバルト成分は酸化チタン粒子に固溶されておらず、
    マンガン成分及び/またはコバルト成分の含有量が、チタンとのモル比(Ti/Mn及び/またはTi/Co)でそれぞれ5~5,000である、酸化チタン粒子。
  2. 請求項1に記載の酸化チタン粒子の膜を有する部材。
  3. 1)スズ成分が固溶された酸化チタン粒子と、
    2)マンガン成分及び/またはコバルト成分と
    を含有する酸化チタン粒子分散液であって、
    マンガン成分及びコバルト成分は酸化チタン粒子に固溶されておらず、
    マンガン成分及び/またはコバルト成分の含有量が、チタンとのモル比(Ti/Mn及び/またはTi/Co)でそれぞれ5~5,000である酸化チタン粒子分散液。
  4. 固形分濃度1質量%の、
    (a)スズ成分が固溶され、スズ成分の含有量がチタンとのモル比(Ti/Sn)で20である、酸化チタン粒子分散液と
    (b)請求項3に記載の酸化チタン粒子分散液と
    の色差(ΔE* ab)が、30以下である請求項3に記載の酸化チタン粒子分散液。
  5. 更にケイ素成分を含有する請求項3または4に記載の酸化チタン粒子分散液。
  6. 酸化チタンに固溶されるスズ成分の含有量がチタンとのモル比(Ti/Sn)で1~1,000である請求項3~5のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子分散液。
  7. マンガン成分及び/またはコバルト成分の含有量が、チタンとのモル比(Ti/Mn及び/またはTi/Co)でそれぞれ10~3,000である請求項3~6のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子分散液。
  8. 下記工程(1)~(4)を有することを特徴とする酸化チタン粒子分散液の製造方法。
    (1)原料チタン化合物、スズ化合物、塩基性物質、過酸化水素及び水性分散媒から、スズ成分含有ペルオキソチタン酸溶液を製造する工程
    (2)上記(1)の工程で製造したスズ成分含有ペルオキソチタン酸溶液を、圧力制御の下、80~250℃で加熱し、スズ成分含有酸化チタン粒子分散液を得る工程
    (3)原料マンガン化合物及び/または原料コバルト化合物並びに水性分散媒から、マンガン成分及び/またはコバルト成分の水溶液または水分散液を得る工程
    (4)上記(2)の工程で製造したスズ成分含有酸化チタン粒子分散液と、上記(3)の工程で製造したマンガン成分及び/またはコバルト成分の水溶液または水分散液とを混合する工程
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