超音速粒子衝突による光触媒酸化チタン粒子の固定化

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K19998
• Research Institution: Kurume National College of Technology
• Principal Investigator: 渡邊 悠太 久留米工業高等専門学校, 機械工学科, 准教授 (20791461)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ショットコーティング / 酸化チタン / 光触媒

Outline of Annual Research Achievements

酸化チタンは光触媒作用を有する材料として環境浄化分野での利用が期待されている．しかしその固定化にはバインダーが必須とされ，バインダー利用に伴う光触媒性能の低下が問題となっている．本申請研究は光触媒用酸化チタンのバインダーレス固定化技術の開発を目指すものである．バインダーを用いない酸化チタンの固定化手法としては特殊なナノ構造を有するセラミックス粉末を用いたコールドスプレー法による超音速衝突固体接合が報告されている．コールドスプレー法とは特殊形状ノズルによって超音速にまで加速された作動ガス中に材料粉末を投入・加速し基材上に衝突堆積させる成膜技術である．前年度までの検討によって超音速まで加速しないショットコーティング法においても酸化チタンの成膜が確認されている．
R4年度の本研究においては，ショットコーティング法を用いた光触媒用酸化チタン皮膜作製を目指しノズルトラバーサーを導入し一様な皮膜作製を行った．昨年度スポットでの成膜が確認された鉄，アルミニウム，銅基材に対して成膜を行ったところ一様な膜厚の皮膜を作製することができた．成膜条件と基材の種類の関係を見ると吹付圧力が低い条件では硬い鉄基材においてほかの基材よりも高い付着効率が得られたが吹付圧力が高い条件では鉄基材では皮膜の剥離を生じ，銅基材が高い付着効率を示した．これは粒子の付着には粒子が偏平することが必要となるためその駆動力の低い，低吹付圧力では硬い基材が有利であるが吹付圧力が上がり粒子の変形が促進されると鉄基材では基材変形が少なく十分な密着が得られないため剥離が生じたと考えられる．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

低圧コールドスプレー装置の導入ができず類似プロセスであるショットピーニング法を使用することとなったため，実験環境の構築に時間を要した．
コールドスプレー法の類似プロセスであるショットコーティング法における検討を行ってきたがコールドスプレー法にくらべ材料に与えることのできるエネルギーが少ないこともありコールドスプレー法ほどの高品位皮膜の作製に至っていない．しかし，ショットコーティング法はコールドスプレー法に比べ，イニシャルコスト，ランニングコストともに安価でありショットコーティング法によって光触媒用酸化チタンのバインダーレス固定化技術の開発に成功すればその産業的意義は大きい．

Strategy for Future Research Activity

光触媒用酸化チタンのバインダーレス固定化技術の開発をコールドスプレー法により行うことは現状困難である．そこでこれまでに成膜が確認されたショットコーティング法による検討に軸足を移すこととする．ショットコーティング法により高い密着強度の厚膜を形成するには至っていないが，光触媒反応は表面反応であるため基材表面に均質に酸化チタンを付与できれば厚膜形成は不要である．
これまでの取り組みにより膜厚50μm程度の均質な皮膜の作製成功したため，今後は皮膜の密着強度評価を行い十分な皮膜強度があること確認できれば光触媒性能評価を行う．十分な密着強度が得られなかった場合は成膜プロセスを再検討し，密着強度を向上させる方策を模索していく．

Causes of Carryover

2020年度に導入を予定していた低圧型コールドスプレー装置が販売代理店廃業に伴い導入困難となったためその額が繰り越されている．2021年度に後継となる代理店ができたもののロシア製の装置であることから現在の社会情勢では導入は絶望的な状況である．
着目するプロセスをコールドスプレー法からショットコーティング法に変更したため，ショットコーティング成膜環境構築のため使用する計画である