超音速粒子衝突による光触媒酸化チタン粒子の固定化

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K19998
• 研究機関: 久留米工業高等専門学校
• 研究代表者: 渡邊 悠太 久留米工業高等専門学校, 機械工学科, 助教 (20791461)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 酸化チタン / 光触媒 / ショットコーティング / 付着効率

研究実績の概要

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．
R3年度の本研究においては，前年度酸化チタン成膜に成功したショットコーティング法についての検討を行った．新たに粉末供給装置を導入することで成膜時の粉末供給量を制御し付着効率の検討を行った．基材の種類を変えて付着効率測定を行ったところ銅，樹脂，炭素鋼，アルミニウムの順に高い付着効率を示した．固体粒子衝突による成膜は粒子衝突による基材の新生面露出がカギとなることが予想されるが，付着効率の結果は新生面露出のしやすさを示す基材硬さとは相関を示さなかった．成膜後の皮膜表面観察を行った結果，皮膜には後続粒子衝突による剥離が生じていた．したがって，今回評価した付着効率は皮膜の密着強度に強い影響を受けたものであると推測される．密着強度の高い皮膜では後続粒子の衝突による剥離が生じにくいため成膜後に残留する皮膜の量が増えたのだと考えられる．皮膜密着強度を評価し，付着効率との検討を行う必要がある．今回測定された付着効率は1％未満であり，十分な膜厚を持った皮膜を作製できたとはいいがたい．基材の前処理などで付着効率・密着強度の改善が求められる．

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

前年度，販売代理店倒産により導入を断念した低圧型コールドスプレー装置について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．
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．

今後の研究の推進方策

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．薄い皮膜であれば皮膜内応力蓄積による密着強度低下を抑えることができるため，100μm以下の比較的薄い皮膜を基材表面に均質に形成することを試みる．
これまでの研究結果から銅基材において高い密着強度を示すことが示唆されたが皮膜剥離痕の観察から十分な新生面露出が行われていないことが確認されている．そこで新生面露出を促進するために基材前処理，新生面露出を目的とした異種材料を混合した混合皮膜の作製などに取り組む．

次年度使用額が生じた理由

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．
そこで同予算はにXYトラバーサー，粉末供給装置などの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．