CN100535063C

CN100535063C - 一种纳米生态涂料

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Publication number: CN100535063C
Application number: CNB2007100158937A
Authority: CN
Inventors: 张国辉; 国伟林; 王西奎
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: Jinan University; University of Jinan
Priority date: 2007-06-14
Filing date: 2007-06-14
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2027-06-14
Also published as: CN101067056A

Abstract

本发明涉及一种纳米涂料，特别涉及一种纳米生态涂料。本发明的纳米生态涂料，采用以下三个步骤制成：(1)包覆液的配制：将NaCl、NaHCO₃、KCl、K₂HPO₄·3H₂O、MgCl·6H₂O、CaCl₂、Na₂SO₄溶解于水中，配制成包覆液；(2)纳米二氧化钛分散液的配制；(3)涂料配制。本发明的主要创新点在于，将纳米二氧化钛分散在专门配制的包覆液中，控制一定反应条件，在二氧化钛纳米粒子表面形成多孔的羟基磷灰石薄膜，既提高了纳米二氧化钛粒子在涂料中的分散性和耐候性；同时，在纳米二氧化钛粒子表面形成多孔结构的薄膜，使其仍然具有较高的自清洁、杀菌、净化空气的功能。

Description

一种纳米生态涂料

(一)技术领域

本发明涉及一种纳米涂料，特别涉及一种纳米生态涂料。

(二)背景技术

目前，我国环境污染问题十分突出，特别是城市大气污染相当严重。工业燃煤释放大量的二氧化硫、一氧化碳等有害气体；随汽车工业的高速发展，汽车尾气排放大量的氮化物和一氧化碳使大中城市空气污染严重；许多室内装饰材料和家具会慢慢释放出诸如醛类、酚类、醇类等小分子有害有机物，中央空调也产生难闻的气味和传播致病微生物。

减少污染、保护环境是广大公众日益关注的问题，具有降解污染物功能的光催化生态建筑材料在本世纪必将成为建材行业的主流产品。近年来关于光催化涂料方面的报导越来越多。将纳米TiO₂、ZnO等纳米材料添加到涂料中，不仅涂层的耐洗刷性、耐老化性及耐沾污性能均有显著增强；而且还能净化空气中的有害气体、杀菌消毒。

纳米二氧化钛光催化剂具有化学性质稳定、耐氧化、安全无毒等优点。在紫外光照射下，可产生自由电子-空穴对，与吸附在二氧化钛表面的氧和水反应，产生活性氧及自由基。这些活性氧及自由基有很强的氧化分解能力，可将有机物氧化分解为CO₂和H₂O，将大气污染物NO_x、SO_x、NH₃和H₂S等氧化为无害物质，也能穿透吸附于TiO₂表面的细菌、霉菌等微生物的细胞壁，从而有效地杀灭细菌，进而对空气进行去污、消毒，达到净化空气的效果。

但现有的纳米二氧化钛涂料，还具有以下不足：

在涂料中添加纳米二氧化钛，可以赋予涂料自清洁、杀菌、净化空气等新功能，同时二氧化钛也会分解涂料中的有机成分，从而降低涂料的耐候性。

由于纳米二氧化钛粒径很小，在涂料中分散性不好，易团聚，其清洁、杀菌的性能达不到理想效果。

(三)发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供一种具有优良分散性、稳定性和耐候性的纳米生态涂料，以提高该涂料自清洁、杀菌、净化空气的功能。

本发明是通过以下措施来实现的：

本发明的纳米生态涂料，其特征是采用以下步骤制成：

(1)包覆液的配制：将NaCl、NaHCO₃、KCl、K₂HPO₄·3H₂O、MgCl·6H₂O、CaCl₂、Na₂SO₄溶解于水中，配制成包覆液；

包覆液中各离子的浓度为：

成分 Na⁺ K⁺ Ca²⁺ Mg²⁺ Cl^- HPO₄ ^2- HCO₃ ^- SO₄ ^2-

浓度mmol/l 142 5.0 2.5 1.5 147.8 1.0 4.2 0.5

(2)纳米二氧化钛分散液的配制：将纳米二氧化钛、分散剂加入至包覆液中，以三羟基氨基甲烷和盐酸作缓冲剂调节pH值为7.3左右，搅拌，加热，恒温40℃反应2h，过滤，洗涤，最后将滤饼重新分散到水中，得纳米二氧化钛分散液。纳米二氧化钛、分散剂的加入量分别为分散液的5-20wt％、0.1-2wt％；

(3)涂料配制：将水、颜/填料、分散剂、消泡剂、成膜助剂、流平剂、中和剂和纳米二氧化钛分散液混合，调节pH值为8-10，高速搅拌10-50min，再经砂磨机或三辊机研磨30-60min，得到浆料；在浆料中加入水、乳液、消泡剂等进行搅拌，然后加入增稠剂，调节pH值9-10，将涂料调至合适粘度，低速搅拌30min，最后得到纳米生态涂料；所制备涂料中水、分散剂、颜/填料、消泡剂、成膜助剂、流平剂、纳米二氧化钛、乳液、增稠剂、中和剂占涂料的质量百分比分别为20-45、0.1-2、20-45、0.1-2、1-5、0.1-2、0.5-5、10-30、0.2-4、0.1-2wt％。

为了提高纳米二氧化钛粒子的分散性，步骤(2)中，采用机械力分散法、超声分散法或化学分散法进行分散，所采用的分散剂为聚丙烯酸盐类、多聚磷酸盐类、聚乙二醇的一种或一种以上。

上述本发明的纳米生态涂料，所述的纳米二氧化钛粒子表面在包覆液内形成多孔羟基磷灰石薄膜。

上述本发明的纳米生态涂料，其纳米二氧化钛粒子表面的包覆率为0.1-99％。

二氧化钛可以将吸附的有机污染物进行分解，同时也会分解涂料中的有机成分，所以在涂料(特别是外墙涂料)中均使用光催化能力较差的金红石型二氧化钛，并且对其表面进行包覆处理。因此，对纳米涂料中的纳米二氧化钛应该进行必要的表面处理，以提高纳米涂料的耐候性。

羟基磷灰石是一种传统的生物陶瓷材料，对于蛋白质、有机污染物等有高度亲和性。如果在纳米二氧化钛粒子表面担载多孔结构的羟基磷灰石包覆层，可以很好的提高纳米二氧化钛在涂料中的分散性和耐候性，同时由于包覆层为多孔结构且该包覆层对有机分子有很强的吸附能力，所以二氧化钛的光催化能力仍然很强。

本发明的主要创新点在于，将纳米二氧化钛分散在专门配制的包覆液中，控制一定反应条件，在二氧化钛纳米粒子表面形成多孔的羟基磷灰石薄膜，既提高了纳米二氧化钛粒子在涂料中的分散性和耐候性；同时，在纳米二氧化钛粒子表面形成多孔结构的薄膜，使其仍然具有较高的自清洁、杀菌、净化空气的功能。

(四)具体实施方式

实施例1：

包覆液的配制：将NaCl、NaHCO₃、KCl、K₂HPO₄·3H₂O、MgCl·6H₂O、CaCl₂、Na₂SO₄溶解于水中，配制成包覆液。

包覆液各离子的浓度为：

成分 Na⁺ K⁺ Ca²⁺ Mg²⁺ Cl^- HPO₄ ^2- HCO₃ ^- SO₄ ^2-

浓度mmol/l 142 5.0 2.5 1.5 147.8 1.0 4.2 0.5

纳米二氧化钛分散液的配制：组方：纳米二氧化钛(锐钛矿型)5g，聚丙烯酸钾0.10g，包覆液50ml。

将纳米二氧化钛、分散剂加入至包覆液中，以三羟基氨基甲烷和盐酸作缓冲剂调节pH值为7.3左右，搅拌，加热，恒温40℃反应2h，过滤，洗涤，最后将滤饼重新分散到50ml水中，得纳米二氧化钛分散液。

涂料配制：将水、颜/填料、分散剂、消泡剂、成膜助剂、流平剂、中和剂和纳米二氧化钛分散液混合，调节pH值为8-10，高速搅拌10-50min，再经砂磨机或三辊机研磨30-60min，得到浆料。

在浆料中加入水、乳液、消泡剂等进行搅拌，然后加入增稠剂，调节pH值9-10，将涂料调至合适粘度，低速搅拌30min，得到纳米生态涂料。

涂料中水、分散剂、颜/填料、消泡剂、成膜助剂、流平剂、纳米二氧化钛、乳液、增稠剂、中和剂占涂料的质量百分比分别为35、0.5、39、0.5、2、0.5、1、20、1、0.5wt％。

实施例2：

包覆液各离子的浓度为：

成分 Na⁺ K⁺ Ca²⁺ Mg²⁺ Cl^- HPO₄ ^2- HCO₃ ^- SO₄ ^2-

浓度mmol/l 142 5.0 2.5 1.5 147.8 1.0 4.2 0.5

纳米二氧化钛分散液的配制：组方：纳米二氧化钛(锐钛矿型)5g，聚丙烯酸钾0.50g，包覆液100ml。

将纳米二氧化钛、分散剂加入至50ml包覆液中，以三羟基氨基甲烷和盐酸作缓冲剂调节pH值为7.3左右，搅拌，加热，恒温40℃反应2h，过滤，洗涤，最后将滤饼重新分散到50ml包覆液中，再次进行包覆处理，最后得到50ml纳米二氧化钛分散液。

在浆料中加入水、乳液、消泡剂进行搅拌，然后加入增稠剂，调节pH值9-10，将涂料调至合适粘度，低速搅拌30min，得到纳米生态涂料。

实施例3：

包覆液的配制：将NaCl、NaHCO₃、KCl、K₂HPO₄·3H₂O、MgCl·6H₂O、CaCl₂、Na₂SO₄等溶解于水中，配制成包覆液。

包覆液各离子的浓度为：

成分 Na⁺ K⁺ Ca²⁺ Mg²⁺ Cl^- HPO₄ ^2- HCO₃ ^- SO₄ ^2-

浓度mmol/l 142 5.0 2.5 1.5 147.8 1.0 4.2 0.5

纳米二氧化钛分散液的配制：组方：纳米二氧化钛(锐钛矿型)10g，聚丙烯酸钾1.00g，包覆液200ml。

将纳米二氧化钛、分散剂加入至100ml包覆液中，以三羟基氨基甲烷和盐酸作缓冲剂调节pH值为7.3左右，搅拌，加热，恒温40℃反应2h，过滤，洗涤，最后将滤饼重新分散到100ml包覆液中，再次进行包覆处理，最后得到100ml纳米二氧化钛分散液。

涂料中水、分散剂、颜/填料、消泡剂、成膜助剂、流平剂、纳米二氧化钛、乳液、增稠剂、中和剂等占涂料的质量百分比分别为35、0.5、38、0.5、2、0.5、2、20、1、0.5wt％。

实施例4：

纳米二氧化钛分散液的配制：组方：纳米二氧化钛(锐钛矿型)5g，聚丙烯酸钾0.50g，水50ml。

将纳米二氧化钛、分散剂加入水中，进行分散，得纳米二氧化钛分散液。

涂料中水、分散剂、颜/填料、消泡剂、成膜助剂、流平剂、纳米二氧化钛、乳液、增稠剂、中和剂等占涂料的质量百分比分别为35、0.5、39、0.5、2、0.5、1、20、1、0.5wt％。

纳米生态涂料耐候性测试

纳米涂料的耐候性试验按GB/T1865-1997《色漆和清漆人工气候老化和人工辐射暴露(滤过的氙弧辐射)》规定进行，结果的评定按GB/T1766-1995《色漆和清漆涂层老化的评级方法》进行，其中变色等级的评定按GB/T 1766-1995中的4.2.2进行，测定结果见表1。

表1纳米涂料的耐候性测试结果

项目实施例1 实施例2 实施例3 实施例4

老化时间 600h 600h 600h 600h

粉化 1级 1级 1级 2级

变色 1级 1级 1级 2级

外观变化漆膜无变化漆膜无变化漆膜无变化漆膜无变化

纳米生态涂料对有机污染物降解性能测试：

在自制的石英反应器中测试纳米涂料在紫外灯照射下，对甲醛的降解性能，评价其光催化性能和对大气污染物的光降解效率，测试结果见表2。

纳米生态涂料抗菌性能测试：

由于我国抗菌涂料抗菌测试标准尚在制定之中，在此参照JC/T 897-2002《抗菌陶瓷制品抗菌性能》和QB/T 2591-2003《抗菌塑料抗菌性能试验方法及抗菌效果》测试所制备涂料的抗菌性能。以大肠杆菌(革兰氏阴性菌)和金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)为测试菌，用接触法培养细菌，计算活菌率，测试结果见表2。

表2涂料的光催化性能和抗菌性能测试结果

项目实施例1 实施例2 实施例3 实施例4

甲醛降解率(％) 43.2 55.7 66.9 40.0

抗菌率(％) 93.2 94.9 97.5 90.6

Claims

1、一种纳米生态涂料，其特征是采用以下步骤制成：

包覆液各离子的浓度为：

成分 Na⁺ K⁺ Ca²⁺ Mg²⁺ Cl^- HPO₄ ^2- HCO₃ ^- SO₄ ^2-

浓度mmol/l 142 5.0 2.5 1.5 147.8 1.0 4.2 0.5

(2)纳米二氧化钛分散液的配制：将纳米二氧化钛、分散剂加入至包覆液中，以三羟基氨基甲烷和盐酸作缓冲剂调节pH值为7.3，搅拌，加热，恒温40℃反应2h，过滤，洗涤，最后将滤饼重新分散到水中，得纳米二氧化钛分散液；纳米二氧化钛、分散剂的加入量分别为分散液的5-20wt％、0.1-2wt％；

(3)涂料配制：将水、颜/填料、分散剂、消泡剂、成膜助剂、流平剂、中和剂和纳米二氧化钛分散液混合，调节pH值为8-10，高速搅拌10-50min，再经砂磨机或三辊机研磨30-60min，得到浆料；在浆料中加入水、乳液、消泡剂进行搅拌，然后加入增稠剂，调节pH值9-10，将涂料调至合适粘度，低速搅拌30min，最后得到纳米生态涂料；涂料中水、分散剂、颜/填料、消泡剂、成膜助剂、流平剂、纳米二氧化钛、乳液、增稠剂、中和剂占涂料的质量百分比分别为20-45、0.1-2、20-45、0.1-2、1-5、0.1-2、0.5-5、10-30、0.2-4、0.1-2wt％。

2.根据权利要求1所述的纳米生态涂料，其特征是：步骤(2)中，采用机械力分散法、超声分散法或化学分散法进行分散，所采用的分散剂为聚丙烯酸盐类、多聚磷酸盐类和聚乙二醇中的一种以上。

3.根据权利要求1所述的纳米生态涂料，其特征是：所述的纳米二氧化钛粒子表面在包覆液内形成多孔羟基磷灰石薄膜。

4.根据权利要求3所述的纳米生态涂料，其特征是：纳米二氧化钛粒子表面的包覆率为0.1-99％。