CN101070442A

CN101070442A - 复合材料及含该复合材料的组成物

Info

Publication number: CN101070442A
Application number: CN 200710106677
Authority: CN
Inventors: 黄俊伟; 严德胜
Original assignee: CHANGXING SCIENCE-TECHNOLOGY Co Ltd SHANGHAI
Current assignee: Eternal China Investment Co Ltd
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2027-06-06
Also published as: CN101070442B

Abstract

一种复合材料，其包含表面经光触媒材料包覆的无机材料；其中以该复合材料的总重量计，该光触媒材料的含量为约1至约99重量％。本发明的复合材料一方面可遮蔽红外线；另一方面因含有光触媒材料而可吸收紫外线，具有良好超亲水性、自我清洁功能、杀菌及除臭等功效。

Description

复合材料及含该复合材料的组成物

技术领域

本发明关于一种具有遮蔽红外线及吸收紫外线能力的复合材料及含所述复合材料的组成物。

背景技术

红外线是指波长介于约750纳米至约1纳米的电磁波，其中波长在约750纳米至约2500纳米的红外线具有很强的热效应，易被物体吸收而产生热源。因此，当人体暴露于红外线的照射下时，将因上述红外线的吸收而致使皮肤温度升高、毛细血管扩张及充血、加速表皮上水分蒸发，对皮肤造成不良影响；且当同时暴露于红外线与紫外线的照射下(例如太阳光的照射)时，红外线还会增强紫外线对皮肤的损害作用。

如今，市面上已有许多用于阻隔红外线热效应的材料，如大楼的玻璃帷幕、汽车玻璃、及隔热纸等。简言之，该等材料的目的在于让阳光通过提供光线，同时阻绝阳光所带来的热源(即红外线热效应)。然而，以目前具有遮蔽红外线性能的玻璃为例，其制造成本过于昂贵且效果差强人意。举例言之，已知可在玻璃中嵌入一块可吸收红外线的超薄银薄膜来阻绝红外线，但此方式的制造成本高，且银容易被氧化而失去遮蔽红外线的效果。

另有采用真空蒸镀的方式将可阻隔红外线的材料(如高折射率的二氧化钛及低折射率的二氧化硅)镀于玻璃或镜片上，形成一阻隔红外线的薄膜。然而，形成此薄膜的成本昂贵，制造流程繁杂，且效果又不如预期，不符合经济效益。

除上述两种方式之外，亦有较低成本的替代方案提出，即，将色素或染料掺混于玻璃中以吸收太阳光中的红外线。然而，在很强的阳光或散射光照射下，这种含有色素或染料的玻璃会产生烟状薄雾而影响其吸收红外线的性能；甚至，色素或染料会在长时间使用下被分解而失去其应有的效用。

另一方面，已知光触媒材料在光线(尤其是紫外线)照射后处于激发状态，使与其接触的物质产生变化的过程，具有光催化的性质。其中，光触媒材料经光线激发后，可活化空气中的水气分子或氧气分子，以形成氢氧自由基或负氧离子；接着，该等自由基或离子进行氧化还原作用，以分解环境中的污染物和/或细菌等。因此，光触媒材料可应用于去除空气中或废水中的污染物，亦可分解附着于其表面的细菌，达到抗菌的效果。同时，光触媒材料在光照下，其表面会因为氢分子形成自由基或负氧离子而释出，形成原本为氧所存在的空位，此时如果环境中有水分子存在，水分子便会占据该空位并脱去一个质子，形成氢氧基，使光触媒材料展现超亲水性，进而达到自我清洁与防雾的效果。

一般而言，同时拥有遮蔽红外线及吸收紫外线功能的隔热贴膜或窗玻璃涂料，需在一基材上进行多层处理，以形成一复合膜，其制作过程繁杂且制造成本昂贵。因此，提供一种同时具有遮蔽红外线及吸收紫外线功能的材料是目前持续努力的方向。

有鉴于此，本发明人经研究后发现一种可解决上述问题的复合材料。具体言之，本发明的复合材料可有效地阻绝造成温热效果的电磁波，即具约750纳米至2500纳米波长的红外线，使红外线的穿透率大幅降低，同时展现光触媒材料的吸收紫外线能力、自我清洁功能、防雾、杀菌及除臭等功效。再者，可通过一般的涂布方式，将本发明的复合材料涂覆于一基材上以供利用，其制作过程相对简易、便宜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合材料，其包含：

一无机材料，选自以下群组：六硼化镧、氧化钇、铟锡金属氧化物、锑锡金属氧化物、氧化铝、二氧化硅、氧化铁、及前述的组合；及

一光触媒材料，覆于该无机材料表面；

其中以该复合材料的总重量计，该光触媒材料的含量为约1至约99重量％。

本发明的又一目的在于提供一种组成物，其包含本发明的复合材料和一树脂，其中以该组成物的总重量计，该复合材料的含量为约1至约70重量％。

本发明的另一目的在于提供一种隔热装置，其包含一基材和一覆于该基材表面上的隔热涂层，其中该隔热涂层由本发明的组成物所形成。

具体实施方式

本发明的复合材料包含一无机材料及一包覆于该无机材料表面的光触媒材料，其中以该复合材料的总重量计，该光触媒材料的含量为约1至约99重量％，较佳为约50至约80重量％。此外，该复合材料的粒径一般为10纳米至120纳米，较佳为30纳米至100纳米。由于本发明的复合材料的粒径小于可见光波长(380纳米至780纳米)，故当光线照射该复合材料时，其不会对透过的光造成严重散射，而影响穿透光线的品质。

如上所述，为避免影响穿透光线的品质，本发明的复合材料的无机材料的粒径需为纳米级，一般为1纳米至200纳米，较佳为5纳米至100纳米。另外，所用无机材料需具有遮蔽红外线的能力。举例言之(但不以此为限)，本发明的复合材料中的无机材料可选自以下群组：六硼化镧(LaB₆)、氧化钇(Y₂O₃)、铟锡金属氧化物(indium tin oxide，ITO)、锑锡金属氧化物(antimony tin oxide，ATO)、氧化铝(Al₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)、氧化铁(Fe₂O₃)、及前述的组合；较佳的是六硼化镧。

本发明的复合材料，除包含可遮蔽红外线的无机材料外，还包含一光触媒材料，光触媒具有吸收紫外光以激发电子的功能，因而具有光催化的性能。光触媒材料经光线激发后，进而活化空气中的水气分子或氧气分子形成氢氧自由基或负氧离子，进行氧化还原作用，以分解环境中的污染物，即可应用于去除空气中或废水中的污染物，亦可抑制附着于表面的细菌，达到抗菌的效果。因此，本发明的复合材料中的光触媒材料具有紫外线吸收能力、自我清洁功能、防雾、杀菌、除臭等功效。

适用于本发明的复合材料中的光触媒材料，是本领域普通技术人员所熟知的，例如(但不限于)二氧化钛(TiO₂)、氧化锌(ZnO)、钛酸锶(SrTiO₃)、或前述的组合。其中，基于毒性问题与还原氧化能力的考虑，较佳的是使用对人体与环境较无害的二氧化钛作为本发明的复合材料中的光触媒材料。另就触媒性能的观点而言，又以锐钛矿型的二氧化钛为最佳。在此，光触媒材料的粒径大小一般为约1纳米至约50纳米，较佳为约5纳米至约30纳米。在此，若光触媒材料的粒径小于约1纳米，则难以加工生产，不具实用性；但若大于约50纳米，光触媒材料的功效将大幅地降低。

详言之，当本发明的复合材料置于太阳光的照射下，紫外线会在碰到复合材料外层的光触媒材料时被吸收；红外线则穿透外层的光触媒材料，接着在碰到材料内部的无机材料后被吸收。因此，本发明的复合材料可有效地阻绝红外线所造成的温热效果，并可吸收紫外线以提供清洁、防雾、杀菌及除臭等效果；同时，因复合材料的粒径小于可见光波长，故不会对穿透的光线造成散射现象，进而维持穿透光线的品质。

在本发明的一较佳具体实施例中，粒径为5纳米至30纳米的锐钛矿型二氧化钛被覆于粒径为5纳米至100纳米的六硼化镧的表面，提供一可遮蔽红外线且同时吸收紫外线的复合材料。

此外，当本发明的复合材料与一般基材搭配并用时，光触媒材料的氧化特性容易引起基材劣化，尤其是有机类基材；因此，可使本发明的复合材料进一步包含一层无机微粒，包覆在该光触媒材料的表面，以避免光触媒与基材直接接触而破坏基材。当使用前述无机微粒时，以该复合材料的总重量计，其含量为0.1至10重量％。可用于本发明中的无机微粒的种类没有特殊的限制，一般可选自如二氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、硫化镉(CdS)、氧化锆(ZrO₂)、磷酸钙(Ca₃(PO₄)₂)、氧化钙(CaO)、及前述的组合；较佳的是二氧化硅。

根据本发明，以形成一层多孔性无机微粒的方式，包覆该光触媒材料。具体言之，本发明的复合材料中的光触媒材料(如二氧化钛)因被多孔性无机微粒(如二氧化硅)包覆，故不会直接接触到基材而破坏，且外界杂质(如臭味分子、细菌)可扩散穿透该多孔性无机微粒，到达并吸附于光触媒材料上，而被光催化分解，达到清洁、杀菌及除臭等目的。

本发明的复合材料的制备是：先提供一光触媒前驱物；将一无机材料添加至该光触媒前驱物中，以提供一混合物；以及热处理该混合物，以制得该复合材料。

在本发明中，“光触媒前驱物”一词，是指可经过合宜的反应后形成所需光触媒材料的成份。以制备含有二氧化钛光触媒材料的复合材料为例，其光触媒前驱物可通过直接水解钛酸酯类所得产物提供；或者，可先水解四氯化钛再添加浓硫酸所得的硫酸钛提供，在此也可直接使用硫酸钛作为所述前驱物。

尔后，将无机材料添加至所得的光触媒前驱物中予以混合，使无机材料均匀地分散开来。此混合搅拌步骤通常在常温下进行，一般历时约0.5至约2小时。其中，所添加的无机材料可为粉体形式或分散水溶液形式。

本发明方法中的热处理步骤，其加热条件与所用原料及设备有关；通常，加热温度越高所需加热时间越短。举例言之(但不以此为限)，若将无机材料添加至经由水解钛酸酯类所得光触媒前驱物中以得到一混合物时，可将该混合物置于一反应釜中加热至约100至约250℃反应，历时约4至约20小时；或者，可将该混合物置于一高温炉中以约450至约550℃的温度进行煅烧，历时约0.5至约2小时。此外，当以硫酸钛作为光触媒前驱物时，则可经由加热所得硫酸钛与该无机材料的混合物至约80至约100℃进行反应历时约4至约7小时，而提供所需复合材料。

在一较佳具体实施例中，经由如下的方法以提供本发明的复合材料。首先，水解四氯化钛或钛酸酯类，以得到一白色凝胶水合物。接着，将浓硫酸加入所得水合物中并搅拌10至50分钟，以得到一硫酸钛溶液。将六硼化镧加入该硫酸钛溶液中加以充分混合并于常温下搅拌0.5至2小时，其后升温该溶液至80至100℃并于固定温度下反应4至7小时，然后滴入适量4M至6M的氢氧化钠水溶液。最后进行过滤、洗涤及于室温下干燥，以得到本发明的复合材料粉末。

本发明还提供一种组成物，其包含上述复合材料及一树脂，具有遮蔽红外线及吸收紫外线的功能。根据本发明，该组成物所含的树脂是作为一黏着剂，其种类并无特殊限制，通常可选自(但不限于)：硅酮树脂、氟素树脂、(甲基)丙烯酸树脂、聚酰胺树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚氨基甲酸酯树脂、醇酸树脂、聚酯树脂、及前述的组合。在一较佳实施例中，选自硅酮树脂、氟素树脂、及该两者的组合。在一最佳实施例中，使用硅酮树脂。

其中，以该组成物的总重量计，该复合材料的含量为约1至约70重量％，较佳为约40至约60重量％。在此，当该复合材料的含量未满1重量％时，组成物的遮蔽红外线与吸收紫外线的效能会不足；但如果超过70重量％，则复合材料在树脂中的分散性会剧降，且涂覆的组成物容易脱落。

本发明的组成物可应用于隔热装置，也即该隔热装置包含一基材及一覆于该基材表面上的隔热涂层，其中该隔热涂层由本发明组合物所形成。对于本领域的普通技术人员而言，可利用任何合宜的技术，例如涂布、喷洒或含浸等方式，将本发明的组合物涂覆于一基材表面上，涂覆厚度约3至10微米。可使用的基材并无特殊限制，例如可为玻璃(如大楼玻璃帷幕及汽车玻璃)或透明塑胶。

以往，隔热装置需在基材上分别进行遮蔽红外线和吸收紫外线的处理，所以需要在基材上施用多层处理，才能同时具有可遮蔽红外线和吸收紫外线的功效。然而，利用本发明的组成物，仅需在基材表面进行一次涂覆处理，就可制得兼具遮蔽红外线和吸收紫外线功效的隔热装置。该涂覆于基材上的隔热涂层含有光触媒材料，故可吸收紫外线，以提供自我清洁、防雾、杀菌及除臭等功效；又因隔热涂层含有无机材料，可有效地吸收红外线以降低红外线的穿透率的同时，仍可让可见光透过。此外，由于该隔热涂层所含粒子的粒径小于可见光波长，故不会对透过的光造成散射而影响穿透光线的品质，可维持基材的透明度。

以下将通过具体实施例进一步说明本发明，需要说明的是，这些实施例仅用于例示本发明，并非用以限制本发明的范围。任何在本领域普通技术人员可轻易达成的修饰及改变均包括于本发明说明书所揭示的内容及所附权利要求的范围内。

实施例

在以下实施例及比较例中，若无特别说明，各用量均以重量百分比计(重量％)。

实施例1

取200ml的四氯化钛溶液(3.9M)，加水稀释到总体积为2000ml，滴入500ml(5M)的氨水中，将所产生的白色二氧化钛水合物予以过滤并以去离子水200ml洗涤三次，移去多余水分，可得白色凝胶的氢氧化钛水合物(TiO(OH)₂)。

将60ml的浓硫酸(18M)加入上述水合物中，搅拌30分钟，得到一透明澄清的硫酸钛溶液。再将该硫酸钛溶液置于一反应釜中，升温到100℃反应5小时。接着，在所得的硫酸钛中，加入225公克的六硼化镧水溶液(20％)，并于常温下搅拌1小时，得到一混合物。

将700ml氢氧化钠水溶液(5M)滴入所得混合物中，将其过滤、洗涤及室温干燥后，可得紫黑色粉状物。经XRD及FE-SEM检测，所得紫黑色粉状物表面为经二氧化钛包覆的六硼化镧，即本发明的复合材料，其粒径为约85纳米。

将所得的复合材料，加入硅酮树脂中，混合比例为复合材料与树脂的固含量为1∶1，予以搅拌、分散。接着，以5微米厚度涂布于玻璃板上制作涂膜，利用镜片穿透率测量仪进行光线穿透率试验。所得测试结果如表1中所示。

比较例1

取200ml的四氯化钛溶液(3.9M)，加水稀释到总体积为2000ml，滴入500ml的氨水(5M)中，将产生的白色二氧化钛水合物予以过滤并以去离子水200ml洗涤三次，移去多余水分，可得白色凝胶的氢氧化钛水合物(TiO(OH)₂)。

将60ml的浓硫酸(18M)加入上述水合物中，搅拌30分钟，得到一透明澄清的硫酸钛溶液。再将该硫酸钛溶液置于一反应釜中，升温到100℃反应5小时。

滴入700ml氢氧化钠水溶液(5M)，将其过滤、洗涤及室温干燥后，可得白色粉状物。经XRD及FE-SEM检测，白色粉状物为锐钛矿型二氧化钛光触媒，粒径为15纳米至19纳米。

将所得的光触媒材料，加入硅酮树脂中，混合比例为二氧化钛与树脂的固含量为1∶1，予以搅拌、分散。接着，以5微米厚度涂布于玻璃板上制作涂膜，利用镜片穿透率测量仪进行光线穿透率试验。所得测试结果如以表1中所示。

比较例2

以空白玻璃板，利用镜片穿透率测量仪进行光线穿透率试验，所得测试结果如以表1中所示。

表1：穿透样品的光线的百分比

	紫外线	可见光	红外线
	紫外线	可见光	红外线	实施例1	15	70	＜1
比较例1	50	88	84	实施例1	15	70	＜1
比较例1	50	88	84	比较例2	82	89	85

由实施例1与比较例1和实施例1与比较例2的结果比较可知，在基材表面涂布具有本发明的复合材料的涂层，可有效阻挡红外线，且同时具有吸收紫外线的功能。

Claims

1.一种复合材料，其包含：

(1)一无机材料，选自以下群组：六硼化镧、氧化钇、铟锡金属氧化物、锑锡金属氧化物、氧化铝、二氧化硅、氧化铁、及前述的组合；以及

(2)一光触媒材料，覆于该无机材料表面；

其中，以该复合材料的总重量计，该光触媒材料的含量为1至99重量％。

2.如权利要求1的复合材料，其特征在于，以该复合材料的总重量计，该光触媒材料的含量为50至80重量％。

3.如权利要求1的复合材料，其特征在于，该无机材料是六硼化镧。

4.如权利要求1的复合材料，其特征在于，该无机材料具有约1纳米至约200纳米的粒径。

5.如权利要求4的复合材料，其特征在于，该无机材料具有约5纳米至约100纳米的粒径。

6.如权利要求1的复合材料，其特征在于，该光触媒材料选自以下群组：二氧化钛、氧化锌、钛酸锶、及前述的组合。

7.如权利要求6的复合材料，其特征在于，该光触媒材料是二氧化钛。

8.如权利要求7的复合材料，其特征在于，该光触媒材料是锐钛矿型二氧化钛。

9.如权利要求1的复合材料，其特征在于，该光触媒材料具有约1纳米至约50纳米的粒径。

10.如权利要求9的复合材料，其特征在于，该光触媒材料具有约5纳米至约30纳米的粒径。

11.如权利要求1的复合材料，其特征在于，其具有约10纳米至约120纳米的粒径。

12.如权利要求1的复合材料，其特征在于，用于遮蔽红外线及吸收紫外线。

13.一种复合材料，其包含：

(1)六硼化镧，具有5纳米至100纳米的粒径；以及

(2)二氧化钛光触媒，具有5纳米至30纳米的粒径且覆于该六硼化镧表面；

其中，以该复合材料的总重量计，该二氧化钛光触媒的含量为50至80重量％。

14.如权利要求13的复合材料，其特征在于，进一步包含一无机微粒，覆于该二氧化钛光触媒的表面。

15.如权利要求14的复合材料，其特征在于，该无机微粒选自以下群组：二氧化硅、氧化铝、硫化镉、氧化锆、磷酸钙、氧化钙、及前述的组合。

16.如权利要求15的复合材料，其特征在于，该无机微粒是二氧化硅。

17.如权利要求13的复合材料，其特征在于，其具有约30纳米至约100纳米的粒径。

18.如权利要求13至17中任一项的复合材料，其特征在于，用于遮蔽红外线及吸收紫外线。

19.一种组成物，其包含如权利要求1或13的复合材料及一树脂，其中以该组成物的总重量计，该复合材料的含量为约1至约70重量％，且该树脂选自以下群组：氟素树脂、硅酮树脂、(甲基)丙烯酸树脂、聚酰胺树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚氨基甲酸酯树脂、醇酸树脂、聚酯树脂、及前述的组合。

20.如权利要求19的组成物，其特征在于，该树脂选自以下群组：硅酮树脂、氟素树脂、及该两者的组合。

21.如权利要求20的组成物，其特征在于，该树脂为硅酮树脂。

22.如权利要求19的组成物，其特征在于，以该组成物的总重量计，该复合材料的含量约40至约60重量％。

23.如权利要求19的组成物，其特征在于，用于遮蔽红外线及吸收紫外线。

24.一种隔热装置，其包含一基材与一覆于该基材表面上的隔热涂层，其中该隔热涂层由如权利要求19至23中任一项的组成物所形成，且该基材为玻璃或透明塑胶。