CN102876147B - 一种复合空气净化涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型的复合空气净化涂料及其制备方法，属于环保型功能涂料及空气净化技术领域。本发明是将气凝胶和光催化剂作为涂料中的吸附/光催化功能性填料通过将所制备的吸附/光催化剂分散液与丙烯酸乳液或氟碳乳液混合，并加入适量分散剂、成膜助剂、消泡剂等，从而获得一种新型的复合空气净化涂料。与当前的空气净化涂料相比，本发明提供的涂料的空气净化效果将更为高效和长久。吸附/光催化降解甲醛的实验测试结果表明，吸附/光催化降解5~6h后，甲醛浓度从0.39mg/m3降低到0.04~0.05mg/m3，吸附/光催化降解率达到79.49～89.74%。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的复合空气净化涂料及其制备方法，属于环保型功能涂料及空气净化技术领域。
背景技术
随着人们生活水平的提高和建筑装饰材料的大量使用，室内空气环境对人体的健康问题逐步被越来越多的人所重视，因此环保型功能建筑涂料也越来越受到关注。例如专利ZL02810799.3中发明了一种具有光催化活性和吸附性能的光催化涂料，其中吸附剂以镁或钙的硅酸盐或硅藻土为主，光催化剂则以TiO2或ZnO为主，其涂料本身为溶剂性涂料。专利ZL200510011793.8提供了一种氮掺杂纳米二氧化钛改性光催化涂料，该专利中介绍的是将掺杂氮的纳米TiO2加入到水性涂料中，使其具有光催化作用。专利CN1962776A提供了一种复合空气净化涂料，它以水、水性乳液为主要成分，通过添加负离子浆体、抗菌剂、植物清香剂，使其能够持续释放负离子和对空气中的甲醛、苯、氨等有害气体具有较高的去除率。目前，空气净化涂料大多是通过涂料中TiO2等光催化活性粒子的光催化降解作用或负离子作用或利用硅藻土等吸附剂达到空气净化的效果。然而，据报道，光催化粒子在光催化降解空气中有机污染物的同时，往往也会对涂料本身具有降解作用，从而导致涂料老化现象明显；另一方面，涂料中单独添加吸附性粒子和光催化粒子，往往由于吸附性粒子和光催化粒子的吸附饱和以及光催化降解极限而使空气净化效果不明显。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的复合空气净化涂料及其制备方法，本发明是将气凝胶和光催化剂作为涂料中的吸附/光催化功能性填料。通过将所制备的吸附/光催化剂分散液与丙烯酸乳液或氟碳乳液混合，并加入适量分散剂、成膜助剂、消泡剂等，从而获得一种新型的复合空气净化涂料。
气凝胶是一种轻质介孔材料，具有高孔容和高比表面积特点，具有高效的吸附性能。将气凝胶的高效吸附性能与TiO2、WO3、ZnO、WO3-TiO2等光催化剂的光催化性能结合在一起，将会同时发挥气凝胶的高效吸附性能以及TiO2等光催化剂的光催化性能，而WO3-TiO2光催化剂则具有可见光催化性能。
一种复合空气净化涂料，所述涂料中含有空气净化粒子，
所述空气净化粒子由气凝胶粒子和光催化粒子组成，其中，
所述气凝胶粒子为SiO2气凝胶粒子、TiO2-SiO2复合气凝胶粒子、SiO2-WO3复合气凝胶粒子中的至少一种；
所述光催化粒子为TiO2粒子、ZnO粒子、WO3粒子、WO3-TiO2复合光催化粒子、TiO2-SiO2复合气凝胶粒子、SiO2-WO3复合气凝胶粒子中的至少一种，
所述空气净化粒子占涂料总质量的1.5~20%，其中，所述气凝胶粒子与光催化粒子的质量比为9:1~1:9。
本发明所述光催化粒子指具有光催化功能的粒子，如TiO2、ZnO、WO3或由其中两种所组成的复合粒子，如WO3-TiO2复合光催化粒子；所述SiO2-光催化剂复合气凝胶粒子指SiO2与具有光催化功能的化合物形成的复合气凝胶粒子，如TiO2-SiO2复合气凝胶粒子或SiO2-WO3复合气凝胶粒子，该复合气凝胶粒子同时具有高吸附和光催化的性能。
本发明所述涂料一优选的技术方案为：所述空气净化粒子由气凝胶粒子和光催化粒子组成，其中，
所述气凝胶粒子为SiO2气凝胶粒子或TiO2-SiO2复合气凝胶粒子；所述光催化粒子为TiO2粒子、ZnO粒子、WO3粒子、WO3-TiO2复合光催化粒子中的至少一种。
本发明所述涂料另一优选的技术方案为：所述空气净化粒子为TiO2-SiO2复合气凝胶粒子、SiO2-WO3复合气凝胶粒子中的至少一种。
本发明所述涂料进一步优选所述空气净化粒子为由SiO2气凝胶和WO3-TiO2光催化剂的组合物、由TiO2-SiO2复合气凝胶和WO3-TiO2光催化粒子组成的组合物、由SiO2-WO3复合气凝胶、TiO2粒子、WO3-TiO2复合光催化粒子组成的组合物或TiO2-SiO2复合气凝胶粒子。
本发明所述涂料中空气净化粒子优选占涂料总质量的1.5~12.5%，进一步优选为2.5~7.5%，更进一步优选为2.5~5.0%，最优选为3.25%。
本发明所述涂料所有技术方案中均优选气凝胶粒子与光催化粒子的质量比优选为3:1～1:4，最优选为2:1～1:3。
本发明所述涂料更进一步优选空气净化粒子为由SiO2气凝胶和WO3-TiO2光催化剂的组合物，SiO2气凝胶与WO3-TiO2光催化剂的质量比为2:1～1:3，空气净化粒子占涂料总质量的3.25%。
本发明所述涂料进一步优选所述涂料，按质量百分比，由下述组分组成：
其中，所述乳液为丙烯酸乳液或氟碳乳液，所述丙烯酸乳液为苯丙乳液、硅丙乳液、纯丙乳液或醋丙乳液。
本发明所述涂料中还包括助剂，本发明所用助剂为本领域技术人员所熟知的用于涂料的助剂，包括分散剂、成膜助剂、消泡剂、流平剂、润湿剂、增稠剂等，本领域熟练的技术人员通过现有技术能够确定其选择及用量。本发明优选所述助剂由分散剂、成膜助剂、消泡剂组成。
本发明所述涂料所有技术方案中均优选所述TiO2-SiO2复合气凝胶粒子、SiO2-WO3复合气凝胶粒子按下述方法制备：首先制备复合溶胶，将其陈化成为凝胶后，经过溶剂交换/表面改性处理，最后经120～150℃下常压干燥处理，获得复合气凝胶，研磨后获得复合气凝胶粒子。具体方法参见ZL200810011646.4。
本发明的另一目的是提供一种复合涂料的制备方法。
一种复合涂料的制备方法，其特征在于：包括下述工艺步骤：
①按比例将空气净化粒子分散到无水乙醇中，按比例加入水、丙二醇和分散剂，搅拌至其完全分散，得分散液。
②向步骤①所得分散液中加入乳液和消泡剂、成膜助剂，继续搅拌直至空气净化粒子完全分散，获得均匀的涂料。
本发明所述复合涂料的制备方法优选按下述工艺制备：
①当空气净化粒子仅为一种材料时，将空气净化粒子与无水乙醇混合，按比例加入水、丙二醇和分散剂，持续搅拌30~90min；
当空气净化粒子由两种或两种以上材料组成时，首先将气凝胶粒子与无水乙醇混合持续搅拌30～90min，随后加入光催化粒子，按比例加入水、丙二醇和分散剂，继续搅拌30~90min。
②向步骤①所得分散液中加入丙烯酸乳液或氟碳乳液及消泡剂、成膜助剂等，继续搅拌5~12h。
本发明的有益效果是：本发明基于气凝胶的高效吸附性能和TiO2、ZnO、WO3-TiO2等光催化剂良好的光催化性能，制备了一种新型的复合空气净化涂料。该种涂料中含有一定量的具有高效吸附性能的气凝胶吸附剂粒子以及具有光催化性能的TiO2或ZnO、WO3、WO3-TiO2等光催化剂粒子。本发明在涂料中同时添加了具有高效吸附性能的气凝胶粒子和具有光催化降解作用的光催化粒子，气凝胶的高效吸附作用能够促进光催化降解过程，而光催化降解又可进一步促进气凝胶对有毒气体的进一步吸附，吸附/光催化降解协同作用并相互促进，能够更为有效地消除空气中的有害气体，与当前的空气净化涂料相比，空气净化效果将更为高效和长久。吸附/光催化降解甲醛的实验测试结果表明，当涂料中含有2.5~5.0%的高吸附性和光催化活性粒子时，吸附/光催化降解5～6h后，体系中的甲醛浓度从0.39mg/m3降低到最终的0.04~0.05mg/m3，吸附/光催化降解率达到79.49～89.74%。
附图说明
图1是实施例1涂料中所用的经150℃干燥后的TiO2-SiO2复合气凝胶样品；
图2是实施例1~5中所述涂料涂膜样片对甲醛的吸附/光催化降解曲线；
图3是实施例3和实施例6~7中所述涂料涂膜样片对甲醛的吸附/光催化降解曲线。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得，或可以常规方法制备。
如无特殊说明，对制得的复合空气净化涂料性能参数的测定过程中：
（1）测试用涂料涂覆样品的制备
本发明中，为对所制备的涂料吸附/光催化性能进行测试，将所制备的涂料涂覆在不同基体上，具体步骤如下：
①水泥基片涂膜：将水泥基片切割成约3.5cm×3.5cm的小片，使用辊涂法用玻璃棒在小片上涂3～5层涂料，室温干燥1天。
②玻璃基片涂膜：用5层胶带在适当大小的玻璃片上围出5cm×9.5cm的空间，使用辊涂法用玻璃棒在该空间内涂膜，室温干燥1天，获得玻璃片上有5层胶带厚度、面积为5cm×9.5cm的涂膜样片。
（2）通过吸附和光催化降解罗丹明B测定水泥基片涂膜样品的吸附/光催化降解性能试验：将样品放入装有70ml5×10-6mol/L罗丹明B溶液的烧杯中，令其在装有254nm波长紫外灯的实验箱中进行实验，首先是暗箱吸附实验，吸附饱和后开灯进行光催化降解实验。每隔一段时间取出一份样品，再利用分光光度计法测定溶液吸光度的变化，以此来监测水泥基片上的涂料对罗丹明B水溶液的吸附过程及光催化降解过程，不同吸附时间和光照时间的吸光度值采用UV751GD型紫外/可见光分光光度计来测定，吸收波长为560nm。
不同涂膜样品对罗丹明B的吸附/光催化总降解率根据如下公式计算：
式中：C0—罗丹明B溶液的初始浓度；C终—吸附/光催化10h后罗丹明B溶液的浓度；η总降解率—吸附/光催化总降解率。
（3）通过吸附和光催化降解甲醛气体测定玻璃基片涂膜样品的吸附/光催化降解性能试验：
具体实验步骤如下：
在玻璃基片表面涂覆5层胶带厚、面积5cm×9.5cm大小的涂覆层，放入装有甲醛气体的密闭透明容器中，令其在装有254nm波长紫外灯的实验箱中进行吸附/光催化降解实验，吸附/光催化降解实验同时进行。每隔一段时间取出一份样品，再利用空气检测仪自带的分光光度计测定吸收液的吸光度，以此来监测玻璃基片上的涂料对密闭容器中甲醛气体的吸附过程及光催化降解过程，不同吸附/光照时间的吸光度值采用空气检测仪自带分光光度计来测定，吸收液及比色液为北京乾清太洁环保科技有限公司生产的甲醛速测试剂，该种吸收液波长为1050nm。
不同涂膜样品对甲醛气体的吸附/光催化总降解率根据如下公式计算：
式中：C0-测试空间中甲醛气体的初始浓度；C终-吸附/光催化5h后测试空间中甲醛气体的浓度；η总降解率-对甲醛的吸附/光催化总降解率。
实施例1
制备含有TiO2-SiO2复合气凝胶的复合空气净化涂料：
①以TiO2-SiO2复合气凝胶为吸附/光催化剂的复合空气净化涂料的配制
首先采用常压干燥工艺制备TiO2-SiO2复合气凝胶，制备方法参考专利ZL200810011646.4，具体过程如下：以工业水玻璃和四氯化钛为原料，分别配制四氯化钛水溶液和硅酸溶液，两者按比例混合后获得Ti/Si摩尔比为4:1的TiO2-SiO2复合溶胶，在溶胶中加入六甲基二硅氧烷、三甲基氯硅烷和正己烷，胶凝后利用正己烷/三甲基氯硅烷对其进行溶剂替换/表面改性处理，最后经120～150℃下常压干燥处理，获得Ti/Si摩尔比为4:1的TiO2-SiO2复合气凝胶。
取0.751g上述方法制备的TiO2-SiO2气凝胶，加入6ml无水乙醇以及0.1g的分散剂，在2000r/min搅拌30min完全分散。再加入14.250g氟碳乳液及0.1g消泡剂和0.1g成膜助剂，持续搅拌12h。最终获得吸附/光催化剂质量百分比为3.75wt%的TiO2-SiO2气凝胶复合空气净化涂料。
②玻璃基板样品制备
用5层胶带在适当大小的玻璃片上围出5cm×9.5cm的空间，使用辊涂法用玻璃棒在该空间内涂膜，室温干燥1天，获得附着在玻璃片上有5层胶带厚度、面积为5cm×9.5cm的薄膜样片。
将该种涂料制备的玻璃基板样品，放置在体积约为2.7L的密闭空间内，用波长为254nm的紫外灯进行甲醛气体吸附/光催化降解实验。经测定，3h将浓度为0.39g/m3的甲醛气体降低到0.16g/m3，其吸附/光催化降解率为58.97%；5h将甲醛气体浓度降低至0.05g/m3，吸附/光催化降解率为87.18%。
实施例2
制备含有SiO2气凝胶和WO2-TiO2复合光催化剂的空气净化涂料：
①WO3-TiO2复合材料的制备
利用水热法制备WO3-TiO2复合光催化剂，具体过程如下：以硫酸钛和钨酸钠为原料，首先分别配制硫酸钛溶液和钨酸溶液，两种溶液混合后获得W/Ti摩尔比为0.05:1的WO3-TiO2先驱体溶液，将其转入内衬为聚四氟乙烯的高压釜中，经190℃下反应2h后获得W/Ti摩尔比为0.05:1的WO35mol%-TiO2复合光催化剂粉末。
②复合空气净化涂料配制
取0.500gSiO2气凝胶（SiO2气凝胶的制备方法与TiO2-SiO2复合气凝胶相似，以工业水玻璃为原料，首先制备SiO2溶胶，胶凝后进行溶剂交换/表面改性处理，经常压干燥后获得SiO2气凝胶。）加入到6ml无水乙醇中，强力搅拌30min使其完全分散；缓慢搅拌过程中依次加入3ml水、0.1g的分散剂和0.251gWO35mol%-TiO2复合光催化剂，继续强力搅拌30min使固体粒子完全分散；再加入14.250g丙烯酸乳液及0.1g消泡剂和0.1g成膜助剂，持续搅拌12h，最终获得SiO2气凝胶与WO3-TiO2复合光催化剂质量比为2:1、气凝胶/光催化剂的总质量百分比为3.25wt%的复合空气净化涂料。
③水泥基板样品制备
将水泥基片切割成约3.5cm×3.5cm的小片，使用辊涂法用玻璃棒在小片上涂3层制好的涂料，室温干燥1天。
④玻璃基板样品制备
用5层胶带在适当大小的玻璃片上围出5cm×9.5cm的空间，使用辊涂法用玻璃棒在该空间内涂膜，室温干燥1天，获得附着在玻璃片上有5层胶带厚度、面积为5cm×9.5cm的薄膜样片。
将该种涂料制备成水泥基片样品，将样品浸没在盛有70ml浓度为5×10-6mol/L的罗丹明B水溶液中，在户外进行吸附/光催化降解实验。实验367h后，罗丹明B溶液浓度由5×10-6mol/L降至1.28×10-6mol/L，吸附/光催化降解率为74.4%。
将该种涂料制备的玻璃基板样品，放置在体积约为2.7L的密闭空间内，用波长为254nm的紫外灯进行甲醛气体吸附/光催化降解实验。经测定，3h将浓度为0.39g/m3的甲醛气体降低到0.05g/m3，其吸附/光催化降解率为87.18%；6h将甲醛气体浓度降低至0.04g/m3，吸附/光催化降解率为89.74%。
实施例3
制备含有SiO2气凝胶和WO2-TiO2复合光催化剂的空气净化涂料：
同实施例2的制备方法，但将步骤②中SiO2气凝胶的加入量改为0.375g，将WO35mol%-TiO2复合光催化材料的加入量改为0.375g。最终SiO2气凝胶与WO3-TiO2复合光催化剂质量比为1:1、气凝胶/光催化剂的总质量百分比为3.25wt%的复合空气净化涂料。
将该种涂料制备成水泥基片样品，将样品浸没在盛有70ml浓度为5×10-6mol/L的罗丹明B水溶液中，在户外进行吸附/光催化降解实验。实验367h后，罗丹明B溶液浓度由5×10-6mol/L降至1.53×10-6mol/L，吸附/光催化降解率为69.4%。
将该种涂料制备的玻璃基板样品，放置在体积约为2.7L的密闭空间内，用波长为256nm的紫外灯进行甲醛气体吸附/光催化降解实验。经测定，3h将浓度为0.39g/m3的甲醛气体降低到0.06g/m3，其吸附/光催化降解率为84.62%；6h将甲醛气体浓度降低至0.06g/m3，吸附/光催化降解率为84.62%。
实施例4
制备含有SiO2气凝胶和WO2-TiO2复合光催化剂的空气净化涂料：
同实施例2的制备方法，但将步骤②中SiO2气凝胶的加入量改为0.251g，将WO35mol%-TiO2复合光催化剂的加入量改为0.500g。最终获得SiO2气凝胶与WO3-TiO2复合光催化剂质量比为1:2、气凝胶/光催化剂的总质量百分比为3.25wt%的复合空气净化涂料。
将该种涂料制备成水泥基片样品，将样品浸没在盛有70ml浓度为5×10-6mol/L的罗丹明B水溶液中，在户外进行吸附/光催化降解实验。实验367h后，罗丹明B溶液浓度由5×10-6mol/L降至1.43×10-6mol/L，吸附/光催化降解率为71.4%。
将该种涂料制备的玻璃基板样品，放置在体积约为2.7L的密闭空间内，用波长为254nm的紫外灯进行甲醛气体吸附/光催化降解实验。经测定，3h将浓度为0.39g/m3的甲醛气体降低到0.06g/m3，其吸附/光催化降解率为84.62%；6h将甲醛气体浓度降低至0.06g/m3，吸附/光催化降解率为84.62%。
实施例5
制备含有SiO2气凝胶和WO2-TiO2复合光催化剂的空气净化涂料：
同实施例2的制备方法，但将步骤②中SiO2气凝胶的加入量改为0.188g，将WO35mol%-TiO2复合光催化剂的加入量改为0.563g。最终获得SiO2气凝胶与WO3-TiO2复合光催化剂质量比为1:3、气凝胶/光催化剂的总质量百分比为3.25wt%的复合空气净化涂料。
将该种涂料制备成水泥基片样品，将样品浸没在盛有70ml浓度为5×10-6mol/L的罗丹明B水溶液中，在户外进行吸附/光催化降解实验。实验367h后，罗丹明B溶液浓度由5×10-6mol/L降至1.84×10-6mol/L，吸附/光催化降解率为63.2%。
将该种涂料制备的玻璃基板样品，放置在体积约为2.7L的密闭空间内，用波长为254nm的紫外灯进行甲醛气体吸附/光催化降解实验。经测定，3h将浓度为0.39g/m3的甲醛气体降低到0.08g/m3，其吸附/光催化降解率为79.49%；6h将甲醛气体浓度降低至0.05g/m3，吸附/光催化降解率为87.18%。
实施例6
制备含有SiO2气凝胶和WO2-TiO2复合光催化剂的空气净化涂料：
同实施例2的制备方法，但将步骤②中SiO2气凝胶的加入量改为0.188g，将WO35mol%-TiO2复合光催化剂的加入量改为0.188g，丙烯酸乳液加入量改为14.625g。最终获得SiO2气凝胶与WOx-TiO2复合光催化材料质量比为1:1、气凝胶/光催化剂的总质量百分比为1.64wt%的复合空气净化涂料。
将该种涂料制备成水泥基片样品，将样品浸没在盛有70ml浓度为5×10-6mol/L的罗丹明B水溶液中，在户外进行吸附/光催化降解实验。实验367h后，罗丹明B溶液浓度由5×10-6mol/L降至1.43×10-6mol/L，吸附/光催化降解率为71.4%。
将该种涂料制备的玻璃基板样品，放置在体积约为2.7L的密闭空间内，用波长为256nm的紫外灯进行甲醛气体吸附/光催化降解实验。经测定，3h将浓度为0.39g/m3的甲醛气体降低到0.09g/m3，其吸附/光催化降解率为76.92%；6h将甲醛气体浓度降低至0.04g/m3，吸附/光催化降解率为89.74%。
实施例7
制备含有SiO2气凝胶和WO2-TiO2复合光催化剂的空气净化涂料：
同实施例2的制备方法，但将步骤②中SiO2气凝胶的加入量改为0.563g，将WO35mol%-TiO2复合光催化剂的加入量改为0.563g，丙烯酸乳液加入量改为13.875g。最终获得SiO2气凝胶与WOx-TiO2复合光催化材料质量比为1:1、气凝胶/光催化剂的总质量百分比为4.89wt%的复合空气净化涂料。
将该种涂料制备成水泥基片样品，将样品浸没在盛有70ml浓度为5×10-6mol/L的罗丹明B水溶液中，在户外进行吸附/光催化降解实验。实验367h后，罗丹明B溶液浓度由5×10-6mol/L降至1.88×10-6mol/L，吸附/光催化降解率为62.4%。
将该种涂料制备的玻璃基板样品，放置在体积约为2.7L的密闭空间内，用波长为254nm的紫外灯进行甲醛气体吸附/光催化降解实验。经测定，3h将浓度为0.39g/m3的甲醛气体降低到0.14g/m3，其吸附/光催化降解率为64.10%；6h将甲醛气体浓度降低至0.05g/m3，吸附/光催化降解率为87.18%。
Claims (1)
1.一种复合空气净化涂料，其特征在于：所述涂料，按质量百分比，由下述组分组成：
其中，所述乳液为丙烯酸乳液或氟碳乳液，所述丙烯酸乳液为苯丙乳液、硅丙乳液、纯丙乳液或醋丙乳液；所述空气净化粒子为由SiO2气凝胶和WO3-TiO2复合光催化粒子组成的组合物，SiO2气凝胶与WO3-TiO2复合光催化粒子的质量比为2:1～1:3；
所述涂料制备方法如下：
①首先将气凝胶粒子与无水乙醇混合持续搅拌30～90min，随后加入光催化粒子，按比例加入水、丙二醇和分散剂，继续搅拌30～90min；
②向步骤①所得分散液中加入乳液和消泡剂、成膜助剂，继续搅拌直至空气净化粒子完全分散，获得均匀的涂料。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |