CN103131313A - 复合型光触媒空气净化水性内墙涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种复合型光触媒空气净化水性内墙涂料及其制备方法，它的原料组成按重量百分比配比如下：光催化填料5.5～22.3%；聚氨酯乳液25～65%；丙二醇苯醚1～6%；分散剂2～6%；稳定剂2～4%；润湿剂1～2%；水20～60%；防霉剂1.5～4%；消泡剂1～2%；流平剂0.5～2%；增稠剂0.5～1%；光催化填料是由纳米锐钛矿型二氧化钛按重量比5～9﹕1～5配合纳米氧化锌或纳米二氧化锡构成。本涂料具有良好的空气净化能力，在紫外线的激发下，能有效降解空气中的有害气体、杀灭细菌病毒。作为内墙装饰材料，该涂料具有良好的遮盖力、附着力和优异的稳定性。本发明生产工艺简单，适用于多种涂装方法，易于推广应用。

Description

复合型光触媒空气净化水性内墙涂料及其制备方法

技术领域

 本发明涉及一种光触媒涂料，以及这种涂料的制备方法。

背景技术

随着社会经济的发展，生活水平的提高，人们对工作和生活的条件提出了更高的要求。大量新型建筑材料、装饰材料的使用，为现代人创造除了时尚美观、方便舒适生存空间。在近二十年中，现代人因生活和工作形态的改变，在室内环境的时间日益延长，许多人几乎90%以上的时间都是在室内度过。于是由新材料中含有的多种有害化学成分，所导致大量“病态建筑”，以及患“建筑病综合症”、“大楼并发症”和“多种化学物过敏症”的人数不断增大。人们发现由于新型建筑材料特别是化学合成建材被广泛使用,高档家具、家用电器纷纷进入家庭和办公室，香料、化妆品、上光剂、 空气清新剂、杀虫剂和洗涤剂等成为了人们生活中必不可少的用品，导致室内空气中有害物质无论从种类上或数量上都不断增加, 从而导致室内空气品质严重下降。在非工业性室内环境中，可以见到50~130 种挥发性有机化合物，尽管它们都以微量痕量水平出现，但对人体健康的影响却是不容忽视的。

1972年Fujishima和Honda在Nature杂志上发表的关于TiO2电极上光分解水的论文，这一事件是人类探索去污技术历史上的一个里程碑，它标志着光触媒时代的开始。从这一时刻起，来自材料、化学、物理等各个领域的科研工作者便开始了一个新领域的研究，那就是光触媒氧化法即通过太阳能来降解去除污染物。研究表明，光触媒材料能有效的降解环境中的VOC，并能杀死大部分细菌和病毒，是目前最具应用前景的环保材料之一。

最近几年由于人们对环境的要求，和对自身健康的关注不对提高，市场上出现了大量以“光触媒”冠名的产品层出不穷。但因为相关的行业标准，法律法规相对落后，各种品质低劣的光触媒喷剂、涂料充斥着内墙涂料市场。这些产品主要存在光催化活性低（无法达到满意的光催化降解活性）、附着力较差、抗老化性能差。光触媒涂料能在光的激发下产生很强的氧化性，在净化空气的同时也对涂料的成膜物质进行分解，使涂层发生开裂、脱落、变色的破坏。另外，光触媒活性成分通常为纳米级颗粒，传统的分散方法通常需要使用有机溶剂预分散，不但给室内空气带来了新的污染，并且在制备好的涂料中极易团聚，使光触媒作用失效。

更为重要的是，以往的光触媒产品通常仅仅使用锐钛矿型二氧化钛作为光触媒剂，虽然这种物质在某一波长的紫外光下活性较强，但对响应范围较窄，在使用过程中往往存在降解速率缓慢的问题。

发明内容

本发明提供一种复合型光触媒空气净化水性内墙涂料及其制备方法，要解决现有光触媒涂料光催化活性低、附着力较差、抗老化性能差的技术问题；并解决光触媒剂降解速率缓慢，以及有机溶液稀释剂污染环境，使光触媒作用失效的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

这种复合型光触媒空气净化水性内墙涂料，它的原料组成按重量百分比配比如下：  

光催化填料               5.5～22.3%；

聚氨酯乳液               25～65%；

丙二醇苯醚               1～6%；

分散剂                   2～6%；

稳定剂                   2～4%；

润湿剂                   1～2%；

水                       20～60%；

防霉剂                   1.5～4%；

消泡剂                   1～2%；

流平剂                   0.5～2%；

增稠剂                   0.5～1%；

所述光催化填料是由纳米锐钛矿型二氧化钛按重量比5～9﹕1～5配合纳米氧化锌或纳米二氧化锡构成。

所述纳米锐钛矿型二氧化钛的粒径为20～ 200nm；所述纳米氧化锌的粒径为5～100nm；所述纳米二氧化锡的粒径为5～100nm。

所述分散剂为十二烷基苯磺酸钠或脂肪醇与环氧乙烷缩合物。

所述稳定剂为紫外线吸收剂、受阻胺类光稳定剂或二者的混合物。

所述润湿剂为烷基酚聚氧乙烯醚。

所述防霉剂为氯酚钠涂料专用防腐防霉剂。

所述消泡剂为金属皂型消泡剂或聚硅氧烷类消泡剂。

所述流平剂为聚醚改性聚硅氧烷。

所述增稠剂为聚氨酯高分子化合物水溶液。

这种复合型光触媒空气净化水性内墙涂料的制备方法，制备步骤如下：

步骤一，按照配方量首先将光催化填料、聚氨酯乳液、丙二醇苯醚、分散剂、稳定剂、润湿剂混合，采用卧式砂磨机，以氧化锆珠为研磨介质，在转速3000～5000rpm下高速分散0.5～2小时，制得预分散乳液；

步骤二，将防霉剂、消泡剂、流平剂、增稠剂加入水中并在转速800～1200 rpm下高速搅拌0.5～2小时，制得稀释剂；

步骤三，将预分散乳液慢慢加入稀释剂中，在转速100～500rpm下低速搅拌0.5～1小时，得到最终产品。

本发明的有益效果如下：

本发明的涂料由纳米锐钛矿型二氧化钛配合一定量的纳米氧化锌或纳米二氧化锡粉体作为功能填料，以水性聚氨酯为成膜物质，加入适量成膜助剂、分散剂、防霉剂、稳定剂、润湿剂等经分散、调色、陈化、包装等工序制得。

本发明利用光催化原理所研制的空气净化涂料配方中设计了多种光触媒物质，作为功能复合填料，能拓宽涂层的光响应波长，增强涂料的光催化能力，大大提高了空气净化能力。此外，复合填料还能够调整涂料中树脂的成分，控制合理的粘度，使复合成分的纳米光触媒粉体能稳定的分散在涂料体系中，发挥出最大的光催化活性。传统工艺得到的光触媒涂料中，通常由于纳米粉在体系中团聚使光催化活性大大降低，或完全失效。同时，本发明涂料所制备的内墙涂层，具有与腻子很好的相容性、附着力和耐老化能力，符合今后室内空气净化涂料的发展趋势。

与采用单一填料光触媒成分的产品相比，复合型光触媒涂层能在不同的光波长范围内产生光触媒效应，提高了产品的光催化效率，减小了光触媒涂层受照射光线波长影响限制的局限。如果在填料中复合了具有可见光响应活性的光触媒剂（如C、N、Cu掺杂二氧化钛等），还可以使复合型光触媒涂层在可见光下发生净化空气的所用。

本发明采用水性聚氨酯作为成膜物质，水性聚氨酯是以水代替有机溶剂作为分散介质的新型聚氨酯体系，能在常温下固化成膜，本身不含有可挥发污染物，较现有有机溶剂安全环保。

本发明特别配制的稀释剂能够高效分散复合纳米填料，稳定性高，易于大规模推广。

本涂料具有良好的空气净化能力，在紫外线的激发下，能有效降解空气中的有害气体、杀灭细菌病毒。作为内墙装饰材料，该涂料具有良好的遮盖力、附着力和优异的稳定性，耐水、耐酸碱、耐老化、耐洗刷。

本发明的制备方法采用卧式砂磨机为纳米粉体分散手段，氧化锆珠为研磨介质，能在短时间内将纳米填料分散在乳液中。该方法生产工艺简单、稳定，适用于多种涂装方法，易于推广应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的制备工艺示意图。

图2是本发明对空气中甲醛净化过程的曲线图。

图3是本发明对空气中氮氧化合物净化过程的曲线图。

具体实施方式　  

实施例一，这种复合型光触媒空气净化水性内墙涂料，它的原料组成按重量百分比配比如下：  

光催化填料               10.5%；

聚氨酯乳液               48%；

丙二醇苯醚               6%；

分散剂                   6%；

稳定剂                   4%；

润湿剂                   2%；

水                       20%；

防霉剂                   1.5%；

消泡剂                   1%；

流平剂                   0.5%；

增稠剂                   0.5%；

所述光催化填料是由纳米锐钛矿型二氧化钛按重量比9﹕1配合纳米氧化锌构成。

 

实施例二，这种复合型光触媒空气净化水性内墙涂料，它的原料组成按重量百分比配比如下：  

光催化填料               15%；

聚氨酯乳液               25%；

丙二醇苯醚               1%；

分散剂                   2%；

稳定剂                   2%；

润湿剂                   1%；

水                       45%；

防霉剂                   4%；

消泡剂                   2%；

流平剂                   2%；

增稠剂                   1%；

所述光催化填料是由纳米锐钛矿型二氧化钛按重量比5﹕1配合纳米二氧化锡构成。

 

实施例三，这种复合型光触媒空气净化水性内墙涂料，它的原料组成按重量百分比配比如下：  

光催化填料               13.6%；

聚氨酯乳液               41%；

丙二醇苯醚               3%；

分散剂                   4%；

稳定剂                   3%；

润湿剂                   1%；

水                       28%；

防霉剂                   2.7%；

消泡剂                   1.5%；

流平剂                   1.4%；

增稠剂                   0.8%；

所述光催化填料是由纳米锐钛矿型二氧化钛按重量比1﹕1配合纳米氧化锌构成。

 

实施例四，这种复合型光触媒空气净化水性内墙涂料，它的原料组成按重量百分比配比如下：  

光催化填料               18%；

聚氨酯乳液               32%；

丙二醇苯醚               4%；

分散剂                   5%；

稳定剂                   3%；

润湿剂                   2%；

水                       30%；

防霉剂                   3.2%；

消泡剂                   1.3%；

流平剂                   0.8%；

增稠剂                   0.7%；

所述光催化填料是由纳米锐钛矿型二氧化钛按重量比2﹕1配合纳米氧化锌构成。

 

上述实施例一至四中，所述纳米锐钛矿型二氧化钛的粒径为20~200nm；所述纳米氧化锌的粒径为5~100nm；所述纳米二氧化锡的粒径为5~100nm。

所述分散剂为十二烷基苯磺酸钠或脂肪醇与环氧乙烷缩合物。分散剂可采用HT-8163。

所述稳定剂为紫外线吸收剂、受阻胺类光稳定剂或二者的混合物。稳定剂可采用Tiangang牌HS-3101。

所述润湿剂为烷基酚聚氧乙烯醚。润湿剂可采用Triton牌X-405。

所述防霉剂为凯巨牌 YL002涂料专用防腐防霉剂氯酚钠。

    所述消泡剂为金属皂型消泡剂或聚硅氧烷类消泡剂。消泡剂可采用SN-Defoamer 1330。

所述流平剂为聚醚改性聚硅氧烷。流平剂可采用BD-3307。

所述增稠剂为聚氨酯高分子化合物水溶液。增稠剂可采用晗泰牌AR-2。

参见图1所示，这种复合型光触媒空气净化水性内墙涂料的制备方法，制备步骤如下：

步骤一，按照配方量首先将光催化填料、聚氨酯乳液、丙二醇苯醚、分散剂、稳定剂、润湿剂混合，采用卧式砂磨机，以氧化锆珠为研磨介质，在转速3000～5000rpm下高速分散0.5～2小时，制得预分散乳液；

步骤二，将防霉剂、消泡剂、流平剂、增稠剂加入水中并在转速800～1200 rpm下高速搅拌0.5～2小时，制得稀释剂；

步骤三，将预分散乳液慢慢加入稀释剂中，在转速100～500rpm下低速搅拌0.5～1小时，得到最终产品。

本发明的两个涂料样品进行空气净化能力检测过程如下：

样品1：光触媒空气净化涂料编号G07；样品2：光触媒空气净化涂料编号H03。配方与制备参数如表1所示，分别将涂料样品喷涂在尺寸为160mm×160mm的石棉纤维水泥板上，涂层厚度约为200μm，并在湿度为50%、温度为25°C的环境中养护72小时。样品制备方法详见GB1727-1992《漆膜一般制备法》。

本发明的涂料空气净化能力测试方法参照公开号为CN102590439A的发明专利《光催化气体降解率检测装置及其检测方法》 。根据CN102590439A中测试方法检测两种不同配方的光触媒涂料对甲醛与氮氧化合物的光降解性能。所得结果如图2、图3光触媒涂料空气净化能力曲线所示。

根据以上测试数据可以得到甲醛都去除效率 q，以及氮氧化合物去除率k

q = C₀ / (C₀ × S × t)         公式1

其中，q为样品的甲醛去除效率；C₀为降解开始时甲醛的起始浓度；S为涂料表面面积；t为从测试开始到完全降解所经过的时间。

按照公式1对样品G07、H03的甲醛降解曲线进行计算，得到：

q_G07 = 0.51% / m²s,           q_H03 = 1.25% / m²s

k = (C_b – C₁ ) / (C₀ × S× t)              公式2

其中，k为单位时间单位面积空气净化涂料对NOx的去除效率；C₁为NOx的平衡浓度；C₀为测试开始时NOx的浓度；S为涂料表面面积；t为从测试开始到到达平衡浓度所经过的时间；C_b为t时刻空白实验的NOx浓度。

按照公式2对样品G07、H03的测试曲线进行计算，得到：

k_G07 = 0.37% / m²s,           k_H03 = 0.47% / m²s

光触媒空气净化涂料样品G07和H03能在紫外光的作用下能催化周围的氧分子和水分子，产生活性力强的负氧离子和氧化氢离子，将空气中有机污染物，如NOx、甲醛有害气体分解，达到治理室内空气污染的目的。通过气候箱模拟污染环境的检测方法能科学准确的分析光催化降解过程，评价光催化产品的净化效率。对两种产品的测试结果表明：在紫外线照射下光触媒涂料对NOx的降解过程近似与二次曲线，对甲醛的净化过程为线性。H03具有更好的空气净化能力，对NOx、甲醛的去除率分别达到0.47% / m²s、1.25% / m²s。

本发明的涂料一般性能测试如下：

本发明作为新型空气净化涂料在建筑内墙使用，除了具有良好的空气净化能力，还应达到一般内墙涂料的使用对耐水、耐碱、耐老化、耐洗刷等方面的要求。以下，根据有关内墙涂料相关国家或行业标准规定，对两种涂料样品进行一般性能检测，结果如表2所示。

以上性能测试表明光触媒涂料不仅具有良好的空气净化能力，其他各项性能都能达到或大大超过国标要求。

Claims (10)

1.一种复合型光触媒空气净化水性内墙涂料，其特征在于：它的原料组成按重量百分比配比如下：  

光催化填料               5.5～22.3%；

聚氨酯乳液               25～65%；

丙二醇苯醚               1～6%；

分散剂                   2～6%；

稳定剂                   2～4%；

润湿剂                   1～2%；

水                       20～60%；

防霉剂                   1.5～4%；

消泡剂                   1～2%；

流平剂                   0.5～2%；

增稠剂                   0.5～1%；

所述光催化填料是由纳米锐钛矿型二氧化钛按重量比5～9﹕1～5配合纳米氧化锌或纳米二氧化锡构成。

2.根据权利要求1所述的复合型光触媒空气净化水性内墙涂料，其特征在于：所述纳米锐钛矿型二氧化钛的粒径为20～200nm；所述纳米氧化锌的粒径为5～100nm；所述纳米二氧化锡的粒径为5～200nm。

3.根据权利要求1所述的复合型光触媒空气净化水性内墙涂料，其特征在于：所述分散剂为十二烷基苯磺酸钠或脂肪醇与环氧乙烷缩合物。

4.根据权利要求1所述的复合型光触媒空气净化水性内墙涂料，其特征在于：所述稳定剂为紫外线吸收剂、受阻胺类光稳定剂或二者的混合物。

5.根据权利要求1所述的复合型光触媒空气净化水性内墙涂料，其特征在于：所述润湿剂为烷基酚聚氧乙烯醚。

6.根据权利要求1所述的复合型光触媒空气净化水性内墙涂料，其特征在于：所述防霉剂为氯酚钠涂料专用防腐防霉剂。

7.根据权利要求1所述的复合型光触媒空气净化水性内墙涂料，其特征在于：所述消泡剂为金属皂型消泡剂或聚硅氧烷类消泡剂。

8.根据权利要求1所述的复合型光触媒空气净化水性内墙涂料，其特征在于：所述流平剂为聚醚改性聚硅氧烷。

9.根据权利要求1所述的复合型光触媒空气净化水性内墙涂料，其特征在于：所述增稠剂为聚氨酯高分子化合物水溶液。

10.一种如权利要求1～9任意一项所述复合型光触媒空气净化水性内墙涂料的制备方法，其特征在于制备步骤如下：

步骤一，按照配方量首先将光催化填料、聚氨酯乳液、丙二醇苯醚、分散剂、稳定剂、润湿剂混合，采用卧式砂磨机，以氧化锆珠为研磨介质，在转速3000～5000rpm下高速分散0.5～2小时，制得预分散乳液；

步骤二，将防霉剂、消泡剂、流平剂、增稠剂加入水中并在转速800～1200 rpm下高速搅拌0.5～2小时，制得稀释剂；

步骤三，将预分散乳液慢慢加入稀释剂中，在转速100～500rpm下低速搅拌0.5～1小时，得到最终产品。

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