CN105368223B - 一种丝光光触媒乳胶漆面漆及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

一种丝光光触媒乳胶漆面漆及其生产工艺，属于建筑装饰材料技术领域，将复合纳米光触媒和部分去离子水加入高速分散研磨机中充分分散研磨，再按复合纳米光触媒粉体质量的2%加入分散剂进行研磨和超声分散30分钟，制得光触媒胶体；在另一部分去离子水中加入纤维素进行搅拌、分散至纤维素完全溶解，之后加入有机硅丙乳液和另一部分分散剂进行搅拌均匀；本发明的特点是乳胶漆面漆配方中还包括复合纳米光触媒，复合纳米光触媒是以锐钛矿型纳米二氧化钛为主的改性光触媒粉体。本发明适用于各类乳胶漆的面漆，具有杀菌消毒、净化空气、永不发黄、环保健康等功能和特点。

Description

一种丝光光触媒乳胶漆面漆及其生产工艺

技术领域

本发明属于建筑装饰材料技术领域，特别涉及乳胶漆面漆的生产技术。

背景技术

市场上的乳胶漆品种繁多，但大多数是以苯丙类为，有一定毒性，而高效、环保、健康的光触媒乳胶漆，目前市场上没有。

光触媒的作用机理是：在光照下，光子的能量大于半导体禁带宽度，其价带上的电子(e^-)就会被激发到导带上，同时在价带上产生空穴(h+)，激发态的导带电子和价带空穴又能重新合并，并产生热能或其他形式散发掉。当光触媒催化剂存在合适的俘获剂、表面缺陷或者其他因素时，电子和空穴的复合得到抑制，就会在光触媒催化剂表面发生氧化-还原反应。价带空穴是良好的氧化剂，导带电子是良好的还原剂，在半导体光催化反应中，一般与表面吸附的H₂O、O₂反应，生成氧化性很活泼的羟基自由基(·OH)和超氧离子自由基(O₂ ^-)，能够把各种有机物直接氧化成CO₂、H₂0等无机小分子，而且因为他们的氧化能力强，一般不停留在中间步骤，不产生中间产物，光触媒本身也不会被消耗。

由于半导体的光吸收阈值与带隙宽具有如下关系：

λ_g(nm)=1240/E_g(ev)

TiO₂的带隙宽E_g=3.2eV，通过计算可知，能够激发TiO₂进行光催化的光主要为波长小于或等于387.5nm的紫外光,而紫外光在太阳光中只占5%左右,所以太阳光利用效率低。

根据理论研究与实验，光触媒的作用机理具有以下特征：第一，光触媒光催化反应中生成的活性羟基[·OH]具有402.8mJ/mol的反应能，高于有机物中如C-C、N-H、C-N、C-H、H-O、C-O等化学键的键能，会导致大多数有机物在不同程度上发生光催化分解反应；第二，光触媒的催化反应必须在纳米光触媒微粒的表面进行；第三，单纯的二氧化钛光触媒只有在紫外线(λ<388nm)照射时才具有光催化效应。

因此，如将光触媒技术应用到乳胶漆中，进行内墙饰面，不仅能净化空气、杀菌消毒、除臭除污，而且永不发黄、环保健康。但是，光触媒的应用，也有三大技术问题：

第一，光触媒只有在光照的条件下，并与细菌等污染物接触才能产生分解反应，从而起到杀菌、消毒、除污的作用。众所周知，乳胶漆分底漆和面漆，底漆被面漆所覆盖。一方面，只有面漆才具有接受光照和与污染物接触；另一方面，从成本、观感和净化空气的等方面看，面漆至关重要。

第二，传统的光触媒主要是指锐钛矿型二氧化钛，但这种晶体的带隙宽度很窄，能够激发TiO₂进行光催化的光主要为波长小于或等于387.5nm的紫外光。紫外光在太阳光中只占5%左右，在室内更少。因此，如直接将传统的光触媒直接加入面漆中，其效果极为低下，没有应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对目前的乳胶漆功能单一等问题，提供一种高丝光光触媒乳胶漆面漆。

本发明的成分主要有机硅丙乳液、纤维素、钛白粉、丝光粉、分散剂、偶联剂、湿润剂、流平剂、成膜助剂、消泡剂、防冻剂、增稠剂、防霉杀菌剂、去离子水和填料，本发明的特点是：还包括复合纳米光触媒，所述复合纳米光触媒是以锐钛矿型纳米二氧化钛为主的改性光触媒粉体。

所述复合纳米光触媒的质量在面漆中的占比为1%～5%。

基于以上技术方案，本发明适用于各类乳胶漆的面漆，具有杀菌消毒、净化空气、永不发黄、环保健康等功能和特点。

与传统乳胶漆面漆相比，本发明的效果如下：

1、杀菌消毒、除臭——本发明的乳胶漆具有光触媒催化分解功能，涂于墙面，能杀灭空气中的细菌病毒，分解室内有机毒害与异味气体，具体原理见前文所述。

2、除污防尘——本发明中的光触媒能催化分解墙面的虫胶、虫斑、虫卵蜘蛛网和墙面有机颜料的涂写，并具有良好的亲水性，从而具有除污防尘的功效。

3、永不发黄——本发明的光触媒能分解有机颜料，并避免自身发黄。

4、净化空气——本发明的乳胶漆含有纳米氧化硅、纳米二氧化钛和人造沸石等多孔微粒，能吸附空气中污染物。其中有机污染物吸附后会被光触媒分解为二氧化碳和水，从而使多孔结构保持吸附能力。

5、环保无毒——本发明的乳胶漆没有采用含苯的原料，不会造成污染。

另外，本发明改性光触媒粉体是以锐钛矿型纳米二氧化钛为基体，经过混晶、复合半导体、离子掺杂、离子注入（或称等离子体处理）、表面光敏化、贵金属沉积或粉体形状改性取得的改性纳米光触媒中的至少两种。

为了拓宽光触媒的频谱，本发明采用以上各种方法对光触媒进行改性，提高光触媒对可见光，甚至是红外光的吸收能力。光触媒改性目的是扩大可见光响应、抑制光生电子与空穴复合、提高表面氢氧自由基含量。本发明不但经过对传统的光触媒进行改良，并集成应用了混晶、复合半导体、离子掺杂、离子注入与等离子体处理、表面光敏化、贵金属沉积、粉体形状改性等技术取得的改性纳米光触媒，可提高产品对更大波长范围的可见光的作用，使产品的保洁效果更为突出。

所述复合纳米光触媒可以由WO₃-TiO₂、5nm锐钛矿型载银二氧化钛、10nm金红石型二氧化钛、5nm锐钛矿型高纯二氧化钛、5nm纳米氧化锌和二氧化硅组成。进一步地，所述WO₃-TiO₂、5nm锐钛矿型载银二氧化钛、10nm金红石型二氧化钛、5nm锐钛矿型高纯二氧化钛、5nm纳米氧化锌和二氧化硅的混合质量比为20∶10∶10∶24～29∶10～15∶1。这样配置，具有很高的价格性能比。

另外，本发明所述丝光粉为线状纳米二氧化硅。由于光触媒与污染物充分接触才能起到良好的效果，为此，本发明采用线状纳米二氧化硅作为丝光粉，不仅增加了光触媒的表面积，也使面漆具有丝光效果。

本发明所述分散剂包括碱性分散剂和中性分散剂，分散剂占乳胶漆面漆总质量的1%-3%；所述钛白粉优选300-600nm金红石型二氧化钛，占乳胶漆面漆总质量的20%-30%；所述有机硅丙乳液占乳胶漆面漆总质量的20%-30%；所述丝光粉优选纳米二氧化硅，占乳胶漆面漆总质量的5%-10%；所述增稠剂优选碱溶胀增稠剂，占乳胶漆面漆总质量的0.4%-0.8%；所述纤维素可选ER30-M，占乳胶漆面漆总质量的0.1%-0.3%；所述防霉杀菌剂占乳胶漆面漆总质量的0.3%-0.6%；所述成膜助剂占乳胶漆面漆总质量的1.5%-2.5%；所述偶联剂占乳胶漆面漆总质量的0.4%-0.8%；所述湿润剂占乳胶漆面漆总质量的0.1%-0.4%；所述流平剂占乳胶漆面漆总质量的0.2%-0.6%；所述防冻剂占乳胶漆面漆总质量的1.5%-2.5%；所述消泡剂占乳胶漆面漆总质量的0.3%-0.6%；所述香精的占乳胶漆面漆总质量的0.1%-0.5%；所述去离子水占乳胶漆面漆总质量的10%-15%；所述填料为纳米碳酸钙；乳胶漆面漆总质量为100%。

本发明另一目的是提出以上面漆的生产工艺。

本发明生产工艺包括以下步骤：

1）将复合纳米光触媒和部分去离子水加入高速分散研磨机中充分分散研磨，再按复合纳米光触媒粉体质量的2%加入分散剂进行研磨和超声分散30分钟，制得光触媒胶体；

2）在另一部分去离子水中加入纤维素进行搅拌、分散至纤维素完全溶解，之后加入有机硅丙乳液和另一部分分散剂进行搅拌均匀；

3）在步骤2）形成的胶体中加入钛白粉、填料、湿润剂和流平剂，搅拌均匀；

4）在步骤3）形成的胶体中加入剩余分散剂、偶联剂、成膜助剂、防冻剂、防霉杀菌剂、消泡剂、防冻剂、增稠剂进行高速分散研磨，之后静置；

5）在步骤4）形成的胶体中加入丝光粉和步骤1）中配置的光触媒胶体，经高速分散研磨，并以pH值调节剂调整面漆的pH值至7～7.5。

本工艺简单，环保，具有较高的可操作性，产业化之后经济效益可观。

具体实施方式

一、本发明光触媒改性具体方法：

1、复合半导体的方法：复合的方式包括简单的组合、掺杂、多层结构和异相组合等。通过半导体的耦合可提高系统的电荷分离效率，扩展光谱响应的范围，提高光触媒的活性。其中，简单组合有纳米TiO₂和纳米ZnO按6～9:4～1的比例混合。

2、混晶法：将锐钛矿TiO₂和金红石TiO₂进行混晶，使锐钛矿晶体表面生长了薄的金红石结晶层；TiO₂耦合半导体主要有CdS-TiO₂、WO₃-TiO₂、SnO₂-TiO₂、ZrO₂-TiO₂和V₂O₅-TiO₂，WO₃-TiO₂中WO₃最佳掺量为TiO₂重量的3%，并具有较好的可见光活性。

3、离子掺杂的方法：包括阳离子掺杂和阴离子掺杂。一方面离子掺杂可以改变TiO₂的能级结构；另一方面掺杂使电子和空穴分离，延长了电子和空穴的寿命，使单位时间单位体积的光生电子和空穴的数量增多。金属离子掺杂是将一定量的金属离子引入到TiO₂晶格中，形成活性“小岛”，通过捕获电子或空穴，以及抑制电子-空穴对的复合速率影响TiO₂的光催化活性，主要是过渡金属离子如W⁶⁺、V⁵⁺、Cr⁶⁺、Mo⁵⁺、Ce⁴⁺、Pb²⁺、La³⁺、Fe³⁺等。第二过渡系列的金属离子比第一过渡系列的金属离子的掺杂作用要好，光催化性能更高，二六副族的金属离子也能同样起到很好的提高光催化活性的作用。阴离子掺杂主要有S^2-、O^2-、P^3-、F^-、C^4-、N^3-。本发明利用金属离子和非金属离子的协调效应，优选一种或多种金属离子和非金属离子共同掺杂。

4、离子注入（也称为等离子体处理）方法：是通过高能金属离子轰击TiO₂来实现的。通过高压加速注入的过渡金属离子如V、Cr、Mn、Fe、Ni可不同程度的向可见光区域移动。红移的程度依赖于注入的金属离子的种类和数量，对不同的金属离子红移的顺序为：V＞Cr＞Fe＞Mn＞Ni；而对同种金属离子红移的量随注入离子含量的增加而增加。这种红移允许TiO₂能够有效利用太阳能，其利用率可达20%～30%。

5、表面光敏化法：通过添加光活性敏化剂，包括一些贵金属化的复合化合物（如Ag、Pt、Pd、Au、Ru的氯化物）、钌吡啶类络合物，及各种有机染料等，使其以物理或化学特性吸附于TiO₂的表面，这些物质在可见光下具有较大的激发因子，在可见光照射下，吸附态光活性分子吸收光子后，被激发产生自由电子，然后激发态光活性分子将电子注入到TiO₂的导带上，从而扩大了TiO₂激发波长的范围。

6、贵金属沉积法：光触媒表面贵金属沉积是一种可以捕获激发电子的有效改性方法。在半导体TiO₂表面附载贵金属元素，不仅能促进光生电子/空穴对的分离，还可改变半导体的能带结构，更有利于吸收低能量光子，以增加光源的利用率。贵金属的沉积方法主要有浸渍还原法和光催化还原法，贵金属主要包括Ⅷ族的Pt、Ag、Ir、Au、Ru、Pd、Rh等贵金属，载银二氧化钛中的纳米银为TiO₂总重量的1%，Ag改性相对毒性较小，成本较低。

7、粉体形状改性法：包括减小粒径和改善微粒形状。前者是指减小光触媒粉体的粒径，当粒径小于30nm时,TiO₂的光催化活性明显增强,当其粒径小于10nm时催化活性剧烈增加，故本发明中控制其在8nm以内；后者是为了提高TiO₂的比表面积,把TiO₂做成了合适的形状,如纳米薄膜、纳米管、纳米针或线、纳米棒、纳米微球或空心球，以及纳米复合物。此外，氧化锌粉体必须选用六角锥形纳米氧化锌，因为这种氧化锌具有很高的光催化活性,通过对比实验发现其催化活性比P25型光触媒TiO₂高出近一倍。粉体形状改性法光触媒粉体减小粒径和改善微粒形状至5～8nm。

二、应用的复合纳米光触媒的配方例：

例1: 采用以下组成成分制备复合纳米光触媒粉：WO₃-TiO₂（其中WO₃为TiO₂重量的3%）为wt30%，5nm锐钛矿型载银二氧化钛（其中纳米银为TiO₂的重量的1%）为wt30%，10nm金红石型二氧化钛wt10%，5nm锐钛矿型高纯二氧化钛wt19%-14%，5nm纳米氧化锌wt10%-15%，二氧化硅wt1%，将这些粉体投入滚筒研磨机研磨2小时，得到100kg复合纳米光触媒粉体。

复合纳米光触媒的几种配方见下表。需要说明的是，改性TiO₂的成本比未改性的要高得多，而且随改性工艺、设备及所用原材料的不同而不同；粉体粒径越小光催化活性越好，成本也越高；粉体微粒的形状越复杂，性能越好，成本越高。因此，要根据性价比的要求合理确定配置成分和比例。

除了以上配方以外的还可以采用的复合纳米光触媒的配方：

三、制备丝光光触媒乳胶漆面漆：

1、各原料的称量：

500nm金红石型二氧化钛30kg；有机硅丙乳液26kg；3μm轻质碳酸钙10kg；去离子水16kg；纳米二氧化硅5.4 kg；复合纳米光触媒粉体3 kg，P5040分散剂1kg，P19分散剂1kg，PEG分散剂1kg；防冻剂2.0kg；成膜助剂1.5kg；碱溶胀增稠剂0.4kg；纤维素（ER30-M）0.2kg；防霉杀菌剂0.3kg；偶联剂0.4kg；湿润剂0.2kg；流平剂0.4kg；消泡剂0.3kg；香精0.3kg。

2、将100kg复合纳米光触媒和7.5 kg去离子水加入高速分散研磨机中进行分散研磨20分钟，再加入P5040分散剂进行分散研磨20分钟，并利用超声波进行分散20分钟，制得光触媒胶体。

3、在7.5kg去离子水中加入纤维素（ER30-M）0.2kg进行搅拌、分散至纤维素完全溶解，然后加入26kg有机硅丙乳液和P19分散剂进行搅拌均匀，再加入500nm金红石型二氧化钛30kg钛白粉、填料、湿润剂、流平剂进行搅拌均匀1小时，之后加入PEG分散剂、偶联剂、成膜助剂、防冻剂、防霉杀菌剂、消泡剂、碱溶胀增稠剂和香精进行高速分散研磨，之后静置1小时，取得混合胶体。

4、将上述光触媒胶体和混合胶体混合在一起，并加入人造沸石、纳米二氧化硅，高速分散研磨1小时，期间需根据其pH值的实测情况用pH值调节剂调整其pH值为允许的7～7.5。

最后检测、分装、包装。

Claims (5)

1.一种丝光光触媒乳胶漆面漆，包括有机硅丙乳液、纤维素、钛白粉、丝光粉、分散剂、偶联剂、湿润剂、流平剂、成膜助剂、消泡剂、防冻剂、增稠剂、防霉杀菌剂、去离子水和填料，其特征在于还包括复合纳米光触媒，所述复合纳米光触媒是以锐钛矿型纳米二氧化钛为主的改性光触媒粉体；所述丝光粉为线状纳米二氧化硅；所述改性光触媒粉体是以锐钛矿型纳米二氧化钛为基体，经过混晶、复合半导体、离子掺杂、离子注入、表面光敏化、贵金属沉积或粉体形状改性取得的改性纳米光触媒中的至少两种；所述复合纳米光触媒由WO₃-TiO₂、5nm锐钛矿型载银二氧化钛、10nm金红石型二氧化钛、5nm锐钛矿型高纯二氧化钛、5nm纳米氧化锌和二氧化硅组成。

2.根据权利要求1所述丝光光触媒乳胶漆面漆，其特征在于，所述复合纳米光触媒占乳胶漆面漆总质量的1%～5%。

3.根据权利要求1所述丝光光触媒乳胶漆面漆，其特征在于，所述WO₃-TiO₂、5nm锐钛矿型载银二氧化钛、10nm金红石型二氧化钛、5nm锐钛矿型高纯二氧化钛、5nm纳米氧化锌和二氧化硅的混合质量比为20∶10∶10∶24～29∶10～15∶1。

4.根据权利要求1所述丝光光触媒乳胶漆面漆，其特征在于：

所述分散剂包括碱性分散剂和中性分散剂，分散剂占乳胶漆面漆总质量的1%-3%；

所述钛白粉为300-600nm金红石型二氧化钛，占乳胶漆面漆总质量的20%-30%；

所述有机硅丙乳液占乳胶漆面漆总质量的20%-30%；

所述丝光粉占乳胶漆面漆总质量的5%-10%；

所述增稠剂为碱溶胀增稠剂，占乳胶漆面漆总质量的0.4%-0.8%；

所述纤维素为ER30-M，占乳胶漆面漆总质量的0.1%-0.3%；

所述防霉杀菌剂占乳胶漆面漆总质量的0.3%-0.6%；

所述成膜助剂占乳胶漆面漆总质量的1.5%-2.5%；

所述偶联剂占乳胶漆面漆总质量的0.4%-0.8%；

所述湿润剂占乳胶漆面漆总质量的0.1%-0.4%；

所述流平剂占乳胶漆面漆总质量的0.2%-0.6%；

所述防冻剂占乳胶漆面漆总质量的1.5%-2.5%；

所述消泡剂占乳胶漆面漆总质量的0.3%-0.6%；

所述去离子水占乳胶漆面漆总质量的10%-15%；

所述填料为纳米碳酸钙；乳胶漆面漆总质量为100%。

5.如权利要求1所述丝光光触媒乳胶漆面漆的生产工艺，其特征在于包括以下步骤：

1）将复合纳米光触媒和部分去离子水加入高速分散研磨机中充分分散研磨，再按复合纳米光触媒粉体质量的2%加入分散剂进行研磨和超声分散30分钟，制得光触媒胶体；

2）在另一部分去离子水中加入纤维素进行搅拌、分散至纤维素完全溶解，之后加入有机硅丙乳液和另一部分分散剂进行搅拌均匀；

3）在步骤2）形成的胶体中加入钛白粉、填料、湿润剂和流平剂，搅拌均匀；

4）在步骤3）形成的胶体中加入剩余分散剂、偶联剂、成膜助剂、防冻剂、防霉杀菌剂、消泡剂、防冻剂、增稠剂进行高速分散研磨，之后静置；

5）在步骤4）形成的胶体中加入丝光粉和步骤1）中配置的光触媒胶体，经高速分散研磨，并以pH值调节剂调整面漆的pH值至7～7.5，所述丝光粉为线状纳米二氧化硅。