CN110117167A - 一种具有光催化活性及优异耐高温性能的镀铝钢板及其制造方法 - Google Patents

一种具有光催化活性及优异耐高温性能的镀铝钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有光催化活性及优异耐高温性能的镀铝钢板及其制造方法，属于热浸镀钢板技术领域。在镀铝钢板的至少一个表面上具有：透明、半透明或彩色的钝化皮膜，钝化皮膜含有氮掺杂改性的二氧化钛。本发明以镀铝钢板为基底、采用连续辊涂工艺制备可见光响应的光催化致霾物消除材料，具有价格低廉、后续加工性能高、应用范围广，适用于连续规模化生产。利用光能将空气/大气中致霾物质(主要是氮氧化物NOX)吸附、并转化为无害物质，从而消除致霾源。并且本发明具有优异的耐热性能、反射性和耐蚀性，可广泛应用于家用电器及建筑等领域。

Description

一种具有光催化活性及优异耐高温性能的镀铝钢板及其制造 方法
技术领域
本发明属于热浸镀钢板技术领域，更具体地说，涉及一种具有光催化活性及优异耐高温 性能的镀铝钢板及其制造方法。
背景技术
人们通过研究大气雾霾的问题，发现能源使用过程中排放的氮氧化物(NOx)是造成严 重雾霾的内因。NOx排放到大气中以后，由于价态低且在大气中的自由基氧化作用下，发生 复杂的化学反应，生成高价态的硝酸盐。因此，NOx是使大气氧化性增强的关键污染物，也 是PM2.5(雾霾)的主要组成部分。
为了消除氮氧化物、环境有害气体以及除菌，本领域技术人员采用各种不同的技术方案 研究开发出了各种光催化剂制备的各种功能材料。如：中国专利CN98103510.8公开了可光催 化净化空气及杀菌的有机基底双层膜及其制法，该专利中首先在有机物基底上采用悬杯法制 备一层惰性氧化物涂层，然后再使用悬杯法在惰性氧化物涂层上涂抹一层光催化剂涂层。该 双层膜具有分解有机物的作用；中国专利CN200780001326.4公开了一种采用CVD技术在无 机材料基底(尤其是玻璃)表面依次沉积包含二氧化硅与氧化锆混合物、二氧化硅与氧化铝 或二氧化硅、氧化铝与二氧化钛混和物的底涂层，然后在其上再沉积一层光催化功能涂层， 达到净化环境的功能；中国专利CN201310065844.X公开了一种具有光催化和防静电复合功 能的自洁涂层及其生产方法，该涂层制备方法是采用喷涂方法在无机材料上一次制备封闭层、 防静电层、光催化涂层；中国专利CN201410572952.0公布了一种在钛网上通过阳极氧化得到 TiO2纳米管光催化膜，然后在此层膜上通过电沉积一层WO3光催化膜的方法；中国实用新型 专利CN201220017481.3公布了一种光催化抗菌的彩涂板，在彩涂板表面涂覆有含有纳米二氧 化钛的光催化涂层。具有杀菌消毒、净化空气的功能；中国实用新型专利CN201420718607.9 公布了一种光催化高活性空气污染处理纳米陶瓷片，其方法是在多空陶瓷片表面涂层光催化 纳米催化涂层，该陶瓷片具有净化污染空气、消除VOC等功能。
但应该注意到，上述列举的发明存在以下问题：(1)仅在紫外线辐照下才能发挥光催化 效果，存在使用条件的限制，以及应用范围狭窄的缺点；(2)所述发明的功能可以消除有机 物与除菌，不具有消除NOX的功能。
本领域内的技术人员通过各种方法，使得二氧化钛光催化剂具有可见光响应，典型的方 法有：中国专利申请CN200880106450.1公开了一种具有光催化性质的材料，在玻璃基底和光 催化涂层之间的涂层，包含有能将波长在可见光与红外线范围内的辐射转化为波长在紫外线 范围内的辐射化合物；中国专利CN201010110495.5公开了一种利用光催化剂来净化空气的墙 纸。采用喷涂法在墙纸上涂覆一层含有金属离子掺杂的二氧化钛光催化剂的表面涂层，具有 除臭与移除甲醛的效果；中国专利CN201110105280.9公开了一种含有二氧化钛和纳米粒子的 光催化涂料，使用该涂料所制备的涂层具备在可见光下灭菌、氧化分解污染物的效果。使用 该涂料制备的涂层在可见光下具有抗菌、除CO的功能。
上述列举的发明，虽然解决了以二氧化钛为光催化剂的可见光响应问题，但是还存在以 下问题：(1)应用中都采用喷涂法制备，资源消耗大，不利于连续化大规模制备；(2)所 述发明的功能为消除有机物与除菌，不具有消除NOX的功能；(3)基底多为陶瓷或玻璃材质，存在后期加工应用问题。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有光催化活性的镀铝钢板具受光能条件的限制，以及不具有消除空气中NOX的问 题，本发明提供一种具有光催化活性及优异耐高温性能的镀铝钢板及其制造方法。此钢板在 紫外光至可见光波长范围内光源照射下具有光催化性能，对空气中的氮氧化物与有机气体具 有消除功能，达到净化空气的目的，同时此钢板具有优异的耐高温性及耐蚀性，无需进行涂 装处理，可充分发挥其光催化性能和耐高温性能，广泛应用于家用电器及建筑等领域。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
本发明的一种具有光催化活性及优异耐高温性能的镀铝钢板，在镀铝钢板的至少一个表 面上具有：透明、半透明或彩色的钝化皮膜，其中钝化皮膜含有氮掺杂改性的二氧化钛。这 里需要说明的是“透明、半透明或彩色的钝化皮膜”，其中透明或半透明是由钝化皮膜的组 分决定的，至于彩色，当皮膜中含有金属离子时，则会具有一定的颜色。氮掺杂改性的二氧 化钛不仅可以起到光催化的作用，还可以起到骨架的作用，使得整个钝化皮膜的强度增加至 少20-30％。
于本发明的一种实施方式中，所述镀铝钢板的厚度为0.5～1.0mm，表面粗糙度Ra为0.6～ 3.0μm。通过控制表面粗糙度，在0.6～3.0μm范围内，可以提高钝化皮膜与镀铝钢板之间的 结合力。
于本发明的一种实施方式中，所述钝化皮膜是由钝化液涂覆到镀铝钢板表面干燥固化而 成。
于本发明的一种实施方式中，所述钝化液是由10％～20％的有机成膜物质和80％～90％ 的无机成膜物质组成。考虑到本发明的镀铝钢板应用范围，以及其要达到的性能要求，采用 有机与无机混合的钝化液对钢板进行处理。
于本发明的一种实施方式中，所述有机成膜物质主要为聚烯蜡乳液；所述无机成膜物质 包括体积分数为5％～15％的氮掺杂改性的二氧化钛、体积分数为5％～15％的纳米二氧化硅 溶胶、体积分数为5％～15％的氧化锆或氟锆酸、体积分数为1％～10％的成分为磷酸或磷酸 盐缓蚀剂、体积分数为1％～10％的钒酸盐，余量为水。
于本发明的一种实施方式中，所述钝化皮膜还可以含有铬酸、三价铬、锆酸盐、钛酸盐、 稀土金属盐或这些物质的组合物。
于本发明的一种实施方式中，所述涂覆为辊涂、冷空气喷涂或幕帘式淋涂。
于本发明的一种实施方式中，所述在镀铝钢板上，以涂覆辊速比100％～180％、取料辊 速比45％～95％、取料辊与涂覆辊压力1.0KN～4.0KN，将含有氮掺杂改性的二氧化钛钝化皮 膜涂覆于镀铝钢板表面，在板温80℃～150℃条件下加热3s～10s，形成附着量为600mg/m2～ 3000mg/m2的钝化皮膜。
关于光催化剂，特别是二氧化钛，近年来由于其特有的催化性质引起本领域技术人员的 重视。二氧化钛在紫外线辐照下，可产生自由基反应，具有强烈的氧化性，能够分解有害气 体分子、微生物等物质，将之转变为水、二氧化碳等环境无害物质，不产生二次污染。同时 基于以上问题，本发明以镀铝钢板为基底、采用连续辊涂工艺制备可见光响应的光催化致霾 物消除材料，具有价格低廉、后续加工性能高、应用范围广，适用于连续规模化生产的特点。 且镀铝钢板具有优异的耐高温性和耐蚀性，可用于高温工作环境，其耐热性相当于不锈钢， 至700℃时才开始变软。镀铝钢板的耐高温氧化性与不锈钢相等，在工作温度低于450℃时， 钢板会保持光亮的外观，直到500℃以上才开始氧化和变色，广泛应用于家用电器微波炉、 烤箱等领域。
本发明利用光能(太阳光或人工照明)将空气/大气中致霾物质(主要是氮氧化物NOX) 吸附、并转化为无害物质，从而消除致霾源，具有可利用太阳光、能耗低、无需额外加入反 应物等优点。该材料具有优异的耐热性能、反射性和耐蚀性，可广泛应用于家用电器及建筑 等领域。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的具有光催化活性及优异耐高温性能的镀铝钢板，以镀铝钢板为基底、采用 连续辊涂工艺制备可见光响应的光催化致霾物消除材料，具有价格低廉、后续加工性能高、 应用范围广，适用于连续规模化生产；
(2)本发明的具有光催化活性及优异耐高温性能的镀铝钢板，在紫外光至可见光波长范 围内光源照射下具有光催化性能，利用光能将空气/大气中致霾物质(主要是氮氧化物NOX) 吸附、并转化为无害物质，从而消除致霾源，本发明具有优异的耐热性能、反射性和耐蚀性， 可广泛应用于家用电器及建筑等领域；
(3)本发明的具有光催化活性及优异耐高温性能的镀铝钢板，其钝化皮膜中含有具有光 催化活性的粒子为氮掺杂改性的二氧化钛可见光响应型光催化粒子，这种光催化粒子降低了 电子跃迁能，在可见光能级光子暴露下即可实现光催化；
(4)本发明采用辊涂法可以保证钝化层的涂层宽度均匀，表面平整光滑，附着力强，可 以较准确的控制漆膜厚度，而且不产生漆雾，没有漆雾飞溅，效率高。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道， 这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出， 这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1为本发明的具有光催化活性及优异耐高温性能的镀铝钢板的剖面示意图。
附图标记说明：
1、镀铝钢板；2、钝化皮膜。
具体实施方式
下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该 附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地 描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本 发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并 不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特 征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因 此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
实施例1
如图1所示，在实施例的一种具有光催化活性及优异耐高温性能的镀铝钢板，包括在镀 铝钢板1的至少一个表面上具有：透明、半透明或彩色的钝化皮膜2，钝化皮膜2含有氮掺 杂改性的二氧化钛。
在本实施例中，镀铝钢板1的厚度为0.8mm，表面粗糙度Ra为2.5μm。钝化皮膜2的厚度与镀铝钢板1的厚度比值为(0.1-0.2)：1，本实施例镀铝钢板1的厚度为0.1mm。
如表1所示，钝化皮膜2是由钝化液涂覆到镀铝钢板1表面干燥固化而成，涂覆的钝化 液是由10％的有机成膜物质和90％的无机成膜物质组成。有机成膜物质主要为聚烯蜡乳液； 无机成膜物质包括体积分数为10％的氮掺杂改性的二氧化钛、体积分数为5％的纳米二氧化 硅溶胶、体积分数为5％的氟锆酸、体积分数为5％的成分为磷酸、体积分数为5％的钒酸盐 和体积分数为60％的水。
表1钝化液成分(％)
采用上述的钝化液，利用辊涂机对镀铝钢板1进行环保钝化处理，处理工艺：该镀铝钢 板1上采用立式辊涂的方法，热风干燥温度150℃，以涂覆辊速比150％、取料辊速比45％、 取料辊与涂覆辊压力3.6KN的工艺将含有氮掺杂改性的二氧化钛可见光响应型光催化粒子的 无机系钝化皮膜涂覆于镀铝钢板1表面。在板温150℃条件下加热10秒，形成附着量为 600mg/m2的钝化皮膜2。
实施例2
与实施例1基本相同，不同之处在于，在本实施例中，镀铝钢板1的厚度为0.5mm，表面粗糙度Ra为1.8μm。钝化皮膜2的厚度与镀铝钢板1的厚度比值为0.1：1，本实施例镀铝 钢板1的厚度为0.05mm。
如表2所示，钝化皮膜2是由钝化液涂覆到镀铝钢板1表面干燥固化而成，涂覆的钝化 液是由20％的有机成膜物质和80％的无机成膜物质组成。有机成膜物质主要为聚烯蜡乳液； 无机成膜物质包括体积分数为15％的氮掺杂改性的二氧化钛、体积分数为5％的纳米二氧化 硅溶胶、体积分数为5％的氟锆酸、体积分数为5％的成分为磷酸、体积分数为5％的钒酸盐 和体积分数为45％的水。
表2钝化液成分(％)
采用上述的钝化液，利用辊涂机对镀铝钢板1进行环保钝化处理，处理工艺：该镀铝钢 板1上采用立式辊涂的方法，热风干燥温度100℃，以涂覆辊速比120％、取料辊速比60％、 取料辊与涂覆辊压力2.8KN的工艺将含有氮掺杂改性的二氧化钛可见光响应型光催化粒子的 无机系钝化皮膜涂覆于镀铝钢板1表面。在板温120℃条件下加热10秒，形成附着量为1000mg/m2的钝化皮膜2。
实施例3
与实施例1基本相同，不同之处在于，在本实施例中，镀铝钢板1的厚度为1.0mm，表面粗糙度Ra为1.2μm。钝化皮膜2的厚度与镀铝钢板1的厚度比值为0.15：1，本实施例镀 铝钢板1的厚度为0.15mm。
如表3所示，钝化皮膜2是由钝化液涂覆到镀铝钢板1表面干燥固化而成，涂覆的钝化 液是由15％的有机成膜物质和85％的无机成膜物质组成。有机成膜物质主要为聚烯蜡乳液； 无机成膜物质包括体积分数为5％的氮掺杂改性的二氧化钛、体积分数为15％的纳米二氧化 硅溶胶、体积分数为5％的氟锆酸、体积分数为3％的成分为磷酸、体积分数为7％的钒酸盐 和体积分数为60％的水。
表3钝化液成分(％)
采用上述的钝化液，利用辊涂机对镀铝钢板1进行环保钝化处理，处理工艺：该镀铝钢 板1上采用立式辊涂的方法，热风干燥温度130℃，以涂覆辊速比180％、取料辊速比70％、 取料辊与涂覆辊压力2.8KN的工艺将含有氮掺杂改性的二氧化钛可见光响应型光催化粒子的 无机系钝化皮膜涂覆于镀铝钢板1表面。在板温150℃条件下加热5秒，形成附着量为 1400mg/m2的钝化皮膜2。
实施例4
与实施例1基本相同，不同之处在于，在本实施例中，镀铝钢板1的厚度为1.0mm，表面粗糙度Ra为2.5μm。钝化皮膜2的厚度与镀铝钢板1的厚度比值为0.15：1，本实施例镀 铝钢板1的厚度为0.15mm。
如表4所示，钝化皮膜2是由钝化液涂覆到镀铝钢板1表面干燥固化而成，涂覆的钝化 液是由10％的有机成膜物质和90％的无机成膜物质组成。有机成膜物质主要为聚烯蜡乳液； 无机成膜物质包括体积分数为10％的氮掺杂改性的二氧化钛、体积分数为10％的纳米二氧化 硅溶胶、体积分数为12％的氟锆酸、体积分数为2％的成分为磷酸、体积分数为8％的钒酸盐 和体积分数为60％的水。
表4钝化液成分(％)
采用上述的钝化液，利用辊涂机对镀铝钢板1进行环保钝化处理，处理工艺：该镀铝钢 板1上采用立式辊涂的方法，热风干燥温度100℃，以涂覆辊速比150％、取料辊速比80％、 取料辊与涂覆辊压力4.0KN的工艺将含有氮掺杂改性的二氧化钛可见光响应型光催化粒子的 无机系钝化皮膜涂覆于镀铝钢板1表面。在板温100℃条件下加热10秒，形成附着量为 2800mg/m2的钝化皮膜2。
将实施例1中的钝化皮膜2按表5中所示的各种条件改变，与实施例2同样操作而制造 本发明的表面负载有可见光响应型光催化涂层的镀铝钢板1(实施例1～4)及对比例的镀铝 钢板1(对比例1～5)表示于表2。
将按照上述实施例与比较例制造的所有镀铝钢板1(本发明实施例1～4，对比例1～5) 采用下述各种试验，并将结果示于表2。
试验与评价方法：
(1)外观均匀
对所得的镀铝钢板1的外观进行目视评价。
(2)弯曲加工性能
采用GB/T13448-2006中进行“T弯”性能测试，以目视评价在“2T”折弯凸出部位的涂层有 无裂纹。
(3)耐腐蚀性能
采用ASTM B117-07a标准，进行中性盐雾试验，48小时后观察表面腐蚀面积。
(4)耐高温性能测试
在400℃温度条件下加热保温1h后观察表面色泽变化，采用色差仪测量板面色差变化情 况。
(5)NOX消除率测定
采用HORIBA大气污染监测用NOx监测仪APNA-370，测试原料其中氮氧化物浓度C1(10ppm)，在密闭条件下光源采用氙灯，波长范围410nm～2500nm。24小时候测试氮氧化 物NOX浓度C2，消除率按下式计算：
消除率＝(C1-C2)/C1×100％
(6)摩擦系数
采用9505DF1滑度仪测定表面摩擦系数，测量速度5inches/min，负重1kg。
表5本发明实施例与对比例评价结果
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也 只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员 受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结 构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有光催化活性及优异耐高温性能的镀铝钢板，其特征在于：在镀铝钢板(1)的至少一个表面上具有：透明、半透明或彩色的钝化皮膜(2)，其中钝化皮膜(2)含有氮掺杂改性的二氧化钛。
2.根据权利要求1所述的一种具有光催化活性及优异耐高温性能的镀铝钢板，其特征在于：所述镀铝钢板(1)的厚度为0.5～1.0mm，表面粗糙度Ra为0.6～3.0μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有光催化活性及优异耐高温性能的镀铝钢板，其特征在于，所述钝化皮膜(2)是由钝化液涂覆到镀铝钢板(1)表面干燥固化而成。
4.根据权利要求3所述的一种具有光催化活性及优异耐高温性能的镀铝钢板，其特征在于，所述钝化液是由10％～20％的有机成膜物质和80％～90％的无机成膜物质组成。
5.根据权利要求4所述的一种具有光催化活性及优异耐高温性能的镀铝钢板，其特征在于：所述有机成膜物质主要为聚烯蜡乳液；所述无机成膜物质包括体积分数为5％～15％的氮掺杂改性的二氧化钛、体积分数为5％～15％的纳米二氧化硅溶胶、体积分数为5％～15％的氧化锆或氟锆酸、体积分数为1％～10％的成分为磷酸或磷酸盐缓蚀剂、体积分数为1％～10％的钒酸盐，余量为水。
6.根据权利要求5所述的一种具有光催化活性及优异耐高温性能的镀铝钢板，其特征在于：所述钝化皮膜(2)还含有铬酸、三价铬、锆酸盐、钛酸盐、稀土金属盐或这些物质的组合物。
7.根据权利要求3所述的一种具有光催化活性及优异耐高温性能的镀铝钢板，其特征在于：所述涂覆为辊涂、冷空气喷涂或幕帘式淋涂。
8.一种根据权利要求1至6任一项所述的具有光催化活性及优异耐高温性能的镀铝钢板的制造方法，其特征在于：在镀铝钢板上，以涂覆辊速比100％～180％、取料辊速比45％～95％、取料辊与涂覆辊压力1.0KN～4.0KN，将含有氮掺杂改性的二氧化钛钝化皮膜涂覆于镀铝钢板表面，在板温80℃～150℃条件下加热3s～10s，形成附着量为600mg/m2～3000mg/m2的钝化皮膜(2)。
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