CN114433449A - 一种绿色长效光催化负氧离子释放涂层的制备方法及其产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绿色长效光催化负氧离子释放涂层的制备方法,将包括纳米光催化材料、负氧离子释放材料、功能增强材料、改性剂与粘结剂的原料与去离子水混合制备原料分散液,再利用火焰喷涂工艺在基体表面制备光催化负氧离子释放涂层。该制备方法操作简单、工艺流程少、成本低且适合工业化生产。制备得到的光催化负氧离子释放涂层,具有微纳米多孔复合结构,光催化性能良好,释放负氧离子浓度高且持续稳定,涂层力学性能良好。
Description
技术领域
本发明涉及负氧离子发生材料的技术领域,尤其涉及一种绿色长效光催化负氧离子释放涂层的制备方法及其产品。
背景技术
空气中的污染物质的来源主要包括粉尘颗粒、排放的废气以及悬浮微生物等,它们大多数带有正离子,过多的正离子会使人体容易感染呼吸道疾病或诱发各种亚健康状态。19世纪末,德国科学家发现空气中负离子的存在,德国物理学家Philip Leonard进一步证明空气负离子对人体健康具有重要作用。增加空气中的负氧离子数量,可以降解中和空气中的有害气体,消除周围环境所发出的异味,改善了空气质量,促进人体新陈代谢,提高免疫力,调节人体生理机能,负氧离子被誉为“空气维生素”。研究者对空气负离子存在和其作用价值开展了大量的研究。负氧离子即带有一个电子的氧分子,通常情况下,自然界中的空气是由氧、氮、水蒸气、二氧化碳等多种气体组成的混合物,在自然状态下空气分子整体呈中性,不带电荷。但当空气分子受到某些因素的影响作用下,空气分子将失去电子,成为正离子,而那些游离出来的自由电子很快与周围其它分子相撞,形成负离子,如负氧离子O2 -、负氢氧离子OH-、负羟离子H3O2 -等。空气负离子被统称为“负氧离子”。
目前,除自然界通过紫外线、雷电、瀑布、海浪击打等光、静电、机械等作用释放负氧离子外,人工获得负氧离子的常用方法主要有:紫外线照射法、热离子发射法、电晕放电、放射物质辐射法、电荷分离法、高压水喷射法、天然矿物原料释放、负离子激励剂及固态氧化物离子源等。其中,最常用的是天然矿物原料释放,如电气石材料,主要是利用天然矿物原料的自发极化效应对空气中的水进行电离,从而得到负氧离子。或利用天然矿物原料的压电效应和热释电效应,当外界温度、压力变化,矿物原料表面附近出现电场,使周围的空气发生电离而获得负氧离子。天然矿物原料释放负氧离子目前广泛应用于建筑、纺织等方面。如何提高天然矿物原料释放负氧离子的性能,仍是近年来的研究重点,主要包括粉体尺寸超细化、材料复合化、添加稀土材料等等。而负离子激励剂,即光催化技术是产生负氧离子的另一有效途径之一。该技术利用特定波长的光作为反应光源,当使用能量比禁带宽度能量大的光照射到光催化材料时,能量将因为比禁带宽度光电子大而被吸收,并把价带电子激发至导带上,而导带有电子,这样就会在价带的过程中产生空穴。电子具有还原性作用,空穴则具有氧化性作用。空穴获得电子的能力非常强,可把水中的氢氧离子与水分子氧化成有O2 -等负氧离子。此外,研究发现,光催化技术与天然矿物原料协同作用,对于提高整体材料的负氧离子释放具有积极有效的作用。如常用做光催化材料大多数是n型半导体(如TiO2),在光照射下产生的光生电子和光生空穴容易复合,利用天然矿物质如电气石或其他负离子矿物材料的表面电场和远红外线,可有效提高光催化材料产生光生空穴的利用率,利于光催化产生负氧离子数量的增加;纳米光催化材料的光电效应又能有效调节天然矿物原料的电导率,对于提高天然矿物原料的负氧离子释放能力又有很好的促进作用。
目前,针对光催化复合负氧离子释放材料相关的研究主要集中于复合粉末的制备,但纳米功能材料在实际应用中,由于是粉末状颗粒,使用过程中容易发生团聚导致比表面积减小,相关性能降低,此外纳米粉末状使用存在粉末难以回收利用,引起二次环境污染等问题。因此,要真正实现纳米功能材料的应用,需将其制备成涂层或块体形式。目前,纳米功能涂层技术主要有溶胶-凝胶法、自组装、磁控溅射、热喷涂等。传统制备方法或工艺复杂、设备昂贵,或生产成本较高、不宜工业化,或残余气体有毒有害,或薄膜面积小、不宜大规模成膜,或纳米功能涂层复合困难等。因此,亟需开发一种新型的低成本、高质量、大面积、适合工业化生产的涂层技术。液料火焰喷涂是采用液体前驱体/混合悬浮液直接制备纳米涂层的一种新方法,克服了常规热喷涂纳米粉末输送困难不易成膜等问题,但目前尚未有采用火焰喷涂工艺制备光催化负氧离子释放涂层的报道。
发明内容
针对上述问题,本发明公开了一种光催化负氧离子释放涂层的制备方法,操作简单、工艺流程少、成本低且适合工业化生产。制备得到的光催化负氧离子释放涂层,具有微纳米多孔复合结构,光催化性能良好,释放负氧离子持续稳定,涂层力学性能良好。
具体技术方案如下:
一种绿色长效光催化负氧离子释放涂层的制备方法,将包括纳米光催化材料、负氧离子释放材料、功能增强材料、改性剂与粘结剂的原料与去离子水混合制备原料分散液,再利用火焰喷涂工艺在基体表面制备所述的光催化负氧离子释放涂层。
所述纳米光催化材料选自纳米TiO2、纳米ZnO、纳米Cu2O、纳米WO3中的一种或多种。
优选的:
所述纳米TiO2的粒径为10~25nm,所述纳米ZnO的粒径为10~50nm,所述纳米Cu2O的粒径为10~50nm,所述纳米WO3的粒径为20~100nm。
所述负氧离子释放材料选自电气石、奇才石、海藻炭中的一种或多种;
优选的,所述负氧离子释放材料的平均粒径为5~20μm。
经试验发现,将所述纳米光催化材料与所述负氧离子释放材料复合使用,可以实现有效协同,促进负氧离子的释放。
所述功能增强材料选自纳米贵金属材料和/或稀土氧化物材料;
所述纳米贵金属材料选自纳米铂(Pt)、纳米金(Au)、纳米银(Ag)中的一种或多种;优选的,平均粒径为1~5nm;
所述稀土氧化物材料选自氧化铈(CeO2)和/或氧化镧(La2O3),优选的,平均粒径为1~5nm。
经试验发现,功能增强材料的加入,利于增强光催化材料活性及负氧离子释放材料的活性,最终促进复合涂层体系的负氧离子释放量。
所述改性剂选自聚乙二醇、聚甲基丙烯酸铵或聚丙烯酸铵中的一种或多种;改性剂的加入,利于各组分在去离子水中的表面润湿性,使得原料分散液中各个组分在体系中的稳定分散。
所述粘结剂选自纳米铜、纳米锌、纳米锡中的一种或多种,优选的,粒径选自5~20nm。
粘结剂的加入,利于原料分散液中固相成分在经过火焰热喷涂过程后,相互之间实现有效的粘结,最终使涂层具有良好的力学强度;而且,粘结剂经热喷涂过程中生成的金属氧化物(如纳米氧化锌、纳米氧化亚铜、纳米氧化锡),还能起到促进复合涂层光催化性能的作用。
更为重要的是,经试验还进一步发现,粘结剂生成产物也能有效提高负氧离子释放材料的负氧离子释放性能。
进一步优选:
所述纳米光催化材料包括纳米TiO2,和可选择性加入的纳米ZnO、纳米Cu2O、纳米WO3中的一种或多种;
所述纳米TiO2与可选择性加入的纳米ZnO、纳米Cu2O、纳米WO3中的一种或多种的质量比为1:(0~0.5)。
经试验发现,纳米TiO2基光催化材料具有更佳的光催化性能,有利于与负氧离子释放材料的协同作用,负氧离子释放量更多、更持久。
再优选:
所述纳米TiO2由质量比为1:4的金红石相TiO2与锐钛矿相TiO2复合而成;
所述纳米TiO2与纳米ZnO、纳米Cu2O、纳米WO3中的一种或多种的质量比为1:(0.1~0.25)。
所述功能增强材料选自氧化铈;
所述粘结剂选自纳米锡。
经试验发现,采用上述进一步优选的原料组成制备得到的涂层,负氧离子释放量更高。
所述的绿色长效光催化负氧离子释放涂层的制备方法,具体包括:
(1)原料分散液的制备:将各原料与去离子水混合,形成悬浮液,再利用超声波细胞破碎机对所述悬浮液进行高频超声,形成稳定态的乳化状原料分散液;
(2)基体预处理:对基体材料表面进行除油处理;
(3)涂层制备:利用火焰热喷涂工艺,在预处理的基体表面制备得到所述光催化负氧离子释放涂层。
优选的:
步骤(1)中,所述高频超声,频率为20~25KHz,功率为500~750W,时间为30~120min,温度为10~25℃。
步骤(2)中,所述基体材料选自玻璃、有机玻璃、陶瓷、铝及其合金或不锈钢。
步骤(3)中,所述火焰热喷涂工艺,工艺参数为:
助燃气为O2,压力为0.15~0.6MPa,流量为1~10Nm3/h;燃气为C2H2,压力为0.05~0.3MPa,流量为1~5Nm3/h;辅助气为压缩空气,压力为0.3~1MPa;喷涂距离为200~350mm;喷涂送料速度30~120g/min,喷枪速度为50~400mm/s,涂层喷涂遍数为5~20遍。
对于火焰喷涂工艺,原料分散液的稳定性对涂层性能起着至关重要的作用,有效实现纳米光催化材料与负氧离子释放材料的协同促进作用是本发明高效产生负氧离子的关键。在最终涂层体系中,纳米光催化材料复合微米尺寸的负氧离子发生材料,构筑微纳米复合结构有利于涂层更好的利用光催化性能促进负氧离子发生材料的功能,实现两者协同。因此,在悬浮液体系中,两者占比存在优化区间。对于悬浮液体系而言,实现这些固相成分的均匀复合,避免悬浮液中各项组分的团聚、分层、沉淀等(如纳米光催化粉末的团聚、负氧离子释放材料的分层),或者悬浮液体系中固含量过高,导致粘结剂的粘结作用降低,存在涂层力学性能差、掉粉等问题。因此,要合理调控涂层中各组分种类及占比,实现各组分功能,促进其协同作用,使涂层兼具优异释放负氧离子功能和良好力学性能。
优选的:
在上述原料的基础上,以质量百分比计,所述原料分散液中各原料的组成包括:
再优选:
以质量百分比计,所述原料分散液中各原料的组成包括:
本发明还公开了根据上述方法制备的绿色长效光催化负氧离子释放涂层,所述光催化负氧离子释放涂层具有微纳米多孔复合结构。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明的制备方法一步成型,克服常规纳米粉末流动性差不易直接喷涂的问题,最大程度的保持了原始纳米粉末材料的功能特性,避免了涂层产品光催化活性或负氧离子释放能力减弱的问题。
(2)本发明的方法制备的涂层具备微纳米多孔复合结构,比表面积大,利于发挥光催化性能,也利于负氧离子释放材料发挥自身极化作用,有效实现光催化及负氧离子释放材料的协同作用,长效、强效的产生负氧离子;
(3)本发明提供的一种绿色长效光催化负氧离子释放涂层及其制备方法工艺可靠、操作简单、成本低廉、生产过程环保等优点,在空气净化等领域具有良好的应用价值和市场前景。
附图说明
图1为本发明公开的光催化负氧离子释放涂层的工艺流程图;
图2为实施例1制备的涂层表面扫描电子显微镜照片;
图3为实施例1制备涂层的光催化降解亚甲基蓝曲线,并给出对比例1与对比例2分别制备的涂层以及空白组作为对比;
图4为实施例1制备涂层的负氧离子浓度曲线,并给出对比例1与对比例2分别制备的涂层作为对比。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换,而未脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的保护范围内。
实施例1
本实施例中,选择基体材料为有机玻璃,在该基体上涂层的具体制备流程如下:
(1)向100mL去离子水中加入2.5g纳米铜,5gTiO2,1gZnO,1g电气石,0.08gCeO2,0.05g聚乙二醇,高频超声120min,得到稳定态的乳化状原料分散液,其中纳米铜颗粒尺寸5~10nm,TiO2颗粒尺寸为10~25nm,金红石相:锐钛矿相比例为1:4,ZnO颗粒尺寸为10~25nm,电气石颗粒尺寸为5~10μm,CeO2颗粒尺寸为2~3nm,高频超声仪频率20KHz,功率750W,悬浮液温度保持在25℃;
(2)将基体依次用酒精清洗数次去除油污;
(3)涂层制备:以步骤(1)制备的原料分散液为原料,利用火焰热喷涂工艺,在预处理的基体表面制备一层厚度约为40μm的涂层。其中,助燃气为O2,压力为0.6MPa,流量为5Nm3/h;燃气为C2H2,压力为0.1MPa,流量为5Nm3/h;辅助气为压缩空气,压力为0.6MPa;喷涂距离为200mm;喷涂送料速度50g/min,喷枪速度为300mm/s,涂层喷涂遍数为5遍。
对上述制备的涂层进行如下性能检测:
(1)涂层表面形貌:利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)检测涂层表面微观形貌。结果表明,本实施例制备的复合涂层具有多孔微纳米复合形貌,比表面积很大,利于发挥涂层光催化性能以及负氧离子释放性能,如图2所示。
(2)光催化性能(光催化降解亚甲基蓝实验):将本实施例制备的涂层(尺寸为3cm*3cm*2cm,表面涂层厚度约为40μm)置于亚甲基蓝溶液中,通过测定紫外光照射不同时间下的亚甲基蓝溶液吸光度,评价涂层光催化降解性能,其中,亚甲基蓝溶液30mL,浓度5ppm,紫外灯管功率15W,与样品距离15cm,紫外光波长365nm。结果表明,相比于对比例涂层,本实施例制备的涂层经过5.5h光照催化后,对有机污染物的降解率可达93.7%,显示出良好的光催化性能,如图3所示。
(3)负氧离子释放性能:将本实施例制备的涂层样品(尺寸为15cm*9cm*2cm,表面涂层厚度约为40μm)放置于1m3负氧离子测试仓内,利用负氧离子检测仪对密闭仓内的负氧离子进行检测,分辨率为10个/cm3。其中,将紫外灯安置于测试仓顶部以模拟紫外光(波长365nm,光强1.5mW·cm-2)。初始时,负氧离子检测仪归零,保证测试前数值5秒不变;测试开始后,将紫外灯打开照射样品,紫外光照射释放负氧离子的试验持续30min,每隔5min记录一次装置内负氧离子检测仪的数值。结果表明,相比于对比例涂层,本实施例制备的涂层在紫外光照射一段时间后,负氧离子浓度显著提高,在60min的紫外光照射后,负氧离子浓度可达2000个/cm3。世界卫生组织当空气中负氧离子浓度达到1000~1500个/cm3以上时,空气被认为是新鲜空气,因此本实施例制备的涂层在紫外光照射后产生的负氧离子浓度达到了该标准,显示出良好的负氧离子释放性能,如图4所示。
(4)涂层与基体结合力测试:参考标准《GBT9286-1998色漆和清漆的划痕试验》,利用百格测试仪对涂层进行划格,利用3M600胶带黏附于百格中,并快速拉起3M胶带,观察涂层脱落数量,表征涂层结合力。实验结果表明,实施例1制备的涂层被胶带黏起的数量依照百格的百分比≤5%,具有良好的涂层结合力。
实施例2
本实施例中,选择基体材料为玻璃,该基体上涂层的具体制备流程如下:
(1)向100mL去离子水中容器中加入2g纳米锌,8gTiO2,2gZnO,2g电气石,0.1gCeO2,0.08g聚乙二醇,高频超声120min,得到原料分散液,其中纳米锌颗粒尺寸为5~20nm,TiO2颗粒尺寸为10~25nm,金红石相:锐钛矿相比例为1:4,ZnO颗粒尺寸为10~25nm,电气石颗粒尺寸为5~10μm,CeO2颗粒尺寸为2~3nm,高频超声仪频率25KHz,功率750W,悬浮液温度保持在25℃;
(2)将基体依次用酒精、丙酮清洗数次去除油污;
(3)涂层制备:以步骤(1)制备的原料分散液为原料,利用气雾喷涂方式,在预处理的基体表面制备一层涂层,并热处理固化。其中,助燃气为O2,压力为0.5MPa,流量为4Nm3/h;燃气为C2H2,压力为0.05MPa,流量为4Nm3/h;辅助气为压缩空气,压力为0.6MPa;喷涂距离为250mm;喷涂送料速度80g/min,喷枪速度为300mm/s,涂层喷涂遍数为5遍。
对上述制备的涂层进行如下性能检测:
(1)涂层表面形貌:利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)检测涂层表面微观形貌。结果表明,本实施例制备的复合涂层具有多孔微纳米复合形貌,比表面积很大,利于发挥涂层光催化性能以及负氧离子释放性能。
(2)光催化性能(光催化降解亚甲基蓝实验):将本实施例制备的涂层(尺寸为3cm*3cm*2cm,表面涂层厚度约为40μm)置于亚甲基蓝溶液中,通过测定紫外光照射不同时间下的亚甲基蓝溶液吸光度,评价涂层光催化降解性能,其中,亚甲基蓝溶液30mL,浓度5ppm,紫外灯管功率15W,与样品距离15cm,紫外光波长365nm。结果表明,相比于对比例涂层,本实施例制备的涂层经过5.5h光照催化后,对有机污染物的降解率可达91.4%,显示出良好的光催化性能。
(3)负氧离子释放性能:将本实施例制备的涂层样品(尺寸为15cm*9cm*2cm,表面涂层厚度约为40μm)放置于1m3负氧离子测试仓内,利用负氧离子检测仪对密闭仓内的负氧离子进行检测。其中,将紫外灯安置于测试仓顶部以模拟紫外光(波长365nm,光强1.5mW·cm-2)。初始时,负氧离子检测仪归零,保证测试前数值5秒不变;测试开始后,将紫外灯打开照射样品,紫外光照射释放负氧离子的试验持续30min,每隔5min记录一次装置内负氧离子检测仪的数值。结果表明,相比于对比例涂层,本实施例制备的涂层在紫外光照射一段时间后,负氧离子浓度显著提高,在60min的紫外光照射后,负氧离子浓度可达2300个/cm3。世界卫生组织当空气中负氧离子浓度达到1000~1500个/cm3以上时,空气被认为是新鲜空气,因此本实施例制备的涂层在紫外光照射后产生的负氧离子浓度达到了该标准,显示出良好的负氧离子释放性能。
(4)涂层与基体结合力测试:参考标准《GBT9286-1998色漆和清漆的划痕试验》,利用百格测试仪对涂层进行划格,利用3M600胶带黏附于百格中,并快速拉起3M胶带,观察涂层脱落数量,表征涂层结合力。实验结果表明,本实施例制备的涂层被胶带黏起的数量依照百格的百分比≤5%,具有良好的涂层结合力。
实施例3
本实施例中,选择基体材料为铝合金,该基体上涂层的具体制备流程如下:
(1)向100mL去离子水中加入2g纳米铜,1g纳米锌,5gTiO2,0.5gCu2O,1.5g海藻炭,0.08g CeO2,0.05g聚乙二醇,高频超声120min,得到原料分散液,其中纳米铜、纳米锌颗粒尺寸为5~20nm,TiO2颗粒尺寸为10~25nm,金红石相:锐钛矿相比例为1:4,Cu2O颗粒尺寸为10~50nm,海藻炭颗粒尺寸为1~5μm,CeO2颗粒尺寸为2~5nm,高频超声仪频率20KHz,功率500W,悬浮液温度保持在25℃;
(2)将基体依次用酒精清洗数次去除油污;
(3)采用涂层制备:以步骤(1)制备的原料分散液为原料,利用气雾喷涂方式,在预处理的基体表面制备一层涂层,并烘干固化。其中,助燃气为O2,压力为0.6MPa,流量为5Nm3/h;燃气为C2H2,压力为0.1MPa,流量为5Nm3/h;辅助气为压缩空气,压力为0.6MPa;喷涂距离为200mm;喷涂送料速度50g/min,喷枪速度为300mm/s,涂层喷涂遍数为5遍。
对上述制备的涂层进行如下性能检测:
(1)涂层表面形貌:利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)检测涂层表面微观形貌。结果表明,本实施例制备的复合涂层具有多孔微纳米复合形貌,比表面积很大,利于发挥涂层光催化性能以及负氧离子释放性能。
(2)光催化性能(光催化降解亚甲基蓝实验):将本实施例制备的涂层(尺寸为3cm*3cm*2cm,表面涂层厚度约为40μm)置于亚甲基蓝溶液中,通过测定紫外光照射不同时间下的亚甲基蓝溶液吸光度,评价涂层光催化降解性能,其中,亚甲基蓝溶液30mL,浓度5ppm,紫外灯管功率15W,与样品距离15cm,紫外光波长365nm。结果表明,相比于对比例涂层,本实施例制备的涂层经过5.5h光照催化后,对有机污染物的降解率可达93.8%以上,显示出良好的光催化性能。
(3)负氧离子释放性能:将本实施例制备的涂层样品(尺寸为15cm*9cm*2cm,表面涂层厚度约为40μm)放置于1m3负氧离子测试仓内,利用负氧离子检测仪对密闭仓内的负氧离子进行检测,分辨率为10个/cm3。其中,将紫外灯安置于测试仓顶部以模拟紫外光(波长365nm,光强1.5mW·cm-2)。初始时,负氧离子检测仪归零,保证测试前数值5秒不变;测试开始后,将紫外灯打开照射样品,紫外光照射释放负氧离子的试验持续30min,每隔5min记录一次装置内负氧离子检测仪的数值。结果表明,相比于对比例涂层,本实施例制备的涂层在紫外光照射一段时间后,负氧离子浓度显著提高,在60min的紫外光照射后,负氧离子浓度可达1950个/cm3。世界卫生组织当空气中负氧离子浓度达到1000~1500个/cm3以上时,空气被认为是新鲜空气,因此本实施例制备的涂层在紫外光照射后产生的负氧离子浓度达到了该标准,显示出良好的负氧离子释放性能。
(4)涂层与基体结合力测试:参考标准《GBT9286-1998色漆和清漆的划痕试验》,利用百格测试仪对涂层进行划格,利用3M600胶带黏附于百格中,并快速拉起3M胶带,观察涂层脱落数量,表征涂层结合力。实验结果表明,本实施例制备的涂层被胶带黏起的数量依照百格的百分比≤5%,具有良好的涂层结合力。
实施例4
本实施例中涂层的制备工艺与实施例1中基本相同,区别仅在于将纳米铜替换为等质量的纳米锡(5~20nm)。
对上述制备的涂层进行如下性能检测:
(1)涂层表面形貌:利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)检测涂层表面微观形貌。结果表明,本实施例制备的复合涂层具有多孔微纳米复合形貌,比表面积很大,利于发挥涂层光催化性能以及负氧离子释放性能。
(2)光催化性能(光催化降解亚甲基蓝实验):将本实施例制备的涂层(尺寸为3cm*3cm*2cm,表面涂层厚度约为40μm)置于亚甲基蓝溶液中,通过测定紫外光照射不同时间下的亚甲基蓝溶液吸光度,评价涂层光催化降解性能,其中,亚甲基蓝溶液30mL,浓度5ppm,紫外灯管功率15W,与样品距离15cm,紫外光波长365nm。结果表明,相比于对比例涂层,本实施例制备的涂层经过5.5h光照催化后,对有机污染物的降解率可达94.6%以上,显示出良好的光催化性能。
(3)负氧离子释放性能:将本实施例制备的涂层样品(尺寸为15cm*9cm*2cm,表面涂层厚度约为40μm)放置于1m3负氧离子测试仓内,利用负氧离子检测仪对密闭仓内的负氧离子进行检测。其中,将紫外灯安置于测试仓顶部以模拟紫外光(波长365nm,光强1.5mW·cm-2)。初始时,负氧离子检测仪归零,保证测试前数值5秒不变;测试开始后,将紫外灯打开照射样品,紫外光照射释放负氧离子的试验持续30min,每隔5min记录一次装置内负氧离子检测仪的数值。结果表明,相比于对比例涂层,本实施例制备的涂层在紫外光照射一段时间后,负氧离子浓度显著提高,在60min的紫外光照射后,负氧离子浓度可达2320个/cm3。世界卫生组织当空气中负氧离子浓度达到1000~1500个/cm3以上时,空气被认为是新鲜空气,因此本实施例制备的涂层在紫外光照射后产生的负氧离子浓度达到了该标准,显示出良好的负氧离子释放性能。
(4)涂层与基体结合力测试:参考标准《GBT9286-1998色漆和清漆的划痕试验》,利用百格测试仪对涂层进行划格,利用3M600胶带黏附于百格中,并快速拉起3M胶带,观察涂层脱落数量,表征涂层结合力。实验结果表明,本实施例制备的涂层被胶带黏起的数量依照百格的百分比≤5%,具有良好的涂层结合力。
实施例5
本实施例的制备工艺与实施例2基本相同,区别仅在于本实施例的基体为不锈钢,添加负氧离子发生材料为2g奇才石。
对上述制备的涂层进行如下性能检测:
(1)涂层表面形貌:利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)检测涂层表面微观形貌。结果表明,本实施例制备的复合涂层具有多孔微纳米复合形貌,比表面积很大,利于发挥涂层光催化性能以及负氧离子释放性能。
(2)光催化性能(光催化降解亚甲基蓝实验):将本实施例制备的涂层(尺寸为3cm*3cm*2cm,表面涂层厚度约为40μm)置于亚甲基蓝溶液中,通过测定紫外光照射不同时间下的亚甲基蓝溶液吸光度,评价涂层光催化降解性能,其中,亚甲基蓝溶液30mL,浓度5ppm,紫外灯管功率15W,与样品距离15cm,紫外光波长365nm。结果表明,相比于对比例涂层,本实施例制备的涂层经过5.5h光照催化后,对有机污染物的降解率可达90.1%,显示出良好的光催化性能。
(3)负氧离子释放性能:将本实施例制备的涂层样品(尺寸为15cm*9cm*2cm,表面涂层厚度约为40μm)放置于1m3负氧离子测试仓内,利用负氧离子检测仪对密闭仓内的负氧离子进行检测。其中,将紫外灯安置于测试仓顶部以模拟紫外光(波长365nm,光强1.5mW·cm-2)。初始时,负氧离子检测仪归零,保证测试前数值5秒不变;测试开始后,将紫外灯打开照射样品,紫外光照射释放负氧离子的试验持续30min,每隔5min记录一次装置内负氧离子检测仪的数值。结果表明,相比于对比例涂层,本实施例制备的涂层在紫外光照射一段时间后,负氧离子浓度显著提高,在60min的紫外光照射后,负氧离子浓度可达1900个/cm3。世界卫生组织当空气中负氧离子浓度达到1000~1500个/cm3以上时,空气被认为是新鲜空气,因此实施例5涂层在紫外光照射后产生的负氧离子浓度达到了该标准,显示出良好的负氧离子释放性能。
(4)涂层与基体结合力测试:参考标准《GBT9286-1998色漆和清漆的划痕试验》,利用百格测试仪对涂层进行划格,利用3M600胶带黏附于百格中,并快速拉起3M胶带,观察涂层脱落数量,表征涂层结合力。实验结果表明,本实施例制备的被胶带黏起的数量依照百格的百分比≤5%,具有良好的涂层结合力。
实施例6
本实施例中,选择基体材料为有机玻璃,在该基体上涂层的具体制备流程如下:
(1)向100mL去离子水中加入0.5g纳米铜,1gTiO2,0.3g电气石,0.012gCeO2,0.01g聚乙二醇,高频超声120min,得到稳定态的乳化状原料分散液,其中纳米铜颗粒尺寸5~10nm,TiO2颗粒尺寸为10~25nm,金红石相:锐钛矿相比例为1:4,电气石颗粒尺寸为5~10μm,CeO2颗粒尺寸为2~3nm,高频超声仪频率20KHz,功率750W,悬浮液温度保持在25℃;
(2)将基体依次用酒精清洗数次去除油污;
(3)涂层制备:以步骤(1)制备的原料分散液为原料,利用火焰热喷涂工艺,在预处理的基体表面制备一层厚度约为40μm的涂层。其中,助燃气为O2,压力为0.6MPa,流量为5Nm3/h;燃气为C2H2,压力为0.1MPa,流量为5Nm3/h;辅助气为压缩空气,压力为0.6MPa;喷涂距离为200mm;喷涂送料速度80g/min,喷枪速度为250mm/s,涂层喷涂遍数为20遍。
对上述制备的涂层进行如下性能检测:
(1)涂层表面形貌:利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)检测涂层表面微观形貌。结果表明,本实施例制备的复合涂层具有多孔微纳米复合形貌,比表面积很大,利于发挥涂层光催化性能以及负氧离子释放性能,如图2所示。
(2)光催化性能(光催化降解亚甲基蓝实验):将本实施例制备的涂层(尺寸为3cm*3cm*2cm,表面涂层厚度约为40μm)置于亚甲基蓝溶液中,通过测定紫外光照射不同时间下的亚甲基蓝溶液吸光度,评价涂层光催化降解性能,其中,亚甲基蓝溶液30mL,浓度5ppm,紫外灯管功率15W,与样品距离15cm,紫外光波长365nm。结果表明,相比于对比例涂层,本实施例制备的涂层经过5.5h光照催化后,对有机污染物的降解率可达92.2%,显示出良好的光催化性能。
(3)负氧离子释放性能:将本实施例制备的涂层样品(尺寸为15cm*9cm*2cm,表面涂层厚度约为40μm)放置于1m3负氧离子测试仓内,利用负氧离子检测仪对密闭仓内的负氧离子进行检测,分辨率为10个/cm3。其中,将紫外灯安置于测试仓顶部以模拟紫外光(波长365nm,光强1.5mW·cm-2)。初始时,负氧离子检测仪归零,保证测试前数值5秒不变;测试开始后,将紫外灯打开照射样品,紫外光照射释放负氧离子的试验持续30min,每隔5min记录一次装置内负氧离子检测仪的数值。结果表明,相比于对比例涂层,本实施例制备的涂层在紫外光照射一段时间后,负氧离子浓度显著提高,在60min的紫外光照射后,负氧离子浓度可达1950个/cm3。世界卫生组织当空气中负氧离子浓度达到1000~1500个/cm3以上时,空气被认为是新鲜空气,因此本实施例制备的涂层在紫外光照射后产生的负氧离子浓度达到了该标准,显示出良好的负氧离子释放性能。
(4)涂层与基体结合力测试:参考标准《GBT9286-1998色漆和清漆的划痕试验》,利用百格测试仪对涂层进行划格,利用3M600胶带黏附于百格中,并快速拉起3M胶带,观察涂层脱落数量,表征涂层结合力。实验结果表明,实施例6制备的涂层被胶带黏起的数量依照百格的百分比≤5%,具有良好的涂层结合力。
实施例7
本实施例的制备工艺与实施例1基本相同,区别仅在于本实施例中添加的TiO2的相组分,金红石相:锐钛矿相比例为1:1,颗粒尺寸为10~25nm。
对上述制备的涂层进行如下性能检测:
(1)涂层表面形貌:利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)检测涂层表面微观形貌。结果表明,本实施例制备的复合涂层具有多孔微纳米复合形貌,比表面积很大,利于发挥涂层光催化性能以及负氧离子释放性能。
(2)光催化性能(光催化降解亚甲基蓝实验):将本实施例制备的涂层(尺寸为3cm*3cm*2cm,表面涂层厚度约为40μm)置于亚甲基蓝溶液中,通过测定紫外光照射不同时间下的亚甲基蓝溶液吸光度,评价涂层光催化降解性能,其中,亚甲基蓝溶液30mL,浓度5ppm,紫外灯管功率15W,与样品距离15cm,紫外光波长365nm。结果表明,相比于对比例涂层,本实施例制备的涂层经过5.5h光照催化后,对有机污染物的降解率为90.7%,光催化性能良好。
(3)负氧离子释放性能:将本实施例制备的涂层样品(尺寸为15cm*9cm*2cm,表面涂层厚度约为40μm)放置于1m3负氧离子测试仓内,利用负氧离子检测仪对密闭仓内的负氧离子进行检测。其中,将紫外灯安置于测试仓顶部以模拟紫外光(波长365nm,光强1.5mW·cm-2)。初始时,负氧离子检测仪归零,保证测试前数值5秒不变;测试开始后,将紫外灯打开照射样品,紫外光照射释放负氧离子的试验持续30min,每隔5min记录一次装置内负氧离子检测仪的数值。结果表明,相比于对比例涂层,本实施例制备的涂层在紫外光照射一段时间后,负氧离子浓度显著提高,在60min的紫外光照射后,负氧离子浓度可达1900个/cm3,负氧离子释放性能良好。
(4)涂层与基体结合力测试:参考标准《GBT9286-1998色漆和清漆的划痕试验》,利用百格测试仪对涂层进行划格,利用3M600胶带黏附于百格中,并快速拉起3M胶带,观察涂层脱落数量,表征涂层结合力。实验结果表明,本实施例制备的被胶带黏起的数量依照百格的百分比≤5%,具有良好的涂层结合力。
实施例8
本实施例的制备工艺与实施例1基本相同,区别仅在于将0.08gCeO2替换为等质量的La2O3,平均粒径为1~5nm。
对上述制备的涂层进行如下性能检测:
(1)涂层表面形貌:利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)检测涂层表面微观形貌。结果表明,本实施例制备的复合涂层具有多孔微纳米复合形貌,比表面积很大,利于发挥涂层光催化性能以及负氧离子释放性能。
(2)光催化性能(光催化降解亚甲基蓝实验):将本实施例制备的涂层(尺寸为3cm*3cm*2cm,表面涂层厚度约为40μm)置于亚甲基蓝溶液中,通过测定紫外光照射不同时间下的亚甲基蓝溶液吸光度,评价涂层光催化降解性能,其中,亚甲基蓝溶液30mL,浓度5ppm,紫外灯管功率15W,与样品距离15cm,紫外光波长365nm。结果表明,相比于对比例涂层,本实施例制备的涂层经过5.5h光照催化后,对有机污染物的降解率为91.1%,光催化性能良好。
(3)负氧离子释放性能:将本实施例制备的涂层样品(尺寸为15cm*9cm*2cm,表面涂层厚度约为40μm)放置于1m3负氧离子测试仓内,利用负氧离子检测仪对密闭仓内的负氧离子进行检测。其中,将紫外灯安置于测试仓顶部以模拟紫外光(波长365nm,光强1.5mW·cm-2)。初始时,负氧离子检测仪归零,保证测试前数值5秒不变;测试开始后,将紫外灯打开照射样品,紫外光照射释放负氧离子的试验持续30min,每隔5min记录一次装置内负氧离子检测仪的数值。结果表明,相比于对比例涂层,本实施例制备的涂层在紫外光照射一段时间后,负氧离子浓度显著提高,在60min的紫外光照射后,负氧离子浓度可达1940个/cm3,负氧离子释放性能良好。
(4)涂层与基体结合力测试:参考标准《GBT9286-1998色漆和清漆的划痕试验》,利用百格测试仪对涂层进行划格,利用3M600胶带黏附于百格中,并快速拉起3M胶带,观察涂层脱落数量,表征涂层结合力。实验结果表明,本实施例制备的被胶带黏起的数量依照百格的百分比≤5%,具有良好的涂层结合力。
对比例1
本对比例的制备工艺与实施例1基本相同,区别仅在于本对比例中加入纳米铜5g。
相关性能检测结果表明,涂层内部颗粒间结合力良好,但过量纳米铜的加入,使得涂层多孔结构遭到破坏,涂层中纳米功能材料的性能无法充分实现,尤其是光催化性能大幅度抑制,涂层经过5.5h光照催化后,对有机污染物的降解率仅45%,同时负氧离子释放量仅800个/cm3,不适合实际应用。
对比例2
本对比例的制备工艺与实施例1基本相同,区别仅在于本对比例中未添加纳米光催化材料。
相关性能检测结果表明,涂层结合力良好,但由于未添加纳米光催化材料,涂层经过5.5h光照催化后,对有机污染物的降解率仅10%,负氧离子释放量也仅920个/cm3,不适合实际应用。
对比例3
本对比例的制备工艺与实施例1基本相同,区别仅在于本对比例中加入的粘结剂纳米铜仅为0.4g。
相关性能检测结果表明,该涂层具有良好的光催化性能和负氧离子释放性能,但涂层内部颗粒间结合力弱,光催化性能测试过程中,可在亚甲基蓝溶液中看到大量剥落的粉末,无法正常体现测试涂层的光催化性能,百格测试中涂层脱落面积大于50%,涂层结合力差,不适合实际应用。
对比例4
本对比例的制备工艺与实施例1基本相同,区别仅在于本对比例中未添加改性剂。
试验结果表明,未添加改性剂,悬浮液体系中各组分无法得到充分润湿,无法在去离子水中均匀分散,组分上下分层严重,无法作为火焰热喷涂的原料分散液进行正常涂层制备,不适合实际应用。
对比例5
本对比例的制备工艺与实施例1基本相同,区别仅在于本对比例中加入的纳米光催化材料中,TiO2增加至15g。
试验结果表明,悬浮液体系主要固含量TiO2过大,严重降低体系中其他组分的作用,尤其是粘结剂的作用,喷涂制备的涂层粉末化严重,百格测试中涂层脱落面积大于50%,涂层结合力差,不适合实际应用。
对比例6
本对比例的制备工艺与实施例4基本相同,区别仅在于本对比例中不添加功能增强材料。
相关性能检测结果表明,该涂层具有多孔微纳米复合形貌,涂层结合力良好,但其光催化性能和负氧离子释放性能较差,涂层经过5.5h光照催化后,对有机污染物的降解率仅70.8%,同时负氧离子释放量仅980个/cm3,不适合实际应用。
对比例7
本对比例的制备工艺与实施例4基本相同,区别仅在于将本对比例中粘结剂替换为等质量的纳米铝,颗粒尺寸为5~20nm。
相关性能检测结果表明,涂层内部颗粒间结合力良好,但涂层光催化性能及负氧离子释放性能相较于实施例4下降显著,涂层经过5.5h光照催化后,对有机污染物的降解率为87.4%,负氧离子浓度为1800个/cm3。
以上所述仅为本发明的若干个具体实施方式,应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,还可以做出许多变型和改进,所有未超出权利要求所述的变型或改进均应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种绿色长效光催化负氧离子释放涂层的制备方法,其特征在于,将包括纳米光催化材料、负氧离子释放材料、功能增强材料、改性剂与粘结剂的原料与去离子水混合制备原料分散液,再利用火焰喷涂工艺在基体表面制备所述的光催化负氧离子释放涂层。
2.根据权利要求1所述的绿色长效光催化负氧离子释放涂层的制备方法,其特征在于:
所述纳米光催化材料选自纳米TiO2、纳米ZnO、纳米Cu2O、纳米WO3中的一种或多种;
所述负氧离子释放材料选自电气石、奇才石、海藻炭中的一种或多种;
所述功能增强材料选自纳米贵金属材料和/或稀土氧化物材料;
所述纳米贵金属材料选自纳米铂、纳米金、纳米银中的一种或多种;
所述稀土氧化物材料选自氧化铈和/或氧化镧;
所述改性剂选自聚乙二醇、聚甲基丙烯酸铵或聚丙烯酸铵中的一种或多种;
所述粘结剂选自纳米铜、纳米锌、纳米锡中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的绿色长效光催化负氧离子释放涂层的制备方法,其特征在于:
所述纳米光催化材料包括纳米TiO2,和可选择性加入的纳米ZnO、纳米Cu2O、纳米WO3中的一种或多种;
所述纳米TiO2与可选择性加入的纳米ZnO、纳米Cu2O、纳米WO3中的一种或多种的质量比为1:(0~0.5)。
4.根据权利要求3所述的绿色长效光催化负氧离子释放涂层的制备方法,其特征在于:
所述纳米TiO2由质量比为1:4的金红石相TiO2与锐钛矿相TiO2复合而成;
所述纳米TiO2与纳米ZnO、纳米Cu2O、纳米WO3中的一种或多种的质量比为1:(0.1~0.25)。
5.根据权利要求2所述的绿色长效光催化负氧离子释放涂层的制备方法,其特征在于:
所述功能增强材料选自氧化铈;
所述粘结剂选自纳米锡。
7.根据权利要求1~6任一项所述的绿色长效光催化负氧离子释放涂层的制备方法,其特征在于,具体包括:
(1)原料分散液的制备:将各原料与去离子水混合,形成悬浮液,再利用超声波细胞破碎机对所述悬浮液进行高频超声,形成稳定态的乳化状原料分散液;
(2)基体预处理:对基体材料表面进行除油处理;
(3)涂层制备:利用火焰热喷涂工艺,在预处理的基体表面制备得到所述光催化负氧离子释放涂层。
8.根据权利要求7所述的绿色长效光催化负氧离子释放涂层的制备方法,其特征在于:
步骤(1)中,所述高频超声,频率为20~25KHz,功率为500~750W,时间为30~120min,温度为10~25℃;
步骤(2)中,所述基体材料选自玻璃、有机玻璃、陶瓷、铝及其合金或不锈钢。
9.根据权利要求7所述的绿色长效光催化负氧离子释放涂层的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述火焰热喷涂工艺,工艺参数为:
助燃气为O2,压力为0.15~0.6MPa,流量为1~10Nm3/h;燃气为C2H2,压力为0.05~0.3MPa,流量为1~5Nm3/h;辅助气为压缩空气,压力为0.3~1MPa;喷涂距离为200~350mm;喷涂送料速度30~120g/min,喷枪速度为50~400mm/s,涂层喷涂遍数为5~20遍。
10.一种根据权利要求1~9任一项所述的方法制备的绿色长效光催化负氧离子释放涂层,其特征在于,所述光催化负氧离子释放涂层具有微纳米多孔复合结构。
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