CN114456627B - 一种水泥基自清洁涂料及其制备方法 - Google Patents

一种水泥基自清洁涂料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及建筑涂料技术领域，提供了一种水泥基自清洁涂料，包括碳点/氮化碳复合材料、水泥和水；其中，水泥、碳点/氮化碳复合材料和水的质量比为1：(0.01‑0.1)：(2‑6)。本申请提供的水泥基自清洁涂料，由于碳点/氮化碳复合材料中所含的氮化碳具有多孔纳米结构，能促进入射光多次反射，所含的碳点具有优异的光捕捉能力，使其紫外吸收峰延长至可见光区域，且在吸收区出现红移，提高光催化活性，使其在近红外区也具有较高的光催化活性，由此赋予涂料优越的光催化性能，能使涂层在光照下吸收光能，发生电子跃迁生成电子‑空穴对，氧化涂层表面吸附的氢氧根和氧气，生成强氧化性的氢氧自由基和超氧自由基将污染物氧化降解，赋予涂层自清洁的能力。

Description

一种水泥基自清洁涂料及其制备方法
技术领域
本申请属于化工涂料技术领域，尤其涉及一种水泥基自清洁涂料及其制备方法。
背景技术
随着社会工业化的迅速发展，汽车保有量迅速增加，随之也带来了严重的空气污染问题，尤其在隧道、停车场等相对封闭的空间内，汽车尾气污染问题尤为突出。C3N4具有优异的光催化性能，能够有效降解空气中的含氮类有机化合物，使其在尾气净化方面受到人们的青睐。
然而，由于C3N4的离子解离迟缓、光吸收不足和实际比表面积低，使其光催化活性还有待提高；并且大量研究结果表明将其应用于涂料中时，该涂料的循环降解性能大大下降，这是由于涂层在使用过程中，外界灰尘、烟雾、废气等污染物附着于涂层表面，严重影响光催化材料的催化活性；故如何构建自清洁涂层和改善C3N4的光催化性能是迫切需要解决的关键问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种水泥基自清洁涂料及其制备方法，旨在解决现有的自清洁涂料存在光催化性能差的问题。
为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种水泥基自清洁涂料，水泥基自清洁涂料包括碳点/氮化碳复合材料、水泥和水；
其中，水泥、碳点/氮化碳复合材料和水的质量比为1：(0.01-0.1)：(2-6)。
第二方面，本申请提供一种水泥基自清洁涂料的制备方法，包括以下步骤：
提供水泥和碳点/氮化碳复合材料；
将碳点/氮化碳复合材料分散在水中，得到碳点/氮化碳复合材料溶液；
将碳点/氮化碳复合材料溶液和水泥进行混合处理，得到水泥基自清洁涂料。
本申请第一方面提供的水泥基自清洁涂料，含有碳点/氮化碳复合材料和水泥。其中的碳点/氮化碳复合材料中所含的氮化碳具有多孔纳米结构，能促进入射光多次反射，而所含的碳点具有优异的光捕捉能力，使其紫外吸收峰延长至可见光区域，且在吸收区出现红移，从而可以提高碳点/氮化碳复合材料的光催化活性，使碳点/氮化碳复合材料在近红外区也具有较高的光催化活性；因此，本申请将碳点/氮化碳复合材料用在水泥基自清洁涂料，可以使该水泥基自清洁涂料具有优越的光催化性能，该涂料形成的涂层在光照下，所含的碳点/氮化碳复合材料吸收光能，发生电子跃迁，生成电子-空穴对，氧化涂层表面吸附的氢氧根和氧气，生成强氧化性的氢氧自由基和超氧自由基，将污染物氧化降解，由此赋予涂层自清洁的能力。
本申请第二方面提供的水泥基自清洁涂料的制备方法，先提供水泥和碳点/氮化碳复合材料，然后将碳点/氮化碳复合材料分散在水中，最后与水泥混匀，形成水泥基自清洁涂料。该制备方法可以赋予涂料光催化性能，使涂料形成的涂层能够吸附降解污染物；此外，该制备方法简单，且制备原料来源广，成本低，具有很好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的水泥基自清洁涂料的光催化降解效果图；
图2是本申请实施例提供的水泥基自清洁涂料的制备流程图；
图3是本申请实施例提供的碳点/氮化碳复合材料的制备流程图。
具体实施方式
为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请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仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。
应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本申请实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本申请实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本申请实施例说明书公开的范围之内。具体地，本申请实施例说明书中所述的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用来将目的如物质彼此区分开，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一XX也可以被称为第二XX，类似地，第二XX也可以被称为第一XX。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
本申请实施例第一方面提供一种水泥基自清洁涂料，水泥基自清洁涂料包括碳点/氮化碳复合材料、水泥和水；
其中，水泥、碳点/氮化碳复合材料和水的质量比为1：(0.01-0.1)：(2-6)。
本申请实施例提供的水泥基自清洁涂料，含有碳点/氮化碳复合材料和水泥，由于碳点/氮化碳复合材料所含的氮化碳具有独特的多孔纳米结构，可以促进入射光的多次反射，所含的碳点具有优异的光捕捉能力，使其紫外吸收峰延长至可见光区域，在吸收区出现红移，拓宽了光感应范围，相比于碳化氮材料，碳点/氮化碳复合材料具有更优越的光催化性能，由此赋予涂料具有优越的光催化性能，在近红外也具有较高的光量子效率，使该涂料形成的涂层在光照辐射下，所含的碳点/氮化碳复合材料吸收光能，发生电子跃迁，生成电子-空穴对，氧化涂层表面吸附的氢氧根和氧气，生成强氧化性的氢氧自由基和超氧自由基，氧化降解污染物，由此赋予涂层具有自清洁的能力。
在实施例中，水泥、碳点/氮化碳复合材料和水的质量比为1：(0.01-0.1)：(2-6)，具体地，可以为1：0.01：2，可以为1：0.1：6，还可以为1：0.03：3，还可以为1：0.06：5。将水泥与碳点/氮化碳复合材料的质量比控制在本实施例的上述范围内，有利于碳点/氮化碳复合材料分散均匀，从而提高涂料的光催化效率。
在实施例中，碳点/氮化碳复合材料包括氮化碳纳米片和结合在氮化碳纳米片表面的碳点，碳点和氮化碳纳米片的质量比为(0.01-0.05)：1。其中，碳点和氮化碳纳米片的质量比可以为0.01：1，可以为0.05：1，还可以为0.02：1，还可以为0.04：1，将碳点/氮化碳复合材料中的碳点含量控制在本实施例的范围内，有利于提高涂料的光催化性能。具体地，该碳点/氮化碳复合材料可以是由氮化碳纳米片和碳点按上述质量比组成。
在实施例中，碳点通过π-π共轭作用吸附在氮化碳纳米片表面。本实施例中的碳点具有疏水基面和边缘亲水含氧、含氮基团的两亲性结构，有利于碳点通过π-π共轭作用吸附在氮化碳纳米片表面，且有利于氮化碳纳米片通过氢键分散到水中。碳点先通过范德华力吸附在氮化碳纳米片表面，而碳点与水之间的氢键具有较强的静电引力，在超声化的辅助机械作用下，碳点可以被解吸分散到水中。
在实施例中，氮化碳纳米片的粒径为50-100nm。具体氮化碳纳米片的粒径可以为但不限于50nm，55nm，60nm，65nm，70nm，75nm，80nm，85nm，90nm，95nm，100nm。将碳点/氮化碳复合材料中所含的氮化碳纳米片的尺寸控制在本实施例范围内，有利于碳点/氮化碳复合材料分散均匀，有利于提高涂料的光催化性能。
在实施例中，水泥包括硅酸盐水泥。在具体的实施例中，硅酸盐水泥可以为不掺加混合材料的I型硅酸盐水泥，代号为P.I。
本申请实施例第二方面提供一种水泥基自清洁涂料的制备方法，包括以下步骤：
S10：提供水泥和碳点/氮化碳复合材料；
S20：将碳点/氮化碳复合材料分散在水中，得到碳点/氮化碳复合材料溶液；
S30：将碳点/氮化碳复合材料溶液和水泥进行混合处理，得到水泥基自清洁涂料。
本申请实施例提供的水泥基自清洁涂料的制备方法，先提供水泥和碳点/氮化碳复合材料，然后将碳点/氮化碳复合材料分散在水中，再与水泥混匀，得到水泥基自清洁涂料，使涂料具有优越的光催化性能，赋予涂料形成的涂层具有主动吸附降解污染物的能力；另外，制备涂料的原料来源广，成本低，且制备方法简单，具有广泛的应用前景。
在步骤S10中，碳点/氮化碳复合材料的制备方法包括：
S11：将碳源材料进行加热处理，得到碳点；
S12：将含氮元素的有机物进行烧结处理，生成氮化碳；
S13：将碳点和氮化碳进行混合处理和固液分离处理，得到碳点/氮化碳复合材料。
在步骤S11中，碳源材料包括但不限于淀粉、葡萄糖中的至少一种。将碳源材料加热处理的条件包括：在180-220℃的温度下加热2-4h。
在实施例中，碳源材料可以为淀粉，还可以为葡萄糖。本实施例提供的碳源材料来源广泛，成本低。将碳源材料加热处理的条件，可以为在180℃的温度下加热2h，可以为在220℃的温度下加热4h，还可以为在200℃的温度下加热3h。将加热时间和温度控制在本实施例范围内，有利于碳点的形成。在具体的实施例中，将淀粉在在200℃的温度下加热3h，得到碳点。
在步骤S12中，含氮元素的有机物包括但不限于尿素、单氰胺、双氰胺、三聚氰胺、硫脲中的至少一种。将含氮元素的有机物烧结处理的条件包括：在550-600℃的温度下煅烧2-3h。
在实施例中，含氮元素的有机物可以为尿素，可以为三聚氰胺，还可以为硫脲。本实施例提供的含氮元素的有机物来源广泛，成本低。将含氮元素的有机物烧结处理的条件，可以为在550℃的温度下煅烧2h，可以为在600℃的温度下煅烧3h，还可以为在575℃的温度下煅烧2.5h。将烧结温度和时间控制在本实施例范围内，有利于形成小粒径的氮化碳，有利于碳点/氮化碳复合材料分散均匀，有利于提高涂料的光催化性能。在具体的实施例中，将尿素在580℃的温度下煅烧2.5h，生成氮化碳。
在步骤S13中，碳点和氮化碳按照1：(50-60)的质量比混合。将碳点和氮化碳混合处理的条件包括：在720-840W的功率下超声2-4h。
在实施例中，碳点和氮化碳可以按照1：50的质量比混合，可以按照1：55的质量比混合，还可以按照1：60的质量比混合。将碳点和氮化碳混合处理的条件，可以在720W的功率下超声2h，可以在790W的功率下超声3h，还可以在840W的功率下超声4h。在具体的实施例中，将碳点和氮化碳按照1：58的质量比，在800W的功率下超声3.5h，混匀后过滤，干燥，得到碳点/氮化碳复合材料。
下面结合具体实施例进行说明。
实施例1
本实施例提供一种水泥基自清洁涂料及其制备方法。
一种水泥基自清洁涂料，包括：硅酸盐水泥、碳点/氮化碳(CDs/C3N4)复合材料和水；
硅酸盐水泥、CDs/C3N4复合材料和水的质量比为1：0.01：2。
一种水泥基自清洁涂料的制备方法，包括以下步骤：
S10：制备CDs/C3N4复合材料；
将葡萄糖在乙醇和水的混合液中溶解，得到葡萄糖溶液，采用水热法将葡萄糖溶液在160℃的温度下加热170min，反应得到碳点(CDs)；
将双氰胺以2.3℃/min的速度升温至550℃，在550℃的温度下煅烧4h，以1℃/min的速度降温至室温，研磨成粉末，得到氮化碳(C3N4)；
按照质量比为1：55，将CDs和C3N4在800的功率下超声3h，过滤干燥后得到CDs/C3N4复合材料。
S20：将CDs/C3N4复合材料与水搅拌均匀，得到CDs/C3N4复合材料溶液；
S30：将CDs/C3N4复合材料溶液和硅酸盐水泥进行混匀，得到水泥基自清洁涂料。
实施例2
本实施例提供一种水泥基自清洁涂料及其制备方法。
一种水泥基自清洁涂料，包括：硅酸盐水泥、CDs/C3N4复合材料和水；
硅酸盐水泥、CDs/C3N4复合材料和水的质量比为1：0.1：6。
一种水泥基自清洁涂料的制备方法，包括以下步骤：
S10：制备CDs/C3N4复合材料；
将葡萄糖在乙醇和水的混合液中溶解，得到葡萄糖溶液，采用水热法将葡萄糖溶液在160℃的温度下加热170min，反应得到碳点(CDs)；
将双氰胺以2.3℃/min的速度升温至550℃，在550℃的温度下煅烧4h，以1℃/min的速度降温至室温，研磨成粉末，得到氮化碳(C3N4)；
按照质量比为1：50，将CDs和C3N4在720的功率下超声2h，过滤干燥后得到CDs/C3N4复合材料。
S20：将CDs/C3N4复合材料与水搅拌均匀，得到CDs/C3N4复合材料溶液；
S30：将CDs/C3N4复合材料溶液和硅酸盐水泥进行混匀，得到水泥基自清洁涂料。
实施例3
本实施例提供一种水泥基自清洁涂料及其制备方法。
一种水泥基自清洁涂料，包括：硅酸盐水泥、CDs/C3N4复合材料和水；
硅酸盐水泥、CDs/C3N4复合材料和水的质量比为1：0.02：5。
一种水泥基自清洁涂料的制备方法，包括以下步骤：
S10：制备CDs/C3N4复合材料；
采用水热法将淀粉在180-220℃的温度下加热2-4h，反应得到碳点(CDs)；
将尿素在550-600℃的温度下煅烧2-3h，生成氮化碳(C3N4)；
按照质量比为1：52，将CDs和C3N4在840W的功率下超声4h，过滤干燥后得到CDs/C3N4复合材料。
S20：将CDs/C3N4复合材料与水搅拌均匀，得到CDs/C3N4复合材料溶液；
S30：将CDs/C3N4复合材料溶液和硅酸盐水泥进行混匀，得到水泥基自清洁涂料。
实施例4
本实施例提供一种水泥基自清洁涂料及其制备方法。
一种水泥基自清洁涂料，包括：硅酸盐水泥、CDs/C3N4复合材料和水；
硅酸盐水泥、CDs/C3N4复合材料和水的质量比为1：0.04：5。
一种水泥基自清洁涂料的制备方法，包括以下步骤：
S10：制备CDs/C3N4复合材料；
采用水热法将淀粉在180-220℃的温度下加热2-4h，反应得到碳点(CDs)；
将尿素在550-600℃的温度下煅烧2-3h，生成氮化碳(C3N4)；
按照质量比为1：54，将CDs和C3N4在840W的功率下超声4h，过滤干燥后得到CDs/C3N4复合材料。
S20：将CDs/C3N4复合材料与水搅拌均匀，得到CDs/C3N4复合材料溶液；
S30：将CDs/C3N4复合材料溶液和硅酸盐水泥进行混匀，得到水泥基自清洁涂料。
实施例5
本实施例提供一种水泥基自清洁涂料及其制备方法。
一种水泥基自清洁涂料，包括：硅酸盐水泥、CDs/C3N4复合材料和水；
硅酸盐水泥、CDs/C3N4复合材料和水的质量比为1：0.05：5。
一种水泥基自清洁涂料的制备方法，包括以下步骤：
S10：制备CDs/C3N4复合材料；
采用水热法将淀粉在180-220℃的温度下加热2-4h，反应得到碳点(CDs)；
将尿素在550-600℃的温度下煅烧2-3h，生成氮化碳(C3N4)；
按照质量比为1：60，将CDs和C3N4在840W的功率下超声4h，过滤干燥后得到CDs/C3N4复合材料。
S20：将CDs/C3N4复合材料与水搅拌均匀，得到CDs/C3N4复合材料溶液；
S30：将CDs/C3N4复合材料溶液和硅酸盐水泥进行混匀，得到水泥基自清洁涂料。
实施例6
本实施例提供一种水泥基自清洁涂料及其制备方法。
一种水泥基自清洁涂料，包括：硅酸盐水泥、CDs/C3N4复合材料和水；
硅酸盐水泥、CDs/C3N4复合材料和水的质量比为1：0.07：5。
一种水泥基自清洁涂料的制备方法，包括以下步骤：
S10：制备CDs/C3N4复合材料；
采用水热法将淀粉在180-220℃的温度下加热2-4h，反应得到碳点(CDs)；
将尿素在550-600℃的温度下煅烧2-3h，生成氮化碳(C3N4)；
按照质量比为1：57，将CDs和C3N4在840W的功率下超声4h，过滤干燥后得到CDs/C3N4复合材料。
S20：将CDs/C3N4复合材料与水搅拌均匀，得到CDs/C3N4复合材料溶液；
S30：将CDs/C3N4复合材料溶液和硅酸盐水泥进行混匀，得到水泥基自清洁涂料。
对比例1
本对比例提供一种普通硅酸盐水泥涂料，包括：普通硅酸盐水泥和水；普通硅酸盐水泥和水的质量比为1：5。
验证例：
将实施例1-6和对比例1所得的涂料分别涂抹在10*10*5cm的水泥试块上，放入养护室养护2天后，将1.5mL的30mg/L的罗丹明(Rh B)溶液喷洒在试块表面，在暗室中静置24小时，使溶剂蒸发和Rh B染料吸附。
将试块放入氙灯光源下25cm处，提供100mW/cm2的辐射，记录不同时间Rh B斑点的变色情况来评估涂料对Rh B的降解性能。
光催化实验结果对比分析得出以下结论：
图1为实施例5和对比例1的光催化降解效果图，从图1可以看出，在10min时，实施例1的Rh B发生明显降解，而对比例降解缓慢，在30min时，实施例1的Rh B基本降解完成，而对比例还有大部分Rh B残留；因此，与普通硅酸盐水泥涂料相比，含有CDs/C3N4复合材料的水泥基自清洁涂料的光催化效果改善明显，并且对Rh B的降解性能提高40％以上。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水泥基自清洁涂料，其特征在于，所述水泥基自清洁涂料包括碳点/氮化碳复合材料、水泥和水；
其中，所述水泥、所述碳点/氮化碳复合材料和所述水的质量比为1：(0.01-0.1)：(2-6)；
所述碳点/氮化碳复合材料包括氮化碳纳米片和结合在所述氮化碳纳米片表面的碳点，所述碳点和所述氮化碳纳米片的质量比为(0.01-0.05)：1；
所述碳点/氮化碳复合材料的制备方法包括：
将碳源材料进行加热处理，得到碳点；
将含氮元素的有机物进行烧结处理，生成氮化碳；
将所述碳点和所述氮化碳在720-840W的功率下超声2-4h后，过滤，干燥，得到所述碳点/氮化碳复合材料。
2.如权利要求1所述的水泥基自清洁涂料，其特征在于，所述碳点通过π-π共轭作用吸附在所述氮化碳纳米片表面。
3.如权利要求2所述的水泥基自清洁涂料，其特征在于，所述氮化碳纳米片的粒径为50-100nm。
4.如权利要求1-3任一项所述的水泥基自清洁涂料，其特征在于，所述水泥包括硅酸盐水泥。
5.如权利要求4所述的水泥基自清洁涂料，其特征在于，所述水泥、所述碳点/氮化碳复合材料和所述水的质量比为1：0.05：5。
6.一种如权利要求1～3任一项所述的水泥基自清洁涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供水泥和碳点/氮化碳复合材料；
将所述碳点/氮化碳复合材料分散在水中，得到碳点/氮化碳复合材料溶液；
将所述碳点/氮化碳复合材料溶液和水泥进行混合处理，得到水泥基自清洁涂料。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述碳点/氮化碳复合材料的制备方法包括：
将碳源材料进行加热处理，得到碳点；
将含氮元素的有机物进行烧结处理，生成氮化碳；
将所述碳点和所述氮化碳进行混合处理和固液分离处理，得到所述碳点/氮化碳复合材料。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述碳源材料包括淀粉和葡萄糖中的至少一种；和/或
所述含氮元素的有机物包括尿素、双氰胺、三聚氰胺和硫脲中的至少一种；和/或
所述加热处理的条件包括：在180-220℃的温度下加热2-4h；和/或
所述烧结处理的条件包括：在550-600℃的温度下煅烧2-3h；和/或
所述碳点和所述氮化碳按照1：(50-60)的质量比混合。
9.如权利要求7-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述水泥、所述碳点/氮化碳复合材料和所述水的质量比为1：(0.01-0.1)：(2-6)。
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