CN1197920C - 负离子涂料添加剂 - Google Patents

Abstract

负离子涂料添加剂，其特征在于，其中含有(重量%)：电气石超微粉40-60、纳米TiO₂光催化粉0.5-5、黄玉超微粉2-35、TiO₂和/或SiO₂超微粉(余量)，而且上述电气石超微粉事先经过电子束激活强化处理，该处理的条件为：电子束加速电压10-50kV、电子束电流100-200mA、电子束照射面积2-10cm²，粉体厚度0.5-2cm、粉体纵向移动速度0.5-2m/分。本发明的负离子涂料添加剂具有很强的负离子发生能力，因此其用量少，效果高，而且不存在放射性危害。同时还能有效地除去甲醛、氨、苯、VOC及其他具有异味的气体。

Description

负离子涂料添加剂

技术领域

本发明涉及涂料领域，更具体地说，涉及负离子涂料添加剂。

背景技术

空气负离子对人体健康的作用早在上个世纪初已被科技界证实。20世纪特别是近20年来，空气污染日趋加剧，随着现代化都市的发展，高楼大厦、柏油水泥道路遍地，来自天空和地下的负离子急剧下降，加上各类化学物质的污染，特别是室内装饰装修材料释放大量有害物质，室内空调带来的细菌、霉菌滋生，加上到处布满了电磁波等等，导致空气特别是室内空气中的有害物质浓度上升、负离子浓度降低，医学界提醒，目前的室内空气质量大多数已处于诱发疾病的边缘状态。

为此，人们使用辉光放电负离子发生器，以提高室内负离子浓度，但在产生负离子的同时产生对人体健康有害的臭氧、氮氧化合物及电磁辐射。人们还使用各种空气净化器，但只能部分除去有害物质，却无法解决负离子缺乏的问题。

20世纪80年代，人们发现了天然负离子发生材料，即一类具有自发极化特性的晶体，其中最引人注目的当属电气石(tourmaline)；此外，含放射性元素及稀土元素的矿物也能发生负离子。目前利用在涂料中添加电气石或含放射性元素及稀土元素矿物的技术在国内外时有报导。但存在许多不足：

一种方案是在涂料中只添加电气石微粉，如CN1307077A、CN1379066A，这样虽然有一定效果，但由于负离子发生能力太低，效果有待提高。另一种方案是在加入电气石微粉的同时，加入含稀土元素的矿物微粉，对电气石予以激活，如CN1386550A，这样可收到一定效果，但是由于稀土元素矿物含有一定量的放射性元素，因此在使用时要严格控制放射性指标，而且在该情况下，虽然提高了负离子的发生能力，但同时也产生了大量的正离子。

此外，CN1386550A加入了纳米TiO₂光催化材料，以提高电气石的活性。保证纳米TiO₂光催化材料有效果的两个关键指标是：纳米颗粒的粒径要尽可能小和在载体中要有良好的分散。这种纳米TiO₂光催化材料的成本高，不宜大量使用。为此，一种高效多功能负离子涂料添加剂将成为涂料特别是建筑涂料行业急盼解决的课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效多功能而且没有放射性危害的负离子涂料添加剂。

本发明人为此进行了深入的研究，结果发现，利用电子束(尤其是散焦电子束)对电气石超微粉进行激活强化处理，即可以大大提高电气石发生负离子的能力。另一方面，如果在含电气石微粉的组合物中混入一定量的黄玉(topaz)粉末，也可以明显地提高电气石发生负离子的能力。如果合并采用这两种技术措施，则可以使含电气石的涂料添加剂发生负离子的能力比现有技术的负离子涂料添加剂高得多，由于这一研究成果，至此便完成了本发明。

本发明的技术方案如下：

(1)一种负离子涂料添加剂，其特征在于，其中含有下列成分：

成分                           粒径         重量％

电气石超微粉                   ≤1μm       40～60

纳米TiO₂光催化粉              ≤10nm       0.5～5

黄玉超微粉                     ≤3μm       2～35

二氧化钛和/或二氧化硅超微粉    ≤0.5μm     余量(补足至100％)

而且，上述的电气石是选自锂电气石、镁电气石、铁电气石中的至少一种，并且该电气石超微粉事先经过散焦电子束激活强化处理，该处理的各项参数如下：

电子束加速电压                     10-50KV

电子束电流                         100-200mA

电子束照射面积                     2-10cm²

粉体厚度                           0.5-2cm

粉体纵向移动速度                   0.5-2m/分。

(2)如(1)所述的负离子涂料添加剂，其特征在于，其中还含有粒径为≤1μm的BaTiO₃超微粉0.5-5重量％。

(3)如(1)或(2)所述的负离子涂料添加剂，其特征在于，其中还含有作为阴离子型分散剂的聚丙烯酸钠、乙二醇和水，当以上述(1)或(2)中所有各成分的混合物作为混合超微粉体时，各成分的重量百分比如下：

成分                             重量％

混合超微粉体                     40-60

聚丙烯酸钠                       0.2-1

乙二醇                           0.1-0.3

水                               余量(补足至100％)

(4)如(1)所述的负离子涂料添加剂，其特征在于，上述的电气石为锂电气石。

下面详细地描述本发明。

本发明中所选用的电气石是一种具有自发极化特性的宝石晶体，在自然界有多个同类异素体，常见的有铁电气石、锂电气石、镁电气石、钙镁电气石、锂镁电气石等，但其晶体结构、性质相同。

由于电气石的化学成分复杂多变及其晶体结构的特异，造成电气石的单位晶胞正、负电荷中心不能重合，故两端形成正极、负极，构成了一个永久带电体—永久电极。正是由于正负电荷无对称中心，即晶胞具有固有偶极矩，且偶极矩沿同一方向排列，使晶体处于高度极化状态，这种极化状态在外部电场为零时也存在。

当外界温度或压力有微小变化时，晶体的离子间距与键角发生变化，诱发附加偶极矩，自发极化强度发生变化导致束缚在晶体表面的束缚电荷的一部分被释放出来，从而使晶体呈带电状态或在闭合回路中形成微电流及在周围形成10⁴～10⁷V/cm的电场(晶体尺寸为3μm时)，电场作用范围呈半径为十几个μm的球型。

当电气石与空气中的水分子接触时，电气石永久电极瞬间放电，使水分子电解：

                    

由于H⁺移动速度比OH^-移动速度快，更比空气中其他离子移动速度快，所以H⁺移到永久电极的负极，接受一个电子，生成H₂逸散到空气中：

                    

而OH^-则与空气中的另外水分子结合，生成羟基负离子：

                    

以上为电气石产生负离子的机理。

由于电气石为具有自发极化的永久电极晶体，即具有偶极矩，当分子做热运动时，相应的偶极矩发生变化，即热运动使极性分子激发到更高的能级，当它向下跃迁时就把多余的能量以远红外线的方式释放出来，使产生波长4～14μm，发射率＞90％的远红外辐射。

由于微电流、电场及远红外线的作用，电气石具有抗菌抑菌功能。

由于发生负离子的包覆、正负极的吸附及微电流电场的分解等综合作用，电气石具有去除甲醛、氨、苯、VOC及其他臭气异味的功能。

另外，电气石粒子的大小对其负离子发射能力有较大影响。例如，同样重量的电气石，粉碎到不同粒径时，其粒子数差别极大。假如一个粒径为8μm的电气石粉粒，再粉碎至粒径为1μm，则可以成为4000多个粉粒，也就是说，为了以尽量少的电气石，提供尽量多的永久电极，必须将其粉碎到尽量小的粒径。但是，由于电气石矿物的硬度很高，要将其粉碎到更小粒径就会使成本明显增高，因此本发明将电气石的粒径限定为≤1μm。

另外，本发明人还发现，天然电气石发射负离子的能力存在一定限度，即使将其粉碎至≤1μm，其负离子发射能力仍不够理想，导致在涂料中的电气石用量较多。经过本发明人的深入研究后发现，为了进一步提高电气石的负离子发生能力就要使永久电极的自发极化强度加大，热释电系数加大，为此，本发明人使电气石经高能束流—电子束激活强化处理，电子束加速电压10～50KV，电子束电流100～200mA，用散焦电子束对粉体进行处理使其永久电极的离子间距及键角增大，当外界温度与压力发生相同的微小变化时可导致更大的离子间距与键角变化，从而提高了自发极化强度和热释电系数并增加了负离子发射能力。实验结果表明，经此处理的电气石，其性能明显高于天然的电气石。

另外，纳米锐钛型TiO₂光催化材料是目前最理想的光活性半导体材料，其禁带宽为3.2ev，光催化性能优异、安全，在日本等国已大量应用于水净化、空气净化等领域。

当TiO₂受到紫外线照射时产生电子e^-或空穴h⁺。

即：

其中：空穴 具有极强氧化性，使有机物氧化而降解

电子 使有机物分解并具有抗菌抑菌作用。

测试表明：同是纳米TiO₂光催化材料，其粒径和在载体中的分散好坏对其光活性有重大影响。所以本发明配方中选择了粒径为≤10nm的纳米锐钛型TiO₂光催化材料，以增强高效多功能负离子添加剂降解甲醛、氨、苯、VOC及其他臭气异味的效果，并加强抗菌抑菌效果。

另外，本发明人还通过实验研究发现，电气石超微粉体为永久电极的带电体，所以极易凝聚且造成相邻粒子正负极接触短路中和，按其概率原理，纯电气石超微粉其短路中和的几率约为50％，所以必须进行良好的分散与分隔，而黄玉是一种常用的宝石，其硬度高、电阻率大，加入少量黄玉微粉就能使电气石微粉颗粒之间充分地分隔，进而将其加入涂料中能使电气石颗粒发生作用的几率提高。

另外，本发明人还发现，BaTiO₃也与电气石一样具有自发极化特性，因此也具有发生负离子的能力，并且与电气石具有互补性，加入少量的BaTiO₃可以进一步增强电气石的效果。

另外，二氧化钛和二氧化硅超微粉(≤0.5μm)也能对电气石微粉起一定的分散和分隔的作用，但其分隔作用比黄玉微粉差，可在添加剂中作为填充剂使用。另外，二氧化钛微粉还具有增白的作用，更适宜用于白色的涂料中。

另外，本发明的负离子添加剂也可以制成浆料形式，例如上述技术方案(3)中的组合物。这种浆料形式的负离子涂料添加剂只需通过将上述的混合超微粉体与阴离子型分散剂、乙二醇和水按规定比例混合即可制得。该浆料形式的添加剂使用起来更为方便，尤其适用于水性的涂料例如乳胶漆中。

与本领域的先有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、负离子发生能力更强，因此其用量少，效果高。

2、不存在放射性危害。

3、能更有效地去除甲醛、氨、苯、VOC及其他具有异味的气体。

具体实施方式

下面举出实施例来进一步解释本发明。

实施例1-5

在实施例1-5中皆使用锂电气石，按照表1列出的各成分的重量百分比进行配料，充分混合均匀。

                   表1 实施例1-5的成分配比

注：表中的数据为重量％

然后将实施例1-5中获得的负离子涂料添加剂粉体各200g分别地均匀摊开置于容积为0.5m³的密封罐中，24小时后用1C-1000型空气离子测试仪，在室温25℃和相对湿度55％的条件下测定罐中的负离子浓度，所获结果列于表2中。应予说明，为了进行对比，在表1的实施例1-5中的电气石又分为经电子束处理和未经电子束处理的两种情况，在经电子束处理的情况下，使用的是散焦电子束，在处理时的各项参数如下：

电子束加速电压                  30kV

电子束电流                      150mA

电子束照射面积                  6cm²

粉体厚度                        1cm

粉体纵向移动速度                1m/分

将经过电子束处理和未经处理的电气石粉所获结果一并示于表2中。

                   表2 实施例1-5的测定结果

	电气石粉是否经电子束处理	负离子浓度(个/cm3)
			实施例1	未处理	800
处理	1200
		实施例2		未处理	1100
处理	1400
			实施例3	未处理	1200
处理	1600
		实施例4		未处理	1400
处理	1700
			实施例5	未处理	1600
处理	2100

从表1和表2的结果可以看出，在实施例1-5中，对于相同成分配比的组合物，其电气石经电子束处理后皆能使该组合物获得较好的负离子释放效果。另外还可看出，当以BaTiO₃取代TiO₂超微粉的一部分(实施例2)或以黄玉取代TiO₂超微粉的一部分(实施例3)时，皆能取得较好效果。另外，当同时以黄玉和BaTiO₃取代TiO₂超微粉的一部分(实施例4)时，所获的效果更好，而当以黄玉和BaTiO₃取代TiO₂超微粉的大部分(实施例5)时，所获的效果特别好。

实施例6

使用上述实施例4的混合超微粉体，利用散焦电子束对其进行电子束激活强化处理，处理条件与上述实施例1-5中所用的条件相同。然后使用该经过电子束处理的混合超微粉体，与聚丙烯酸钠(作为阴离子型分散剂)、乙二醇和去离子水一起按表3所示比例配合，获得了负离子涂料添加剂料浆。

                   表3 负离子涂料添加剂料浆组成

注：表中的数据为重量％

然后，在一种市场上购买的立邦牌内墙乳胶漆中加入本实施例的负离子涂料添加剂料浆2重量％，制成尺寸为300×300mm的涂料膜片(涂料用量为150-160g涂料/m²)6块。在一个200升容积的模拟舱中，预先测得其中的负离子浓度为480个/cm³。然后，将上述涂料膜片6块放入该模拟舱中，密闭放置24小时，然后测得其中的负离子浓度为1600个/cm³。

由此可见，把本发明的负离子涂料添加剂实际应用于内墙涂料中同样可以高效地发生负离子。

实施例7

在一个200升的模拟舱中预先进行甲醛、氨和苯蒸气的人为染毒，测定其中所含的这三种气体的含量，然后加入与实施例6同样的含负离子添加剂的涂料膜片6块，密闭放置48小时再测定这三种气体的含量，据此求出这三种气体的去除率。所获结果示于表4中。

                    表4 负离子添加剂的解毒效果

	甲醛	氨	苯
				膜片放置前含量	0.43mg/m3	1.57mg/m3	0.32mg/m3
膜片放置48小时后含量	0.033mg/m3	0.10mg/m3	0.038mg/m3
				有毒气体去除率	93.4％	93.6％	88.2％

由表4的结果可以看出，含有本发明负离子涂料添加剂的涂料对通常在进行居室内装修时常见的几种有毒气体(甲醛、氨、苯)具有很高的去除能力。

Claims (4)

1.一种负离子涂料添加剂，其特征在于，其中含有下列成分：

成分                             粒径              重量％

电气石超微粉                     ≤1μm            40～60

纳米TiO₂光催化粉               ≤10nm            0.5～5

黄玉超微粉                       ≤3μm            2～35

二氧化钛和/或二氧化硅超微粉      ≤0.5μm          余量

而且，上述的电气石是选自锂电气石、镁电气石、铁电气石中的至少一种，并且该电气石超微粉事先经过散焦电子束激活强化处理，该处理的各项参数如下：

电子束加速电压                   10-50KV

电子束电流                       100-200mA

电子束照射面积                   2-10cm²

粉体厚度                         0.5-2cm

粉体纵向移动速度                 0.5-2m/分。

2.如权利要求1所述的负离子涂料添加剂，其特征在于，其中还含有粒径为≤1μm的BaTiO₃超微粉0.5-5重量％。

3.如权利要求1或2所述的负离子涂料添加剂，其特征在于，其中还含有作为阴离子型分散剂的聚丙烯酸钠、乙二醇和水，当以权利要求1或2中所有各成分的混合物作为混合超微粉体时，各成分的重量百分比如下：

成分                              重量％

混合超微粉体                      40-60

聚丙烯酸钠                        0.2-1

乙二醇                            0.1-0.3

水                                余量。

4.如权利要求1所述的负离子涂料添加剂，其特征在于，上述的电气石为锂电气石。