CN1745892A - 纳米二氧化钛长效抗菌除污复合型光触媒及其覆膜工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合型纳米二氧化钛光触媒，同时本发明还涉及其应用时的覆膜工艺方法。该复合型纳米二氧化钛光触媒以锐钛矿高纯度纳米二氧化钛为基质，加入与基质晶型结构一致、均匀混合的纳米促进剂。纳米促进剂的成分为：银离子6－16mol％、纳米氧化硅(P型)0.5－2.5％、活性剂0.02－0.2％。通过雾化、镀膜、激活、烘干步骤，形成产品表面覆膜。本发明从探索多相光催化反应的机理着手，通过实验研究，确定了加入促进剂的简易可行措施，提高了光催化反应活性和选择性以及光量子产量，将其激发波长扩展到可见光，同时与覆膜工艺相结合，有效解决负载技术中的固定化问题，因此可以长久起作用。

Description

纳米二氧化钛长效抗菌除污复合型光触媒及其覆膜工艺方法

技术领域

本发明涉及一种光触媒(光催化剂)，尤其是一种纳米二氧化钛长效抗菌除污复合型光触媒，同时本发明还涉及其应用时的覆膜工艺方法。

背景技术

目前，室内环境污染已给人类、尤其是少年儿童带来极大灾难。除了众所周知的细菌、病毒和装修导致的甲醛、苯等有机挥发物污染之外，甚至床单、床罩、服饰等人们日常生活必需品也因甲醛超标严重，而成为可怕的污染源。例如，据国家质检总局的抽查结果表明，床上用品的抽样合格率只有45.6％，一些床上用品“暗藏”甲醛(个别产品甲醛超标近50倍)，正在成为人们的健康杀手。

光触媒[Photocatalyst]是光[Photo＝Light]+触媒(催化剂)[catalyst]的合成词。现有技术中的光触媒主要成份为二氧化钛(TiO₂)，其作用机理为，二氧化钛在吸收太阳光中的紫外线后，表面电子在紫外线能量的激发下被激励而飞出，产生具有超强氧化能力的正穴，同时飞出的电子具有超强还原能力，与空气中的水气反应后产生具有极强氧化作用的活性氧和氢氧自由基，从而将有害有机物、污染物、臭气、细菌等氧化分解成无污染的水(H₂O)和二氧化碳(CO₂)，因而具有极强的杀菌、除臭、防霉、防污自洁、净化空气功能。鉴于上述室内污染的严峻局势，光触媒技术倍受关注并得到迅速发展。

然而，据申请人了解，目前二氧化碳光触媒普遍存在两大技术难题：一是光量子产率低(4-10％)，太阳能利用率低，通常以二氧化钛为主的光触媒只能吸收利用太阳光中的紫外线部分，而不能完全利用太阳光中的可见光部分和灯光；二是难以在既保持高的催化活性又满足特定材料的理化性能要求的前提下，在不同材料表面均匀、牢固地负载光触媒，使得光触媒不易分离再生，长久作用。

检索发现，申请号为02154431.X、申请日为2002年12月11日的中国专利申请公开了一种纳米光触媒抗菌组合物及制备方法，由一定比例的纳米金红石、纳米锐钛矿、偶联剂、硝酸银、锌、分散剂组成，按照一系列工艺步骤制备而成，可直接混入涂料、油漆或陶瓷釉、木材表层使用，不产生脱落，亦可制成母料加入塑料、纤维等基料中制成各种抗菌材料及制品。据介绍，该发明在光照下可以产生一定的光催化活性和抗菌功能，但是由于基材纯度不够，尤其是金红石的掺杂将大大降低光触媒的催化作用和长效功能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对以上现有技术存在的缺点，提出一种在紫外光、自然光以及日光灯、白炽灯、节能灯等微弱光源和短时间无光照条件下，依然具有催化作用，并且实现方便、效果持久的纳米二氧化钛长效抗菌除污复合型光触媒，同时给出其应用时的覆膜工艺方法。

为了解决以上技术问题，本发明的纳米二氧化钛长效抗菌除污复合型光触媒以锐钛矿高纯度纳米二氧化钛为基质，其特征在于：还含有与基质晶型结构一致、均匀混合的纳米促进剂，所述纳米促进剂的成分为：

银离子(Ag-)             6--16mol％(摩尔比)

氧化硅(P型)             0.5--2.5％(重量比)

活性剂                  0.02--0.2％(重量比)

以上锐钛矿高纯度纳米二氧化钛纯度＞99％、粒径≤5nm、比表面积＞200m²/g。银离子从硝酸银中获取。活性剂为重量2∶1的聚氧化乙烯和十二烷基醚。

由于本发明复合型光触媒的基质材料以及其他成分均可以购买到，只要按要求采购，再采用现有的常规工艺均匀混合(例如按比例添加，采用杂化、敏化技术和液相法生产工艺)即可，因此制备十分方便。纳米促进剂液相法生产时，以P型纳米二氧化硅为载体，硝酸银中的银离子均匀地设计进纳米粒子表面的微孔中并实施稳定，使复合型光触媒的功效缓慢释放而达到长久防霉抗菌的作用。

另一方面，理论和实验均表明，在纳米二氧化钛基质中加入上述促进剂后，由于银的掺杂增强了薄膜的光吸收能力，而且使薄膜的紫外光吸收边出现红移现象(例如从315nm移动到413nm)，可以吸收大于400nm的自然光和灯光，相对应薄膜中氧化钛的带隙由3.4eV下降到3.0eV，在薄膜中形成了团簇而成为电子积累中心，对氧化钛的电子有最佳吸引，从而增加了光生电子和空穴的分离几率，使氧化钛薄膜的光催化活性提高。

本发明复合型光触媒的一大特点是可以与其应用时的覆膜工艺相辅相成，配套的覆膜工艺产生的固化作用可以使产品材料表面牢固地负载光触媒，从而使其长久发挥作用。覆膜的方法以如下的雾化沉积法为佳，其工艺步骤为

雾化——将混合制备好的复合型光触媒加入雾化装置，空气压力控制在2--3.5kg/m²，喷嘴口径为0.3--0.8mm，使复合型光触媒成雾化状态，充满雾化仓；

镀膜——将待覆膜产品输入雾化仓，时间控制在10--30秒，

使复合型光触媒均匀沉积在其表面后，输出雾化仓；

激活——将从雾化仓输出的镀膜产品传送到紫外光下催化，激发其活性；

烘干——在激活的同时，控制温度为25-60℃，时间10--15分钟，使复合型光触媒牢固负载与产品表面，固化成膜，硬度达3-5H。

除以上雾化沉积法外，也可以采用诸如气相沉积、液相沉积或机械喷涂的工艺方法实现覆膜。

在复合型光触媒覆膜产品使用过程中，由于光触媒作为光催化剂，本身并不参与氧化还原反应，而只是改变发生反应所需的条件，因此自身的能力并不随时间而被消耗和衰减。

总之，本发明从探索多相光催化反应的机理着手，通过实验研究，确定了加入促进剂的简易可行措施，提高了光催化反应活性和选择性以及光量子产量，将其激发波长扩展到400-800nm波长的可见光(日光灯、白炽灯、节能灯等)，同时与覆膜工艺相结合，有效解决负载技术中的固定化问题，因此可以长久起作用。

具体实施方式

下面结合实施例本发明作进一步的说明。

实施例一

本实施例以在玩具表面形成纳米二氧化钛长效抗菌除污复合型光触媒覆膜的过程为例，进一步说明本发明。

1、在纯度＞99％、粒径≤5nm、比表面积＞200m²/g的高纯度锐钛矿二氧化钛基质中，加入晶型结构一致的纳米促进剂，使其均匀混合，该纳米促进剂由以下成分配制：

硝酸银                  10mol％摩尔比

氧化硅(P型)              1.5％重量比

聚氧化乙烯               0.02％重量比

十二烷基醚               0.01％重量比

2、将混合制备好的复合型光触媒加入智能型雾化镀膜机，空气压力控制在3kg/m²，喷嘴口径为0.5mm，使复合型光触媒雾化后充满雾化仓；

3、将待覆膜塑料玩具输入雾化仓，时间控制在10秒，使复合型光触媒均匀沉积在其表面后，输出雾化仓；

4、将从雾化仓输出的镀膜产品置于在紫外光下，激活复合型光触媒薄膜的活性；

5、烘干——将激活处理后的产品放置在温度为60℃的环境中，时间12分钟，使复合型光触媒膜固化。

检测表明，在使用15天后，以上采用纳米二氧化钛长效抗菌除污复合型光触媒处理后的玩具与未经处理的玩具相比，抗菌率≥99％，防霉0级，除臭率＞99％，除污率＞80％，效果明显，不仅可以有效避免玩具上的污染物对儿童身心健康的威胁，而且有助于保持儿童自身的卫生。

实施例二

本实施例以在仿真花卉和观叶植物表面形成纳米二氧化钛长效抗菌除污复合型光触媒覆膜的过程为例，进一步说明本发明。

1、在纯度＞99％、粒径≤5nm、比表面积＞200m²/g的高纯度锐钛矿二氧化钛基质中，加入晶型结构一致的纳米促进剂，使其均匀混合，该纳米促进剂由以下成分配制：

硝酸银                    12mol％摩尔比

氧化硅(P型)                  2％重量比

聚氧化乙烯                   0.1％重量比

十二烷基醚                   0.05％重量比

2、将混合制备好的复合型光触媒加入粉末喷涂用流化雾化装置，空气压力控制在2kg/m²，喷嘴口径为0.3mm，使复合型光触媒雾化后充满雾化仓；

3、将待覆膜仿真花卉和观叶植物输入雾化仓，时间控制在20秒，使复合型光触媒均匀沉积在其表面后，输出雾化仓；

4、将从雾化仓输出的镀膜产品置于在紫外光下，激活复合型光触媒薄膜的活性；

5、烘干——将激活处理后的产品放置在温度为35℃的环境中，时间15分钟，使复合型光触媒膜固化。

以上采用纳米二氧化钛长效抗菌除污复合型光触媒覆膜处理后的仿真花卉和观叶植物与未经处理的同类产品相比，不仅具有理想的观赏装饰效果，而且可以清除室内的空气污染。对比测试表明，甲醛去除率≥80％，苯系去除率≥80％，除臭率＞99％，抗菌率＞99％。

实施例三

本实施例的基本情况与以上实施例类同，区别在于待覆膜产品为日光灯管。与普通日光灯相比，本实施例的产品不仅具有照明功能，还具有去除室内空气污染功能，效果十分显著。

从以上实施例可以看出，本发明用途广泛，效果理想。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种纳米二氧化钛长效抗菌除污复合型光触媒，以锐钛矿高纯度纳米二氧化钛为基质，其特征在于：还含有与基质晶型结构一致、均匀混合的纳米促进剂，所述纳米促进剂的成分为：

银离子(Ag-)               6——16mol％(摩尔比)

氧化硅(P型)               0.5——2.5％(重量比)

活性剂                    0.02——0.2％(重量比)

2.根据权利要求1所述纳米二氧化钛长效抗菌除污复合型光触媒，其特征在于：所述活性剂为重量比2∶1的聚氧化乙烯和十二烷基醚。

3.根据权利要求2所述纳米二氧化钛长效抗菌除污复合型光触媒，其特征在于：所述银离子从硝酸银中获取。

4.根据权利要求2或3所述纳米二氧化钛长效抗菌除污复合型光触媒，其特征在于：所述锐钛矿高纯度纳米二氧化钛纯度＞99％、粒径≤5nm、比表面积＞200m²/g。

5.根据权利要求1所述纳米二氧化钛长效抗菌除污复合型光触媒的覆膜工艺方法，包括以下步骤：

雾化——将混合制备好的复合型光触媒加入雾化装置，空气压力控制在2——3.5kg/m²，喷嘴口径为0.3——0.8mm，使复合型光触媒完全雾化，充满雾化仓；

镀膜——将待覆膜产品输入雾化仓，时间控制在10——30秒，使复合型光触媒均匀沉积在其表面后，输出雾化仓；

激活——将从雾化仓输出的镀膜产品传送到紫外光下催化，激发其活性；

烘干——在激活的同时，控制温度为25-60℃，时间10-15分钟，使复合型光触媒牢固负载与产品表面，固化成膜，硬度达3-5H。