DE102005013259B4

DE102005013259B4 - Photokatalytisch wirkender Bautenanstrichsstoff und seine Verwendung

Info

Publication number: DE102005013259B4
Application number: DE102005013259.6A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Weinhold Petra; Horst Unger; Dr. Then Dirk; Dr. Brenner Thomas
Original assignee: DAW SE
Current assignee: DAW SE
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2014-03-13
Anticipated expiration: 2025-03-23
Also published as: DE102005013259A1

Abstract

Die Erfindung betrifft photokatalytisch wirkende Bautenanstrichsstoffe, die insbesondere auf Gebäudewände aufgebracht werden können. Dabei kann ein verbesserter Schutz gegen anhaftende Verschmutzungen und auch den Befall mit zum Beispiel Bakterien, Pilzen sowie Algen verhindert, zumindest jedoch erheblich reduziert werden. Außerdem können flüchtige organische Schadstoffe beispielsweise durch Dissoziierung in umweltverträgliche und nicht toxische Komponenten umgewandelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft photokatalytisch wirkende Bautenanstrichsstoffe, die insbesondere auf Gebäudewände aufgebracht werden können. Dabei kann ein verbesserter Schutz gegen anhaftende Verschmutzungen und auch den Befall mit zum Beispiel Bakterien, Pilzen sowie Algen verhindert, zumindest jedoch erheblich reduziert werden. Außerdem können flüchtige organische Schadstoffe beispielsweise durch Dissoziierung in umweltverträgliche und nicht toxische Komponenten umgewandelt werden.
Gemäß der Erfindung wird die an sich bekannte photokatalytische Wirkung bestimmter Stoffe ausgenutzt. Dies kann bei Bestrahlung, bzw. auch Einfall von elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise Sonnen- oder auch künstlichem Licht erreicht werden.
Neben anderen photokatalytisch wirkenden Stoffen sind als geeignete Photokatalysatoren TiO₂ an sich und auch in der Anatas-Modifikation bekannt.
Diese Photokatalysatoren werden üblicherweise für den Einsatz auf Keramiken oder Gläsern vorgesehen, um beispielsweise einen mikrobiologischen Befall in Flüssigkeiten, insbesondere Wasser enthaltenden Bassins zu vermeiden. Hierbei ist jedoch die erreichbare photokatalytische Wirkung begrenzt, was einmal die Umwandlungseffektivität der jeweiligen Schadstoffe oder auch biologischen Komponenten und zum anderen die erreichbare Langzeitwirkung betrifft.
Durch CN 15 63 219 A ist eine dekorative Beschichtung bekannt, die neben Edelsteinpigmenten und Zinkoxid auch Anatas und nanoskaliges Titandioxid enthält.
Die US 2003/0027884 A1 betrifft eine Binderzusammensetzung für eine photokatalytische Beschichtung, die 60 bis 80 Gew.-% eines ersten Monomers, welches ein nicht-fluorhaltiges Monomer ist, sowie 20 bis 40 Gew.-% eines zweiten Monomers, welches ein fluorhaltiges Monomer ist, sowie ein Silikonmonomer beinhaltet.
Aus der WO 03/048048 A1 ist ein Titandioxid-Photokatalysator sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Der Photokatalysator umfasst dabei Partikel mit einer Ruthl- und/oder Anatas-Kristallstruktur mit einer Kristallgröße im Bereich von 5 bis 50 nm.
Bautenanstrichsstoffe mit einer hohen photokatalytischen Wirkung sind bisher nicht bekannt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Bautenanstrichsstoff zur Verfügung zu stellen, der eine erhöhte photokatalytische Wirksamkeit erreicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem photokatalytisch wirkenden Bautenanstrichsstoff, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den Unteransprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
In dem erfindungsgemäß photokatalytisch wirkenden Bautenanstrichsstoff sind Bindemittel, Pigmente und Füllstoffe enthalten. Dabei wird eine Pigmentkombination aus TiO₂ in Form von Anatas und nanoskaligem TiO₂ mit einem Anteil von 5 bis 35 Gewichts-% eingesetzt. Dabei wird ein Verhältnis von 6 bis 20 für Anatas zu 0,25 bis 9 für das nanoskalige TiO₂ eingehalten. Eine verbesserte Wirkung kann durch Einhaltung dieses Verhältnisses von 7,5 bis 15 für Anatas zu 0,75 bis 2 für das nanoskalige TiO₂ erreicht werden.
Dabei kann die Anatasform mit 5 bis 15 Gewichts-% und das nanoskalige TiO₂ mit 0,5 bis 3 Gewichts-% eingestellt werden.
Eine weitere Verbesserung ist durch Einhaltung der Anteile von 0,75 bis 12 Gewichts-% für Anatas und 0,75 bis 1,25 Gewichts-% für nanoskaliges TiO₂ erreichbar.
Erfindungsgemäß wird das nanoskalige TiO₂ mit Partikelgrößen im Bereich 0,1 nm bis 100 nm eingesetzt.
Erfindungsgemäß werden neben den vorab bezeichneten Pigmenten weitere Pigmente in einem erfindungsgemäßen Bautenanstrichsstoff eingesetzt. Dabei sind zusätzlich 0,1 bis 5 Gewichts-% Weißpigmente in Form von ZnO enthalten. Die Ausführungsform der Erfindung, bei der neben der Pigmentkombination noch zusätzlich Weißpigment enthalten ist, hat sich in Bezug auf die photokatalytischen Eigenschaften als überlegen erwiesen.
Neben den TiO₂-Pigmenten können aber auch 0,01 bis 6 Gew.-% an weiteren Pigmenten enthalten sein, die aus Eisenoxid, Chromoxid, Cobaltblau, Phthalocyaninpigmenten, Spinellpigmenten sowie Nickel- und Chromtitanat, Azopigmenten, Wismutvanadat, Ultramarinblau, Chinacridonpigmenten, Dioxazinpigmenten, Perylenpigmenten und/oder Diketopyrrolopyrrolpigmenten ausgewählt sind. Vorzugsweise sind lichtbeständige Pigmente im erfindungsgemäßen Bautenanstrichsstoff enthalten.
So kann ein erfindungsgemäßer Bautenanstrichsstoff 2 bis 20 Gewichts-% Bindemittel, 5 bis 35 Gewichts-% Pigment, 5 bis 60 Gewichts-% Füllstoffe und 0,1 bis 5 Gewichts-% Additive enthalten.
Die Füllstoffe können mit Partikelgrößen im Bereich von 0,1 μm bis 3 mm enthalten sein. Bevorzugte Bereiche liegen zwischen 0,1 μm und 500 μm, besonders bevorzugt zwischen 1 bis 150 μm.
Als Füllstoffe können Silikate, Carbonate, Flussspat, Sulfate und Oxide, auch als Gemisch davon, eingesetzt werden.
Geeignete Additive, die mit 0,1 bis 5 Gew.-% enthalten sein können, sind beispielsweise Verdicker, Dispergiermittel, Stabilisatoren, Entschäumer, Konservierungsmittel und/oder Hydrophobierungsmittel.
Als Bindemittel können silikatische Bindemittel, Polymerdispersionen aber auch Hybridemulsionen jeweils allein oder auch in Mischung für einen erfindungsgemäßen Bautenanstrichsstoff eingesetzt werden.
So kann beispielsweise ein Bautenanstrichsstoff mit 2 bis 20 Gewichts-% Bindemittel in Form einer Polymerdispersion, gerechnet als Feststoffanteil, 5 bis 35 Gewichts-% Pigmenten, 5 bis 60 Gewichts-% Füllstoffen, 0,1 bis 5 Gewichts-% Additiven und einem Restanteil an Wasser zur Verfügung gestellt werden. Weitere vorab bezeichnete Pigmente können zusätzlich enthalten sein.
Die für die Bindemittel einsetzbaren Polymerdispersionen können aus Polymeren, die aus den monomeren Carbonsäurevinylestern mit 3 bis 20 C-Atomen, N-Vinylpyrrolidon, ethylenisch ungesättigten Carbonsäuren, deren Estern, deren Amiden oder deren Anhydriden, Styrol bzw. deren Derivaten und/oder α-Olefin erhalten worden sind, gebildet werden.
Ein Bautenanstrichsstoff kann auch mit 1 bis 10 Gewichts-% eines silikatischen Bindemittels (gerechnet als Feststoffanteil), 5 bis 35 Gewichts-% Pigment, 5 bis 60 Gewichts-% Füllstoff sowie 0,1 bis 5 Gewichts-% mindestens eines Additivs zur Verfügung gestellt werden. Besonders bevorzugt sind Kaliwassergläser mit einer Molverhältniszahl von 3,2.
Als silikatische Bindemittel können beispielsweise wasserlösliches Silikat und/oder Kieselsäure eingesetzt werden.
Der erfindungsgemäße Bautenanstrichsstoff kann insbesondere für die Ausbildung photokatalytisch wirkender Beschichtungen sowie für den Abbau bzw. die Umwandlung von Schadstoffen, organischen Verbindungen und biologischem Material, insbesondere von Bakterien, Pilzen und Algen verwendet werden. Bevorzugt ist dabei die Anwendung im Innenbereich.
Dabei erreicht ein erfindungsgemäßer Bautenanstrichsstoff eine gegenüber bereits bekannten Lösungen erhöhte Wirkung, was seine Effektivität und Langzeitwirkung betrifft. So können erhöhte Raten erreicht werden. Außerdem kann die photokatalytische Wirkung bereits bei einer Bestrahlung mit reduzierter Intensität bzw. Energie erreicht werden.

Nachfolgend sind beispielhaft zwei Formulierungsbeispiele für Bautenanstrichsstoffe gemäß der Erfindung angegeben, bei denen als Bindemittel eine Polymerdispersion auf Basis von Vinylacetat/Ethylen (Beispiel 1) und auf Basis von Styrol-Acrylat/Wasserglas als Bindemittel (Beispiel 2) angegeben ist.

Beispiel 1	Gew.-%
• Wasser	36,7
• Additive	1,8
• Anatas Titandioxid (d50 < 1 μm)
als funktionelles Weißpigment	10
• Nanoskaliges Anatas Titandioxid
(d50 < 0,1 μm) als funktionelles
Weißpigment	1
• Zinkoxid als funktionelles
Weißpigment	2
• Füllstoff	35,5
• Polymerdispersion (50 Gew.-%ig) auf
Basis Vinylacetat/Ethylen als
Bindemittel	12
• Alkalihydroxid
(Gew.-% einer 10% Lösung)	1
	100

Beispiel 2	Gew.-%
• Wasser	28,5
• Additive	2,5
• Alkalihydroxid
(Gew.-% einer 10% Lösung)	1
• Anatas Titanoxid (d50 < 1 μm)
als funktionelles Weißpigment	12
• Nanoskaliges Anatas Titandioxid
(d50 < 0,1 μm) als funktionelles
Weißpigment	1
• Zinkoxid als funktionelles
Weißpigment	2
• Füllstoff	36
• Polymerdispersion (50 Gew.-%ig) auf
Basis Styrol-Acrylat als Bindemittel	12
• Wasserglas, MVZ 3,2 (28 Gew.-%ig)	5
	100

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 4 näher beschrieben.
1 zeigt ein Diagramm, das die abgebaute Formaldehydmenge für unterschiedliche zugesetzte Nanophotokatalysatoren gegenüberstellt. Als Nanophotokatalysator wird zum einen Aeroxid P25 (1a), zum anderen Hombikat UV 100 (1b) eingesetzt.
2 zeigt den Abbau von gasförmigem Formaldehyd durch Beschichtungen.
3 zeigt den Konzentrationseinfluss beim Formaldehydabbau durch Beschichtung.
4 zeigt den Abbau von Bakterien.
Die Abbaukurve bzw. die Bestimmung der abgebauten Formaldehydmenge wurde bei einer Intensität von 68 W/m² bei Wellenlängen von < 400 nm aufgenommen.
Die 1a) und 1b) zeigen den Einfluss des Basispigmentes zum zugesetzten Nanophotokatalysator. Wie aus der 1 zu entnehmen ist, hat die Wahl des Basispigmentes (hier Anatas) einen großen Einfluss auf die photokatalytische Wirksamkeit der jeweiligen Beschichtung. Um dies zu verdeutlichen ist in den 1a) und 1b) die abgebaute Menge Formaldehyd durch die Beschichtung mit 8% Rutil und 1% Nanophotokatalysator bzw. 8% Anatas und 1% Photokatalysator nach einer Bestrahlungsdauer von 6 Stunden angeführt. Man erkennt, dass sich die Einzelaktivitäten des Basispigmentes und des nanoskaligen TiO₂ gut zur Gesamtwirkung der Beschichtung addieren. 1a) zeigt die Untersuchungen für den Nanophotokatalysator Aeroxide P25. Dies ist ein nanoskaliges TiO₂ der Firma Degussa mit einem Partikeldurchmesser von 21 nm. 1b) zeigt Untersuchungen zu Hombikat UV 100, das von der Firma Sachtleben hergestellt wird. Bei Hombikat UV 100 handelt es sich ebenfalls um ein nanoskaliges TiO₂ mit einem Partikeldurchmesser von < 10 nm.
2 zeigt nun in einer Gegenüberstellung den Abbau von gasförmigem Formaldehyd durch Beschichtungen, wobei einerseits die Basispigmente Rutil und Anatas verwendet wurden und dann die Kombination aus Anatas mit spezifischen Nanophotokatalysatoren. Wie aus 2 hervorgeht, ergibt sich mit zunehmender Bestrahlungsdauer ein deutlicher Unterschied zwischen den untersuchten Varianten. In 2 erfolgt der schnellste Abbau der Beschichtungen durch eine Pigmentierung mit 1% Hombikat UV 100 und 8% Anatas. Enthält die Beschichtung nur Rutil als Pigment, so ist nur eine geringe Abnahme der Konzentration zu erkennen, welche auf Adsorptionseffekte zurückzuführen ist. Wie 2 zeigt, werden durch die Kombination von 8% Anatas mit 1 Gew.-% nanoskaligem TiO₂ Hombikat UV 100 die besten Ergebnisse erzielt.
In 3 ist nun der Konzentrationseinfluss beim Formaldehydabbau durch Beschichtungen in Abhängigkeit von der Bestrahlungsdauer dargestellt. 3 zeigt, dass mit zunehmendem Gehalt an nanoskaligem TiO₂, hier Aeroxide P25, ein deutlich verbesserter Effekt erreicht wird.
Wie aus 4 hervorgeht, ist die erfindungsgemäße Pigmentkombination auch in Bezug auf den Abbau von Bakterien überlegen. Eine Formulierung, die 10% Anatas und 1% Hombikat UV 100 enthält, ergibt bei einer Bestrahlungsdauer von 3 Stunden einen nahezu vollständigen Abbau von Bakterien (Enterobacter aerogenes).

Claims

Photokatalytisch wirkender Bautenanstrichsstoff enthaltend Bindemittel, Pigmente und Füllstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass er als Pigmente mindestens eine Pigmentkombination aus TiO₂ in Form von Anatas und nanoskaligem TiO₂ in einer Menge von 5 bis 35 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der Gesamtformulierung, mit der Maßgabe, dass diese Pigmente im Verhältnis von 6 bis 20 für Anatas zu 0,25 bis 4 für das nanoskalige TiO₂ vorliegen sowie 0,1 bis 5 Gew.-% Weißpigmente in Form von ZnO enthält, wobei das nanoskalige TiO₂ eine Partikelgröße im Bereich von 0,1 bis 100 nm aufweist.
Bautenanstrichsstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis 7,5 bis 15 für Anatas zu 0,75 bis 2 für das nanoskalige TiO₂ ist.
Bautenanstrichsstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er 5 bis 15 Gew.-% Anatas und 0,5 bis 3 Gew.-% nanoskaligem TiO₂ enthält.
Bautenanstrichsstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,75 bis 12 Gew.-% Anatas und 0,75 bis 1,25 Gew.-% nanoskaliges TiO₂ enthält.
Bautenanstrichsstoff nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das nanoskalige TiO₂ mit Partikelgrößen im Bereich 5 bis 30 nm, enthalten ist.
Bautenanstrichsstoff nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Pigmente zusätzlich 0,01 bis 6 Gew.-% ausgewählt aus Eisenoxid, Chromoxid, Cobaltblau, Phthalocyaninpigmente, Wismutvanadat, Ultramarinblau, Spinellpigmente sowie Nickel – und Chromtitanat, Azopigmente, Chinacridonpigmente, Dioxazinpigmente, Perylenpigmente und/oder Diketopyrrolopyrrolpigmente enthalten sind.
Bautenanstrichsstoff nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er a) 2 bis 20 Gew.-% Bindemittel gerechnet als Feststoffanteil, b) 5 bis 35 Gew.-% Pigment, c) 5 bis 60 Gew.-% Füllstoffe, d) 0,1 bis 5 Gew.-% Additive und e) zu 100 Gew.-% ergänzte Anteile an Wasser enthält.
Bautenanstrichsstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe eine Partikelgröße von 0,1 μm bis 3 mm aufweisen und ausgewählt sind aus Silikaten, Carbonaten, Flussspat, Sulfaten und Oxiden.
Bautenanstrichsstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe eine Partikelgröße von 0,1 μm bis 150 μm aufweisen.
Bautenanstrichsstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Additive ausgewählt sind aus Verdickern, Dispergiermitteln, Stabilisatoren, Entschäumern, Konservierungsmitteln und/oder Hydrophobierungsmitteln.
Bautenanstrichsstoff nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ausgewählt ist aus silikatischem Bindemittel, Polymerdispersion, Hybridemulsionen und/oder Silikonharzen.
Bautenanstrichsstoff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass er a) 2 bis 20 Gew.-% Bindemittel in Form einer Polymerdispersion gerechnet als Feststoffanteil, b) 5 bis 35 Gew.-% Pigmente, c) 5 bis 60 Gew.-% Füllstoffe, d) 0,1 bis 5 Gew.-% Additive und e) zu 100 Gew.-% ergänzte Anteile an Wasser enthält.
Bautenanstrichsstoff nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerdispersion ausgewählt ist aus Polymeren, die aus den monomeren Carbonsäurevinylestern mit 3 bis 20 C-Atomen, N-Vinylpyrrolidon, ethylenisch ungesättigten Carbonsäuren, deren Ester, deren Amiden oder deren Anhydriden, Styrol bzw. deren Derivaten und/oder α-Olefin erhalten worden ist.
Bautenanstrichsstoff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass er a) 1 bis 10 Gew.-% eines silikatischen Bindemittels, gerechnet als Feststoffanteil, b) 5 bis 35 Gew.-% Pigment, c) 5 bis 60 Gew.-% Füllstoff, d) 0,1 bis 5 Gew.-% mindestens eines Additivs und e) zu 100 Gew.-% ergänzte Anteile an Wasser enthält.
Bautenanstrichsstoff nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das silikatische Bindemittel ein wasserlösliches Silikat und/oder Kieselsäure ist.
Verwendung des Bautenanstrichsstoffes nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15 als photokatalytische Beschichtung.
Verwendung nach Anspruch 16 für photokatalytische Beschichtungen im Innenbereich.
Verwendung nach einem der Ansprüche 16 oder 17 zum Abbau von flüchtigen organischen Verbindungen.
Verwendung nach einem der Ansprüche 16 oder 17 zum Abbau von Mikroorganismen.