一种二氧化钛催化空气净化涂料及其制备方法与应用转让专利
申请号 : CN202110235188.8
文献号 : CN112961551B
文献日 : 2022-04-05
发明人 : 艾智慧 , 刘修凡 , 邢攀 , 邹志宇 , 张礼知
申请人 : 华中师范大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种二氧化钛催化空气净化涂料,其特征在于:包含用以涂覆在基材表面形成底层的底层组分与用以涂覆在所述底层上以形成顶层的顶层组分;所述底层组分为底层涂料A,以重量份计,其包括0.5‑10份二氧化钛,40‑60份成膜树脂,所述顶层组分为顶层催化层B,以重量份计,其由0.5‑10份二氧化钛,0.1‑5份过氧化物组成,所述二氧化钛为具有(001)晶面暴露的纳米片,所述纳米片厚度3‑5 nm,长度或宽度为5‑10nm,所述过氧化物为双氧水溶液,所述双氧水溶液的体积浓度为30%。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化钛催化空气净化涂料,其特征在于:所述成膜树脂为丙烯酸乳液。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化钛催化空气净化涂料,其特征在于:所述底层涂料A中还包括0.5‑2份分散剂,6‑10份促进剂,13‑52份水。
4.根据权利要求3所述的一种二氧化钛催化空气净化涂料,其特征在于:所述分散剂为聚羧酸盐分散剂,所述促进剂包括稳定剂、成膜剂、增稠剂、消泡剂和密着剂;所述稳定剂为
0.5‑1份、所述成膜剂为0.5‑5份、所述增稠剂为0.5‑2份、所述消泡剂为0.5‑1份、所述密着剂为1‑4份。
5.根据权利要求4所述的一种二氧化钛催化空气净化涂料,其特征在于:所述稳定剂为苯并三唑类或受阻氨类中的一种或混合;所述成膜剂为醇醚类、醇醚醋酸酯类或酯醇类中的一种或混合;所述增稠剂为水性增稠剂;所述消泡剂为有机硅消泡剂;所述密着剂为非离子型树脂密着剂。
6.一种如权利要求3‑5任一项所述的一种二氧化钛催化空气净化涂料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:底层涂料A的制备,将二氧化钛,成膜树脂,分散剂,促进剂和水充分混合,高速搅拌得到底层涂料A;
步骤2:顶层催化层B的制备,将二氧化钛和过氧化物搅拌均匀得到顶层催化层B。
7.一种如权利要求1‑6任一项所述的一种二氧化钛催化空气净化涂料的涂布方法,其特征在于,预先将底层涂料A涂布于基体上,再将顶层催化层B涂布于底层涂料A上。
8.一种如权利要求1‑6任一项所述的一种二氧化钛催化空气净化涂料的应用,其特征在于,将所述二氧化钛催化空气净化涂料应用于室内/外建筑墙体去除空气中的污染物。
说明书 :
一种二氧化钛催化空气净化涂料及其制备方法与应用
技术领域
背景技术
气,污染室外空气,或室内装修材料不合格导致的室内空气污染。这些空气污染问题能够引
起呼吸道疾病,严重影响人们的生命健康。因此,如何有效解决室内外空气污染问题是当前
科研工作者关注的热点,同时也出现了很多不同类型的净化技术。其中,光催化技术以其环
境友好、高净化性能等优点而广受关注。在众多光催化剂中,二氧化钛是最成熟以及环境光
催化应用潜力最大的材料。
带上的空穴具有强氧化性,导带上的电子具有很强的还原性,因此受到外界因素影响而产
生的电子-空穴对在半导体材料中形成了一个很强的氧化还原体系。
率较高,以致光催化效率比较低。
系,其中涂料会将二氧化钛包覆,包裹于涂料中的二氧化钛见光率低,由此会导致二氧化钛
光降解效率降低;另一方面,有研究表明,以丙烯酸基涂料为基材组成的涂料,在复合二氧
化钛后,膜的老化趋势明显加强,一方面以 C‑C 键为主链的聚丙烯类基材本身就不耐紫外
辐照,而外加的 TiO2 又能在其中吸收紫外线、产生大量电子‑空穴以及·OH、·OOH等高能
自由基,进而会通过其强大的氧化‑还原作用而加速 C‑C 主链的断裂,从而引以丙烯酸基
涂料的老化。
涂料A,以重量份计,其包括0.5‑10份二氧化钛,40‑60份成膜树脂,所述顶层催化层B,以重
量份计,其包括0.5‑10份二氧化钛,0.1‑5份过氧化物。
化学键的连接,具体为:过氧化物处理后的TiO2,其表面存在类超氧的双氧结构,而这种双
氧结构可与底层涂料A中裸露在外的TiO2的 5配位Ti结合,形成稳定的双层涂层结构,由此
加强顶层催化层B紧密的附着于底层涂料A上,同时被过氧化物处理后的二氧化钛表面形成
了双氧结构,该双氧结构使得二氧化钛的分散性能更好,解决了二氧化钛易团聚的缺点,进
一步使得顶层催化层B中的二氧化钛可均匀的涂覆分散于底层涂料A的表面,有效避免底层
涂料A见光的风险,提高底层涂料A的老化性能。
别与二氧化钛的两个晶格氧结合,使得二氧化钛形成稳定的类超氧结构。
寸效应,尺寸效应对催化性能的影响至关重要。半导体晶体的尺寸小于10 nm时,量子尺寸
效应变得显著,电荷载体会呈现出量子行为,主要表现为导带和价带变成分立能级,带隙变
宽,价带更正,导带更负,这实际上增强了光生电子空穴的分离效率与氧化还原能力。纳米
晶体厚度越薄,光生载流子从体相扩散到表面化的时间越短,光生电荷的分离效率就越高,
所以越薄越有助于提升光催化性能。
双氧水反应脱氢,生成的两个氧原子分别与二氧化钛的两个晶格氧结合,最终使得二氧化
钛生成类超氧结构;具有类超氧结构的二氧化钛能够与底层涂料A表面暴露的二氧化钛上
的不饱和5配位Ti形成有效的化学键,通过化学键的形式结合底层涂料A。而且双氧水处理
后的TiO2,二氧化钛表面类超氧结构的自旋态与超氧根一样,并且二氧化钛电子结构由于
类超氧结构的存在发生了很大改变,其表面呈富氧态,整体2p轨道电荷密度增加,也即是说
价带位置上升,光生电子更易被光激发到导带与氧气结合,更容易形成活性分子氧,从而促
进了催化剂的光催化氧化性能。同时双氧水有助于提高二氧化钛的分散性能。
述消泡剂为0.5‑1份、所述密着剂为1‑4份。
二氧化钛影响涂层的抗老化性能,在底层涂料A中添加有稳定剂,稳定剂的添加以避免和降
低成膜树脂的降解与老化;同时二氧化钛能够作为光屏蔽剂,反射部分可见光,进一步降低
成膜树脂被光辐照的风险,加强底层涂料A的抗老化性能。
使二氧化钛暴露于光照下,提高其光催化效率;同时成膜树脂被二氧化钛物理阻隔,截断了
成膜树脂见光的路径,降低成膜树脂见光老化的风险,提高其耐用性能。
机硅消泡剂;所述密着剂为非离子型树脂密着剂。
涂层表面,使得光催化物质暴露于光照下,见光率大大提高,其光催化性能相应提高,从而
提高光催化去污的特点,同时本发明采用具有(001)晶面暴露的二氧化钛作为光催化物质,
该种二氧化钛具有相对更高的不饱和度和更独特的电子结构,因而其具有更高的光催化活
性。由于本发明中的二氧化钛涂覆于成膜树脂表面,阻隔阳光直接照射成膜树脂,提高成膜
树脂的抗老化性能,相比于其他光催化涂层材料,一方面具有优良的涂层物理性能,另一方
面具有光催化去除气态污染物的能力。例如,在温和的条件下即可利用太阳光大幅度去除
氮氧化物,无二次污染,在环境治理等领域具有重要的研究意义和良好的应用前景。
包覆,尽可能的暴露于光照下以提高光催化性能;同时底层涂料中掺混有二氧化钛以提高
底层涂料A的机械性能,提高涂料的耐用性;底层涂料A与顶层催化层B的复合作用,不仅有
利于提高整体的光催化性能,同时也起到保护底层涂料以提高整个涂料的耐用性,在环境
治理领域具有良好的应用前景。
化学键的结合进一步加强了底层涂料A与顶层催化层B之间的双层连接能力,有利于防止顶
层催化层B从底层涂料A上脱落,可提高该复合涂料的持久催化性能,同时也有利于延长底
层涂料A的抗老化性能。同时顶层催化层B能均匀的分散于底层涂料A表面,形成完整的阻隔
层以防止阳光照射于底层涂料A。
附图说明
构图;
具体实施方式
容,适当改变结构、工艺条件等环节来实现相应的其它目的,其相关改变都没有脱离本发明
的内容,所有类似的替换和改动对于本领域技术人员来说是显而易见的,都被视为包括在
本发明的范围之内。
本发明中涂料的制备,将制备的二氧化钛纳米片做XRD表征,XRD图如图1所示,确定制得的
二氧化钛纳米片为具有(001)晶面暴露的锐钛矿相;同时图2 (a)‑(d)为具有(001)晶面暴
露的二氧化钛纳米片的投射电子显微镜照片。
技有限公司,型号:HY‑201)、1 份苯并三唑类稳定剂(厂家:鼎海塑胶化工有限公司,型号:
RQT‑X‑2;)、4 份十二醇酯成膜剂(厂家:东莞市同心化工有限公司)、0.4份水性增稠剂(厂
家:深圳市吉田化工有限公司,型号:J0617)、0.1 份有机硅消泡剂(厂家:深圳市吉田化工
有限公司,型号:JT908)、0.5 份非离子型树脂密着剂(厂家:广州市侗富贵化工原料有限公
司,型号:M6007)、38 份水按质量比例充分混合,于搅拌釜中,在5000 r/min高速搅拌2h多
少时间得到底层涂料A。
30%双氧水溶液充分搅拌后的得到顶层催化层B。
待氮氧化物进气浓度达到600 ppb左右,利用日光灯进行气态氮氧化物去除实验。根据氮氧
化物去除率‑时间曲线,光照25分钟后氮氧化物的去除率为94.3 %,大部分气态氮氧化物均
‑
被氧化为NO3,只生成7 ppb 副产物NO2,二次污染极小。
有限公司,型号:HY‑201)、1 份苯并三唑类稳定剂(厂家:鼎海塑胶化工有限公司,型号:
RQT‑X‑2)、5份十二醇酯成膜剂(厂家:东莞市同心化工有限公司)、0.5 份水性增稠剂(厂
家:深圳市吉田化工有限公司,型号:J0617)、0.2份有机硅消泡剂(厂家:深圳市吉田化工有
限公司,型号:JT908)、0.3份非离子型树脂密着剂(厂家:广州市侗富贵化工原料有限公司,
型号:M6007)、29.5份水按质量比例充分混合,于搅拌釜中,在5000 r/min高速下搅拌2h得
到底层涂料A。
积浓度30%双氧水溶液,充分搅拌后的得到顶层催化层B。
待氮氧化物进气浓度达到600ppb左右,利用日光灯进行气态氮氧化物去除实验。根据氮氧
化物去除率‑时间曲线,光照25分钟后氮氧化物的去除率为92.0%,大部分气态氮氧化物均
‑
被氧化为NO3,只生成8 ppb 副产物NO2,二次污染极小。
号:HY‑201)、1 份苯并三唑类稳定剂(厂家:鼎海塑胶化工有限公司,型号:RQT‑X‑2)、3 份
十二醇酯成膜剂(厂家:东莞市同心化工有限公司)、0.8 份水性增稠剂(厂家:深圳市吉田
化工有限公司,型号:J0617)、1 份有机硅消泡剂(厂家:深圳市吉田化工有限公司,型号:
JT908),1 份非离子型树脂密着剂(厂家:广州市侗富贵化工原料有限公司,型号:M6007)、
22.2 份水按质量比例充分混合,于搅拌釜中,在5000 r/min高速搅拌下2h得到底层涂料A。
分搅拌后的得到顶层催化层B。
待氮氧化物进气浓度达到600ppb左右,利用日光灯进行气态氮氧化物去除实验。根据氮氧
化物去除率‑时间曲线,光照25分钟后氮氧化物的去除率为93.3 %,大部分气态氮氧化物均
‑
被氧化为NO3,只生成9 ppb 副产物NO2,二次污染极小。
型号:HY‑201)、0.5 份苯并三唑类稳定剂(厂家:鼎海塑胶化工有限公司,型号:RQT‑X‑2)、5
份十二醇酯成膜剂(厂家:东莞市同心化工有限公司)、1 份水性增稠剂(厂家:深圳市吉田
化工有限公司,型号:J0617)、0.5 份有机硅消泡剂(厂家:深圳市吉田化工有限公司,型号:
JT908)、0.5 份非离子型树脂密着剂(厂家:广州市侗富贵化工原料有限公司,型号:
M6007)、25 份水按质量比例充分混合,于搅拌釜中,在5000 r/min高速搅拌2h得到底层涂
料A。
分搅拌后的得到顶层催化层B。
氧化物进气浓度达到600ppb左右,利用日光灯进行气态氮氧化物去除实验。根据氮氧化物
去除率‑时间曲线,光照25分钟后氮氧化物的去除率为97.9 %,大部分气态氮氧化物均被氧
‑
化为NO3,只生成8 ppb 副产物NO2,二次污染极小。
型号:HY‑201)、1 份苯并三唑类稳定剂(厂家:鼎海塑胶化工有限公司,型号:RQT‑X‑2)、5
份十二醇酯成膜剂(厂家:东莞市同心化工有限公司)、0.4 份水性增稠剂(厂家:深圳市吉
田化工有限公司,型号:J0617)、0.4有机硅消泡剂(厂家:深圳市吉田化工有限公司,型号:
JT908)、0.5 份非离子型树脂密着剂(厂家:广州市侗富贵化工原料有限公司,型号:
M6007)、30.2 份水按质量比例充分混合,于搅拌釜中,在5000 r/min高速搅拌2h得到底层
涂料A。
30%双氧水溶液,充分搅拌后的得到。
下,待氮氧化物进气浓度达到600ppb左右,利用日光灯进行气态氮氧化物去除实验。根据氮
氧化物去除率‑时间曲线,光照25分钟后氮氧化物的去除率为96.3 %,大部分气态氮氧化物
‑
均被氧化为NO3,只生成8 ppb 副产物NO2,二次污染极小。
催化性能,采用GB T 1865‑2009 《色漆和清漆 人工气候老化和人工辐射曝露滤过的氙弧
辐射》标准的老化条件对实验组(底层涂料A+顶层催化层B)与对照组(底层涂料A)做抗老化
2
实验,老化时间为600h,平均辐射强度为60w/m ,将老化后的实验组与对照组用于测试期光
催化性能,光催化的实验条件与实施例2保持一致,并对结果做出评价,老化实验600h后,对
照组(底层涂料A)涂层表面变成淡黄色,实验组(底层涂料A+顶层催化层B)涂层表面无变
化;催化性能比较,老化600h后,对照组(底层涂料A)的氮氧化物去除率为22.3%;实验组(底
层涂料A+顶层催化层B)的氮氧化物去除率为94.3%。
不变。
水)与实施例2中的由底层涂料A与顶层催化层B制作的涂层实验组(有双氧水)进行对比,在
相同的条件下比较两个涂层的抗老化性能与光催化性能,采用GB T 1865‑2009 《色漆和清
漆 人工气候老化和人工辐射曝露滤过的氙弧辐射》标准的老化条件对实验组(有双氧水)
2
与对照组(无双氧水)做抗老化实验,老化时间为600h,平均辐射强度为60w/m ,将老化后的
实验组与对照组用于测试期光催化性能,光催化的实验条件与实施例2保持一致,并对结果
做出评价,老化实验600h后,对照组(无双氧水)涂层表面有淡黄色斑点,实验组(有双氧水)
涂层表面无变化;催化性能比较,老化600h后,对照组(无双氧水)的氮氧化物去除率为68.
6%;实验组(有双氧水)的氮氧化物去除率为94.3%。
化层B中的二氧化钛不能良好的分散于底层涂料A表面,并将基层涂料A中的丙烯酸基涂料
完全覆盖,且经过600h的老化后,实验组(有双氧水)的光催化性能基本不变。
归属于本发明的专利涵盖范围之内。