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环境友好型干粉空气净化涂料的研制(上),环境友好型干粉空气净化涂料是一种新型的功能涂料
2020年03月07日    阅读量:1994     新闻来源:中国机械网 okmao.com    |  投稿

0 前 言

室内环境的主要污染源是甲醛、苯、氨和放射性物质。如何消除这些污染物及增加室内空气中的负离子,目前尚无好的治理方法。自20世纪70年代发现TiO2在紫外光照射下具有很强的氧化还原性,而能够降解有机、无机污染物以来,人们围绕着提高TiO2光催化剂的量子效率和太阳光利用率进行了诸多研究中国机械网okmao.com。目前,利用纳米TiO2在紫外光区的良好响应,已有多种光催化剂被开发应用于难降解废水的处理。


而把光催化技术应用在涂料中,德国STO公司技术走在世界前列,其生产的可见光催化生态涂料StoColorClimasan能在非紫外光照明条件下将室内存在的有害物质,如甲醛、苯系物等VOC分解为无害的H2O和CO2,达到净化空气的目的。


国内专门设计的以涂料为载体将光催化剂固定在墙面上,得到具有净化空气功能的涂层,消除空气中VOC污染的工作大部分停留在实验研究阶段,尚未有规模化工程案例。


电气石是一种能产生负离子的天然矿石,兼具压电效应和热电效应。电气石的另一个重要特征是能自动地、永久地释放负离子。现代医学研究表明,负离子对人体的各系统有直接的生理效应,能活化细胞、净化血液、恢复疲劳、稳定植物神经系统,增强抗病能力;负离子还具有净化空气和除臭的作用。因此,电气石是一种多功能环境友好健康型材料。


凹凸棒石又名坡缕石或坡缕缟石,是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸盐黏土矿物,具有特殊的纤维结构、不同寻常的胶体和吸附性能,具有广泛的应用领域,有“千土之王”、“万用之土”等美誉,凹凸棒具有较大的比表面积,其吸附能力较强,涂料中添加凹凸棒后,当室内潮湿过大时,凹凸棒土可将空气中多余的水分吸收并储备起来;反之,当室内干燥时,则会将水分释放出来,增加空间湿度值,从而将室内湿度始终维持在40%~70%,这个范围是人体健康的最佳环境。


目前,还没有成熟的将光催化材料、电气石、凹凸棒等复配制备干粉空气净化涂料的技术,并且也没有空气净化材料的应用性能评价方法及产品标准,因此,有必要制备自调湿、释放负离子的干粉空气净化涂料,建立统一的性能评价方法和检测标准,为治理室内空气污染探索一种有效的解决方案,促进上下游产业的发展和社会进步。


并且采用固体胶粉替代传统的乳液,制作干粉状的空气净化涂料,解决传统低气味涂料的低温贮存及运输问题,以及将传统低气味涂料的底、中、面3涂层功能集于干粉空气净化涂料中,实现单涂层一体化高效涂装。

 

1 实验部分

1.1 实验原料

胶粉(北京通州)、凹凸棒(江苏盱眙)、灰钙(北京通州)、重钙(山东)、聚乙烯醇(山东)、纤维素醚(北京通州)、木纤维(北京通州)、电气石(北京)、功能性粉体(自制)、干粉消泡剂、干粉润湿分散剂(北京通州)。

1.2 产品配方

在涂料制备探索性实验以及文献资料的基础上,实验确定了干粉空气净化涂料的基本配方,见表1。

干粉空气净化涂料实验配方

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1.3 涂料的制备

1.3.1 改性纳米二氧化钛的制备(此部分由甘肃省自然能源所完成)

实验采用溶胶凝胶法,以二乙醇胺为氮源,偏钒酸铵为钒源,乙酸为抑制剂,乙醇为溶剂。N-TiO2、V-N-TiO2、H-TiO2的制备方法可参照相关文献。

1.3.2 涂料的制备

按照配方量首先将纳米粉体、凹凸棒、电气石、颜填料。分散剂、润湿剂按照配方量混合均匀,经过卧式砂磨机高速分散(转速:500~1 000 r/min )0.5~2 h,制得预分散乳液。将消泡剂、流平剂、增稠剂加入水中并高速搅拌(1 000 r/min)0.5~2 h后将预分散乳液慢慢加入,并低速搅拌(100~500 r/min)0.5~1 h,得到最终产品。

1.4 涂膜的基本性能

涂膜的基本性能按照JG/T 445—2014方法测定。检测结果见表2。

涂膜的常规性能检测结果

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1.5 测试装置

目前的检测方法有色谱法、化学法、传感器法等,色谱法测试时检测下限较高,对挥发性有机化合物(VOC)的含量要求较高;化学法测试时,一般需要富集,采样体积较多,对反应舱的浓度影响较大,且吸收液与反应液制备与养护比较困难;


传感器法比较直接,但外界因素干扰严重,并且色谱法、化学法、传感器法等方法测试时不能实现连续监测,比较费人工。鉴于上述问题,我们设计了如图1的测试装置,以解决现有方法测试时不能实现连续监测的问题。


具体检测方法可参照相关文献[光辐射强度(1±0.1)mW/cm2,波长400~760 nm,功率为8 W的4只管状日光灯,每次注射量理论值为4.5×10-6)。

在线式甲醛测试装置

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具体步骤如下:

(1)在恒温恒湿室,将检测样板放在支架12上,在反应舱11的磨口处涂覆凡士林,盖上石英盖10,用夹子固定,盖上上盖3。

(2)连接反应舱及检测系统14,打开第一硅胶管61与注射室5之间的接口,注入测试物质到注射室5内,连接接口形成一封闭系统。

(3)打开电源,启动检测系统14及气体真空泵,再用电炉7将注射室5加热,使气体挥发,利用气体真空泵实现反应舱11内部气体循环,待注射室内液体完全挥发后,关闭电炉电源。

(4)用遮光布将这个反应舱11进行密闭,利用第二气体真空泵132实现第二路气体循环系统的气体循环,检测系统中的检测器与电脑相连接,将检测结果实时输出,得出甲醛等VOC的光催化速率曲线V1。(5)关闭光源系统,重复上述1~4步骤,得出暗反应速率曲线V2。

(6)关闭光源系统,反应舱中不放检测样板,重复上述2~4步骤,得出甲醛等VOC的暗反应自然衰减曲线速率曲线V3。

(7)根据检测曲线V1~V3,分别取某一时刻的光催化后、暗反应后、自然衰减后甲醛的浓度,按照式(1)计算甲醛等VOC的光催化降解率:

在线式甲醛测试装置

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其中:P——有效质量为m g的样板经t s的光催化降解降解速度,%/(g · m2 · s);

1——有效质量为m g的样板在t时刻的光催化反应后甲醛等VOC的浓度,×10-6;

2——有效质量为m g的样板在t时刻的暗反应后甲醛等VOC的浓度,×10-6;

3——有效质量为m g的样板在t时刻的自然衰减后甲醛等VOC的浓度,×10-6;

m——单位面积功能分体含量,g;

s——有效质量为m g的样品的涂覆面积,m2;

t——时间,s。

 

2 结果与讨论

2.1 甲醛自然衰减曲线

图2给出了甲醛的光衰减曲线,可以看出,注入甲醛后,加热过程中,甲醛约0.5 min后可混合均匀,甲醛气体在自然光照射下,自然衰减曲线基本呈现线性关系,单位时间内衰减率约为6%,说明此检测方法可以用来评定甲醛的降解率。

甲醛的自然衰减曲线

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2.2 胶粉含量对涂膜性能的影响(见表3)

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胶粉含量对涂膜性能的影响

可再分散乳胶粉是由一种醋酸乙烯酯与叔碳酸乙烯酯-VeoVa或乙烯或丙烯酸酯等二元或三元的共聚物,经过喷雾干燥得到的改性乳液粉末,它具有良好的可再分散性,与水接触时重新分散成乳液,并且其化学性能与初始乳液完全相同。


在干粉涂料中,可再分散乳胶粉分散后成膜并作为第二种胶黏剂发挥增强作用。表3给出了胶粉含量对涂膜性能的影响,由表3可以看出,随着胶粉含量的增加,涂膜的耐水性性能增加,但含量大于7%时,涂膜发生开裂,故可分散胶粉含量应该小于7%,选择5%进行实验。


2.3 木纤维含量对涂膜性能的影响

木质纤维素(Methyl Cellulose)是天然可再生木材经过化学处理、机械法加工得到的有机絮状纤维物质,无毒、无味、无污染、无放射性。木质纤维素具有以下特点:对防止涂层开裂、提高保水性、提高生产的稳定性和施工的合易性、增加强度、增强对表面的附着力等有良好的效果;木质纤维素密度小、比表面积大,具有优良的保温、隔热、隔声、绝缘和透气性能,热膨胀均匀不起壳不开裂;


更高的湿膜强度及覆盖效果;木质纤维具有优良的柔韧性及分散性,混合后形成三维网状结构,增强了系统的支撑力和耐久力,能提高系统的稳定性、强度、密实度和均匀度。木质纤维的结构黏性,使加工好的预制浆料(干湿料)的均匀性保持原状稳定并减少系统的收缩和膨胀,使施工或预制件的精度大大提高。


表4给出了木纤维含量对涂膜性能的影响,可以看出,木质纤维素添加量在0.5%~1%时,可以较好防止涂膜开裂。

木纤维含量对涂膜性能的影响

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2.4 纤维素醚含量对涂膜性能的影响

纤维素醚是产量、用量都在迅速增加的纤维素品种。是由精制棉经碱化处理后,用环氧丙烷和氯甲烷作为醚化剂,通过一系列反应而制成的非离子型纤维素混合醚,取代度一般为1.2~2.0。其性质因甲氧基含量和羟丙基含量的比例不同而有所差别。


在涂料中可明显增加涂料的黏度,提高施工黏结性。实验选择羟丙基甲基纤维素醚做干粉涂料,表5给出了羟丙基甲基纤维素醚对涂膜黏度的影响,由表5可以看出,干粉涂料与水的比例在相同的条件下,随着羟丙基甲基纤维素醚含量的增加,涂膜的黏度逐渐增大,且施工性能也较好,故羟丙基甲基纤维素醚的添加量选择在0.5%~2%。

纤维素醚含量对涂膜性能的影响

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张海银1 ,张安杰1,曾慧崇1,陈丽丽1,付 燕1,李鑫哲2,韩立娟3,罗志河1,安兴才3(1.西北永新涂料有限公司,兰州 730046;2.兰州大学,兰州 730000;3.甘肃省科学院自然能源研究所,兰州 730000)

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