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自清洁净霾氟碳涂层研究

2019年01月16日 点击:

近年来,国内很多城市的雾霾污染严重,雾是自然天气现象,危害很小;霾是由空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机化合物等粒子组成的。灰霾粒子的尺度比较小,从0。001μm 到10μm,平均直径大约在1~2μm左右。这种颗粒本身既是一种污染物,又是流感病毒、结核杆菌、肺炎球菌、重金属、多环芳烃等有害物质的载体,含有各种对人体有害的细颗粒、有毒物质达20多种。由于粒径小(即PM2。5),易被人体吸收,非常不利于儿童成长及身心健康,尤其对呼吸系统、心血管系统危害较大,影响生殖能力,而且会增强传染性病菌的活性,使传染病增多。

本实验研究了一种含有纳米TiO2的氟碳涂层,这种涂层刷在建筑物表面后,与空气接触,能有效地抑制霾的产生并分解霾,减少霾的危害。纳米TiO2作为纳米材料具有许多特性,小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应。纳米TiO2是一种半导体材料,Bickley等研究发现,锐钛矿型TiO2的禁带宽度为3.2eV,在光照特别是紫外光的照射下其夹带电子就会跃迁至导带,从而形成光生电子和光生空穴对,电子与空气中的氧气发生反应,生成高活性的超氧离子·O2-,而空穴则与表面水或OH-反应生成具有强氧化性的羟基自由基·OH,羟基自由基具有很高的化学活性,可以破坏有机物的C—C、C—H、C—O、C—N、N—H、O—H键,所以纳米TiO2能有效地对有机酸类、烃类、酚类、卤代脂肪烃、卤代芳烃、硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、杂环化合物、染料、表面活性剂、农药等进行光催化反应,最终将其降解为H2O、CO2等无机小分子,从而消除了其对环境的污染。对于无机污染物的处理也都取得了预期的效果。

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1 实验部分

1。1 主要原材料


钛酸丁酯:工业品,南京尊德科技江南娱乐登陆;无水乙醇:分析纯,天津市津东天正精细化学试剂厂;冰醋酸:分析纯,济宁华凯树脂江南娱乐登陆;纳米二氧化钛专用分散剂TDL-ND: 工业品,南京天行新材料江南娱乐登陆;水性涂料消泡剂DC65:工业品,道康宁(中国)投资江南娱乐登陆;pH 调节剂AMP-95:工业品,广州市润宏化工江南娱乐登陆;氟碳乳液:工业品,长兴化工;流平剂Si-well-Rebon SR 106:工业品,广东雷邦高新材料江南娱乐登陆;成膜助剂:工业品,广州恒宇化工江南娱乐登陆。


1。2 主要仪器


马尔文纳米粒度仪Zetasizer APS:进口;分散机ZTF-M-I:上海众托实业江南娱乐登陆; 高速分散研磨器ZFS-1.5/2.2:上海臻煊机电科技江南娱乐登陆;电热鼓风干燥箱202-00S:长沙科怡仪器设备江南娱乐登陆;箱式电阻炉SX2-4-10(马弗炉):金坛市华城润华实验仪器厂。 


1。3 试验工艺


1.3.1 溶胶-凝胶法制备纳米TiO2

溶胶-凝胶法可以在低温下制备高纯度、粒径分布均匀、化学活性大的单组分或多组分分子级纳米TiO2,具体工艺如下。

在完全干燥的烧杯中加入无水乙醇、冰醋酸,再加入适量的钛酸丁酯,分散10~20min。在快速搅拌下,将无水乙醇和去离子水、分散剂的混合物滴入上述液体中。滴加完后,水浴加热至70~75℃,继续搅拌10~20min 后,静置30~60min,得到均匀的微黄色凝胶,用烘箱110~120℃烘干,放到马弗炉中400~600℃焙烧、活化得到黄色粉末。反应式如下:


1.3.2 自清洁净霾涂料的制备

将黄色纳米TiO2粉末放入加有去离子水、分散剂、消泡剂并正高速分散的液体中,分散润湿20~30min,滴加稀释的pH调节剂,使pH为7~9,分散10~15min,然后超高速研磨4~6h,得到纳米分散液。测试纳米分散液的粒径,合格后,中速分散下加入乳液、流平剂、防沉剂、成膜助剂,分散40~60min后得到自清洁净霾涂料。


2 结果与讨论

2.1 影响纳米分散液中TiO2粒径大小的因素


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图1 纳米分散液粒径分布

图1是用纳米粒度仪测试纳米分散液的粒径分布图,可以看出粒径主要集中在15~30nm 之间,在多次实验时发现有很多因素影响分散液中TiO2粒径的大小和分布。将条件控制在最佳,粒径可以集中在5~10nm,控制不好会>100nm,甚至集中在几十微米,同时稳定性不好,易团聚、沉降。经过分析,影响分散液中TiO2粒径大小的因素主要有以下几个方面。

2。1。1 水解速度的影响

实验发现:水解速度过快,试验过程中会有大量的块状絮凝物生成,得不到稳定的透明溶胶。这将直接影响后期的TiO2分散液的颗粒大小和分布,所以要加入适量的冰醋酸,并控制好滴加无水乙醇和去离子水、分散剂的混合物的速度,同时要控制好后期水浴升温的速度。

2.1.2 马弗炉烘烤温度的控制

马弗炉的温度要控制好,升温过快和不适当的温度,烘烤时间过长或过短,都会导致粒径变大。

2。1。3 分散剂的影响

选用合适的分散剂,将大大提高实验的成功率,更容易得到粒径分布理想的纳米TiO2分散液。

2。1。4 超高速研磨的影响

实验发现,研磨机的转速对纳米TiO2的分散有很大的影响。当转速达到一定强度时,研磨效率会明显提高,更容易短时间内将纳米TiO2分散开,更容易得到粒径分布理想的纳米TiO2分散液。


2.2 自清洁净霾涂料对空气的净化效果


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图2 纳米TiO2对氮氧化物的作用检测结果对比图

图2(A)为在密闭透光的容器中,放入涂刷有自清洁净霾涂层的实验板,然后充入检测气体,测试浓度变化。从图2 可以看出,前10min,在无光的情况下,气体浓度变化很少; 在自然光的照射下,15min 内,NO和NOX的浓度迅速减少;而(B)为没有涂刷自清洁净霾涂料的对照组,气体浓度变化较小。检测机构测试的结果也表明,自清洁净霾涂层可以有效去除净化大气中的氮氧化物、甲醛,去除率达70%以上,从而可以抑制大气中O3及二次颗粒物的生成,大气中的氮氧化物的去除,有助于减少雾霾及光化学烟雾等大气污染问题的发生。


2。3 自清洁净霾涂料涂层的自清洁效果的影响因素


将刷有白色氟碳漆的金属板上,右半部分,刷上自清洁净霾涂料,放在室外露天平台。图3是刚放在室外雨后的效果图,可以看出,左部分疏水,有明显的水珠,右半部分亲水,水的接触角非常小,这有益于雨水对污染物的清洗。

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图3 自清洁净霾涂料涂层的亲水实验

图4为刷有自清洁净霾涂料的铁板放置一个月后的效果图。图5是刷有自清洁净霾涂料的铁板放置6个月后的效果图。

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图4 自清洁实验结果

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图5 自清洁实验结果

从图中可以看出,自清洁净霾涂料有着明显的自清洁效果。通过大量实验,影响自清洁净霾涂层的的自清洁效果的影响因素分析如下。

2.3.1 不同的树脂对自清洁净霾涂料自清洁效果的影响

分别用氟碳乳液、丙烯酸乳液、水性聚氨酯分散液涂层进行对比试验发现,只有氟碳涂层才能做出自清洁效果时间长、几乎无失光的净霾涂层。氟碳涂层露天放置6个月后仍有很好的自清洁效果;甚至加速老化400h后,仍显示出很好的自清洁功能。而对比丙烯酸乳液、水性聚氨酯分散液中纳米TiO2在涂层中含量相同的情况下,自清洁效果在露天下只有2~5 个月。所以最终选用氟碳乳液作为自清洁净霾涂料的成膜物质。

2.3.2 纳米TiO2的粒径分布和在涂层中的含量对自清洁效果的影响

实验发现,纳米TiO2的粒径分布越集中在更小的纳米级粒径下,催化作用越强,自清洁效果越好;涂层中纳米TiO2含量越高,自清洁效果越明显。但是,也会更快地粉化,最后失效。所以,对于不同粒径分布的纳米TiO2有不同的最佳加入量,太少则见效太慢,太多则失效太快。


3 结语


经过大量实验发现,纳米TiO2与氟碳乳液制成的自清洁净霾涂料具有高效的自清洁、净霾功能,同时成膜透明,对基材本身颜色无影响,而且施工简单方便、能耗少,不造成二次污染。当越多的建筑表面刷有自清洁净霾涂料时,对减少雾霾天气的污染越有利。当然,自清洁净霾涂料也有一定的有效期,大概3~5a会对底下的涂层有一定的粉化作用,所以应对净霾涂料的应用展开更深入广泛的研究。


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