data-full-width-responsive="true"> 纳米T iO2 改性内墙乳胶漆降解甲醛的研究刘长坤1, 孙作凤2, 吴健春3, 张玉波4, 宋庆功4, 黄婉霞4( 1 四川建筑职业技术学院, 四川德阳 618000;2 成都纺织高等专科学校机械系, 四川成都 610023;3 攀钢集团研究院成都分院, 四川成都 610065;4 四川大学材料科学与工程学院, 四川成都610065)0 前 言近年来, 随着家庭装修被越来越多人重视, 随之而来的室内环境污染问题也摆在人们的面前。人造板材, 如木工板、涂料、各种粘合剂的大量使用, 还有其
它木制家具不断释放各种有害气体, 如甲醛、苯系物、氨以及挥发性有机化合物等, 使室内污染相当严重。其中甲醛作为主要的污染源, 危害尤其严重, 经测定, 甲醛释放期可长达几十年, 长期接触不但危害人体健康, 还会污染大气[ 1] 。纳米科技的发展, 特别是纳米半导体光催化技术可利用其光催化原理,将污染有机物从根本上予以光解消除。纳米T iO2因为无毒、催化活性高、氧化能力强、稳定性好被广泛采用。在涂料领域, 可作为添加剂对传统内墙乳胶漆进行改性。改性后的乳胶漆可有效降解甲醛,净化室内空气。本文研究了纳米T iO2 对改性乳胶漆光催化降解甲醛的性能及常规性能的影响。1 实验过程1 1 实验原料和仪器( 1)实验原料苯丙乳液398: 美国罗门哈斯。颜料填料: 钛白粉(金红石型)、轻钙、重钙。添加剂: 消泡剂、增稠剂TT935、分散剂SN5040、润湿剂PE100、成膜助剂、乙二醇、杀菌剂等。纳米二氧化钛: 锐钛型纳米T iO2、抗菌粉(锐钛型纳米T iO2 掺杂铈离子)。( 2)实验仪器球磨机、高速分散机、超声波细胞粉碎机、甲醛测定仪等。1 2 制备过程将水、乙二醇、成膜助剂、润湿剂按一定比例初步混合, 加入少量分散剂、消泡剂、氨水, 调节pH 值为8~ 10左右, 高速搅拌, 搅拌过程中加入纳米材料, 超声波分散30 m in, 加入各种填料, 球磨分散30 m in, 最后加入消泡剂和乳液, 缓慢搅拌, 搅拌过程中用增稠剂调整粘度, 即获得成品。1 3 光催化原理纳米T iO2 是N 型半导体材料, 其能带有1个充满电子的低能带和1个空的高能带构成, 低能带和高能带由禁带分开。光照条件下, 当T iO2 受到大于或等于禁带宽度能量的光子(光子波长小于等于387 5 nm)照射后, 电子受激发从价带激发到导带,成为光生电子, 同时在价带上产生相应的空穴。空穴是良好的氧化剂, 可将吸附在表面的OH- 和H2O氧化形成具有更强氧化性的羟基自由基, 羟基自由基能氧化绝大多数有机污染物和部分无机污染物,将其最终降解为CO2, H2O等无害物质, 达到净化空气的目的。1 4 光催化反应设备甲醛降解实验在1个容积为1m *1 m * 1m的密闭玻璃箱内进行。玻璃4个侧面和底面固定, 顶面略大, 玻璃之间的间隙用凡士林密封以保证箱内气体不外漏。玻璃箱内底部放置1台小功率电扇和1台温度控制仪, 电扇和控温仪线路从通孔穿入(并作密封处理), 玻璃箱内顶部放置1盏小功率灯管( 365 nm 紫外灯或日光灯)。顶面玻璃预留测试孔。1 5 光催化实验过程把未改性的乳胶漆、纳米T iO2 改性乳胶漆和加抗菌粉的乳胶漆分别均匀喷涂在3块面积均为500mm* 500 mm的玻璃板上, 自然晾干, 分别放入3个1 4所述的玻璃箱内, 盖上顶部玻璃, 用凡士林对边缘进行密封。分别向3个反应箱内通入相同浓度和数量的甲醛气体, 然后把测试孔用遮盖玻璃盖上, 边缘用凡士林密封。接着启动电扇, 调节控温仪温度至25c , 在规定时间内, 每隔一段时间测定1 次箱内甲醛浓度, 甲醛浓度用ppm 表示。2 结果和讨论2 1 T iO2 晶体类型和光源的比较将锐钛型纳米T iO2、抗菌粉按一定比例(质量百分比为2% )制备改性内墙乳胶漆, 并与未改性乳胶漆进行降解甲醛实验对比。实验分两个阶段进行, 分别以紫外光和可见光为光源进行实验, 考察不同催化光源对改性乳胶漆降解甲醛的区别, 实验结果见图1, 2。
第1个阶段是以20W 的紫外灯为催化光源,甲醛初始浓度均为2 5 ppm, 实验具体方案按1 5实施。从实验结果可看出, 用锐钛型纳米T iO2、抗菌粉配制的改性乳胶漆和未改性的乳胶漆均能不同程度的降解甲醛, 锐钛型纳米T iO2、抗菌粉配制的改性乳胶漆比未改性的乳胶漆的甲醛降解程度大得多。用纳米T iO2、抗菌粉改性的乳胶漆对甲醛的降解效果没有特别明显的差别, 用紫外光光度计检测锐钛型纳米T iO2 和抗菌粉的漫反射光谱(见图3),可以发现, 在紫外光区, 它们吸收光的能力是一致的, 说明它们利用紫外光的能力没明显区别。
第2个阶段是以20W 的可见光为催化光源,甲醛初始浓度也为2 5 ppm, 实验具体方案同样按1 5实施。从实验结果可以看出, 未改性的乳胶漆同样能使甲醛浓度轻微下降。用锐钛型纳米T iO2改性的乳胶漆降解甲醛的效果比抗菌粉差得多, 同样分析锐钛型纳米T iO2 和抗菌粉的漫反射光谱(图3) , 可以发现, 在可见光区, 它们吸收光的能力是不一样的。锐钛型纳米T iO2 仅仅能吸收波长387nm 的紫外光, 而掺杂了铈离子的抗菌粉吸收光子的能力扩展到了可见光区, 因此, 在可见光为催化光源的条件下, 锐钛型纳米T iO2 改性乳胶漆只有微弱的降解甲醛的能力, 而抗菌粉改性乳胶漆表现出更好的光催化性能。关于抗菌粉的光催化机理, 有关文献报道, 铈离子虽然本身不具备光催化能力, 但是适量的铈掺杂为T iO2 光催化活性提高了有利的氧化还原势阱, 阻止了电子空穴对的复合, 从而提高了光催化性能。比较图1, 2还可以发现, 可见光作为催化光源的改性乳胶漆与紫外光作为催化光源的改性乳胶漆相比, 对甲醛的降解效果明显差一些。这表明, 在紫外光照射下, 二氧化钛的光催化活性优于用可见光作催化光源的情况, 证实二氧化钛光催化作用对紫外光的依赖性更大。这是因为紫外光波长短, 光的强度更大, 产生的光生电子和空穴就多, 催化活性也相应更高[ 2] 。2 2 对涂料老化性能的影响紫外线是引起涂料老化的根本原因之一, 因为紫外线可引起涂层的主要成膜物质链断裂, 形成活泼的游离基, 游离基进一步引发整个成膜物质的分子链发生降解。为了考察纳米T iO2 改性乳胶漆在光催化净化空气的同时, 涂膜本身是否因光催化加快老化过程。作者把已经完成了光催化实验的乳胶漆再进行老化实验, 以判断涂膜是否因光催化而加快树脂老化。为了获得有效数据, 把光催化实验时间延长到144 h, 老化实验结果见表1。表1 光催化乳胶漆的粉化等级实验
表1实验结果说明, 通过144 h的光催化降解甲醛实验, 涂膜本身没有因光催化作用而发生提前粉化现象。这是由于光催化的分解能力不足以对苯丙乳胶漆的高分子材料进行加速破坏。3 结 论( 1)用锐钛型纳米T iO2 改性内墙乳胶漆对甲醛降解有较好效果。( 2)紫外光为催化光源的条件下, 用锐钛型纳米T iO2 和抗菌粉制备的相同配比的改性乳胶漆光催化降解甲醛效果差不多, 这是由于它们在紫外光区吸收光子能量的能力无明显差异引起的。( 3)可见光为催化光源的条件下, 用锐钛型纳米T iO2 和抗菌粉制备的相同配比的改性乳胶漆光催化降解甲醛效果有较大差别, 这和它们在可见光区吸收光子能量的能力有较大差异有关。( 4)锐钛型纳米T iO2 或抗菌粉改性苯丙内墙乳胶漆并不会加快其老化过程。
