BG109914A - Силикатна боя универсална с въздухопречистващ ефект - Google Patents

Abstract

Изобретението се отнася до състав и метод за производство на еднокомпонентна силикатна боя с универсално предназначение, притежаваща фотокаталитично,въздухопречистващо действие. Боята служи за защитно-декоративни покрития върху бетон, тухли, мазилки, шпакловки, каменни облицовки и други повърхности. Тя е напълно екологична и основните й компоненти - филмобразуващи вещества, пигменти, пълнители са от неорганичен произход и не замърсяват околнатасреда. Покритията от боята, под действието на ултравиолетови лъчи, създават емисии от озон и кислород, които пречистват въздуха и имат антибактериално и фунгицидно действие.

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до боя за защитно-декоративни покрития, при която в качеството на филм-образуващо вещество се използва калиев силикат под формата на модифицирано калиево водно стъкло, а като основен пигмент титанов двуокис, притежаващ високи фотокаталитични свойства.

Предшестващо състояние на техниката

Известни са силикатни интериорни и фасадни бои, които по данни на европейската и американска техническа литература запазват защитните и декоративни качества в течение на десетилетия. Покритията на основа силикатна боя се отличават с висока атмосферна устойчивост. Устойчиви са на топлина, влага, ултравиолетово лъчение, озон, киселини и други агресивни агенти. Притежават високи якостни качества, добра въздухо и паропроницаемост, огнезащитни свойства и екологически са напълно безвредни. Отличават се и с незначително полепване на прах. Тези специфични свойства на силикатните бои ги правят особено подходящи за боядисване на фасади на здания. Силикатни бои се произвеждат в САЩ и в повечето Зпадно-Европейски страни. В Русия също се произвеждат силикатни бои за външно и вътрешно боядисване, които като правило се състоят от две съставки: а) течна съставка в пластмасова опаковка - калиево водно стъкло със силикатен модул п=3-4 и плътност 1,4-1,42г/см³; б) суха съставка в книжна опаковка, състояща се от цинквайс (ZnO), минерални пигменти и пълнители (фино смлян кварц, талк технически, креда и други). Приготвянето на боята се извършва непосредствено преди началото на полагането й. Готовата боя има годност 10-12 часа. Също в Русия се произвежда силикатна боя за защита от корозия на вътрешната повърхност на стоманени цистерни за питейна вода. Боята включва пигментна • · смес от алуминиева паста, цинков прах и втвърдител - воден разтвор на фосфорна киселина с плътност 1,04-1,06г/см³.

Често като силикатни бои се представят бои, в които водното стъкло присъства в малки количества само като модификатор.

Широко приложение в строителството намират и така наречените водноемулсионни, водно-дисперсни или латексни бои. Латексните бои представляват суспензии на пигменти в синтетични латекси (емулсии). Към тях спадат поливинилацетатните, стирол-бутадиеновите, полиакрилатни и други бои. Поливинилацетатните и стирол-бутадиеновите бои са предимно интериорни бои, а полиакрилатните се използват за боядисване на фасади на здания и за други цели. Латексните бои имат сложен състав, освен филм-образуващото вещество и пигменти те съдържат: пластификатори, емулгатори, диспергатори на пигменти, сгъстители, антисептици, тиксотропиращи вещества, пеногасители, инхибитори на корозия и други съставки. Отсъствието в състава им на органични разтворители обуславя тяхната не токсичност, взриво- и пожаро-безопасност при приготвянето и нанасянето им, а също и невисоката им цена. Те лесно се нанасят чрез разпръскване, с четка или валяк, даже на влажни повърхности. Изсъхват при обикновени температури като образуват матови порести паро- и въздухо-проницаеми филми.

Недостатъците на описаните емулсионните бои е сравнително невисоката им механична якост, а така също е невисоката водо- и мразо-устойчивост. Стирол-бутадиеновите емулсионни бои не са достатъчно светлоустойчиви (потъмняват на светлина) и лесно се замърсяват. В по-малка степен същите недостатъци са присъщи и на другите емулсионни бои.

През последните две десетилетия се наблюдава повишен интерес към разработването на фотокаталитични материали за преобразуване, разлагане и дезактивиране на различни опасни замърсители на околната среда.

Има десетки патенти за материали, свързани с фотокаталитичното действие на TiO₂ - анти-бактериална керамика, фотокаталитичен силикагел, фотокаталитичен филтър, фотокаталитици за пречистване на вода и т.н.

Известни са научни съобщения и патенти за т.нар. екологични бои за “пасивно” пречистване на атмосферния въздух, при които в качеството на филм-образуващо вещество са използвани органосилициеви съединения или специални флуор-въглеродни полимери, а като пигмент и фотокатализатор TiO₂. В много от патентите има претенции, че е използван специален TiO₂ с много фина гранулометрия, получена при използване на нискотемпературна плазма (НТП). Трябва да се има предвид, че това е рутинна технология, 70% от титановия двуокис в САЩ се получава чрез използване на НТП, при което се получава TiO₂ с размер на частиците 0,2 - 0,3 μπι.

Проблемите с използването на фотокаталитичните свойства на титановия двуокис са свързани с качествата на филм-образуващото вещество и здравината на получения филм.

Използването на полимерни материали на органична основа в качеството на филм-образуващо вещество във фотокаталитичните покрития притежава следните недостатъци: полученият филм не е достатъчно светлоустойчив; използваните разтворители и разредители замърсяват околната среда; използваните суровини са дефицитни.

Използването на органосилициеви съединения (органосилициеви лакове) изглежда по-перспективно, но и то има недостатъци: получените покрития, които имат високи якостни и хидрофобни показатели, не са достатъчно въздухо-проницаеми; за понижаване температурата на втвърдяване и ускоряване на съхненето на органосилициевите лакове, те обикновено се модифицират с алкидни, полиетерни, епоксидни и други смоли. За разтворители на органосилициевите лакове служат ароматни въглеводороди, а за разредители - прости или сложни етери, кетони и хлор-производни на въглеводородите и други; поради формирането в покритията на техни основи на големи вътрешни напрежения, покритието трябва да се нанася на няколко последователни слоя с междинно сушене; при това органосилициевите съединения са скъпи материали.

Основните изисквания към фотокаталитичния филм са: да има отворена пореста структура; да бъде въздухопроницаем; да бъде устойчив към силни окислители (озон, кислород); да бъде прозрачен и устойчив за ултравиолетовата радиация. По наше мнение най-добре отговарят на тези изисквания филми, получени чрез използване в качеството на филм-образуващо вещество - водни разтвори на алкални силикати (водни стъкла).

Задачата на изобретението е да създаде състав за силикатна боя, обезпечаваща покритието с високи механични, защитни и декоративни свойства. Образуваният филм трябва да бъде въздухо-проницаем, устойчив на ултравиолетово лъчение и да притежава фотокаталитични свойства, обезпечаващи антибактериално действие и пречистване на въздуха от вредни замърсители и обогатяването му с кислород.

Техническа същност на изобретението

Задачата е решена като са създадени състави за силикатни бои, съдържащи следните компоненти:

1. Филм-образуващо вещество - Калиево водно стъкло - K2O.mSiO2.nH2O т=1,5-3, п=3-6, р = 1,38 - 1,40г/см₃, модифицирано с 10-50 % Na силикат с т=2,0-2,5, плътност 1,500г/см₃ или с 0,5-2% Li силикат с плътност 1,20 1,25г/см₃. Калиевото водно стъкло е разглеждано при разработката като колоиден разтвор на неорганичен полимер. Формирането на филма (коагулацията и втвърдяването на водното стъкло) става без въвеждане на специално активно вещество в резултат на изпаряване на водата и • · взаимодействие на водното стъкло с СО₂ на въздуха след нанасяне на покритие

K₂O.mSiO₂ + СО₂ К₂СО₃ + mSi(OH)₄.aq

При приготвяне на силикатна боя се използва калиево водно дтъкло с плътност 1,12-1,28 г/см³ (25° Be). Разреждането на калиевото водно стъкло до тази плътност се извършва с дейонизирана вода с цел да се обезпечи голям срок на годност на боята. При употребата й в практиката силикатната боя може да се разрежда до работна гъстота с обикновена вода.

Количеството на филм-образуващото вещество е 120-125 % от масата на сухите компоненти.

За получаването на еднокомпонентна боя с голям срок на годност са подбрани сухи компоненти (пигменти и пълнители ) които да не се разтварят и не хидролизират във филм-образуващото вещество.

СУХИ КОМПОНЕНТИ

2. Пигменти

- Титанов диоксид - TiO₂.

Поради ефективното разсейване на видимата светлина (380 - 760 шп) и високата стойност на коефициента на пречупване на светлината той придава на покритието белота, яркост и висока покривна способност. Титановият диоксид е неразтворим във вода. Химически е съвършено инертен и може да се използва с всяко свързващо вещество. TiO₂ е химически стабилно съединение, но влизащия в неговия състав атом титан има координационно число бие кординационно ненаситен и може здраво да присъединява две молекули вода с образуване на прекисна група под формата на напрегнат триъгълен пръстен. Съединенията с такъв пръстен, под действие на УВЛ лесно отделят озон и кислород. Титановият двуокис съществува под формата на две кристалографски модификации - рутил (R) и анатаз (А). И двете модификации имат много висок • · · • · • · коефициент на пречупване на светлината - n_D, като за рутила n_D =2,73 и за анатаза n_D = 2,56. Покривната способност (при равна маса) при Rec 30% поголяма от тази на анатаза. Фотокаталитичната активност при А е много поголяма от тази на рутила. Посредством промяна на съотношението между двете модификации в състава може да се променя фотокаталитичната активност на боята.

3. Пълнители:

- Бариев сулфат - BaSO₄ - Природен или синтетичен

По величината на коефициента на пречупване на светлината той се намира на границата между пигментите и пълнителите с п_а=1,64.

Природният BaSO₄ (барит) съдържа 80-95% BaSO₄ и примеси от кварц (SiO₂), калцит (СаСО₃, флуорит и други. Използва се бял барит с гранулометричен състав 10-20 μ. Бариевият сулфат практически не се разтваря във вода (lg. BaSO₄ се разтваря в 200 000 g. Н₂О), pH на водния извлек е 7. Устойчив е на действието на киселини и основи и сяросъдържащи газове, термически е устойчив (т.т. 1580°С). Лесно се мокри и диспергира. Притежава бял цвят със стъклен блясък.

Синтетичният бариев сулфат (бланкфис) е кристален прах с по-бял цвят, по-висока дисперсност на частиците и по-добра покривна способност от природния барит. Използва се когато е необходим по-бял цвят.

Комбинацията от TiO₂ - BaSO₄ обезпечава по-бързо изсъхване на покритието от силикатна боя.

- Талк (магнезиев хидросиликат- Mg3(Sii₄.Oig)OH. Използва се бял талк, белота 92-97%, n_D=l,58 и гранулометрия 10-20μ. Отличава се с мекост и масленост несвойствена на другите минерали. Химически е съвършено инертен, неразтворим във вода и киселини. Поради специфичната форма на • · « • · частиците оказва укрепващо действие на покритието, увеличава неговата хидрофобност и атмосферна устойчивост.

Количеството му е от 3 до 8% от масата на сухите компоненти.

- Магнезиев карбонат (магнезит) - MgCO₃. Фино смлян природен магнезит, 10-20μ с бял цвят, изпълнява ролята на пълнител (n_D=l,51-l,7). Подобрява способността на силикатната боя да се нанася с четка. Количеството му е от 3 до 8% от масата на сухите компоненти.

- Слюда, получена чрез мокро смилане на мусковит с коефициент на яркост по-голям от 68%, съдържание на влага < 1%, съдържание на странични примеси (пясък, кварц и др.) <0,2%, рН.7, съдържание на водноразтворими соли <0,3%. Гранулометрия: съдържание на частици < 20 μ - 90%, < 10 μ 60% и под 5 μ - 30%. Количество от 1,5 до 5 % от сухата смес.

Слюдата подобрява еластичността и атмосферната устойчивост на покритието, а също намалява склоността към образуване на плътни утайки при съхранение на боята.

- Кварц - S1O2 с различна гранулометрия

- Аеросил (SiO2>99,9%): изкуствен силициев двуокис кристален с разийр на частиците 0,003 - 0,04μ, насипна маса 40-60kg/m³, специфична повърхност по метода СЕТ - > 175m²/g, в количество 1,5-5% от масата на сухата смес;

- Смлян природен кварц със съдържание на SiO2 над 92% с различна гранулометрия 5-40μ, в количество 3-8% от сухата смес;

Този пълнител обезпечава висока механична якост на покритието и прозрачност за УВЛ.

- Воластонит - CaSiO₃. Воластонитът е природен минерал. Той има висока яркости белота - коефициент на отражение 94%. Частиците на смления воластонит имат иглеста форма. Повишава стабилността на емулсиите, • · · · · предотвратява корозията на металната тара и понижава въздуховъвличането. Количество от 1,5 до 5 % от сухата смес.

- Флуорит CaF2- фино смлян минерал с минимално съдържание на CaF2 80%. Пропуска ултравиолетовите лъчи и спомага за фотокаталитичното действие на титановия двуокис. Количество 2-6 %от масата на сухите компоненти.

- Бентонит (колоидална глина, монтморилонит) - фино смлян природен продукт, който подобрява реологичната структура на силикатните бои и им придава тексотропни и противоутаечни свойства и ги стабилизира. Добавя се в количество 6-8% от масата на сухите компоненти, при по-големи количества причинява матиране на филма. Бентонитът може да бъде заменен и с “Бентоне” (диметилоктадециламониев монтморилонит) - фино смлян природен бентонит, допълнително аминиран. “Бентоне” притежава свойствата на бентонитите изразени в по-висока степен и е хидрофобен.

- Зеолит - скелетни алумо-силикати с триизмерен скелет от тетраедри на [S1O4]⁴’ и [А104]⁵’здраво закрепени за ъглите, образуващи канали и кухини с размери 0,2-l,5nm през цялата кристална структура; отношение Si:Al =1,72,9; катионен обменен капацитет-min 100 mg eqv/100g. Зеолитите адсорбират калиевите йони от водното стъкло, които балансират отрицателния заряд на зеолитната структура. Подобряват еластичността на филма. Количество 210% от масата на сухите компоненти.

- Метил-целулоза или други катионно активни повърхностно активно вещества в количество от 0,2 до 1% от масата на сухите компоненти.

- Алуминиев стеарат или други метални сапуни на масните киселини в количество 0,1 -0,3 % от масата на сухите компоненти • *

Предимствата на изобретения състав за силикатни бои са следните:

• Получените силикатни бои са напълни екологични. За производството им и при употребата им не се използват леснозапалими и вредни за здравето органични разтворители и компоненти;

• Силикатната боя има ниско повърхностно напрежение и добре мокри повърхностите, върху които се нанася. Притежава висока адхезия към бетон, тухли, варвои и варо-циментни мазилки, каменни други облицовки. Вискозитетът на боята е нискък, близък до този на водата и добре прониква в основта, върху която се нанася като я укрепва. Bofe ©

съхнат изклютилено бързо;

• Полученото покритие притежава голяма якост, дълготрайност и високи естетически показатели. Устойчиво е на атмосферни влияния, влага, киселини и УВЛ. Емисиите на О₃ и О2 под въздействието на УВЛ пречистват и освежават въздуха и притежават бактерицидно и фунгицидно действие;

• Покритието от изобретения състав притежава ис%но изразено фотокаталитично действие и представлява своеобразна екологична машина за производство на кислород и озон, като за суровина служи влагата от атмосферата, а енергията за нейното действие се обезпечава от

УВЛ на слънцето или от изкуствени източници на УВЛ;

• Ако е необходимо грундиране на основата, върху която се нанася покритието, не е необходимо да се употребяват специални грундове, за целта може да се използва разредена силикатна боя;

• Процесът на производство на латексови бои се свежда до получаване на пасти, състоящи се от пигменти, пълнители, емулгатори, защитен колоид и други и следващо смесване на тези пасти с латекса. При производството • · · · · . 10 на предлаганата силикатна боя може да се избегне производството на паста и технологичния процес да се опрости съществено;

• Изобретеният състав за производство на фотокаталитична силикатна боя може да послужи като основа за производство на бои със специално предназначение.

Примери за изпълнение

Изобретението се илюстрира със следните примери :

Пример 1 % Пример 2 %

TiO2 (А)	21		TiO2 (А)	15
BaSO4	4		TiO2 (R)	6
Аеросил	1,5		BaSO4	4
SiO2 < 20мкм	3,5		Аеросил	1,5
SiO2 < 75мкм	3,5		SiO2 < 20мкм	3,5
MgCO3	3		SiO2 < 75мкм	3,5
CaF2	2		MgCO3	3
Талк	3		CaF2	2
Слюда	1,5		Талк	3
Воластонит	1,5		Слюда	1,5
Бентонит	2		Воластонит	1,5
Зеолит	1		Бентонит	2
Метил-целулоза	0,2		Зеолит	1
Мет. Сапун	0,05		Метил-целулоза	0,2
К водно стъкло 50%, модиф. с 9 об. % Na водно стъкло и 1 об. % Li силикат (50%)	52,25		К водно стъкло 35%	52,3

ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

Claims (3)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   1. Състав за производство на универсална, фотокаталитична силикатна боя, характеризиращ се с това, че съдържа:

   A) Филм-образуващо вещество - калиево водно стъкло K
2. 2O.mSiO2.nH2O със силикатен модул т=3-3,6, плътност 12-25 °Ве, модифицирано с 10-50 об. % натриев силикат или 0,5-2 об. % литиев силикат (50%), в количество 116130 % от масата на готовата смес

   Изходното калиево водно стъкло се разрежда с дейонизирана вода до необходимата плътност.

   B) Сухи компоненти:

   - Титанов двуокис - TiO₂, анатаз, рутил или комбинация от тях, количество 40-60% от масата на сухите компоненти;

   - Бариев сулфат - BaSC>4 или бланкфис ^количество 6-8% от масата на сухите компоненти;

   - Аеросил, количество 1,5-5 % от масата на сухите компоненти;

   - Кварц с гранулометричен състав 10-50μ, в количество 5-10% от сухите компоненти;

   - Флуорит - CaF₂, безцветен, в количество 2-6 % от масата на сухите компоненти;

   - Слюда (К или Li, без съдържание на Fe), фино смляна, бяла, в количество
3. 3-5 % от масата на сухите компоненти;

   - Воластонит - CaSiCb, бял или прозрачен със стъклен блясък и размер на частиците < 20μ, в количество 3-5 % от масата на сухите компоненти;

   - Талк, размер на частиците < 20μ, в количество 8-10 % от масата на сухите компоненти;

   - Магнезиев карбонат - MgCO₃, фино смлян до 10-20μ, в количество 6-8% от масата на сухите компоненти;

   Бентонит, фино смлян или бентоне в количество 3-4% от масата на сухите компоненти;

   - Зеолит фино смлян в количество 1-2 % от масата на сухите компоненти;

   - Метил-целулоза или други катионно активни повърхностно-активни вещества в количество 0,2-1% от масата на сухите компоненти;

   - Хидрофобизатори - метални сапуни на мастните киселини в количество 0,1% от масата на сухите компоненти

   Оцветители- алкално устойчиви пигменти в количество 3-8% от масата на сухите компоненти;