CN107057446B - 一种光触媒添加剂及含该添加剂的亲水性涂料的使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光触媒添加剂，属于光触媒涂料技术领域。其中，所述光触媒添加剂为掺杂有铈Ce和氮N的纳米二氧化钛TiO2。本申请所述的光触媒涂料能起到优异的去油酸、去硬脂酸功效；此外，本发明还提供了含该添加剂的亲水性涂料的使用方法，给出了用于空调铝翅片时，不同厚度的铝箔所对应的涂覆厚度。
Description
技术领域
本发明涉及涂层材料技术领域，特别涉及一种光触媒添加剂及含该添加剂的亲水性涂料的使用方法。
背景技术
光触媒是一种以纳米级二氧化钛(TiO2)为代表的具有光催化功能的光半导体材料的总称，它涂布于基材表面，在紫外光线的作用下，产生强烈催化降解功能：能有效地降解空气中有毒有害气体；能有效杀灭多种细菌，并能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理；同时还具备除甲醛、除臭、抗污、净化空气等功能。光触媒技术是1967年东京大学的教授本多建一教授跟当时的研究生藤岛昭偶然发现在紫外线的照射下，二氧化钛电极可以将水分解成氢气与氧气。纳米光触媒在光照射下，价带电子被激发到导带，形成了电子和空穴，与吸附于其表面的O2和H2O作用，生成超氧化物阴离子自由基，O2-和羟基自由基-OH，其自由基具有很强的氧化分解能力，能破坏有机物中的C-C键、C-H键、C-N键、C-O键、O-H键、N-H键，分解有机物为二氧化碳与水；同时破坏细菌的细胞膜固化病毒的蛋白质，改变细菌，病毒的生存环境从而杀死细菌、病毒。
虽然在现有技术中，对纳米二氧化钛进行掺杂研究较多，但用于亲水性涂料中的研究较少。
发明内容
本发明实施例提供了一种光触媒添加剂及含该添加剂的亲水性涂料的使用方法。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种光触媒添加剂。
在一些示例性的实施例中，所述光触媒添加剂用于亲水性涂料，所述光触媒添加剂为掺杂有铈(Ce)和氮(N)的纳米二氧化钛TiO2。
在一些可选的实施例中，所述光触媒添加剂的重量份组成如下：
铈Ce 0.1％-10％；
氮N 0.01％-10％；
纳米二氧化钛TiO2 50％-90％。
在一些可选的实施例中，所述光触媒添加剂中还掺杂有铜(Cu)、钨(W)和碳(C)中的至少一种元素。
在一些可选的实施例中，所述铜Cu、钨W和碳C在光触媒添加剂中的重量份组成如下：
钨W 0-10％；
铜Cu 0-10％；
碳C 0-10％。
在一些可选的实施例中，，所述光触媒涂料的重量份组成如下：
铈Ce 10％；
氮N 0.06％；
碳C 2％；
余量为纳米二氧化钛TiO2。
具有上述任一项光触媒添加剂的亲水性涂料可用于空调换热器的铝翅片表面，该光触媒添加剂经干燥后可形成具有去油酸、硬脂酸功效的亲水性皮膜。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种亲水性涂料的使用方法。
在一些示例性的实施例中，所述亲水性涂料含有上述实施例中任一项所述的光触媒添加剂，在空调铝翅片成型前，在空调铝翅片的表面涂覆的所述亲水性涂料，经烘干后在所述空调铝翅片的表面形成具备光触媒性和亲水性的膜；其中，所述亲水性涂料的涂覆量为：1毫克/平米-100毫克/平米。
在一些说明性的实施例中，所述膜的厚度与所述空调换热器铝翅片的铝箔厚度相关联。
在一些说明性的实施例中，所述烘干成膜的温度为80℃-300℃。
上述实施例提供具有光触媒添加剂的亲水性涂料用于空调铝翅片时的使用方法。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的具有光触媒添加剂的亲水性涂料对油酸的分解效果图；
图2是根据一示例性实施例示出的具有光触媒添加剂的亲水性涂料对硬脂酸的分解效果图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
对纳米二氧化钛中掺杂元素虽然现有技术研究较多，但用于亲水涂层的掺杂，目前研究较少；归其原因主要是由于掺杂元素的不同，对亲水涂层的耐蚀性、亲水性、耐热性等相关性能都产生影响。并且选择不当掺杂元素或掺杂元素配比不当，会极大地削弱亲水涂层的性能。此外，不同的掺杂元素对亲水涂层的老化性能也有很大的影响。因此，不同元素的选择和配比成为本领域技术难题。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种光触媒添加剂。
在一些是示例性的实施例中，所述光触媒添加剂为掺杂有铈Ce和氮N的纳米二氧化钛TiO2。通过向纳米二氧化钛TiO2中掺杂铈Ce和氮N，可以提高亲水性涂料分解油酸和硬脂酸的功效，此外添加这两种元素不会降低亲水性涂料的性能，该亲水性涂料涂覆后的膜具有亲水性、耐蚀性、耐热性和耐碱性，对改善空调换热器铝翅片的性能有重要意义。
其中，采用溶胶-凝胶法制备所述光触媒添加剂；具体方法如下：在室温下将搅拌均匀的34ml钛酸四丁酯和70ml无水乙醇混合液在磁力搅拌下缓慢地加入不同摩尔质量的硝酸铈和含氮N离子液体，30ml无水乙醇、35ml冰醋酸、15ml去离子水的混合溶液中水解，搅拌1.5h得到均匀透明的溶胶陈化后得到凝胶，然后置于80℃真空干燥得到干凝胶，研磨后置于箱式电阻炉在不同煅烧温度下煅烧2h，得到掺杂金属的纳米二氧化钛TiO2；所述离子液体为亲水性离子液体可以为1-氨基-3-烷基-1,2,3-***硝酸盐。
在一些可选的实施例中，掺杂有铈Ce和氮N的纳米二氧化钛TiO2按重量份组成如下：
铈Ce 0.1％-10％；
氮N 0.01％-10％；
余量为纳米二氧化钛TiO2。
优选的，所述铈Ce的重量份组成可以为1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％或9％；所述氮N的重量份组成可以为1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％或9％。
在一些说明性的实施例中，所述纳米二氧化钛TiO2在所述光触媒添加剂中的重量份组成为：50％-90％。
优选的，所述光触媒添加剂的重量份组成如下：
铈Ce 5％；
氮N 8％；
纳米二氧化钛TiO2 87％。
在一些可选的实施例中，所述光触媒添加剂中还掺杂有铜Cu、钨W和碳C中的一种或多种元素。
在上述过程中，若所述光触媒添加剂还掺杂有铜Cu、钨W和碳C中的一种或多种元素，则在上述制备溶胶-凝胶法制备所述光触媒添加剂的过程中，加入硝酸铜、钨酸铵和含碳C的离子液体；其中，所述含碳C离子液体可以是1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、N-丁基-N-甲基哌啶溴盐。
除了添加必要元素铈Ce和氮N，还可以向光触媒添加剂中掺杂铜Cu、钨W和碳C中的至少一种元素，以优化涂料的性能。
在一些可选的实施例中，所述铜Cu、钨W、碳C在所述光触媒添加剂中的重量份组成如下：
钨W 0-10％；
铜Cu 0-10％；
碳C 0-10％。
优选的，所述钨W的重量份组成可以为1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％或9％；所述铜Cu的重量份组成可以为1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％或9％；所述碳C的重量份组成可以为1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％或9％。
在一些可选的实施例中，所述光触媒添加剂的重量份组成如下：
铈Ce 10％；
氮N 0.06％；
碳C 2％；
纳米二氧化钛TiO2 87.94％。
在一些可选的实施例中，所述光触媒添加剂的重量份组成如下：
在一些可选的实施例中，所述光触媒添加剂的重量份组成如下：
在一些可选的实施例中，所述光触媒添加剂的重量份组成如下：
上述实施例分别给出了光触媒添加剂优选组分配比的情况，下面对上述两个实施例中含有所述光触媒添加剂的亲水性涂料成膜后的性能进行测试，测试方法和结果如下：
表1给出了实验组与参照组中不同试样的组分；
在本测试中，实验组和参照组除了组分不同外，其他处理工艺相同；处理工艺具体如下：
1、对待测表面，1000mm铝箔的表面进行预处理；预处理的包括：脱脂工艺和底涂工艺；其中，脱脂工艺为：在涂脱脂剂后进行两次水洗，水洗后进行干燥，在本测试中脱脂剂为帕卡表面处理科技(上海)有限公司提供的FC-315脱脂剂；底涂工艺为：在进行脱脂工艺处理后的铝箔表面，涂耐蚀底层，然后在230℃干燥成膜，皮膜量控制在95-100mg/m2；，所述耐蚀底层化学处理剂为帕卡表面处理科技(上海)有限公司提供的SG-E902化学处理剂。
2、对经过表面预处理的铝箔进行面涂，涂覆光触媒性面层；根据表1，分别将不同组分的亲水性涂料，即试样1、试样2和参照样，辊涂在铝箔表面，230℃烘干，皮膜量控制在40-45mg/m2；
3、对实验组与对照组的膜性能进行评价；
对于膜性能的评价主要考察以下几个参数：亲水性、抗污性、密着性、耐热性、耐蚀性、抗菌性和污染物降解能力；其中，污染物降解能力是对油酸、硬脂酸的降解；具体评价方法参照表2。
表1实验组与对照组
表2评价项目和评价方法
表3膜性能评价结果
表3中○是代表性能佳，符合要求，△：代表性能一般，但合格，×代表不符合要求；
从表3可知，实施例A、实施例B和实施例C性能佳，不仅满足铝箔涂覆后其膜性能的要求，并且可以起到抗菌、分解油酸、硬脂酸的功效；而普通的纳米二氧化钛TiO2虽然在亲水性符合要求，但在抗污性、密着性、耐热性、耐蚀性和抗菌性均表现一般，并且分解油酸和硬脂酸的能力差，无法满足铝箔对光触媒涂层的要求。
在上述过程中，对污染物光催化降解性能的评价，是将污染物定量涂覆于接受实验的处理材料上，经过光辐射后，借助FT-IR进行定量分析。具体分析步骤如下：
A.污染物涂覆
将污染物借助线棒涂覆器定量均匀涂覆与接受实验的处理材料上，置于80℃恒温烘箱烘干至恒重；
B.可见光辐照
将涂覆有污染物的实验材料置于室内可见光环境下和模拟可见光灯箱中进行规定时间的辐照；其中，辐照强度为0.5mW/cm2，辐照面积为50cm2，环境温度为28℃，环境湿度为50％；
C.定量分析
将可见光辐照前后的实验材料进行FT-IR分析，对于污染物的特征峰进行定量积分，计算光降解率。
实施例A、实施例B和实施例C和参照样，分别对分解油酸、硬脂酸的结果详见图1-图2；
从图1-图2中可知，实施例A、实施例B和实施例C对分解油酸、硬脂酸均有较佳的效果，其中，实施例C的分解油酸和硬脂酸的效率均高于其他试样，光照60天剩余油酸仅为9％，光照5天剩余硬脂酸为18％；但参照样的分解效果差，光照60天剩余油酸仍高达90％，光照5天剩余硬脂酸为93％，可见未掺杂铈Ce和氮N的纳米二氧化钛TiO2几乎无法对上述污染物进行有效分解。
上述实施例，提供了一种用于空调换热器的铝翅片表面的具有光触媒添加剂的亲水性涂料，该亲水性涂料经干燥后可形成具有抗污、去油酸、去硬脂酸功效的亲水性皮膜。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种含有上述实施例中所述光触媒添加剂的亲水性涂料的使用方法。
在一些示例性的实施例中，所述亲水性涂料含有上述实施例中之一所述的光触媒添加剂，在空调铝翅片成型前，在空调铝翅片的表面涂覆的所述亲水性涂料，经烘干后在所述空调铝翅片的表面形成具备光触媒性和亲水性的膜；其中，所述光触媒添加剂为掺杂有铈Ce和氮N的纳米二氧化钛TiO2；所述亲水性涂料的涂覆量为：1mg/m2-100mg/m2。
可选地，所述亲水性涂料的涂覆量为10mg/m2、20mg/m2、30mg/m2、40mg/m2、50mg/m2、60mg/m2、70mg/m2、80mg/m2或90mg/m2。该涂覆量是在保证亲水涂层不受到老化或劣化影响的前提下，最大发挥皮膜的光触媒性能，从而在保证空调在使用过程中实现抗菌、去油污等自清洁功能。过低的加入影响光触媒性能的发挥，过高会影响亲水涂层的性能。诸如亲水性、耐蚀性、耐热性、耐碱性和附着力等。
本发明中，添加光触媒添加剂的亲水性涂料，可直接作为表面处理液，或用水稀释后使用，处理液的浓度和粘度应恰当地调节，以满足操作方法和规定的膜厚要求。
优选地，干燥后膜厚为0.05-5μm，更优选为：0.1-2μm，当膜厚小于0.05μm是，很难提供满意的光触媒和亲水性能，当膜厚超过5μm时，导热性和皮膜附着力可能会降低。
在一些说明性的实施例中，所述亲水性涂料作为光触媒性面层，涂覆于空调换热器铝翅片的面层。本发明实施例给出的亲水性涂料主要是针对涂覆空调换热器铝翅片而研发的，因此所述光触媒添加剂的组成成分以及所述亲水性涂料的涂覆方法都是针对应用于此环境中给出的。
在一些说明性的实施例中，所述亲水性涂料作为光触媒性面层，涂覆于空调换热器铝翅片的面层。
在一些说明性的实施例中，若所述空调换热器铝翅片的铝箔的厚度为1000mm，则所述亲水性涂料涂覆后的膜厚为0.05-2μm；若所述空调换热器铝翅片的铝箔的厚度为3000mm，则所述亲水性涂料涂覆后的膜厚为0.05-5μm；若所述空调换热器铝翅片的铝箔的厚度为8000mm，则所述亲水性涂料涂覆后的膜厚为0.05-8μm。膜的厚度直接影响膜的性能，过薄会导致膜难以提供满意的光触媒性合亲水性，过厚会致使膜导热性降低、皮膜附着力差；在保障所述亲水性涂料涂覆后能提供优秀的光触媒催化性能、亲水性能、抗老化、抗污染等性能的前提下，上述实施例给出了不同系列的铝箔所对应的亲水性涂料的膜厚。
在一些可选的实施例中，在涂覆所述亲水性涂料前，还包括在所述空调换热器铝翅片的表面进行预处理，以提高表面的耐蚀性。
在一些可选的实施例中，所述预处理的方法，优选通过化学转化的方法，如基于：磷酸锆、磷酸钛、钒或有机-无机杂化的化学处理；优选的，通过有机-无机杂化的化学处理，可在空调换热器翅片表面形成耐蚀底层。
在一些说明性的实施例中，所述亲水性涂料的成膜温度为80-300℃。
在一些可选的实施例中，用热风循环烘箱、热辐射式烘箱等设备，在80-300℃对涂覆后的亲水性涂料进行烘干；优选的，于100-260℃的温度对亲水性涂料进行干燥，在该温度范围内，膜的成膜性更好，膜更致密，附着力更强。
在一些可选的实施例中，由于所述亲水性涂料亲水，因此用于溶解所述亲水性涂料的溶剂主要有水构成，可以使用水溶性溶剂例如醇、醇醚溶剂等，旨在调节干燥速度，改善涂布膜状态或提高组分的溶解度。进一步的，防锈剂、螯合剂、填料、着色剂、消泡剂等中的一种或多种也可加入到亲水性涂料的组分中，其用量范围以不损害本发明要旨和膜性能为准。
在一些说明性的实施例中，所述亲水性涂料的施涂方法包括：浸涂、喷涂、刷涂、辊涂、流涂酯类、电化学沉积和化学沉积；优选采用工业化中的辊涂。
在一些可选的实施例中，光触媒亲水化处理方法中，金属材料表面可以进行现行工业化生产中的常规脱脂、进行表面预处理；随后，光触媒亲水涂料被沉积在金属材料表面上，然后加热并干燥形成膜。
上述实施例提供亲水性涂料用于空调铝翅片时的使用方法，给出不同厚度的铝箔所对应的涂覆厚度。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的流程及结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (5)
1.一种光触媒添加剂，用于亲水性涂料，其特征在于，所述光触媒添加剂为掺杂有铈Ce和氮N的纳米二氧化钛TiO2；所述纳米TiO2还掺杂有铜Cu、钨W、碳C中至少一种元素；
所述光触媒添加剂按重量分数组成如下：铈Ce为0.1%-10%；氮N为0.01%-10%；铜Cu为0-10%；钨W为0-10%；碳C为0-10%；余量为纳米TiO2。
2.如权利要求1所述的光触媒添加剂，其特征在于，所述光触媒添加剂按重量分数组成如下：
铈Ce为10%；氮N为0.06%；碳C为2%；余量为纳米二氧化钛TiO2 。
3.一种亲水性涂料的使用方法，其特征在于，所述亲水性涂料含有如权利要求1或2所述的光触媒添加剂，在空调铝翅片成型前，在空调铝翅片的表面涂覆的所述亲水性涂料，经烘干后在所述空调铝翅片的表面形成具备光触媒性和亲水性的膜；其中，所述亲水性涂料的涂覆量为：1毫克/平米-100毫克/平米。
4.如权利要求3所述的使用方法，其特征在于，所述膜的厚度与所述空调换热器铝翅片的铝箔厚度相关联。
5.如权利要求3所述的使用方法，其特征在于，所述烘干成膜的温度为80℃-300℃。
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| Ce及N共掺杂改性TiO2光催化性能及Ce组分的作用;吴俊明等;《无机化学学报》;20100210;第26卷(第2期);第203页摘要、第204页第1.1节、第206-208页第2.2-2.4节、第209页左栏第2段 * |
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