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環境凈化涂料的研究現狀與應用及性能檢測方法
2019年01月01日    閱讀量:45083    新聞來源:安徽工業大學建筑工程學院 張浩, 劉秀玉  |  投稿

隨著人民群眾物質生活水平的提高, 室內裝潢裝飾、多種日用化學品、大量電器產品和空調的使用, 導致居室的密閉程度增加和室內產生大量的物理、化學、生物以及放射性污染因素, 從而造成室內空氣質量嚴重下降。污染因素包括有刺激作用的有害氣體( 甲醛、氨) , 致癌作用的物質( 苯、氡) , 致敏作用的揮發性有機物和微生物等, 人體長期暴露于這些污染因素下會產生不良影響, 甚至發生各種疾病, 室內空氣污染與健康已經成為世界各國政府和公眾關注的重要環境問題。近30 年來興起的納米TiO2 光催化技術[1] , 具有化學穩定性高, 耐光腐蝕, 較深的價帶能級, 可使一些吸熱的化學反應在被光輻射的納米TiO2 表面得到實現和加速, 并且對人體無毒等特點, 已經成為環境凈化涂料研究中的熱點課題, 備受材料和環境科研工作者的關注中國涂料在線coatingol.com


1 環境凈化涂料研究現狀

20 世紀80 年代環境凈化涂料的研究與應用迅速發展, 尤其是光催化環境凈化涂料發展更為迅猛。如日本, 光催化環境凈化涂料幾乎應用于任何場合, 特別是用于衛浴室內的自潔凈涂料使用更加廣泛。多年以來, 國內主要針對納米TiO2光催化技術進行研究, 在開發光催化環境凈化涂料的研究和工業化應用方面取得引人注目、卓有成效的成果。

1. 1 環境凈化涂料的機理

TiO2 是一種N 型半導體材料, 其能帶結構是不連續的,通常情況下是由一個充滿電子的低能級價帶( VB) 和一個空的高能級導帶( CB) 構成, 它們之間被禁帶隔開[ 2 3] 。當入射光的能量大于或等于3. 2eV 的禁帶寬度( 波長小于或等于387.5nm) 時, 價帶上的電子受激發越過禁帶, 在導帶上形成帶負電的高活性電子e- , 同時在價帶上產生帶正電的空穴h+ 。在電場的作用下, 光生電子 光生空穴發生分離, 分別遷移至T iO2粒子表面的不同位置上, 從而使吸附在T iO2 粒子表面上的物質被氧化或還原。

1. 2 環境凈化涂料存在的問題

盡管納米T iO2 在環境凈化涂料中的應用取得了引人注目、卓有成效的成果, 但依然存在有某些不利于實際推廣的問題, 有待廣大科研工作者進行研究解決。

( 1) 對光源的特殊要求。納米TiO2 在使用上對環境有一定的依賴性和局限性, 對于常見的可見光源( 如: 太陽光) 利用不足, 效率很低。而對于紫外光源相應效果好, 利用率極高,但是在日常生活中, 紫外光源的比例不到6%, 這就大大局限了納米T iO2 環境凈化涂料的使用范圍。

( 2) 催化環境的不同。根據納米T iO2 光催化機理的研究, 吸附在催化劑表面的O2 、H2O、OH - 濃度直接影響光生電子 光生空穴, 尤其對光生電子 光生空穴轉化成具有高氧化活性的 OH 以及自由基活性氧( O2- 、 O2 、 H O2 ) 有著很大的影響。然而, 在液相條件下和氣相條件下, O2 、H 2O、OH - 的濃度有著相當大的差別, 目前納米T iO2 環境凈化涂料在液相條件下使用的技術比較在氣相條件下使用的技術成熟。

( 3) 降解目標污染物的物理化學性質。大部分目標降解污染物都是復雜的有機物, 如苯酚、甲基橙、羅丹明B 等。由于分子結構的關系, 不同目標降解污染物分子中, 原子之間的化學鍵的能量也有所不同, 因此, 納米T iO2 在降解的過程中所需要的能量也有所差異, 如苯酚中C H 的能量遠大于甲醛中的C H 的能量。而納米TiO2 在光催化過程中是非選擇性的, 如何提高納米T iO2 環境凈化涂料對不同的目標降解污染物的氧化降解能力, 是目前研究的一個重點。


2 環境凈化涂料實際應用

2. 1 抗菌防霉材料

目前市場上的防霉涂料, 主要是以有機砷和酚類化合物作防霉劑, 盡管防霉效果好, 但是毒性大, 使用不安全。納米TiO2 具有很強的氧化還原能力, 具有凈化空氣、除臭等功能,可制成抗菌防霉內墻涂料, 用氯化法合成納米TiO2 技術基礎上, 根據殺菌功能高效性的需要, 進行表面摻雜和處理, 制成特有的抗菌納米TiO2 , 將其充分混勻于水性乳膠漆中研制成無污染、具有抗菌防霉的室內環保型功能材料。目前抗菌防霉內墻涂料主要應用于各種食品行業的生產車間、倉庫和地下建筑等易受霉菌污染的內墻涂裝。

2. 2 防污自潔材料

涂有納米TiO2 薄膜的表面具有高度的自清潔效應, 一旦表面被污水油脂、沙塵等污染, 因其表面具有超親水性, 污物不易在其表面附著。陽光中的紫外線足以維持納米T iO2 薄膜表面的親水特性, 從而使其表面具有長期的防污自清潔效應。由于納米TiO2 具有光催化作用和超親水特性, 將其應用于玻璃、陶瓷等建筑材料時, 具有凈化空氣、殺菌除臭、防污等環保功能[4] 。而且還可大量節省清潔劑使用, 節省清潔時間及人力維護成本, 同時抑制各種病霉菌滋生, 減少過敏原產生, 維護健康的生活環境。

2. 3 自動無毒化材料

將納米TiO2 光催化劑添加到易產生有害氣體的材料中,使有害氣體在進入大氣前就被納米T iO2 降解, 從而使材料自動無毒化。例如: 為防止垃圾焚燒中二惡英的產生, 可在塑料制品中使用納米TiO2 自動無毒化材料, 當塑料制品作垃圾焚燒時, 納米T iO2 結晶析出, 可吸附焚燒過程中產生的大量有害物質, 并通過納米T iO2 的光催化反應將其降解。


3 環境凈化涂料性能檢測

近年來, 環境凈化涂料在實際應用中取得了令人激動人心的成果, 但是對于環境凈化涂料性能的檢驗仍然缺少了解,筆者詳細介紹掃描電子顯微術、透射電子顯微術、紅外吸收光譜法、X 射線衍射法等在環境凈化涂料檢測方面的應用。

3 1 掃描電子顯微術( SEM)

掃描電子顯微術是利用掃描入射電子束與樣品表面相互作用所產生的各種信號, 采用不同的信號檢測器來觀察樣品表面形貌和化學組分的分析技術[ 5] , 其具有直接觀察直徑為0~ 30mm 的試樣表面結構; 電子顯微鏡景深大; 圖像的放大范圍廣; 相當高的分辨率; 可在不同環境條件下觀察等特點。掃描電子顯微術是研究物品表面結構最有效的工具之一, 它既可以用以檢查環境凈化涂料的斷口、磨損面、涂覆面、切削表面、拋光以及蝕刻表面等, 還可以對環境凈化涂料表面迅速作定性與定量分析。

3. 2 透射電子顯微術( TEM)

透射電子顯微術是以透射電子為成像信號, 通過電子光學系統的放大成像觀察樣品的微觀組織和形貌的分析技術[6] , 其具有分辨率高, 對晶粒方向、同質異型結構、異質異型結構、同質同型結構有敏銳的分析能力; 放大倍率高, 變換范圍大; 圖像為二維結構平面圖像; 試樣為超薄切片等特點。透射電子顯微術主要應用于物理、化學方面的新材料領域的研究, 可以分析環境凈化涂料結構及粒徑分布情況。

3. 3 紅外吸收光譜法( IP)

紅外吸收光譜法是研究紅外輻射與試樣分子振動和轉動能級相互作用, 利用紅外吸收譜帶的波長位置和吸收強度來測定樣品組成、分子結構等的分析方法[ 7] , 其具有不受樣品狀態的限制; 高度特征性; 根據譜帶的特征頻率研究未知物成分; 定量分析靈敏度較低等特點, 特別適合應用于有機化合物和一些無機化合物組成的環境凈化涂料的定性分析和結構變化分析。

3. 4 X 射線衍射法(XRD)

X 射線衍射法是根據物質的X 射線衍射圖譜特征, 對其物相和結構等進行測定的分析方法, 是測量環境凈化涂料微粒的常用的一種無損壞、非破壞性的分析手段[8] 。X 射線衍射圖譜里攜帶著環境凈化涂料晶體內部結構信息, 這個結構信息包括電子結構、晶體結構、各種缺陷結構、結構應變、晶粒尺寸、結晶度、晶面傾向等。

3. 5 其它方法

除上訴幾種方法外, 其它方法如X 射線小角散射法[ 9] 、X射線衍射線寬化法[ 10] 、紫外 可見分光光譜法[ 11 12] 也常常被用于環境凈化涂料的分析, 提供關于環境凈化涂料微晶尺寸、晶體結構與光學性能的主要參數, 對檢測環境凈化涂料性能起到至關重要的作用。


4 結論與展望

目前納米T iO2 在環境凈化涂料中研究, 主要集中在開發帶隙較窄、能利用可見光的新型光催化環境凈化涂料; 擴展新的光催化物質在環境凈化涂料中的應用, 改善光催化環境凈化涂料反應器以及深入探索光催化環境凈化涂料反應機理。可以預見, 隨著人們對環境質量越來越關注和重視, 全面提升室內空氣環境質量, 滿足人們對更健康居住環境期望成為發展方向。科研工作者對環境凈化涂料研究的不斷完善,必將使目前限制環境凈化涂料推廣應用的問題得到改善, 綠色、環保和高效將成為未來環境凈化涂料發展方向。


標簽:輔料與設備行業資訊涂料百科技術中心涂料檢測
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