环境净化涂料的研究现状与应用及性能检测方法李迪

环境净化涂料的研究现状与应用及性能检测方法

随着人民群众物质生活水平的提高, 室内装潢装饰、多种日用化学品、大量电器产品和空调的使用, 导致居室的密闭程度增加和室内产生大量的物理、化学、生物以及放射性污染因素, 从而造成室内空气质量严重下降。污染因素包括有刺激作用的有害气体( 甲醛、氨) , 致癌作用的物质( 苯、氡) , 致敏作用的挥发性有机物和微生物等, 人体长期暴露于这些污染因素下会产生不良影响, 甚至发生各种疾病, 室内空气污染与健康已经成为世界各国政府和公众关注的重要环境问题。近30 年来兴起的纳米TiO2 光催化技术[1] , 具有化学稳定性高, 耐光腐蚀, 较深的价带能级, 可使一些吸热的化学反应在被光辐射的纳米TiO2 表面得到实现和加速, 并且对人体无毒等特点, 已经成为环境净化涂料研究中的热点课题, 备受材料和环境科研工作者的关注中国涂料在线coatingol.com。

1 环境净化涂料研究现状

20 世纪80 年代环境净化涂料的研究与应用迅速发展, 尤其是光催化环境净化涂料发展更为迅猛。如日本, 光催化环境净化涂料几乎应用于任何场合, 特别是用于卫浴室内的自洁净涂料使用更加广泛。多年以来, 国内主要针对纳米TiO2光催化技术进行研究, 在开发光催化环境净化涂料的研究和工业化应用方面取得引人注目、卓有成效的成果。

1. 1 环境净化涂料的机理

TiO2 是一种N 型半导体材料, 其能带结构是不连续的,通常情况下是由一个充满电子的低能级价带( VB) 和一个空的高能级导带( CB) 构成, 它们之间被禁带隔开[ 2 3] 。当入射光的能量大于或等于3. 2eV 的禁带宽度( 波长小于或等于387.5nm) 时, 价带上的电子受激发越过禁带, 在导带上形成带负电的高活性电子e- , 同时在价带上产生带正电的空穴h+ 。在电场的作用下, 光生电子 光生空穴发生分离, 分别迁移至T iO2粒子表面的不同位置上, 从而使吸附在T iO2 粒子表面上的物质被氧化或还原。

1. 2 环境净化涂料存在的问题

尽管纳米T iO2 在环境净化涂料中的应用取得了引人注目、卓有成效的成果, 但依然存在有某些不利于实际推广的问题, 有待广大科研工作者进行研究解决。

( 1) 对光源的特殊要求。纳米TiO2 在使用上对环境有一定的依赖性和局限性, 对于常见的可见光源( 如: 太阳光) 利用不足, 效率很低。而对于紫外光源相应效果好, 利用率极高,但是在日常生活中, 紫外光源的比例不到6%, 这就大大局限了纳米T iO2 环境净化涂料的使用范围。

( 2) 催化环境的不同。根据纳米T iO2 光催化机理的研究, 吸附在催化剂表面的O2 、H2O、OH - 浓度直接影响光生电子 光生空穴, 尤其对光生电子 光生空穴转化成具有高氧化活性的 OH 以及自由基活性氧( O2- 、 O2 、 H O2 ) 有着很大的影响。然而, 在液相条件下和气相条件下, O2 、H 2O、OH - 的浓度有着相当大的差别, 目前纳米T iO2 环境净化涂料在液相条件下使用的技术比较在气相条件下使用的技术成熟。

( 3) 降解目标污染物的物理化学性质。大部分目标降解污染物都是复杂的有机物, 如苯酚、甲基橙、罗丹明B 等。由于分子结构的关系, 不同目标降解污染物分子中, 原子之间的化学键的能量也有所不同, 因此, 纳米T iO2 在降解的过程中所需要的能量也有所差异, 如苯酚中C H 的能量远大于甲醛中的C H 的能量。而纳米TiO2 在光催化过程中是非选择性的, 如何提高纳米T iO2 环境净化涂料对不同的目标降解污染物的氧化降解能力, 是目前研究的一个重点。

2 环境净化涂料实际应用

2. 1 抗菌防霉材料

目前市场上的防霉涂料, 主要是以有机砷和酚类化合物作防霉剂, 尽管防霉效果好, 但是毒性大, 使用不安全。纳米TiO2 具有很强的氧化还原能力, 具有净化空气、除臭等功能,可制成抗菌防霉内墙涂料, 用氯化法合成纳米TiO2 技术基础上, 根据杀菌功能高效性的需要, 进行表面掺杂和处理, 制成特有的抗菌纳米TiO2 , 将其充分混匀于水性乳胶漆中研制成无污染、具有抗菌防霉的室内环保型功能材料。目前抗菌防霉内墙涂料主要应用于各种食品行业的生产车间、仓库和地下建筑等易受霉菌污染的内墙涂装。

2. 2 防污自洁材料

涂有纳米TiO2 薄膜的表面具有高度的自清洁效应, 一旦表面被污水油脂、沙尘等污染, 因其表面具有超亲水性, 污物不易在其表面附着。阳光中的紫外线足以维持纳米T iO2 薄膜表面的亲水特性, 从而使其表面具有长期的防污自清洁效应。由于纳米TiO2 具有光催化作用和超亲水特性, 将其应用于玻璃、陶瓷等建筑材料时, 具有净化空气、杀菌除臭、防污等环保功能[4] 。而且还可大量节省清洁剂使用, 节省清洁时间及人力维护成本, 同时抑制各种病霉菌滋生, 减少过敏原产生, 维护健康的生活环境。

2. 3 自动无毒化材料

将纳米TiO2 光催化剂添加到易产生有害气体的材料中,使有害气体在进入大气前就被纳米T iO2 降解, 从而使材料自动无毒化。例如: 为防止垃圾焚烧中二恶英的产生, 可在塑料制品中使用纳米TiO2 自动无毒化材料, 当塑料制品作垃圾焚烧时, 纳米T iO2 结晶析出, 可吸附焚烧过程中产生的大量有害物质, 并通过纳米T iO2 的光催化反应将其降解。

3 环境净化涂料性能检测

近年来, 环境净化涂料在实际应用中取得了令人激动人心的成果, 但是对于环境净化涂料性能的检验仍然缺少了解,笔者详细介绍扫描电子显微术、透射电子显微术、红外吸收光谱法、X 射线衍射法等在环境净化涂料检测方面的应用。

3 1 扫描电子显微术( SEM)

扫描电子显微术是利用扫描入射电子束与样品表面相互作用所产生的各种信号, 采用不同的信号检测器来观察样品表面形貌和化学组分的分析技术[ 5] , 其具有直接观察直径为0~ 30mm 的试样表面结构; 电子显微镜景深大; 图像的放大范围广; 相当高的分辨率; 可在不同环境条件下观察等特点。扫描电子显微术是研究物品表面结构最有效的工具之一, 它既可以用以检查环境净化涂料的断口、磨损面、涂覆面、切削表面、抛光以及蚀刻表面等, 还可以对环境净化涂料表面迅速作定性与定量分析。

3. 2 透射电子显微术( TEM)

透射电子显微术是以透射电子为成像信号, 通过电子光学系统的放大成像观察样品的微观组织和形貌的分析技术[6] , 其具有分辨率高, 对晶粒方向、同质异型结构、异质异型结构、同质同型结构有敏锐的分析能力; 放大倍率高, 变换范围大; 图像为二维结构平面图像; 试样为超薄切片等特点。透射电子显微术主要应用于物理、化学方面的新材料领域的研究, 可以分析环境净化涂料结构及粒径分布情况。

3. 3 红外吸收光谱法( IP)

红外吸收光谱法是研究红外辐射与试样分子振动和转动能级相互作用, 利用红外吸收谱带的波长位置和吸收强度来测定样品组成、分子结构等的分析方法[ 7] , 其具有不受样品状态的限制; 高度特征性; 根据谱带的特征频率研究未知物成分; 定量分析灵敏度较低等特点, 特别适合应用于有机化合物和一些无机化合物组成的环境净化涂料的定性分析和结构变化分析。

3. 4 X 射线衍射法(XRD)

X 射线衍射法是根据物质的X 射线衍射图谱特征, 对其物相和结构等进行测定的分析方法, 是测量环境净化涂料微粒的常用的一种无损坏、非破坏性的分析手段[8] 。X 射线衍射图谱里携带着环境净化涂料晶体内部结构信息, 这个结构信息包括电子结构、晶体结构、各种缺陷结构、结构应变、晶粒尺寸、结晶度、晶面倾向等。

3. 5 其它方法

除上诉几种方法外, 其它方法如X 射线小角散射法[ 9] 、X射线衍射线宽化法[ 10] 、紫外 可见分光光谱法[ 11 12] 也常常被用于环境净化涂料的分析, 提供关于环境净化涂料微晶尺寸、晶体结构与光学性能的主要参数, 对检测环境净化涂料性能起到至关重要的作用。

4 结论与展望

目前纳米T iO2 在环境净化涂料中研究, 主要集中在开发带隙较窄、能利用可见光的新型光催化环境净化涂料; 扩展新的光催化物质在环境净化涂料中的应用, 改善光催化环境净化涂料反应器以及深入探索光催化环境净化涂料反应机理。可以预见, 随着人们对环境质量越来越关注和重视, 全面提升室内空气环境质量, 满足人们对更健康居住环境期望成为发展方向。科研工作者对环境净化涂料研究的不断完善,必将使目前限制环境净化涂料推广应用的问题得到改善, 绿色、环保和高效将成为未来环境净化涂料发展方向。

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