一种二氧化钛催化空气净化涂料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种二氧化钛催化空气净化涂料及其制备方法与应用，本发明专利技术涉及光催化材料领域。该二氧化钛催化空气净化涂料，包括底层涂料A与顶层催化层B，所述底层涂料A，以重量份计，其包括0.5‑10份二氧化钛，40‑60份丙烯酸乳液，0.5‑2份分散剂，6‑10份促进剂，13‑52份水；所述顶层催化层B，以重量份计，其包括0.5‑10份二氧化钛，0.1‑5份功能助剂。以丙烯酸基涂料作为底层涂料涂覆于基底上，具有光催化活性的二氧化钛涂覆于丙烯酸基涂料上，由于二氧化钛涂覆于丙烯酸基涂料表面，以使其暴露于光照下，提高其光催化效率；同时丙烯酸基涂料被二氧化钛物理阻隔，截断了丙烯酸基涂料见光的路径，降低丙烯酸基涂料见光老化的风险，提高其耐用性能。

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化钛催化空气净化涂料及其制备方法与应用
本专利技术涉及光催化材料领域，尤其涉及一种二氧化钛催化空气净化涂料及其制备方法与应用。
技术介绍
随着社会高速发展的经济建设和城市化建设的进程，城市环境污染与防治相关问题越来越受到人们的关注。例如，城市汽车大幅增长，导致由汽车尾气产生的污染物排入大气，污染室外空气，或室内装修材料不合格导致的室内空气污染。这些空气污染问题能够引起呼吸道疾病，严重影响人们的生命健康。因此，如何有效解决室内外空气污染问题是当前科研工作者关注的热点，同时也出现了很多不同类型的净化技术。其中，光催化技术以其环境友好、高净化性能等优点而广受关注。在众多光催化剂中，二氧化钛是最成熟以及环境光催化应用潜力最大的材料。二氧化钛是一种ｎ型宽禁带半导体材料，当照射在二氧化钛上的外界光的能量大于或等于半导体的禁带宽时，价带上的电子会跃迁到导带上，在价带上形成相应空穴。价带上的空穴具有强氧化性，导带上的电子具有很强的还原性，因此受到外界因素影响而产生的电子－空穴对在半导体材料中形成了一个很强的氧化还原体系。二氧化钛具有稳定性好、光催化活性高、耐腐蚀、成本低廉、无毒的优点，但是它本身存在一些不足，比如普通形貌结构的二氧化钛催化剂量子效率低，光生电子与空穴复合率较高，以致光催化效率比较低。二氧化钛基光催化涂料能够利用光能有效消除空气中的VOCs以及氮氧化物，十分具有应用前景。目前掺杂有二氧化钛的涂料大都直接将二氧化钛与涂料混合形成涂料体系，其中涂料会将二氧化钛包覆，包裹于涂料中的二氧化钛见光率低，由此会导致二氧化钛光降解效率降低；另一方面，有研究表明，以丙烯酸基涂料为基材组成的涂料，在复合二氧化钛后，膜的老化趋势明显加强，一方面以C-C键为主链的聚丙烯类基材本身就不耐紫外辐照，而外加的TiO2又能在其中吸收紫外线、产生大量电子-空穴以及·OH、·OOH等高能自由基，进而会通过其强大的氧化-还原作用而加速C-C主链的断裂，从而引以丙烯酸基涂料的老化。基于此，现有的光催化涂料，通常存在以下不足：（1）室内外墙涂料能够包裹光催化剂，显著降低光催化剂的催化效果。（2）二氧化钛光催化作用可见光激发能力较弱，在室内灯光作用下，二氧化钛催化效果十分有限。（3）丙烯酸基光催化涂料存在一个严重缺陷，即光催化剂会加速树脂分解，加速涂料老化。而不含树脂的光催化涂料，其附着力、耐水性等物理性能较差，容易脱落。因此，开发综合性能优越的光催化环保涂料具有重大的市场价值和环境意义。专利技术的内容本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种二氧化钛催化空气净化涂料，以在不损害抗老化性能的情况下提高涂料的光催化效率。为实现上述目的，本专利技术提供一种二氧化钛催化空气净化涂料，包含用以涂覆在基材表面形成底层的底层组分与用以涂覆在所述底层上以形成顶层的顶层组分；所述底层涂料A，以重量份计，其包括0.5-10份二氧化钛，40-60份成膜树脂，所述顶层催化层B，以重量份计，其包括0.5-10份二氧化钛，0.1-5份过氧化物。底层涂料A可为顶层催化层B提供强的附着力，一方面根据涂料的粘附性能，底层涂料A可为顶层催化层B提供物理粘附；另一方面，底层涂料A与顶层催化层B之间还可形成化学键的连接，具体为：过氧化物处理后的TiO2，其表面存在类超氧的双氧结构，而这种双氧结构可与底层涂料A中裸露在外的TiO2的5配位Ti结合，形成稳定的双层涂层结构，由此加强顶层催化层B紧密的附着于底层涂料A上，同时被过氧化物处理后的二氧化钛表面形成了双氧结构，该双氧结构使得二氧化钛的分散性能更好，解决了二氧化钛易团聚的缺点，进一步使得顶层催化层B中的二氧化钛可均匀的涂覆分散于底层涂料A的表面，有效避免底层涂料A见光的风险，提高底层涂料A的老化性能。过氧化物处理二氧化钛使得二氧化钛形成类超氧结构的过程为：二氧化钛的表面具有吸附态的过氧化物，过氧化物的吸附态过氧根弛豫解离为两个氧原子，两个氧原子分别与二氧化钛的两个晶格氧结合，使得二氧化钛形成稳定的类超氧结构。优选的，所述二氧化钛为具有（001）晶面暴露的纳米片，所述纳米片厚度3-5nm，长度或宽度为5-10nm。具有（001）晶面暴露的二氧化钛具有相对更高的不饱和度和更独特的电子结构，因而其具有更高的光催化活性。本方案优选的具体尺寸和厚度为纳米片厚度3-5nm，长宽5-10nm，将晶体限定在一定的规格，也就是尺寸更小，二氧化钛的光催化氧化性能越强。这主要涉及到半导体的尺寸效应，尺寸效应对催化性能的影响至关重要。半导体晶体的尺寸小于10nm时，量子尺寸效应变得显著，电荷载体会呈现出量子行为，主要表现为导带和价带变成分立能级，带隙变宽，价带更正，导带更负，这实际上增强了光生电子空穴的分离效率与氧化还原能力。纳米晶体厚度越薄，光生载流子从体相扩散到表面化的时间越短，光生电荷的分离效率就越高，所以越薄越有助于提升光催化性能。优选的，所述过氧化物为双氧水溶液，所述双氧水溶液的体积浓度为30%。双氧水作为过氧化物不仅用以将二氧化钛表面形成类超氧的双氧结构，具体地，二氧化钛的表面具有吸附态的双氧水，表面吸附态双氧水解离为羟基，吸附态羟基与游离双氧水反应脱氢，生成的两个氧原子分别与二氧化钛的两个晶格氧结合，最终使得二氧化钛生成类超氧结构；具有类超氧结构的二氧化钛能够与底层涂料A表面暴露的二氧化钛上的不饱和5配位Ti形成有效的化学键，通过化学键的形式结合底层涂料A。而且双氧水处理后的TiO2，二氧化钛表面类超氧结构的自旋态与超氧根一样，并且二氧化钛电子结构由于类超氧结构的存在发生了很大改变，其表面呈富氧态，整体2p轨道电荷密度增加，也即是说价带位置上升，光生电子更易被光激发到导带与氧气结合，更容易形成活性分子氧，从而促进了催化剂的光催化氧化性能。同时双氧水有助于提高二氧化钛的分散性能。优选的，所述成膜树脂为丙烯酸乳液。优选的，所述底层涂料A中还包括0.5-2份分散剂，6-10份促进剂，13-52份水。优选的，所述分散剂为聚羧酸盐分散剂，所述促进剂包括稳定剂、成膜剂、增稠剂、消泡剂和密着剂；所述稳定剂为0.5-1份、所述成膜剂为0.5-5份、所述增稠剂为0.5-2份、所述消泡剂为0.5-1份、所述密着剂为1-4份。聚羧酸盐分散剂有助于水性涂料中填料的分散，降低粘度，提高稳定性。在底层涂料A中添加二氧化钛，二氧化钛可作为颜填料，用于涂料的增白，同时给予涂料一定的硬度与耐磨性能；涂料中的二氧化钛具有一定的催化作用，为避免涂料中的二氧化钛影响涂层的抗老化性能，在底层涂料A中添加有稳定剂，稳定剂的添加以避免和降低成膜树脂的降解与老化；同时二氧化钛能够作为光屏蔽剂，反射部分可见光，进一步降低成膜树脂被光辐照的风险，加强底层涂料A的抗老化性能。因此，底层涂料A涂覆于基底上，具有光催化活性的二氧化钛作为顶层催化层B涂覆于底层涂料A上，由于二氧化钛涂覆于成膜树脂表面，二氧化钛可避免包覆于涂料中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二氧化钛催化空气净化涂料，其特征在于：包含用以涂覆在基材表面形成底层的底层组分与用以涂覆在所述底层上以形成顶层的顶层组分；所述底层涂料A，以重量份计，其包括0.5-10份二氧化钛，40-60份成膜树脂，所述顶层催化层B，以重量份计，其包括0.5-10份二氧化钛，0.1-5份过氧化物。/n

【技术特征摘要】
1.一种二氧化钛催化空气净化涂料，其特征在于：包含用以涂覆在基材表面形成底层的底层组分与用以涂覆在所述底层上以形成顶层的顶层组分；所述底层涂料A，以重量份计，其包括0.5-10份二氧化钛，40-60份成膜树脂，所述顶层催化层B，以重量份计，其包括0.5-10份二氧化钛，0.1-5份过氧化物。


2.根据权利要求1所述的一种二氧化钛催化空气净化涂料，其特征在于：所述二氧化钛为具有（001）晶面暴露的纳米片，所述纳米片厚度3-5nm，长度或宽度为5-10nm。


3.根据权利要求1所述的一种二氧化钛催化空气净化涂料，其特征在于：所述过氧化物为双氧水溶液，所述双氧水溶液的体积浓度为30%。


4.根据权利要求1所述的一种二氧化钛催化空气净化涂料，其特征在于：所述成膜树脂为丙烯酸乳液。


5.根据权利要求1所述的一种二氧化钛催化空气净化涂料，其特征在于：所述底层涂料A中还包括0.5-2份分散剂，6-10份促进剂，13-52份水。


6.根据权利要求5所述的一种二氧化钛催化空气净化涂料，其特征在于：所述分散剂为聚羧酸盐分散剂，所述促进剂包括稳定剂、成膜剂、增稠剂、消泡剂和密着剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾智慧，刘修凡，邢攀，邹志宇，张礼知，
申请(专利权)人：华中师范大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42