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我國室內空氣凈化涂料的發展現狀及趨勢,分為光催化型、物理吸附型、化學反應型和復合型
2019年06月14日    閱讀量:372    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

概括了我國室內空氣凈化涂料的類型,將其分為光催化型、物理吸附型、化學反應型和復合型。分析了室內空氣凈化涂料對污染物凈化功能的現狀,認為其對甲醛的凈化技術相對成熟,產品合格率較高,但對甲苯的凈化性能很差,產品合格率很低。提出未來室內空氣凈化涂

我國室內空氣凈化涂料的發展現狀及趨勢

梅一飛,郭中寶,白永智,崔金華(中國建材檢驗認證集團股份有限公司,北京 100024)


0 前言

早在20世紀70年代末,歐洲一些發達國家的科學家就已著手研究建筑材料釋放的氣體對室內空氣的影響及對人體健康的危害程度,并就建筑材料對室內空氣的影響進行了全面且系統的基礎研究工作中國建材網cnprofit.com。丹麥、挪威、瑞典等國家的人們出現刺激、乏力、頭痛、記憶力減退等癥狀,與建筑物中的有機揮發物有關,這些癥狀被稱為“有病建筑綜合癥”。由于現代人大多每天80%~90%的時間是在室內度過,因而室內空氣污染對人體危害較大。科學家們從室內空氣中檢出了500多種有機物,其中常見的、大家普遍關注的室內污染物主要有甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨和總揮發性有機化合物(TVOC)。這些污染物對人體的危害主要有:致癌作用、抑制酶活性導致機體的損害和致突變作用導致遺傳性突變。

室內空氣中的污染物主要來自于裝修使用的人造板、膠黏劑、壁紙、涂料、地毯和各種家具。為了降低由于裝修導致的室內空氣污染,我國自2001年起對各種裝飾裝修的有害物質含量進行了嚴格的限值。經過十幾年的發展,人們生活的室內空氣質量有了很大的改善,但由于各種材料中污染物的累積作用以及個別材料的選擇不當,仍然有很多的家庭飽受室內空氣污染的困擾。近幾年來,對于室內空氣凈化的研究非常活躍。目前,室內空氣凈化類產品很多,如活性炭、空氣凈化器、各種空氣治理劑、功能性內墻涂料、功能性壁紙、硅藻泥等等,針對不同的產品,我國也建立了相應的污染物凈化能力的評價方法。在眾多的空氣凈化產品中,內墻涂料作為目前應用最為廣泛的內墻裝修產品,具有成本低、室內涂布面積大、無二次污染的優點,因而在凈化空氣的發展方面具有較大的潛力,也受到廣大消費者的普遍青睞。本文對室內空氣凈化涂料及其凈化性能評價方法的發展現狀進行了綜述,并對其發展趨勢進行了展望。

 

1 室內空氣凈化涂料的類型

1.1 光催化型

此類涂料對污染物的凈化能力主要依靠涂料中所添加的光觸媒材料。光觸媒材料對污染物的凈化原理是其在紫外光或太陽光的照射下,會產生類似光合作用的光催化反應,產生出氧化能力極強的自由氫氧基和活性氧,具有很強的光氧化還原功能,能將甲醛等有害物質氧化分解成無害的CO2和H2O。光觸媒最早于1967-1968年被日本科學家發現,在光觸媒被發現之初,通常所指的光觸媒都是納米TiO2,經過40多年發展,納米氧化鋅、納米氧化錫、納米二氧化鋯、納米硫化鎘等光觸媒材料也相繼出現,但用于涂料中的光觸媒材料仍然以納米TiO2為主,而其他類型的光觸媒材料則很少見。

納米TiO2在涂料中的應用面臨幾個重要問題:

(1)普通的納米TiO2只是在紫外光下具有優異的光催化性能,在可見光下則無明顯作用,而普通室內環境中的紫外光強度極其微弱,因此需要對納米TiO2進行改性處理。改性的手段通常有能隙調節、表面沉積金屬晶體和摻雜金屬離子等。

(2)在納米TiO2向涂料添加過程中,不可避免地存在納米離子的團聚和包覆現象,從而導致光觸媒的光催化作用失效。為了解決這一問題,對納米TiO2進行負載化處理,可以保持其固有特征,增強其穩定性。

(3)由于納米TiO2光催化涂料強烈的氧化作用,用普通涂料的樹脂會很快地被分解而失去作用。光催化涂料用的成膜物必須是無機成膜物或是原子間結合力極強的硅氧基樹脂、氟碳基樹脂等,但此類樹脂目前未見在內墻涂料中的應用,因此一些具有強氧化能力的光觸媒材料的應用受到限制,光觸媒材料在涂料中的作用還不能充分發揮。

利用光觸媒材料將甲醛等污染物降解為無害的二氧化碳和水,是對污染物完全意義上的去除,而且光觸媒在發揮作用過程中不存在消耗,可以長時間持續發揮作用,因此采用這一原理研制的空氣凈化涂料是未來發展的趨勢。

1.2 物理吸附型

此類涂料對污染物的凈化能力主要依靠向其中添加具有較強吸附能力的物理吸附材料,如活性炭、硅藻土、貝殼粉、沸石等,這些材料的特點是具有較大的比表面積,其凈化機理是通過多孔物質對氣體的吸附作用來凈化空氣。但由于活性炭呈黑色對涂料有著色作用,裝飾美觀性差,很少用于涂料中,即便使用,添加量也很少,很難發揮大的作用。而沸石和硅藻土的比表面積不高(前者在500~1 000 m2/g,后者比表面積在20~70 m2/g),所以如果它們用于涂料則吸附效果較差,要想改善效果需要加大用量,但這又會對涂料的基礎物理性能產生不良影響。單純的吸附并沒有使污染物消失,在一定條件下,污染物還會重新釋放到空氣之中,而且吸附材料一旦達到飽和狀態就不再有吸附作用,不能達到持久凈化空氣的目的。所以,單純以添加物理吸附材料來實現污染物凈化的涂料較少,一般只有較為低端的產品才會采用這種方式。

1.3 化學反應型

此類涂料對污染物的凈化能力主要依靠涂料中存在的可以與污染物發生化學反應的組分,目前采用這一原理實現污染物的凈化主要針對的是甲醛,其原理是利用甲醛能與一些活性基團發生化學反應的性質,達到消除甲醛的目的。此類涂料中的活性基團,主要來自含氨基—NH2或亞氨基—NH—的除醛乳液,這種乳液中的氨基或亞氨基能夠與甲醛發生親核加成反應,從而去除甲醛。乳液中氨基或亞氨基的引入依靠的是在乳液聚合的過程中添加含胺(氨)基的功能性共聚單體,如含端氨基苯乙烯、(甲基)丙烯酸-2-氨基乙酯、(甲基)丙烯酸二甲基氨基乙酯、(甲基)丙烯酸-3-氨基丙酯、(甲基)丙烯酸-2-丁基氨基乙酯、(甲基)丙烯酰胺等。這種乳液去除甲醛的機理如下:

R—NH2(或R2NH)+CH2O → R—NHCH2OH(R2NOH)

也有報道采用向涂料中添加除醛劑的方式來去除甲醛,這些除醛劑去除甲醛的機理主要有3類:

(1)除醛劑中含有氨基—NH2或亞氨基—NH—活性基團,可與甲醛發生親核加成反應;(2)除醛劑中含有含α-H的醛類物質,可以與甲醛發生羥醛縮合反應;(3)除醛劑中含有醇羥基或酚羥基的活性成分,由于電子效應的影響,H較活潑,可以與甲醛發生親電反應。

采用化學反應原理去除甲醛的涂料在初期往往有較好的效果,但隨著能夠與甲醛反應的活性基團逐漸被甲醛消耗以及其在自然條件下的老化,這種涂料往往對甲醛沒有好的持久凈化效果。尤其是除醛劑加入到涂料中后,還會存在乳液的包覆作用,使其作用大打折扣。再加上這種涂料除了對甲醛有凈化能力外,對其他污染物沒有作用,因此這種涂料的應用并不廣泛。

1.4 復合型

此類涂料對污染物的凈化機理至少同時具備光催化、物理吸附、化學反應3種機理中的兩種,從而集合不同機理的優點,達到對污染物優異的持久凈化能力。如同時向涂料中添加物理吸附材料和光觸媒材料,或者將光觸媒材料負載在物理吸附材料之上,再向涂料中添加,可以依靠物理吸附材料的吸附能力實現污染物在涂料表面的富集,再進一步依靠光觸媒的光催化作用實現污染物的分解,從而提高涂料對污染物的凈化能力。

采用這種復合機理研制的涂料最大的優點在于可以有效提高涂料對污染物的凈化速度,而且將光觸媒材料直接負載于吸附材料之上也可以解決光觸媒材料的團聚問題,因此這一類涂料有望成為室內空氣凈化涂料的主流。

 

2 室內空氣凈化涂料對污染物的凈化功能現狀

目前,空氣凈化涂料對污染物的凈化功能的評價大多依據JC/T 1074—2008《室內空氣凈化功能涂覆材料凈化性能》標準進行,該標準中涉及甲醛和甲苯兩個凈化指標。國家建筑材料測試中心統計了近兩年來依據JC/T 1074—2008標準檢測的此類產品的檢測情況。

近兩年國家建筑材料測試中心按照JC/T 1074—2008標準完成內墻涂料凈化性能檢測樣品226個,其中市場抽檢樣品39個,客戶委托樣品187個,合格率72%(凈化性能限量值75%),合格率較高;完成甲苯凈化性能檢測樣品26個,全部為客戶委托樣品,合格率3.8%(甲苯凈化性能限量值35%),合格率很低,不合格的產品中大部分的甲苯凈化性能低于10%,即便合格的產品,其甲苯凈化性能也不足40%。

由此可見,具有甲醛凈化能力的內墻涂料是比較多的,這種產品對甲醛的凈化能力可以得到肯定,其技術也相對成熟。但能夠實現甲苯凈化的產品極少,即便能夠凈化,其凈化性能也較差。這說明目前的污染物凈化技術應用于涂料中后,對于像甲苯這樣穩定性較高的污染物還不能有好的作用,空氣凈化涂料的功能性還有待進一步提高。

 

3 室內空氣凈化涂料的發展趨勢

3.1 具有優異甲醛凈化能力的產品的開發

目前,甲醛仍然是消費者最為關注的室內污染物,也是家庭裝修普遍存在的污染物。在相當長一段時間內,涂料的甲醛凈化功能仍將是市場的熱點,加上甲醛的活性較高,對其凈化技術的研究也較為成熟,這就使得開發具有甲醛凈化能力的涂料產品相對容易。目前,市場上具有甲醛凈化能力的產品已經很多,但產品的凈醛能力卻良莠不齊,對甲醛的凈化性能達到90%以上甚至完全凈化的產品就少之又少。因此,將來這一市場的競爭主要在于高端市場,產品對甲醛凈化能力的高低及長期有效性將越來越受關注,具有優異甲醛凈化能力的產品開發將成為趨勢。

3.2 具有長期有效的對多種污染物凈化能力的涂料產品的開發

從目前的光催化、物理吸附、化學反應幾種污染物凈化機理分析,要想實現對多種污染物(尤其是結構較為穩定的污染物)的凈化,而且要長期有效,光催化機理是最為理想的選擇。目前可選擇的最為成熟的光催化材料是納米TiO2,今后,納米TiO2應用涂料中,需要研究解決的主要問題有兩個:(1)納米TiO2在可見光下的高效作用;(2)抗氧化乳液的開發。

 

4 結語

室內空氣凈化涂料作為凈化室內環境的一種選擇,具有成本低、室內涂布面積大、無二次污染的優點,具有較大的發展潛力。目前市場上的空氣凈化涂料產品種類眾多,產品質量良莠不齊,尤其是具有長期有效的對多種污染物凈化能力的涂料產品還很少見,因此有必要加大科研投入,促進具有優良空氣凈化能力的涂料產品的發展。在優質產品研發的同時,還需要科學的凈化性能評價方法的建立,從而限制低端產品的應用、保障優質產品能夠脫穎而出,促進行業的健康有序發展。


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