氣體吸收材料的製作方法
2023-10-24 21:04:12 3
專利名稱：氣體吸收材料的製作方法
背景技術：
發明領域本發明涉及一種具有優異氣體吸收容量的氣體吸收材料，特別是作為建築中的內部材料或室內裝修材料用於吸收室內有害氣體的氣體吸收材料。更特別的是，本發明涉及一種當施加於底物上時能將氣體吸收容量賦予底物的氣體吸收組合物。
背景技術：
患建築綜合症或患房屋綜合症和化學過敏近來已經成為一個問題。這些疾病是由高度密封建築中建築材料釋放的化學物質引起的。人們已經進行了許多研究，通過利用炭的吸收能力，用炭吸收室內存在的這種化學物質以抑制這些綜合症。
特別地，已經出現了一些技術上的建議，其中將木炭或竹炭研磨成炭粉，並將炭粉與各種材料混合，以製備建築材料(例如，日本專利未審公開No.150645/1995和49916/1994)。
另外，日本專利未審公開NO.226207/2000公開了一種具有低溫碳化部分和高溫碳化部分的活性木炭的製備方法。該方法包括以下步驟在450-550℃熱處理木屑，以將木屑碳化(低溫碳化步驟)；和隨後在800-900℃熱處理碳化的木屑，以進一步將木屑碳化(高溫碳化步驟)。但是，在該出版物中沒有具體公開使用該活性木炭的任何模製產品。另外，該出版物沒有建議或公開任何用於模塑的有用粘合劑。
發明概述本發明人現已發現，將已在約800℃或更高溫度下碳化的高溫碳化木炭、已在約550℃或更低溫度下碳化的低溫碳化木炭以及藻酸或氧化鈣結合可以顯著提高木炭的吸收活性。本發明是基於這一發現。
因此，本發明的一個目的是提供一種具有優異氣體吸收容量的氣體吸收材料，特別是作為內部材料用於建築物以吸收室內有害氣體的氣體吸收材料。
本發明的另一目的是提供一種氣體吸收組合物，當施加於底物上時，該組合物能賦予該底物以氣體吸收容量。
本發明的氣體吸收材料包含在約800℃或更高溫度下碳化的高溫碳化木炭；在約500℃或更低溫度下碳化的低溫碳化木炭；以及藻酸或其鹽或氧化鈣。
本發明的氣體吸收組合物包含液體介質；和分散在上述液體介質中的在約800℃或更高溫度下碳化的高溫碳化木炭、在約550℃或更低溫度下碳化的低溫碳化木炭，以及藻酸或其鹽或氧化鈣。
附圖簡述
圖1是本發明的木炭板材的具體實施方案的透視圖；圖2是圖1在A-A線上呈現的截面圖；圖3是說明本發明模製板材步驟的示意圖；圖4是顯示實施例1中測試片A的阻燃性測試結果的圖；圖5是顯示實施例1中測試片B的阻燃性測試結果的圖；圖6是顯示實施例1中測試片C的阻燃性測試結果的圖；圖7是顯示實施例4中使用氣體吸收材料時甲醛濃度變化的圖；圖8是顯示實施例4中使用氣體吸收材料時苯濃度變化的圖；圖9是顯示實施例4中使用氣體吸收材料時甲苯濃度變化的圖；圖10是顯示實施例4中使用氣體吸收材料時氨濃度變化的圖；圖11是顯示實施例5中使用氣體吸收材料時苯濃度變化的圖；圖12是顯示實施例5中使用氣體吸收材料時甲苯濃度變化的圖；圖13是顯示實施例6中使用氣體吸收材料時各種氣體濃度變化的圖；圖14是顯示實施例7中使用氣體吸收材料時各種氣體濃度變化的圖。
發明詳述高溫碳化木炭和低溫碳化木炭在本發明中，高溫碳化木炭是指通過在約800℃或更高溫度下碳化而製備的木炭。在本發明的優選實施方案中，高溫碳化木炭是指通過在約800-1300℃的溫度下，更優選在900-1000℃溫度下碳化而製備的木炭。可以在製備高溫碳化木炭所涉及的精煉方法中，通過例如空氣或蒸汽進行活化。
另外，在本發明中，低溫碳化木炭是指通過在約550℃或更低溫度下碳化而製備的木炭。在本發明的優選實施方案中，低溫碳化木炭是指通過在約300-550℃的溫度下、更優選在450-500℃的溫度下碳化而製備的木炭。
對可以用作木炭原料的木材沒有特殊限制，包括針葉樹，例如柳杉屬、日本柏樹(日本扁柏)、松樹和日本落葉松、竹子，以及建築廢料。
高溫碳化木炭和低溫碳化木炭在吸收容量上互不相同。具體而言，高溫碳化木炭對甲醛、苯、甲苯、二甲苯、乙苯、氯代苯等具有較高的吸收特性。而另一方面，低溫碳化木炭對氨、胺等具有較高的吸收特性。高溫碳化木炭和低溫碳化木炭的混合物對於各種物質具有良好的吸收容量。
考慮到本發明的氣體吸收材料所要捕獲的氣體類型，可以適當地確定高溫碳化木炭與低溫碳化木炭的混合比。但是，高溫碳化木炭和低溫碳化木炭基於重量的混合比優選為30∶70至60∶40，更優選40∶60至50∶50。
優選將高溫碳化木炭和低溫碳化木炭研磨成粉末，隨後用於所需應用。顆粒直徑可以適當地確定。但顆粒直徑優選約0.3-9.5mm，更優選約0.6-1.18mm。
因為按照體積電阻，高溫碳化木炭的電導率不超過10Ω·cm，所以本發明的吸收材料也可以方便地具有抗靜電效應和電磁輻射屏蔽效應。低溫碳化木炭一般具有約109-1012Ω·cm的體積電阻。
藻酸和氧化鈣在本發明中，藻酸或其鹽例如鈉鹽、鉀鹽或鈣鹽將木炭顆粒彼此粘合，並且還具有提高木炭氣體吸收容量的效果。顯然，與木炭相比這些藻酸單獨地是不具有或具有(如果有的話)很低的吸收活性。因此，木炭與藻酸共存可以顯著提高高溫碳化木炭和低溫碳化木炭的混合物的氣體吸收活性是出人意料的。
在本發明中，藻酸或其鹽是指純化的藻酸或其鹽，此外還有主要由藻酸組成的物質，例如，角叉菜膠和角叉菜屬。
另外，在本發明的氣體吸收材料中，藻酸或其鹽的加入量可以從作為粘合劑的功能以及提高氣體吸收活性的觀點出發而適當地確定。但藻酸或其鹽的加入量的下限優選約5％重量，更優選約10％重量。另一方面，藻酸或其鹽的加入量的上限優選約25％重量，更優選約15％重量。
依據本發明的另一實施方案，除高溫碳化木炭和低溫碳化木炭之外，本發明的氣體吸收材料還包括氧化鈣。和藻酸一樣，該氧化鈣的作用是提高高溫碳化木炭和低溫碳化木炭的氣體吸收容量。另外，由於氧化鈣的存在，本發明的氣體吸收材料可以方便地提高其防火性能。特別地，由烘烤殼製備的外殼烘烤的鈣，以及生石灰可以用作氧化鈣。
另外，在本發明的氣體吸收材料中，氧化鈣的加入量可以從提高氣體吸收活性的觀點出發適當地確定。氧化鈣加入量的下限優選是約5％重量，氧化鈣加入量的上限優選是約15％重量，更優選約7％重量。
而且，依據本發明的實施方案，本發明的氣體吸收材料可以同時包括藻酸和氧化鈣。藻酸和氧化鈣的聯合加入可以進一步提高高溫碳化木炭和低溫碳化木炭的氣體吸收活性。
本發明的氣體吸收材料可以包括粘合劑，前提條件是包括上述藻酸。這裡可用的粘合劑包括硅藻土、水泥、聚合粘合劑，例如異氰酸鹽樹脂乳液，以及澱粉糊漿。例如，常規的卜特蘭水泥、熱穩定的卜特蘭水泥、早硬的卜特蘭水泥、高爐水泥和矽石水泥可以作為水泥使用。使用硅藻土或水泥的優點是可以提高氣體吸收材料的防火性能。另外，硅藻土或水泥優選與用作粘合劑的聚合粘合劑結合使用。粘合劑的加入量可以適當地確定。但是，當粘合劑加入量過大時，氣體吸收材料的氣體吸收活性有時會退化。所以，優選仔細確定粘合劑的加入量。在本發明的氣體吸收材料中，粘合劑的加入量優選約10-40％重量。
模製產品及其製備方法本發明的氣體吸收材料一般以模製形式使用。具體而言，氣體吸收材料模製成板狀，隨後用作室內建築材料，例如牆壁材料或天花板材料。或者，本發明的氣體吸收材料可以模製成任何形式，然後置於室內以吸收室內的有害成分，即，可以作為所謂的「除臭劑」使用。
在模製產品的製備中，從增強強度的觀點出發，優選使用填料或補強劑。此處可以使用的填料或補強劑的優選例子包括纖維材料，例如蕉麻和木漿、金屬絲網和柵格或蜂巢結構。
板狀材料可以很容易地通過將高溫碳化木炭、低溫碳化木炭、藻酸或氧化鈣以及任選的粘合劑和其它組分的混合物傾倒入模具並模製混合物而製備。根據本發明優選的實施方案，板狀材料優選是圖1和2所示的形狀。圖1和2所示的板狀材料包括底物3和與底物3連接的具有蜂巢結構的補強劑2。底物3的外圍被框架(未顯示)包圍，上述混合物傾倒入被底物和框架限定的空間，隨後將上表面滾動和模製至使得補強劑2的上端多少被混合物遮蓋的程度，板狀材料的製備由此完成。
作為本發明氣體吸收材料，板狀材料的一般製備方法將參照圖3描述。板狀材料之外的其它形式的氣體吸收材料也可以按照這種製備方法，通過改變模具的形狀而製備。製備方法包括三個步驟，即，炭粉製備步驟A、粘合液製備步驟B和板狀材料模製步驟C。
在作為步驟A的炭粉製備步驟中，將作為原始材料的木頭，例如日本柳杉、日本柏木(日本扁柏)等的細圓木、建築廢棄材料或竹子切成具有適當尺寸的碎片，將碎片乾燥，然後置於用於碳化的烘箱中，以製備高溫碳化木炭和低溫碳化木炭(步驟A1)。接著，將高溫碳化木炭和低溫碳化木炭通過輥等方法研磨(步驟A2)。用具有預定目數的過濾器篩選由此得到的粉末(步驟A3)，篩下的顆粒隨後作為混合炭粉使用。
在粘合液製備步驟B中，首先將纖維材料例如蕉麻或木質紙漿切成具有合適尺寸的碎片，將碎片與水混合，分解纖維材料以製備含分解的纖維材料的水溶液(步驟B1)。接著，向含分解的纖維材料的水溶液中加入適量粘合劑，即，藻酸和其它粘合劑(步驟B2)，接著徹底攪拌混合(步驟B3)。藻酸優選以通過將藻酸混合併溶解於適量水而製備的溶液形式加入。
在板狀材料模製步驟C中，首先按照預定比例，將炭粉製備步驟A中製得的混合炭粉和粘合液製備步驟B中製得的粘合液混合在一起，然後將混合物徹底捏合，以製備板狀材料的原材料(步驟C1)。接著，將捏合後的板狀材料的原材料傾倒入框架中，隨後加壓模製成給定的厚度(步驟C2)。接著，將包括框架在內的全部部件置於乾燥烘箱中，在室溫至60℃或更低的溫度下乾燥3-5小時(步驟C3)。從乾燥烘箱中抽出後，除去框架以取出完成的木炭板材。
依據本發明的優選實施方案，可以在板狀氣體吸收材料的表面加上裝飾紙，以改善外觀。對裝飾紙沒有限制，只要它具有一定水平的空氣滲透性且不會損失本發明氣體吸收材料的功能即可。另外，在本發明的優選實施方案中，可以在用於製備額外具有光催化分解活性的多功能板狀材料的裝飾紙上附著光催化劑等。
氣體吸收組合物本發明另一個方面提供了一種氣體吸收組合物，其包含液體介質；以及分散於所述液體介質中的高溫碳化木炭、低溫碳化木炭，以及藻酸或其鹽或氧化鈣。
通過將該組合物噴灑到底物上，可以有效地將氣體吸收容量賦予底物。例如，該組合物製備成噴霧形式，然後噴灑到需要賦予氣體吸收容量的位置或製品上，由此可以簡單地將氣體吸收能力賦予該位置或製品。具體而言，通過將組合物噴灑在包裝材料的內部，可以很容易地而製備出對其內容物具有除臭功能的包裝材料，例如瓦楞紙板。
此處可以使用的液體介質包括水和醇類。
通過考慮例如顆粒的分散穩定性，可以適當地確定本發明組合物中高溫碳化木炭和低溫碳化木炭的顆粒直徑。但是，顆粒直徑的下限優選約10μm，更優選約70μm，顆粒直徑的上限優選約1,000μm，更優選約600μm。
組成本發明氣體吸收組合物的組分比例可以適當地確定。但優選氣體吸收組合物包括約40-60％重量的高溫碳化木炭和低溫碳化木炭、約10-30％重量的藻酸或氧化鈣，以及約25-35％重量的液體介質。
實施例高溫碳化木炭和低溫碳化木炭的製備在以下實施例中使用的高溫碳化木炭和低溫碳化木炭如下製備。提供一個內部體積為16m3的混凝土燒窯，在前面有火焰埠，在後面較低部分有排氣埠、其內部覆蓋耐火石磚。將木頭放進燒窯，和從火焰埠進行最初點火。在初始燃燒過去24小時後，開始分解和碳化，在300-400℃的溫度下再繼續48小時。然後，溫度升至400-550℃。這個溫度上升被認為是代表碳化的完成和精煉過程的開始。在精煉過程開始5-10小時後，完全密封和冷卻燒窯。得到的木炭作為低溫碳化木炭使用。在精煉過程中，通過空氣或蒸汽進行活化，碳化溫度是900-1100℃。然後，該溫度保持3小時。得到的木炭作為高溫碳化木炭使用。空氣活化是通過以10-20m3/分鐘的空氣流速將空氣強制加入烘箱，直至溫度達到約900-1000℃而進行的。另一方面，蒸汽活化是通過以0.5-2升/分鐘的速度將蒸汽強制加入並同時強制加入空氣而進行的。
實施例1彎曲強度測試(1)由高溫碳化木炭和低溫碳化木炭組成的混合炭粉(1000g)與100g蕉麻混合以製備混合物。然後向其中加入粘合劑(200g)(由60g醋酸乙烯酯固體基質、80g澱粉糊漿和80g藻酸鈉組成)和200g外殼烘烤的鈣。
接著，將這樣得到的混合物傾倒入框架，隨後壓制為給定厚度。然後將包括框架在內的全部組件置於乾燥烘箱中，並在室溫或60℃或更低溫度下乾燥約3-5小時。將全部組件從烘箱中取出。然後除去框架以製備尺寸為300×400×15mm的板作為測試片A。分別地，將上述混合物分成兩部分，其中一部分傾倒入框架。然後將薄紗材料攤開在混合物上，和混合物的剩餘部分在薄紗材料的上面傾倒入框架。隨後，重複上述製備測試片A的步驟，以製備薄紗材料位於其中的木炭板狀材料作為測試片B。按照與在製備測試片B中使用的同樣方式製備測試片C，不同的是摻入麻繩而替代薄紗材料。在這種情況下，14條(5×9)麻繩呈格狀排列在整個木炭板中。測試片A、B和C在測試室中於20℃和60％相對溼度的條件下放置一星期或更長時間，以使測試片的溫度和水含量均勻。
彎曲強度測試是按照JIS A 6901」8.5 Blending test.」進行的。在這種情況下，測試片的支撐跨度是350mm，彎曲負載是從測試片的背面施加的。得到的結果如表1所示。按照下面等式確定各測試片的彎曲強度。
彎曲強度(N/mm2)＝3 PL/2 bt2其中P彎曲時的斷裂負載，N；L跨度，mm；b測試片斷裂面的寬度，mm；和t測試片斷裂面的厚度，mm。
結果如下表所示。
表1
實施例2彎曲強度測試(2)提供在實施例1中作為測試片使用的木炭板，並將0.3mm厚的紙板施加在木炭板的兩側以製備測試片A』、B』和C』。以與實施例1同樣的方式檢測測試片A』、B』和C』。結果如表2所示。
表2
如上表所示，測試片A』彎曲時的平均斷裂負載是1202N，接近石膏板(厚度15mm)參考值650N的兩倍。
實施例3防火性能測試將實施例1製備的木炭板進行JIS A 1321(用於內部塗層材料和建築過程的不燃性的測試方法)中指定的3級不燃性表面測試。該測試在1.50Kw(主要熱源)、0.35升/分鐘(L.P.G)(亞熱源)和6分鐘(加熱時間)的條件下進行。
結果如表3和圖4-6所示。結果顯示，測試片的發煙因子(CA)分別是0.9、0.6和0.5，這表明木炭板通過了JIS A 1321指定的3級不燃性表面測試。
表3
實施例4氣體吸收測試(1)提供實施例1製備的測試片A和測試片D，其中測試片D按照與測試片A相同的方式製備，只是不含氧化鈣。每一個測試片放置在密封的30升測試盒中。然後將氣體注入該盒，達到合適的濃度，測量氣體濃度隨時間的變化。使用甲醛、苯、甲苯和氨作為氣體。
結果見圖7-10所示。結果顯示，測試片A和測試片D均具有吸收全部測試氣體的效果。另外，很明顯，對於苯和甲苯，測試片A的濃度降低幅度顯著大於測試片D，這表明通過氧化鈣得到的吸收效果是明顯的。
實施例5氣體吸收容量測試(2)提供測試片A和測試片E，所述測試片E是按照與測試片A相同的方法製備的，只是在壓敏型粘合劑中只使用醋酸乙烯酯，而沒有使用澱粉糊漿和藻酸鈉。按照與實施例4相同的方法測試這些測試片的氣體吸收容量。結果，對於甲醛和氨，測試片E具有基本上與測試片A相等的氣體吸收容量。但對於苯和甲苯，測試片E在氣體吸收容量上比測試片A差。苯氣體濃度隨時間的變化和甲苯氣體濃度隨時間的變化分別如圖11和圖12所示。
實施例6氣體吸收容量測試(3)(1)測試片的製備高溫碳化木炭(250g)、250g低溫碳化木炭和100g蕉麻加入由適量水、250g常規卜特蘭水泥和250g硅藻土組成的混合物中。另外，向其中加入50g澱粉糊漿和50g藻酸鈉。該混合物充分混合成粘土形式，然後按照與實施例1相同的方式，用於製備長度600mm×寬度900mm×厚度15mm尺寸的測試片。
(2)測試方法和測量方法將上述測試片施加於體積為8m3的密封測試室的內壁上，以形成總面積為8m2的木炭板壁。測試室帶有氣體引入埠和兩個測量樣品收集埠、一個上部測量樣品收集埠和一個下部測量樣品收集埠。將甲醛、苯、甲苯或氨注入測試室。這些氣體在室溫下是液體。所以，預先將預定量的氣體引入一個10升袋子，然後將10升空氣引入袋子，使氣體揮發。袋子中氣體的濃度是約幾千個ppm，接著，將袋子中的氣體通過氣體引入埠注入測試室。在測試室中的氣體濃度是甲醛約3ppm，而苯、甲苯和氨約30ppm。氣體注入後，在預定時間間隔內，從兩個上部和下部測量樣品收集埠將袋子中的空氣取樣，用氣體濃度測量裝置(Kitagawa氣體檢測管)測量氣體濃度。
氣體濃度的變化如表5和圖14所示。那時的氣體吸收率如表6所示。
表5氣體濃度，ppm
表6吸收率，％
實施例7氣體吸收容量測試(4)(1)測試片的製備將高溫碳化木炭(250g)、250g低溫碳化木炭和100g蕉麻加入由150g通過在水中乳化Oshika樹脂B-1605(OSHIKA CORPORATION生產的一種異氰酸樹脂粘合劑)製得的乳液、50g澱粉糊漿和50g藻酸鈉組成的混合物中。該混合物充分混合成粘土形式，然後按照與實施例1相同的方式，用於製備長度600mm×寬度900mm×厚度15mm尺寸的測試片。
(2)測試方法和測量方法測試方法和測量方法與實施例6相同。氣體濃度的變化如表7和圖15所示。那時的氣體吸收率如表8所示。
表7氣體濃度，ppm
表8吸收率，％
權利要求
1.一種氣體吸收材料，包含在約800℃或更高溫度下碳化的高溫碳化木炭；在約500℃或更低溫度下碳化的低溫碳化木炭；以及藻酸或其鹽或氧化鈣。
2.權利要求1的氣體吸收材料，其包含藻酸或其鹽和氧化鈣。
3.權利要求1或2的氣體吸收材料，其中高溫碳化木炭和低溫碳化木炭的混合比是以重量計的30∶70至60∶40。
4.權利要求1-3任一項的氣體吸收材料，其中所述高溫碳化木炭是在800-1300℃的溫度下碳化的。
5.權利要求1-4任一項的氣體吸收材料，其中所述低溫碳化木炭是在300-550℃的溫度下碳化的。
6.權利要求1-5任一項的氣體吸收材料，其是模製的形狀。
7.權利要求6的氣體吸收材料，其是一種室內建築材料。
8.一種氣體吸收組合物，包含液體介質；和分散於所述液體介質中的在800℃或更高溫度下碳化的高溫碳化木炭，在500℃或更低溫度下碳化的低溫碳化木炭，以及藻酸或其鹽或氧化鈣。
9.權利要求8的氣體吸收組合物，其包含藻酸或其鹽和氧化鈣。
10.權利要求8或9的氣體吸收材料，其中高溫碳化木炭和低溫碳化木炭的混合比是30∶70至60∶40，以重量計。
11.權利要求8-10任一項的氣體吸收材料，其中所述高溫碳化木炭是在800-1300℃的溫度下碳化的。
12.權利要求8-11任一項的氣體吸收材料，其中所述低溫碳化木炭是在300-550℃的溫度下碳化的。
13.一種將氣體吸收容量賦予底物的方法，所述方法包括將權利要求8-12任一項的氣體吸收組合物噴灑至所述底物上的步驟。
14.一種通過權利要求13的方法已被賦予氣體吸收容量的底物。
全文摘要
本發明的氣體吸收材料包含在約800℃或更高溫度下碳化的高溫碳化木炭，在約500℃或更低溫度下碳化的低溫碳化木炭，以及藻酸或其鹽或氧化鈣。高溫碳化木炭、低溫碳化木炭以及藻酸或氧化鈣的結合顯著提高了木炭吸收氣體的性能。該氣體吸收材料可以用作具有優異氣體吸收容量的氣體吸收材料，特別是用作建築的內部材料以吸收室內有害氣體。
文檔編號B01J20/20GK1511081SQ0281074
公開日2004年7月7日 申請日期2002年5月1日 優先權日2001年5月2日
發明者及川紀久雄, 小松徹, 西卷龍介, 介 申請人:山英建設株式會社