一種光催化水泥基裝飾複合材料及其製備方法
2023-05-18 03:25:41 1
專利名稱：一種光催化水泥基裝飾複合材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種在自然環境下具有光催化活性的水泥基裝飾複合材料及其製備方法，屬於光催化材料、水泥基功能複合材料和環境保護領域。
背景技術：
近年來人類的生活環境汙染狀況日益嚴重，工業生產和汽車尾氣排放出大量有害氣體的同時各種裝飾材料也揮發出很多有害化學物質，這些汙染物主要有CO、sox、NOx、H2S、 甲醛、乙醛、苯及其同系物、各種烴類等。另外一方面，有機廢水中常含有滷代脂肪烴、滷代芳烴、多環芳烴、酚類、染料、農藥等多種有害的有機物質，這些物質在造成嚴重的水體汙染的同時在特定的情況下也會揮發到空氣中對空氣造成汙染，很大程度上降低了人們賴以生存的環境質量，嚴重威脅著人們的生命健康。如何在社會發展的同時改善人們賴以生存的生活環境已經成為整個社會共同關注的一個問題。活性炭等多孔物質可以對環境中的有害物質進行吸附，但是當其吸附達到飽和時需要進行清理，而且不適合大範圍應用，另外不能很好吸附低濃度汙染物等因素也在很大程度上限制了其大規模應用。
目前具有良好應用前景的光催化技術主要以半導體TiO2作為代表性的光催化劑， 其具有良好的光催化活性、化學穩定性、熱穩定性、無二次汙染、無刺激性、安全無毒等優點，在自然光照射的條件下就能夠催化分解細菌和汙染物，長期存在於自然環境中具有優異的環境友好性，是具有良好應用前景的環保型光催化劑之一。
TiO2在光催化反應中發生的主要過程如下當受到大於其禁帶寬度能量的光子照射後，其價帶上將有電子受激發躍遷到導帶上，產生光生電子和光生空穴，光生電子和光生空穴分離後遷移到光催化粒子的表面分別與化和η2Ο反應生成超氧陰離子自由基· & 和· 0Η，他們具有很高的氧化性，從而可以對有機物和一些有害氣體有催化降解作用。
制約TiA應用的因素主要有兩個光譜響應能力和光生電子-光生空穴複合能力。普通TiO2的禁帶寬度在3. 2eV左右，只能對太陽光譜中的紫外光有響應能力。通過N、 F、Ta等金屬、非金屬元素的摻雜可以在TW2的能帶中引入新的能級，從而將TW2的光譜響應範圍拓展到可見光區域，提高了 T^2的光催化能力。碳納米管、石墨烯、足球烯、納米碳粉等碳類導電物質具有優異的光電性能，當其緊密貼合在光催化劑表面時可以很好地對半導體的光生電子和光生空穴進行有效分離，提高光催化劑的催化能力；另一方面，這些物質的原料較便宜，可以大規模生產。利用元素摻雜和導電物質對納米TiO2進行複合改性進一步拓寬了本來就具有很多優點的T^2的應用領域。
日本專利JP2003^6063公開了一種將納米TiO2應用於水泥基材料的技術。中國專利CN102015572A公開了一種將納米光催化劑應用於浙青道路表面的技術，該技術將光催化劑和水泥、超稀釋劑、粘度調節劑和消泡劑組成稀料使光催化劑滲透到浙青路面的空隙中，可以大規模應用並且路面具有持久的光催化性能。中國專利CN101823898A中公開了一種將光催化劑應用於鋪路材料中的技術，該產品使鋪地塊料在自然光線、空氣和溼度的條件下對環境中的有機汙染物和有害氣體具有良好的催化降解作用。專利EP786283中描述了一種用於減少NOx的表面層含有納米TW2的互鎖鋪地塊料。
如上所述，目前對光催化劑的大規模應用絕大多數都集中在路面建設方面，不可否認這方面的應用對改善環境發揮著很大的作用。但是，目前在建築裝潢方面的基本情況是對環境的傷害大於改善。由於社會發展中基礎設施建設的必然性，將建築裝潢材料和光催化產業相結合對改善環境將具有非凡的意義和良好的前景。發明內容
本發明的目的提供一種具有光催化和裝飾功能的光催化水泥基裝飾複合材料，本發明另外一個目的是提供這種光催化水泥基裝飾複合材料的製備方法。
本發明的技術方案一種光催化水泥基裝飾複合材料，其特徵在於其原料組分及各組分佔原料總量的重量百分含量分別為納米複合光催化劑1 6%、水泥30 60%、骨料20 35%、減水劑0 2%、無機顏料1 6%、添加劑3 5%、水15 20% ；其中，納米複合光催化劑由納米導電物質和鈦的化合物複合而成。
優選所述的水泥為硫鋁酸鹽水泥、矽酸鹽水泥或白水泥中的任意一種；所述的骨料為普通白色石英砂、彩砂或彩色細石中的任意一種；骨料的平均粒徑為40 70目；所述的減水劑為聚羧酸減水劑；所述的無機顏料為有色玻璃粉或氧化鐵紅；無機顏料的平均顆粒尺寸為100 400目；所述的添加劑為丙烯酸乳液。
優選所述的納米複合光催化劑中納米導電物質與鈦的化合物的重量比例為 0. 01 0. 5 10 ；更優選納米導電物質與鈦的化合物的重量比例為0. 05 0. 35 10 ；其中，優選納米導電物質至少為碳納米管、納米碳粉、足球烯或石墨烯中的一種；優選所述的鈦的化合物為純的納米TiO2,或者是至少為N、F、Ta或W元素中任意一種元素摻雜改性的納米TW2 ；優選TW2的晶型為銳鈦礦型或銳鈦礦/金紅石兩相共存型。優選納米複合光催化劑平均粒徑為15 500nm。
本發明還提供了上述的光催化水泥基裝飾複合材料的製備方法，其具體步驟如下
A.納米複合光催化劑的製備；
a)按照納米複合光催化劑中納米導電物質與鈦的化合物的重量比例為0. 01 0.5 10，計量稱取納米導電物質與鈦的化合物；
b)將稱取的納米導電物質與鈦的化合物與水混合均勻，加入水熱反應釜中，在 120 180°C下處理6 24小時；
c)將反應產物離心分離，並在80 100°C烘乾，即得納米複合光催化劑；
B.按照光催化水泥基裝飾複合材料中各個組分的質量分數稱取納米複合光催化劑、水泥、骨料、減水劑、添加劑、無機顏料和水；首先，將納米複合光催化劑、減水劑、添加劑均勻分散於水中，然後再加入水泥、無機顏料和骨料混合粉體中，機械共混得到各組分分散均勻的漿料；最後，採用機械噴塗或澆注成型，並經過自然乾燥即獲得所需的光催化水泥基裝飾複合材料。
優選步驟B中所述的機械共混為採用高速機械攪拌機攪拌，攪拌機的轉速為 5000-8000r/min,攪拌時間為 10_30min。
本發明對光催化水泥基裝飾複合材料對有機染料(羅丹明B、亞甲基藍)進行催化降解時，先對染料進行吸附，在500W氙燈照射下，光催化劑表面產生光生電子和光生空穴，光生電子與吸附在光催化劑表面上的A生成超氧陰離子自由基·02_，光生空穴與H2O生成· OH氫氧自由基等，產生的這些強氧化性物質和與其接觸的羅丹明B和亞甲基藍產生氧化還原反應，分解成對人體無害的物質。
有益效果
純的和元素摻雜後的納米TiO2經導電物質改性後具有更高的光催化活性，製備的光催化水泥基裝飾複合材料同時具有高光催化活性和表面裝飾功能，可用於大型建築(住宅、娛樂場所、購物中心、工廠等)的表面裝潢。
具體實施方式
實施例1
納米複合光催化劑由多壁碳納米管(平均長度1. 5um，平均直徑15nm，市售)和納米Ti02(P25，平均顆粒粒徑20nm，市售)按照0.05 10的重量比例，通過水熱法(反應溫度120°C，反應時間M小時)複合而成，所製備的光催化劑在80°C乾燥得成品。
按需稱取1. 5g納米複合光催化劑、50g水泥(525#GRC水泥)、25g石英砂00目， 市售)、2g氧化鐵紅(120目，市售)、0. 5g減水劑(Sikament NN，廣州西卡)、3g聚合物添加劑(丙烯酸熱塑性聚合物乳液，上海羅門哈斯)、17g水。
首先，將稱取的納米功能光催化劑、減水劑和聚合物添加劑加入水中攪拌均勻。其次，向水泥、石英砂和氧化鐵紅混合粉體中逐漸加入上述混合液體，採用機械攪拌(5000r/ min,30min)均勻；最後，在模具內利用機械噴漿成型，室溫乾燥即可獲得所需的光催化水泥基裝飾複合材料。
利用製備的水泥板催化降解60ml濃度為lmg/L的羅丹明B水溶液，先將光催化水泥基裝飾複合材料在此濃度的羅丹明β水溶液中浸泡池使其達到吸附-解吸附平衡，利用 500W氙燈作為光催化反應的光源。經證照射後取5ml溶液經離心後取上層清液利用紫外可見分光光度計測定水溶液中羅丹明B的濃度。結果表明所製備的樣品具有良好的光催化效果，經光照6小時後溶液中羅丹明B的降解率達到83%。
實施例2
納米複合光催化劑由納米碳粉(粒徑10 20nm，比表面積40 300m2/g，市售) 和W摻雜納米TW2 (銳鈦礦型，平均顆粒粒徑lOOnm，市售)按照0. 3 10的重量比例，通過水熱法(反應溫度180°C，反應時間6小時)複合而成，100°C烘乾，複合粒子平均顆粒尺寸約為150nm。
按需稱取3. 2g納米功能光催化劑、30g水泥(普通白水泥，中國鄭州)、32g石英砂 (65目，市售)、5g有色玻璃粉(400目)、0.8g減水劑(SikamentNN，廣州西卡)、4g聚合物添加劑(丙烯酸熱塑性聚合物乳液，上海羅門哈斯公司)、16g水。
首先，將稱取納米功能光催化劑、減水劑和聚合物添加劑加入水中攪拌均勻。其次，向水泥、石英砂和有色玻璃粉混合粉體中逐漸加入上述混合液體，採用機械攪拌均勻 (8000r/min, 15min)；最後，在模具內利用澆注成型，室溫乾燥即可獲得所需的光催化水泥基裝飾複合材料。
利用製備的水泥板催化降解50ml濃度為lmg/L的亞甲基藍水溶液，先將光催化水泥基裝飾複合材料在此濃度的亞甲基藍水溶液中浸泡池使其達到吸附-解吸附平衡，利用 500W氙燈作為光源將製備的水泥板用於催化降解濃度為lmg/L的亞甲基藍水溶液。結果表明製備的樣品具有優異的光催化效果，經過光照IOh後，樣品對亞甲基藍的降解率達到了 91%。
實施例3
納米複合光催化劑由納米石墨烯(由8000目石墨粉製備，市售)和TW2納米片 (邊長100 200nm，厚度< lOnm，銳鈦礦型，自製)按照0. 45 10的重量比例，通過水熱法(反應溫度150°C，反應時間18小時)複合而成，90°C烘乾。
按需稱取5. Og光催化納米功能複合粒子、45g水泥(硫鋁酸鹽水泥，中國鄭州)、 25g石英砂(60目，市售)、4g有色玻璃粉(100目)、1.5g減水劑(Sikament NN，廣州西卡)、 3g聚合物添加劑(丙烯酸熱塑性聚合物乳液，上海羅門哈斯公司)、16g水。
首先，將稱取納米複合光催化劑、減水劑和聚合物添加劑加入水中攪拌均勻。其次，向水泥、石英砂和氧化鐵紅混合粉體中逐漸加入上述混合液體，採用機械攪拌均勻 (6000r/min,30min)；最後，在模具內利用機械噴漿成型，室溫乾燥即可獲得所需的光催化水泥基裝飾複合材料。
利用製備的水泥板催化降解濃度為ang/L的羅丹明B水溶液，先將光催化水泥基裝飾複合材料在此濃度的羅丹明B水溶液中浸泡使其達到吸附-解吸附平衡，利用500W 氙燈作為光催化反應的光源。經證照射後取5ml水溶液經離心分離取上層清液利用分光光度計測定水溶液中羅丹明B的濃度。結果表明4號樣品具有最佳的光催化能力，對亞甲基藍的催化降解率達到了 88%。
實施例4
納米複合光催化劑由多壁碳納米管(平均長度1. 5um，平均直徑15nm，市售)和納米Ti02(P25，平均顆粒粒徑20nm，市售)按照0.05 10的重量比例，通過水熱法(反應溫度120°C，反應時間M小時)複合而成，所製備的光催化劑在80°C乾燥得成品。
按需稱取1. 5g納米複合光催化劑、49. 5g水泥(525#GRC水泥)、25g石英砂(40 目，市售)、2g氧化鐵紅(120目，市售)、3g聚合物添加劑(丙烯酸熱塑性聚合物乳液，上海羅門哈斯)、19g水。
首先，將稱取的納米功能光催化劑、減水劑和聚合物添加劑加入水中攪拌均勻。其次，向水泥、石英砂和氧化鐵紅混合粉體中逐漸加入上述混合液體，採用機械攪拌(6000r/ min,20min)均勻；最後，在模具內利用機械噴漿成型，室溫乾燥即可獲得所需的光催化水泥基裝飾複合材料。
利用製備的水泥板催化降解60ml濃度為lmg/L的羅丹明B水溶液，先將光催化水泥基裝飾複合材料在此濃度的羅丹明β水溶液中浸泡池使其達到吸附-解吸附平衡，利用 500W氙燈作為光催化反應的光源。經證照射後取5ml溶液經離心後取上層清液利用紫外可見分光光度計測定水溶液中羅丹明B的濃度。結果表明所製備的樣品具有良好的光催化效果，經光照6小時後溶液中羅丹明B的降解率達到84%。
權利要求
1.一種光催化水泥基裝飾複合材料，其特徵在於其原料組分及各組分佔原料總量的重量百分含量分別為納米複合光催化劑1 6%、水泥30 60%、骨料20 35%、減水劑 0 2%、無機顏料1 6%、添加劑3 5%、水15 20% ；其中，納米複合光催化劑由納米導電物質和鈦的化合物複合而成。
2.如權利要求1所述的光催化水泥基裝飾複合材料，其特徵在於所述的水泥為硫鋁酸鹽水泥、矽酸鹽水泥或白水泥中的任意一種；所述的骨料為普通白色石英砂、彩砂或彩色細石中的任意一種；骨料的平均粒徑為40 70目；所述的減水劑為聚羧酸減水劑；所述的無機顏料為有色玻璃粉或氧化鐵紅；無機顏料的平均顆粒尺寸為100 400目；所述的添加劑為丙烯酸乳液。
3.如權利要求1所述的光催化水泥基裝飾複合材料，其特徵在於所述的納米複合光催化劑中納米導電物質與鈦的化合物的重量比例為0.01 0.5 10;其中，納米導電物質至少為碳納米管、納米碳粉、足球烯或石墨烯中的一種；其中所述的鈦的化合物為純的納米 TiO2,或者是至少為N、F、Ta或W元素中任意一種元素摻雜改性的納米TW2 ；TiO2的晶型為銳鈦礦型或銳鈦礦/金紅石兩相共存型。
4.如權利要求1所述的光催化水泥基裝飾複合材料，其特徵在於所述的納米複合光催化劑中納米導電物質與鈦的化合物的重量比例為0.05 0.35 10。
5.一種製備如權利要求1所述的光催化水泥基裝飾複合材料的方法，其具體步驟如下A.納米複合光催化劑的製備；a)按照納米複合光催化劑中納米導電物質與鈦的化合物的重量比例為0.01 0.5 10，計量稱取納米導電物質與鈦的化合物；b)將稱取的納米導電物質與鈦的化合物與水混合均勻，加入水熱反應釜中，在120 180 °C下處理6 M小時；c)將反應產物離心分離，並在80 100°C烘乾，即得納米複合光催化劑；B.按照光催化水泥基裝飾複合材料中各個組分的質量分數稱取納米複合光催化劑、水泥、骨料、減水劑、添加劑、無機顏料和水；首先，將納米複合光催化劑、減水劑、添加劑均勻分散於水中，然後再加入水泥、無機顏料和骨料混合粉體中，機械共混得到各組分分散均勻的漿料；採用機械噴塗或澆注成型，並經過自然乾燥即獲得所需的光催化水泥基裝飾複合材料。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於步驟B中所述的機械共混為採用高速機械攪拌機攪拌，攪拌機的轉速為5000-8000r/min，攪拌時間為10-30min。
全文摘要
本發明涉及一種光催化水泥基裝飾複合材料及其製備方法，光催化水泥基裝飾複合材料由光催化納米複合光催化劑、水泥、骨料、減水劑、無機顏料、添加劑和水共同組成，將上述組分經過機械混合後通過機械噴漿或澆注的方法成型。本發明的光催化水泥基裝飾複合材料，在自然環境下能夠降解絕大多數有機汙染物和有害氣體，具有裝飾和淨化環境的雙重功能。
文檔編號C04B28/04GK102515659SQ201110386709
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月29日 優先權日2011年11月29日
發明者倪亞茹, 熊吉如, 王衛, 許仲梓, 陸春華 申請人:南京工業大學