室内空气质量越来越受到消费者和企业主的关注。室内空气污染物(VOCs -挥发性有机化合物)可能来自地毯、火炉、家具、绝缘材料、宠物、垃圾和车库燃料等来源(图1)。虽然目前的房屋建筑技术使房屋的空气转数更少,而且隔热效果更好,但这可能会将挥发性有机化合物困在房子里,导致住户哮喘和过敏的增加。

室内空气污染源(VOCs)。
图1”室内空气污染源(VOCs)。

有些产品声称可以清除室内空气中的挥发性有机化合物。这不是解决所有问题的灵丹妙药。这种混合光/滤光系统成本很高,而且为了提高效率,覆盖面积很小。也有混合系统,是对HVAC系统的改进,效率高,但成本高。其他类型的机器可以产生臭氧,这带来其他健康问题。一些含有过滤器的产品会因为充满杂质而失去活性,失去减少挥发性有机化合物的功效。

混合系统,如分子或HVAC系统(图2)与紫外线灯降解室内毒素,在某些情况下细菌,共享一种称为光催化氧化的技术作为活性成分,以导致化学降解。

光催化暖通空调系统。
图2”光催化暖通空调系统。

有几种金属氧化物,如二氧化钛氧化锌和氧化铜,用于光催化过程。这些材料可以通过在高温化学“浴”中进行化学处理,并融合到更惰性和更稳定的结构(如硅藻)的表面。金属氧化物为10-20纳米(图3),而硅藻为10-50微米(图4)的颗粒尺寸要大得多,这导致了一种非常稳定和耐用的材料。

10-20纳米的二氧化钛。
图3»10-20纳米的二氧化钛。
硅藻10 - 50微米。
图4»硅藻10 - 50微米。

如果光谱光泽度低于50 @ 60度,这种材料可以直接添加到涂层中,或者可以用更小的颗粒尺寸0.5-3微米制成分散体。这可以添加到更高的光泽度系统,而不影响光泽度或朦胧度。为了说明颜料是如何分散到涂层中的,我们让第三方实验室进行了TEM(透射电子显微镜)图像(图5)。

硅藻颗粒在抛光利用TEM。
图5»硅藻颗粒在抛光利用TEM。

降解机理是UV、LED或可见光照射硅藻上的钛催化剂。完成这一任务最有效的能量大约是400纳米波长。硅藻与分散在涂层中的纳米二氧化钛颗粒(如图5所示)导致电子跃迁能态。这个自由电子与VOC反应,将分子分解成更小的物种(图6)。图中所示的降解过程是甲醛CH的降解过程2O -氧化还原成H2O和有限公司2

光催化降解机制。
图6»光催化降解机制。

显然,所有键能都是不同的。有些需要更多的能量才能打破化学键。二氧化钛的能带隙约为3电子伏,这足以破坏除碳氧双键外的所有键。表1说明了破坏典型化学键所需的一些能量。

键能。
表1”键能。

为了验证二氧化钛的有效性,我们将几种涂层系统放在一起,但这里只讨论三种。这些都使用了添加到涂层系统的分散形式。我们测试的涂料是低固体光泽度抛光剂,高固体光泽度抛光剂和缎面2K聚氨酯。这三种都是水性的。

为了监测和跟踪这一降解过程,我们使用了ISO 22197-4标准的甲醛还原和ISO 22197-5标准的甲基硫醇还原。这项研究是在北卡罗来纳州罗利的RTP实验室进行的。RTP实验室利用27升的腔室进行更严格的实验控制。测试是在7x14英寸的玻璃板上进行的,以不影响测试。称一克涂层,并将其涂在玻璃板上,在25°C和40%的相对湿度下固化30分钟。在一组测试中进行了没有活性二氧化钛的对照,并进行了含有特定数量二氧化钛的活性样本的测试。室内喷洒氮气以消除室内任何VOC。

在测试运行的光泽度低固体抛光,5%的甲醛添加在时间为零,并监测长达72小时。在另一次测试中,在零时间加入了2.5 ppm的甲基硫醇,并监测了72小时。实验室外采用T8 LED灯作为能量源,测试过程中一直开着。

测试是在两种抛光剂和催化2K水性聚氨酯上进行的。第一次测试是在低固体含量(10%非挥发性材料)的光泽度抛光剂上进行的,用于零售消费应用。抛光液中二氧化钛的装载量为0.15%(表2)。甲醛的还原量略低,可能是由于装载量的原因,甲醛的还原量比低固体含量抛光液的控制量高13%,但甲基硫醇的还原量比控制量低39%,效率更高。

测试18-009光泽度抛光。
表2”测试18-009光泽度抛光。

甲醛和甲基硫醇的含量随着固体含量的增加而增加(22%的非挥发性物质),可buffable Jan/San型抛光液(表3)。抛光液中二氧化钛的装载量为0.5%的干活性。甲醛的减少更明显,比对照减少93%。甲基硫醇的还原量比对照高36%。

测试18-045高固体抛光剂
表3”测试18-045高固体抛光剂

测试中的甲醛含量为百万分之25,本产品未测试甲基硫醇(表4)。抛光剂中二氧化钛的负载水平为1%干活性。与对照相比,甲醛的降低率为82%。

测试21-047 2K聚氨酯。
表4»测试21-047 2K聚氨酯。

测试一致表明,甲醛和甲基硫醇的减少(在抛光的情况下)比甲醛的自然降解控制更好。随着时间的推移,甲醛和甲基硫醇也会自然降解。将降低值与最终控制退化值进行比较。


结论

虽然我们能够在一个受控的房间里证明甲醛和甲基硫醇的还原,但要在一间房子里的房间里证明这一点就更具挑战性了。有几个因素会影响到这一点,比如房子里的空气转向,绝缘水平,以及挥发性有机化合物的排放水平和来源。我们将花更多的时间在房子里的控制室里进行调查。

作者特别感谢Bona公司高级化学家Pietrina Peschel;Nicholas Day博士(及其团队),Diatomix公司首席执行官(光催化二氧化钛和背景材料供应);Alston Sykes,首席化学家,RTP实验室公司(分析测试和VOC排放)。