环保型内墙漆的研讨

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摘要：为实现涂料生产无公害、无污染、节资节能的三大目标，选择健康功能天然矿物质—电气石，利用其压电性和热电性等独特的物化性能，使周围空气发生电离即在空气中产生负氧离子，达到净化空气的目的，并结合纳米TiO2稀土激活技术研制开发了健康环保型建筑内墙涂料。该涂料集低污染、高效的杀菌防腐性、产生空气负离子等多种对人体健康有益的功能于一身，同时其各项常规性能均符合GB/T9756-2001要求。经检测，健康环保型建筑内墙涂料的抑菌圈直径达到16mm以上，杀虫长效而对人体无毒害作用、没有异味，并能够使室内负离子数显著增加。

关键词：内墙涂料；抗菌杀虫；空气负离子

目前，室内环境对人类健康的影响很大，国际著名科学家莫勒夫指出,长期处于含有VOC气体的环境中,在感官方面会影响人体的视觉、听觉;在感情方面会造成神经质、偏激性、忧郁症和冷淡症;在认识功能方面造成长期和短期记忆混淆、迷乱;在运动功能方面造成握力变弱、不胁调和振颤。同时，室内空气负离子影响现代环境卫生学的调查研究表明,负离子空气是对人体健康非常有益的一种物质。当人们通过呼吸将负离子空气送进肺泡时，能刺激神经系统产生良好效应，经血液循环把所带电荷送到全身组织细胞中，能改善心肌功能，增强心肌营养和细胞代谢，减轻疲劳，使人精力充沛，提高免疫能力，促进健康长寿。近年来国外有关专家提出,常规设计的空调系统不能保证被调节房间的空气中具有足够数量的负离子;甚至在超净工作间,虽然恒温、恒湿、清洁,换气量也足够,但是人们还是常常感到头昏脑胀、容易疲倦、胸闷气郁,毫无舒适感,认为这是由于这类房间缺少空气负离子所致。因此,解决室内有害气体污染，创建健康有益的室内生活环境已成为倍受人们关注的环境健康课题。为美化、净化居住环境,增进人类健康,必须大力发展低VOC、低毒性、低污染的健康环保型建筑内墙涂料。应用天然矿物的改性活化技术和纳米TiO2稀土激活技术研制开发了健康环保型建筑内墙涂料，这是一种集无污染、抗菌、防霉、释放负离子等对人体健康有益功能于一身的多功能健康环保型内墙涂料。

一、实验

矿物基健康功能添加剂的制备

我们选择不同产地、不同粒度、不同热处理温度的健康功能天然矿物质-如天然铁电气石、镁电气石以及复合黑电气石等，进行抗菌保健性能检测，根据检测结果，选择几种健康功能天然矿物质对其进行各种处理，如担载银铜离子、稀土激活处理等，比较各种材料的抗菌保健性能和改性方法的优劣，选择抗菌保健效果最好的改性健康功能天然矿物基添加剂。其制备工艺流程如图1所示。

图1健康功能添加剂的制备工艺流程

（一）主要实验原料和配比（见表1）

表1健康环保型建筑内墙涂料的主要原料及配比

原材料配比

1#添加剂1～10

2#添加剂2～20

三乙醇氨调节PH值到9～10

苯丙乳液200～300

成膜助剂10～20

除虫菊脂0.15％～0.35％

增稠剂4.0～10

防腐剂2～8

分散剂1.0～4.0

滑石粉（800目）30～60

立德粉（800目）200～300

轻质碳酸钙（800目）50～150

水150～210

钛白粉（325目）100～300

重质碳酸钙（800目）40～200

注：1#添加剂为担载稀土离子的锐钛型纳米TiO2；2#添加剂以图1所示方法制得。

（二）涂料制备工艺流程

在涂料制备过程中，先将粉料、分散剂、水、增稠剂、助剂、矿物添加剂等高速搅拌进行混合和分散，制得白浆，然后与乳液、分散剂、水等进行搅拌形成涂料。制备工艺流程见图2。

图2健康环保型建筑内墙涂料的制备工艺流程

二、健康环保型建筑涂料的作用机理

（一）抗菌和纳米TiO2稀土激活机理

（1）稀土激活原理

具有光催化功能的半导体材料有WO3、TiO2、ZrO2、V2O3、ZnO、CdS、SeO2、GaP、SiC等。由于其它材料均不同程度地存在易发生光氧化、寿命短等缺陷，TiO2纳米半导体光催化材料技术引起了高度重视。TiO2有3种晶体结构，即金红石型结构、锐钛矿型结构、板钛矿型结构。其中，锐钛矿型和金红石型TiO2的禁带宽度（Eg）分别为3.2eV和3.0eV。在高于该能量值的紫外线（hv）的照射下，TiO2价带电子将向导带跃迁，从而在价带形成带正电的空穴h+vb在导带形成带负电的高活性电子e-cb.

但是通常在室内无紫外光条件下，TiO2的半导体光催化抗菌作用和空气净化效果仍较弱，我们在查阅和总结了大量资料的基础上，进行了大量的实验和深入的研究，发现采用稀土激活技术可以大大降低TiO2的光催化条件。我们采用的稀土激活抗菌材料技术，在室内光线条件下，便能够达到杀菌目的。稀土元素随着原子序数的增加4fn层逐步被填满。在银系、光触媒系抗菌剂中加入稀土元素原料，由于其外层的价电子带存在，当含有紫外线的光照射到光触媒系抗菌剂时，产生电子(e-)和空穴(h+)，产生的电子一部分跳跃而形成Ag-离子，而另一部分则较多地被稀土元素的外层价电子带所俘获，这样便可产生更多的空穴，与此同时，稀土元素价电子带俘获的部分电子也极易被银原子所夺而形成Ag-离子，由于以上2种激活，而更加有效地强化了银系或光触媒系抗菌剂的抗菌性能。

通过稀土激活技术，光触媒催化剂能够产生更多的电子空穴。光触媒导带中被激发的电子有很强的还原性，可与空气和水中的氧气作用，产生超氧自由基O2-；而价带中的空穴则具有强氧化能力，可将吸附在TiO2表面的OH-和H2O分子氧化成羟基自由基?OH。稀土激活原理示意如图3所示。

图3稀土激活原理示意

（2）杀菌防霉原理

在与无机溶质反应时，?OH自由基通常起氧化剂作用，通过简单的电子转移可变成OH-离子；在与有机物反应时，其氧化剂作用是无选择性的，各种有机物均可被?OH自由基分解，能破坏细菌的细胞膜和固化病毒的蛋白质，因此能起到杀菌防霉的作用。其反应过程如下：

TiO2→TiO2(e-cb+h+vb)

e-cb+h+vb→热量

H2O＝H++OH-

h+vb+OH-(ads)→?OH(ads)

h+vb+H2O(ads)+O2-?→?OH(ads)+H++O2-

h+vb+H2O→OH-(ads)+H+

O2+e-cb→O2-

O-2+H+→HO2-

2HO2-→H2O2+O2

H2O2+O-2→?OH+OH-+O2

H2O2→?OH+?OH

有机物+?OH+O2→H2O+CO2+其他产物

将此技术应用到健康环保型建筑内墙涂料的制备中，在室内光照射下取得了很好的杀菌防霉效果，抑菌圈直径达到16mm以上。并且由于所用的抗菌物质不会氧化、分解，反应时自身不起变化，具有极长的使用寿命。同时，二氧化钛本身无毒无害，通过国际安全认证，可广泛应用。

（二）健康功能作用机理

产生空气负离子

在健康功能天然矿物质表面以其C轴轴面为两极的静电场存在着自极化现象，导致电极性的产生，表面电场场强可达107V/cm3。水分子的电离电压为1.23V，数值很小。当空气中水分子与天然健康功能矿物碰撞时，在强电场作用下电离成羟基离子（OH-）和氢离子（H+）。OH-进入空气，不会独立存在，由于其电性和水分子的极性存在，吸引空气中水分子，形成水合羟基离子(OH-H2O)n(n=8~10)，即为空气负离子。水分子电解产生的H+一种可能是在电极上形成H2，另一种可能是吸引水分子形成水合氢离子，以正离子的形式进入空气中：

负离子涂膜在宏观上，表面光洁致密，但在微观上是高分子纤维网结成的多孔网膜。正是由于这种孔隙的存在，使得空气分子可以与涂料中的填料颗粒作用。负离子内墙涂料被涂刷在墙壁上，成膜后，空气中的水分子可以通过高分子膜的孔隙与涂料中的天然健康功能矿物颗粒作用。当微米级的负离子粉料均匀分散在有机膜中时，空气中的水分子与墙壁涂膜层碰撞，被负离子粉体颗粒电极附近的强电场电离，形成空气负离子。

三、结果与讨论

健康环保型建筑内墙涂料除具有常规涂料所具有的耐酸碱、耐洗刷、耐候性、附着力、粘度等常规性能以外，还具有释放负离子、抗菌等功能，而且无毒无害，使用施工简便安全。

（一）涂料的健康性能

（1）抗菌性能

参照相关指标检测标准，本涂料符合HJBZ4-99《环境标志—水性涂料》的技术指标，能够有效地抑制和杀灭细菌，尤其是对金色葡萄球菌和大肠杆菌具有很好的抑菌作用，对金色葡萄球菌抑菌圈直径可达17mm，对大肠杆菌抑菌圈直径可达16mm。皮肤反应参照GB7919-87化妆品安全性评价程序和方法,制定本标准皮肤反应指标。

（2）释放负离子性能

日本渡部一郎医学教授就负离子对人体健康的作用进行了测试,其作用可归纳为以下几项:(1)负离子直接影响细胞膜的电位,提高细胞的各种功能;促进新陈代谢,增加抵抗力。(2)净化血液,降低血压,改善心机功能。（3)安定自律神经、控制交感神经,改善睡眠效果。(4)增加吸氧量。（5)增加发汗量,增加脑波,减少疲劳。(6)控制炎症、镇痛、抗癌、削弱白血病细胞。（7)对肝硬化、糖尿病、神经麻痹、神经病也有相当疗效。（8)增加食欲,提高工作效率。（9)抗菌作用。（10)清新空气。参照建筑材料工业环境监测中心相关检测方法，本涂料含有天然健康功能矿物，能够大量释放对人体健康有益的负离子。达到国家相关检测标准要求。

（二）涂料的常规性能

参照国家建材检测中心相关检测标准，本涂料的常规性能符合GB/T9756-2001《合成树脂乳液内墙涂料》要求以及符合HJBZ4—99环境标志产品技术要求，涂料光泽根据不同的使用要求,提供人们生活环境的舒适感,按平光涂料的要求确定本涂料光泽指标，同时达到相关检测标准DB31/T15—1998《健康型建筑内墙涂料》的各项指标,具体要求测试结果见表4。

表4涂料的常规性能检测结果

（三）涂料的安全性能

（1）涂料的VOC、游离甲醛、重金属含量检测

参照国家建材检测中心相关检测标准，本涂料的VOC、游离甲醛、重金属含量均符合GB18582-2001《室内装饰装修材料内墙涂料中有害物质限量》要求。关于重金属含量的检测必须强调本健康型建筑内墙涂料中不得含有汞及其化合物,本涂料规定的重金属含量为铅、镉、铬三种元素含量的叠加值。在检测过程中发现其它重金属元素已计入规定的重金属指标内。TVOC技术指标是参照96/13/EC结合涂料产品实际情况制订的，本涂料无毒、无污染，施工安全，无任何过敏性反应。检测结果见表5。

表5涂料中VOC、游离甲醛、重金属含量检测结果

（2）涂料的放射性检测

参照国家建材工业建材放射性监督检验测试相关检测方法，本涂料采用放射性检测仪进行检测，结果符合GB6566-2001A类装修材料要求，使用不受限制。

四、结论及展望

随着社会的进步,人民生活水平的不断提高和健康、环保、节能意识的增强,大力发展高性能、多功能、有利健康、使生活更舒适、与环境更协调和改善生态环境的健康环保型建筑内墙涂料,是实现我国建筑涂料行业可持续发展的重要途径。健康环保型建筑内墙涂料应具备健康功能材料所包含的功能。首先,它必须对环境友好,即无污染;其次,对环境有积极意义,即能够净化、美化环境;同时,对人体健康有益,即不仅能够释放或辐射对人体有益的物质,而且能够吸收对人体有害的物质。

健康环保建材的研究、开发与应用,业已成为今后行业研究的焦点和重点,环保建材必将成为21世纪的主导产品。应用天然矿物的改性活化技术和纳米稀土激活技术研制的健康环保型建筑内墙涂料，不仅具有较为优越的常规性能，还集无污染、抗菌、防霉、辐射远红外线、释放负离子等对人体健康有益的功能于一身。健康环保型建筑内墙涂料大致经历了3个发展阶段:第1代为抗菌自清洁涂料,具有抗霉菌、防污物的功能,能够有效地保持涂料清洁美观的表面,减少了表面除污所需的人力物力消耗。第2代为空气净化功能涂料,通过在涂料中添加具有光催化功能的纳米材料,使其具有分解空气中有害气体,净化室内环境功能。此类涂料的应用将大大缓解环境污染问题,也为室内环境的健康化创造了良好的基础。

本涂料和以前的环保型涂料相比,其不仅具有抗菌、自清洁和净化空气的特点,还新增加一些健康功能,如它只需在可见光激发下便可产生大量的负离子，使室内负离子数显著增加。空气负离子被人们喻为空气维生素或生长素。它可被称为第3代功能性涂料。这类涂料真正使室内环境从最低标准的对人体健康无损伤跨越到了延年保健，促进健康，为人们居室生活创造出更为清新、舒适、健康的氛围。

为了进一步提高涂料的健康功能,我们已经着手研究如何使之具有辐射对人体健康有益的远红外线功能,甚至有希望使室内成为一个具有超强理疗效果的远红外谐振腔同时具有吸收电磁波的功能,使居室不再只是人们单一的休息居住的场所,而且是一个健康养身的乐园。

参考文献

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