КОМПОЗИЦИОННЫЙ ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЙ КОМПОНЕНТ ДЛЯ ТОНКОСЛОЙНЫХ ОТДЕЛОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
COMPOSITE PHOTOCATALYTIC COMPONENT FOR THIN-LAYER FINISHING MATERIALS AND METHOD FOR ITS PRODUCTION

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, в частности к области получения фотокаталитических добавок для цементных тонкослойных отделочных материалов, используемых для достижения эффекта самоочищения поверхности.
,
Из уровня техники известны фотокаталитические композиционные материалы (ФКМ), содержащие титан и известняк (патенты RU № 2522370, МПК C04B 35/465 опубл. 10.09.2012и № 2516536, МПК B01J 35/00, опубл. 20.05.2014) для применения в составе цемента. Недостатком является использование в качестве носителя известняка, невзаимодействующего с цементом. Ввиду этого количество ФКМ на основе известняка должно быть ограниченно в районе 15-16 % от массы цемента, что не позволяет добиться фотокаталитической активности на поверхности тонкослойных отделочных материалов.
Известна композиция для получения матрицы с фотокаталитической активностью по патенту RU 2518124, МПК C09D 5/14, опубл. 10.06.2014, состоящая из золя алкоксида титана (30-70 %) и эпоксидной составляющей золя (30-70 %). Недостатком является использование дорогостоящей эпоксидной дисперсии, которая обладает стойкостью к УФ-излучению, характерного при внешней отделке зданий.
Известен объект, покрытый фотокатализатором и жидкое покрытие для него по патенту RU 2434691, МПК B05D 7/24, опубл. 27.11.2011, состоящий из субстрата, который покрывается слоем фотокатализатора, включающего себя 1-20 частей по массе частиц фотокатализатора и 70-99 частей по массе частиц неорганического оксида и 0-10 частей гидролизуемого силикона. Недостатком является способ нанесения в виде пленок на поверхности строительных материалов, неспособность введения в состав цементных материалов, а также использование в составе неорганических частиц синтетического происхождения (не природных минеральных порошков).
Известны также пористые покрытия из диоксида титана, имеющие улучшенную фотокаталитическую активность (патент RU 2470053, МПК C09D 1/00, опубл. 20.12.2012), где для экономии алкоксида титана вводится средство для образования пористой структуры из высокомолекулярного полимерного вещества, образованного из, по меньшей мере, одного из сложных эфиров. Недостатком является отсутствие связывания с субстратом диоксида титана при безобжиговом способе нанесения и высокий расход алкоксида титана.
Известна строительная смесь по патенту RU 2594031, МПК C04B 22/00, опубл. 10.08.2016, состоящая из фотокатализатора и носителя (не менее 90 % летучей золы). Недостатком этого изобретения является процесс простого смешивания сухих компонентов, что не обеспечивает хорошего распределения фотокатализатора даже на шарообразных частицах летучей золы. Кроме того, отсутствует какая-либо возможность связывания носителя с диоксидом титана.
2
Известна дисперсия TiO для придания поверхностям заданных свойств, по патенту RU 2399589, МПК C01G 23/053, опубл. 20.09.2010, состоящая из комплексообразующего растворителя, ингибитора поликонденсации, воды и алкоксида титана с возможным добавлением неионогенного ПАВ, получаемая дистилляцией исходного раствора и последующим нагревом реакционной смеси. Недостатком является невозможность использования данной дисперсии в качестве компонента строительных материалов. А нанесение дисперсии на поверхность строительных материалов в виде сплошного слоя приводит к повышенному расходу диоксида титана, в случае его применения.
2
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является (Fu. X., & Qutubuddin, S. (2001). Synthesis of titania-coated silica nanoparticles using a nonionic water-in-oil microemulsion. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 179(1), 65-70) способ получения частиц кремнезема, покрытых диоксидом титана, включающий в себя предварительное получение затравочных частиц SiO при помощи гидролиза (72 часа) тетраэтоксисилана (0,028 M) в растворе неионногенного ПАВ (Тритон Х-45, 0.05-0.3 M) в среде циклогексана, гидроксида аммония (0.094 M) и воды (0.210-0.70 M). Полученную взвесь быстро ацидифицируют серной кислотой и добавляют раствор Тритон Х-45, содержащий тетрабутоксититан, в различных пропорциях. Полученная микроэмульсия ФКМ, в пересчете на сухой остаток, содержит 13 % диоксида титана и остается прозрачной и стабильной в течение нескольких недель. Недостатком прототипа, по мнению заявителя, является то, что получаемый раствор ФКМ содержит циклогексан, который не позволяет использовать данную микроэмульсию в составе строительных материалов на основе цемента.
Задача,
на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в расширении области использования фотокаталитических композиционных материалов (ФКМ) в качестве композиционного фотокаталитического компонента тонкослойных отделочных материалов (шпатлевок) с эффектом самоочищения.
Задача решается
за счет введения в состав ФКМ минеральных порошков, содержащих аморфный кремнезем, в качестве носителя фотокаталитического материала, а также за счёт добавления в технологический процесс дополнительных стадий – сушки и обжига.
Технический эффект
от применения фотокаталитического композиционного материала, полученного предлагаемым способом, заключается в получении композиционного фотокаталитического компонента на основе минерального порошка с высоким содержанием диоксида титана (не менее 20%), что, при введении в состав цементных тонкослойных отделочных материалов, придает им фотокаталитические свойства, обеспечивающие эффективное самоочищение поверхности.
Сущность изобретения
реакционной смеси
заключается в том, что композиционный фотокаталитический компонент для тонкослойных отделочных материалов, полученный из , состоящей из алкоксида титана, стабилизатора и водного раствора этанола, отличающийся тем, что используют 95%-ный водный раствор этанола, в качестве стабилизатора используют сорбитан моностеарат и дополнительно реакционная смесь содержит минеральный порошок – аморфный кремнезем при следующем соотношение компонентов, мас.%:
алкоксид титана
20-30
стабилизатор – сорбитан моностеарат
15-25
95%-ный водный раствор этанола
55-65,
указанный минеральный порошок вводится в количестве 10-15 % от массы реакционной смеси.
Способ получения композиционного фотокаталитического компонента для тонкослойных отделочных материалов заключается в том, что осуществляют гомогенизацию в мешалке при скорости 500 об/мин и температуре 60 °С в течение 25 мин сорбитана моностеарата в 95%-ном водном растворе этанола, введение в полученный раствор алкоксида титана, минерального порошка – аморфного кремнезема и перемешивание в течение 90-120 мин, сушку при температуре 115 °C до постоянной массы, обжиг в печи при температуре 550 °C в течение 30-120 мин.
Предлагаемый способ получения фотокаталитического композиционного материала для изготовления самоочищающихся строительных материалов осуществляют следующим образом.
Предварительно замешивают реакционную смесь, состоящую (по массе) из алкоксида титана (20-30 %), сорбитан моностеарат (15-25 %) и водного раствора этанола (55-65 %). Затем малыми порциями добавляют минеральный порошок (10-15 % от массы реакционной смеси) и перемешивают в течение 90-120 минут синтеза. По окончанию, смесь сушат при температуре не выше температуры вспышки до постоянства массы и обжигают при температуре не более 570 °C в течение 30-120 минут.
Известно, что минеральные порошки, содержащие аморфный кремнезем, можно вводить до 80 % в состав строительных смесей, что позволит формировать высоконаполненные покрытия на поверхности строительных материалов, что актуально для различных тонкослойных отделочных материалов на основе цемента, таких как различные шпатлевки и декоративно-защитные покрытия. (Бутт Ю.М. Химическая технология вяжущих материалов : учеб. для вузов / Ю.М. Бутт, М.М. Сычев, В.В. Тимашев; ред. В.В. Тимашев. - Москва : Высшая школа, 1980. - 472 с.).
На основе алкоксида титана
)
2
2
в спиртовом растворе можно получать при помощи золь-гель фотокаталитические композиционные материалы с эффектом самоочищения (Strokova V., Gubareva E., Ogurtsova Y., Fediuk R., Zhao P., Vatin N. & Vasilev Y. (2021). Obtaining and Properties of a Photocatalytic Composite Material of the “SiO-TiO” System Based on Various Types of Silica Raw Materials. Nanomaterials, 11(4), 866. Традиционной схемой получения является растворение алкоксида в одно- и (или) многоатомном спирте (образование золя), гелеобразование, сушка (старение геля) и обжиг (спекание). Исследования показали, что введение в качестве стабилизатора сорбитан моностеарата с уровнем гидрофильно-липофильного баланса 4,5-4,7 в количестве 15-25 мас.% в реакционную смесь приводит к снижению вводимого количества алкоксида титана. Последующее введение минерального порошка в количестве 10-15 % от массы реакционной смеси позволяет получать композиционный фотокаталитический компонент с содержанием диоксида титана 20-25 % в готовом продукте после обжига.
Примерами минеральных порошков, содержащих аморфный кремнезем, могут являться: диатомит, трепел, опока, микро- и нанокремнезем (различного происхождения).
Примерами алкоксидов титана могут являться: тетратретбутоксид титана (ТтБТ), тетрапропоксид титана (ТПТ), тетраизопропоксид титана (ТИТ), тетрабутоксид титана (ТБТ).
В сравнении с прототипом отмечено более высокое содержание диоксида титана и, следовательно, увеличение фотокаталитической активности, оцененной методом деградации органического красителя на поверхности материала, что обеспечивает наиболее лучший эффект самоочищения у отделочных материалов.
Вид ФКМ
Содержание диоксида титана, %
Деградация родамина Б от вида воздействия, %
УФ-излучение
Естественное освещение
4 ч
26 ч
5 сут
Прототип
14
13
60
86
Пример 1
21,6
25
86
97
Пример 2
19,7
23
84
96
Пример 3
20,8
20
82
95
Пример 4
20,0
15
73
91
Пример 1
С помощью мешалки при постоянной скорости 500 об/мин и температуре 60 °С в течение 25 минут проводили гомогенизацию сорбитан моностеарат (ПАВ) в среде 95 % этанола.
При комнатной температуре в полученный раствор ПАВа по каплям вводили ТБТ. По достижению видимой гомогенизации и постоянства вязкости в состав реакционной смеси вносили диатомит в количестве 12,5 % от массы реакционной смеси и перемешивали в течение 90 минут. Затем проводили испарение дисперсионной среды посредством термической обработки в сушильном шкафу при температуре 115 °C до постоянства массы. Далее смесь обжигали для кристаллизации диоксида титана и удаления органических составляющих в муфельной печи при температуре 550 °C в течение 120 минут.
Анализ полученного композиционного фотокаталитического компонента на основе диатомита показал содержание диоксида титана 21,6 %. Фотокаталитическая активность данного ФКМ, оцененной методом деградации органического красителя на поверхности материала, показала деградацию 97 % красителя, нанесенного на поверхность ФКМ.
Пример 2
С помощью мешалки при постоянной скорости 500 об/мин и температуре 60 °С в течение 25 минут проводили гомогенизацию сорбитан моностеарат (ПАВ) в среде 95 % этанола. При комнатной температуре в полученный раствор ПАВа по каплям вводят ТБТ. По достижению видимой гомогенизации и постоянства вязкости в состав реакционной смеси вносят порошок опоки в количестве 12 % от массы реакционной смеси и перемешивают в течение 90 минут. Затем проводят испарение дисперсионной среды посредством термической обработки в сушильном шкафу при температуре 115 °C до постоянства массы. Далее смесь обжигали для кристаллизации диоксида титана и удаления органических составляющих в муфельной печи при температуре 550 °C в течение 120 минут.
Анализ полученного композиционного фотокаталитического компонента на основе опоки показал содержание диоксида титана 19,7 %. Фотокаталитическая активность данного ФКМ, оцененной методом деградации органического красителя на поверхности материала, показала деградацию 96 % красителя, нанесенного на поверхность ФКМ.
Пример 3
С помощью мешалки при постоянной скорости 500 об/мин и температуре 60 °С в течение 25 минут проводили гомогенизацию сорбитан моностеарат (ПАВ) в среде 95 % этанола. При комнатной температуре в полученный раствор ПАВа по каплям вводят ТБТ. По достижению видимой гомогенизации и постоянства вязкости в состав реакционной смеси вносят порошок трепела в количестве 12 % от массы реакционной смеси и перемешивают в течение 90 минут. Затем проводят испарение дисперсионной среды посредством термической обработки в сушильном шкафу при температуре 115 °C до постоянства массы.Далее смесь обжигали для кристаллизации диоксида титана и удаления органических составляющих в муфельной печи при температуре 550 °C в течение 120 минут.
Анализ полученного композиционного фотокаталитического компонента на основе трепела показал содержание диоксида титана 20,8 %. Фотокаталитическая активность данного ФКМ, оцененной методом деградации органического красителя на поверхности материала, показала деградацию 95 % красителя, нанесенного на поверхность ФКМ.
Пример 4
С помощью мешалки при постоянной скорости 500 об/мин и температуре 60 °С в течение 25 минут проводили гомогенизацию сорбитан моностеарата (ПАВ) в среде 95 % этанола. При комнатной температуре в полученный раствор ПАВа по каплям вводят ТБТ. По достижению видимой гомогенизации и постоянства вязкости в состав реакционной смеси вносят микрокремнезем в количестве 12 % от массы реакционной смеси и перемешивают в течение 90 минут. Затем проводят испарение дисперсионной среды посредством термической обработки в сушильном шкафу при температуре 115 °C до постоянства массы.Далее смесь обжигали для кристаллизации диоксида титана и удаления органических составляющих в муфельной печи при температуре 550 °C в течение 120 минут.
Анализ полученного композиционного фотокаталитического компонента на основе микрокремнезема показал содержание диоксида титана 20 %. Фотокаталитическая активность данного ФКМ, оцененной методом деградации органического красителя на поверхности материала, показала деградацию 91 % красителя, нанесенного на поверхность ФКМ.
Применение предлагаемого способа позволяет получить композиционный фотокаталитический компонент с высоким содержанием диоксида титана (20-25 %), готового к использованию в составе цементных тонкослойных отделочных материалов с эффектом самоочищения поверхности.
Таким образом, задача, стоящая перед изобретением, решена.