ОБОИ С ВОЗДУХООЧИЩАЮЩЕЙ ФУНКЦИЕЙ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАКИХ ОБОЕВ
WALLPAPERS WITH AIR CLEANING FUNCTIONS AND METHOD OF THEIR PRODUCTION

Уровень техники
1. Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к воздухоочищающим обоям и способу изготовления таких воздухоочищающих обоев. Более конкретно, настоящее изобретение относится к воздухоочищающим обоям, которые могут обладать удовлетворительной фотокаталитической активностью под действием маломощных (низкоэнергетических) источников света, таких как комнатные лампы накаливания и люминесцентные лампы, а также под действием высокоэнергетических источников света, например, УФ-излучения и солнечного света, и к способу изготовления воздухоочищающих обоев.
2. Описание предшествующего уровня техники
Известно множество способов придания обоям дезодорирующих функций. Например, на обои наносят пористый адсорбент. Чтобы желаемые эффекты проявились, пористый адсорбент располагается на поверхности обоев. Для того чтобы прикрепить адсорбент к обоям, на обои наносят раствор для покрытия, содержащий адсорбент для образования покровного слоя на поверхности. Однако в таком случае клей забивает поры адсорбента, затрудняя выполнение адсорбентом функции дезодорирования. Обычно адсорбент представляет собой частицы размером около нескольких десятков микрон и имеет черную окраску. Покрытие из адсорбента на поверхности обоев ухудшает печатные свойства обоев.
При попытках создания чистой среды внутри помещений, были предложены способы, в которых для удаления загрязнителей воздуха внутри помещений используется фотоактивность фотокатализаторов. В этой связи в настоящее время активно изучается применение фотокатализаторов, типичным представителем которых является диоксид титана.
Фотокатализаторы на основе диоксида титана привлекают большое внимание и интерес в качестве экологически благоприятных материалов, которые превращают световую энергию в химическую энергию при комнатной температуре. В последние годы фотокатализаторы на основе диоксида титана широко применяются в различных областях, включая очистку воздуха внутри помещений, в антибактериальных и дезодорирующих материалах. Значительные научно-исследовательские достижения также сделаны в области повышения фотоактивности фотокатализаторов на основе диоксида титана. В частности, в качестве одного из подходов к повышению фотоактивности диоксида титана рассматривается уменьшение размера частиц диоксида титана до нанометрового диапазона и добавление к диоксиду титана металла, такого как платина, серебро или никель.
Общеизвестные фотокаталитические покрытия чувствительны к УФ-излучению, однако не предполагается проявление их эффектов под воздействием видимого света в обычной окружающей среде. Частицы фотокатализатора могут взаимодействовать в растворе для покрытия, который должен наноситься для образования поверхностного слоя. Такое взаимодействие может вызывать старение поверхностного слоя. Кроме того, УФ-чувствительные фотокатализаторы активируются даже под действием УФ-излучения или солнечного света, что ограничивает их применение и служит препятствием для расширения их ассортимента и областей применения.
Сущность изобретения
Авторы настоящего изобретения проанализировали влияние различного рода металлов на фотокаталитические эффекты диоксида титана, легированного ионами металлов. В результате авторы настоящего изобретения обнаружили, что фотокатализатор, легированный ионами определенных металлов, эффективно поглощает свет не только в УФ-диапазоне, но также в видимом диапазоне длин волн (около 400-800 нм) света от ламп накаливания, люминесцентных ламп, светодиодных (LED) ламп и т.д., что прежде считалось трудноразрешимой проблемой, и обладает хорошей активностью. На основе этого открытия авторы настоящего изобретения применили легированный фотокатализатор для покрытий обоев.
Таким образом, целью настоящего изобретения является получение воздухоочищающих обоев, которые имеют воздухоочищающее поверхностное покрытие, образованное на обоях путем нанесения покрытия методом распыления, чтобы дезодорировать воздух и удалять формальдегид и неприятные запахи, высвобождающиеся во время ежедневной жизнедеятельности, наряду с постоянным поддержанием их дезодорирующего эффекта даже под воздействием низкоэнергетического света в видимом диапазоне длин волн от комнатных ламп накаливания, люминесцентных ламп, светодиодных (LED) ламп и т.д., и света с недостаточной интенсивностью; покрытие, не вызывающее старения обоев и не наносящее ущерба внешнему виду обоев.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения предлагаются воздухоочищающие обои, содержащие базовый слой, напечатанный слой и воздухоочищающий покровный слой, образованные в указанном порядке начиная снизу, где воздухоочищающий покровный слой образуется путем нанесения покрытия из фотокатализатора, который активируется светом видимого диапазона и содержит растворитель, соединение титана, хелатообразующий агент, соединения металлов и кислотный катализатор.
Фотокатализатор, активируемый видимым светом, может дополнительно содержать связующее.
Связующее может представлять собой триэтилортосиликат, γ-глицидоксипропилтриметоксисилан или их смесь.
1
4
Растворитель может представлять собой С-С-спирт.
Спирт может представлять собой изопропанол.
Соединение титана может представлять собой тетраизопропилат титана.
Хелатообразующий агент может представлять собой этилендиаминтетрауксусную кислоту (ЭДТА) или диацетилметан.
Соединения металлов можно выбрать из группы, состоящей из нитратов, сульфатов и хлоридов цинка, меди, железа, марганца, лития и серебра.
Кислотный катализатор может представлять собой хлористоводородную кислоту, азотную кислоту, серную кислоту или уксусную кислоту.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предлагается способ изготовления воздухоочищающих обоев, включающий в себя: (а) взаимодействие спирта, соединения титана и хелатообразующего агента; (b) растворение соединений металлов в дистиллированной воде; (с) добавление реакционной смеси со стадии (а) к водному раствору со стадии (b) в присутствии кислотного катализатора и взаимодействие полученной смеси при перемешивании для получения фотокатализатора, активируемого видимым светом; и (d) нанесение на обои покрытия из фотокатализатора, активируемого видимым светом.
Способ согласно настоящему изобретению может дополнительно включать в себя добавление связующего после взаимодействия на стадии (с).
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения предлагается способ изготовления воздухоочищающих обоев, включающий в себя: (а) взаимодействие изопропанола в качестве спирта, тетраизопропилата титана в качестве соединения титана и диацетилметана в качестве хелатообразующего агента; (b) растворение нитратов двух, трех или четырех металлов, выбранных из нитратов Zn, Cu, Fe, Mn, Li и Ag в качестве соединений металлов в дистиллированной воде; (с) медленное добавление реакционной смеси со стадии (а) к водному раствору со стадии (b) в температурном диапазоне от комнатной температуры до 90°С, и взаимодействие полученной смеси при перемешивании при 90 об/мин или выше в течение, по меньшей мере, 2-х часов в присутствии азотной кислоты в качестве кислотного катализатора; (d) добавление к реакционной смеси со стадии (с) триэтилортосиликата, γ-глицидоксипропилтриметоксисилана или их комбинации в качестве связующего для получения фотокатализатора, активируемого видимым светом; и (е) нанесение на обои покрытия из фотокатализатора, активируемого видимым светом.
Нанесение покрытия можно осуществлять путем нанесения покрытия методом распыления.
Краткое описание чертежей
Указанные и/или другие аспекты и преимущества изобретения станут очевидными и будут более легко оценены из следующего описания вариантов осуществления изобретения, приводимых вместе с сопроводительными чертежами, на которых:
на фиг.1-3 приведены экспериментальные данные, показывающие скорости удаления формальдегида с помощью обоев по примеру для сравнения 1 и обоев по примеру 1.
Подробное описание изобретения
Здесь будут подробно описаны типичные варианты осуществления настоящего изобретения.
В настоящем изобретении предлагаются воздухоочищающие обои, содержащие базовый слой, напечатанный слой и воздухоочищающий покровный слой, образованные в указанном порядке, начиная снизу, где воздухоочищающий покровный слой образуется путем нанесения покрытия из фотокатализатора, который активируется светом видимого диапазона и содержит растворитель, соединение титана, хелатообразующий агент, соединения металлов и кислотный катализатор.
В настоящем изобретении также предлагается способ изготовления воздухоочищающих обоев, включающий в себя: (а) взаимодействие спирта, соединения титана и хелатообразующего агента; (b) растворение соединений металлов в дистиллированной воде; (с) добавление реакционной смеси со стадии (а) к водному раствору со стадии (b) в присутствии кислотного катализатора, и взаимодействие полученной смеси при перемешивании для получения фотокатализатора, активируемого видимым светом; и (d) нанесение на обои покрытия из фотокатализатора, активируемого видимым светом.
Отдельные стадии способа настоящего изобретения будут описаны ниже.
Стадия (а)
Спирт, соединение титана и хелатообразующий агент можно добавлять в любом порядке. Реакцию проводят при достаточном перемешивании до тех пор, пока не прекратится выделение тепла, поскольку реакция является сильно экзотермической. Соединение титана может представлять собой любое из соединений титана, известное в данной области. Применение тетраизопропилата титана (TTIP) в качестве органического соединения титана предпочтительно с точки зрения стабильной поставки и простоты обращения.
1
4
1
4
Спирт может представлять собой низший С-С-спирт. Типичным примером низшего С-С-спирта может служить изопропанол. Спирт применяют в количестве от 0,5 до 5,00 моль на моль тетраизопропилата титана. Вне указанного диапазона функциональные характеристики конечного катализатора проявляются неудовлетворительно.
Хелатообразующий агент применяется для того, чтобы соединение титана взаимодействовало равномерно и стабильно. Примеры хелатообразующих агентов, подходящих для применения в настоящем изобретении, включают в себя этилендиаминтетрауксусную кислоту (ЭДТА) и диацетилметан. Применение диацетилметана является предпочтительным с точки зрения реакционной способности. Хелатообразующий агент можно добавлять в количестве от 0,1 до 1,00 моль на моль соединения титана. Вне указанного диапазона нельзя ожидать удовлетворительных функциональных характеристик конечного катализатора.
Стадия (b)
На данной стадии применяют дистиллированную воду в количестве от 25 до 550 моль на моль соединения титана.
В качестве соединений металлов можно применять соли двух, трех или четырех металлов, выбранные из солей Zn, Cu, Fe, Mn, Li и Ag. Соли металлов могут представлять собой нитраты, сульфаты или хлориды.
Стадия (с)
На данной стадии реакционную смесь со стадии (а) медленно добавляют к водному раствору со стадии (b) в температурном диапазоне от комнатной температуры до 90°С и затем подвергают полученную смесь взаимодействию при перемешивании при 90 об/мин или выше в течение, по меньшей мере, 2-х часов в присутствии кислотного катализатора для получения фотокатализатора, активируемого видимым светом.
3
2
4
3
В качестве кислотного катализатора можно применять, например, соляную кислоту (HCl), азотную кислоту (HNO), серную кислоту (HSO) или уксусную кислоту (CHCOOH). Предпочтительной является азотная кислота или соляная кислота. В разделе «Примеры» настоящего изобретения азотную кислоту применяли в количестве от 0,10 до 0,50 моль на моль соединения титана. Вне указанного диапазона удовлетворительных функциональных характеристик конечного катализатора не наблюдается.
Стадия (d)
На данной стадии изготовляют воздухоочищающие обои путем нанесения на поверхность обоев фотокатализатора, активируемого видимым светом. Нанесение покрытия можно осуществлять любым подходящим способом нанесения покрытий, известным в данной области. Предпочтительным является нанесение покрытия методом распыления. Согласно прототипу в способе изготовления обоев с нанесенным покрытием из фотокатализатора, частицы фотокатализатора, присутствующие в растворе для покрытия, вызывают старение поверхности базовых обоев. В отличие от этого, согласно способу по настоящему изобретению покровный слой, образованный на внешней поверхности базовых обоев путем нанесения покрытия методом распыления, защищает базовые обои от нанесения ущерба внешнему виду (например, от старения).
Стадия (е)
Данная стадия является необязательной, а не необходимой. Связующее можно добавлять после любой из стадий (а), (b) и (с). Наиболее предпочтительно, чтобы стадия (е) осуществлялась после стадии (с). Связующее может представлять собой триэтилортосиликат, γ-глицидоксипропилтриметоксисилан или их комбинацию. Желательно добавлять связующее в количестве от 0,001 до 0,20 моль на моль соединения титана. Продолжительность реакции ограничивается максимум 120 минутами после добавления связующего.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения способ может включать в себя: (а) взаимодействие изопропанола в качестве спирта, тетраизопропилата титана в качестве соединения титана и диацетилметана в качестве хелатообразующего агента; (b) растворение нитратов двух, трех или четырех металлов, выбранных из нитратов Zn, Cu, Fe, Mn, Li и Ag в качестве соединений металлов в дистиллированной воде; (с) медленное добавление реакционной смеси со стадии (а) к водному раствору со стадии (b) в температурном диапазоне от комнатной температуры до 90°С, и взаимодействие полученной смеси при перемешивании при 90 об/мин или выше в течение, по меньшей мере, 2-х часов в присутствии азотной кислоты в качестве кислотного катализатора; (d) добавление к реакционной смеси со стадии (с) триэтилортосиликата, γ-глицидоксипропилтриметоксисилана или их комбинации в качестве связующего для получения фотокатализатора, активируемого видимым светом; и (е) нанесение на обои покрытия из фотокатализатора, активируемого видимым светом.
Ниже настоящее изобретение будет объяснено более подробно со ссылкой на следующие примеры. Однако упомянутые примеры даны только в иллюстративных целях и не предназначены для ограничения объема изобретения.
ПРИМЕРЫ
Пример 1
142 г тетраизопропилата титана, 72 г изопропанола и 10 г диацетилметана подвергают взаимодействию в первом реакторе при комнатной температуре в течение 30 мин. Во втором реакторе в 760 г дистиллированной воды при перемешивании при 400 об/мин полностью растворяют 1,4 г нитрата трехвалентного железа, 2,6 г нитрата цинка и 1,8 г нитрата меди. Затем реакционную смесь из первого реактора медленно добавляют к водному раствору из второго реактора, кроме того, по каплям добавляют 1,6 г азотной кислоты. Полученную смесь нагревают до 80°С и дают возможность взаимодействовать в течение 3-х часов. Реакционную смесь в течение 1 часа подвергают взаимодействию с 7,6 г триэтилортосиликата. В результате реакции получают прозрачный фотокатализатор - диоксид титана, активируемый видимым светом.
2
Фотокатализатор наносят на поверхность обоев в количестве 1-20 г/м методом распыления.
Пример для сравнения 1
Применяли обои без покрытия фотокатализатором.
Экспериментальный пример 1
Скорости удаления формальдегида обоями, полученными в примере для сравнения 1 и примере 1, измеряли согласно следующей процедуре. После каждого испытания куски обоев помещали в тедларовый пакет (пакет из поливинилфторида), в тедларовый пакет вводили 80 ч./млн формальдегида с последующей герметизацией. Количество формальдегида, остающееся в тедларовом пакете после воздействия люминесцентной лампы, измеряли каждые 30 мин в течение 120 мин (первый эксперимент). Затем процедуру первого эксперимента повторяли (второй эксперимент). После второго эксперимента повторяли процедуру первого эксперимента за исключением того, что испытуемый кусок помещали в тедларовый пакет, перенасыщенный формальдегидом (третий эксперимент). Результаты приведены в таблице 1 (пример для сравнения 1) и таблице 2 (пример 1) и показаны графически на фиг.1.
Таблица 1
0 мин
30 мин
60 мин
90 мин
120 мин
Первый эксперимент
80
47,3
41,6
38,7
36,2
Второй эксперимент
80
50,2
46,3
43,1
40,9
Третий эксперимент
Перенасыщенный
61,7
58,8
57,3
56,7
Таблица 2
0 мин
30 мин
60 мин
90 мин
120 мин
Первый эксперимент
80
25,6
20,5
15,1
12
Второй эксперимент
80
26
18,8
14,4
11,2
Третий эксперимент
Перенасыщенный
35,6
29,3
27
22,8
Результаты, приведенные в таблицах 1 и 2, показывают, что обои по примеру 1 обладали более высокой скоростью удаления формальдегида, чем обои по примеру для сравнения 1. Кроме того, скорости удаления формальдегида обоями по примеру 1 сохранялись постоянными даже в том случае, когда число экспериментов увеличивалось.
Экспериментальный пример 2
Повторяли процедуру по экспериментальному примеру 1 за исключением того, что в первом и втором экспериментах вводили 70 ч./млн формальдегида. Результаты приведены в таблице 3 (пример для сравнения 1) и таблице 4 (пример 1) и показаны графически на фиг.2.
Таблица 3
0 мин
30 мин
60 мин
90 мин
120 мин
Первый эксперимент
70
46,8
35,1
27,3
25,5
Второй эксперимент
70
63,4
59
55,1
53,6
Третий эксперимент
Перенасыщенный
50,6
40,9
35,1
33,8
Таблица 4
0 мин
30 мин
60 мин
90 мин
120 мин
Первый эксперимент
70
23,4
16,2
9,1
8,5
Второй эксперимент
70
26
18,5
10,4
7,8
Третий эксперимент
Перенасыщенный
33
27,6
22,2
20
Экспериментальный пример 3
Повторяли процедуру по экспериментальному примеру 1 за исключением того, что в первом и втором экспериментах вводили 100 ч./млн формальдегида. Результаты приведены в таблице 5 (пример для сравнения 1) и таблице 6 (пример 1) и показаны графически на фиг.3.
Таблица 5
0 мин
30 мин
60 мин
90 мин
120 мин
Первый эксперимент
100
48
40
36
33
Второй эксперимент
100
58
53,3
49,7
47,4
Третий эксперимент
Перенасыщенный
68,9
65
63
62,4
Таблица 6
0 мин
30 мин
60 мин
90 мин
120 мин
Первый эксперимент
100
18
10
8
6
Второй эксперимент
100
21,5
16,2
13
10,6
Третий эксперимент
Перенасыщенный
50
40,7
36
32
Как очевидно их вышеизложенного, воздухоочищающие обои по настоящему изобретению непрерывно проявляют удовлетворительную фотокаталитическую активность даже под действием маломощных (низкоэнергетических) источников света, таких как комнатные лампы накаливания, люминесцентные лампы и LED лампы. Следовательно, воздухоочищающие обои по настоящему изобретению можно применять в различных местах, включая места, где нельзя достичь удовлетворительных эффектов с помощью обычных обоев с покрытием из фотокатализатора. Кроме того, воздухоочищающие обои по настоящему изобретению можно применять в течение длительного периода времени без ущерба внешнему виду базовых обоев.