一种光催化涂层、制备工艺及光电离子发生器
技术领域
本发明涉及空气净化领域，特别涉及一种光催化涂层、制备工艺及光电离子发生器。
背景技术
随着空气污染问题的加重，空气净化器的使用越来越多，市场上的空气净化器主要包括滤网过滤式、静电除尘式和光触媒净化式几种，其中光触媒净化式是将光催化涂层涂布于基材表面，并在紫外光及可见光的作用下产生强烈催化降解功能，从而有效降解空气中的有毒有害气体，并灭杀空气中的各种细菌和病毒，具有安全环保的特点，被广泛推广使用。
然而市场上现有的空气净化设备的光催化涂层由于配方设计不合理，大多存在以下几个问题：其一，现有光催化涂层的催化性能不稳定，造成负离子的产生量不稳定，空气净化效率差；其二，现有光催化涂层附着力不足，工作时易掉粉，导致催化性能下降，使用寿命短；其三，现有光催化涂层大多不具备防腐防锈性能，因此基材容易出现生锈腐蚀的现象。
为此，我们提供一种配方优化的光催化涂层、制备工艺以及使用该光催化涂层的光电离子发生器。
发明内容
本发明提供一种光催化涂层、制备工艺及光电离子发生器，其主要目的在于解决上述问题。
本发明采用如下技术方案：
一种光催化涂层，其成分重量百分比为：二氧化硅：15-25%；氧化锌：25-40%；二氧化钛：30-40%；铑铂溶液：1-8%；A水性树脂：0.5-3%；B水性树脂：0.5-2.5%；A水性分散液：0.1-3%；B水性分散液：0.1-2.5%。
进一步：上述铑铂溶液的浓度为5000-7000ppm。
进一步，上述A水性树脂为水性聚氨酯树脂，上述B水性树脂为水性丙烯酸树脂。
进一步，上述A水性分散液为改性苯乙烯-马来酸共聚物水溶液；上述B水性分散液为聚丙烯酸酯水溶液。
该光催化涂层的配方设计构思在于：
其一，采用二氧化硅、二氧化钛和氧化锌为主要催化材料，并佐以适量光催化性能优异的铑和铂两种稀有金属充分提高涂层的催化活性，确保涂层具有良好的稳定性和催化性。
其二，水性聚氨酯树脂的柔韧性好，抗冲击性强，与金属基材有良好的附着力，并且具有良好的耐水性和抗冲击性，由此可使得光催化涂层更有好地涂布于基材表面，防止出现掉粉的现象。改性苯乙烯-马来酸共聚物水溶液具有宽泛的PH适应性，兼容性好，能够改善溶液粘度，提高各组分的分散性和流动性，使得各组分更好地融合在一起，让配方体系更加均匀稳定，并且能够显著提高水性聚氨酯树脂的漆膜亮度和光泽度，使喷涂后的涂层外观平整细腻，避免出现掉粉现象，从而有效延长光催化涂层的使用寿命。
其三，水性丙烯酸树脂除了具有良好的附着力和成膜性外，还具有优异的耐磨性和耐化学性，从而使光催化涂层具备防腐防锈功能；而聚丙烯酸酯水溶液能够促进水性丙烯酸树脂与其他组分更好地融合在一起，确保分散均匀，防止出现絮凝现象，并且能够提高漆膜表面的亮度和光泽度。
一种光催化涂层的制备工艺，其特征在于：包括如下步骤：
（1）配置A喷涂溶液：按预定成分加入二氧化硅、氧化锌、二氧化钛、铑铂溶液和A水性分散液，充分搅拌均匀后加入A水性树脂并再次搅拌均匀，得到A喷涂溶液；
（2）一次喷涂：对基材表面进行处理，用喷枪将A喷涂溶液均匀喷涂于基材表面，并于室温下晾干；
（3）配置B喷涂溶液：按预定成分首先将B水性分散液加入剩余的A喷涂溶液中，充分搅拌均匀后加入B水性树脂并再次搅拌均匀，得到B喷涂溶液；
（4）二次喷涂：用喷枪将B喷涂溶液均匀地喷涂于基材表面，并于室温下晾干即可。
本发明采用二次喷涂的方式，分别将A喷涂溶液和B喷涂溶液喷涂于基材表面，其中A喷涂溶液在A水性分散液和A水性树脂的相互作用下，各组分分散均匀，配方体系稳定，附着力良好，能够在基材表面形成富含光催化活性物质的基层；B喷涂溶液在A喷涂溶液的基础上加入B水性分散液和B水性树脂，一则提高了喷涂溶液与基材表面的结合力，避免出现掉粉现象；二则提高了基材表面的催化物质的附着量，从而提高光催化涂层的催化活性；三则在基材表面形成了具备防腐防锈功能的保护涂层，从而有效延长了基材的使用寿命。
一种光电离子发生器，包括由内至外依次设置的紫外线灯管、第一滤网和保护筒；上述第一滤网表面涂布有如上所述的光催化涂层，且第一滤网可拆卸地套设于紫外线灯管外部；上述保护筒的上下两端分别固设有上固定座和下固定座；紫外线灯管的下端卡设于上述下固定座，紫外线灯管的上端可拆卸地连接于上述上固定座。
进一步，上述第一滤网的内侧壁通过连接筒可上下活动地设置于紫外线灯管外部，且第一滤网与紫外线灯管之间的间距为1-2mm。
进一步，该光电离子发生器还包括依次相互间隔地套设于上述第一滤网外部的第二滤网和第三滤网.
进一步，上述保护筒内侧壁涂布有二氧化钛涂层。
和现有技术相比，本发明产生的有益效果在于：
1、本发明对现有光催化涂层的配方进行优化设计，改进后的配方各成分相互配合，协同作用，最终形成了一种分散均匀、体系稳定、光催化性能优异的光催化涂层，并且该涂层附着力显著，具有防腐防锈功能，能够有效避免掉粉或者生锈腐蚀的现象，使用寿命长。
2、本发明提供了一种光催化涂层的制备工艺，该制备工艺采用二次喷涂的方式，分别将A喷涂溶液和B喷涂溶液喷涂于基材表面，从而在提高喷涂溶液与基材表面的结合力的基础上，进一步提高了基材表面的催化物质的附着量，从而提高光催化涂层的催化活性。
3、本发明所提供的光电离子发生器结构简单，使用方便，能够实现紫外线灯管、滤网和保护筒三者之间的可拆卸连接，便于后期零部件的更换或者清洗，克服了现有技术存在的弊端。
4、本发明所提供的光电离子发生器能够有效去除空气中的各种污染物，并灭杀空气中的各种细菌和病毒，起到净化、杀菌和除味等多种功效，具有全面性、持续性和安全性等性能，可广泛应用于卫生间、厨房、卧室、办公室、走廊、酒店客房、KTV、足疗店、体育中心和客车等各种通风性差的密闭环境中。
附图说明
图1为本发明的立体视图一。
图2为本发明的立体视图二。
图3为本发明的分解示意图。
图中：1、紫外线灯管；11、第二连接部；2、第一滤网；21、固定块；3、保护筒；31、上固定座；311、第一连接部；32、下固定座；321、安装部；322、弹性件；33、绝缘胶层；4、第二滤网；5、第三滤网。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的具体实施方式。为了全面理解本发明，下面描述到许多细节，但对于本领域技术人员来说，无需这些细节也可实现本发明。
实施例一：
一种光催化涂层，其成分重量百分比为：二氧化硅：20%；氧化锌：35%；二氧化钛：35%；6000ppm的铑铂溶液：4%；A水性树脂：1.6%；B水性树脂:1.3%；A水性分散液：1.7%；B水性分散液：1.2%。具体地，A水性树脂为水性聚氨酯树脂，B水性树脂为水性丙烯酸树脂，A水性分散液为改性苯乙烯-马来酸共聚物水溶液；B水性分散液为聚丙烯酸酯水溶液。
实施例二：
与实施例一不同的是，本实施例中光催化涂层的成分重量百分比为：二氧化硅：18%；氧化锌：30%；二氧化钛：30%；6000ppm的铑铂溶液：3%；A水性树脂：1.3%；B水性树脂:1.0%；A水性分散液：1.5%；B水性分散液：0.9%。
实施例三：
与实施例一和实施例二不同的是，本实施例中光催化涂层的成分重量百分比为：二氧化硅：23%；氧化锌：33%；二氧化钛：38%；6500ppm的铑铂溶液：4%；A水性树脂：1.8%；B水性树脂:1.7%；A水性分散液：1.8%；B水性分散液：1.0%。
以下介绍上述任一实施例中光催化涂层的制备工艺，包括如下步骤：
（1）配置A喷涂溶液：按预定成分加入二氧化硅、氧化锌、二氧化钛、铑铂溶液和A水性分散液，充分搅拌均匀后加入A水性树脂并再次搅拌均匀，得到A喷涂溶液；
（2）一次喷涂：对基材表面进行处理，用喷枪将A喷涂溶液均匀喷涂于基材表面，并于室温下晾干；其中，对基材表面的处理包括喷砂、清水冲洗和晾干等；
（3）配置B喷涂溶液：按预定成分首先将B水性分散液加入剩余的A喷涂溶液中，充分搅拌均匀后加入B水性树脂并再次搅拌均匀，得到B喷涂溶液；
（4）二次喷涂：用喷枪将B喷涂溶液均匀地喷涂于基材表面，并于室温下晾干即可。
以下介绍采用上述任一实施例的光催化涂层的光电离子发生器：
参照图1、图2和图3，一种光电离子发生器，包括由内至外依次设置的紫外线灯管1、第一滤网2和保护筒3；保护筒3的上下两端分别固设有上固定座31和下固定座32；紫外线灯管1的外部可拆卸地套设有第一滤网2，紫外线灯管1的下端卡设于下固定座32，紫外线灯管1的上端可拆卸地连接于上固定座31。本发明所提供的光电离子发生器结构简单，使用方便，能够实现紫外线灯管1、第一滤网2和保护筒3三者之间的可拆卸连接，便于后期零部件的更换或者清洗，克服了现有技术存在的弊端。
参照图1、图2和图3，上固定座31呈环状结构，且上固定座31的两侧相互对称地设有第一连接部311；紫外线灯管1的上端两侧相互对称地设有第二连接部11，第二连接部11通过螺栓锁固于第一连接部311。下固定座32呈环状结构，且下固定座32中部设有一安装部321；紫外线灯管1的下端卡设于安装部321内。由此可实现紫外线灯管1和保护筒3之间的可拆卸连接，并充分确保结构的稳定性和可靠性。
参照图1、图2和图3，第一滤网2的内侧壁通过连接筒（图中未体现）可上下活动地设置于紫外线灯管1外部，且第一滤网2与紫外线灯管1之间的间距为1-2mm。该光电离子发生器还包括依次相互间隔地套设于第一滤网2外部的第二滤网4和第三滤网5，且第一滤网2、第二滤网4和第三滤网5表面均涂布有上述光催化涂层。具体地，第二滤网4通过固定块21固设于第一滤网2外部；第三滤网5卡设于上固定座31和下固定座32之间，并贴合于保护筒3的内侧壁。第一滤网2与紫外线灯管1之间，第二滤网4与第一滤网2以及第三滤网5之间均相互间隔设置，从而增加了反应空间，以提高紫外光线与气体的接触机率，促进光解与离子化反应。需要说明的是，滤网的数量并不局限于此，可根据实际需要增减滤网的数量，并调整各滤网之间的安装方式。
参照图1、图2和图3，第一滤网2的下端与下固定座32之间设有一弹性件322。作为优选方案，该弹性件322为弹簧。安装时首先将紫外线灯管1插入第一滤网2内，再将紫外线灯管1和第一滤网2一同放入保护筒内3，使得紫外线灯管1下端卡设于下固定座32，此时第一滤网2的上端与紫外线灯管1的第二连接部11相互顶持，下端与弹性件322相互顶持；最后将紫外线灯管1的第二连接部11通过螺栓锁固于上固定座31的第一连接部311即可，操作简单方便。
参照图1、图2和图3，保护筒3内侧壁涂布有二氧化钛涂层，二氧化钛涂层具有良好的反射率，能够反射紫外线，确保第二滤网4和第三滤网5处紫外线的光照强度，使得能量传递更加集中，从而有效提到光催化涂层的光催化效应。此外，还可同时在保护筒3内侧壁涂布光催化涂层。
参照图1、图2和图3，保护筒3外部套设有绝缘胶层33，能起到绝缘隔热的作用，有效确保光电离子发生器的安全性。
参照图1、图2和图3，空气从上固定座31处进入光电离子发生器内，并在净化处理后从下固定座32处排出至室内，以下介绍光电离子发生器的具体工作原理：
1、光解化反应：
空气从上固定座31处进入光电离子发生器内，紫外线灯管1射出的紫外线波长为100-280nm，其中波长254nm的紫外线对微生物的生物学效应最大，可使微生物的DNA的嘧啶基之间产生交联，成为二聚物，抑制DNA的复制，导致微生物突变或者死亡，因此能够灭杀空气中的各种细菌和病毒。光解化反应是通过短波长(小于200nm)的紫外线能量直接破坏分子键。例如，波长为185nm的紫外线具有6.7eV的能量，其相当于646kJ/mol，因此，诸如H-O、H-C、H-H、C-S等等键能小于上述紫外线所放射的能量(646kJ/mol)的分子键都有可能被光解反应破坏。
2、离子化反应：
参照以下式(1)至式(7)，离子化反应是通过短波长(小于200nm）的紫外线能量将空气中的水气和氧气离子化，产生臭氧(O3 )、水合氢离子(H3O+)、氢氧自由基(OH-)、过氧化氢(H2O2)与负氧离子（O2-）等对污染物具有很强的氧化/还原能力的净化因子，通过这些净化因子与污染物（例如VOCS）发生氧化还原反应，生成CO2和H20，从而去除污染物。
H2O+hv（＜200nm）→2H++2e-+1/2O2 ……(1)；
O2+hv（＜200nm）→O++O+ ……(2)；
H2O+O+→H2O2 ……(3)；
H2O+H+→H3O+ ……(4)；
O2+e-→O2-……(5)；
O2+O+→O3 ……(6)；
H++e-+O+→OH-……(7)。
3、触媒化反应：
参照以下式（9）至式（12），光催化涂层的金属吸收紫外线后，内部生成电子和空穴，由此能够加速上述离子化反应，进而产生更多的强氧化物。
TiO2+hv（<385nm）→h++e- ……(8)；
SiO2+hv（<385nm）→h++e- ……(9)；
ZnO+hv（<385nm）→h++e- ……(10)；
Rh+hv（<385nm）→h++e- ……(11)；
Pt+hv（<385nm）→h++e- ……(12)。
参照以下式（13），空穴具有很强的氧化能力，与金属表面的水分子发生氧化反应后会生成氢氧自由基（OH-），氢氧自由基（OH-）会快速与空气中的挥发性有机物、酸性物质和异味等发生反应，将其氧化分解，生成二氧化碳和水，从而达到空气净化，抗菌等功效。
h++H2O→OH-+H+ ……(13)；
参照以下式（14），电子则会与附在金属表面的氧气发生还原反应，生生负氧离子（O2-）。
e-+O2→O2- ……(14)。
4、臭氧离子化反应：
参照以下式（15），虽然在上述离子化反应过程中会生产臭氧（O3），但是在触媒化反应过程中，大量电子的产生会使得臭氧进一步离子化，生成臭氧根离子（O3-）。臭氧根离子（O3-）具有更强的氧化能力，并且半衰期极短，因此不会在空气中积存，具有安全性。
O3+e-→O3- ……（15）。
综上可知，该光电离子发生器能够有效去除空气中的各种污染物，并灭杀空气中的各种细菌和病毒，起到净化、杀菌和除味等多种功效，具有全面性、持续性和安全性等性能，可广泛应用于卫生间、厨房、卧室、办公室、走廊、酒店客房、KTV、足疗店、体育中心和客车等各种通风性差的密闭环境中。
以下为对上述各实施例所提供的光催化涂层的附着力、臭氧浓度、抗菌性能和有机物去除率等多方面指标的测试过程和结果：
1、附着力测试：将涂布有光催化涂层的滤网装设于光电离子发生器内，并在上固定座31处设置风机，通过风机往光电离子发生器内送风。实验时，打开紫外线灯管和风机，保持恒定的光照频率和风量，并在设定的时间内观察光催化涂层的掉粉情况，其测试结果如下：
表1 光催化涂层的附着力测试表
注：对比例为采用申请号为201810759451.1的发明专利中所述的实施例1制备的光催化涂层。
根据上述实验结果可知，本发明制备的光催化涂层具有良好的附着力，能够有效避免出现掉粉现象。
2、臭氧浓度测试：将涂布有光催化涂层的滤网装设于光电离子发生器内，并根据GB21551.3-2010《家用和类似用途电器的抗菌、净化功能 空气净化器的特殊要求》规定的方法对各光电离子发生器出口5cm处的臭氧浓度进行测试，其测试结果如下：
表2 臭氧浓度检测表
根据上述实验结果可知，本发明中各实施例的臭氧浓度均低于0.011mg/m3，说明空气净化过程中的臭氧离子化完全，不会在空气中积存，安全性能极高。
3、抗菌性能测试：将涂布有实施例一的光催化涂层的滤网装设于光电离子发生器内，并根据GB21551.3-2010《家用和类似用途电器的抗菌、净化功能 空气净化器的特殊要求》规定的方法对光电离子发生器的杀菌率进行测试，其测试结果如下：
表3 抗菌性能测试表
根据上述实验结果可知，本发明对白色葡萄球菌的杀菌率平均达99.91%，具有良好的消毒杀菌效果。
4、有机物去除率检测：将涂布有实施例一的光催化涂层的滤网装设于光电离子发生器内，并根据JG/T294-2010《空气讲话器污染物净化性能测定》规定的方法对光电离子发生器的有机物去除率进行测试，其测试结果如下：
表4 有机物去除率测试表
根据上述实验结果可知，本发明对空气中的氨和TVOC具有较强的去除率，其去除率达72%以上，能够有效降解空气中的污染性有机物。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
