室内空气质量正成为消费者和企业主日益关注的问题。室内空气污染物(VOC-挥发性有机化合物)可能来自地毯,炉子,家具,隔热材料,宠物,垃圾和燃料等来源(图1)。尽管目前在房屋建筑中的技术使房屋的空气转弯较少,并且隔热得多,但这可能会在房屋内捕获VOC,并导致乘员增加哮喘和过敏。

室内空气污染物(VOC)的来源。
图1 ”室内空气污染物(VOC)的来源。

可以使用室内空气清洁VOC的产品。这些不是解决所有问题的神奇灵丹妙药。混合光/滤清器系统的成本很高,覆盖了一个小面积以提高效率。还有一些混合系统是对HVAC系统的修改,这些系统效率高但昂贵。其他机器类型可能会产生臭氧,这引起了其他健康问题。有些包含过滤器会在充满杂质并失去VOC降低功效时会变得无活跃的过滤器。

诸如带有紫外线的分子或HVAC系统(图2)之类的杂种系统可降解室内毒素,在某些情况下,细菌共享一种称为光催化氧化的技术,是导致化学降解的活性成分。

光催化HVAC系统。
图2»光催化HVAC系统。

有几种金属氧化物,例如二氧化钛在光催化过程中使用的氧化锌和氧化锌。这些可以通过化学处理在高温化学“浴”中应用,并融合到更多惰性和稳定结构(例如硅藻)的表面上。金属氧化物是10-20纳米(图3),而硅藻10-50微米(图4)的粒径大得多,导致非常稳定且耐用的材料。

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

如果较低的光谱光泽度<50 @ 60度,则可以直接添加到涂层中,或者可以用较小的粒径0.5-3微米制成分散体。可以将其添加到更高的光泽系统中,而不会影响光泽水平或朦胧。为了说明颜料如何分散到涂层中,我们有第三方实验室运行TEM(透射电子显微镜)图像(图5)。

波兰使用TEM中的硅藻颗粒。
图5»波兰使用TEM中的硅藻颗粒。

降解的机理是紫外线,LED或可见光,撞击了硅藻上的钛催化剂。实现此目的的最有效的能量是在400纳米波长的左右。硅藻二氧化二氧化钛分散在涂层中(如图5所示)导致电子跳跃能量状态。这种游离电子与VOC反应,将分子分解成较小的物种(图6)。说明的降解过程是甲醛CH2o - 氧化/还原为H2o和co2

光催化降解机制。
图6»光催化降解机制。

显然,所有键的能量都是不同的。有些人比其他人需要更多的能量来打破债券。二氧化钛的能带隙约为3个电子伏特,这足以破坏除碳氧双键之外的所有电压。表1说明了破坏典型键所需的一些能量。

键能。
表格1 ”键能。

为了验证二氧化钛的有效性,我们整理了几个涂料系统,但只会讨论三个。这些都使用了添加到涂料系统的色散形式。我们测试的涂层是低固体光泽抛光剂,较高的固体光泽抛光剂和缎面2K氨基氨烷。这三个都是水基。

为了监视和跟踪此降解过程,我们利用了甲醛还原的ISO 22197-4标准,而ISO 22197-5用于减少甲基甲基硫醇。这是在北卡罗来纳州罗利RTP实验室的测试室中进行的。RTP实验室利用一个27升的腔室进行更严格的实验对照。在7x14英寸的玻璃板上进行了测试,以不影响测试。称重一克涂层并施加到玻璃板上,并在25°C和40%的相对湿度下固化30分钟。一个没有活性二氧化钛的对照在一组测试中运行,并且运行具有特定量二氧化钛的活性样品。腔室用氮散布,以消除腔室中的任何VOC。

在使用光泽低固体抛光剂的测试跑中,在时间零时添加了每百万甲醛的5份,并进行了高达72小时的监视。在另一项测试中,在零时间添加了每百万甲基近硫醇的2.5份,并监视了72小时。在腔室外,T8 LED灯被用作能源,并在整个测试时间内留下。

该测试是在两种抛光剂和催化2K水基氨基甲异烷上进行的。第一次测试是针对零售消费者应用的低固体(10%非挥发材料)内容的光泽抛光剂。二氧化钛的负载水平在抛光剂中干燥0.15%(表2)。甲醛的还原降低略低一些,比对照水平可能导致的低固体抛光剂的对照比对照组的降低,但与对照相比,甲基甲醛的降低可能更高,但在甲基胃坦坦上的效率更高。

测试18-009光泽抛光剂。
表2»测试18-009光泽抛光剂。

用更高的固体(22%的非挥发性材料),可浸泡的JAN/SAN型抛光剂增加了甲醛和甲基硫醇的量(表3)。二氧化钛的负载水平在抛光剂中为0.5%干燥。甲醛的减少更为明显,对照组还原93%。比对照的甲基硫醇的降低为36%。

测试18-045高固体抛光剂。
表3 ”测试18-045高固体抛光剂。

测试中甲醛的量为每百万分之25,并且未对此产品进行测试(表4)。二氧化钛的负载水平在抛光剂中为1%干燥。甲醛与对照的减少为82%。

测试21-047 2K氨基甲酸酯。
表4»测试21-047 2K氨基甲酸酯。

该测试始终显示出比对照中甲醛的自然降解更好地降低了甲醛和甲基近硫醇(在抛光剂的情况下)。随着时间的流逝,甲醛和甲基硫醇也存在一些自然降解。将还原值与最终对照降解进行了比较。


结论

尽管我们能够证明在受控室内减少甲醛和甲基硫醇,但在房屋的房间中证明这一点更具挑战性。有几个影响这一影响的因素,例如房屋中的空气,绝缘的水平以及发射的VOC的水平和来源。我们将花更多的时间在房屋中的受控房间里进行调查。

作者要特别感谢Bona Corporation高级化学家Pietrina Peschel;尼古拉斯·戴(Nicholas Day)博士(和团队),Diatomix Corporation首席执行官(光催化二氧化钛和背景材料的供应);RTP Laboratories Inc.首席化学家Alston Sykes(分析测试和VOC排放)。