环境因素对粉石英基生态涂料甲醛净化性能影响的研究
邓智友1，邓跃全1，何 平1，董发勤2，董梦伟1（1. 西南科技大学材料科学与工程学院，四川绵阳 621010 ；2. 固体废物处理与资源化教育部重点实验室，四川绵阳 621010）
0 引言
室内空气污染是造成人类健康风险的重要因素之一，其中甲醛是室内主要的污染物，危害大，是公认的致畸和致癌物质。功能涂料利用吸附、光催化等原理净化空气，是消除室内甲醛的有效方法。湿度、光照强度、温度等气候条件对甲醛光催化净化反应有一定影响，其中湿度影响相对较大，以55% 为佳值，也有报道湿度越大甲醛降解速度越快；紫外光能激发TiO2 吸收水分子产生光催化反应活性剂.OH 自由基，直接影响光催化反应速率，随着光照强度增大，甲醛降解率也随之增大，当光照强度达到一定程度后甲醛降解率增大趋势开始缓慢，并逐渐趋于平衡；温度在38℃左右甲醛降解效果较好，但温度的影响不是很大。
本课题组研制了一种粉石英基生态涂料，经中国国家建筑材料测试中心检测，甲醛净化率高达96%，持久净化率高达92%（国标甲醛净化率75%、持久净化率60%），负离子释放量达2 758 个/（s·cm2）。粉石英是一种天然的结构疏松的细颗粒矿粉（如图1 所示），在水性涂料中的黏度极低，且浸润性和分散性能很好，其表面有大量的硅醇基团≡Si—OH 或硅醚基团≡Si—O—Si≡，反应活性高，易与其它基团发生反应，生成新的化学键。如图2 所示，粉石英与二氧化钛经湿法球磨后的复合粉体在903 cm-1 处出现了新的FTIR 吸收峰，形成了Si…O—Ti 或Si—O…Ti键合，纳米二氧化钛得到很好地分散，小于100 nm的颗粒包覆于粉石英颗粒表面（如图3 所示），光催化反应点位多，净化甲醛速度快，效率高。
本课题组研制了一种粉石英基生态涂料，经中国国家建筑材料测试中心检测，甲醛净化率高达96%，持久净化率高达92%（国标甲醛净化率75%、持久净化率60%），负离子释放量达2 758 个/（s·cm2）。粉石英是一种天然的结构疏松的细颗粒矿粉（如图1 所示），在水性涂料中的黏度极低，且浸润性和分散性能很好，其表面有大量的硅醇基团≡Si—OH 或硅醚基团≡Si—O—Si≡，反应活性高，易与其它基团发生反应，生成新的化学键。如图2 所示，粉石英与二氧化钛经湿法球磨后的复合粉体在903 cm-1 处出现了新的FTIR 吸收峰，形成了Si…O—Ti 或Si—O…Ti键合，纳米二氧化钛得到很好地分散，小于100 nm的颗粒包覆于粉石英颗粒表面（如图3 所示），光催化反应点位多，净化甲醛速度快，效率高。
本研究针对温度、湿度及光照条件等环境因素对粉石英基生态涂料甲醛净化率的影响，以及时间及夜间无光照条件下甲醛的净化效果和影响机理进行研究。
1 实验部分
1.1 实验材料
粉石英基生态涂料，自制；甲醛溶液，分析纯，重庆茂业化学试剂有限公司；高精度甲醛检测试剂、显色液，徐州市奥广电子科技有限公司；变色硅胶，青岛海浪硅胶干燥剂有限公司。
1.2 仪器设备
AOG3-D 室内空气质量检测仪，徐州市奥广电子科技有限公司；EVO-18 钨丝灯扫描电子显微系统，德国蔡司有限公司；Spectrum One 型傅立叶变换红外光谱仪，美国PE 仪器公司；温湿度表；10 μL微量进样器；1 m3 的玻璃试验舱：长×宽×高为1 250 mm×800 mm×1 000 mm，配有15 W 电风扇、30 W 日光灯等，如图4 所示。
1.3 实验方法
1.3.1 甲醛净化率测定
（1） 测试步骤
将粉石英基生态涂料刷涂2 遍于500 mm×500 mm 的玻璃板上，要求完全盖底，自然干燥一个星期，将制备好的试验样板和空白玻璃板分别放入样品舱和对比舱，每个舱内放置4 块样板于样品架上，样板刷涂的一面朝向舱中心放置；然后用微量注射器取（3±0.25）μL 分析纯甲醛溶液，通过注射孔滴在玻璃舱内，密封注射孔；1 h 后测定气体初始浓度（n0），24 h 后测定气体终止浓度（n1），采集气体前开启风扇30 min，采样时关闭。
（2） 结果计算
甲醛自然衰减率≤ 30%，试验条件成立，按照式（1）计算甲醛自然衰减率：
R=（n0-n1）/n0×100% （ 1）
式中：R—甲醛自然衰减率，% ；
1.3.2 条件控制
n0—对比舱测定气体初始浓度，mg/m3 ；
n1—对比舱测定气体终止浓度，mg/m3。
按照式（2）计算甲醛净化率：
FPR=（n1-n2）/n1×100% （ 2）
式中：FPR—甲醛净化率，% ；
n1—对比舱测定气体终止浓度，mg/m3 ；
n2—样品舱测定气体终止浓度，mg/m3。
通过空调调节温度；通过注水增大湿度、硅胶吸水降低湿度来调节湿度；通过调节日光灯功率来调控光照强度；在25℃、湿度80%、自然光条件下分别在2 h、3 h、4 h、6 h、8 h、24 h 采样进行甲醛浓度测定，计算甲醛净化率。
1.3.3 夜间无光照条件下涂料的甲醛净化性能测定
夜幕降临无光照时刻注入甲醛，次日天亮前进行甲醛浓度测定，计算甲醛净化率。
2 结果与讨论
2.1 湿度、温度及光照条件对涂料甲醛净化率的影响
为测试试验气候条件对涂料甲醛净化性能的影响，根据室内条件状况，选取试验条件为：温度20℃、25℃、30℃，湿度40%、53%、80%，日光灯光照强度0、16 W、32 W。设计表1 所示的正交试验因素水平表。
按照室内空气净化功能涂覆材料净化性能检测方法，在注入甲醛24 h 后采集并测量舱内气体的浓度，计算甲醛净化率，而本研究的粉石英基多功能生态涂料在室内温度、湿度及光照强度条件下，24 h甲醛净化率均能达到95% 左右，不能明显得出气候条件对甲醛净化率影响关系。经过反复试验，确定测定时间为3 h，通过3 h 甲醛净化率来评价气候条件对甲醛净化率的影响，正交试验结果及分析见表2 和图5。
由表2 可见：各因素对甲醛净化率影响大小顺序依次为湿度＞光照强度＞温度。
由图5a 可见：湿度为40%、53%、80% 时，其甲醛净化率分别为82.7%、85.7%、87.7%，极差为5%，随湿度升高，甲醛净化率略有上升。光催化降解过程中，H2O 是关键物质，在TiO2 表面被吸附氧化为·OH，其氧化效率高，能有效将甲醛氧化降解成CO2 和H2O。高湿度有利于甲醛净化，然而湿度过高，水分子会形成水膜而影响有机物在催化剂表面的吸附反应，导致甲醛降解率降低［8］。粉石英是经过亿万年地质活动形成的材料，具有良好的润湿和保水性能，它与涂料中的多微孔材料共同作用，形成了具备吸水特性的多孔状涂膜，有利于涂膜表面的吸附水快速对甲醛的溶解和吸附，同时孔状结构又阻止了水膜的形成。由图5b 甲醛净化率随时间变化曲线图可知，在2~4 h 甲醛净化率变化较快，从4~24 h 时，甲醛光催化净化速率逐渐变得缓慢。这是由于开始时，部分甲醛溶解在涂料表面的吸附水中，随着时间的延长，反应舱中的甲醛浓度降低，而甲醛溶解度增高，使得甲醛净化率变化趋缓。
由图5c 和5d 可知，自然光照条件及光照强度为16 W、32 W 时，其甲醛净化率分别为83.7%、87.3%、85.0%，极差为3.6% ；温度为20℃、25℃、30℃时，其甲醛净化率分别为84.7%、84.3%、87.0%，极差为2.7%。这是由于随光照强度增大和温度上升，甲醛光催化反应速率加快，甲醛降解率增大，同时，甲醛吸收能量后挣脱涂料的吸附作用，不利于甲醛净化，这两种影响共同作用的结果为较高的光照强度反而使得甲醛净化率略有降低。
2.2 夜间无光照条件下甲醛的净化效果及分析
夜晚没有光照，不产生光催化作用，室内甲醛浓度很容易超标，对人们的身体健康危害严重。本实验测得粉石英基生态涂料在夜间无光照条件下，甲醛净化率高达93%。夜间主要通过涂膜中的多孔吸附材料的吸附作用，以及高达2 758 个/（s·cm-2）负氧离子释放量的负离子粉对甲醛的氧化作用，使得本涂料即使在夜间仍具有很强的甲醛净化能力。
3 结语
研究了环境因素对粉石英基生态涂料甲醛净化性能的影响。
（1） 正交试验表明：环境因素影响大小为湿度＞光照强度＞温度，高湿度下甲醛净化率比低湿度下高不超过4%，适中的光照强度能获得较好的甲醛净化率，随温度升高甲醛净化率略有上升。
（2） 涂料中的多孔材料能有效吸附甲醛，负离子粉释放的负氧离子能有效氧化甲醛，使得涂膜在夜间仍具有很高的甲醛净化率，高达93%。
总的说来，粉石英基多功能生态涂料具有良好的甲醛净化率，环境因素的影响不超过5%，能够适用于各类地区的环境条件，这将会大大改善室内空气状况，使人们拥有健康的室内居住环境。
