光催化-降低涂料的VOC
作者 John Schierlmann，研发总监，Bona公司，北卡罗来纳州，Monroe
室内空气质量正成为消费者和企业日益关注的问题。室内空气污染物（VOCs—挥发性有机化合物）可能来自地毯、炉子、家具、绝缘材料、宠物、垃圾和车库燃料等来源（图1）。虽然目前的住宅建筑技术使房屋的空气流动更少，隔热效果更好，但这可能会将VOCs困在房屋内，并导致居住者哮喘和过敏的增加。
有些产品声称可以清除室内空气中的挥发性有机化合物，但这些并不是解决所有问题的灵丹妙药。这种混合光/滤光系统的成本很高，并且为了提高效率，其覆盖面积也小。还存在混合系统，其是对HVAC系统的改进，其效率高，但成本也高。其他类型的机器会产生臭氧，这会引起其他健康问题。一些系统含有过滤器，然而，当过滤器充满杂质时，会逐渐失去降低VOC的功效。
混合系统，如Molecule或HVAC系统（图2），使用紫外线降解室内有毒物质，在某些情况下，细菌、微生物等被光催化氧化技术迅速分解，以光为能源，将有机物降解为二氧化碳和水。
有几种金属氧化物，如二氧化钛、氧化锌和氧化铜，用于光催化过程。这些材料可以通过“热浴处理”来进行化学处理，并熔合到更惰性和稳定结构（如硅藻）的表面。金属氧化物为10-20纳米（图3），而硅藻为10-50微米（图4），其颗粒尺寸要大得多，因此是一种非常稳定和耐用的材料。
如果光谱光泽度在60°低于50，则可以直接将该材料添加到涂料中，或者可以使用更小的颗粒尺寸0.5-3微米来制备分散体。这可以添加到更高光泽度的体系中，而不会影响光泽度或遮盖力。为了说明颜料如何分散到涂料中，我们使用了第三方实验室的TEM（透射电子显微镜）图像（图5）。
降解机理是由于UV、LED或可见光照射在硅藻的钛催化剂上，实现这一点最有效的大约是400纳米波长的能量。硅藻和分散在涂料中的纳米二氧化钛（如图5所示）使电子跃迁到能态。该自由电子与VOC发生反应，将分子分解为更小的物质（图6）。降解过程显示的是甲醛CH2O — 氧化/还原为H2O和CO2 。
显然，所有的键能都是不同的。有些键需要更多的能量来打破。二氧化钛的能量带隙约为3电子伏特，足以破坏除碳氧双键外的所有键。表1说明了破坏典型化学键所需的一些能量。
为了验证该新颜料的有效性，我们将几种涂料体系放在一起进行了比较，但这里只讨论三种，这些涂料体系都使用了二氧化钛的分散体形式。我们测试的涂料分别为：低固体分抛光光泽、高固体抛光光泽和2K聚氨酯缎面涂料，这三种都是水性涂料。
为了监测和追踪这一降解过程，我们使用了ISO 22197-4甲醛去除标准和ISO 22197.5甲硫醇去除标准。该研究是在北卡罗来纳州罗利的RTP实验室进行的。RTP实验室使用27升的腔室进行了更严格的实验控制。测试在7x14英寸的玻璃板上进行，以不影响测试。称量一克涂料，并将其涂覆到玻璃板上，并在25°C和40%的相对湿度下固化30分钟。该组测试中加入了不含二氧化钛活性成分的参考样，与含特定加量二氧化钛活性成分的样品进行了比较，并向腔室中喷射氮气以消除其中的任何VOC。
在低固体分抛光光泽涂料的测试中，于零点时添加5ppm的甲醛，并监测长达72小时。在另一个试验中，在零点时添加2.5ppm的甲硫醇，并监测72小时。在试验室外，采用T8 LED灯作为能量源，并在整个试验过程中一直保持开启状态。
对两种抛光和催化的2K水性聚氨酯涂料进行了测试。第一次测试的是零售的低固体（10%非挥发性材料）含量抛光光泽涂料，二氧化钛在涂料中的添加量为0.15%干活性成分（表2）。由于添加量水平的原因，低固体分抛光涂料的甲醛减少率只是略低，比参考样低13%，但与参考样相比，甲硫醇减少了39%，效果明显。
甲醛和甲硫醇的量随着更高固体含量（22%非挥发性材料）、buffable Jan/San抛光涂料的增加而增加（表3）。二氧化钛在抛光涂料中的添加量为0.5%干活性成分。在该涂料中，甲醛的减少更为明显，比参考样减少了93%，而甲硫醇比参考样减少了36%。
试验中甲醛的含量为25ppm，该产品未进行甲硫醇的试验（表4）。二氧化钛的添加量为1%干活性成分。与参考样相比，甲醛减少了82%。
相比参考样中甲醛的自然降解，测试始终显示甲醛和甲硫醇（抛光的情况下）在添加了含二氧化钛新颜料的涂料中能降低得更多。随着时间的推移，甲醛和甲硫醇也会发生一些自然降解，测试将减少值与最终参考样的降解也进行了比较。
结论
虽然我们能够在受控实验室内证明甲醛和甲硫醇的降低，但要在一间房子里来证明这一点，则更具挑战性。有几个因素会影响实验结果，例如室内的空气流动、绝缘水平，以及VOCs的排放水平和来源等。我们将花更多的时间在屋子的样房内进行研究。
作者要特别感谢Bona公司的高级化学家Pietrina Peschel、Diatomix公司的首席执行官Nicholas Day博士（及其团队） （提供了光催化二氧化钛和背景材料）；以及RTP Laboratories公司的首席化学家Alston Sykes （分析测试和VOC排放）。
本文收录在《PCI中文版》杂志2022年9月刊中
