一种环保型光催化防火涂料及其制备方法与流程

本发明属于功能涂料领域，具体涉及一种利用硅粉微粉作为阻燃填料，铬铁渣改性tio2作为光催化颜料，制备可综合利用冶金固废的一种环保型光催化防火涂料。

背景技术：

铬铁渣是火法冶炼含铬铁合金时所产生的含铬废渣，主要是矿热炉法冶炼高碳铬铁时产生，其主要化学成分为sio2、fe2o3、al2o3、cao、mgo、cr2o3、so3、p2o5等。硅粉是铁合金在冶炼硅铁和工业硅(金属硅)时，矿热电炉内产生出大量挥发性很强的sio2和si气体，气体排放后与空气迅速氧化冷凝沉淀而成，其含有大量的硅元素。目前大量铬铁渣与硅粉的堆存，不仅占用宝贵土地，而且还会对周围环境和地下水造成污染。因此，如何大规模、高附加值的利用铬铁渣与硅粉，实现环境减负，企业增效，是一个迫切需要解决的问题。

涂料行业中普遍采用金属元素和稀土元素对热稳定性较好的无机颜料tio2进行改性，以达到改善tio2量子效率很低、光催化活性低、可见光利用率低的目的，实现提高改性tio2对可见光的吸收能力。目前利用金属元素和稀土元素对tio2进行改性存在成本高且工艺复杂的问题，如果利用铬铁渣中含有的金属元素对tio2进行改性实现可见光源下光催化降解甲醛的目的，不仅可以大幅降低改性tio2的成本，而且可以提高铬铁渣的利用附加值。同时利用含有大量硅元素的硅粉微粉作为涂料填料，在碱性条件下硅粉微粉形成致密的无定型硅质层，从而提高涂料的阻燃性能。因此，利用铬铁渣对tio2进行改性作为光催化颜料、硅粉微粉作为阻燃填料，制备环保型光催化防火涂料，不仅实现了冶金固废的高附加值循环利用，促进冶金企业增效，而且开拓了冶金固废利用新途径，降低了涂料企业成本。

技术实现要素：

为了解决利用金属元素和稀土元素对tio2进行改性存在成本高且工艺复杂的问题，以及涂料填料无阻燃性能的缺点，本发明利用铬铁渣对tio2进行改性作为光催化颜料、硅粉微粉作为阻燃填料制备环保型涂料，并且对搅拌速度、搅拌时间、搅拌温度、升温速度、煅烧温度等进行控制，以期实现冶金固废的高附加值循环利用，获得具有光催化性能与防火性能的多功能涂料。

为了解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案予以实现的。

本发明提供了一种环保型光催化防火涂料，该涂料按重量百分比原料如下：

所述基料为磷酸二氢铝；所述催化剂为聚磷酸铵；所述成炭剂为山梨醇；所述发泡剂为三聚氰胺；所述阻燃填料为硅粉微粉；所述光催化颜料为铬铁渣改性tio2；所述无机溶剂为水；所述分散剂为三聚磷酸钠；所述催干剂为氧化钴；所述助干剂为锌粉；所述碱激发剂为氢氧化钙。

本发明同时提供了上述环保型光催化防火涂料制备方法，具体包括如下步骤：

首先按钛酸四丁酯与无水乙醇体积比2∶5配比，用恒温磁力搅拌器在500r/min～800r/min条件下搅拌30min～45min后得到均匀透明溶液，再将溶有铬铁渣微粉的稀硝酸溶液在800r/min～1000r/min条件下缓慢加入上述溶液，在800r/min～1000r/min条件下搅拌45min～60min后得到液体溶胶，并在室内陈化形成干凝胶，然后将干凝胶放入中温实验炉中以1.5℃/min～2.5℃/min升到600℃～800℃，恒温2h，自然冷却至室温，得到铬铁渣改性tio2。所述铬铁渣改性tio2中铬铁渣微粉质量百分数为40％～60％；所述钛酸四丁酯、无水乙醇与硝酸均为分析纯。

其次将分散剂与无机溶剂在1000r/min～1500r/min条件下搅拌5min～10min后，依次加入基料与阻燃填料在1000r/min～1500r/min条件下搅拌5min～10min后，加入光催化颜料在1000r/min～1500r/min条件下搅拌5min～10min后，依次加入催化剂、成炭剂和发泡剂在800r/min～1000r/min条件下搅拌10min～30min后，得到光催化防火白浆。

最后将光催化防火白浆倒入调漆缸中在500r/min～800r/min条件下搅拌5min～10min后，依次加入催干剂、助干剂和碱激发剂在500r/min～800r/min条件下搅拌20min～30min后，得到环保型光催化防火涂料。

本发明的科学原理：

一方面，利用稀硝酸溶液对铬铁渣中含有的fe2o3、al2o3、mgo、cr2o3进行部分溶解后对tio2进行改性，实现铬铁渣改性tio2在可见光源下光催化降解甲醛的目的。

另一方面，硅粉微粉中含有大量的硅元素，在碱激发剂的作用下硅粉微粉形成致密的无定型硅质层，从而提高阻燃效果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明解决了现有技术利用金属元素和稀土元素对tio2进行改性存在成本高且工艺复杂的问题，以及涂料填料无阻燃性能的缺点，不仅赋予防火涂料全新的功能，开拓了新型功能涂料的途径，而且降低了光催化防火涂料生产成本30％左右，提高了其市场竞争力。

2、本发明利用铬铁渣对tio2进行改性作为光催化颜料、硅粉微粉作为阻燃填料制备环保型光催化防火涂料，不仅开拓了冶金固废利用的新途径，而且实现了冶金固废的高附加值的应用，达到“以废增效”的目的。

3、本发明一种环保型光催化防火涂料及其制备方法符合相关节能环保、循环经济的政策要求。

附图说明

图1为hjc-1型环境测试舱模拟可见光源下室内环境示意图；

图2为耐火性实验示意图；

图中：1、温湿度传感器；2、采样口；3、风扇；4、可见光源；5、酒精喷灯；6、支撑物；7、带铁夹的铁架台；8、测试板；a、甲醛气体；b、环保型光催化防火涂料。

具体实施方式

以下结合具体实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。

实施例1

以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：

所述基料为磷酸二氢铝；所述催化剂为聚磷酸铵；所述成炭剂为山梨醇；所述发泡剂为三聚氰胺；所述阻燃填料为硅粉微粉；所述光催化颜料为铬铁渣改性tio2；所述无机溶剂为水；所述无机分散剂为三聚磷酸钠；所述催干剂为氧化钴；所述助干剂为锌粉；所述碱激发剂为氢氧化钙。

首先按钛酸四丁酯与无水乙醇体积比2∶5配比，用恒温磁力搅拌器在800r/min条件下搅拌35min后得到均匀透明溶液，再将溶有铬铁渣微粉的稀硝酸溶液在900r/min条件下缓慢加入上述溶液，在1000r/min条件下搅拌45min后得到液体溶胶，并在室内陈化形成干凝胶，然后将干凝胶放入中温实验炉中以1.5℃/min升到700℃，恒温2h，自然冷却至室温，得到铬铁渣改性tio2。所述铬铁渣改性tio2中铬铁渣微粉质量百分数为50％；所述钛酸四丁酯、无水乙醇与硝酸均为分析纯。

其次将分散剂与无机溶剂在1100r/min条件下搅拌10min后，依次加入基料与阻燃填料在1300r/min条件下搅拌8min后，加入光催化颜料在1500r/min条件下搅拌6min后，依次加入催化剂、成炭剂和发泡剂在900r/min条件下搅拌10min后，得到光催化防火白浆。

最后将光催化防火白浆倒入调漆缸中在600r/min条件下搅拌5min后，依次加入催干剂、助干剂和碱激发剂在800r/min条件下搅拌25min后，得到环保型光催化防火涂料。

实施例2

以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：

所述基料为磷酸二氢铝；所述催化剂为聚磷酸铵；所述成炭剂为山梨醇；所述发泡剂为三聚氰胺；所述阻燃填料为硅粉微粉；所述光催化颜料为铬铁渣改性tio2；所述无机溶剂为水；所述无机分散剂为三聚磷酸钠；所述催干剂为氧化钴；所述助干剂为锌粉；所述碱激发剂为氢氧化钙。

首先按钛酸四丁酯与无水乙醇体积比2∶5配比，用恒温磁力搅拌器在600r/min条件下搅拌45min后得到均匀透明溶液，再将溶有铬铁渣微粉的稀硝酸溶液在800r/min条件下缓慢加入上述溶液，在900r/min条件下搅拌50min后得到液体溶胶，并在室内陈化形成干凝胶，然后将干凝胶放入中温实验炉中以2.5℃/min升到800℃，恒温2h，自然冷却至室温，得到铬铁渣改性tio2。所述铬铁渣改性tio2中铬铁渣微粉质量百分数为45％；所述钛酸四丁酯、无水乙醇与硝酸均为分析纯。

其次将分散剂与无机溶剂在1500r/min条件下搅拌7min后，依次加入基料与阻燃填料在1200r/min条件下搅拌5min后，加入光催化颜料在1000r/min条件下搅拌9min后，依次加入催化剂、成炭剂和发泡剂在1000r/min条件下搅拌30min后，得到光催化防火白浆。

最后将光催化防火白浆倒入调漆缸中在700r/min条件下搅拌8min后，依次加入催干剂、助干剂和碱激发剂在500r/min条件下搅拌20min后，得到环保型光催化防火涂料。

实施例3

以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：

所述基料为磷酸二氢铝；所述催化剂为聚磷酸铵；所述成炭剂为山梨醇；所述发泡剂为三聚氰胺；所述阻燃填料为硅粉微粉；所述光催化颜料为铬铁渣改性tio2；所述无机溶剂为水；所述无机分散剂为三聚磷酸钠；所述催干剂为氧化钴；所述助干剂为锌粉；所述碱激发剂为氢氧化钙。

首先按钛酸四丁酯与无水乙醇体积比2∶5配比，用恒温磁力搅拌器在500r/min条件下搅拌40min后得到均匀透明溶液，再将溶有铬铁渣微粉的稀硝酸溶液在1000r/min条件下缓慢加入上述溶液，在800r/min条件下搅拌60min后得到液体溶胶，并在室内陈化形成干凝胶，然后将干凝胶放入中温实验炉中以2℃/min升到600℃，恒温2h，自然冷却至室温，得到铬铁渣改性tio2。所述铬铁渣改性tio2中铬铁渣微粉质量百分数为60％；所述钛酸四丁酯、无水乙醇与硝酸均为分析纯。

其次将分散剂与无机溶剂在1400r/min条件下搅拌5min后，依次加入基料与阻燃填料在1100r/min条件下搅拌9min后，加入光催化颜料在1300r/min条件下搅拌10min后，依次加入催化剂、成炭剂和发泡剂在800r/min条件下搅拌20min后，得到光催化防火白浆。

最后将光催化防火白浆倒入调漆缸中在800r/min条件下搅拌10min后，依次加入催干剂、助干剂和碱激发剂在700r/min条件下搅拌30min后，得到环保型光催化防火涂料。

实施例4

以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：

所述基料为磷酸二氢铝；所述催化剂为聚磷酸铵；所述成炭剂为山梨醇；所述发泡剂为三聚氰胺；所述阻燃填料为硅粉微粉；所述光催化颜料为铬铁渣改性tio2；所述无机溶剂为水；所述无机分散剂为三聚磷酸钠；所述催干剂为氧化钴；所述助干剂为锌粉；所述碱激发剂为氢氧化钙。

首先按钛酸四丁酯与无水乙醇体积比2∶5配比，用恒温磁力搅拌器在700r/min条件下搅拌30min后得到均匀透明溶液，再将溶有铬铁渣微粉的稀硝酸溶液在1000r/min条件下缓慢加入上述溶液，在1000r/min条件下搅拌50min后得到液体溶胶，并在室内陈化形成干凝胶，然后将干凝胶放入中温实验炉中以2℃/min升到700℃，恒温2h，自然冷却至室温，得到铬铁渣改性tio2。所述铬铁渣改性tio2中铬铁渣微粉质量百分数为40％；所述钛酸四丁酯、无水乙醇与硝酸均为分析纯。

其次将分散剂与无机溶剂在1300r/min条件下搅拌9min后，依次加入基料与阻燃填料在1400r/min条件下搅拌7min后，加入光催化颜料在1200r/min条件下搅拌8min后，依次加入催化剂、成炭剂和发泡剂在900r/min条件下搅拌25min后，得到光催化防火白浆。

最后将光催化防火白浆倒入调漆缸中在500r/min条件下搅拌7min后，依次加入催干剂、助干剂和碱激发剂在600r/min条件下搅拌30min后，得到环保型光催化防火涂料。

实施例5

以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：

所述基料为磷酸二氢铝；所述催化剂为聚磷酸铵；所述成炭剂为山梨醇；所述发泡剂为三聚氰胺；所述阻燃填料为硅粉微粉；所述光催化颜料为铬铁渣改性tio2；所述无机溶剂为水；所述无机分散剂为三聚磷酸钠；所述催干剂为氧化钴；所述助干剂为锌粉；所述碱激发剂为氢氧化钙。

首先按钛酸四丁酯与无水乙醇体积比2∶5配比，用恒温磁力搅拌器在800r/min条件下搅拌40min后得到均匀透明溶液，再将溶有铬铁渣微粉的稀硝酸溶液在800r/min条件下缓慢加入上述溶液，在900r/min条件下搅拌45min后得到液体溶胶，并在室内陈化形成干凝胶，然后将干凝胶放入中温实验炉中以2.5℃/min升到600℃，恒温2h，自然冷却至室温，得到铬铁渣改性tio2。所述铬铁渣改性tio2中铬铁渣微粉质量百分数为55％；所述钛酸四丁酯、无水乙醇与硝酸均为分析纯。

其次将分散剂与无机溶剂在1000r/min条件下搅拌8min后，依次加入基料与阻燃填料在1500r/min条件下搅拌6min后，加入光催化颜料在1400r/min条件下搅拌5min后，依次加入催化剂、成炭剂和发泡剂在800r/min条件下搅拌15min后，得到光催化防火白浆。

最后将光催化防火白浆倒入调漆缸中在600r/min条件下搅拌6min后，依次加入催干剂、助干剂和碱激发剂在700r/min条件下搅拌25min后，得到环保型光催化防火涂料。

实施例6

以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：

所述基料为磷酸二氢铝；所述催化剂为聚磷酸铵；所述成炭剂为山梨醇；所述发泡剂为三聚氰胺；所述阻燃填料为硅粉微粉；所述光催化颜料为铬铁渣改性tio2；所述无机溶剂为水；所述无机分散剂为三聚磷酸钠；所述催干剂为氧化钴；所述助干剂为锌粉；所述碱激发剂为氢氧化钙。

首先按钛酸四丁酯与无水乙醇体积比2∶5配比，用恒温磁力搅拌器在600r/min条件下搅拌35min后得到均匀透明溶液，再将溶有铬铁渣微粉的稀硝酸溶液在900r/min条件下缓慢加入上述溶液，在800r/min条件下搅拌60min后得到液体溶胶，并在室内陈化形成干凝胶，然后将干凝胶放入中温实验炉中以1.5℃/min升到800℃，恒温2h，自然冷却至室温，得到铬铁渣改性tio2。所述铬铁渣改性tio2中铬铁渣微粉质量百分数为45％；所述钛酸四丁酯、无水乙醇与硝酸均为分析纯。

其次将分散剂与无机溶剂在1200r/min条件下搅拌6min后，依次加入基料与阻燃填料在1000r/min条件下搅拌10min后，加入光催化颜料在1100r/min条件下搅拌7min后，依次加入催化剂、成炭剂和发泡剂在1000r/min条件下搅拌20min后，得到光催化防火白浆。

最后将光催化防火白浆倒入调漆缸中在800r/min条件下搅拌9min后，依次加入催干剂、助干剂和碱激发剂在600r/min条件下搅拌20min后，得到环保型光催化防火涂料。

对比例1

以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：

所述基料为磷酸二氢铝；所述催化剂为聚磷酸铵；所述成炭剂为山梨醇；所述发泡剂为三聚氰胺；所述光催化颜料为铬铁渣改性tio2；所述无机溶剂为水；所述无机分散剂为三聚磷酸钠；所述催干剂为氧化钴；所述助干剂为锌粉；所述碱激发剂为氢氧化钙。

首先按钛酸四丁酯与无水乙醇体积比2∶5配比，用恒温磁力搅拌器在600r/min条件下搅拌35min后得到均匀透明溶液，再将溶有铬铁渣微粉的稀硝酸溶液在900r/min条件下缓慢加入上述溶液，在800r/min条件下搅拌60min后得到液体溶胶，并在室内陈化形成干凝胶，然后将干凝胶放入中温实验炉中以1.5℃/min升到800℃，恒温2h，自然冷却至室温，得到铬铁渣改性tio2。所述铬铁渣改性tio2中铬铁渣微粉质量百分数为45％；所述钛酸四丁酯、无水乙醇与硝酸均为分析纯。

其次将分散剂与无机溶剂在1200r/min条件下搅拌6min后，加入基料在1000r/min条件下搅拌10min后，加入光催化颜料在1100r/min条件下搅拌7min后，依次加入催化剂、成炭剂和发泡剂在1000r/min条件下搅拌20min后，得到光催化白浆。

最后将光催化白浆倒入调漆缸中在800r/min条件下搅拌9min后，依次加入催干剂、助干剂和碱激发剂在600r/min条件下搅拌20min后，得到环保型光催化涂料。

对比例2

以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：

所述基料为磷酸二氢铝；所述催化剂为聚磷酸铵；所述成炭剂为山梨醇；所述发泡剂为三聚氰胺；所述阻燃填料为硅粉微粉；所述无机溶剂为水；所述无机分散剂为三聚磷酸钠；所述催干剂为氧化钴；所述助干剂为锌粉；所述碱激发剂为氢氧化钙。

首先将分散剂与无机溶剂在1200r/min条件下搅拌6min后，依次加入基料与阻燃填料在1000r/min条件下搅拌10min后，依次加入催化剂、成炭剂和发泡剂在1000r/min条件下搅拌20min后，得到防火白浆。

其次将防火白浆倒入调漆缸中在800r/min条件下搅拌9min后，依次加入催干剂、助干剂和碱激发剂在600r/min条件下搅拌20min后，得到环保型防火涂料。

制备实施例1～6及对比例1～2，其性能检测过程如下：

利用欧盟普遍采用的hjc-1型环境测试舱模拟可见光源下室内环境(如图1所示)。利用温湿度传感器1，温度设置在23±0.5℃，湿度设置在45±3％。把2.5μl浓度为37％～40％的甲醛分析纯溶液滴加在培养皿上，放入环境测试舱，使其在环境测试舱中充分挥发，利用风扇3使整个环境测试舱中的甲醛气体a浓度为1mg/m³。将理论涂布厚度(200μm)的环保型光催化防火涂料b负载到0.1m²的测试板上，利用可见光源4进行激发，使其产生催化作用。采用乙酰丙酮分光光度法(gb/t15516－1995)，利用采样口2，选择240min时采样10l舱内的气体，检测环境测试舱中甲醛气体的浓度变化，从而可以计算出环保型光催化防火涂料光催化降解甲醛的效率。

采用垂直燃烧法(如图2所示)。将环保型光催化防火涂料涂b覆在测试板8一侧，放置在带铁夹的铁架台7上，涂覆环保型光催化防火涂料的测试板一侧面向酒精喷灯5，并且与酒精喷灯口的垂直距离为7cm左右，待火焰温度达到1000℃左右时，开始计时至检测终点。检测时，测试板燃烧时背火面炭化，出现裂缝，定为耐燃时间(min)终点。

表1环保型光催化防火涂料性能测试结果