КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ, СОДЕРЖАЩАЯ ФОТОКАТАЛИЗАТОР, ПОКРЫТЫЙ АПАТИТОМ, И СИСТЕМА РАДИАЦИОННОГО НАГРЕВА, СОДЕРЖАЩАЯ УКАЗАННУЮ КОМПОЗИЦИЮ Российский патент 2013 года по МПК C09D7/12 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к композиции для нанесения покрытия, содержащей фотокатализатор, покрытый апатитом, и к системе радиационного нагрева, содержащей указанную композицию.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Фотокатализатор представляет собой вещество, поглощающее свет в заранее заданном диапазоне длин волн, что способствует инициированию химической реакции. Фотокатализатор, например, обеспечивает полное окисление токсичных веществ до диоксида углерода и воды при применении окислителя (например, кислорода или воды) при облучении светом.

С конца 1980-х годов в развитых странах было проведено значительное количество исследований, сконцентрированных на реакциях фотокаталитического окисления с применением фотокатализаторов, рассматриваемых как высокотехнологичные окислительные процессы. В типичной реакции фотокаталитического окисления в качестве промежуточных соединений, окисляющих органические примеси, образуются гидроксильные радикалы и супероксиды. Важным преимуществом реакций фотокаталитического окисления является возможность достижения достаточной степени разложения органических примесей при применении одного лишь кислорода без добавления дополнительных окислителей, таких как пероксид водорода и озон, а также возможность достижения эффекта обеззараживания.

Фотокатализаторы находят широкое применение с целью разложения примесей в различных областях техники. В Японии в настоящее время разрабатывается и внедряется большое количество фотокаталитических продуктов, способных разлагать различные вредные органические вещества.

Например, фотокатализаторы наносят на бетон и материалы для наружной отделки зданий (например, облицовочную плитку) для поддержания поверхности бетона и зданий в чистоте по меньшей мере в течение десяти лет. Известные фотокаталитические продукты являются очень эффективными при разложении органических примесей, но в условиях недостаточной освещенности, в частности при недостатке УФ-излучения, например, внутри помещений, специфические свойства таких фотокатализаторов проявляются в недостаточной степени. Соответственно, при нанесении известных фотокаталитических продуктов на изделия, применяемые во внутренних помещениях, эксплуатационные характеристики фотокаталитических продуктов резко снижаются.

В заявке на патент Республики Корея №10-2000-0059193 А от 9 октября 2000 г. описан материал насадки для башенных охладителей, в которых с целью достижения полунепрерывной стерилизации применяют фотокатализатор для стерилизации, что устраняет необходимость в периодическом добавлении и утилизации стерилизующих агентов, не вызывая при этом загрязнения охлаждающей воды и вредного влияния на оборудование.

В заявке на патент Республики Корея №10-2000-0045311 А от 4 августа 2000 г. предложена система очистки воды с применением вращающегося элемента, содержащего пленочное покрытие на основе оксида титана в качестве фотокатализатора.

В заявке на патент Республики Корея №10-2000-0035845 А от 28 июня 2000 г. описана емкость для очистки воды, при этом для очистки воды в емкости применяют УФ-излучение и диоксид титана.

В публикации заявки на патент Японии №2008-105905 от 8 мая 2008 г., по которой не проводилась экспертиза, описана система фотолиза воды с применением фотокатализатора.

В публикации заявки на патент Японии №2008-094709 от 24 апреля 2008 г., по которой не проводилась экспертиза, описана фотокаталитическая добавка к цементному раствору для применения в строительстве, подходящая для очистки органических веществ.

В публикации заявки на патент США №2007-0297973 от 27 декабря 2007 г. описан способ получения фотокатализатора.

В публикации заявки на патент США №2006-0159598 от 20 июля 2006 г. описан очиститель воздуха, в котором применяют фотокатализатор.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА

Традиционно используемые фотокаталитические продукты очень эффективны при разложении органических примесей в УФ-области, но в условиях недостаточной освещенности, в частности внутри помещений, они проявляют свои специфические свойства в недостаточной степени. Соответственно, при нанесении традиционно используемых фотокаталитических продуктов на изделия, применяемые внутри помещений, присущие фотокаталитическим продуктам эксплуатационные характеристики (например, разложение загрязнений и стерилизующие свойства) проявляются в недостаточной степени.

Поэтому существует потребность в разработке композиции фотокаталитического покрытия, подходящего для нанесения на продукты, предназначенные для применения как снаружи, так и внутри помещений.

Фотокатализаторы способны разлагать подложки (или носители) вследствие их высокой каталитической активности. Фотокатализаторы поглощают УФ-излучение с образованием гидроксильных радикалов или супероксидов, которые разлагают подложки до воды и диоксида углерода. Вследствие разложения происходит отделение фотокатализаторов от подложек, что влечет за собой ухудшение эксплуатационных свойств фотокаталитических продуктов.

Поэтому существует потребность в разработке композиций фотокаталитического покрытия, сводящих к минимуму отделение фотокатализатора от подложки.

С другой стороны, системы радиационного нагрева, известные из уровня техники, не способны очищать воздух в помещениях от компонентов с неприятным запахом. Обогрев комнаты с применением систем радиационного нагрева, известных из уровня техники, активирует молекулы компонентов сигаретного дыма и компоненты с неприятным запахом, при этом неприятный запах внутри помещения усиливается. Кроме того, повышение температуры в помещении при обогреве создает благоприятную среду для пролиферации бактерий. Следует сделать вывод, что, поскольку системы радиационного нагрева, известные из уровня техники, не способны очищать воздух внутри помещений, неприятный запах в помещении усиливается, при этом также ускоряется рост бактерий.

Поэтому существует потребность в разработке систем радиационного нагрева, способных к очистке воздуха внутри помещения.

ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ

Настоящее изобретение направлено на решение вышеуказанных проблем, существующих в уровне техники; одной из задач настоящего изобретения является разработка композиции фотокаталитического покрытия, подходящего для нанесения на продукты, предназначенные для применения как снаружи, так и внутри помещений вследствие их высоких фотокаталитических эксплуатационных характеристик даже в видимой области.

Другой задачей настоящего изобретения является разработка системы радиационного нагрева, содержащей композицию фотокаталитического покрытия для очистки воздуха внутри помещений.

В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предложена композиция фотокаталитического покрытия, содержащая от 5 до 20% мас. фотокатализатора с нанесенным гидроксиапатитом, от 5 до 15% мас. связующего вещества на основе алкоксида кремния, от 1 до 5% мас. акриловой эмульсии, от 0,1 до 1% мас. загустителя и от 54 до 85% мас. воды.

Фотокатализатор с нанесенным гидроксиапатитом предпочтительно обладает коэффициентом покрытия от 5 до 36%.

Средний диаметр частиц фотокатализатора с нанесенным гидроксиапатитом предпочтительно составляет от 1 до 250 нм.

Фотокатализатор предпочтительно выбирают из диоксида титана, оксида цинка, оксида циркония, оксида олова, триоксида ванадия и сочетаний указанных соединений.

Загуститель предпочтительно представляет собой ксантановую камедь.

Композицию фотокаталитического покрытия согласно изобретению предпочтительно применяют в производстве систем радиационного нагрева.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложена система радиационного нагрева, содержащая композицию фотокаталитического покрытия.

В частном случае система радиационного нагрева согласно изобретению включает в себя подложку, нагревательный слой и теплоизлучающий слой.

Подложка предпочтительно представляет собой пластину из алюминия или нержавеющей стали (SUS, Stainless Steel).

Нагревательный слой предпочтительно получают по меньшей мере из одной нихромовой проволоки, покрытой силиконом, тефлоном или стеклонитью.

Теплоизлучающий слой предпочтительно получают путем нанесения на подложку смеси излучающего неорганического материала, от 20 до 25% мас. алкоксисиланового клея и от 10 до 15% мас. спиртового растворителя и последующего удаления растворителя сушкой, причем излучающий неорганический материал состоит из 6-12% мас. TiO₂, 20-30% мас. SiO₂, 5-10% мас. ZrO₂, 5-10% мас. Al₂O₃, 5-10% мас. Fe₂O₃, 5-10% мас. MnO₂ и 1-5% мас. Na₂O.

Система радиационного нагрева согласно изобретению дополнительно содержит теплоизоляционный слой на внешней поверхности, противолежащей поверхности теплоизлучающего слоя.

Теплоизоляционный слой предпочтительно состоит из стекловолокна, и толщина указанного слоя составляет от 15 до 25 мм.

Система радиационного нагрева согласно изобретению дополнительно содержит неравномерный поверхностный слой, лежащий на поверхности теплоизлучающего слоя.

Неравномерный поверхностный слой предпочтительно получают путем нанесения пересыщенного водного раствора смеси SiO₂ и СаО₂ на поверхность теплоизлучающего слоя и удаления воды сушкой.

Неравномерный поверхностный слой предпочтительно получают путем нанесения пересыщенного водного раствора смеси SiO₂ и СаО₂ в массовом соотношении 1:4 на поверхность теплоизлучающего слоя и удаления воды сушкой.

Система радиационного нагрева согласно изобретению дополнительно содержит слой фотокаталитического покрытия.

Толщина слоя фотокаталитического покрытия предпочтительно составляет от 30 до 300 мкм.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложен способ изготовления системы радиационного нагрева, причем данный способ включает в себя этапы нанесения композиции фотокаталитического покрытия на теплоизлучающий слой и отверждения поверхности теплоизлучающего слоя в интервале температур от 18 до 150°С.

В соответствии еще с одним аспектом настоящего изобретения предложен способ изготовления системы радиационного нагрева, причем способ включает в себя этапы нанесения композиции фотокаталитического покрытия на неравномерный поверхностный слой и отверждения поверхности неравномерного поверхностного слоя в интервале температур от 18 до 150°С.

Перед подробным описанием настоящего изобретения следует привести следующие определения используемых терминов.

Термин "материал покрытия" представляет собой родовое понятие, охватывающее жидкие материалы, в том числе лаки и краски, наносимые на поверхность твердых материалов с образованием твердых пленок. Материал покрытия защищает поверхность твердых материалов либо делает поверхность эстетически привлекательной. Материал покрытия находится в жидком состоянии, в том числе в состоянии геля, до и во время нанесения. Предпочтительными являются сушка и отверждение материала покрытия немедленно после нанесения.

Термин "апатит" относится к материалу, способному адсорбировать органические вещества и бактерии, и характеризуется формулой Ca_x(FO₄)_y(OH)_z (x=5z, у=3z, z=1-50). Характерным примером апатита является гидроксиапатит, имеющий молекулярную формулу Са₁₀(PO₄)₆(ОН)₂.

Термин "коэффициент покрытия" определяется как значение, полученное путем расчета отношения площади поверхности первого материала, на которой адсорбирован или которую занимает второй материал, к общей площади поверхности первого материала, и умножения отношения на 100.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеперечисленные и другие объекты, отличительные признаки и другие преимущества настоящего изобретения будут более понятны из следующего далее подробного описания, рассматриваемого в сочетании с приложенными чертежами, причем:

на Фиг.1 приведена структура системы радиационного нагрева в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;

на Фиг.2 приведены результаты исследований степени удаления ацетальдегида композицией согласно настоящему изобретению при облучении видимым светом;

на Фиг.3 приведены результаты исследований степени удаления аммиака композицией согласно настоящему изобретению при облучении видимым светом;

на Фиг.4 приведены результаты исследований степени удаления ацетальдегида композицией согласно настоящему изобретению при облучении УФ-светом;

на Фиг.5 приведены результаты исследований степени удаления аммиака композицией согласно настоящему изобретению при облучении УФ-светом;

на Фиг.6 приведены результаты исследований антибактериальной активности по отношению к Escherichia coli, Staphylococcus aureus и Salmonella typhimurium;

на Фиг.7 приведены изображения, показывающие антибактериальную активность по отношению к Escherichia coli в соответствии с Фиг.6;

на Фиг.8 приведены изображения, показывающие антибактериальную активность по отношению к Staphylococcus aureus в соответствии с Фиг.6;

на Фиг.9 приведены изображения, показывающие антибактериальную активность по отношению к Salmonella typhimurium в соответствии с Фиг.6;

на Фиг.10 приведен график, на котором показана эмиссионная способность системы радиационного нагрева, содержащей композицию фотокаталитического покрытия согласно изобретению, в дальней инфракрасной области.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее подробно описываются предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения.

В настоящем изобретении предложена композиция фотокаталитического покрытия, содержащая от 5 до 20% мас. фотокатализатора, покрытого гидроксиапатитом, от 5 до 15% мас. связующего вещества на основе алкоксида кремния, от 1 до 5% мас. акриловой эмульсии, от 0,1 до 1% мас. загустителя и от 54 до 85% мас. воды в расчете на общую массу материала.

Фотокатализатор, покрытый гидроксиапатитом, является очень важной составляющей композиции фотокаталитического покрытия. Традиционно используемые фотокатализаторы имеют тенденцию к отделению от подложек (или носителей) с течением времени, вследствие того что они разлагают подложки в той же степени, что и примеси. Напротив, фотокатализатор, покрытый апатитом, применяемый в композиции фотокаталитического покрытия согласно изобретению, предохраняет фотокатализатор от непосредственного контакта с апатитом, применяемым в качестве подложки и тем самым предотвращает отделение фотокатализатора от подложки. Кроме того, апатит повышает способность к адсорбции примесей вследствие наличия у него пористой структуры, что обеспечивает возможность эффективного разложения примесей фотокатализатором.

Фотокаатализатор может быть выбран из диоксида титана, оксида цинка, оксида циркония, оксида олова, триоксида ванадия и сочетаний указанных соединений. Вследствие высокой фотокаталитической активности предпочтительным является диоксид титана. Известно, что фотокаталитическая активность фотокатализаторов возрастает в следующем порядке: диоксид титана > оксид цинка > оксид циркония > оксид олова > оксид ванадия.

Фотокатализатор, покрытый гидроксиапатитом, предпочтительно добавляют в количестве от 5 до 20% мас. в расчете на общую массу композиции. Если фотокатализатор, покрытый гидроксиапатитом, добавляют в количестве менее 5% мас., проявление полезных эффектов, в том числе антибактериальной активности, противогрибковой активности, дезодорирующих эффектов и повышения качества воздуха внутри помещений, затрудняется. В то же время, если фотокатализатор, покрытый гидроксиапатитом, добавляют в количестве более 20% мас., количество дорогого катализатора возрастает, что экономически невыгодно.

Коэффициент покрытия гидроксиапатита по отношению к площади поверхности фотокатализатора предпочтительно составляет от 5% до 36%. Если коэффициент покрытия составляет менее 5%, способность гидроксиапатита к адсорбции примесей оказывается неудовлетворительной и фотокатализатор может отделяться от подложки. В то же время, если коэффициент покрытия превышает 36%, гидроксиапатит покрывает значительную часть фотокатализатора, что ухудшает его эксплуатационные свойства.

Средний диаметр частиц фотокатализатора, покрытого апатитом, предпочтительно составляет от 1 до 250 нм. Если средний диаметр частиц фотокатализатора, покрытого апатитом, составляет менее 1 нм, возможность применения фотокатализатора в составе материала покрытия оказывается пренебрежимо мала, а его способность к поглощению света существенно снижается. Если диаметр частиц фотокатализатора средний, большие 250 нм частицы фотокатализатора трудно диспергировать в воде, что делает практически невозможным получение материала покрытия, в котором фотокатализатор диспергирован гомогенно.

Связующее вещество на основе алкоксида кремния хорошо смешивается с фотокатализатором. Связующее вещество на основе диоксида кремния служит для предотвращения агрегации частиц фотокатализатора и для диспергирования частиц диоксида титана, применяемого в качестве фотокатализатора, в воде. Для этого связующее вещество на основе диоксида кремния предпочтительно добавляют в количестве от 5 до 15% мас. в расчете на общую массу композиции. Применение связующего вещества на основе диоксида кремния в количестве менее 5% мас. может вызвать агрегацию частиц фотокатализатора. В то же время применение связующего вещества на основе диоксида кремния в количестве более 15% мас. приводит к блокированию поверхности фотокаталитатора, что ухудшает фотокаталитическую активность фотокатализатора.

Акриловая эмульсия представляет собой дополнительное связующее вещество. Акриловая эмульсия служит для обеспечения надежного закрепления применяемых фотокатализатора и связующего вещества на основе диоксида кремния на поверхности системы радиационного нагрева, описанной ниже. Содержание акриловой эмульсии предпочтительно составляет от 1 до 5% мас. в расчете на общую массу композиции. Применение акриловой эмульсии вне рамок данного интервала ухудшает закрепление и фотокаталитическую активность фотокатализатора.

Загуститель представляет собой компонент, придающий вязкость остальным компонентам; и предпочтительно представляет собой ксантановую камедь. Содержание загустителя предпочтительно составляет от 0,1 до 1% мас. в расчете на общую массу композиции. Вне данного интервала вязкость композиции становится слишком низкой или слишком высокой, что ухудшает текучесть материала и его способность к нанесению.

С учетом экономической эффективности, активности диоксида титана, вязкости материала покрытия и технологических свойств покрытия количество воды предпочтительно составляет от 54 до 85% мас. в расчете на общую массу композиции.

Далее поясняется способ нанесения композиции фотокаталитического покрытия согласно изобретению.

Композиция фотокаталитического покрытия согласно изобретению может быть нанесена на различные подложки путем распыления, макания или нанесения валиком. Примеры подобных подложек включают в себя бетонные, деревянные и пластмассовые подложки.

Композицию фотокаталитического покрытия наносят на излучательную панель системы радиационного нагрева с применением одного из способов нанесения покрытий, при этом образуется пленочное покрытие. Отверждение покрытия на излучательной панели предпочтительно проводить в интервале температур от 18 до 150°С. Температура отверждения менее 18°С снижает твердость пленочного покрытия. В то же время температура отверждения более 150°С повышает риск растрескивания пленочного покрытия вследствие слишком быстрого отверждения.

В настоящем изобретении также предложена система радиационного нагрева, содержащая композицию фотокаталитического покрытия.

Подразумевается, что система радиационного нагрева согласно изобретению включает нагревательные системы, в которых применяют композицию фотокаталитического покрытия и которые содержат теплоизлучательный материал и нагревательное устройство; при этом на вид теплоизлучательного материала и нагревательного устройства не накладывается особых ограничений. В одном из вариантов осуществления изобретения система радиационного нагрева обладает высокой излучательной способностью в дальней инфракрасной области.

В системе радиационного нагрева применяют композицию фотокаталитического покрытия; указанная система включает в себя подложку, нагревательный слой и теплоизлучающий слой. Композицию фотокаталитического покрытия равномерно смешивают с материалом теплоизлучающего слоя либо применяют для получения слоя фотокаталитического покрытия. Система радиационного нагрева может дополнительно содержать теплоизоляционный слой.

На Фиг.1 показана структура системы радиационного нагрева в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. В частности, система радиационного нагрева содержит подложку 2, нагревательный слой 1, теплоизлучающий слой 3, теплоизоляционный слой 4, неравномерный поверхностный слой 5 и слой фотокаталитического покрытия 6.

Теплоизоляционный слой 3 может быть получен по меньшей мере из одного неорганического вещества, выбранного из TiO₂, SiO₂, ZrO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, MnO₂, 2MgO-2Al₂O₃-5SiO₂ и Al₂O₃-TiO₂. Предпочтительно выбирать неорганическое вещество из группы, состоящей из TiO₂, SiO₂, ZrO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, MnO₂ и Na₂O. Упомянутые неорганические материалы могут применяться по отдельности или в виде смеси.

В частности, теплоизлучающий слой 3 предпочтительно получают путем нанесения смеси излучающего неорганического материала, 20-25% мас. алкоксисиланового клея и 10-15% мас. спиртового растворителя на подложку 2 и удаления растворителя сушкой. Излучающий неорганический материал состоит из 6-12% мас. TiO₂, 20-30% мас. SiO₂, 5-10% мас. ZrO₂, 5-10% мас. Al₂O₃, 5-10% мас. Fe₂O₃, 5-10% мас. MnO₂ и 1-5% мас. Na₂O. При температурах примерно от 92°С примерно до 110°С теплоизлучающий слой 3 способен испускать тепловые электромагнитные волны, длина которых составляет от 2,5 до 25 мкм (центральная длина волны 9 мкм) и которые, как известно, обладают высокой проникающей способностью.

Материал теплоизлучающего слоя предпочтительно обладает высокой чистотой и большим размером частиц, например по меньшей мере 350 меш (72,5 мкм).

Теплоизлучающий слой 3 может быть получен путем смешения неорганического материала с клеем и растворителем, нанесения смеси на одну из поверхностей подложки 2 и сушки смеси. Клей представляет собой материал, обладающий высокой теплопроводностью и исключительной теплостойкостью. В частности, клей является термически стабильным при 250°С или выше, предпочтительно при 300°С или выше. Для описываемой цели может быть использован любой известный клеящий материал; примеры подобных материалов включают в себя акриловые смолы и эпоксидные смолы. В качестве растворителя может применяться растворитель на основе кетона.

В альтернативном варианте осуществления изобретения система радиационного нагрева может быть изготовлена путем смешения материала теплоизлучающего слоя 3 с композицией фотокаталитического покрытия и сушки смеси. Хотя система радиационного нагрева является эффективной для очистки воздуха, она обладает относительно низкой фотокаталитической активностью по сравнению с системой радиационного нагрева, содержащей слой фотокаталитического покрытия 6, полученный с применением композиции фотокаталитического покрытия.

Подложка 2 играет роль опоры для теплоизлучающего слоя 3 и нагревательного слоя 1. Особые ограничения для вида материала подложки отсутствуют. Подложка 2 может представлять собой пластину из синтетических смол, нержавеющей стали (известной специалисту в данной области техники как SUS) или алюминия. В частности, подложку изготавливают из материала, который обладает высокой теплостойкостью, физико-химические свойства которого не подвергаются изменениям в интервале температур от 92 до 250°С и который предпочтительно обладает коэффициентом теплового расширения, близким к соответствующей величине для соседних слоев, т.е. нагревательного слоя 1 и теплоизлучающего слоя 3. Подложку предпочтительно изготавливают из материала, обладающего высокой теплопроводностью и низкой плотностью, что помогает снизить массу системы радиационного нагрева. Система согласно изобретению может быть размещена на потолке или на стене. Система согласно изобретению может быть присоединена к несущей конструкции. Поэтому снижение массы системы, соответствующей настоящему изобретению, рассматривается как важный фактор. Подложка 2 предпочтительно представляет собой пластину из алюминия.

Для изготовления нагревательного слоя 1 может применяться любой материал, обладающий способностью генерировать тепло при поступлении энергии от внешнего источника энергии. Нагревательный слой 1 предпочтительно изготавливают из материала, обладающего низким изменением сопротивления в зависимости от температуры (что означает слабую зависимость коэффициента сопротивления от температуры), являющегося очень гибким и не подвергающегося сильным изменениям физико-химических свойств. Например, для изготовления нагревательного слоя 1 возможно применение теплоизлучающей тонкой проволоки. Если теплоизлучающий провод малого сечения обладает низкой механической прочностью либо при наличии тенденции к окислению его поверхности, что повышает контактное сопротивление, это может ухудшить работу системы согласно изобретению.

Нагревательный слой 1 может быть изготовлен, например, путем покрытия по меньшей мере одного теплоизлучающего провода (например, феррохромового (Fe-Cr), нихромового (Ni-Cr) или медно-никелевого (Cu-Ni) провода) синтетической смолой (например, полифторэтиленом (Teflon, DuPont, USA), силиконом или стеклонитью, которая представляет собой вид стекловолокна, хорошо известный в уровне техники), стабильной при столь высокой температуре, как 300°С. Теплоизлучающий провод, покрытый синтетической смолой, генерирует тепло при поступлении энергии и передает тепло теплоизлучающему слою 3.

В случае, если место размещения системы радиационного нагрева согласно изобретению выбирают произвольно, на внешней поверхности системы, противоположной поверхности теплоизлучательного слоя 3, может быть размещен теплоизоляционный слой 4. В этом случае теплоизоляционный слой 4 блокирует прохождение тепла, генерируемого нагревательным слоем 1, сквозь поверхность, противоположную поверхности теплоизлучательного слоя 3, что обеспечивает возможность эффективного испускания теплового излучения. Кроме того, теплоизоляционный слой 4 может останавливать тепло, генерируемое в нагревательном слое 1, что снижает риск пожара.

Теплоизоляционный слой 4 предпочтительно изготавливают из негорючего легкого материала, например гипсокартона или стекловолоконного картона высокой плотности. Особенно предпочтительным является стекловолоконный картон высокой плотности, поскольку он является легким и наиболее безопасным для окружающей среды. Если теплоизоляционный слой намереваются изготавливать с применением стекловолоконного картона, внешние поверхности подобного картона, которыми стекловолокно обращено к внешней среде, могут быть покрыты стеклотканью или материалом Vaporbarrier (представляющим собой композиционный материал, состоящий из алюминиевой фольги, пленки из ПВХ, стекловолоконной пряжи и др.). Возможно применение любого теплоизоляционного материала, известного в уровне техники, без ограничений. Толщина теплоизоляционного слоя 4 может быть надлежащим образом определена специалистом в данной области техники с учетом общей массы и объема системы и других факторов. Наиболее предпочтительные значения толщины теплоизоляционного слоя 4 составляют примерно от 15 нм примерно до 25 мм.

Теплоизоляционный слой 4 может быть приклеен к нагревательному слою 1 при помощи клея. В альтернативном варианте осуществления теплоизоляционный слой 4 может быть соединен с подложкой 2 или с нагревательным слоем 1 без применения клея. Например, теплоизоляционный слой 4, нагревательный слой 1, подложка 2 и теплоизлучающий слой 3 могут быть закреплены в алюминиевой рамке, что устраняет необходимость применения клея.

Неравномерный поверхностный слой 5 может быть размещен на поверхности теплоизлучающего слоя 3, из которого происходит испускание теплового излучения. Неравномерный поверхностный слой 5 получают путем создания шероховатостей на поверхности системы радиационного нагрева, с которой происходит испускание теплового излучения, что повышает площадь поверхности, с которой происходит испускание теплового излучения, и приводит к повышению излучательной способности системы. Температура неравномерного поверхностного слоя составляет чуть меньше, чем температура теплоизлучающего слоя 3. Поэтому, хотя потребитель находится в контакте с неравномерным поверхностным слоем 5, опасности получения ожога нет.

Неравномерный поверхностный слой 5 может быть изготовлен из смеси, например смеси, включающей диоксид кремния (SiO₂) и оксид кальция (СаО). Неравномерный поверхностный слой может быть получен путем нанесения пересыщенного раствора смеси SiO₂ и СаО на поверхность теплоизлучающего слоя и удаления воды путем сушки. Степень пересыщения пересыщенного водного раствора особо не ограничивается, если сохраняется возможность равномерного распределения диоксидов по поверхности теплоизлучающего слоя 3. Текстура частиц диоксида остается неизменной, что делает поверхность системы шероховатой и повышает площадь поверхности. Таким образом, неравномерности поверхностного слоя 5 повышают площадь внешней поверхности системы, результатом чего может оказаться повышение эмиссионной способности. При этом отношение количеств SiO₂ и СаО в пересыщенном водном растворе может быть отрегулировано надлежащим образом. С учетом повышения излучательной способности и гладкости покрытия наиболее предпочтительным является приведение массового отношения SiO₂ к СаО, равного 1:4.

Слой фотокаталитического покрытия 6 может быть получен путем нанесения композиции фотокаталитического покрытия на теплоизлучательный слой 3. В альтернативном варианте осуществления изобретения слой фотокаталитического покрытия 6 может быть получен путем нанесения композиции фотокаталитического покрытия на неравномерный поверхностный слой 5. Композиция фотокаталитического покрытия является прозрачной для теплового излучения (например, для дальнего инфракрасного излучения) в степени, достаточной для их проникновения сквозь покрытие после отверждения и сушки. Поэтому влияние слоя фотокаталитического покрытия 6 на излучательную способность в дальней инфракрасной области сводится к минимуму. Если слой фотокаталитического покрытия 6 оказывается слишком толстым, это может негативно сказаться на излучательной способности в дальней инфракрасной области. С учетом этого толщина слоя покрытия предпочтительно составляет от 30 до 300 мкм, более предпочтительно от 30 до 150 мкм.

Слой фотокаталитического покрытия 6 обладает той же формой, что и подложка, что сводит к минимуму его влияние на эффективность эмиссии системой теплового излучения. Например, как показано на Фиг.1, слой фотокаталитического покрытия 6 получают так, чтобы он соответствовал неравномерностям поверхностного слоя 5, в результате чего влияние слоя фотокаталитического покрытия 6 на эффективность эмиссии системой теплового излучения сводится к минимуму. Композиция фотокаталитического покрытия согласно изобретению обладает вязкостью, подходящей для получения слоя фотокаталитического покрытия 6.

Размер системы, соответствующей настоящему изобретению, может быть определен специалистом в данной области техники в соответствии с предполагаемой областью применения и условиями эксплуатации. Кроме того, последовательно расположенные слои, составляющие систему, не обязательно обладают одинаковыми размерами. Размеры слоев, составляющих систему, могут меняться, поскольку это не затрагивает функции слоев.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение поясняется более детально со ссылкой на следующие далее примеры. Однако данные примеры приведены в качестве иллюстрации и не ограничивают настоящее изобретение.

ПРИМЕРЫ

Приготовление фотокатализатора, покрытого гидроксиапатитом

Вначале приготавливали раствор гидроксиапатита, имитирующий биологическую жидкость, путем смешения Na⁺ (213 мМ), K⁺ (7.5 мМ), Са²⁺ (50 мМ), Mg²⁺ (1.5 мМ), Cl^- (147.8 мМ), НСО₃ ^- (6 мМ), НРО₄ ^2- (12 мМ) и SO₄ ^2- (0.75 мМ) с водой.

В растворе, имитирующем биологическую жидкость, диспергировали диоксид титана и перемешивали в течение часа при большой скорости вращения. В результате на поверхности диоксида титана равномерно осаждался гидроксиапатит. По окончании перемешивания гидроксиапатит оставляли на дозревание в течение 24 ч с получением диоксида титана, равномерно покрытого гидроксиапатитом. Диоксид титана, покрытый гидроксиапатитом, стабилизировали путем нагрева при 200-300°С в течение часа.

Диоксид титана может представлять собой любой из анатаза, рутила и брукита. В данном примере в качестве фотокатализатора применяли диоксид титана в виде анатаза (Р25 от компании Degussa, Германия).

Приготовление композиции фотокаталитического покрытия

Водный раствор диоксида титана, покрытого гидроксиапатитом, смешивали с связующим веществом на основе алкоксида кремния и акриловой эмульсией с последующим медленным перемешиванием. Затем к смеси добавляли ксантановую камедь, служащую загустителем, и быстро перемешивали смесь с получением композиции фотокаталитического покрытия.

Связующее вещество на основе алкоксида кремния приготавливали путем диспергирования силана в спирте, медленного добавления к дисперсии воды при перемешивании и оставления дисперсии на 24-48 ч с целью гидратации силана с получением алкоксида кремния. На данном этапе воду применяли в количестве 10-20 мас.ч. в расчете на 100 ч. силана.

Композицию фотокаталитического покрытия подвергали отверждению с целью циклизации алкоксида кремния с диоксидом титана. Указанная циклизация приводила к идеальному состоянию, при котором сохраняется только возможность поступления воздуха сквозь слой, а поступление влаги из внешней среды предотвращается.

Нанесение композиции фотокаталитического покрытия и изготовление системы радиационного нагрева

Композицию фотокаталитического покрытия наносили на теплоизлучающий слой 3 или неравномерный поверхностный слой 5 с применением способа нанесения, выбранного из распыления, макания, нанесения валиком и нанесения кистью. После нанесения композицию фотокаталитического покрытия отверждали в интервале температур от 18 до 150°С с получением функциональной системы радиационного нагрева.

В следующих далее демонстрационных испытаниях анализировали композицию фотокаталитического покрытия и систему радиационного нагрева.

Демонстрационные испытания

Пример 1. Способность к разложению органических веществ при облучении видимым светом

Композицию фотокаталитического покрытия сушили и размалывали в порошок. Порошок использовали в качестве образца для измерения степени очистки от СН₃СНО и NH₃. Испытания проводили в Корейском институте конструкционных материалов (KICM), являющемся официальной организацией по проведению испытаний в Корее. Результаты испытаний показаны на Фиг.2 и 3.

1. Условия и методика анализа степени очистки от СН₃СНО

1) Изготовление образцов для анализа: по 0,5 г образца помещали на подходящие алюминиевые пластины и сушили на воздухе в течение 24 ч с получением образцов для анализа.

2) Условия лампового облучения: на расстоянии 10 см от каждого образца помещали по две люминесцентные лампы с трехполосным люминофором (PhilipsFL20SS/18 Super δO).

3) Предварительная обработка образцов для анализа: образцы не подвергали предварительной обработке, однако облучали УФ-светом в течение 3 ч.

4) Методика исследования

Подготавливали четыре газонепроницаемых пакета из ПВФ-смолы объемом 5 л (компания Tokyo Deodorant Inc., Япония). Образцы для анализа помещали в газонепроницаемые пакеты. В каждый пакет вдували по 3 л воздуха, содержащего 90 м.д. СН₃СНО, и герметично запечатывали.

Два пакета оставляли в условиях ИК-облучения; остальные оставляли в темноте.

Значения концентрации СН₃СНО в пакетах измеряли при помощи индикаторной трубки.

2. Условия и методика анализа степени очистки от NH₃

Условия и методика анализа степени очистки от NH₃ были теми же, что и для анализа степени очистки от СН₃СНО.

3. Результаты исследований

Результаты исследований приведены в Таблице 1.

Таблица 1 Облучение видимым светом (% очистки) СН₃СНО Н.О. (>99)* NH₃ 9 * Примечание
Н.О.: СН₃СНО не был обнаружен либо был обнаружен в концентрации, меньшей нижнего предела обнаружения (0,25 м.д.) после облучения видимым светом в течение 2 ч.
>99: Степень очистки от СН₃СНО составила более 99%.

При облучении видимым светом степень очистки от СН₃СНО составила более 99%, а степень очистки от NH₃ - 9%. Степень очистки от NH₃ оказалась гораздо более низкой, чем для СН₃СНО. Однако с учетом того, что прочность связей между элементами, образующими нитрид, выше, чем между элементами, образующими ацетальдегид, степень очистки от NH₃ при облучении видимым светом, обладающим более низкой энергией, чем УФ-излучение, была оценена как высокая.

Пример 2. Способность к разложению органических веществ при УФ-облучении

Композицию фотокаталитического покрытия сушили и размалывали в порошок. Порошок использовали в качестве образца для измерения степени очистки от СН₃СНО и NH₃. Испытания проводили в Корейском институте конструкционных материалов (KICM), являющемся официальной организацией по проведению испытаний в Корее. Результаты испытаний показаны на Фиг.4 и 5.

1. Условия и методика испытаний степени очистки от СН₃СНО

1) Методика испытаний: PRKS L-002 (методика Gasbag-A)

2) Условия испытаний

- Количество и изготовитель люминесцентных ламп черного света: 2, Sankyo Denki

- Изготовитель и модель измерителя УФ-излучения: Konica Minolta (UM-IO), UD-360

- Образец для испытаний: 0,5 г образца наносили на алюминиевую пластину и сушили на воздухе в течение 24 ч с получением образца для испытаний

- Предварительная обработка образцов для испытаний: образцы не подвергали предварительной обработке, однако подвергали облучению УФ-светом в течение 3 ч

- Расстояние от образца для испытаний до УФ-ламп: 10 см

- Температура в лаборатории: 22°С

- Подтверждение результатов испытаний:

PRKS L-002: Концентрация ацетальдегида внутри газонепроницаемых пакетов в темноте не изменилась.

2. Условия и методика испытаний степени очистки от NH₃

1) Получение образцов для испытаний: по 0,5 г образца наносили на соответствующие алюминиевые пластины и сушили на воздухе в течение 24 ч с получением образцов для испытаний.

2) Условия лампового облучения: устанавливали люминесцентные лампы черного света (компания Sankyo-denki, 20 Вт); значение интенсивности УФ-излучения устанавливали равным 1,0 мВт/см² с применением измерителя УФ-излучения (компания Konica-Minolta, UD-360).

3) Предварительная обработка образцов для испытаний: образцы не подвергали предварительной обработке, однако облучали УФ-светом в течение 3 ч.

4) Методика испытаний

Подготавливали четыре газонепроницаемых пакета из ПВФ-смолы объемом 5 л (компания Tokyo Deodorant Inc., Япония). Образцы для анализа помещали в газонепроницаемые пакеты. В каждый пакет вдували по 3 л воздуха, содержащего 90 м.д. NH₃, и герметично запечатывали.

Два пакета оставляли в условиях облучения; остальные оставляли в темноте.

Значения концентрации NH₃ в пакетах измеряли при помощи индикаторной трубки.

3. Результаты испытаний

Результаты испытаний приведены в Таблице 2.

Таблица 2   Облучение УФ-светом (% очистки) СН₃СНО Н.О. (>99) * NH₃ Н.О. (>99) * Примечание

Н.О.: СН₃СНО (или NH₃) не был обнаружен либо был обнаружен в концентрации, меньшей нижнего предела обнаружения (0,25 м.д.) после облучения видимым светом в течение 2 ч.

>99: Степень очистки от СН₃СНО (или от NH₃) составила более 99%.

Значения степени очистки от СН₃СНО и от NH₃ составили более 99%.

Пример 3: Исследование антибактериального эффекта

Исследование антибактериальной активности проводили с использованием Escherichia coli, Staphylococcus aureus и Salmonella typhimurium в Корейском институте конструкционных материалов (KICM), являющемся официальной организацией по проведению исследований в Корее. Результаты исследования приведены на Фиг.6-9.

1. Условия и методика исследования

1) Условия лампового облучения: на расстоянии 10 см от образцов для анализа были установлены по две люминесцентные лампы с трехполосным люминофором (PhilipsFL20SS/18 Super δO).

2) После инокуляции раствором, содержащим бактерии, образцы для анализа подвергали воздействию люминесцентных ламп в течение 2 ч.

3) Образцы помещали в соответствующие чашки Петри и инокулировали их раствором, содержащим бактерии. Чашки Петри подвергали воздействию люминесцентных ламп в течение 2 ч и промывали буферным раствором. Подсчитывали количество оставшихся бактерий.

4) Названия анализируемых бактерий:

- Escherichia coli (ATCC 25922);

- Staphylococcus aureus (ATCC 6538);

- Salmonella typhimurium (IFO 14193).

5) Размер образца: 5×5 см.

2. Результаты исследования

Результаты исследования приведены в Таблице 3.

Таблица 3 Штамм бактерий Исходная концентрация (КОЕ/100 ч.) Концентрация по истечении 2 ч (КОЕ/100 ч.) Антибактериальное действие (Степень уничтожения бактерий, %) Escherichia coli (АТСС 25922) 2370 2 99,9 Staphylococcus aureus (АТСС 6538) 2226 2 99,9 Salmonella typhimurium (IFO 14193) 2279 2 99,9

Значения степени уничтожения бактерий для Escherichia coli (АТСС 25922), Staphylococcus aureus (АТСС 6538) и для Salmonella typhimurium (IFO 14193) составили 99,9%.

Пример 4. Эмиссионная способность системы радиационного нагрева в дальней инфракрасной области и адгезия фотокатализатора

Были проведены исследования эмиссионной способности системы радиационного нагрева в дальней инфракрасной области. Исследования проводили в Корейском институте энергетических исследований (KIER), являющемся официальной организацией по проведению исследований в Корее. Результаты исследований приведены на Фиг.10.

1. Условия и методика исследования

1) Эмиссионная способность в дальней инфракрасной области

Эмиссионную способность системы радиационного нагрева и абсолютно черного тела определяли с применением FT-IR-спектрометра в Корейском институте энергетических исследований (KIER).

2) Адгезия фотокаталитического материала покрытия

К поверхности системы радиационного нагрева приклеивали клеящую ленту, которую затем удаляли. Лента была изготовлена из пропилена/каучука и обладала прочностью на разрыв, равной 6,8 кГ/дюйм (2,62 кН/м) (согласно методикам анализов ASTM D-3652, D-3652, D-3330, D-3759 и D-3759).

2. Результаты исследований

Результаты исследований приведены в Таблице 4.

Таблица 4 Эмиссионная способность в дальней инфракрасной области Адгезионная активность 94,8% Отдирания не наблюдается

Эмиссионная способность системы радиационного нагрева в дальней инфракрасной области оказалась высокой (94,8%); отслаивания фотокаталитической композиции не наблюдалось.

ВОЗМОЖНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Как ясно из вышеизложенного, композиция фотокаталитического покрытия согласно изобретению обладает высокой фотокаталитической активностью даже в видимой области и поэтому является подходящей для применения в изделиях, подвергаемых эксплуатации как снаружи, так и внутри помещений.

Кроме того, выделения фотокатализатора из композиции фотокаталитического покрытия согласно изобретению с течением времени не наблюдалось.

Система радиационного нагрева согласно настоящему изобретению также содержит слой покрытия, содержащего композицию фотокаталитического покрытия, что позволяет указанной системе очищать воздух внутри помещений.

Изобретение относится к композициям фотокаталитического покрытия. Композиция покрытия содержит от 5 до 20% мас. фотокатализатора, выбранного из диоксида титана, оксида цинка, оксида циркония, оксида олова, триоксида ванадия и их комбинаций, покрытого гидроксиапатитом, от 5 до 15% мас. связующего на основе алкоксида кремния, от 1 до 5% мас. акриловой эмульсии, от 0,1 до 1% мас. загустителя, представляющего собой ксантановую камедь, и от 64 до 85% мас. воды. Степень покрытия фотокатализатора гидроксиапатитом составляет от 5 до 36%, средний диаметр частиц фотокатализатора, покрытого гидроксиапатитом, от 1 до 250 нм. Предложена система радиационного нагрева, содержащая указанную композицию. Система радиационного нагрева состоит из нагревательного слоя 1, подложки 2, теплоизлучающего слоя 3, теплоизоляционного слоя 4, неравномерного слоя 5, повышающего излучательную способность системы, слоя фотокаталитического покрытия 6. Описаны способы получения систем радиационного нагрева. Технический результат - предотвращение отделения фотокатализатора от подложки, повышенная способность к адсорбции примесей, что обеспечивает возможность эффективного разложения примесей фотокатализатором. Система радиационного нагрева обладает дезодорирующими и антибактериальными свойствами. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 10 ил., 4 табл., 4 пр.

1. Композиция фотокаталитического покрытия, содержащая от 5 до 20 мас.% фотокатализатора, выбранного из диоксида титана, оксида цинка, оксида циркония, оксида олова, триоксида ванадия и их комбинаций, покрытого гидроксиапатитом, от 5 до 15 мас.% связующего на основе алкоксида кремния, от 1 до 5 мас.% акриловой эмульсии, от 0,1 до 1 мас.% загустителя, представляющего собой ксантановую камедь, и от 64 до 85 мас.% воды, причем фотокатализатор, покрытый гидроксиапатитом, характеризуется степенью покрытия от 5 до 36%, и причем средний диаметр частиц фотокатализатора, покрытого гидроксиапатитом, составляет от 1 до 250 нм.

2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что композицию фотокаталитического покрытия применяют для получения системы радиационного нагрева.

3. Система радиационного нагрева, содержащая композицию фотокаталитического покрытия по п.1, при этом указанная система содержит нагревательный слой 1, подложку 2 поверх нагревательного слоя 1 и теплоизлучающий слой 3 поверх подложки 2.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что подложка 2 представляет собой пластину из нержавеющей стали (SUS) или алюминия.

5. Система по п.3, отличающаяся тем, что нагревательный слой 1 выполнен из, по меньшей мере, нихромовой проволоки, покрытой силиконом, тефлоном или стеклонитью.

6. Система по п.3, отличающаяся тем, что теплоизлучающий слой 3 получен путем нанесения на подложку 2 смеси излучающего неорганического материала, от 20 до 25 мас.% алкоксисиланового адгезива и от 10 до 15 мас.% спиртового растворителя и удаления растворителя сушкой, причем излучающий неорганический материал состоит из 6-12 мас.% TiO₂, 20-30 мас.% SiO₂, 5-10 мас.% ZrO₂, 5-10 мас.% Аl₂О₃, 5-10 мас.% Fe₂О₃, 5-10 мас.% MnO₂ и 1-5 мас.% Na₂O.

7. Система по п.3, отличающаяся тем, что указанная система дополнительно содержит теплоизоляционный слой 4 на внешней поверхности, противоположной поверхности теплоизлучающего слоя 3.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что теплоизоляционный слой 4 состоит из стекловолокна, и толщина указанного слоя составляет от 15 до 25 мм.

9. Система по п.3, отличающаяся тем, что указанная система дополнительно содержит неравномерный поверхностный слой 5 на поверхности теплоизлучающего слоя 3.

10. Система по п.9, отличающаяся тем, что неравномерный поверхностный слой 5 получен путем нанесения пересыщенного водного раствора смеси SiO₂ и СаО на поверхность теплоизлучающего слоя 3 и удаления воды сушкой.

11. Система по п.9 или 10, отличающаяся тем, что неравномерный поверхностный слой 5 получен путем нанесения пересыщенного водного раствора смеси SiO₂ и СаО в массовом соотношении 1:4 на поверхность теплоизлучающего слоя 3 и удаления воды сушкой.

12. Система по п.3, отличающаяся тем, что указанная система дополнительно содержит слой 6 фотокаталитического покрытия.

13. Система по п.12, отличающаяся тем, что толщина слоя 6 фотокаталитического покрытия составляет от 30 до 300 мкм.

14. Способ получения системы радиационного нагрева по п.3, включающий этапы нанесения композиции фотокаталитического покрытия по п.1 на теплоизлучающий слой 3 и отверждения поверхности теплоизлучающего слоя 3 в интервале температур от 18 до 150°С.

15. Способ получения системы радиационного нагрева по п.12, включающий этапы нанесения композиции фотокаталитического покрытия по п.1 на неравномерный поверхностный слой 5 и отверждения поверхности неравномерного поверхностного слоя 5 в интервале температур от 18 до 150°С.