Силикатная краска с эффектом очистки воздуха Российский патент 2024 года по МПК C09D1/02 C09D7/61 C08K3/22 B82Y30/00 

Изобретение относится к строительству, а именно к способам получения красок для стен зданий, в том числе внутренних помещений, а именно к составам силикатных красок. Одним из перспективных направлений является создание составов красок с эффектом очистки воздуха. Известны силикатные краски, представляющие собой суспензию сухой пигментной смеси в водном растворе силикатов [1], однако такие силикатные краски обладают низкими малярными свойствами и не обладают свойством очистки воздуха.

Известны составы красок на водной основе, которые могут поглощать такие опасные для здоровья загрязнители воздуха как мелкие частицы пыли размерами менее 2.5 мкм (РМ_2.5) [2] за счет фотокаталитической функции. Краска обеспечивает при этом защитные и наружные штукатурные функции поверхности бетонного основания здания и включает: от 10 до 30 мас.% акриловой эмульсионной смолы; от 10 до 30 мас.% диоксида титана; от 5 до 20 мас.% воды; от 1 до 20 мас.% кальцита; от 1 до 20 мас.% силиконовой смолы в качестве добавки; от 0,1 до 10 мас.% диспергатора; от 0,1 до 10 мас.% пеногасителя; и от 0,1 до 10 мас.% загустителя. Недостатком данного состава является то, что не ясен механизм очистки от мелкодисперсных примесей, поскольку фотокатализатор - это вещество способствующее разложению органических примесей, фотокаталитические функции не могут способствовать удаление мелкодисперсной пыли из воздуха, также отсутствуют испытания и эффективность очистки от PM_2.5.

В последние годы были разработаны краски на основе известных составов [3, 4], в которые вводится специальное фотокаталитическое вещество, чаще всего оксид титана в анатазной форме, обладающее способностью разлагать органические вещества, находящиеся в воздухе и имеющее бактерицидное действие. Указанные свойства возникают за счет фотокаталитического действия диоксида титана, возникающего под действием УФ излучения. Недостатком известных решений является необходимость УФ облучения покрытия для обеспечения фотокаталитического действия, а также неспособность удалять из воздуха высокотоксичные субмикронные взвешенные частицы пыли с аэродинамическим диаметром менее 2.5 мкм (РМ_2.5), которые обладают способностью преодолевать альвеольный легочный барьеры в организме человека и попадать непосредственно в кровеносное русло.

Известна краска [5] на основе силиката калия, содержащая диоксид титана в форме анатаза. В известном способе краска содержит 10-30% процентное содержание элемента, обладающего фотокаталитической активностью, в частности смесь диоксидов титана в форме анатаза, способствующую окислению - восстановительные реакции загрязняющих веществ, присутствующих в воздухе. Согласно изобретению [5], в которой в качестве связующего используется неорганический материал, в частности силикат калия, а в составе диоксид титана используется в виде смеси, имеющей определенный размер частиц, так что диоксид титана имеет очень высокую удельную поверхность, что гарантирует эффективное фотокаталитическое противозагрязняющее действие, несмотря на очень малую толщину наносимого слоя краски. Недостатком данного состава является высокое содержание дорогостоящего элемента в виде 10-30%-ного содержания фотокаталитического диоксида титана, необходимость введения дополнительного специального средства против плесени, что значит, что фотокатализатор не обеспечивает эффективного действия без дополнительного постоянного УФ облучения. Кроме того, краска содержит в качестве связующих органические компоненты, которые могут разрушаться фотокатализатором и снижать долговечность покрытия. Известные согласно изобретения лакокрасочные покрытия не способны удалять из воздуха высокотоксичные субмикронные взвешенные частицы

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является двухкомпонентная силикатная краска [6, марка А], не содержащая органических компонентов, выбранная в качестве прототипа. В партию краски входит сухая часть и жидкое калийное стекло (с кремнистым модулем 2.5) в соотношении 2 к 1 по массе. Сухая часть содержит сепарированный мел, тальк и оксид цинка в качестве пигмента [6, марка А, табл.1]. Недостатком данного состава является отсутствие удаления лакокрасочным покрытием частиц PM_2.5.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка состава краски, позволяющей получать покрытие с эффектом очистки воздуха от субмикронных взвешенных частиц пыли и твердых частиц.

Техническим результатом изобретения является разработка состава силикатной краски, обладающей эффектом очистки воздуха от субмикронных взвешенных частиц РМ_2.5, за счет создания покрытия с регулируемым размером пор.

Технический результат достигается за счет того, что силикатная краска с эффектом очистки воздуха, содержащая сухую часть краски по ГОСТ18958-73, Марка А и жидкое калийное стекло с кремнистым модулем 2.5, в соответствии с изобретением, дополнительно содержит нанооксид титана или кремния, синтезированный пероксо-методом, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

сухая часть краски по ГОСТ18958-73, Марка А 65-65,5 нанооксид титана или кремния , синтезированный пероксо-методом 1,5-2 жидкое калийное стекло с кремнистым модулем 2.5 33.

Авторы предлагаемого изобретения достигают технического результата путем добавления 1,5-2 мас.%, нанооксида элемента, например титана или кремния, синтезированного пероксо-методом, описанным в [7], к 65,5-65 мас.% сухой части краски по ГОСТ18958-73, Марка А и смешением с 33 мас.% жидкого калийного стекла (с кремнистым модулем 2.5) что позволяет получать пористое покрытия с регулируемым размером пор от 2.5 мкм до 100 нм, за счет особого строения нанооксида элемента в виде мезопористый наносфер. Мезопористые наносферы TiO₂ и SiO₂ синтезируются посредством двухэтапного способа синтеза без использования темплата с использованием водного раствора пероксотитаната или тетраэтилортосиликата в качестве прекурсоров, и дальнейшей термообработки  Наноооксиды имеют высокие значения объемы пор и большую удельную поверхность, что способствует неописанному ранее в литературе структурообразованию и формированию пористого покрытия.

Сущность заявляемого состава краски иллюстрируется фиг. 1-2. Исследования свойств указанного состава по очистке воздуха проводились в лаборатории экологических проблем постиндустриальной агломерации Южно-Уральского государственного университета (г. Челябинск). Микрофотографии получены с помощью электронного микроскопа JEOL JSM 7001F SSA SEM.

Предлагаемый состав силикатной краски иллюстрируется на фиг.1-2, где показано следующее:

-на фиг.1 изображена микрофотография микропор в лакокрасочном покрытии;

-на фиг.2 изображена микрофотография, иллюстрирующая адсорбцию частиц РМ_2.5.

Впервые обнаружено ранее неизвестное свойство, состоящее в том, что добавление к силикатной краске по крайней мере одного нанооксида элемента, например TiO₂ или SiO₂ синтезированного пероксо-методом и представляющего собой мезопористые наносферы, в заявленных пределах позволяет получить пористое лакокрасочное покрытие. Отсутствие в патентной и научно-технической литературе по данной и смежным областям техники аналогичных или близких по технической сущности решений приводит к выводу о соответствии заявленного решения критерию «изобретательский уровень». Добавляемый нанооксид элемента представляет собой мезопористые наносферы, это способствует формированию в лакокрасочном покрытии микропор (фиг. 1), на которых происходит адсорбция частиц РМ_2.5 (фиг. 2).

Примеры получения силикатной краски с эффектом очистки воздуха демонстрируют конкретные условия апробации заявляемого в изобретении способа получения силикатной краски с эффектом очистки воздуха

Пример 1

Получили сухую часть, для этого 65 г сухой части краски по ГОСТ18958-73, марка А смешали с 2 г нанооксида титана, синтезированного пероксо-методом согласно [7], добавили 33 г жидкого калийного стекла (с кремнистым модулем 2.5) постоянно помешивая в течение 10 минут. Произвели пробные выкрасы кистью на нейтральные материалы.

Пример 2

Получили сухую часть, для этого 65,5 г сухой части краски по ГОСТ18958-73, марка А смешали с 1,5 г нанооксида кремния, синтезированного пероксо-методом согласно [7], добавили 33 г жидкого калийного стекла (с кремнистым модулем 2.5) постоянно помешивая в течение 10 минут. Произвели пробные выкрасы кистью на нейтральные материалы.

Проверку свойств предлагаемой краски по очистке воздуха осуществляли следующим образом. Пробные выкрасы на нейтральные материалы закрепляли на специально сконструированных устройствах и помещали экспериментальную установку из орг. стекла. Для эксперимента использовалась фракция PM_2.5 промышленной и дорожной пыли, собранной на территории города Челябинска, для отделения ультрадисперсных фракций использовался каскадный импактор, для замеров концентраций PM_2.5 использовался пылемер Атмас (Москва, Россия).

Свойства полученных силикатных красок (примеры 1, 2,) по очистке воздуха представлены в табл. 1

Таблица 1. Свойства полученных силикатных красок по очистке воздуха

Состав Пример 1 Пример 2 Эффективность очистки от РМ_2.5, % 70 65

Предлагаемый состав краски позволяет использовать защитное лакокрасочное покрытие, которое производит очистку воздуха от РМ_2.5. Предлагаемая краска может использоваться в общественных местах, для окраски фасадов, чтобы решать экологическую проблему загрязнения воздуха РМ_2.5 и защищать здоровье населения.

Литература

1. Климанова Е.А., Барщевский Ю.А., Жилкин И.Я. Силикатные краски. - М. - 1968, с.7-33

2. Publication number1020200026843, publication date11.03.2020

3. RU 2683321 С2, опубл. 28.03.2019

4. RU 2470053 С1, опубл. 20.12.2012

5. EP 1559753 A2, опубл. 24.12.2004

6. ГОСТ 18958-73 Краски силикатные

7. Morozov R., Krivtsov I., Avdin V., Amghouz Z., Gorshkov A., Pushkova E., Bolshakov O., Bulanova A., Ilkaeva M. (2018) Microporous composite SiO2-TiO2 spheres prepared via the peroxo route: Lead(II) removal in aqueous media. J Non Cryst Solids. 497: 71-81.

Изобретение может быть использовано при окраске фасадов зданий, а также внутренних помещений. Силикатная краска с эффектом очистки воздуха содержит сухую часть силикатной краски, жидкое калийное стекло с кремнистым модулем 2,5 и наночастицы оксида титана или кремния, синтезированные пероксометодом. Изобретение позволяет улучшить очистку воздуха от субмикронных взвешенных частиц пыли. 2 ил., 1 табл., 2 пр.

Силикатная краска с эффектом очистки воздуха, содержащая сухую часть силикатной краски и жидкое калийное стекло с кремнистым модулем 2,5, отличающаяся тем, что дополнительно содержит нанооксид титана или кремния, синтезированный пероксометодом, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

сухая часть силикатной краски 65-65,5 нанооксид титана или кремния, синтезированный пероксометодом 1,5-2 жидкое калийное стекло с кремнистым модулем 2,5 33