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室内空气净化涂料净化性能评价方法的发展现状及趋势

室内空气净化涂料净化性能评价方法的发展现状及趋势

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2021/11/25 11:41
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关红艳,郭中宝,丁建军,梅一飞( 中国建筑材料科学研究总院,中国建材检验认证集团股份有限公司,北京100024) 2019-11-16 

   家庭装修中大量使用人造板、胶粘剂、壁纸、涂料、地毯和各种家具,造成了越来越多的室内空气污染。针对日益突出的室内空气污染问题,各种室内空气净化类产品销售活跃。目前,市场上的室内空气净化产品主要有活性炭、空气净化器、空气治理剂、空气净化涂料、空气净化壁纸等,在众多室内空气净化产品中,室内空气净化涂料具有成本低、室内涂布面积大、无二次污染等优点,发展潜力较大。根据知网专利数据库检索显示,自2004 年以来,我国空气净化涂料产品的专利申请量逐年增多,2014 年的相关专利申请数目达到40 件,较上年增长1 倍。在所有专利中,空气净化涂料在内墙涂料中的应用研究占比为75. 5%,在外墙涂料中的应用研究占比为10. 4%; 在木器涂料、市政设施、隧道及地下停车场等领域的应用研究占比为14. 1%。

   为了保障室内空气净化产品的健康发展,针对不同空气净化产品的特点,我国制定了相应的污染物净化性能的标准评价方法。这些标准中,适用于评价室内空气净化涂料对污染物净化性能的标准方法有2 个,分别为: QB /T 2761—2006 室内空气净化产品净化效果测定方法和JC /T 1074—2008 室内空气净化性能涂覆材料净化性能。由于2 个标准方法之间存在一定的差异,加上广大研究者在进行研究时,往往会结合自己研究团队的能力使用一些非标准方法,使得对室内空气净化涂料净化性能的评价较为混乱,很多评价结果难以比较。本研究介绍室内空气净化涂料分类、总结净化机理系统和综述国内外空气净化材料性能评价方法现状的基础上,对国内现行标准的测试方法进行详细分析,进而提出了室内空气净化涂料净化性能评价方法的发展趋势。

1、室内空气净化涂料的类别

   根据室内空气净化涂料用途和材质,可以分为内墙乳胶漆、硅藻泥涂料和木器涂料。

1. 1 内墙乳胶漆   

   内墙乳胶漆是以合成树脂乳液为基料加入颜料、填料及各种助剂配制而成的一类水性涂料。由于内墙乳胶漆具有成本低、性能好的特点,因此在家庭装修中应用最为普遍,室内空气净化涂料最早用于内墙乳胶漆中。2000 年前后,我国陆续有文献报道,将光催化材料用于内墙涂料之中,使之具备净化空气的能力。但由于光催化材料存在可见光难激发、在涂料中易团聚及易被乳胶漆包覆、加速乳胶漆老化等问题,故光催化材料在乳胶漆中的应用受到限制。后来陆续出现了使用净醛乳液、添加净醛助剂等方式实现净化甲醛功能的内墙涂料,目前这种涂料的应用已经较为普遍。

1. 2 硅藻泥涂料  

   硅藻泥涂料是近年来才逐渐兴起的一种新型内墙涂料,主要由无机胶凝材料、硅藻功能填料、颜填料及其他辅助材料组成,具有调节湿度、净化空气、防火阻燃、吸音降噪、保温隔热、保护视力、墙面自洁等多种功能。尽管硅藻泥涂料功能性优越,但也存在耐水性差、不耐擦洗、硬度不足、不适合过于潮湿的环境使用等不足。而且,目前硅藻泥涂料市场存在标准乱、品牌乱、管理乱、价格乱、服务乱等乱象,严重阻碍了其健康发展。针对这些问题,我国2013 年实施了针对硅藻泥涂料的行业标准JC /T 2177—2013 硅藻泥装饰壁材,该标准对硅藻泥的物理性能、功能性和有害物质含量都做了具体的要求,相信随着标准执行的不断深入,硅藻泥涂料市场将日益规范,行业服务体系的质量也将逐步提高。

1. 3 木器涂料   

   木器涂料是对在木材制品表面所用的涂料的统称。空气净化涂料在木器涂料中的应用起步较晚,近几年才开始有较为成熟的应用,相关的文献和专利报道也是在近几年才逐渐出现,目前空气净化涂料在家具漆和地板漆中的应用较为多见。

2、室内空气净化涂料对污染物的净化机理   

   目前,室内空气净化涂料对污染物的作用机理主要有光催化型、物理吸附型、化学反应型和复合型。光催化型空气净化涂料主要是依靠涂料中所添加的光触媒材料,在紫外光或太阳光的照射下,产生类似光合作用的光催化反应,生成氧化能力极强的氢氧自由基和活性氧,将甲醛等有害物质氧化分解成无害的CO2和H2O。光催化降解过程是对污染物完全意义上的去除,而且光触媒在发挥作用过程中不存在消耗,可以长时间持续发挥作用,但在实际应用过程中也存在纳米离子在乳液中团聚和包覆、在可见光环境下无明显作用,以及强氧化作用会导致普通树脂材料分解等问题。物理吸附型空气净化涂料主要依靠向涂料中添加具有较强吸附能力的多孔物质,如活性炭、硅藻土、贝壳粉等,通过多孔材料对污染物的物理吸附来净化空气。但是单纯的吸附并不会使污染物消失,在一定条件下污染物还会重新释放到空气之中,而且吸附材料一旦达到饱和状态就不再有吸附作用,不能达到持久净化空气的目的。化学反应型空气净化涂料主要针对甲醛,利用其能与氨基或亚氨基等活性基团发生化学反应的性质达到消除甲醛的目的。采用化学反应原理去除甲醛的涂料在初期往往有较好的效果,但随着能够与甲醛反应的活性基团逐渐被消耗及其在自然条件下的老化,往往对甲醛没有持久性净化效果。同时,含有氨基或亚氨基的除醛剂加入到涂料中以后,还会存在乳液的包覆作用,使其作用大打折扣。复合型空气净化涂料对污染物的净化机理至少同时具备光催化、物理吸附、化学反应3 种作用机理中的2 种,从而可以有效提高涂料对污染物的净化速度,而且将光触媒材料直接负载于吸附材料之上也可以解决光触媒材料的团聚等问题,有望成为室内空气净化涂料的主流。

3 、国内外室内空气净化涂料净化性能测试方法发展现状

3. 1 国外空气净化涂料净化性能测试方法发展现状

   国外采用空气净化涂料治理空气污染问题的技术探索起步较早。日本和英国等发达国家首先提出了在传统建筑涂料中添加纳米光催化材料使其增加空气净化功能的解决方案,并实现了商业化生产。目前日本的外墙空气净化涂料已从试验阶段过渡到了实地考核和评价阶段。此类应用于室外的空气净化涂料主要依赖于其中添加的光催化纳米粒子在紫外光激发下对NOx、甲醛、甲苯和甲硫醇等污染物起到降解效果,针对其性能评价主要采用光催化材料的空气净化性能评价方法系列标准,具体如表1所示。

 

表1

   这些标准的基本测试原理都是将样品置于含有污染物的空气中,经过一定时间的暗吸附过程之后开启光源,通过光照特定时间前后反应器出口处污染物的浓度计算得到其对污染物的光催化降解率、污染物降解量和光催化稳定性等指标。随着近年来可见光激发光催化材料对污染物降解效果的研究进展,室内环境下的光催化型空气净化涂料也得到了一定的发展。其净化性能评价也主要采用室内可见光环境下光催化材料的空气净化性能试验方法系列标准。对于基于物理吸附和化学反应原理的室内空气净化涂料对空气中除甲醛外挥发性有机化合物( VOC) 的净化性能一般采用实验舱法对样品单位时间单位面积的吸附通量进行评价。但是此标准不适用于在紫外光或可见光下可以催化分解VOC 的空气净化涂料。

3. 2 我国室内空气净化涂料净化性能测试方法发展现状

   由于我国室内空气净化涂料的多样性,而且发展较晚,使得不同研究者采用的评价方法不尽相同。目前,对于室内空气净化涂料净化性能的评价方法可以分为非标准方法和标准方法2 类。

3. 2. 1 非标准方法的执行现状

   在室内空气净化涂料的发展初期,还没有相关测试的标准方法。很多研究者采用自己设定的方法进行评价。比如,梁金生等通过在2 个真实房间中同时涂刷功能涂料和对照涂料,并监测一定时间后房间内污染物的浓度差异的方式来评价。吴健春采用在面积为790 mm × 800 mm 的玻璃板上喷涂待测涂料,干燥后将其放入自制反应箱( 1 200 mm × 600mm × 600 mm) 中,并注入初始浓度为2. 5 mg /m3 的甲醛气体,之后每隔1 h 监测1 次反应箱中甲醛浓度,以此方法来评价产品对甲醛的净化性能,该方法没有考虑甲醛的自然衰减因素。

   这些非标准方法存在一些问题,如评价的污染物类别不统一、评价的污染物浓度不统一、评价时间不统一、环境条件不统一等,难以科学准确地评估和比较产品的净化效果。面对上述情况,我国分别于2006 年和2008 年实施了QB /T 2761—2006 和JC /T1074—2008 两项行业标准。这两项标准对很多实验参数进行了统一,使得室内空气净化涂料产品的评价方法得到了规范。

   随着标准方法的出台,越来越多的研究者采用标准方法进行评价,但由于一些实验室不具备标准方法的实验条件,因此在研究中仍然采用非标准方法进行研究。比如,蒋静静以酸性红3R 的降解率进行评价; 白麓楠等采用实验室自行设计的实验装置测试复合空气净化涂料对罗丹明B 溶液及甲醛气体的吸附/光催化降解性能来评价。这些非标准方法对于评价产品净化性能的相对好坏是有意义的,但对于衡量产品净化性能在市场上的水平则是不可取的,因此建议广大研究者在产品研发阶段可以采用非标准方法,但在进行产品净化性能的最终评价时,应采用标准方法。

3. 2. 2 标准方法的执行现状

   我国曾于2009 年发布了GB /T 23761—2009,规定了光催化空气净化材料对乙醛的净化效果评价方法,其基本原理与BS ISO 22197 - 2∶ 2011 和JIS - R- 1701 - 2 - 2008 相同。但是由于该标准中污染物种类仅限于乙醛,且主要针对光催化材料,其实际应用并不多。目前我国对室内空气净化涂料污染物净化性能的评价主要依托QB /T 2761—2006 和JC /T1074—2008 进行。这2 个标准方法的测试原理相同,都是采用2 个实验舱,一个作为参照舱,一个作为样品舱,通过比较样品舱相对于参照舱中污染物浓度的降低率来评价产品对污染物的净化性能。但在进行空气净化涂料产品的检测时,2个标准的一些具体细节也存在差异,具体如表2 所示。

 

表2

   以上2 个标准各有优缺点,QB /T 2761—2006 标准能够评价的污染物较多,但该标准对实验的温湿度没有具体要求,容易导致实验重现性差; 另外,该标准在样品制备、污染物加入方式等方面操作繁琐,而且只是一个测试方法标准,没有产品合格与否的判定,令很多消费者对其测定结果缺乏衡量好坏的标尺,因此在对具体商品化的涂料产品的评价上应用受限。JC /T 1074—2008 标准能够评价的污染物虽然只有甲醛和甲苯,但该标准考虑了光源的选择、简化了污染物加入方法、增加了对甲醛和甲苯的净化效果持久性指标,而且确定了在该方法体系下的限量值,使消费者有了判断产品好坏的依据,再加上消费者对甲醛和甲苯的关注度较高,因此该标准在对具体商品化的涂料产品的评价上应用较广。

3. 3 国内现行标准测试方法的不足

   虽然QB /T 2761—2006 和JC /T 1074—2008 的实施对于规范室内空气净化涂料产品的质量,引导其健康发展发挥了很大的作用,但实施多年来,随着室内空气净化涂料产品类别和能够净化的污染物种类的不断增加,2个标准方法存在的问题也日益凸显。

( 1) 无法区分是彻底消除还是物理吸附

   无论是QB /T 2761—2006,还是JC /T 1074—2008,评价的都是产品对污染物的降低效果,无法区分这种降低作用是彻底消除还是物理吸附。而人们更希望能够将污染物分解或者通过化学作用消除,而不是简单的吸附,污染物净化涂料的发展趋势也势必是要开发能够彻底消除污染物的产品。但现行标准的不足就使得一些只能简单吸附污染物的涂料不能得到有效甄别,这既不利于市场的导向,也不利于人们选择优质的产品。

( 2) 测试方法与实际使用环境差异较大

   目前的2 个标准进行污染物净化性能测试时采用的都是密封舱法,也可以称为静态法。这种方法的特点是密封舱内的污染物有限,而且测试周期短。但在实际环境中,被污染的房间内通常都有释放源,而且普遍释放周期较长。测试方法与实际环境的这种差异,可能导致即便使用了合格的空气净化涂料产品,房间内空气质量仍然不能达到预期效果的现象。

( 3) 无法测试新的污染物类别

   随着室内空气净化涂料净化技术的不断进步,越来越多的室内空气净化涂料生产者提出了涂料对乙醛、苯酚、苯乙烯、NO、NO2、SO2、微生物,甚至是PM2. 5 的净化能力测试需求。但按照现行的标准方法,只能对空气净化涂料进行甲醛、氨、苯、甲苯、二甲苯和TVOC 等几个污染物指标的测试。有的研究者采用参照标准方法测试原理的方式对新的污染物净化性能进行评价,但由于污染物初始浓度、污染物加入方式、光源条件、净化时间等实验参数未能统一,使得测试结果之间也不具有可比性。

( 4) 无法评估涂料长时间使用后的应用效果

   按照现行的标准方法,涂料制样后很快即进行测试,检测结果体现的也只是短时间制样后的测试结果。如果一个产品只能短时间发挥污染物净化的作用,经自然老化后即会失效,那消费者也无法得知,使用该产品后自然也不能达到预期的效果。虽然JC /T1074—2008 标准中设置了净化效果持久性指标,但该指标考虑的也只是高浓度污染物饱和现象对产品净化性能的影响,不能体现产品的自然老化对净化性能的影响。

4、我国室内空气净化涂料净化性能测试方法的发展趋势

   由于非标准方法之间具有不可比性,而且一些非标准方法的科学性也缺乏验证,因此今后室内空气净化涂料净化性能的评价方法一定是向着标准化的方向发展,鉴于目前标准方法存在的不足,今后的标准方法有必要向如下4 个方面发展:

   ( 1) 建立可以区分是彻底消除污染物还是物理吸附污染物的测试方法。

   ( 2) 建立模拟室内居住环境特点的动态测试方法。

   ( 3) 建立适用于更多污染物的净化性能的评价方法。

   ( 4) 建立模拟涂料长时间使用情况下对污染物净化性能的评价方法。

5、结语

   目前我国室内空气净化涂料的发展非常迅速,各种新技术不断涌现。在对室内空气净化涂料净化性能的评价上,非标准方法和标准方法都大量采用,不同方法之间没有可比性,即便是QB /T 2761—2006 和JC /T 1074—2008,标准方法也存在一定差异。而且,随着室内空气净化涂料产品类别和能够净化的污染物种类的不断增加,现有标准方法已经不能完全满足市场的需求。因此有必要加大科研投入,促进已有标准方法的修订和新的标准测试方法的建立,从而保障空气净化涂料市场健康有序地发展。