一种负离子水性涂料及其制备方法和净化养殖环境的应用与流程

2021-02-02 19:02:16|

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本发明涉及功能性新材料
技术领域：
，具体地说是一种负离子水性涂料及其制备方法和净化养殖环境的应用。
背景技术：
：随着规模化养殖的快速发展，畜禽养殖场中的养殖密度越来越高。在集约化模式下，养殖场环境状况的改善对生产水平的提高至关重要。多数养殖场的环境比较恶劣，空气质量差，致使畜禽健康水平低下，疾病频发，用药量逐年增加，食品安全受到威胁，极大地制约着畜牧业的健康、可持续发展。因此，畜禽养殖场的空气质量和环境及对畜禽质量的影响已成为一个需要高度重视的问题。目前，对养殖场空气环境的净化方式主要有通风、换气以及不同的清粪方式，但对于大规模养殖下很难获得理想的效果，特别是在冬季，因保温需要通常对畜禽舍进行封闭，不能经常通风换气，空气卫生质量严重下降。畜禽的呼吸、咳嗽、喷嚏、排泄物、垫料以及抛洒的饲料等有机物分解，使养殖场内存在各种有害污染物，主要包括氨气、硫化氢、二氧化碳、微粒污染物、病原微生物等。氨气主要来源于畜禽粪尿的分解，尿氮主要以尿素、尿酸(禽类)的形式存在，在脲酶和尿酸酶的作用下分解，产生氨气；硫化氢主要由含硫有机物分解而来，畜禽舍内各种含硫有机物如粪便、饲料和垫料等腐败分解或消化不良时均可产生大量的硫化氢；二氧化碳主要来源于舍内畜禽的呼吸以及粪便和垫料中的微生物分解，反映了畜禽舍内空气的污浊程度；微粒污染物主要来源于飞扬的饲料粉末、清扫畜禽舍时扬起的尘土、畜禽脱落的皮屑、喷出的飞沫等；病原微生物来源于多种途径，这些微生物附着于粉尘微粒上形成飞沫小滴污染畜禽舍内的空气，畜禽舍内空气中微生物的数量与畜禽的饲养密度、垫料厚度、气温、相对湿度、气流等因素有关，在畜禽舍通风不良的情况下，饲养密度大，铺设垫料长时间未更换，并且气温高、湿度大，空气中病原微生物的数量相对增多。因此，减少畜禽舍内有害污染物并给畜禽提供新鲜的空气是提升其质量和生产能力的关键。负氧离子也称负离子，被誉为“空气维生素”，具有灭杀病菌、降解空气中挥发性有机化合物、除去空气中的颗粒污染物等功效，对净化空气具有重要作用，空气中负氧离子浓度是空气质量好坏的标志之一。负氧离子可与氨气、硫化氢等发生化学反应，生成无害气体；负氧离子可灭杀微生物或是降低其活性，抑制粪便和垫料在禽舍中被微生物分解，以减少耗氧量和二氧化碳释放量；负氧离子可与空气中的微粒污染物聚合后沉积，使空气中的微粒污染物浓度显著降低；负氧离子与病菌结合后，使病菌产生结构改变或能量的转移，导致病菌死亡。综上可知，负氧离子可有效改善养殖场的空气质量，减少疾病传染，为畜禽提供良好的生存环境。此外，负氧离子可以通过呼吸进入畜禽体内，抑制菌类感染，增强畜禽的免疫力和抵抗力，有效减少用药量，促进畜牧业健康、可持续发展。电气石具有永久自发极化效应，能够持续激发释放负氧离子，从而作为一种健康、环保的负氧离子释放材料广泛用于各个领域。电气石是一种含有硼、铝、钠、铁、锂、镁的三方晶系环状硅酸盐矿物，其特有的晶体结构具有永久带电、永久放电和永久磁性的特点，表现为热释电性、压电效应、天然极性、辐射远红外、释放负离子等特性，电气石经加热加压后其放电特性会进一步加强。电气石释放负氧离子的机理主要有以下两种：一种是光催化机理，由于自然光或远红外线的辐射，在电气石晶体fe2+-fe3+周围形成空穴/电子对，所产生的空穴将吸附在电气石表面的水分子氧化成羟基自由基，当它与水结合时形成水合羟基离子。此外，当电气石中的fe2+转变为fe3+时，吸附在电气石微粒表面的氧气分子被还原成氧负离子自由基，它也可以与微粒表面的水分子反应生成羟基自由基，再与空气多余的水分子缔合形成水合羟基离子；另一种是电解水机理，即电气石晶体自发极化效应产生的电极使其周围的水分子发生电解作用，生成的氢氧根离子与空气中的分子结合形成负氧离子。单纯电气石材料释放负氧离子的能力达不到特定场合的要求，需通过引入其它材料进行复合改性以提升其激发产生负氧离子的能力。公布号为cn201810882496.8的中国发明专利公开了一种高效净化空气涂料的制备方法，包含电气石、海藻炭、水炭、强酸、大豆蛋白粉、小麦面粉、米糠、二氧化硅、羟基纤维素、改性剂十二烷基三甲基氯化铵、消泡剂、天然沥青等多种成分，制备的涂料具有较好的耐水性与稳定性好，主动吸附有毒气体，同时进行分解处理部分甲醛。但改性方法复杂、且需使用强酸，不适于广泛使用。因此，现需研究一种负离子水性涂料及其制备方法和净化养殖环境的应用。技术实现要素：针对上述技术问题，本发明提供针对现有释放负氧离子材料在应用和安全性能上的不足，本发明提供一种负离子水性涂料及其制备方法和净化养殖环境的应用，采用机械活化技术将光催化材料、光催化剂禁带宽度改性材料、光电子能量传递材料等以镶嵌式掺杂态的方式与电气石紧密结合，使制备的复合材料具有高效释放负氧离子的性能；将复合材料制成水性涂料刷在畜禽舍内，通过释放负氧离子净化养殖场环境，并增强畜禽的免疫力和抵抗力，且水性涂料在使用过程中不会产生有毒有害物质，安全环保。为实现上述目的提供如下技术方案：一种负离子水性涂料，是以电气石为基材，加入光催化材料、光催化材料禁带宽度改性剂、光电子能量传递材料、含c、n有机物助剂，采用机械活化固相技术进行预处理，预处理后的混合物料在惰性气体保护下高温煅烧，即得到可控释放负氧离子的复合材料；将复合材料与水溶性树脂、乳化剂、填充料、分散剂、水等充分搅拌混合，即可得到释放负氧离子的水性涂料。进一步地，所述水性涂料释放负氧离子的浓度达到11400个/(s·cm3)以上。进一步地，所述电气石为天然极性的铁电气石、锂电气石、镁电气石、铁镁电气石中的任一种或两种以上组合；所述光催化材料为二氧化钛；光催化材料禁带宽度改性剂为三氧化二铁；光电子能量传递材料为二氧化硅；所述含c、n有机物助剂为三聚氰胺、尿素、蛋白质中的任一种或两种以上的组合；所述电气石、光催化材料、光催化材料禁带宽度改性剂、光电子能量传递材料、含c、n有机物助剂的质量比为100:5～30:2～15:5～20:2～15。进一步地，所述水溶性树脂为丙烯酸树脂、环氧树脂、甲醚化三聚氰胺树脂、丁醚化三聚氰胺树脂、磷酸盐改性三聚氰胺树脂中的任一种或两种以上的组合；所述乳化剂为烯丙氧基羟丙基磺酸钠、二己烯三胺、聚乙二醇、聚丙二醇中的任一种或两种以上的组合；所述填充料为高岭土、膨润土、滑石粉、重钙粉、轻钙粉、硅灰石粉、云母粉、石英粉、纤维素酯中的任一种或两种以上的组合；所述分散剂为油酸钠、羧酸盐、硫酸酯盐、磺酸盐中的任一种或两种以上的组合。进一步地，所述复合材料、水溶性树脂、乳化剂、填充料、分散剂、水的质量比为15～50:40～100:10～30:30～80:2～5:100。本发明提供所述负离子水性涂料的制备方法，包括如下步骤：(1)将电气石粉碎至一定细度，然后加入与光催化材料禁带宽度改性剂、光电子能量传递材料、含c、n有机物助剂混合均匀，得到混合物料；(2)将混合物料加入机械活化固相反应器中进行预处理，得到预处理物料；(3)将预处理物料在惰性气体保护下高温煅烧一定时间，得到可控释放负氧离子的复合材料；(4)将复合材料与水溶性树脂、乳化剂、填充料、分散剂、水等充分搅拌混合，即可得到释放负氧离子的水性涂料。进一步地，在步骤(1)中，所述电气石的粉碎至800目以上。进一步地，在步骤(2)中，所述预处理是：将混合物料与球磨介质堆体积按200g:300～600ml的比例加入机械活化固相反应器中，在转速为400～600rpm、30～80℃恒温条件下进行机械活化预处理，1～3h后停止球磨，分离产物和球磨介质，得到预处理物料。进一步地，在步骤(3)中，所述煅烧是在温度400～800℃下煅烧1～4h；所述惰性气体为氮气或氩气。本发明提供所述负离子水性涂料净化养殖环境的应用，将所述水性涂料刷涂在畜禽舍内，涂刷量为0.18～0.2kg/m2；涂刷48h后所述畜禽舍内的氨气含量降至4.03～4.64mg/m3、二氧化碳浓度降至1396～1508mg/m3、微粒(pm10)浓度降至0.32～0.43mg/m3、病原微生物浓度降至0.71×104～0.87×104个/m3、硫化氢不能检出。本发明的原料：电气石、光催化材料、光催化材料禁带宽度改性剂、光电子能量传递材料、含c、n有机物助剂、水溶性树脂、乳化剂、填充料、分散剂均购自国内外化学原料公司，可直接使用的。本发明的原理是：为了开发高效释放负氧离子的材料应用于净化养殖场环境，本发明以电气石为基材，二氧化钛为光催化材料，三氧化二铁为光催化材料禁带宽度改性剂，二氧化硅为光电子的能量传递材料，并添加含c、n有机物助剂，采用机械活化固相技术对这些物料进行预处理，强机械力使固体物质被充分细化并产生裂纹，同时产生塑性变形和各种类型的缺陷，如晶格畸变、晶体结晶度降低乃至无定型化，使部分机械能转变成物质的内能，产生裂纹和缺陷的各物质充分混合且呈现互相镶嵌式的掺杂态，有利于形成紧密结合、结构稳定的复合材料；机械活化后的物料再经高温处理以进一步激活提升电气石释放负氧离子的性能，同时在高温条件下有机物助剂发生热解并将部分三氧化二铁还原为磁性四氧化三铁，与c、n结合形成具有光热响应功能的复合物，光照强度、温度的升高均可提升二氧化钛光催化剂激发产生光电子的能力，进而增强电气石基复合材料激发产生负氧离子的性能。将所制备的复合材料与水溶性树脂、乳化剂、填充料、分散剂、水等混合后制成水性涂料，刷涂在畜禽舍内，通过释放负氧离子净化养殖场环境，达到促进畜牧业健康、可持续发展的目标。本发明具有以下有益效果：(1)本发明复合材料的制备过程为固相法，所加入的物料均是复合材料的重要组分，不需要分离，操作简单，生产成本低，并可最大程度地减少生产过程的污染。(2)机械活化固相技术使固体物质被充分细化并产生裂纹，同时产生塑性变形和各种类型的缺陷，使部分机械能转变成物质的内能，产生裂纹和缺陷的各物质充分混合且呈现互相镶嵌式的掺杂态，有利于形成各组分紧密结合、结构稳定的复合材料，具有更好的应用效果。(3)对物料进行高温处理可以进一步激活提升电气石释放负氧离子的性能，同时在高温条件下有机物助剂发生热解并将部分三氧化二铁还原为磁性四氧化三铁，与c、n结合形成具有光热响应功能的复合物，光照强度、温度的升高均可提升二氧化钛光催化剂激发产生光电子的能力，进而增强电气石基复合材料激发产生负氧离子的性能。(4)将具有释放负氧离子功能的复合材料作为涂料的一部分制成水性涂料，刷涂在畜禽舍内，通过释放负氧离子净化养殖场环境，并增强畜禽的免疫力和抵抗力，且水性涂料在使用过程中不会产生有毒有害物质，安全环保。附图说明图1为本发明的工艺流程图。具体实施方式下面通过实施例对本发明作进一步说明，但不作为是对本发明的限制。在本发明实施例中，电气石和含c、n有机物助剂的组成如下表所示：制备实施例1根据图1所示工艺流程进行反应。将电气石粉碎至过800目，然后将电气石、二氧化钛、三氧化二铁、二氧化硅、含c、n有机物助剂按100:5:2:5:2的质量比加入到高速混合机中混合均匀，得到混合物料；将混合物料与球磨介质堆体积按200g:500ml的比例加入机械活化固相反应器中，在转速为400rpm和80℃恒温条件下进行机械活化预处理，3h后停止球磨，分离产物和磨球，得到预处理物料；将预处理物料在氮气保护下于400℃下煅烧4h，得到复合材料；将复合材料、水溶性树脂、乳化剂、填充料、分散剂、水按15:50:10:80:2:100的质量比混合，以2000rpm的搅拌速度匀速搅拌20min，即可得到释放负氧离子的水性涂料。本实施例中水溶性树脂、乳化剂、填充料、分散剂的组成及质量比如下制备实施例2将电气石粉碎至过2000目，然后将电气石、二氧化钛、三氧化二铁、二氧化硅、含c、n有机物助剂按100:30:15:20:15的质量比加入到高速混合机中混合均匀，得到混合物料；将混合物料与球磨介质堆体积按200g:300ml的比例加入机械活化固相反应器中，在转速为500rpm和50℃恒温条件下进行机械活化预处理，2h后停止球磨，分离产物和磨球，得到预处理物料；将预处理物料在氩气保护下于800℃下煅烧1h，得到复合材料；将复合材料、水溶性树脂、乳化剂、填充料、分散剂、水按50:80:30:30:5:100的质量比混合，以2000rpm的搅拌速度匀速搅拌20min，即可得到释放负氧离子的水性涂料。本实施例中水溶性树脂、乳化剂、填充料、分散剂的组成及质量比如下制备实施例3将电气石粉碎至过1600目，然后将电气石、二氧化钛、三氧化二铁、二氧化硅、含c、n有机物助剂按100:20:10:15:10的质量比加入到高速混合机中混合均匀，得到混合物料；将混合物料与球磨介质堆体积按200g:400ml的比例加入机械活化固相反应器中，在转速为600rpm和30℃恒温条件下进行机械活化预处理，1h后停止球磨，分离产物和磨球，得到预处理物料；将预处理物料在氮气保护下于600℃下煅烧2h，得到复合材料；将复合材料、水溶性树脂、乳化剂、填充料、分散剂、水按30:40:20:50:4:100的质量比混合，以2000rpm的搅拌速度匀速搅拌20min，即可得到释放负氧离子的水性涂料。本实施例中水溶性树脂、乳化剂、填充料、分散剂的组成及质量比如下制备实施例4将电气石粉碎至过1300目，然后将电气石、二氧化钛、三氧化二铁、二氧化硅、含c、n有机物助剂按100:15:12:10:12的质量比加入到高速混合机中混合均匀，得到混合物料；将混合物料与球磨介质堆体积按200g:600ml的比例加入机械活化固相反应器中，在转速为500rpm和60℃恒温条件下进行机械活化预处理，2h后停止球磨，分离产物和磨球，得到预处理物料；将预处理物料在氮气保护下于500℃下煅烧3h，得到复合材料；将复合材料、水溶性树脂、乳化剂、填充料、分散剂、水按40:60:25:60:3:100的质量比混合，以2000rpm的搅拌速度匀速搅拌20min，即可得到释放负氧离子的水性涂料。本实施例中水溶性树脂、乳化剂、填充料、分散剂的组成及质量比如下应用实施例将实施例1-4将制备的水性涂料分别刷涂在畜禽舍内，涂刷量为0.2kg/m2；测试涂刷前、刷涂30min、48h、1年后释放负氧离子的浓度，结果见表1；以及刷涂前和刷涂48h后、1年后畜禽舍空气中氨气、硫化氢、二氧化碳、微粒、病原微生物的浓度，结果见表2。表1刷涂水性涂料后畜禽舍内负氧离子浓度(贴墙浓度)由表1可见，实施例1-4制备的水性涂料分别刷涂在畜禽舍内，释放负氧离子的浓度在刷涂30min、48h时均相接近，1年后的浓度均略有降低；说明本发明的水性涂料可稳定释放负氧离子。表2刷涂水性涂料前后畜禽舍内空气质量对比由表2可见，实施例1-4制备的水性涂料分别刷涂在畜禽舍内，涂刷48h后的氨气浓度、硫化氢浓度、二氧化碳浓度、微粒(pm10)浓度、病原微生物浓度均大大降低，涂刷1年后的氨气浓度、硫化氢浓度、二氧化碳浓度、微粒(pm10)浓度、病原微生物浓度略有回升，说明本发明的水性涂料刷涂在畜禽舍内，能够通过释放负氧离子净化养殖场环境，降低畜禽舍内空气中的污染物含量。制备实施例5根据图1所示工艺流程进行反应。将电气石粉碎至过1200目，然后将电气石、二氧化钛、三氧化二铁、二氧化硅、含c、n有机物助剂按100:5:2:5:2的质量比加入到高速混合机中混合均匀，得到混合物料；将混合物料与球磨介质堆体积按200g:500ml的比例加入机械活化固相反应器中，在转速为400rpm和80℃恒温条件下进行机械活化预处理，3h后停止球磨，分离产物和磨球，得到预处理物料；将预处理物料在氩气保护下于400℃下煅烧4h，得到复合材料；将复合材料、水溶性树脂、乳化剂、填充料、分散剂、水按15:50:10:80:2:100的质量比混合，以2000rpm的搅拌速度匀速搅拌20min，即可得到释放负氧离子的水性涂料。本实施例中水溶性树脂、乳化剂、填充料、分散剂的组成及质量比如下组成及质量比水溶性树脂甲醚化三聚氰胺树脂、丁醚化三聚氰胺树脂、磷酸盐改性三聚氰胺树脂＝1:0.1:0.5乳化剂聚乙二醇、聚丙二醇＝1:0.2填充料滑石粉、重钙粉、云母粉＝0.3:0.1:1分散剂油酸钠制备实施例6根据图1所示工艺流程进行反应。将电气石粉碎至过1000目，然后将电气石、二氧化钛、三氧化二铁、二氧化硅、含c、n有机物助剂按100:5:2:5:2的质量比加入到高速混合机中混合均匀，得到混合物料；将混合物料与球磨介质堆体积按200g:500ml的比例加入机械活化固相反应器中，在转速为400rpm和80℃恒温条件下进行机械活化预处理，3h后停止球磨，分离产物和磨球，得到预处理物料；将预处理物料在氮气保护下于400℃下煅烧4h，得到复合材料；将复合材料、水溶性树脂、乳化剂、填充料、分散剂、水按15:50:10:80:2:100的质量比混合，以2000rpm的搅拌速度匀速搅拌20min，即可得到释放负氧离子的水性涂料。本实施例中水溶性树脂、乳化剂、填充料、分散剂的组成及质量比如下组成及质量比水溶性树脂丙烯酸树脂乳化剂烯丙氧基羟丙基磺酸钠填充料云母粉分散剂硫酸酯盐、磺酸盐＝1:0.1将实施例5、6得到的水性涂料分别进行应用实施例中的应用分别刷涂在畜禽舍内，测试结果与实施例1相近，释放负氧离子的浓度在刷涂30min、48h时均相接近，1年后的浓度均略有降低；说明本发明的水性涂料可稳定释放负氧离子；涂刷48h后的氨气浓度、硫化氢浓度、二氧化碳浓度、微粒(pm10)浓度、病原微生物浓度均大大降低，涂刷1年后的氨气浓度、硫化氢浓度、二氧化碳浓度、微粒(pm10)浓度、病原微生物浓度略有回升，说明本发明的水性涂料刷涂在畜禽舍内，能够通过释放负氧离子净化养殖场环境，降低畜禽舍内空气中的污染物含量；也说明本发明制备的水性涂料具有良好的重现性。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。当前第1页1 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