杀菌型人造石材的研制
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【摘要】通过超洁亮技术，在人造石表面涂覆一层二氧化钛薄膜，利用二氧化钛的光催化原理达到人造石产品的自动杀菌效果。
一、 前言
随着国内房地产行业的蓬勃发展，室内建筑装饰材料已进入高速发展期。天然大理石质感柔和，美观庄重，格调高雅，花色繁多，是装饰豪华建筑的理想材料，使用石材进行室内装修，已经越来越被人所接受。但是天然石材同样也有很多缺点，譬如天然大理石内部缺陷多，色差大，加工易破损，且带有部分辐射等。由于天然石材属于不可再生资源，随着大规模的开采，优质天然石矿源越来越少，伴随的是对自然环境的严重破坏。为改变这种局面，国外很早就开始人造石材的开发与利用，人造石材对原料的要求不高，各种天然石材开采之后的尾矿都可以作为人造石材的主要原料进行使用。人造石材在吸收了天然石材优点的同时，也规避了天然石材的各种缺点，比如内部结构无缺陷，无辐射，无色差，易加工等优点。随着人们对人造石材的认识以及国内各大厂家不断加大新产品的开发力度，人们选择人造石材进行室内装饰的比例已经越来越高。
随着生活水平的提高，我们对健康的要求也越来越强烈，但是，生活中无所不在的细菌在不断的危害着我们的健康，如果有一种材料能够自动杀死细菌，保护我们的健康，无疑将会得到我们更多的青睐。针对市场的这种需求，我们公司进行了这种杀菌人造石产品的研制，我的研究课题就是怎样使人造石材具有这种自动杀菌功能，保护人们的健康。
二、 杀菌机理
目前抗杀菌材料按作用机理主要分为二类：第一类是重金属离子的杀菌，在材料成分里添加可杀菌的重金属材料如含银、铜离子的化工原料等，利用重金属离子的析出进行杀菌，但因为其对人体也有一定的危害，现在很多国家都已经不允许采用此方法来进行杀菌；第二类是纳米二氧化钛光催化杀菌，在材料表面涂覆一层二氧化钛薄膜，利用二氧化钛在光照下能使空气中的氧气变成活性氧，使水产生活性氧自由基的特性，从而发挥抗杀菌的作用。本次研究使用纳米二氧化钛的光催化原理进行杀菌人造石材的研制。
二氧化钛的杀菌机理：当二氧化钛纳米粒子受到不小于禁带宽度能量光子照射后，电子从价带跃迁到导带，产生了电子-空穴对，电子具有还原性，空穴具有氧化性，空穴和二氧化钛纳米粒子表面吸附的水反应生成氧化性很高的•OH自由基，活泼的•OH自由基可以将细菌等有机物氧化成CO2和H2O。这一系列反应可以用下列反应式表示为：
在光照下，二氧化钛表面产生了非常活泼的羟基自由基，超氧离子自由基以及•OH自由基，这些氧化性很强的活泼自由基，能够将各种有机物及细菌直接氧化成CO2和H2O。
有研究表明，纳米粒子的光催化活性明显优于体相材料，一般认为这主要是由以下原因造成的：纳米半导体粒子所具有的量子尺寸效应使其导带与价带能级变为分立的能级，能隙变宽，导带电位变得更负，而价带电位变得更正。这意味着纳米半导体粒子获得了更强的还原和氧化能力，从而提高其光催化活性。因此，虽然钛白粉也有一定的光催化效果，且价格便宜，但因为反映速度慢，效果不够明显。而纳米二氧化钛有很强的量子尺寸效应，一般选择TiO2做为杀菌材料，都是使用TiO2纳米粉体。
三、 超洁亮技术
纳米二氧化钛材料的杀菌特性如此优秀，但是要怎样将这种杀菌材料应用到人造石杀菌产品的工业化生产中呢，目前，我主要采用陶瓷行业相对比较成熟的“超洁亮”技术来进行工业化生产。
“超洁亮”技术通过一种简单、经济的制膜工艺，在陶瓷抛光砖的表面形成一层不影响抛光砖表面花色的、透明、持久有效的亲水性纳米材料保护膜层，该纳米保护膜不仅能完全填塞修补砖面的气孔和微裂纹，使砖面具有极强的双疏防污功能，同时可防水性和油性物质污染，还可抗菌和防腐，达到自洁的效果。
保护膜层的材料是一种液体纳米功能性材料，材料的粒度在5nm～1μm之间。陶瓷抛光砖表面的毛细气孔和微裂纹一般在几个μm到几十个μm之间，防护膜材料的粒径达到纳米级.超洁亮生产线通过特殊的磨具，配以额定的磨具工作压力、工作转速和反应温度（由磨具摩擦热提供），对砖面用纳米材料进行恰到好处的挤压和抛刷。在此额定工作条件下，超细纳米材料水剂被强制快速均匀地渗透和挤压进抛光砖表面的微孔和凹坑中，使抛光砖表面的微孔和微裂纹迅速得到填充，多余的材料同时被磨具刷扫清除。
涂覆到瓷砖表面的防护材料通过材料的物理、化学作用，在一定的时间内，形成高分子聚合物。聚合过程中体积发生一定程度的膨胀，加上微孔和微裂纹的压迫作用，形成坚固的分子键，成为与抛光砖表面结成一体的、紧密的、高强度、高硬度的致密防护膜，阻止各种污物向瓷砖内渗透，达到保持砖面防污效果和极强的抗磨性。
四、 试验过程及效果
我用二氧化钛纳米粉体及超洁亮纳米液，配制成全新的超洁亮纳米液，进行杀菌型人造石材的试制试验，试验步骤如下：
1. 配料―根据人造石材配方将各种大理石颗粒、添加剂、色料、不饱和树脂等原材料混合搅拌均匀；
2. 压制―将配制好的原料注入特定的压制容器中，在真空下加压振动，使空气尽量排出，压制一定时间后拆模放置，让方料自然固化；
3. 开介―根据需要，将人造石方料开介成所需要的规格，一般主要是加工成市场通用的标准厚度人造石板材；
4. 抛光―将开介好的人造石板材固定厚度，并进行表面抛光处理；
5. 超洁亮―选择两块人造石板材分别进行超洁亮处理，一块用全新配制的纳米液处理，一块采用普通纳米液进行处理；
6. 抗菌对比试验―超洁亮处理完的两块人造石板材自然放置一天，然后在显微镜下观测板材表面的有机微生物数量；
7. 试验结论：通过观测发现，添加了二氧化钛纳米粒子进行超洁亮的人造石板材表面有机微生物数量相比另外一块产品有明显减少。
另外我还做了钛白粉与二氧化钛纳米粒子的对比试验，发现添加钛白粉处理的板材，其表面有机微生物数量也要少于普通处理板材，但和二氧化钛纳米粒子处理过的产品比较，还是存在一定差距。
五、 结束语
利用二氧化钛的表面光催化杀菌效果及陶瓷行业的“超洁亮”技术，我们成功开发出具有自杀菌效果的人造石材，这种石材具有以下优点：
1. 在光照的情况下自动清洁与杀菌，可保护人们身体健康，尤其是有小孩的家庭，减少小孩子因细菌污染而导致生病；
2. 生产技术难度小，成本低，“超洁亮”技术应用在建材行业已经非常普遍，纳米二氧化钛的生产已经工业化，不存在任何的技术瓶颈；
3. 不影响人造石材的装饰效果，甚至性能更好，通过“超洁亮”技术进行处理的人造石产品，表面缺陷更少，表面光洁度更高。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。