气体吸收材料 【发明背景】
【发明领域】
本发明涉及一种具有优异气体吸收容量的气体吸收材料，特别是作为建筑中的内部材料或室内装修材料用于吸收室内有害气体的气体吸收材料。更特别的是，本发明涉及一种当施加于底物上时能将气体吸收容量赋予底物的气体吸收组合物。
背景技术
患建筑综合症或患房屋综合症和化学过敏近来已经成为一个问题。这些疾病是由高度密封建筑中建筑材料释放的化学物质引起的。人们已经进行了许多研究，通过利用炭的吸收能力，用炭吸收室内存在的这种化学物质以抑制这些综合症。
特别地，已经出现了一些技术上的建议，其中将木炭或竹炭研磨成炭粉，并将炭粉与各种材料混合，以制备建筑材料(例如，日本专利未审公开No.150645/1995和49916/1994)。
另外，日本专利未审公开NO.226207/2000公开了一种具有低温碳化部分和高温碳化部分的活性木炭的制备方法。该方法包括以下步骤：在450-550℃热处理木屑，以将木屑碳化(低温碳化步骤)；和随后在800-900℃热处理碳化的木屑，以进一步将木屑碳化(高温碳化步骤)。但是，在该出版物中没有具体公开使用该活性木炭的任何模制产品。另外，该出版物没有建议或公开任何用于模塑的有用粘合剂。
发明概述
本发明人现已发现，将已在约800℃或更高温度下碳化的高温碳化木炭、已在约550℃或更低温度下碳化地低温碳化木炭以及藻酸或氧化钙结合可以显著提高木炭的吸收活性。本发明是基于这一发现。
因此，本发明的一个目的是提供一种具有优异气体吸收容量的气体吸收材料，特别是作为内部材料用于建筑物以吸收室内有害气体的气体吸收材料。
本发明的另一目的是提供一种气体吸收组合物，当施加于底物上时，该组合物能赋予该底物以气体吸收容量。
本发明的气体吸收材料包含：在约800℃或更高温度下碳化的高温碳化木炭；在约500℃或更低温度下碳化的低温碳化木炭；以及藻酸或其盐或氧化钙。
本发明的气体吸收组合物包含：液体介质；和分散在上述液体介质中的在约800℃或更高温度下碳化的高温碳化木炭、在约550℃或更低温度下碳化的低温碳化木炭，以及藻酸或其盐或氧化钙。
附图简述
图1是本发明的木炭板材的具体实施方案的透视图；
图2是图1在A-A线上呈现的截面图；
图3是说明本发明模制板材步骤的示意图；
图4是显示实施例1中测试片A的阻燃性测试结果的图；
图5是显示实施例1中测试片B的阻燃性测试结果的图；
图6是显示实施例1中测试片C的阻燃性测试结果的图；
图7是显示实施例4中使用气体吸收材料时甲醛浓度变化的图；
图8是显示实施例4中使用气体吸收材料时苯浓度变化的图；
图9是显示实施例4中使用气体吸收材料时甲苯浓度变化的图；
图10是显示实施例4中使用气体吸收材料时氨浓度变化的图；
图11是显示实施例5中使用气体吸收材料时苯浓度变化的图；
图12是显示实施例5中使用气体吸收材料时甲苯浓度变化的图；
图13是显示实施例6中使用气体吸收材料时各种气体浓度变化的图；
图14是显示实施例7中使用气体吸收材料时各种气体浓度变化的图。
发明详述
高温碳化木炭和低温碳化木炭
在本发明中，高温碳化木炭是指通过在约800℃或更高温度下碳化而制备的木炭。在本发明的优选实施方案中，高温碳化木炭是指通过在约800-1300℃的温度下，更优选在900-1000℃温度下碳化而制备的木炭。可以在制备高温碳化木炭所涉及的精炼方法中，通过例如空气或蒸汽进行活化。
另外，在本发明中，低温碳化木炭是指通过在约550℃或更低温度下碳化而制备的木炭。在本发明的优选实施方案中，低温碳化木炭是指通过在约300-550℃的温度下、更优选在450-500℃的温度下碳化而制备的木炭。
对可以用作木炭原料的木材没有特殊限制，包括针叶树，例如柳杉属、日本柏树(日本扁柏)、松树和日本落叶松、竹子，以及建筑废料。
高温碳化木炭和低温碳化木炭在吸收容量上互不相同。具体而言，高温碳化木炭对甲醛、苯、甲苯、二甲苯、乙苯、氯代苯等具有较高的吸收特性。而另一方面，低温碳化木炭对氨、胺等具有较高的吸收特性。高温碳化木炭和低温碳化木炭的混合物对于各种物质具有良好的吸收容量。
考虑到本发明的气体吸收材料所要捕获的气体类型，可以适当地确定高温碳化木炭与低温碳化木炭的混合比。但是，高温碳化木炭和低温碳化木炭基于重量的混合比优选为30∶70至60∶40，更优选40∶60至50∶50。
优选将高温碳化木炭和低温碳化木炭研磨成粉末，随后用于所需应用。颗粒直径可以适当地确定。但颗粒直径优选约0.3-9.5mm，更优选约0.6-1.18mm。
因为按照体积电阻，高温碳化木炭的电导率不超过10Ω·cm，所以本发明的吸收材料也可以方便地具有抗静电效应和电磁辐射屏蔽效应。低温碳化木炭一般具有约109-1012Ω·cm的体积电阻。
藻酸和氧化钙
在本发明中，藻酸或其盐例如钠盐、钾盐或钙盐将木炭颗粒彼此粘合，并且还具有提高木炭气体吸收容量的效果。显然，与木炭相比这些藻酸单独地是不具有或具有(如果有的话)很低的吸收活性。因此，木炭与藻酸共存可以显著提高高温碳化木炭和低温碳化木炭的混合物的气体吸收活性是出人意料的。
在本发明中，藻酸或其盐是指纯化的藻酸或其盐，此外还有主要由藻酸组成的物质，例如，角叉菜胶和角叉菜属。
另外，在本发明的气体吸收材料中，藻酸或其盐的加入量可以从作为粘合剂的功能以及提高气体吸收活性的观点出发而适当地确定。但藻酸或其盐的加入量的下限优选约5％重量，更优选约10％重量。另一方面，藻酸或其盐的加入量的上限优选约25％重量，更优选约15％重量。
依据本发明的另一实施方案，除高温碳化木炭和低温碳化木炭之外，本发明的气体吸收材料还包括氧化钙。和藻酸一样，该氧化钙的作用是提高高温碳化木炭和低温碳化木炭的气体吸收容量。另外，由于氧化钙的存在，本发明的气体吸收材料可以方便地提高其防火性能。特别地，由烘烤壳制备的外壳烘烤的钙，以及生石灰可以用作氧化钙。
另外，在本发明的气体吸收材料中，氧化钙的加入量可以从提高气体吸收活性的观点出发适当地确定。氧化钙加入量的下限优选是约5％重量，氧化钙加入量的上限优选是约15％重量，更优选约7％重量。
而且，依据本发明的实施方案，本发明的气体吸收材料可以同时包括藻酸和氧化钙。藻酸和氧化钙的联合加入可以进一步提高高温碳化木炭和低温碳化木炭的气体吸收活性。
本发明的气体吸收材料可以包括粘合剂，前提条件是包括上述藻酸。这里可用的粘合剂包括硅藻土、水泥、聚合粘合剂，例如异氰酸盐树脂乳液，以及淀粉糊浆。例如，常规的卜特兰水泥、热稳定的卜特兰水泥、早硬的卜特兰水泥、高炉水泥和硅石水泥可以作为水泥使用。使用硅藻土或水泥的优点是可以提高气体吸收材料的防火性能。另外，硅藻土或水泥优选与用作粘合剂的聚合粘合剂结合使用。粘合剂的加入量可以适当地确定。但是，当粘合剂加入量过大时，气体吸收材料的气体吸收活性有时会退化。所以，优选仔细确定粘合剂的加入量。在本发明的气体吸收材料中，粘合剂的加入量优选约10-40％重量。
模制产品及其制备方法
本发明的气体吸收材料一般以模制形式使用。具体而言，气体吸收材料模制成板状，随后用作室内建筑材料，例如墙壁材料或天花板材料。或者，本发明的气体吸收材料可以模制成任何形式，然后置于室内以吸收室内的有害成分，即，可以作为所谓的“除臭剂”使用。
在模制产品的制备中，从增强强度的观点出发，优选使用填料或补强剂。此处可以使用的填料或补强剂的优选例子包括纤维材料，例如蕉麻和木浆、金属丝网和栅格或蜂巢结构。
板状材料可以很容易地通过将高温碳化木炭、低温碳化木炭、藻酸或氧化钙以及任选的粘合剂和其它组分的混合物倾倒入模具并模制混合物而制备。根据本发明优选的实施方案，板状材料优选是图1和2所示的形状。图1和2所示的板状材料包括底物3和与底物3连接的具有蜂巢结构的补强剂2。底物3的外围被框架(未显示)包围，上述混合物倾倒入被底物和框架限定的空间，随后将上表面滚动和模制至使得补强剂2的上端多少被混合物遮盖的程度，板状材料的制备由此完成。
作为本发明气体吸收材料，板状材料的一般制备方法将参照图3描述。板状材料之外的其它形式的气体吸收材料也可以按照这种制备方法，通过改变模具的形状而制备。制备方法包括三个步骤，即，炭粉制备步骤A、粘合液制备步骤B和板状材料模制步骤C。
在作为步骤A的炭粉制备步骤中，将作为原始材料的木头，例如日本柳杉、日本柏木(日本扁柏)等的细圆木、建筑废弃材料或竹子切成具有适当尺寸的碎片，将碎片干燥，然后置于用于碳化的烘箱中，以制备高温碳化木炭和低温碳化木炭(步骤A1)。接着，将高温碳化木炭和低温碳化木炭通过辊等方法研磨(步骤A2)。用具有预定目数的过滤器筛选由此得到的粉末(步骤A3)，筛下的颗粒随后作为混合炭粉使用。
在粘合液制备步骤B中，首先将纤维材料例如蕉麻或木质纸浆切成具有合适尺寸的碎片，将碎片与水混合，分解纤维材料以制备含分解的纤维材料的水溶液(步骤B1)。接着，向含分解的纤维材料的水溶液中加入适量粘合剂，即，藻酸和其它粘合剂(步骤B2)，接着彻底搅拌混合(步骤B3)。藻酸优选以通过将藻酸混合并溶解于适量水而制备的溶液形式加入。
在板状材料模制步骤C中，首先按照预定比例，将炭粉制备步骤A中制得的混合炭粉和粘合液制备步骤B中制得的粘合液混合在一起，然后将混合物彻底捏合，以制备板状材料的原材料(步骤C1)。接着，将捏合后的板状材料的原材料倾倒入框架中，随后加压模制成给定的厚度(步骤C2)。接着，将包括框架在内的全部部件置于干燥烘箱中，在室温至60℃或更低的温度下干燥3-5小时(步骤C3)。从干燥烘箱中抽出后，除去框架以取出完成的木炭板材。
依据本发明的优选实施方案，可以在板状气体吸收材料的表面加上装饰纸，以改善外观。对装饰纸没有限制，只要它具有一定水平的空气渗透性且不会损失本发明气体吸收材料的功能即可。另外，在本发明的优选实施方案中，可以在用于制备额外具有光催化分解活性的多功能板状材料的装饰纸上附着光催化剂等。
气体吸收组合物
本发明另一个方面提供了一种气体吸收组合物，其包含：液体介质；以及分散于所述液体介质中的高温碳化木炭、低温碳化木炭，以及藻酸或其盐或氧化钙。
通过将该组合物喷洒到底物上，可以有效地将气体吸收容量赋予底物。例如，该组合物制备成喷雾形式，然后喷洒到需要赋予气体吸收容量的位置或制品上，由此可以简单地将气体吸收能力赋予该位置或制品。具体而言，通过将组合物喷洒在包装材料的内部，可以很容易地而制备出对其内容物具有除臭功能的包装材料，例如瓦楞纸板。
此处可以使用的液体介质包括水和醇类。
通过考虑例如颗粒的分散稳定性，可以适当地确定本发明组合物中高温碳化木炭和低温碳化木炭的颗粒直径。但是，颗粒直径的下限优选约10μm，更优选约70μm，颗粒直径的上限优选约1,000μm，更优选约600μm。
组成本发明气体吸收组合物的组分比例可以适当地确定。但优选气体吸收组合物包括约40-60％重量的高温碳化木炭和低温碳化木炭、约10-30％重量的藻酸或氧化钙，以及约25-35％重量的液体介质。
实施例
高温碳化木炭和低温碳化木炭的制备
在以下实施例中使用的高温碳化木炭和低温碳化木炭如下制备。提供一个内部体积为16m3的混凝土烧窑，在前面有火焰端口，在后面较低部分有排气端口、其内部覆盖耐火石砖。将木头放进烧窑，和从火焰端口进行最初点火。在初始燃烧过去24小时后，开始分解和碳化，在300-400℃的温度下再继续48小时。然后，温度升至400-550℃。这个温度上升被认为是代表碳化的完成和精炼过程的开始。在精炼过程开始5-10小时后，完全密封和冷却烧窑。得到的木炭作为低温碳化木炭使用。在精炼过程中，通过空气或蒸汽进行活化，碳化温度是900-1100℃。然后，该温度保持3小时。得到的木炭作为高温碳化木炭使用。空气活化是通过以10-20m3/分钟的空气流速将空气强制加入烘箱，直至温度达到约900-1000℃而进行的。另一方面，蒸汽活化是通过以0.5-2升/分钟的速度将蒸汽强制加入并同时强制加入空气而进行的。
实施例1：弯曲强度测试(1)
由高温碳化木炭和低温碳化木炭组成的混合炭粉(1000g)与100g蕉麻混合以制备混合物。然后向其中加入粘合剂(200g)(由60g醋酸乙烯酯固体基质、80g淀粉糊浆和80g藻酸钠组成)和200g外壳烘烤的钙。
接着，将这样得到的混合物倾倒入框架，随后压制为给定厚度。然后将包括框架在内的全部组件置于干燥烘箱中，并在室温或60℃或更低温度下干燥约3-5小时。将全部组件从烘箱中取出。然后除去框架以制备尺寸为300×400×15mm的板作为测试片A。分别地，将上述混合物分成两部分，其中一部分倾倒入框架。然后将薄纱材料摊开在混合物上，和混合物的剩余部分在薄纱材料的上面倾倒入框架。随后，重复上述制备测试片A的步骤，以制备薄纱材料位于其中的木炭板状材料作为测试片B。按照与在制备测试片B中使用的同样方式制备测试片C，不同的是掺入麻绳而替代薄纱材料。在这种情况下，14条(5×9)麻绳呈格状排列在整个木炭板中。测试片A、B和C在测试室中于20℃和60％相对湿度的条件下放置一星期或更长时间，以使测试片的温度和水含量均匀。
弯曲强度测试是按照JIS A 6901”8.5 Blending test.”进行的。在这种情况下，测试片的支撑跨度是350mm，弯曲负载是从测试片的背面施加的。得到的结果如表1所示。按照下面等式确定各测试片的弯曲强度。
弯曲强度(N/mm2)＝3 PL/2 bt2
其中P：弯曲时的断裂负载，N；
L：跨度，mm；
b：测试片断裂面的宽度，mm；和
t：测试片断裂面的厚度，mm。
结果如下表所示。
表1 测试片 样品号弯曲时的断裂负载，N弯曲强度，N/mm2 A 1 2 3 475 481 514 4.95 4.34 4.31 平均 490 4.53 B 1 2 3 590 507 511 4.96 4.19 4.53 平均 536 4.56 C 1 2 3 561 455 514 4.05 3.12 3.90 平均 510 3.69
实施例2：弯曲强度测试(2)
提供在实施例1中作为测试片使用的木炭板，并将0.3mm厚的纸板施加在木炭板的两侧以制备测试片A’、B’和C’。以与实施例1同样的方式检测测试片A’、B’和C’。结果如表2所示。
表2 测试片 样品号弯曲时的断裂负载，N弯曲强度，N/mm2 A’ 1 2 3 1138 1240 1228 7.48 8.16 8.10 平均 1202 7.91 B’ 1 2 3 1432 1240 1458 10.86 9.60 9.70 平均 1377 10.05 C’ 1 2 3 1196 1358 1148 7.98 8.31 7.84 平均 1234 8.04
如上表所示，测试片A’弯曲时的平均断裂负载是1202N，接近石膏板(厚度15mm)参考值650N的两倍。
实施例3：防火性能测试
将实施例1制备的木炭板进行JIS A 1321(用于内部涂层材料和建筑过程的不燃性的测试方法)中指定的3级不燃性表面测试。该测试在1.50Kw(主要热源)、0.35升/分钟(L.P.G)(亚热源)和6分钟(加热时间)的条件下进行。
结果如表3和图4-6所示。结果显示，测试片的发烟因子(CA)分别是0.9、0.6和0.5，这表明木炭板通过了JIS A 1321指定的3级不燃性表面测试。
表3测试片 A B C超过参考曲线的时间 4分00秒 无 无温度、时间区域，℃·min 11.1 0 0发烟因子，CA 0.9 0.6 0.5逗留火焰时间，秒 无 无 无对防火不利的扭曲 无 无 无在整个厚度上的熔化 无 无 无断裂 无 无 无
实施例4：气体吸收测试(1)
提供实施例1制备的测试片A和测试片D，其中测试片D按照与测试片A相同的方式制备，只是不含氧化钙。每一个测试片放置在密封的30升测试盒中。然后将气体注入该盒，达到合适的浓度，测量气体浓度随时间的变化。使用甲醛、苯、甲苯和氨作为气体。
结果见图7-10所示。结果显示，测试片A和测试片D均具有吸收全部测试气体的效果。另外，很明显，对于苯和甲苯，测试片A的浓度降低幅度显著大于测试片D，这表明通过氧化钙得到的吸收效果是明显的。
实施例5：气体吸收容量测试(2)
提供测试片A和测试片E，所述测试片E是按照与测试片A相同的方法制备的，只是在压敏型粘合剂中只使用醋酸乙烯酯，而没有使用淀粉糊浆和藻酸钠。按照与实施例4相同的方法测试这些测试片的气体吸收容量。结果，对于甲醛和氨，测试片E具有基本上与测试片A相等的气体吸收容量。但对于苯和甲苯，测试片E在气体吸收容量上比测试片A差。苯气体浓度随时间的变化和甲苯气体浓度随时间的变化分别如图11和图12所示。
实施例6：气体吸收容量测试(3)
(1)测试片的制备
高温碳化木炭(250g)、250g低温碳化木炭和100g蕉麻加入由适量水、250g常规卜特兰水泥和250g硅藻土组成的混合物中。另外，向其中加入50g淀粉糊浆和50g藻酸钠。该混合物充分混合成粘土形式，然后按照与实施例1相同的方式，用于制备长度600mm×宽度900mm×厚度15mm尺寸的测试片。
(2)测试方法和测量方法
将上述测试片施加于体积为8m3的密封测试室的内壁上，以形成总面积为8m2的木炭板壁。测试室带有气体引入端口和两个测量样品收集端口、一个上部测量样品收集端口和一个下部测量样品收集端口。将甲醛、苯、甲苯或氨注入测试室。这些气体在室温下是液体。所以，预先将预定量的气体引入一个10升袋子，然后将10升空气引入袋子，使气体挥发。袋子中气体的浓度是约几千个ppm，接着，将袋子中的气体通过气体引入端口注入测试室。在测试室中的气体浓度是甲醛约3ppm，而苯、甲苯和氨约30ppm。气体注入后，在预定时间间隔内，从两个上部和下部测量样品收集端口将袋子中的空气取样，用气体浓度测量装置(Kitagawa气体检测管)测量气体浓度。
气体浓度的变化如表5和图14所示。那时的气体吸收率如表6所示。
表5 气体浓度，ppm 时间 甲醛 苯 甲苯 氨 0 1.52 42.50 32.67 21.50 0.5 0.73 25.50 24.50 16.92 1.0 0.53 10.33 13.33 12.33 1.5 0.42 7.17 5.00 10.25 2.0 0.34 3.50 1.00 8.17 18.0 0.12 1.00 1.00 2.27 24.0 0.10 1.00 1.00 0.77
表6 吸收率，％ 时间 甲醛 苯 甲苯 氨 0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.5 19.80 40.00 25.00 20.84 1.0 63.20 75.67 59.00 41.67 1.5 71.80 83.00 84.67 51.17 2.0 76.80 92.00 97.00 60.67 18.0 91.60 98.00 97.00 89.00 24.0 93.40 98.00 97.00 99.00
实施例7：气体吸收容量测试(4)
(1)测试片的制备
将高温碳化木炭(250g)、250g低温碳化木炭和100g蕉麻加入由150g通过在水中乳化Oshika树脂B-1605(OSHIKA CORPORATION生产的一种异氰酸树脂粘合剂)制得的乳液、50g淀粉糊浆和50g藻酸钠组成的混合物中。该混合物充分混合成粘土形式，然后按照与实施例1相同的方式，用于制备长度600mm×宽度900mm×厚度15mm尺寸的测试片。
(2)测试方法和测量方法
测试方法和测量方法与实施例6相同。气体浓度的变化如表7和图15所示。那时的气体吸收率如表8所示。
表7 气体浓度，ppm 时间 甲醛 苯 甲苯 氨 0 1.61 16.27 18.83 22.33 1.0 0.60 4.47 5.83 12.17 2.0 0.36 1.43 2.50 7.00 18.0 0.09 0.20 1.03 1.50 24.0 0.06 0.20 0.20 0.50
表8 吸收率，％ 时间 甲醛 苯 甲苯 氨 0 0.00 0.00 0.00 0.00 1.0 62.67 72.33 69.33 46.00 2.0 77.67 91.00 86.67 68.67 18.0 94.67 99.00 94.67 93.33 24.0 95.67 99.00 99.00 97.67