形成建筑构件的方法和耐藻类建筑构件.pdf

一种形成建筑构件的方法包括如下步骤：提供第一粘接性材料；将光催化材料混合进第二粘接性混合物中以产生光催化粘接性混合物；共成形出成形的未固化两层式整料，成形的未固化两层式整料包括由第一粘接性材料构成的基层和由光催化粘接性混合物构成的顶层，未固化的基层具有2至3厘米的厚度，且未固化的光催化层具有2至3毫米的厚度，未固化的光催化层包含10至30体积百分比的光催化材料；以及以窑干燥工艺同时固化基层和顶层，其中固化未固化两层式整料的步骤提供整体式建筑构件，整体式建筑构件具有固化基层、固化光催化层和固化基层与固化光催化层之间的界面，界面的内聚强度最低限度与固化基层和/或固化光催化层的内聚强度一样高。

1.  一种形成建筑构件的方法，包括如下步骤：
提供第一粘接性材料；
将光催化材料混合进第二粘接性混合物中以产生光催化粘接性混合 物；
共成形出成形的未固化两层式整料，所述成形的未固化两层式整料 包括由第一粘接性材料构成的基层和由光催化粘接性混合物构成的 顶层，未固化的基层具有2至3厘米的厚度，且未固化的光催化层 具有2至3毫米的厚度，所述未固化的光催化层包含10至30体积 百分比的光催化材料；以及
以窑干燥工艺同时固化所述未固化两层式整料的所述基层和所述顶 层，其中固化所述未固化两层式整料的步骤提供整体式建筑构件， 所述整体式建筑构件具有固化基层、固化光催化层和固化基层与固 化光催化层之间的界面，所述界面的内聚强度最低限度与所述固化 基层和/或所述固化光催化层的内聚强度一样高。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中所述第二粘接性混合物具有与所 述第一粘接性混合物的组成一样的组成。

3.  根据权利要求1所述的方法，其中所述建筑构件包括屋面瓦或护墙 板构件。

4.  根据权利要求1所述的方法，还包括在固化之前在未固化的光催化 层上提供聚合物涂层的步骤。

5.  根据权利要求1所述的方法，其中将光催化材料混入所述第二粘接 性混合物中的步骤包括向所述第二粘接性混合物中混入选自一个群 组的材料，所述群组包括：掺杂的光催化材料、纳米晶光催化材 料、及其组合。

6.  一种耐藻类建筑构件，包括：
基层，其包含第一固化粘接性混合物，所述基层具有2至3厘米的 厚度；
耐藻类层，其布置在所述基层上，所述耐藻类层包含分散在第二固 化粘接性混合物内的光催化材料，所述耐藻类层具有2毫米至3毫 米的厚度；以及
界面，其在所述基层和所述耐藻类层之间形成；其中，
所述界面的内聚强度最低限度与所述基层和/或所述耐藻类层的断裂 强度一样高，所述耐藻类层包含10至30体积百分比的光催化材 料；
所述建筑构件是屋面瓦或护墙板构件。

7.  根据权利要求6所述的耐藻类建筑构件，其中所述第一粘接性混合物包 含水泥或粘土。

8.  根据权利要求6所述的耐藻类建筑构件，其中所述第一粘接性混合物和 所述第二粘接性混合物是相同的。

9.  根据权利要求6所述的耐藻类建筑构件，还包括施加于所述耐藻类层上 的丙烯酸酯层。

10.  根据权利要求6所述的耐藻类建筑构件，其中所述光催化材料选自由 掺杂的光催化材料、纳米晶光催化材料、及其组合组成的群组。

11.  根据权利要求6所述的耐藻类建筑构件，其中所述光催化材料包含锐 钛矿TiO₂。

形成建筑构件的方法和耐藻类建筑构件
本申请是2007年2月9日提交、发明名称为“带有光催化材料的整体 式建筑构件”、申请号为200780007781.5(国际申请号为 PCT/US2007/003520)的发明专利申请的分案申请。
背景技术
本发明涉及光催化构造表面。
最近几年，屋顶基板和其它建筑材料由于藻类滋生而褪色的问题已变 得尤其严重。已经将褪色归因于由空气传播的颗粒来运输的蓝-绿藻类，例 如粘球藻属物种(Gloeocapsa spp.)的存在。另外，由其它空气传播的 污染物(例如烟灰和油脂)引起的褪色也有助于褪色。
一种防止屋顶褪色的方法为定期清洗。这可以用高功率水清洗机来进 行。另外有时也将漂白剂用于微生物滋生尤其严重的区域。对屋顶进行专 业清洗是一种相对昂贵、短期的藻类控制方法。使用漂白剂会引起辅助结 构变色并且伤害周围的植物。
发明内容
一般来讲，本发明涉及光催化建筑基板以及制造光催化建筑基板的方 法。
在本发明的一个方面，公开了一种形成建筑构件的方法。提供了第一 粘接性混合物(cementitious mixture)。将光催化材料中混入第二粘接性 混合物中以产生光催化粘接性混合物。将第一粘接性混合物和光催化粘接 性混合物共成形为具有由第一粘接性混合物构成的基层、由光催化粘接性 混合物构成的顶层的成形的未固化两层式整料。然后使该成形的未固化两 层式整料固化。
在本发明的另一方面，公开了一种耐藻类建筑构件。该耐藻类建筑构 件包括基层和设置在该基层上的耐藻类层，基层包含第一固化粘接性混合 物。耐藻类层包含分散在或以其它方式混在第二固化粘接性混合物中的光 催化材料。在基层和耐藻类层之间形成界面。界面的内聚强度最低限度与 基层的内聚强度和/或耐藻类层的内聚强度一样高。
根据下面的具体描述，本申请的这些方面和其它方面将变得显而易 见。然而，在任何情况下，以上发明内容都不应理解为是对受权利要求书 保护的主题的限制，该主题仅受所附权利要求的限定，在专利申请过程中 可以对其进行修改。
附图说明
在附图的几个图中，类似的部分采用类似的附图标记，并且：
图1为用于制造根据本发明实施例的成形的未固化整体式建筑构件的 装置的示意性侧视图；以及
图2为通过图1的装置生产的建筑构件的示意性侧视图。
具体实施方式
一般来讲，本发明涉及光催化建筑基板和制造光催化建筑基板的方 法。建筑基板可以是可用于构造中的任何构件、层或结构。建筑基板可以 为内部基板或者外部基板。建筑基板可应用于或形成例如竖直表面、水平 表面或倾斜表面等构造表面的一部分。实例包括建筑物的地板、房顶、墙 壁和护墙板。例如人行道、引道、车道等景观构件包括建筑基板或由建筑 基板形成。
术语“聚合物”或“聚合物的”应该理解为包括聚合物、共聚物(如， 用两种或更多种不同单体形成的聚合物)、低聚物和它们的组合，以及聚合 物、低聚物或共聚物。除非另外指明，否则嵌段共聚物和无规共聚物都包 括在内。
除非另外指明，否则表达本说明书和权利要求中所使用的特征尺寸、 量以及物理特性的所有数字都应当理解为由术语“约”来修饰。因此，除 非有相反的指明，否则在上述说明书和所附的权利要求书中所列出的数值 参数均为近似值，该近似值可以根据本领域内的技术人员利用本文所公开 的教导内容寻求获得的期望特性的不同而变化。
重量百分比、重量％、按重量计的百分比、按重量计％等等是同义词， 是指物质的浓度，即将该物质的重量除以组合物的重量并乘以100。
术语“邻近”指的是一个构件接近另一个构件，包括构件彼此接触的 情况，还包括构件由布置在构件之间的一个或多个层间隔开的情况。
通过端点列举的数值范围包括所述范围所包含的所有数值(如，1至5 包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)和在此范围内的任何范围。
除非本文另外明确指出，如本说明书以及所附的权利要求书中所使用 的“一种”、“一个”和“所述”包括复数指代。除非本文另外明确指 出，如本说明书以及所附权利要求书中所用，术语“或”通常表示包括 “和/或”的含义。
光催化剂在活化或暴露于阳光时，既形成氧化位点又形成还原位点。 这些位点能够防止或抑制藻类在基板上生长，或能够产生抑制藻类在基板 上生长的活性物质。在其它实施例中，这些位点产生抑制生物群在基板上 生长的活性物质。这些位点本身或由这些位点产生的活性物质也可以光氧 化其它表面污染物，例如尘土或烟灰或花粉等。光催化构件也能够产生活 性物质，该活性物质可与有机污染物反应，从而使有机污染物转化为容易 挥发或冲洗掉的物质。
本领域内的技术人员传统上认可的光催化颗粒适用于本发明。合适的 光催化剂包括但不限于，TiO₂、ZnO、WO₃、SnO₂、CaTiO₃、Fe₂O₃、MoO₃、 Nb₂O₅、Ti_XZr_(1-x)O₂、SiC、SrTiO₃、CdS、GaP、InP、GaAs、BaTiO₃、KNbO₃、 Ta₂O₅、Bi₂O₃、NiO、Cu₂O、SiO₂、MoS₂、InPb、RuO₂、CeO₂、Ti(OH)₄、它们的 组合，或用光催化涂层涂覆的非活性颗粒。
在其它实施例中，光催化颗粒掺杂有例如碳、氮、硫、氟等。在其它 实施例中，掺杂物可以为诸如Pt、Ag或Cu之类的金属元素。在一些实施 例中，掺杂材料改变光催化颗粒的能带隙。在一些实施例中，过渡金属氧 化物光催化剂为纳米晶锐钛矿相TiO₂和纳米晶ZnO。
可以经由快速化学测试来确定基板、基板涂层和/或带涂层的基板的相 对光催化活性，所述快速化学测试提供由基板中或基板上的UV照射的光催 化剂产生羟基自由基的速率的指示。确定由光催化剂所产生的羟基自由基 的产量的一种方法是通过使用已在公开文献中引用多次的“对苯二甲酸剂 量计”。新近的出版物包括：“Detection of active oxidative species  in TiO₂photocatalysts using the fluorescence technique”， Ishibashi,K；等人Electrochem.Comm.2(2000)207-210。“Quantum  yields of active oxidative species formed on TiO₂photocatalyst”，Ishibashi,K；等人，J.Photochem.and Photobiol. A:Chemistry 134(2000)139-142。在某些情况下，可用的光催化材料包 括TiO₂、WO₃、ZnO和类似的宽带隙半导体金属氧化物。在一些情况下，光 催化剂包括锐钛矿形式的TiO₂和/或锐钛矿TiO₂和锐钛矿ZnO的混合物。
在一些情况下，建筑构件可以用粘接性混合物形成。粘接性混合物可 包含粘土。粘接性材料可包含水泥。将诸如骨料之类的材料加入到水泥中 会形成称为混凝土的粘接性材料。可以将有机或无机纤维添加到粘接性混 合物中。在一些情况下，粘接性混合物可包含波特兰水泥(也称为水硬水 泥)、砂和水。
根据所制造的具体建筑构件，可以以任何适当的比率混合这些组分以 及例如颜料等可选的添加剂。在一些情况下，粘接性混合物的水对水泥的 比值可为约0.3至1。如果需要，粘接性混合物的水泥对砂的比值可为约 0.2至1。
如果需要，建筑构件可由第一粘接性混合物和第二粘接性混合物形 成。第二粘接性混合物可包含一种或多种光催化材料，例如以上讨论的那 些材料，从而形成光催化粘接性混合物。在一些情况下，除了向第二粘接 性混合物中添加有光催化材料外，第一粘接性混合物和第二粘接性混合物 可以是基本相同的。光催化粘接性混合物可包含约0.5至约75体积百分比 的光催化材料。光催化粘接性混合物可包含约0.5至约30体积百分比，或 甚至约10至约30体积百分比的光催化材料。
下面将参照附图论述用一种或多种粘接性混合物(包括第一粘接性混合 物和通过混合或以其它方式组合一种或多种光催化材料和第二粘接性混合 物而形成的光催化粘接性混合物)形成建筑构件的方法。
在一些情况下，建筑构件可包括聚合物涂层或层，所述聚合物涂层或 层可以以任何合适的方式(例如喷涂、刷涂、浸渍或任何其它合适的技术) 施加到建筑构件的一个或多个表面上。如果涉及固化步骤，则可在固化建 筑构件之前或之后施加该聚合物涂层或层，并可由任何合适的聚合物形成 该聚合物涂层或层。在一些情况下，尤其是如果建筑构件包含水泥，则聚 合物涂层可以是可用于减少甚至抑制风化作用的任何聚合物材料。聚合物 涂层可包含聚丙烯酸酯(即，聚(甲基)丙烯酸酯)。在一些情况下，聚合物 涂层可包括聚(甲基)丙烯酸甲酯。
如果施加了聚合物涂层，则该涂层可具有约10至约100微米的平均厚 度。在一些情况下，聚合物涂层可具有约20至50微米的平均厚度。在一 些情况下，当涂层的厚度可能会受施加该涂层的基板厚度的不一致性所影 响时，讨论涂层的平均厚度可能更有用。在该情况下，可以认为平均厚度 是数均厚度。
现在参照附图，图1示意性示出了适于制造根据本发明的建筑构件的 装置10。装置10包括第一料斗12和第二料斗14。第一管道16可以包括 第一泵18，并且该管道布置成有利于材料从第一料斗12中移出。第二管道 20可以包括第二泵22，并且该管道布置成有利于材料从第二料斗14中移 出。
第一料斗12和第二料斗14各自可填充有粘接性混合物。在一些情况 下，第一料斗12可填充有第一粘接性混合物，而第二料斗14可填充有第 二粘接性混合物。如上所述，在一些情况下，第二粘接性混合物可与光催 化材料混合以形成光催化粘接性混合物。这个混合步骤可在第二料斗14中 发生，或可在填充第二料斗14前进行。
装置10包括输送带24，并且在示出的实施例中该输送带24沿着箭头 26指示的方向移动。在一些情况下，输送带24可以只是平坦的输送器类型 的表面。在其它情况下，输送带24可包括成形的上表面(未示出)，该表面 可至少为由装置10制造的建筑构件的底部提供不平坦的形状。
为了制造整体式两层建筑构件，在第一料斗12内设置第一粘接性混合 物。可经由第一管道16和第一泵18将第一粘接性混合物沉积到输送带24 上。在一些情况下，可以省略第一泵18，仅重力就可提供移动粘接性混合 物通过第一管道16所需的力。压实辊28压实第一粘接性混合物并使第一 粘接性混合物成形。第一平整构件30进一步挤压、平整第一粘接性混合物 和/或使第一粘接性混合物成形。此时，基层32已经形成，该基层32将最 终提供建筑构件的基层。可以相对于输送带24布置第一平整构件30从而 为基层32提供所需的厚度。
在第二料斗14内设置光催化粘接性混合物。可以经由第二管道20和 第二泵22将光催化混合物沉积在基层32上。在一些情况下，可以省略第 二泵22，仅重力就可提供移动光催化粘接性混合物通过管道20所需的力。 一旦沉积到基层32上，光催化粘接性混合物就从第二平整构件34下方通 过，第二平整构件34挤压、平整该光催化粘接性混合物和/或使该光催化 粘接性混合物成形从而形成光催化层36。可以相对于输送带24布置第二平 整构件34，以便为光催化层36提供所需的厚度。
上述两层式粘接性组件可以经历后续的加工步骤。例如，可施加聚合 物涂层。可采用切割装置(未示出)将该两层式粘接性组件切割为分立的 建筑构件。可以考虑固化步骤，例如对该两层式粘接性组件或其部件执行 窑干燥工艺。
图2一般地示出了通过装置10(图1)形成的整体式两层建筑构件 38。建筑构件38包括基层32、光催化或耐藻类层36、以及在基层32和光 催化层36之间形成的界面40。在一些情况下，界面40的内聚强度最低限 度也与基层32的内聚强度和/或光催化层36的内聚强度一样高。由于内聚 强度的这种关系，可以认为建筑构件38是整体式两层建筑构件。
提及内聚强度时，应当理解到例如基层32和光催化层36之间的内聚 强度或粘合强度最低限度也与基层32和/或光催化层36中任一者的内聚强 度或粘合强度一样高。换句话说，如果建筑构件38破碎分离，在基层32 和/或光催化层36中任一者内断裂的可能性最低限度也与沿界面40断裂的 可能性一样高。界面40至少与基层32和光催化层36中任一层一样坚固。 尽管光催化层36可包含基层32没有或几乎没有的材料，但是可以认为基 层32和光催化层36是结构上不能相互区分的，因此建筑构件38可用作整 体式建筑构件。
如上所述，在一些情况下，第一粘接性混合物和添加有光催化材料的 第二粘接性混合物可以是大致相同的。在一些情况下，相同的粘接性混合 物可均匀地分散在基层32和光催化层36中。在一些情况下，基层32可基 本上不含有光催化材料。
在一些情况下，建筑构件38可为屋面瓦，其中基层32形成了屋面瓦 的与建筑屋顶表面接触的部分，而光催化层36形成了暴露构件的露天表 面。在一些情况下，建筑构件38可为护墙板构件。如果建筑构件38为护 墙板构件，则基层32将形成护墙板构件的与建筑覆材接触的一侧，而光催 化层36则是露天的。
可以将建筑构件38制成具有适于任何期望的应用场合的尺寸。例如， 如果建筑构件38为屋面瓦或护墙板构件，则基层32可具有约2至3厘米 的厚度，而光催化层36可具有约2至3毫米的厚度。然而，如果建筑构件 38为其它某物，例如铺路料，则基层32可以厚很多。
对于本领域内的技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范 围的前提下可对本发明进行多种修改和更改。