混凝土结合用二氧化钛分散液组合物及利用其的在混凝土表面固定二氧化钛纳米粒子的方法与流程

1.本公开涉及混凝土结合用二氧化钛分散液组合物及利用其的在混凝土表面固定二氧化钛纳米粒子的方法，更详细而言，涉及在通过化学结合而使二氧化钛纳米粒子稳定地固定在混凝土表面的同时可以简化二氧化钛固定化工序的混凝土结合用二氧化钛分散液组合物及利用其的在混凝土表面固定二氧化钛纳米粒子的方法。


背景技术：

2.在紫外线照射下产生超过氧化物(o2·-)、氢氧根(
·
oh)等各种活性氧的二氧化钛(tio2)的光催化特性在水处理技术中被广泛利用。通过因二氧化钛的光催化反应而生成的活性氧，可以有效去除存在于水系中的恶臭物质、病毒、细菌等微生物以及挥发性有机化合物(vocs)。
3.近年来，也将二氧化钛的光催化特性应用于室内空气净化。这是因为可以利用二氧化钛的光催化特性来将存在于室内空气中的挥发性有机物、氮氧化物、各种微生物等有效分解。
4.将二氧化钛适用于建筑物的室内的方法可以考虑使二氧化钛纳米粒子固定在建筑物的混凝土表面的方法。作为一个例子，公开了在混凝土配合物中，与水泥一同混合二氧化钛纳米粒子、丙烯聚合物之类的有机粘合剂，从而通过浇注混凝土，诱导来自包含在混凝土中的二氧化钛纳米粒子的光催化特性的技术。作为另一方法，还公开了将钛前体与乙醇、水、盐酸混合后，将其涂布于混凝土表面，然后在450℃的温度下碳化的方法。也公开了用简单的方法将二氧化钛纳米粒子喷洒在混凝土表面上的技术。
5.由于二氧化钛(tio2)和混凝土均是无机物，为了持续稳定地发挥二氧化钛的光催化特性，固定二氧化钛是关键。此外，因为出于净化室内空气的目的，固定二氧化钛所导致的有害物质的产生应该最小化。与此同时，固定二氧化钛而产生的二氧化钛的光催化特性也不能下降。
6.对上述的现有技术而言，由于使用有机粘合剂而具有碳排放增加、二氧化钛的光催化特性下降的缺点。此外，因适用盐酸等强酸而诱发人体有害性，对直接喷洒二氧化钛纳米粒子的技术而言，二氧化钛纳米粒子的固定特性不优异。


技术实现要素：

7.本公开是为了解决如上所述的问题而进行的，其目的在于提供通过化学结合而使二氧化钛纳米粒子稳定地固定在混凝土表面的同时可以简化二氧化钛固定化工序的混凝土结合用二氧化钛分散液组合物及利用其的在混凝土表面固定二氧化钛纳米粒子的方法。
8.根据用于实现上述目的本公开的混凝土结合用二氧化钛分散液组合物，其特征在于，包含水、二氧化钛纳米粒子和na2hpo4而构成。
9.鉴于二氧化钛纳米粒子的分散特性，相对于全部二氧化钛纳米粒子的重量，可以
包含12.5～100wt％的na2hpo4。更优选地，相对于全部二氧化钛纳米粒子的重量，可以包含12.5～25wt％的na2hpo4。
10.鉴于二氧化钛纳米粒子的光催化特性，相对于全部二氧化钛纳米粒子的重量，可以包含175wt％以下的na2hpo4。更优选地，相对于全部二氧化钛纳米粒子的重量，可以包含25～75wt％的na2hpo4。
11.二氧化钛纳米粒子可以相对于水的重量以2～8wt％的比率混合。
12.利用根据本公开的混凝土结合用二氧化钛分散液组合物的使二氧化钛纳米粒子固定在混凝土表面的方法，其特征在于，包括以下步骤而构成：准备包含水、二氧化钛纳米粒子和na2hpo4而构成的混凝土结合用二氧化钛分散液组合物(以下简称二氧化钛分散液)的步骤；以及将二氧化钛分散液喷洒于混凝土表面的步骤，在二氧化钛分散液中，从na2hpo4解离的磷酸根(hpo
4-)吸附于二氧化钛纳米粒子表面，磷酸根(hpo
4-)与构成混凝土的硅酸钙水合物(csh)的钙离子(ca
2
)形成化学结合，使得二氧化钛纳米粒子被固定在混凝土表面。
13.还可以包括以下步骤而构成：将二氧化钛分散液喷洒于混凝土表面的步骤；以及对涂布有二氧化钛分散液的混凝土表面进行热处理而使二氧化钛分散液的溶剂蒸发的干燥步骤。
14.上述干燥步骤的热处理温度为100～500℃。
15.根据本公开的混凝土结合用二氧化钛分散液组合物及利用其的在混凝土表面固定二氧化钛纳米粒子的方法具有如下所述的效果。
16.可以使二氧化钛纳米粒子稳定地固定在混凝土表面而不使用有机粘合剂。此外，可以最小化因粘合剂成分所导致的光催化特性下降的现象，可以阻断有害物质的产生。
附图说明
17.图1是用于说明根据本公开的二氧化钛纳米粒子被固定在混凝土表面的机制的参考图。
18.图2是用于说明利用了根据本公开的一实施例的混凝土结合用二氧化钛分散液组合物的使二氧化钛纳米粒子固定在混凝土表面的方法的流程图。
19.图3是根据实施例1而制造的二氧化钛分散液的照片。
20.图4a是根据实施例2而固定有二氧化钛纳米粒子的混凝土的照片。
21.图4b是显示根据实施例2而固定在混凝土表面的二氧化钛纳米粒子的光催化特性的实验结果。
22.图5a是根据实施例3而固定有二氧化钛纳米粒子的混凝土的照片。
23.图5b是显示根据实施例3而固定在混凝土表面的二氧化钛纳米粒子的光催化特性的实验结果。
24.图6是根据实施例3而固定在混凝土表面的二氧化钛纳米粒子的xps分析结果。
25.图7是根据实施例3而固定在混凝土表面的二氧化钛纳米粒子的xrd分析结果。
26.图8是根据实施例3而固定有二氧化钛纳米粒子的混凝土的sem照片。
具体实施方式
27.本公开涉及使二氧化钛纳米粒子固定在混凝土表面的技术，在公开了包含二氧化钛纳米粒子和粘合剂(dsp)的二氧化钛分散液组合物的同时公开了利用二氧化钛分散液组合物使二氧化钛纳米粒子固定在混凝土表面的方法。
28.如前面的“背景技术”中提到的那样，可以利用有机粘合剂等使二氧化钛纳米粒子固定在混凝土表面，但存在因有机粘合剂而导致有害物质产生、因有机粘合剂而导致的光催化特性下降等问题。
29.在根据本公开的二氧化钛分散液组合物中，利用dsp(磷酸氢二钠，disodium hydrogen phosphate，na2hpo4)作为粘合剂。na2hpo4起到在诱导二氧化钛纳米粒子与构成混凝土的硅酸钙水合物(csh)之间的化学结合的同时诱导二氧化钛纳米粒子均匀分散的作用。
30.随着二氧化钛纳米粒子与硅酸钙水合物(csh)通过na2hpo4而形成化学结合，二氧化钛纳米粒子的固定特性提高，随着适用na2hpo4而非有机粘合剂，可以使二氧化钛的光催化特性的下降最小化，可以阻断有害物质的产生。
31.另外，随着na2hpo4在二氧化钛分散液中诱导二氧化钛纳米粒子的均匀分散，在二氧化钛分散液涂布于混凝土表面时，可以使二氧化钛纳米粒子以规定的密度被固定。
32.下面，将根据本发明的一实施例的混凝土结合用二氧化钛分散液组合物及利用其的在混凝土表面固定二氧化钛纳米粒子的方法详细地进行说明。
33.根据本发明的一实施例的混凝土结合用二氧化钛分散液组合物包含水、二氧化钛纳米粒子和na2hpo4而构成。
34.根据本发明的一实施例的二氧化钛分散液组合物涂布于混凝土表面，包含在二氧化钛分散液组合物中的二氧化钛纳米粒子被固定在混凝土表面。在二氧化钛纳米粒子被固定在混凝土表面的过程中，na2hpo4起到诱导二氧化钛纳米粒子与构成混凝土的硅酸钙水合物(csh)之间的化学结合的作用。
35.参照图1对二氧化钛纳米粒子被固定在混凝土表面的机制进行如下说明。
36.首先，在二氧化钛分散液中，二氧化钛纳米粒子与na2hpo4混合时，从na2hpo4解离的磷酸根(hpo
4-)吸附于二氧化钛纳米粒子的表面。在涂布这样的状态的二氧化钛分散液时，二氧化钛纳米粒子表面的磷酸根(hpo
4-)与构成混凝土的硅酸钙水合物(csh)的钙离子(ca
2
)形成化学结合。
37.随着二氧化钛纳米粒子表面的磷酸根(hpo
4-)与混凝土的钙离子(ca
2
)形成化学结合，二氧化钛纳米粒子被稳定地固定在混凝土表面。
38.另外，na2hpo4除了起到诱导二氧化钛纳米粒子与混凝土之间的化学结合的作用以外，在二氧化钛分散液中，还起到诱导二氧化钛纳米粒子的均匀分散的作用。二氧化钛分散液中的二氧化钛纳米粒子的均匀分散在将二氧化钛纳米粒子以一定的密度均匀涂布于混凝土表面方面以及在二氧化钛分散液的施工方面是重要的。
39.另一方面，二氧化钛分散液组合物中na2hpo4的含量比对二氧化钛纳米粒子的分散特性、二氧化钛纳米粒子的光催化特性产生密切的影响，因此有必要添加最佳组成的na2hpo4。
40.鉴于二氧化钛纳米粒子的分散特性，相对于全部二氧化钛纳米粒子的重量，优选
包含12.5～100wt％的na2hpo4。na2hpo4的含量比12.5wt％小时，二氧化钛纳米粒子在二氧化钛分散液中发生凝聚的现象，na2hpo4的含量比100wt％大时，产生二氧化钛纳米粒子沉淀的问题。在一实施例中，根据本公开的二氧化钛分散液可以以喷洒方式涂布于混凝土表面，如果二氧化钛纳米粒子沉淀，则涂布效率下降。另一方面，优选地，相对于全部二氧化钛纳米粒子的重量，需要包含12.5～25wt％的na2hpo4，这时，在不产生二氧化钛纳米粒子沉淀的同时二氧化钛纳米粒子的凝聚现象最少。
41.在考虑二氧化钛纳米粒子的光催化特性时，相对于全部二氧化钛纳米粒子的重量，优选包含175wt％以下的na2hpo4。na2hpo4的含量比175wt％大时，光催化特性下降。另外，na2hpo4的含量比越低于175wt％，二氧化钛的光催化特性越提高。具体而言，na2hpo4的含量比为150wt％以下时，虽然在有害物质去除时间上存在差异，但表现出相同水平的有害物质去除特性。更优选地，相对于全部二氧化钛纳米粒子的重量，需要包含25～75wt％的na2hpo4，这时，可以在较快的时间内有效去除有害物质。
42.另一方面，二氧化钛分散液组合物由水、二氧化钛纳米粒子和na2hpo4构成，限定了二氧化钛纳米粒子与na2hpo4之间的组成比，还可以限定水与二氧化钛纳米粒子之间的组成比。限定水与二氧化钛纳米粒子之间的组成比的理由是为了考虑二氧化钛分散液的喷洒特性以及干燥特性。为此，二氧化钛纳米粒子优选为相对于水的重量以2～8wt％的比率混合，最佳条件为需要相对于水的重量以3.5～4.5wt％的比率混合。二氧化钛纳米粒子的含量小于2wt％时，二氧化钛分散液的干燥延迟，二氧化钛纳米粒子的含量大于8wt％时，在喷枪喷洒过程中喷嘴可能堵塞。
43.鉴于如上所述的二氧化钛纳米粒子的分散特性的na2hpo4的最佳含量比以及鉴于二氧化钛纳米粒子的光催化特性的na2hpo4的最佳含量比通过后述的实验例而得到支持。
44.在上文中，对根据本发明的一实施例的混凝土结合用二氧化钛分散液组合物进行了说明。下面，对利用了根据本发明的一实施例的混凝土结合用二氧化钛分散液组合物的使二氧化钛纳米粒子固定在混凝土表面的方法进行说明。
45.参照图2，准备混凝土结合用二氧化钛分散液组合物(以下简称二氧化钛分散液)(s201)。二氧化钛分散液如上述那样包含水、二氧化钛纳米粒子和na2hpo4而构成。
46.在鉴于二氧化钛纳米粒子的分散特性的情况下，相对于全部二氧化钛纳米粒子的重量，可以包含12.5～100wt％的na2hpo4，在鉴于二氧化钛纳米粒子的光催化特性的情况下，相对于全部二氧化钛纳米粒子的重量，可以包含175wt％以下的na2hpo4。
47.在二氧化钛分散液中，从na2hpo4解离的磷酸根(hpo
4-)吸附于二氧化钛纳米粒子的表面。
48.在准备有如上所述的二氧化钛分散液的状态下，将二氧化钛分散液涂布于混凝土表面(s202)。二氧化钛分散液的涂布可以使用各种方法，作为一实施例，可以利用喷洒方式。
49.当混凝土表面涂布有二氧化钛分散液时，二氧化钛纳米粒子表面的磷酸根(hpo
4-)与构成混凝土的硅酸钙水合物(csh)的钙离子(ca
2
)形成化学结合。随着二氧化钛纳米粒子表面的磷酸根(hpo
4-)与混凝土的钙离子(ca
2
)形成化学结合，二氧化钛纳米粒子被稳定地固定在混凝土表面。
50.经过准备上述的二氧化钛分散液、二氧化钛分散液涂布于混凝土表面，利用了根
据本发明的一实施例的混凝土结合用二氧化钛分散液组合物的使二氧化钛纳米粒子固定在混凝土表面的方法实质上已经完成了。
51.为了有效去除甲苯之类的疏水性有害物质，在涂布二氧化钛分散液以后，可以增加干燥作为二氧化钛分散液的溶剂的水的干燥步骤(s203)。
52.具体而言，将涂布有二氧化钛分散液的混凝土表面在100～500℃的温度下干燥，从而可以去除存在于混凝土的表面以及气孔中的二氧化钛的水分，经此，可以有效去除甲苯之类的疏水性有害物质。在二氧化钛纳米粒子具备于有水存在的亲水性环境的情况下，通过光催化剂作用去除甲苯之类的疏水性有害物质的效率下降。
53.以上，对根据本发明的一实施例的混凝土结合用二氧化钛分散液组合物及利用其的在混凝土表面固定二氧化钛纳米粒子的方法进行了说明。在下文中，通过实验例，将本公开更具体地进行说明。
54.《实施例1：根据dsp/tio2重量比的二氧化钛分散液的分散特性》
55.在将0.2g的tio2和dsp(na2hpo4)混合于5ml的水中而制造二氧化钛分散液的过程中，将dsp相对于tio2的重量比分别设为0wt％、6.25wt％、25wt％、50wt％、75wt％、100wt％、125wt％、150wt％、175wt％而制造了二氧化钛分散液。
56.如图3所图示的那样，所制造的各二氧化钛分散液在未混合有dsp的情况下(0wt％)，二氧化钛纳米粒子由于高密度而发生了凝聚的现象，相反，dsp的重量比大于100wt％时，出现了二氧化钛纳米粒子快速沉淀的现象。dsp的重量比在12.5～25wt％范围内时，在凝聚现象被排除的同时表现出二氧化钛被均匀分散的特性。
57.《实施例2：根据dsp/tio2重量比的二氧化钛的光催化特性》
58.在将0.4g的tio2和dsp(na2hpo4)混合于10ml的水中而制造二氧化钛分散液的过程中，将dsp相对于tio2的重量比分别设为25wt％、50wt％、75wt％、100wt％、125wt％、150wt％、175wt％而制造了二氧化钛分散液。
59.接着，将所制造的各二氧化钛分散液涂布于混凝土表面后(参照图4a)放入石英容器中，密闭后，注入甲苯气体，从而在紫外线照射的环境下观察了甲苯去除特性。
60.参照图4b，确认了dsp的重量比为150wt％时，在经过60分钟时甲苯被全部去除，dsp的重量比为25wt％时，在经过约23分钟时甲苯被全部去除。此外，dsp的重量比为175wt％时，在经过60分钟时甲苯只被去除约60％。
61.在上述结果中，可以确认dsp的重量比在150wt％以下时，dsp的重量比越低，二氧化钛纳米粒子的光催化特性越提高。特别是，dsp的重量比为25wt％时，表现为接近二氧化钛纳米粒子本身的光催化特性。
62.《实施例3：根据干燥温度的二氧化钛的光催化特性》
63.将0.4g的tio2和0.2g的dsp(na2hpo4)混合于10ml的水中而制造二氧化钛分散液，将所制造的二氧化钛分散液涂布于混凝土表面，然后分别以100℃、300℃、500℃的温度进行干燥(参照图5a)。接着，在紫外线照射的环境下，观察了甲苯气体的去除特性。
64.参照图5b，可以确认干燥温度越高，二氧化钛纳米粒子的光催化特性越提高。干燥温度为100℃时，在经过40分钟时甲苯被全部去除，相反，干燥温度为500℃时，表现出在经过10分钟时甲苯被全部去除。
65.干燥温度较高时，表现出作为二氧化钛分散液的溶剂的水从混凝土表面以及气孔
中被快速蒸发，因此通过适用光催化剂，具有疏水性的甲苯被有效去除。
66.另一方面，通过对根据实施例3而结合于混凝土表面的二氧化钛纳米粒子实施xps和xrd分析的结果(参照图6和图7)，确认了以dsp为媒介，混凝土的硅酸钙水合物(csh)与tio2形成化学结合状态(参照图1和图2)。进一步而言，通过sem分析，从扩大100倍、10000倍、100000倍而观察的结果(参照图8)确认了混凝土表面均匀分散而附着有tio2纳米粒子。