TWI866651B

TWI866651B - 水洗觸媒材料及其製備方法

Info

Publication number: TWI866651B
Application number: TW112145941A
Authority: TW
Inventors: 蔡宜玲
Original assignee: 奇鼎科技股份有限公司
Priority date: 2023-11-28
Filing date: 2023-11-28
Publication date: 2024-12-11
Also published as: TW202521218A

Abstract

揭露一種水洗觸媒材料，包含：一基材以及一複合材料層。基材包含選自玻璃纖維、陶瓷纖維、氧化鋁纖維或其組合之無機纖維。複合材料層形成於基材，包含：一無機填料、一無機膠材、一固化劑以及一觸媒，無機填料選自氧化鋁、氫氧化鋁、二氧化矽、二氧化鈦或其組合；無機膠材選自二氧化矽、二氧化鈦、氧化鋁、磷酸鹽、硼酸鹽、水玻璃、矽酸鹽或其組合；固化劑選自環氧樹脂、丙烯酸、聚氨酯或其組合；觸媒選自二氧化鈰、活性碳或其組合。另揭露水洗觸媒材料之製備方法。

Description

水洗觸媒材料及其製備方法

本發明係有關一種觸媒材料，且特別係應用於去除氣態分子汙染物之水洗觸媒材料及其製備方法。

對於要求高潔淨度的產業製程（例如：半導體、液晶面板、藥品、生化），環境中的氣態分子汙染物(Airborne Molecular Contamination, AMC)會影響生產效率與產品良率。現有去除AMC的主要技術包含：非破壞性的冷凝法、吸附法、吸收法及破壞性的直燃式、觸媒式焚化法、生物法，其中吸收法是使用濕式洗滌設備，以洗滌液（例如：純水）通過淋水板噴淋氣體，使氣體與洗滌液充分接觸，氣體分子汙染物通過氣相薄膜進入液相薄膜，而被洗滌液吸收。

濕式洗滌設備的洗滌效果受液氣比、洗滌液的酸鹼值/導電度/溫度/循環量、液氣比表面積、洗滌滯留時間、廢氣風量、濕潤因子、氣體溶解度等因素的影響。濕式洗滌設備的淋水板可增加氣體與液體的接觸面積及接觸時間，以提高AMC的去除率。淋水板的構形及材料影響AMC的去除效果及淋水板的耐用度，先前，淋水板使用有機材料或紙質製成，此種淋水板的耐水性不佳，使用一段期間容易發生釋氣(outgassing)汙染或細菌滋生的問題；另有採用無機陶瓷材料製成淋水板的技術，然而無機陶瓷材料需高溫鍛造，不僅耗時且增加成本。

如何提高濕式洗滌設備的AMC去除率，延長淋水板的使用壽命且降低其製造成本，即為發展本發明的主要目的。

為達成上述目的，本發明提供一種水洗觸媒材料，包含：一基材以及一複合材料層。基材包含選自玻璃纖維、陶瓷纖維、氧化鋁纖維或其組合之無機纖維。複合材料層形成於基材，包含：一無機填料、一無機膠材、一固化劑以及一觸媒，無機填料選自氧化鋁、氫氧化鋁、二氧化矽、二氧化鈦或其組合；無機膠材選自二氧化矽、二氧化鈦、氧化鋁、磷酸鹽、硼酸鹽、水玻璃、矽酸鹽或其組合；固化劑選自環氧樹脂、丙烯酸、聚氨酯或其組合；觸媒選自二氧化鈰、活性碳或其組合。

於一實施例，上述基材具有一斜向波形結構，斜向波形結構之波峰高度介於3公釐至8公釐，斜向波形結構之相鄰兩波峰之距離介於5公釐至15公釐，斜向波形結構與上述基材之幾何形狀之中心線之夾角介於15°至60°。

於一實施例，上述複合材料層之厚度介於0.2公釐至1公釐。

於一實施例，上述無機填料之粒徑介於0.01微米至10微米。

於一實施例，上述觸媒之粒徑介於0.1微米至50微米。

為達成上述目的，本發明另提供一種水洗觸媒材料之製備方法，包含：混合一無機填料、一無機溶膠、一固化劑以及一觸媒形成一漿料，其中觸媒佔漿料之重量比介於1%至10%；裁切一無機纖維片形成一基材；將基材浸泡於漿料形成一含漿基材；於100℃至200℃熱壓含漿基材產生一成型基材；將成型基材再浸泡於漿料至少一次；以及於100℃至200℃烘乾成型基材之漿料，使漿料形成一複合材料層，而完成一水洗觸媒材料。

於一實施例，上述無機填料選自氧化鋁、氫氧化鋁、二氧化矽、二氧化鈦或其組合；上述無機溶膠選自二氧化矽溶膠、二氧化鈦溶膠、氧化鋁溶膠、磷酸鹽溶膠、硼酸鹽溶膠、水玻璃、矽酸鹽溶膠或其組合；上述固化劑選自環氧樹脂、丙烯酸、聚氨酯或其組合；上述觸媒選自二氧化鈰、活性碳或其組合。

於一實施例，上述漿料之酸鹼值(pH)介於3至5，上述漿料之黏度介於450cps至2000cps。

於一實施例，上述無機纖維片選自玻璃纖維、陶瓷纖維、氧化鋁纖維或其組合之無機纖維，上述無機纖維片每平方公尺之重量介於20公克至65公克。

於一實施例，於100℃至200℃熱壓上述含漿基材之時間介於10分鐘至30分鐘；於100℃至200℃烘乾上述成型基材之上述漿料之時間介於10分鐘至30分鐘。

本發明之水洗觸媒材料包含固化劑與觸媒，固化劑可增加水洗觸媒材料整體的耐化學性及耐久性，大幅延長淋水板的使用壽命；觸媒為多孔性材料，可增加氣體與液體的接觸面積，提升AMC的濾除效果；本發明之水洗觸媒材料之製備方法，透過漿料的組成，含漿基材於100℃至200℃熱壓即可成型，再次浸泡漿料的成型基材，於100℃至200℃烘乾即可固化漿料完成水洗觸媒材料，大幅降低加工溫度及製造成本。

以下配合圖式及元件符號對本發明的實施方式做更詳細的說明，俾使熟習本發明所屬技術領域中之通常知識者在研讀本說明書後可據以實施本發明。

圖1為本發明之水洗觸媒材料之製備方法之步驟流程圖。如圖1所示，本發明之水洗觸媒材料之製備方法包含下列步驟：步驟S11：混合無機填料、無機溶膠、固化劑以及觸媒形成漿料，其中觸媒佔漿料的重量比介於1%至10%；步驟S12：裁切無機纖維片形成基材；步驟S13：將基材浸泡於漿料形成含漿基材；步驟S14：於100℃至200℃熱壓含漿基材產生成型基材；步驟S15：將成型基材再浸泡於漿料至少一次；以及步驟S16：於100℃至200℃烘乾成型基材之漿料，使漿料形成複合材料層，而完成水洗觸媒材料。

於步驟S11，無機填料選自氧化鋁、氫氧化鋁、二氧化矽、二氧化鈦或其組合；無機溶膠選自二氧化矽溶膠、二氧化鈦溶膠、氧化鋁溶膠、磷酸鹽溶膠、硼酸鹽溶膠、水玻璃、矽酸鹽溶膠或其組合；固化劑選自環氧樹脂、丙烯酸、聚氨酯或其組合；觸媒選自二氧化鈰(CeO ₂)、活性碳或其組合。以漿料整體重量計算，無機填料的重量比介於50%至70%，無機溶膠的重量比介於10%至30%，固化劑的重量比介於3%至5%。製備所得漿料的酸鹼值(pH)介於3至5，漿料的黏度隨著觸媒添加比例增加而增加，過高的黏度影響親水性，因此，設定觸媒的添加比例介於1%至10%，使漿料的黏度介於450cps至2000cps。

於步驟S12，無機纖維片選自玻璃纖維、陶瓷纖維、氧化鋁纖維或其組合的無機纖維。無機纖維片每平方公尺的重量介於20公克至65公克。無機纖維片的纖維之間具有孔隙，供氣體與液體通過並接觸。值得說明的是，步驟S11和步驟S12無先後順序，可以先調製漿料或裁切基材。

於步驟S13，含漿基材的漿料附著量隨著漿料的黏度增加而增加；於步驟S14，將含漿基材置於加熱模具，於100℃至200℃熱壓含漿基材的時間介於10分鐘至30分鐘，使含漿基材定型為成型基材，成型基材的構形例如是具有斜向波形結構的幾何形狀；於步驟S15，將成型基材再一次或數次浸泡於漿料，以增加成型基材的漿料覆蓋量；於步驟S16，於100℃至200℃烘乾成型基材的時間介於10分鐘至30分鐘，即可完成製備水洗觸媒材料。

於本發明之水洗觸媒材料之製備方法，透過漿料的組成，含漿基材於100℃至200℃熱壓即可成型，再次浸泡漿料的成型基材，於100℃至200℃烘乾即可固化漿料完成水洗觸媒材料，大幅降低加工溫度及製造成本。

圖2為本發明一實施例之水洗觸媒材料之俯視及側視示意圖。如圖2所示，水洗觸媒材料2包含：基材21以及形成於基材的複合材料層22，基材21包含選自玻璃纖維、陶瓷纖維、氧化鋁纖維或其組合之無機纖維；複合材料層22包含：無機填料、無機膠材、固化劑以及觸媒，無機填料選自氧化鋁、氫氧化鋁、二氧化矽、二氧化鈦或其組合；無機膠材選自二氧化矽、二氧化鈦、氧化鋁、磷酸鹽、硼酸鹽、水玻璃、矽酸鹽或其組合；固化劑選自環氧樹脂、丙烯酸、聚氨酯或其組合；觸媒選自二氧化鈰、活性碳或其組合。

基材21的外形可依使用需求而定，例如但不限於：矩形、正方形、圓形、橢圓形。於本實施例，基材21的外形為矩形且具有斜向波形結構211，斜向波形結構211的波峰高度h介於3公釐至8公釐，斜向波形結構211之相鄰兩波峰的距離d介於5公釐至15公釐，斜向波形結構211與基材21幾何形狀的中心線L（對稱線或相對二側邊的垂直線）之夾角α介於15°至60°。斜向波形結構211可形成氣體及液體的流道，且提高氣體與液體的接觸比例，從而提升AMC的濾除效果。

複合材料層22的厚度介於0.2公釐至1公釐，無機填料的粒徑介於0.01微米至10微米，無機膠材是由選自二氧化矽溶膠、二氧化鈦溶膠、氧化鋁溶膠、磷酸鹽溶膠、硼酸鹽溶膠、水玻璃、矽酸鹽溶膠或其組合的無機溶膠經烘乾水份而形成，觸媒的粒徑介於0.1微米至50微米。

於本發明之水洗觸媒材料，固化劑可增加水洗觸媒材料整體的耐化學性及耐久性，大幅延長淋水板的使用壽命；作為觸媒的二氧化鈰或活性碳或以活性碳為載體的二氧化鈰皆為多孔性材料，可增加氣體與液體的接觸面積，提升AMC的濾除效果，其中二氧化鈰具有 Ce ³⁺/Ce ⁴⁺雙氧化態的特性，可直接促使進行氧化還原反應(Redox)，有助於氧的傳送(transport oxygen)、提升氧儲存容量(Oxygen Storage Capacity, OSC)以及於氧化反應中能供給更多的氧，且CeO ₂的結晶缺陷(defects on crystalline phases)較多，結構較不穩定，因此具有較多可交換結構氧(exchangeable structure oxygen)與較高的氧化能力，其較高的催化活性可進一步提升揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds, VOCs)的濾除效果。

實施例及對比例裁切氧化鋁纖維片作為基材，調製不同配比的漿料，製成水洗觸媒材料的實施例及對比例。實施例及對比例的漿料配比（重量比）及漿料物性如表1所示。表1

漿料	無機填料	無機溶膠	固化劑	觸媒	酸鹼值(pH)	黏度值(cps)
對比例1	70%	25%	5%	0%	4.5	350
實施例1	69%	25%	5%	1%	4.7	470
實施例2	67%	25%	5%	3%	4.67	1180
實施例3	67%	25%	3%	5%	4.5	1460
實施例4	59%	30%	3%	8%	4.2	1880
實施例5	57%	30%	3%	10%	4.18	2120

由表1的數據可知，觸媒的比例對漿料酸鹼值的影響不大，漿料的黏度隨觸媒的比例增加而增加。

實施例的水洗觸媒材料及對比例不含觸媒的淋水板材料裁切成10cm × 10cm的試片，試片的漿料塗佈重量及水份垂直爬升10cm的時間如表2所示。表2

試片	漿料塗佈重量(公克/10cm ²)	水份垂直爬升時間(分:秒)
對比例1	2.594	02:16
實施例1	2.752	02:15
實施例2	2.824	02:00
實施例3	3.024	03:20
實施例4	3.577	03:52
實施例5	4.126	04:36

由表2的數據可知，漿料的塗佈重量隨著觸媒比例的增加而增加，觸媒比例在5%以下時不影響甚至縮短水份垂直爬升時間，觸媒比例在5%以上水份垂直爬升時間增加，即降低水洗觸媒材料的親水性。

使用不同觸媒的水洗觸媒材料與不含觸媒的淋水板材料（對比例2）對氣體中異丙醇(IPA)的濾除結果如表3。表3

組成	基材	觸媒	IPA入口濃度(ppb)	IPA出口濃度(ppb)	濾除率
對比例2	氧化鋁纖維片	無	6147	877	85.7%
實施例	氧化鋁纖維片	活性碳	5003	467	90.7%
實施例	氧化鋁纖維片	二氧化鈰	6644	782	88.2%
實施例	氧化鋁纖維片	活性碳及二氧化鈰	6998	329	95.3%

由表3的數據可知，水洗觸媒材料的觸媒可有效提高AMC中有機化合物的濾除率。

將實施例的水洗觸媒材料與現有不含固化劑及觸媒的淋水板材料（對比例3）分別浸泡在酸性(pH=2)、中性(pH=7)及鹼性(pH=11)溶液中，以震盪機於轉速1000rpm震盪4周，並以測試前的重量為基準，測量實施例與對比例3在1周後、2周、3周及4周後的重量損失作為耐受性測試。圖3為本發明實施例之水洗觸媒材料與對比例之現有不含固化劑及觸媒的淋水板材料之耐受性測試圖。如圖3所示，對比例3的淋水板材料不耐酸鹼，在酸性溶液中2周後崩解，在中性溶液(水)中3周後崩解，在鹼性溶液中重量損失達20%以上；實施例之水洗觸媒材料，在酸性溶液及中性溶液中4周後重量損失不超過3%，在鹼性溶液中4周後重量損失不超過1%。由耐受性測試結果可知，本發明之水洗觸媒材料具有極佳的耐化學性及耐久性，可大幅延長淋水板的使用壽命。

圖4為使用本發明之水洗觸媒材料之淋水板之立體示意圖。如圖4所示，淋水板4包含上下堆疊的複數水洗觸媒材料2，水洗觸媒材料2的結構及材料如上述實施例。於本實施例，水洗觸媒材料2的外形為矩形且具有斜向波形結構211，複數水洗觸媒材料2依序相反堆疊，使相鄰兩水洗觸媒材料2的斜向波形結構211的傾斜角度相反（如圖4箭頭記號所示），複數水洗觸媒材料2的堆疊厚度t（即淋水板4的厚度）例如但不限於200公釐至800公釐。斜向波形結構211形成氣體與液體的流道，可提高氣體與液體的接觸面積及接觸時間，有效提升濾除AMC的效果。

綜上所述，本發明之水洗觸媒材料包含固化劑與觸媒，固化劑可增加水洗觸媒材料整體的耐化學性及耐久性，大幅延長淋水板的使用壽命；觸媒為多孔性材料，可增加氣體與液體的接觸面積，提升AMC的濾除效果；本發明之水洗觸媒材料之製備方法，透過漿料的組成，含漿基材於100℃至200℃熱壓即可成型，再次浸泡漿料的成型基材，於100℃至200℃烘乾即可固化漿料完成水洗觸媒材料，大幅降低加工溫度及製造成本，從而解決現有技術的問題，達成本發明之目的。

上述實施例僅例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項專業之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾、組合與改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有此項專業知識者，在未脫離本發明所揭示之精神與技術原理下所完成之一切等效修飾、組合或改變，仍應由本發明之申請專利範圍所涵蓋。

2:水洗觸媒材料 4:淋水板 21:基材 22:複合材料層 211:斜向波形結構 d:距離 h:高度 L:中心線 α:夾角 t:厚度 S11,S12,S13,S14,S15,S16:步驟

圖1為本發明之水洗觸媒材料之製備方法之步驟流程圖；圖2為本發明一實施例之水洗觸媒材料之俯視及側視示意圖；圖3為本發明實施例與對比例之耐受性測試圖；以及圖4為使用本發明之水洗觸媒材料之淋水板之立體示意圖。

2:水洗觸媒材料

21:基材

22:複合材料層

211:斜向波形結構

d:距離

h:高度

L:中心線

α:夾角

Claims

一種水洗觸媒材料，包含：一基材，包含選自玻璃纖維、陶瓷纖維、氧化鋁纖維或其組合之無機纖維，其中，該基材具有一斜向波形結構，該斜向波形結構之波峰高度介於3公釐至8公釐，該斜向波形結構之相鄰兩波峰之距離介於5公釐至15公釐，該斜向波形結構與該基材之幾何形狀之中心線之夾角介於15°至60°；以及一複合材料層，形成於該基材，包含：一無機填料，選自氧化鋁、氫氧化鋁、二氧化矽、二氧化鈦或其組合；一無機膠材，選自二氧化矽、二氧化鈦、氧化鋁、磷酸鹽、硼酸鹽、水玻璃、矽酸鹽或其組合；一固化劑，選自環氧樹脂、丙烯酸、聚氨酯或其組合；以及一觸媒，選自二氧化鈰、活性碳或其組合。
如請求項1所述水洗觸媒材料，其中該複合材料層之厚度介於0.2公釐至1公釐。
如請求項1所述水洗觸媒材料，其中該無機填料之粒徑介於0.01微米至10微米。
如請求項1所述水洗觸媒材料，其中該觸媒之粒徑介於0.1微米至50微米。
一種水洗觸媒材料之製備方法，包含：混合一無機填料、一無機溶膠、一固化劑以及一觸媒形成一漿料，其中該觸媒佔該漿料之重量比介於1%至10%；裁切一無機纖維片形成一基材；將該基材浸泡於該漿料形成一含漿基材；於100℃至200℃熱壓該含漿基材產生一成型基材；將該成型基材再浸泡於該漿料至少一次；以及於100℃至200℃烘乾該成型基材之該漿料，使該漿料形成一複合材料層，而完成一水洗觸媒材料。
如請求項5所述水洗觸媒材料之製備方法，其中該無機填料選自氧化鋁、氫氧化鋁、二氧化矽、二氧化鈦或其組合；該無機溶膠選自二氧化矽溶膠、二氧化鈦溶膠、氧化鋁溶膠、磷酸鹽溶膠、硼酸鹽溶膠、水玻璃、矽酸鹽溶膠或其組合；該固化劑選自環氧樹脂、丙烯酸、聚氨酯或其組合；該觸媒選自二氧化鈰、活性碳或其組合。
如請求項5所述水洗觸媒材料之製備方法，其中該漿料之酸鹼值(pH)介於3至5，該漿料之黏度介於450cps至2000cps。
如請求項5所述水洗觸媒材料之製備方法，其中該無機纖維片選自玻璃纖維、陶瓷纖維、氧化鋁纖維或其組合之無機纖維，該無機纖維片每平方公尺之重量介於20公克至65公克。
如請求項5所述水洗觸媒材料之製備方法，其中於100℃至200℃熱壓該含漿基材之時間介於10分鐘至30分鐘；於100℃至200℃烘乾該成型基材之該漿料之時間介於10分鐘至30分鐘。