透明自清潔涂料的特性及應用
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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產(chǎn)品主??涉及光學儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務。
外立面作為建筑風格的主要體現(xiàn)元素，不僅體現(xiàn)了建筑的形象、氣質，更可能是她的靈魂。建筑外立面的主要裝飾材料包括玻璃、陶瓷、金屬、石材、木材、混凝土、膜材料、涂料等，它們的不同特點能夠滿足現(xiàn)代都市建筑的多種需要。但由于目前國內(nèi)環(huán)境各種污染嚴重，導致無論哪種材料的外立面經(jīng)過一、兩年后就顯得臟舊不堪，還有滿目皆是涂鴉小廣告粘貼等現(xiàn)象，導致建筑形象受損、維護成本大幅度增加。“自清潔”概念自20世紀90年代提出以來，對其的研究和商品化進程發(fā)展迅速。當前，自清潔涂料并不局限于建筑涂料行業(yè)，還出現(xiàn)在與人們生活息息相關的電器和電子設備、汽車和溫室等諸多應用領域。由于具有環(huán)保和節(jié)省清洗費用等優(yōu)點,透明自清潔涂料越來越受到市場的青睞,并將在未來扮演重要的角色。
一、自清潔涂層
自清潔涂層能夠使表面污染物或灰塵顆粒在重力、雨水、風力等外力作用下自動脫落或通過光催化降解而除去，具有節(jié)水、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，在建筑、交通、 新能源等行業(yè)具有重要的應用前景。近年來，它已成為先進功能涂料的研究熱點。
根據(jù)自清潔的原理不同,自清潔涂料可以分為超疏水和超親水兩類，它們都是通過水的作用達到本身自清潔效果的。所不同的是，超疏水涂料是通過水滴的滾動帶走污物，而超親水涂料是通過在其表面形成水膜并帶走或隔絕污染物而實現(xiàn)自清潔的作用。尤其是后者在光輻射下還具有光催化特性,可以降解有機物，進一步起到****和凈化環(huán)境的作用。
二、超疏水自清潔涂料
研究發(fā)現(xiàn)，物體的表面如果具有超疏水性，水珠就不能在其表面浸潤，將會帶走污物而具有自清潔的效果?？梢酝ㄟ^兩種途徑制備超疏水表面，一是利用荷葉效應 ，在物體表面構建粗糙的微觀結構；一是在物體表面進行化學修飾，引入低表面能的物質組分，如氟硅烷。這兩種方法既可以單獨應用,也可以結合并用。
德國植物學家Barthlott等對荷葉等2萬種植物葉面進行了觀察、研究，發(fā)現(xiàn)荷葉的表面是由無數(shù)微米尺寸的乳突和其表面分布的納米蠟質晶體構成的（圖2-1），**提出了荷葉效應概念，并模仿荷葉效應申請了涂料**。精細的研究發(fā)現(xiàn)，荷葉表面的乳突粒徑5~9nm，蠟質晶體大于100nm。當水珠與蠟質晶體接觸時，明顯地減小了水珠與荷葉表面的接觸面積，擴大了水珠與空氣的界面。這種情況下，液滴不會自動擴展，而是保持其球形狀態(tài)。一般的污染物尺寸比蠟質晶體大，只會落在乳突的頂部，且大多數(shù)的污染物比蠟晶體更易潤濕，當水珠在荷葉上面滾動時，污染物會粘附在水珠表面而被帶走，從而達到自清潔效果。
圖1 荷葉微觀結構圖
圖2 疏水型自清潔涂料的效果
超疏水涂料存在問題及解決途徑
超疏水自清潔涂料的穩(wěn)定性和耐久性問題一直是制約其規(guī)模應用的瓶頸。因為超疏水涂料的制備牽涉復雜的設計和步驟，需要在基材表面上構建納米尺度的粗糙結構，因此使用過程中的腐蝕以及磨損都會過早加速其表面結構的損耗,嚴重時造成超疏水特性的喪失。與自然界中的荷葉新陳代謝不斷再生新的自清潔表面不同，人工構建的自清潔表面很難實現(xiàn)自清潔效果的再生回復。疏水型涂料的實際使用在內(nèi)墻涂料上自清潔效果更明顯，對涂料生產(chǎn)企業(yè)來說，添加疏水劑的方式就可以實現(xiàn)荷葉效果涂料，如北京開創(chuàng)納米公司生產(chǎn)的SS-1型疏水劑等。
令人遺憾的是，盡管已有在疏水表面進行再生方法的研究，但關于超疏水表面穩(wěn)定性和耐久性問題的研究鮮有文獻報道。應當看到的是，由于超疏水自清潔涂料所具有的應用價值，這種涂料將會繼續(xù)發(fā)展，而解決其穩(wěn)定性與壽命的問題將是該涂料向應用技術層面轉變的重要研究方向。
三、超親水自清潔涂料
超親水自潔涂料是指水落在該材料表面，水滴接觸角小于5度，從外觀上看即水在該材料表面不會形成水滴而是水膜。另外，超親水材料跟水的親和力遠大于跟灰塵以及其他臟污的親和力，所以在下雨或有用水沖的情況下，超親水自潔涂料會優(yōu)先跟水結合，在基材表面形成均勻水膜，從而使水可以滲透到污染物下面并將其浮起，把臟污從超親水自潔涂層分離開，在重力作用下水膜持續(xù)的流動，可以從污染物的根部進行**沖洗，徹底**帶走灰塵污物。
超親水自潔涂料主要研究為納米二氧化鈦型超親水自潔涂料。
通常情況下表面的污染主要是吸附了空氣中懸浮的灰塵和有機物造成的，這種吸附在初期主要是由于靜電力造成的靜電吸附和范德華力造成的物理吸附。納米二氧化鈦自清潔涂層受到紫外光照射后，納米TiO2涂膜表現(xiàn)出超親水性能，在涂膜表面形成化學吸附水和物理吸附水，吸附水的存在有利于消除涂層表面的靜電，消除靜電力。自清潔涂層表面形成的羥基是親水的，當雨水滴落在涂層表面時，表面羥基與水之間形成氫鍵，氫鍵的作用力要遠大于范德華力，因此水取代灰塵吸附于涂層表面，表面上原來吸附的灰塵被剩余的水帶走，而表面很難被水帶走的有機吸附物，在納米TiO2的光催化作用下被分解，形成水、二氧化碳和可以被水帶走的小分子物質，從而達到表面自清潔的目的。
TiO2能直接利用包括太陽光在內(nèi)的各種途徑的紫外光，在室溫下對各種有機的或無機的污染物進行分解或氧化，從空氣中**這些污染物。TiO2是一種n型半導體材料，有強的氧化性和還原性。在光化學反應中，以TiO2作催化劑，在太陽光，尤其是在紫外線的照射下，使TiO2固體表面生成空穴(h+)和電子(e-)?？昭?h+)使H2O氧化，電子(e-)使空氣中的O2還原，使有機物氧化為CO2、H2O等簡單的無機物。
該項技術具有能耗低、易操作、除凈度高等特點，尤其對一些特殊的污染物具有比其他方法更突出的去污效果，而且沒有二次污染等，成為多相光催化領域的研究熱點，具有廣泛的應用前景。
從實際應用角度看，薄膜所處的環(huán)境是復雜多變的，涉及到溫度、空氣的濕度、日照時間、空氣中灰塵的濃度等因素。特別是空氣中的灰塵，一旦積聚在薄膜表面并形成化學結合，必將大大減弱薄膜的親水性能。TiO2薄膜必須不斷進行光催化降解而除去這些污染物，才能達到自清潔的效果。
親水型樹脂（乳液）也能實現(xiàn)外墻的自清潔，這是一種能夠在建筑外立面形成一層透明的親水性的膜層，具有導靜電特性，能增加表面光澤。