透明自清洁涂料的特性及应用

咸才军 王建平

北京首创纳米科技有限公司  

外立面作为建筑风格的主要体现元素，不仅体现了建筑的形象、气质，更可能是她的灵魂。建筑外立面的主要装饰材料包括玻璃、陶瓷、金属、石材、木材、混凝土、膜材料、涂料等，它们的不同特点能够满足现代都市建筑的多种需要。但由于目前国内环境各种污染严重，导致无论哪种材料的外立面经过一、两年后就显得脏旧不堪，还有满目皆是涂鸦小广告粘贴等现象，导致建筑形象受损、维护成本大幅度增加。“自清洁”概念自20世纪90年代提出以来，对其的研究和商品化进程发展迅速。当前，自清洁涂料并不局限于建筑涂料行业，还出现在与人们生活息息相关的电器和电子设备、汽车和温室等诸多应用领域。由于具有环保和节省清洗费用等优点,透明自清洁涂料越来越受到市场的青睐,并将在未来扮演重要的角色。

一、自清洁涂层

自清洁涂层能够使表面污染物或灰尘颗粒在重力、雨水、风力等外力作用下自动脱落或通过光催化降解而除去，具有节水、节能、环保等优点，在建筑、交通、 新能源等行业具有重要的应用前景。近年来，它已成为先进功能涂料的研究热点。

根据自清洁的原理不同,自清洁涂料可以分为超疏水和超亲水两类，它们都是通过水的作用达到本身自清洁效果的。所不同的是，超疏水涂料是通过水滴的滚动带走污物，而超亲水涂料是通过在其表面形成水膜并带走或隔绝污染物而实现自清洁的作用。尤其是后者在光辐射下还具有光催化特性,可以降解有机物，进一步起到杀菌消毒和净化环境的作用。

二、超疏水自清洁涂料

研究发现，物体的表面如果具有超疏水性，水珠就不能在其表面浸润，将会带走污物而具有自清洁的效果。可以通过两种途径制备超疏水表面，一是利用荷叶效应 ，在物体表面构建粗糙的微观结构；一是在物体表面进行化学修饰，引入低表面能的物质组分，如氟硅烷。这两种方法既可以单独应用,也可以结合并用。

德国植物学家Barthlott等对荷叶等2万种植物叶面进行了观察、研究，发现荷叶的表面是由无数微米尺寸的乳突和其表面分布的纳米蜡质晶体构成的（图2-1），首次提出了荷叶效应概念，并模仿荷叶效应申请了涂料专利。精细的研究发现，荷叶表面的乳突粒径5~9nm，蜡质晶体大于100nm。当水珠与蜡质晶体接触时，明显地减小了水珠与荷叶表面的接触面积，扩大了水珠与空气的界面。这种情况下，液滴不会自动扩展，而是保持其球形状态。一般的污染物尺寸比蜡质晶体大，只会落在乳突的顶部，且大多数的污染物比蜡晶体更易润湿，当水珠在荷叶上面滚动时，污染物会粘附在水珠表面而被带走，从而达到自清洁效果。

图1 荷叶微观结构图

图2 疏水型自清洁涂料的效果

超疏水涂料存在问题及解决途径

超疏水自清洁涂料的稳定性和耐久性问题一直是制约其规模应用的瓶颈。因为超疏水涂料的制备牵涉复杂的设计和步骤，需要在基材表面上构建纳米尺度的粗糙结构，因此使用过程中的腐蚀以及磨损都会过早加速其表面结构的损耗,严重时造成超疏水特性的丧失。与自然界中的荷叶新陈代谢不断再生新的自清洁表面不同，人工构建的自清洁表面很难实现自清洁效果的再生回复。疏水型涂料的实际使用在内墙涂料上自清洁效果更明显，对涂料生产企业来说，添加疏水剂的方式就可以实现荷叶效果涂料，如北京首创纳米公司生产的SS-1型疏水剂等。

令人遗憾的是，尽管已有在疏水表面进行再生方法的研究，但关于超疏水表面稳定性和耐久性问题的研究鲜有文献报道。应当看到的是，由于超疏水自清洁涂料所具有的应用价值，这种涂料将会继续发展，而解决其稳定性与寿命的问题将是该涂料向应用技术层面转变的重要研究方向。

三、超亲水自清洁涂料

超亲水自洁涂料是指水落在该材料表面，水滴接触角小于5度，从外观上看即水在该材料表面不会形成水滴而是水膜。另外，超亲水材料跟水的亲和力远大于跟灰尘以及其他脏污的亲和力，所以在下雨或有用水冲的情况下，超亲水自洁涂料会优先跟水结合，在基材表面形成均匀水膜，从而使水可以渗透到污染物下面并将其浮起，把脏污从超亲水自洁涂层分离开，在重力作用下水膜持续的流动，可以从污染物的根部进行全面冲洗，彻底清除带走灰尘污物。

超亲水自洁涂料主要研究为纳米二氧化钛型超亲水自洁涂料。

通常情况下表面的污染主要是吸附了空气中悬浮的灰尘和有机物造成的，这种吸附在初期主要是由于静电力造成的静电吸附和范德华力造成的物理吸附。纳米二氧化钛自清洁涂层受到紫外光照射后，纳米TiO₂涂膜表现出超亲水性能，在涂膜表面形成化学吸附水和物理吸附水，吸附水的存在有利于消除涂层表面的静电，消除静电力。自清洁涂层表面形成的羟基是亲水的，当雨水滴落在涂层表面时，表面羟基与水之间形成氢键，氢键的作用力要远大于范德华力，因此水取代灰尘吸附于涂层表面，表面上原来吸附的灰尘被剩余的水带走，而表面很难被水带走的有机吸附物，在纳米TiO₂的光催化作用下被分解，形成水、二氧化碳和可以被水带走的小分子物质，从而达到表面自清洁的目的。

TiO₂能直接利用包括太阳光在内的各种途径的紫外光，在室温下对各种有机的或无机的污染物进行分解或氧化，从空气中清除这些污染物。TiO₂是一种n型半导体材料，有强的氧化性和还原性。在光化学反应中，以TiO₂作催化剂，在太阳光，尤其是在紫外线的照射下，使TiO₂固体表面生成空穴(h+)和电子(e-)。空穴(h+)使H₂O氧化，电子(e-)使空气中的O₂还原，使有机物氧化为CO₂、H₂O等简单的无机物。

该项技术具有能耗低、易操作、除净度高等特点，尤其对一些特殊的污染物具有比其他方法更突出的去污效果，而且没有二次污染等，成为多相光催化领域的研究热点，具有广泛的应用前景。

从实际应用角度看，薄膜所处的环境是复杂多变的，涉及到温度、空气的湿度、日照时间、空气中灰尘的浓度等因素。特别是空气中的灰尘，一旦积聚在薄膜表面并形成化学结合，必将大大减弱薄膜的亲水性能。TiO₂薄膜必须不断进行光催化降解而除去这些污染物，才能达到自清洁的效果。

亲水型树脂（乳液）也能实现外墙的自清洁，这是一种能够在建筑外立面形成一层透明的亲水性的膜层，具有导静电特性，能增加表面光泽。