自清潔涂料在建筑幕墻上的應(yīng)用
來(lái)源:中國(guó)幕墻網(wǎng)收集整理 作者:* 日期:2011-1-24 頁(yè)面功能 [字體：大 中 小] [ 打印 ] [ 投稿 ] [ 評(píng)論 ] [ 啄木鳥(niǎo) ]| 氟碳鋁板、玻璃幕墻等幕墻材料，因其裝飾性強(qiáng)、工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)安裝方便、容易更換回收等優(yōu)點(diǎn)，在建筑外墻裝飾方面獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 |
一、前言
氟碳鋁板、玻璃幕墻等幕墻材料，因其裝飾性強(qiáng)、工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)安裝方便、容易更換回收等優(yōu)點(diǎn)，在建筑外墻裝飾方面獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但隨著城市環(huán)境污染的加劇，裝飾幕墻材料的污染也隨之加劇。為了保證幕墻材料的裝飾性，用于清洗建筑幕墻需要的成本也不斷的增加，如需要消耗大量的水和人力成本。同時(shí)， 樓宇清洗保潔行業(yè)是一個(gè)新興的多學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，它包含著化學(xué)、物理、機(jī)械、生物學(xué)等學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用（如干冰清洗、激光清洗、真空清洗、無(wú)水清洗等）。隨著科學(xué)的發(fā)展，近年來(lái)新型建筑材料不斷問(wèn)世，并廣泛運(yùn)用在樓宇的外墻裝飾上，從而增加了清洗難度，對(duì)傳統(tǒng)的清洗保潔、養(yǎng)護(hù)方法提出了新的挑戰(zhàn)。納米氧化鈦涂層不僅具有自潔性，而且能有效地阻擋了紫外線直接作用于暴露在陽(yáng)光下的幕墻、廣告牌等有色涂料，減緩其退色而長(zhǎng)期不易老化，讓建筑物保持清新靚麗。納米氧化鈦涂層還具有分解空氣中的有害氣體，起到凈化環(huán)境空氣之目的。據(jù)國(guó)外專家統(tǒng)計(jì)，1000平米的納米涂層相當(dāng)于70棵楊樹(shù)的空氣凈化效果。更主要的是納米氧化鈦?zhàn)詽嵧苛暇哂虚L(zhǎng)效性，一次涂裝可使用8～10年。
二、自清潔涂料原理
1972年，日本人Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)TiO2半導(dǎo)體的非均相光催化作用，1997年，R. Wang發(fā)表了TiO2薄膜具有光誘導(dǎo)親水特性的論文，這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)構(gòu)成了TiO2超親水自清潔涂料的技術(shù)基礎(chǔ)，利用TiO2的光催化和光誘導(dǎo)超親水性實(shí)現(xiàn)對(duì)表面膜的自清潔作用。
納米TiO2是一種N半導(dǎo)體材料，在充滿電子的價(jià)帶和由空穴組成的導(dǎo)帶之間存在一個(gè)禁帶，當(dāng)照射在納米TiO2薄膜表面的紫外光的能量大于禁帶寬度，納米TiO2價(jià)帶中的電子被激發(fā)，躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶形成空穴。導(dǎo)帶中的電子與空氣中的O2反應(yīng)生成超氧負(fù)離子（O2-）；價(jià)帶中的空穴與表面吸附的H2O形成羥基自由基（•OH）。羥基自由基具有強(qiáng)氧化性，能將吸附在納米TiO2涂膜表面的各種有機(jī)物降解為H2O和CO2。
納米TiO2薄膜的光致親水性是紫外光激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)與表面TiO2晶體作用，在晶體表面形成均勻分布的親水微區(qū)和疏水微區(qū)，每個(gè)微區(qū)的寬度只有十幾個(gè)納米，一個(gè)水滴要遠(yuǎn)比親水微區(qū)大，因此可以在TiO2薄膜表面不斷鋪展。紫外光在TiO2薄膜表面形成的親水微區(qū)是不穩(wěn)定的，停止光照后，O2在TiO2表面的富集，使薄膜表面親水性逐漸衰減，水與表面的接觸角逐漸增大。再次有紫外光照射表面，又會(huì)有新的親水微區(qū)再次形成。作為一種理想的超親水自清潔涂層，就要盡量縮短光照射親水響應(yīng)時(shí)間，延緩暗處親水性衰減的速度。
通常情況下幕墻涂料表面的污染主要是吸附了空氣中懸浮的灰塵和有機(jī)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。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(xué)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(dāng)雨水滴落在涂層表面時(shí)，表面羥基與水之間形成氫鍵，氫鍵的作用力要遠(yuǎn)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(lái)吸附的灰塵被剩余的水帶走，而表面很難被水帶走的有機(jī)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(zhì)，從而達(dá)到幕墻表面自清潔的目的。
三、自清潔涂料在幕墻上的應(yīng)用
自清潔涂層本身是透明的，可和氟碳、玻璃、陶瓷涂料等配套使用，采用在線生產(chǎn)方式，自清潔涂料噴涂于外表面，升溫固化后就會(huì)在幕墻表面形成穩(wěn)定涂層，正常情況下形成的涂層是無(wú)色透明的隱形涂層，不會(huì)對(duì)下層裝飾涂料的顏色產(chǎn)生影響。用于和大理石、乳膠漆配套時(shí)也可現(xiàn)場(chǎng)噴涂，常溫自干。
例如KNT公司開(kāi)發(fā)的“光麗潔”自清潔涂料是一種納米TiO2溶膠產(chǎn)品，自清潔涂料在使用時(shí)通過(guò)噴涂工藝涂覆在幕墻表面。在干燥過(guò)程中，溶膠中的水蒸發(fā)，溶膠粒子沉積到幕墻表面形成納米TiO2薄膜涂層。在陽(yáng)光照射下，這一涂層表現(xiàn)出超親水的性能，借助雨水的沖刷可以清除表面吸附的污染物，同時(shí)這層納米TiO2涂層作為光觸媒，催化分解在幕墻表面吸附的各種有機(jī)污染物。
為了提高自清潔涂料的使用性能，KNT公司專門(mén)設(shè)計(jì)了針對(duì)“光麗潔”的過(guò)渡涂層（如圖1所示），過(guò)渡涂層可采用與自清潔涂層相同的噴涂施工工藝。使用過(guò)渡涂層能夠提高自清潔涂層的附著力，延長(zhǎng)使用壽命，更重要的是能夠使自清潔涂層充分表現(xiàn)出超親水性，通常認(rèn)為水接觸角<5°為超親水表面，過(guò)渡涂層表面的自清潔涂層接觸角大約為1°左右，屬于超親水范圍。另外過(guò)渡涂層也具有保護(hù)作用，防止自清潔涂層對(duì)底涂曾的可能傷害。
四、自清潔涂層的特點(diǎn)
1.光催化性能
在受到紫外光輻照后，納米TiO2涂層受激發(fā)形成的超氧負(fù)離子和具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基，能分解表面吸附的各類有機(jī)污染物，氧化去除氮氧化物、硫化物，殺滅與表面接觸的霉菌、細(xì)菌等微生物。如果在室內(nèi)應(yīng)用，可顯著降低甲苯、甲醛等有害氣體濃度，凈化室內(nèi)空氣。
2.親水性
納米TiO2涂層表面受紫外光激發(fā)形成羥基，羥基與水形成氫鍵而表現(xiàn)出超親水性。超親水的TiO2薄膜能夠使水滴在表面迅速潤(rùn)濕鋪展。這種特性使水能優(yōu)先占據(jù)表面，而隔斷了污染物與表面的聯(lián)系，并被多余的水帶走。同時(shí)形成的親水膜很薄，使表面能夠很快被風(fēng)干，防止?jié)癖砻姹豢諝庵械幕覊m二次污染。
3.自清潔性能
自清潔性能是TiO2涂層在戶外應(yīng)用時(shí)，光催化性和超親水性的集中體現(xiàn)，與無(wú)自清潔涂層保護(hù)的表面相比，納米TiO2涂層表面具有明顯的抗污染性，無(wú)需人工清洗就能夠保持表面的清潔。圖3和圖4是上半部涂有納米氧化鈦涂膜，在氟碳和陶瓷涂料上對(duì)照實(shí)驗(yàn)照片，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均表明納米氧化鈦具有優(yōu)異的自清潔性。
五、自清潔性能的影響因素
1.光照強(qiáng)度與光照時(shí)間
納米自清潔涂層是受紫外光激發(fā)產(chǎn)生超親水性能，停止光照后親水性衰減，一段時(shí)間后親水性消失。光照強(qiáng)度和光照時(shí)間直接影響涂層的親水性，進(jìn)而影響自清潔性能。
2.涂膜結(jié)構(gòu)
涂膜結(jié)構(gòu)包括兩方面，一是涂膜的組成，二是涂膜的厚度。例如“光麗潔”是由過(guò)渡層和面層（自清潔層）組成，過(guò)渡層能明顯提高面層的附著力。面層涂膜的厚度對(duì)自清潔性能和附著力有較大的影響：涂層薄，涂膜親水性變差暗處親水性衰減快；涂層厚，涂膜親水性變好和暗處親水保持能力均提高；涂層過(guò)厚，附著力變差。
3. 其它因素
影響涂膜自清潔性能還有其他許多因素，如納米氧化鈦的晶型、晶粒尺寸等內(nèi)在因素，還有自清潔涂膜使用時(shí)的環(huán)境因素，如PH、有機(jī)污染物的種類與污染程度等。
六、結(jié)束語(yǔ)
納米TiO2化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)生物毒性，是一種能夠安全使用的環(huán)保建材。納米TiO2自清潔涂料能夠利用陽(yáng)光、雨水等自然力保持裝飾幕墻的表面清潔，其推廣和應(yīng)用符合當(dāng)前節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)。
氟碳鋁板、玻璃幕墻等幕墻材料，因其裝飾性強(qiáng)、工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)安裝方便、容易更換回收等優(yōu)點(diǎn)，在建筑外墻裝飾方面獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但隨著城市環(huán)境污染的加劇，裝飾幕墻材料的污染也隨之加劇。為了保證幕墻材料的裝飾性，用于清洗建筑幕墻需要的成本也不斷的增加，如需要消耗大量的水和人力成本。同時(shí)， 樓宇清洗保潔行業(yè)是一個(gè)新興的多學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，它包含著化學(xué)、物理、機(jī)械、生物學(xué)等學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用（如干冰清洗、激光清洗、真空清洗、無(wú)水清洗等）。隨著科學(xué)的發(fā)展，近年來(lái)新型建筑材料不斷問(wèn)世，并廣泛運(yùn)用在樓宇的外墻裝飾上，從而增加了清洗難度，對(duì)傳統(tǒng)的清洗保潔、養(yǎng)護(hù)方法提出了新的挑戰(zhàn)。納米氧化鈦涂層不僅具有自潔性，而且能有效地阻擋了紫外線直接作用于暴露在陽(yáng)光下的幕墻、廣告牌等有色涂料，減緩其退色而長(zhǎng)期不易老化，讓建筑物保持清新靚麗。納米氧化鈦涂層還具有分解空氣中的有害氣體，起到凈化環(huán)境空氣之目的。據(jù)國(guó)外專家統(tǒng)計(jì)，1000平米的納米涂層相當(dāng)于70棵楊樹(shù)的空氣凈化效果。更主要的是納米氧化鈦?zhàn)詽嵧苛暇哂虚L(zhǎng)效性，一次涂裝可使用8～10年。
二、自清潔涂料原理
1972年，日本人Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)TiO2半導(dǎo)體的非均相光催化作用，1997年，R. Wang發(fā)表了TiO2薄膜具有光誘導(dǎo)親水特性的論文，這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)構(gòu)成了TiO2超親水自清潔涂料的技術(shù)基礎(chǔ)，利用TiO2的光催化和光誘導(dǎo)超親水性實(shí)現(xiàn)對(duì)表面膜的自清潔作用。
納米TiO2是一種N半導(dǎo)體材料，在充滿電子的價(jià)帶和由空穴組成的導(dǎo)帶之間存在一個(gè)禁帶，當(dāng)照射在納米TiO2薄膜表面的紫外光的能量大于禁帶寬度，納米TiO2價(jià)帶中的電子被激發(fā)，躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶形成空穴。導(dǎo)帶中的電子與空氣中的O2反應(yīng)生成超氧負(fù)離子（O2-）；價(jià)帶中的空穴與表面吸附的H2O形成羥基自由基（•OH）。羥基自由基具有強(qiáng)氧化性，能將吸附在納米TiO2涂膜表面的各種有機(jī)物降解為H2O和CO2。
納米TiO2薄膜的光致親水性是紫外光激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)與表面TiO2晶體作用，在晶體表面形成均勻分布的親水微區(qū)和疏水微區(qū)，每個(gè)微區(qū)的寬度只有十幾個(gè)納米，一個(gè)水滴要遠(yuǎn)比親水微區(qū)大，因此可以在TiO2薄膜表面不斷鋪展。紫外光在TiO2薄膜表面形成的親水微區(qū)是不穩(wěn)定的，停止光照后，O2在TiO2表面的富集，使薄膜表面親水性逐漸衰減，水與表面的接觸角逐漸增大。再次有紫外光照射表面，又會(huì)有新的親水微區(qū)再次形成。作為一種理想的超親水自清潔涂層，就要盡量縮短光照射親水響應(yīng)時(shí)間，延緩暗處親水性衰減的速度。
通常情況下幕墻涂料表面的污染主要是吸附了空氣中懸浮的灰塵和有機(jī)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。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(xué)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(dāng)雨水滴落在涂層表面時(shí)，表面羥基與水之間形成氫鍵，氫鍵的作用力要遠(yuǎn)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(lái)吸附的灰塵被剩余的水帶走，而表面很難被水帶走的有機(jī)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(zhì)，從而達(dá)到幕墻表面自清潔的目的。
三、自清潔涂料在幕墻上的應(yīng)用
自清潔涂層本身是透明的，可和氟碳、玻璃、陶瓷涂料等配套使用，采用在線生產(chǎn)方式，自清潔涂料噴涂于外表面，升溫固化后就會(huì)在幕墻表面形成穩(wěn)定涂層，正常情況下形成的涂層是無(wú)色透明的隱形涂層，不會(huì)對(duì)下層裝飾涂料的顏色產(chǎn)生影響。用于和大理石、乳膠漆配套時(shí)也可現(xiàn)場(chǎng)噴涂，常溫自干。
例如KNT公司開(kāi)發(fā)的“光麗潔”自清潔涂料是一種納米TiO2溶膠產(chǎn)品，自清潔涂料在使用時(shí)通過(guò)噴涂工藝涂覆在幕墻表面。在干燥過(guò)程中，溶膠中的水蒸發(fā)，溶膠粒子沉積到幕墻表面形成納米TiO2薄膜涂層。在陽(yáng)光照射下，這一涂層表現(xiàn)出超親水的性能，借助雨水的沖刷可以清除表面吸附的污染物，同時(shí)這層納米TiO2涂層作為光觸媒，催化分解在幕墻表面吸附的各種有機(jī)污染物。
為了提高自清潔涂料的使用性能，KNT公司專門(mén)設(shè)計(jì)了針對(duì)“光麗潔”的過(guò)渡涂層（如圖1所示），過(guò)渡涂層可采用與自清潔涂層相同的噴涂施工工藝。使用過(guò)渡涂層能夠提高自清潔涂層的附著力，延長(zhǎng)使用壽命，更重要的是能夠使自清潔涂層充分表現(xiàn)出超親水性，通常認(rèn)為水接觸角<5°為超親水表面，過(guò)渡涂層表面的自清潔涂層接觸角大約為1°左右，屬于超親水范圍。另外過(guò)渡涂層也具有保護(hù)作用，防止自清潔涂層對(duì)底涂曾的可能傷害。
四、自清潔涂層的特點(diǎn)
1.光催化性能
在受到紫外光輻照后，納米TiO2涂層受激發(fā)形成的超氧負(fù)離子和具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基，能分解表面吸附的各類有機(jī)污染物，氧化去除氮氧化物、硫化物，殺滅與表面接觸的霉菌、細(xì)菌等微生物。如果在室內(nèi)應(yīng)用，可顯著降低甲苯、甲醛等有害氣體濃度，凈化室內(nèi)空氣。
2.親水性
納米TiO2涂層表面受紫外光激發(fā)形成羥基，羥基與水形成氫鍵而表現(xiàn)出超親水性。超親水的TiO2薄膜能夠使水滴在表面迅速潤(rùn)濕鋪展。這種特性使水能優(yōu)先占據(jù)表面，而隔斷了污染物與表面的聯(lián)系，并被多余的水帶走。同時(shí)形成的親水膜很薄，使表面能夠很快被風(fēng)干，防止?jié)癖砻姹豢諝庵械幕覊m二次污染。
3.自清潔性能
自清潔性能是TiO2涂層在戶外應(yīng)用時(shí)，光催化性和超親水性的集中體現(xiàn)，與無(wú)自清潔涂層保護(hù)的表面相比，納米TiO2涂層表面具有明顯的抗污染性，無(wú)需人工清洗就能夠保持表面的清潔。圖3和圖4是上半部涂有納米氧化鈦涂膜，在氟碳和陶瓷涂料上對(duì)照實(shí)驗(yàn)照片，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均表明納米氧化鈦具有優(yōu)異的自清潔性。
五、自清潔性能的影響因素
1.光照強(qiáng)度與光照時(shí)間
納米自清潔涂層是受紫外光激發(fā)產(chǎn)生超親水性能，停止光照后親水性衰減，一段時(shí)間后親水性消失。光照強(qiáng)度和光照時(shí)間直接影響涂層的親水性，進(jìn)而影響自清潔性能。
2.涂膜結(jié)構(gòu)
涂膜結(jié)構(gòu)包括兩方面，一是涂膜的組成，二是涂膜的厚度。例如“光麗潔”是由過(guò)渡層和面層（自清潔層）組成，過(guò)渡層能明顯提高面層的附著力。面層涂膜的厚度對(duì)自清潔性能和附著力有較大的影響：涂層薄，涂膜親水性變差暗處親水性衰減快；涂層厚，涂膜親水性變好和暗處親水保持能力均提高；涂層過(guò)厚，附著力變差。
3. 其它因素
影響涂膜自清潔性能還有其他許多因素，如納米氧化鈦的晶型、晶粒尺寸等內(nèi)在因素，還有自清潔涂膜使用時(shí)的環(huán)境因素，如PH、有機(jī)污染物的種類與污染程度等。
六、結(jié)束語(yǔ)
納米TiO2化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)生物毒性，是一種能夠安全使用的環(huán)保建材。納米TiO2自清潔涂料能夠利用陽(yáng)光、雨水等自然力保持裝飾幕墻的表面清潔，其推廣和應(yīng)用符合當(dāng)前節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)。
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