幕墻自清潔涂料:疏水性自清潔涂料的原理

隨著環(huán)境污染的不斷加劇，越來越嚴(yán)重的霧霾、油性煙霧、尾氣廢氣等給建筑外墻帶來嚴(yán)重的侵蝕，影響其美觀性、功能性及耐久性。耐沾污能力差是傳統(tǒng)外墻涂料普遍存在的缺點(diǎn)，在一定程度上制約了其應(yīng)用。因此，針對(duì)目前外墻涂料耐污能力不足的問題，具有自清潔功能的涂料成為研究開發(fā)的熱點(diǎn)。

清潔被污染的建筑外墻等不僅需要較高的投入，而且表面活性劑的使用會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，因此具有自清潔效果的功能涂料應(yīng)運(yùn)而生。自清潔涂料能夠借助雨水等自然條件沖刷保持戶外物件表面干凈，不僅能夠降低維護(hù)費(fèi)用，減少勞動(dòng)力的需求，同時(shí)可以將對(duì)環(huán)境的污染降到最低，可廣泛應(yīng)用于高層建筑、幕墻、橋梁及汽車、風(fēng)力發(fā)電等多個(gè)領(lǐng)域。

 1 疏水性自清潔涂料的基礎(chǔ)

自然界中普遍存在通過形成疏水表面來達(dá)到自清潔功能的現(xiàn)象，例如以荷葉為代表的多種植物的葉子和花?昆蟲的腿和翅膀等均表現(xiàn)出低粘附、自清潔能力，這種現(xiàn)象被稱為“荷葉效應(yīng)”?“荷葉效應(yīng)”的仿生學(xué)原理是自清潔技術(shù)開發(fā)的基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代，德國(guó)波恩大學(xué)植物家W.Barthlott和Neinhuis等系統(tǒng)地研究了荷葉表面的自清潔效應(yīng)，通過電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)荷葉表面生長(zhǎng)著無數(shù)微米乳突，并且其表面覆蓋著納米蠟質(zhì)晶體。2002年，中科院化學(xué)所江雷等研究發(fā)現(xiàn)荷葉表面微米乳突上還存在納米結(jié)構(gòu)，乳突的平均直徑為5~9μm，每個(gè)乳突表面還分布著直徑約為124nm的絨毛，研究還發(fā)現(xiàn)這些乳突之間也存在納米結(jié)構(gòu)(圖1)。大量研究證實(shí)，微米、納米級(jí)的微觀粗糙結(jié)構(gòu)及具有低表面能的蠟質(zhì)晶體的共同作用，使荷葉表面具有高水接觸角、低滾動(dòng)角，從而表現(xiàn)出超疏水自清潔效果。

 疏水性涂料的自清潔行為來源于其高的水接觸角和低的滾動(dòng)角。當(dāng)水珠滴在疏水表面上，液滴不能自動(dòng)擴(kuò)展，保持其球形狀態(tài)，減少與涂層的接觸面積。當(dāng)該表面具有一個(gè)較小的傾斜角時(shí)，液滴在涂層表面滾動(dòng)，污染物粘附在水珠表面被帶走，從而起到自清潔的作用。

2 疏水自清潔表面的制備方法

合適的表面粗糙度和低表面能物質(zhì)表面的潤(rùn)濕性能與表面的微觀結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。疏水表面的制備通常采用硅烷或氟碳鏈降低表面能，但研究表明在光滑的物體表面上通過化學(xué)方法調(diào)節(jié)表面能并不能完全實(shí)現(xiàn)超疏水自清潔的目的。因此，通過構(gòu)建合適的微觀粗糙結(jié)構(gòu)與引入低表面能物質(zhì)共同作用，才能更好地實(shí)現(xiàn)疏水自清潔。目前，制備仿荷葉效應(yīng)的疏水性自清潔表面的方法較多(表1)，通常采用多種方法聯(lián)用能夠達(dá)到更理想的效果。

 3 疏水性自清潔涂料

 合適的表面粗糙度和低表面能物質(zhì)是實(shí)現(xiàn)疏水自清潔的關(guān)鍵。根據(jù)“荷葉效應(yīng)”自清潔的原理，實(shí)現(xiàn)疏水自清潔的途徑主要有兩種：一是在粗糙表面上修飾低表面能物質(zhì)，通常用于制備疏水表面的低表面能材料主要有聚硅氧烷、氟碳化合物及其他有機(jī)物(如聚乙烯?聚苯乙烯等)；二是在疏水材料表面構(gòu)建類似荷葉表面的粗糙結(jié)構(gòu)，制備方法有無機(jī)納米粒子(如TiO2?SiO2?ZnO等)修飾、激光/等離子體/化學(xué)刻蝕、模板法、靜電紡絲法、溶膠-凝膠、自組裝、電化學(xué)沉積及化學(xué)氣相沉積等多種。