自清洁涂料的发展

TiO2基耐沾污涂料

孙旭东张子勇*

（暨南大学理工学院材料科学与工程系广州510632）

摘要：自“耐沾污”概念提出以来，耐沾污涂料的研究和商品化进程发展迅速，尤以TiO2基耐沾污涂料成为近来研究的焦点，其耐沾污机理是通过在基材表面降解或形成水膜带走或隔绝污染物。其次，在光辐射下，TiO2基耐沾污涂料还具有光催化特性，不仅耐沾污，还可以降解有机物，具有杀菌消毒和净化环境的作用。本文将对TiO2基耐沾污涂料的分类、机制、制备方法以及发展现状进行介绍。

关键词：耐沾污涂料光催化

TiO2-based stain resistant coating

SUN Xudong ZHANG Ziyong*

Department of Materials Science and Engineering，Science & Industry College，Jinan University，Guang

zhou 510632

Abstract: The concept of “Self-cleaning” has been suggested since the 1920s, Self-cleaning coatings have received a great deal of attention lately, both in research and in commercial application. The field of self-cleaning coatings is divided into two categories: superhydrophobic and superhydrophilic. These two types of coatings both clean themselves through the action of water, the former by rolling droplets and the latter by sheeting water that carries away dirt. The latter, however, have an additional property: they can chemically degrade adsorbed dirt in sunlight, as well as disinfection and purifying the air. This review will discuss the classification, mechanisms, preparation method and development involved in self-cleaning coatings.

Keywords: Self-cleaning coatings Superhydrophobic film Superhydrophilic film Lotus-effect

1．引言

外墙涂料色彩丰富、饰面灵活多样，能表达丰富多彩的建筑风格，施工方便，易于维护，自重轻，安全可靠，已经成为国家极力倡导推广的外墙饰面材料。但是，外墙涂层耐沾污能力不足制约着我国外墙涂料推广应用的突出技术难题。外墙涂层被污染，大大影响了建筑的美观性和耐久性。所以，在考察建筑外墙涂料性能的重要指标中，引入了涂料的耐沾污性能。从环保和节能考虑，具有耐沾污功能的涂料逐渐或者已经受到人们的关注。当前，耐沾污涂料并不局限于建筑涂料行业，

更多的是出现在电器和电子设备、汽车、包装、印刷等诸多应用领域。由于具有环保和节省清洗费用等优点，耐沾污涂料越来越受到市场的青睐，并将在未来扮演着重要角色。

2.1 TiO2光催化耐沾污涂料

TiO2的光催化活性于上世纪70年代被Fujishima[53]首次报道以来，TiO2作为一种高效的光催化剂得到了广泛的研究[54, 55].因其无毒、化学惰性、便宜、来源丰富以及易于在薄膜上处理与沉积，现已广泛应用于制备超亲水耐沾污涂料。目前，已经商品化的耐沾污产品系列有玻璃、瓷砖、铝墙板、塑料薄膜等等，其中耐沾污玻璃的应用规模占据首位。

TiO2是一种半导体氧化物，天然存在的TiO2有三种晶型－金红石型、锐钛矿型和板钛矿型。其中，金红石型和锐钛矿型是常温常压下的稳定晶型。尽管两者只是晶体结构的不同，但性质却迥然有别。锐钛矿型TiO2比金红石型TiO2有更高的光催化活性。锐钛矿型TiO2的光学禁带能级为3.25 ev，能够吸收＜400 nm的紫外光，产生空穴h+和电子e-，如图2所示[56]。尽管大部分的空穴和电子能够快速复合湮灭，但仍有一些迁移到TiO2表面。在TiO2表面，e-与O2反应生成•O2－，很快攻击周围的有机分子；光生空穴与水反应生成•OH。这两种自由基共同作用分解有机化合物，转化为最终产物CO2和H2O。该反应过程相当高效和洁净，并最终使得涂膜表面清洁。Wang [55]研究小组发现，在雨水的帮助下，TiO2表面耐沾污效果会得到大大加强。其光催化耐沾污表面净化过程示意图见图3[57]。

这种TiO2的光催化耐沾污反应过程强烈依赖于涂料组分[58]、TiO2制备方法、TiO2晶型结构[59]以及基材类别[60]。这种方法只适用于无机基材，因为同样的光催化可以导致诸如塑料等有机基材的降解。在这种情况下，增加具有有机/无机分级结构的中间层就显得十分必要。这对技术开发与经济性同时提出挑战。但在社会需求的情况下，已有国内外公司开发出基于TiO2光催化特性的耐沾污玻璃的各种制备方法，如金属钛的加热阳极氧化法、电子束沉积法、磁控溅射法、化学气相沉积法、金属有机化学气相沉积法、等离子体增强的化学气相沉积法、热溶胶法以及Sol-Gel等。其中，以化学气相沉积、磁控溅射和Sol-Gel法应用最广。

Mellott [61]等采用Sol-Gel法制备了TiO2光催化耐沾污玻璃。与采用CVD法制备的商业级别耐沾污玻璃相比，Sol-Gel制备的耐沾污玻璃显示出相对高的光催化性能以及耐沾污特性，以及优异的耐化学性。石玉英[62]等在制备硅丙外墙涂料时采用适量易粉化的锐钛型TiO2颜料,涂膜在紫外线照射下TiO2光催化使得树脂涂膜微粉化,使沾在墙体上的灰尘随之脱落,墙体能长期保持清洁。Guan K[58]采用Sol-Gel浸涂烧结法在硅酸盐玻璃上沉积了一层TiO2/SiO2耐沾污涂膜，并讨论了光催化性、光