自清洁涂层

自清洁涂料在建筑幕墙上的应用

一、前言

氟碳铝板、玻璃幕墙等幕墙材料，因其装饰性强、工厂化生产、现场安装方便、容易更换回收等优点，在建筑外墙装饰方面获得越来越广泛的应用。但随着城市环境污染的加剧，装饰幕墙材料的污染也随之加剧。为了保证幕墙材料的装饰性，用于清洗建筑幕墙需要的成本也不断的增加，如需要消耗大量的水和人力成本。同时，楼宇清洗保洁行业是一个新兴的多学科的技术领域，它包含着化学、物理、机械、生物学等学科知识的应用（如干冰清洗、激光清洗、真空清洗、无水清洗等）。随着科学的发展，近年来新型建筑材料不断问世，并广泛运用在楼宇的外墙装饰上，从而增加了清洗难度，对传统的清洗保洁、养护方法提出了新的挑战。纳米氧化钛涂层不仅具有自洁性，而且能有效地阻挡了紫外线直接作用于暴露在阳光下的幕墙、广告牌等有色涂料，减缓其退色而长期不易老化，让建筑物保持清新靓丽。纳米氧化钛涂层还具有分解空气中的有害气体，起到净化环境空气之目的。据国外专家统计，1000平米的纳米涂层相当于70棵杨树的空气净化效果。更主要的是纳米氧化钛自洁涂料具有长效性，一次涂装可使用8～10年。

二、自清洁涂料原理

1972年，日本人Fujishima和Honda发现TiO2半导体的非均相光催化作用，1997年，R. Wang 发表了TiO2薄膜具有光诱导亲水特性的论文，这两个发现构成了TiO2超亲水自清洁涂料的技术基础，利用TiO2的光催化和光诱导超亲水性实现对表面膜的自清洁作用。

纳米TiO2是一种N半导体材料，在充满电子的价带和由空穴组成的导带之间存在一个禁带，当照射在纳米TiO2薄膜表面的紫外光的能量大于禁带宽度，纳米TiO2价带中的电子被激发，跃迁到导带，同时在价带形成空穴。导带中的电子与空气中的O2反应生成超氧负离子（O2-）；价带中的空穴与表面吸附的H2O形成羟基自由基（•OH）。羟基自由基具有强氧化性，能将吸

附在纳米TiO2涂膜表面的各种有机物降解为H2O和CO2。

纳米TiO2薄膜的光致亲水性是紫外光激发产生的电子—空穴对与表面TiO2晶体作用，在晶体表面形成均匀分布的亲水微区和疏水微区，每个微区的宽度只有十几个纳米，一个水滴要远比亲水微区大，因此可以在TiO2薄膜表面不断铺展。紫外光在TiO2薄膜表面形成的亲水微区是不稳定的，停止光照后，O2在TiO2表面的富集，使薄膜表面亲水性逐渐衰减，水与表面的接触角逐渐增大。再次有紫外光照射表面，又会有新的亲水微区再次形成。作为一种理想的超亲水自清洁涂层，就要尽量缩短光照射亲水响应时间，延缓暗处亲水性衰减的速度。

通常情况下幕墙涂料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。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，从而达到幕墙表面自清洁的目的。

三、自清洁涂料在幕墙上的应用

自清洁涂层本身是透明的，可和氟碳、玻璃、陶瓷涂料等配套使用，采用在线生产方式，自清洁涂料喷涂于外表面，升温固化后就会在幕墙表面形成稳定涂层，正常情况下形成的涂层是无色透明的隐形涂层，不会对下层装饰涂料的颜色产生影响。用于和大理石、乳胶漆配套时也可现场喷涂，常温自干。

例如KNT公司开发的“光丽洁”自清洁涂料是一种纳米TiO2溶胶产品，自清洁涂料在使用时通过喷涂工艺涂覆在幕墙表面。在干燥过程中，溶胶中的水蒸发，溶胶粒子沉积到幕墙表面形

成纳米TiO2薄膜涂层。在阳光照射下，这一涂层表现出超亲水的性能，借助雨水的冲刷可以清除表面吸附的污染物，同时这层纳米TiO2涂层作为光触媒，催化分解在幕墙表面吸附的各种有机污染物。

为了提高自清洁涂料的使用性能，KNT公司专门设计了针对“光丽洁”的过渡涂层（如图1所示），过渡涂层可采用与自清洁涂层相同的喷涂施工工艺。使用过渡涂层能够提高自清洁涂层的附着力，延长使用寿命，更重要的是能够使自清洁涂层充分表现出超亲水性，通常认为水接触角<5°为超亲水表面，过渡涂层表面的自清洁涂层接触角大约为1°左右，属于超亲水范围。另外过渡涂层也具有保护作用，防止自清洁涂层对底涂曾的可能伤害。

四、自清洁涂层的特点

1.光催化性能

在受到紫外光辐照后，纳米TiO2涂层受激发形成的超氧负离子和具有强氧化性的羟基自由基，能分解表面吸附的各类有机污染物，氧化去除氮氧化物、硫化物，杀灭与表面接触的霉菌、细菌等微生物。如果在室内应用，可显著降低甲苯、甲醛等有害气体浓度，净化室内空气。

2.亲水性

纳米TiO2涂层表面受紫外光激发形成羟基，羟基与水形成氢键而表现出超亲水性。超亲水的TiO2薄膜能够使水滴在表面迅速润湿铺展。这种特性使水能优先占据表面，而隔断了污染物与表面的联系，并被多余的水带走。同时形成的亲水膜很薄，使表面能够很快被风干，防止湿表面被空气中的灰尘二次污染。

3.自清洁性能

自清洁性能是TiO2涂层在户外应用时，光催化性和超亲水性的集中体现，与无自清洁涂层

保护的表面相比，纳米TiO2涂层表面具有明显的抗污染性，无需人工清洗就能够保持表面的清洁。图3和图4是上半部涂有纳米氧化钛涂膜，在氟碳和陶瓷涂料上对照实验照片，两个实验均表明纳米氧化钛具有优异的自清洁性。

五、自清洁性能的影响因素

1.光照强度与光照时间

纳米自清洁涂层是受紫外光激发产生超亲水性能，停止光照后亲水性衰减，一段时间后亲水性消失。光照强度和光照时间直接影响涂层的亲水性，进而影响自清洁性能。

2.涂膜结构

涂膜结构包括两方面，一是涂膜的组成，二是涂膜的厚度。例如“光丽洁”是由过渡层和面层（自清洁层）组成，过渡层能明显提高面层的附着力。面层涂膜的厚度对自清洁性能和附着力有较大的影响：涂层薄，涂膜亲水性变差暗处亲水性衰减快；涂层厚，涂膜亲水性变好和暗处亲水保持能力均提高；涂层过厚，附着力变差。

3. 其它因素

影响涂膜自清洁性能还有其他许多因素，如纳米氧化钛的晶型、晶粒尺寸等内在因素，还有自清洁涂膜使用时的环境因素，如PH、有机污染物的种类与污染程度等。

六、结束语

纳米TiO2化学性质稳定、无生物毒性，是一种能够安全使用的环保建材。纳米TiO2自清洁涂料能够利用阳光、雨水等自然力保持装饰幕墙的表面清洁，其推广和应用符合当前节能、环保的发展趋势。