玻璃幕墙专用纳米自清洁涂层的研究

玻璃幕墙专用纳米自清洁涂层的研究玻璃幕墙是一种美观新颖的建筑墙体装饰方法，能充分体现建筑师的 想象力，展示建筑物的现代风格，发挥玻璃本身的特性，使建筑物显 得别具一格。然而在大量使用的玻璃幕墙中存在着耐污性差的问题。尤其在大气含 尘量较多、空气污染严重、干旱少雨的北方地区，玻璃幕墙极易蒙尘 纳垢，出现色泽不均匀，波纹各异，使得光反射不可控，导致光环境 杂乱，破坏城市景观。由于玻璃幕墙上所粘附的污垢种类不同，结合力和结合方式不同，在 幕墙上的沉积时间不同，所以清洗起来有很大不同，也就对幕墙清洗 剂提出一系列技术要求。玻璃幕墙清洗的难度大，而且大量使用有机 溶剂，清洗后易对周围环境造成污染，清洗废液的排放也是难题。因 此，开发具有自清洁功能的涂层玻璃成为当前研究的重点。 国内自洁玻璃研究现状 纳米技术赋予建筑玻璃自洁功能的研究方兴未艾，我国国内主要集中 在纳米光触媒自洁玻璃。它的自洁原理为：光触媒自洁玻璃膜中含有 一种具有光催化活性的纳米材料（TiO2）,它能吸收一定波长的光，产 生自由电子和空穴，使膜表面吸咐的污染物发生氧化还原分解而除去 并杀死表面微菌，达到自洁的目的。已有研究表明可以将空气中有机 物和氨化物等有害污染分子除去。这种涂层的基本功能是：（ 1）超亲水功能。应用这个功能玻璃可以将水完全均匀地在玻璃表面铺展开来，同时浸润玻璃和污染物，最终通过水的重力将附着在玻璃 上的污染物带走，而且也可以起到一定的防雾作用。（2）光催化功能。在紫外线的照射下， 光触媒对有机物会有分解作用， 对于无机物不产生任何作用。现有的自洁玻璃大都采用TiO2涂层，而TiO2禁带宽度为3.2eV,激发 光的波长要在 385nm 以下，仅采用紫 外线才能起光催化作用， 而太阳 辐射能量中紫外线只占 4%-6%因. 此，在自然条件下，光触媒自洁的功 效难以发挥。特别是在阴雨多云天和面北的玻璃幕墙都难以发生光催 化反应。此外，锐钛矿型TiO2的不同晶面光催化能力不同，001面的催化效果 还不及 110面的一半，要控制高催化能力晶面的朝向也是棘手的问题。 光触媒自洁玻璃存在的另一问题是膜层的耐久性问题。 Pilkington 公司 介绍自洁玻璃使用寿命为 1 0年，国内自洁玻璃研究报告还未涉及此问 题。自洁玻璃的寿命长短可从两方面来考虑，一方面是玻璃表面涂覆 半导体膜材料会在光催化反应中被降解；另一方面是半导体膜在长期 反复受紫外线照射下光催化功能的衰减，这些问题都限制了光触媒在 自然条件下户外应用的可行性。专用纳米自清洁涂层问世 最近中国科学院过程分析所的纳米粉体大规模制备与应用创新课题组 研制出了一种玻璃幕墙专用纳米自清洁涂层。 该课题组从 1 995年就开 始进行有机 -无机杂化膜的研究，在国内第一次将无机纳米粒子引入有 机-无机杂化膜的研究， 在国内第一次将无机纳米粒子引入有机 -无机杂 化膜来提高基材各项性能的实验室，经过多年的研究和探索，成功研 制出多种纳米复合涂层。由于该涂层制备过程中，应用了多种纳米材 料和纳米技术，从而大大提高了涂层的耐洗刷性、附着力、光洁度、 抗老化性、 表面硬度以及防粘污、 自洁、 抗菌、防霉等环境净化性能。 针对目前玻璃幕墙在使用过程中存在的不足以及市场需求，该技术主 要通过在特种涂层体系中引入特殊纳米粒子及其他功能单元来赋予涂 层耐污自洁功能。 纳米涂层体系在不影响玻璃透过率的情况下，隔绝了玻璃与外界的接 触，使得灰尘等污垢难以通过库仑力与玻璃结合。涂层体系本身与玻 璃表面形成共价键牢固结合，耐久性优异。同时，涂层特有的疏水性 能使得含有机物、 无机盐以及夹带污垢的雨水不会在玻璃上留下水纹， 具有荷叶效应。涂层对静电具有缓冲和导除能力，杜绝了灰尘的静电 吸附，这样大大提高了玻璃幕墙的防污自清洁性能。 在常压室温下，采取喷涂工艺对玻璃进行在线敷膜，设备费用低，易 操作。具体有三种加工方式：烘烤（温度在 15oC 左右）、反复擦拭喷 涂表面、毛刷打磨喷涂面。相关性能检测 接触角。实际当中，玻璃表面与水的接触角变化很大。通过接触角测 试仪测量，涂膜前后接触角由20o增加到1100,疏水性良好。接触到 玻璃夹带污物的水滴、油滴迅速滑落而不附着其上形成水纹，具有良好的自洁性能。透射系数。涂敷纳米涂层的玻璃样板委托国家化工建筑材料测试中心按国家标准（GB/T18915.1-18915.2-2002进行透射系数测试。实验表 明，涂敷前后透射系数分别为 77.12、79.36，透射系数没有下降，涂层 不影响玻璃的光透过率。抗老化性。涂敷纳米涂层的玻璃样板委托国家化工建筑材料测试中心根据国家标准（GB/T16422.2-1999进行人工加速老化测试。测试条件为I辐照强度0.5W/m2，黑板温度65oc _3oC,相对温度（50 _5）%， 喷水周期为每次喷水时间18min，两次喷水之间的无水时间为 120min, 经过2000h涂层表面无破损等现象。总色差 E为1.03,变色零级，涂 层抗老化性能优越。涂层厚度。利用日本电子JSM-5700场发射电子显微镜对玻璃涂层表面 形相貌和厚度进行测试，涂层厚度约为 2um，玻璃表面平整、光洁。 附着力按照 GB/T9286-1998 来考察涂层附着力即结合强度，采用 20o 单刃刀具间隔 2mm 对涂层进行划格，与标准中试验结果分级图比较， 十字交叉切割区无任何脱落，说明涂层与玻璃结合牢固。耐酸性。配制 5%的盐酸溶液（ pH 值=1.5），将涂敷纳米涂层的玻璃样 板浸入其中， 24 小时取出，薄膜疏水角不变，表面无变色、无裂痕、 无起泡、无粉化等现象。涂层具有抵御酸雨侵蚀的能力。玻璃幕墙在实际使用过程中容易污染，将纳米技术用于对玻璃涂层进 行升级改造， 制备出具有自清洁功能的涂层是解决幕墙玻璃易污 染问 题的可行途径。无论是何种纳米技术生产的纳米材料，只有各种耐久 性能优异，便于规模化加工的纳米材料才能应用到真正的生产中去。 玻璃幕墙专用纳米自清洁涂层实际的大规模生产以及应用的实例还不 多，还需要在生产和应用中不断探索和改进。