|
随着环境污染越来越严重，雾霾、油性烟雾、尾气废气等给建筑外墙带来严重的侵蚀，影响其美观性、耐久性等。耐沾污能力差是传统外墙涂料普遍存在的缺点，在一定程度上制约了其应用。因此，针对目前外墙涂料耐污能力不足的问题，具有自清洁功能的涂料成为研究开发的热点。
清洁被污染的建筑外墙等不仅需要高投入，而且表面活性剂的使用会对环境造成严重污染，因此具有自清洁效果的功能涂料应运而生。
1 疏水性自清洁涂料的基础
自然界中普遍存在通过形成疏水表面来达到自清洁功能的现象，例如以荷叶为代表的多种植物的叶子和花昆虫的腿和翅膀等均表现出低粘附、自清洁能力，这种现象被称为“荷叶效应”。“荷叶效应”的仿生学原理是自清洁技术开发的基础。20世纪70年代，德国波恩大学植物家W.Barthlott和Neinhuis等系统地研究了荷叶表面的自清洁效应，通过电子显微镜观察发现荷叶表面生长着无数微米乳突，并且其表面覆盖着纳米蜡质晶体。2002年，中科院化学所江雷等研究发现荷叶表面微米乳突上还存在纳米结构，乳突的平均直径为5~9μm，每个乳突表面还分布着直径约为124nm的绒毛，研究还发现这些乳突之间也存在纳米结构(图1)。大量研究证实，微米、纳米级的微观粗糙结构及具有低表面能的蜡质晶体的共同作用，使荷叶表面具有高水接触角、低滚动角，从而表现出超疏水自清洁效果。
图1 荷叶表面微观结构模型
疏水性涂料的自清洁行为来源于其高的水接触角和低的滚动角。当水珠滴在疏水表面上，液滴不能自动扩展，保持其球形状态，减少与涂层的接触面积。当该表面具有一个较小的倾斜角时，液滴在涂层表面滚动，污染物粘附在水珠表面被带走，从而起到自清洁的作用。
2 疏水自清洁表面的制备方法
疏水表面的制备通常采用硅烷或氟碳链降低表面能，但研究表明在光滑的物体表面上通过化学方法调节表面能并不能完全实现超疏水自清洁的目的。因此，通过构建合适的微观粗糙结构与引入低表面能物质共同作用，才能更好地实现疏水自清洁。目前，制备仿荷叶效应的疏水性自清洁表面的方法较多(表1)，通常采用多种方法联用会达到更理想的效果。
表１ 疏水自清洁表面的制备方法
3 疏水性自清洁涂料
合适的表面粗糙度和低表面能物质是实现疏水自清洁的关键。根据“荷叶效应”自清洁的原理，实现疏水自清洁的途径主要有两种：一是在粗糙表面上修饰低表面能物质，通常用于制备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机物(如聚乙烯聚苯乙烯等)；二是在疏水材料表面构建类似荷叶表面的粗糙结构，制备方法有无机纳米粒子(如TiO2SiO2ZnO等)修饰、激光/等离子体/化学刻蚀、模板法、静电纺丝法、溶胶-凝胶、自组装、电化学沉积及化学气相沉积等多种。
3.1低表面能聚合物自清洁涂料
低表面能物质易在聚合物表面富集，显著改善聚合物的耐水性，使聚合物具有较好的疏水性。因此，具有耐氧化和低表面能等显著优点的有机硅、有机氟等物质常被用来制备超水自清洁表面。聚二甲基硅氧烷因其固有的变形性和疏水特性常用来制备疏水表面。Jin等利用激光刻蚀法在PDMS表面制备了具有微米、纳米粗糙结构的超疏水表面，测得表面的水接触角高达160°，具有良好的疏水自清洁性能。Khorasani等利用CO2脉冲激光作为激发源在PDMS表面引入过氧化物基团对其进行表面改性，利用过氧化基团在PDMS表面接枝甲基丙烯酸2-羟乙基酯的高聚物。实验表明，由于PDMS表面的多孔性及高聚物链段的存在，涂层表面的水接触角高达到175°，具有优异的疏水性能。
Hwang等采用喷射沉积方法由3-[三[(三甲基硅烷)氧]-硅]丙基丙烯酸酯和甲基丙烯酸甲酯的无规共聚物制备了透明的超疏水表面。该表面具有类似荷叶表面的微观粗糙结构，具有高的水接触角和低的滞后角，此外该疏水表面在可见光波长范围内是透明的。目前，喷射沉积法作为一种制备超疏水表面的方法可适用于大规模的制备过程，具有经济，简便的优点，其原理如图２。
图2 喷射沉积法原理示意图
3.2无机纳米粒子复合聚合物自清洁涂料
随着纳米技术的发展，纳米复合物的良好性能为涂料的功能化拓展了新思路。纳米粒子应用于涂料中，不仅可以增强涂层的稳定性和机械性能，而且能够制备出具有高接触角的疏水自清洁表面。无机纳米粒子(如纳米SiO2 ，TiO2等)是制备仿生疏水自清洁表面的常用材料。
Ding等通过简单混合氟化聚硅氧烷和TiO2纳米粒子制备了能够室温固化的疏水性自清洁表面，该涂层不但能在不同环境下保持优良的耐久性，而且具有耐油污性能。因此，采用该方法可以制备具有长期疏水性和光催化自清洁性能的自清洁涂料，应用于建筑、桥梁、船舶的防污涂料等方面。
4 自清洁水性涂料
水性聚氨酯具有强度高、附着力强、耐磨性好等优点，但是亲水链段的引入使涂膜具有较高的表面能，使其耐水性变差，科研人员对此做了深入的研究工作。Wu等通过聚合作用在水性聚氨酯主链上引入聚二甲基硅氧烷，非极性的PDMS链段和高极性的聚氨酯链段在溶度参数方面的差异导致PDMS在空气-聚合物界面富集,相分离程度增大，形成粗糙结构。因此，PDMS的富集和粗糙结构共同作用使涂膜表面接触角高达156.5°，形成超疏水表面，并且超疏水涂膜在大部分可见光区域的光学透过率约为78%~87%。超疏水性和透光性将进一步扩大水性聚氨酯的在环境保护和工业上的应用。
5 结语
自清洁涂料具有环境友好及资源节约等优点，同时其广泛应用于建筑、户外幕墙、自清洁玻璃、太阳能电池板，生物医用设备等多个领域。
水性自清洁涂料不仅有利于环保，同时无需耗费大量资源维护，符合现代社会发展的要求，有着巨大的发展潜力。但是，目前水性自清洁涂料仍然存在一些亟待解决的问题，例如疏水涂料的稳定性和耐久性、疏水自清洁性能的强度以及如何实现大面积制备疏水自清洁涂层等。随着多种制备方法的出现和联合使用，以及有机-无机杂化技术的不断发展，开发环境友好、耐污性能稳定、施工方便的多功能水性自清洁涂料将是未来发展的主要方向。
|
