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納米超親水技術

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與國際頂尖實驗室聯(lián)合研制對接,國內唯一成熟掌握超親水技術“碧然原子材料技術聯(lián)合實驗室”技術轉化,實現(xiàn)超親水納米涂層產品化。



超親水技術


    日本東京大學的Wang 等發(fā)現(xiàn)納米TiO2在UV 光照射下表現(xiàn)出超親水性。納米TiO2薄膜最初的接觸角為幾十度,經紫外光照射后接觸角降低,水直接平鋪在了薄膜上,接觸角接近于0°。將納米TiO2涂層玻璃暴露在水蒸汽中時,這種潤濕性的變化更明顯。在沒有UV 光照射時,被激活的表面發(fā)生反轉,接觸角重新變?yōu)閹资?將表面再次暴露在UV光下其親水性可以再次恢復。同時也發(fā)現(xiàn),紫外光的照射可以使TiO2表現(xiàn)出高親油性,這就是納米TiO2獨特的兩親性質。Hasan 和Kavich 等發(fā)現(xiàn)在連續(xù)10 h 的紫外光照射下,納米TiO2的親油性轉變?yōu)槭栌托?,同時保持了親水性。


    目前超親水性自清潔涂料主要以納米TiO2光催化自清潔涂層為主。利用納米TiO2的光催化性和超親水性,將納米TiO2溶膠引入涂料中,遷移到涂層表面的納米TiO2在空氣中水分存在的條件下催化表面的有機物產生大量羥基基團,使表面具有超親水性,一旦表面被油污污染,由于表面的超親水性,使得油污不容易附著,可在自身重力、外部風力或雨水沖洗的作用下脫落從而實現(xiàn)自清潔。主要機理在于:(1)在UV 照射下,由于納米TiO2的光催化作用,使得有機污染物被降解;(2)納米TiO2的光誘導超親水性使水在基材表面幾乎完全鋪展開,將污染物與基材隔開,污染物會隨水膜的鋪展而被帶走。超親水表面的制備方法有:水熱法、自組裝法、電極沉積法、等離子法、聚合物/納米粒子共混法、射頻濺射法等。超親水表面的研究比超疏水報道的少,但其獨特的優(yōu)點是疏水性表面無法比擬的,如透明性、防霧性能、防覆冰性和快速干燥等。另外,超親水表面在熱傳遞、生物分子固定以及減阻等方面有巨大潛在應用。


納米TiO2超親水自清潔涂層的研究現(xiàn)狀


    納米TiO2超親水性薄膜保持自清潔的關鍵在于親水性與光催化活性的協(xié)同作用。在納米TiO2復合薄膜中加入SiO2,使得復合涂層既可以保持納米TiO2的光催化活性,還可以有效地提高薄膜的超親水性,并保持良好的耐久性。Guan 等研究發(fā)現(xiàn),將SiO2添加到納米TiO2中,在UV 照射下薄膜接觸角降低,且超疏水性可以保持較長的時間。通過調節(jié)SiO2的添加量,可以使薄膜的光催化活性和超親水性此消彼長。光催化性和超親水性密切相關,其共同作用保持薄膜的自清潔性能。


    丁曉峰等將SiO2溶膠、含有甲氧基硅基的苯乙烯- 丙烯酸齊聚物( SA) 與氨丙基三乙氧基硅烷(APS)經室溫濕固化,獲得有機- 無機雜化基質,并與TiO2粒子復合制備出納米涂層,在陽光下暴露一定時間后,可以使復合涂層表面獲得超親水親油和光催化活性。實驗表明,納米TiO2含量由2. 0%降低到0. 5%時,涂層表面的水接觸角與油性液體( 正己烷、二甲苯、正十六烷、丙酮等) 接觸角均隨著陽光照射時間的延長而減小,表明納米TiO2涂層同時形成了超親水親油表面,展現(xiàn)出了納米TiO2膜的雙親特性。


    呂德濤等利用溶膠凝膠法及超聲技術,以正硅酸乙酯(TEOS)和酞酸丁酯(TBOT) 為前驅體成功制備出了SiO2 - TiO2溶膠,并采用自制浸漬提拉機在普通玻璃板上涂膜,膜層表現(xiàn)出超親水性,最小接觸角為4. 3°,滿足防污自清潔的要求。由于TiO2薄膜表面的光譜響應范圍較窄,不能高效率利用太陽光。通過摻雜敏化,從而引起吸收波長的“紅移”,可以使TiO2的響應在可見光范圍內有所增強。Pinho 等應用一種簡單且低成本的方法制備出介孔Ag - SiO2 - TiO2光催化涂層,可以滿足建筑外墻自清潔性能的需要。研究發(fā)現(xiàn),SiO2 - TiO2復合網絡中較高的Ag 添加量,可以拓寬TiO2對可見光的吸收及擴大光催化的表面積,進而提高涂層的光催化性能。申樹芳研究了SrO、La2O3及NiO 摻雜TiO2涂膜對其親水性的影響。實驗發(fā)現(xiàn)摻雜Sr2 +、La3 +、Ni2 + 等對TiO2薄膜的光誘導超親水性起了敏化作用,隨著摻雜量的增加,復合薄膜產生紅移現(xiàn)象。


    納米TiO2光催化超親水自清潔涂層表面在環(huán)境保護和能源節(jié)約領域有著極大的應用潛力,且其應用領域非常廣泛靈活。除了用于建筑建材,還可以將具有除菌、自清潔和除臭性能的TiO2薄膜沉積在光纖、紡織品、棉等材料上,用來制作衣服,比如具有自清潔和抑菌性能的醫(yī)生的制服。基于自清潔和光致親水性能的納米TiO2涂層,已經有自清潔產品研制出并實現(xiàn)商業(yè)化。然而,自清潔效應和光致親水性的基礎理論和詳細的機理目前還并不清晰。目前的光致親水和自清潔效應的應用還僅限于室外,因此拓寬TiO2的光吸收范圍,使其延伸到可見光部分對其應用有重大意義,或者開發(fā)其他在可見光范圍內就可以實現(xiàn)自清潔的新材料。


    自清潔表面因為獨特的浸潤性,表現(xiàn)出優(yōu)異的防霧、防污、防覆冰、防腐蝕等性能,受到越來越多關注。雖然目前研究已經取得了不俗的成績,但是還是有一系列的問題有待解決。比如提高自清潔涂層的附著力與耐久性,制備方法及工藝設備的簡單化等。未來應著重設計并應用自清潔涂層表面的潤濕性??捎晒庹T導控制改變的TiO2自清潔涂層,包括開發(fā)更多的對光響應的新型材料,賦予新材料生物活性及生物相容性等。


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