超亲水技术

    日本东京大学的Wang 等发现纳米TiO2在UV 光照射下表现出超亲水性。纳米TiO2薄膜最初的接触角为几十度,经紫外光照射后接触角降低,水直接平铺在了薄膜上,接触角接近于0°。将纳米TiO2涂层玻璃暴露在水蒸汽中时,这种润湿性的变化更明显。在没有UV 光照射时,被激活的表面发生反转,接触角重新变为几十度;将表面再次暴露在UV光下其亲水性可以再次恢复。同时也发现,紫外光的照射可以使TiO2表现出高亲油性,这就是纳米TiO2独特的两亲性质。Hasan 和Kavich 等发现在连续10 h 的紫外光照射下,纳米TiO2的亲油性转变为疏油性,同时保持了亲水性。

    目前超亲水性自清洁涂料主要以纳米TiO2光催化自清洁涂层为主。利用纳米TiO2的光催化性和超亲水性,将纳米TiO2溶胶引入涂料中,迁移到涂层表面的纳米TiO2在空气中水分存在的条件下催化表面的有机物产生大量羟基基团,使表面具有超亲水性,一旦表面被油污污染,由于表面的超亲水性,使得油污不容易附着,可在自身重力、外部风力或雨水冲洗的作用下脱落从而实现自清洁。主要机理在于:(1)在UV 照射下,由于纳米TiO2的光催化作用,使得有机污染物被降解;(2)纳米TiO2的光诱导超亲水性使水在基材表面几乎完全铺展开,将污染物与基材隔开,污染物会随水膜的铺展而被带走。超亲水表面的制备方法有:水热法、自组装法、电极沉积法、等离子法、聚合物/纳米粒子共混法、射频溅射法等。超亲水表面的研究比超疏水报道的少,但其独特的优点是疏水性表面无法比拟的,如透明性、防雾性能、防覆冰性和快速干燥等。另外,超亲水表面在热传递、生物分子固定以及减阻等方面有巨大潜在应用。


纳米TiO2超亲水自清洁涂层的研究现状

    纳米TiO2超亲水性薄膜保持自清洁的关键在于亲水性与光催化活性的协同作用。在纳米TiO2复合薄膜中加入SiO2,使得复合涂层既可以保持纳米TiO2的光催化活性,还可以有效地提高薄膜的超亲水性,并保持良好的耐久性。Guan 等研究发现,将SiO2添加到纳米TiO2中,在UV 照射下薄膜接触角降低,且超疏水性可以保持较长的时间。通过调节SiO2的添加量,可以使薄膜的光催化活性和超亲水性此消彼长。光催化性和超亲水性密切相关,其共同作用保持薄膜的自清洁性能。

    丁晓峰等将SiO2溶胶、含有甲氧基硅基的苯乙烯- 丙烯酸齐聚物( SA) 与氨丙基三乙氧基硅烷(APS)经室温湿固化,获得有机- 无机杂化基质,并与TiO2粒子复合制备出纳米涂层,在阳光下暴露一定时间后,可以使复合涂层表面获得超亲水亲油和光催化活性。实验表明,纳米TiO2含量由2. 0%降低到0. 5%时,涂层表面的水接触角与油性液体( 正己烷、二甲苯、正十六烷、丙酮等) 接触角均随着阳光照射时间的延长而减小,表明纳米TiO2涂层同时形成了超亲水亲油表面,展现出了纳米TiO2膜的双亲特性。

    吕德涛等利用溶胶凝胶法及超声技术,以正硅酸乙酯(TEOS)和酞酸丁酯(TBOT) 为前驱体成功制备出了SiO2 - TiO2溶胶,并采用自制浸渍提拉机在普通玻璃板上涂膜,膜层表现出超亲水性,最小接触角为4. 3°,满足防污自清洁的要求。由于TiO2薄膜表面的光谱响应范围较窄,不能高效率利用太阳光。通过掺杂敏化,从而引起吸收波长的“红移”,可以使TiO2的响应在可见光范围内有所增强。Pinho 等应用一种简单且低成本的方法制备出介孔Ag - SiO2 - TiO2光催化涂层,可以满足建筑外墙自清洁性能的需要。研究发现,SiO2 - TiO2复合网络中较高的Ag 添加量,可以拓宽TiO2对可见光的吸收及扩大光催化的表面积,进而提高涂层的光催化性能。申树芳研究了SrO、La2O3及NiO 掺杂TiO2涂膜对其亲水性的影响。实验发现掺杂Sr2 +、La3 +、Ni2 + 等对TiO2薄膜的光诱导超亲水性起了敏化作用,随着掺杂量的增加,复合薄膜产生红移现象。

    纳米TiO2光催化超亲水自清洁涂层表面在环境保护和能源节约领域有着极大的应用潜力,且其应用领域非常广泛灵活。除了用于建筑建材,还可以将具有除菌、自清洁和除臭性能的TiO2薄膜沉积在光纤、纺织品、棉等材料上,用来制作衣服,比如具有自清洁和抑菌性能的医生的制服。基于自清洁和光致亲水性能的纳米TiO2涂层,已经有自清洁产品研制出并实现商业化。然而,自清洁效应和光致亲水性的基础理论和详细的机理目前还并不清晰。目前的光致亲水和自清洁效应的应用还仅限于室外,因此拓宽TiO2的光吸收范围,使其延伸到可见光部分对其应用有重大意义,或者开发其他在可见光范围内就可以实现自清洁的新材料。

    自清洁表面因为独特的浸润性,表现出优异的防雾、防污、防覆冰、防腐蚀等性能,受到越来越多关注。虽然目前研究已经取得了不俗的成绩,但是还是有一系列的问题有待解决。比如提高自清洁涂层的附着力与耐久性,制备方法及工艺设备的简单化等。未来应着重设计并应用自清洁涂层表面的润湿性。可由光诱导控制改变的TiO2自清洁涂层,包括开发更多的对光响应的新型材料,赋予新材料生物活性及生物相容性等。

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