一、自清潔涂層

自清潔涂層能夠使表面污染物或灰塵顆粒在重力、雨水、風(fēng)力等外力作用下自動(dòng)脫落或通過光催化降解而除去，具有節(jié)水、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在建筑、交通、 新能源等行業(yè)具有重要的應(yīng)用前景。近年來，它已成為先進(jìn)功能涂料的研究熱點(diǎn)。

根據(jù)自清潔的原理不同,自清潔涂料可以分為超疏水和超親水兩類，它們都是通過水的作用達(dá)到本身自清潔效果的。所不同的是，超疏水涂料是通過水滴的滾動(dòng)帶走污物，而超親水涂料是通過在其表面形成水膜并帶走或隔絕污染物而實(shí)現(xiàn)自清潔的作用。尤其是后者在光輻射下還具有光催化特性,可以降解有機(jī)物，進(jìn)一步起到****和凈化環(huán)境的作用。

二、超疏水自清潔涂料

研究發(fā)現(xiàn)，物體的表面如果具有超疏水性，水珠就不能在其表面浸潤(rùn)，將會(huì)帶走污物而具有自清潔的效果。可以通過兩種途徑制備超疏水表面，一是利用荷葉效應(yīng) ，在物體表面構(gòu)建粗糙的微觀結(jié)構(gòu)；一是在物體表面進(jìn)行化學(xué)修飾，引入低表面能的物質(zhì)組分，如氟硅烷。這兩種方法既可以單獨(dú)應(yīng)用,也可以結(jié)合并用。

德國(guó)植物學(xué)家Barthlott等對(duì)荷葉等2萬種植物葉面進(jìn)行了觀察、研究，發(fā)現(xiàn)荷葉的表面是由無數(shù)微米尺寸的乳突和其表面分布的納米蠟質(zhì)晶體構(gòu)成的（圖2-1），**提出了荷葉效應(yīng)概念，并模仿荷葉效應(yīng)申請(qǐng)了涂料**。精細(xì)的研究發(fā)現(xiàn)，荷葉表面的乳突粒徑5~9nm，蠟質(zhì)晶體大于100nm。當(dāng)水珠與蠟質(zhì)晶體接觸時(shí)，明顯地減小了水珠與荷葉表面的接觸面積，擴(kuò)大了水珠與空氣的界面。這種情況下，液滴不會(huì)自動(dòng)擴(kuò)展，而是保持其球形狀態(tài)。一般的污染物尺寸比蠟質(zhì)晶體大，只會(huì)落在乳突的頂部，且大多數(shù)的污染物比蠟晶體更易潤(rùn)濕，當(dāng)水珠在荷葉上面滾動(dòng)時(shí)，污染物會(huì)粘附在水珠表面而被帶走，從而達(dá)到自清潔效果。

圖1 荷葉微觀結(jié)構(gòu)圖

圖2 疏水型自清潔涂料的效果

超疏水涂料存在問題及解決途徑

超疏水自清潔涂料的穩(wěn)定性和耐久性問題一直是制約其規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。因?yàn)槌杷苛系闹苽錉可鎻?fù)雜的設(shè)計(jì)和步驟，需要在基材表面上構(gòu)建納米尺度的粗糙結(jié)構(gòu)，因此使用過程中的腐蝕以及磨損都會(huì)過早加速其表面結(jié)構(gòu)的損耗,嚴(yán)重時(shí)造成超疏水特性的喪失。與自然界中的荷葉新陳代謝不斷再生新的自清潔表面不同，人工構(gòu)建的自清潔表面很難實(shí)現(xiàn)自清潔效果的再生回復(fù)。疏水型涂料的實(shí)際使用在內(nèi)墻涂料上自清潔效果更明顯，對(duì)涂料生產(chǎn)企業(yè)來說，添加疏水劑的方式就可以實(shí)現(xiàn)荷葉效果涂料，如北京開創(chuàng)納米公司生產(chǎn)的SS-1型疏水劑等。

令人遺憾的是，盡管已有在疏水表面進(jìn)行再生方法的研究，但關(guān)于超疏水表面穩(wěn)定性和耐久性問題的研究鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。應(yīng)當(dāng)看到的是，由于超疏水自清潔涂料所具有的應(yīng)用價(jià)值，這種涂料將會(huì)繼續(xù)發(fā)展，而解決其穩(wěn)定性與壽命的問題將是該涂料向應(yīng)用技術(shù)層面轉(zhuǎn)變的重要研究方向。

三、超親水自清潔涂料

超親水自潔涂料是指水落在該材料表面，水滴接觸角小于5度，從外觀上看即水在該材料表面不會(huì)形成水滴而是水膜。另外，超親水材料跟水的親和力遠(yuǎn)大于跟灰塵以及其他臟污的親和力，所以在下雨或有用水沖的情況下，超親水自潔涂料會(huì)優(yōu)先跟水結(jié)合，在基材表面形成均勻水膜，從而使水可以滲透到污染物下面并將其浮起，把臟污從超親水自潔涂層分離開，在重力作用下水膜持續(xù)的流動(dòng)，可以從污染物的根部進(jìn)行**沖洗，徹底**帶走灰塵污物。

超親水自潔涂料主要研究為納米二氧化鈦型超親水自潔涂料。

通常情況下表面的污染主要是吸附了空氣中懸浮的灰塵和有機(jī)物造成的，這種吸附在初期主要是由于靜電力造成的靜電吸附和范德華力造成的物理吸附。納米二氧化鈦?zhàn)郧鍧嵧繉邮艿阶贤夤庹丈浜螅{米TiO2涂膜表現(xiàn)出超親水性能，在涂膜表面形成化學(xué)吸附水和物理吸附水，吸附水的存在有利于消除涂層表面的靜電，消除靜電力。自清潔涂層表面形成的羥基是親水的，當(dāng)雨水滴落在涂層表面時(shí)，表面羥基與水之間形成氫鍵，氫鍵的作用力要遠(yuǎn)大于范德華力，因此水取代灰塵吸附于涂層表面，表面上原來吸附的灰塵被剩余的水帶走，而表面很難被水帶走的有機(jī)吸附物，在納米TiO2的光催化作用下被分解，形成水、二氧化碳和可以被水帶走的小分子物質(zhì)，從而達(dá)到表面自清潔的目的。

TiO2能直接利用包括太陽光在內(nèi)的各種途徑的紫外光，在室溫下對(duì)各種有機(jī)的或無機(jī)的污染物進(jìn)行分解或氧化，從空氣中**這些污染物。TiO2是一種n型半導(dǎo)體材料，有強(qiáng)的氧化性和還原性。在光化學(xué)反應(yīng)中，以TiO2作催化劑，在太陽光，尤其是在紫外線的照射下，使TiO2固體表面生成空穴(h+)和電子(e-)。空穴(h+)使H2O氧化，電子(e-)使空氣中的O2還原，使有機(jī)物氧化為CO2、H2O等簡(jiǎn)單的無機(jī)物。