مبدأ الطلاء النانوي ذاتي التنظيف: مساران هما تأثير ورقة اللوتس والتحفيز الضوئي لـ TiO₂

"التنظيف الذاتي" هو الوظيفة الأكثر تحدثًا عن الطلاءات النانوية - يغسلها المطر وتنظيفها في لحظة، ويبقى الزجاج خاليًا من الغبار، والجدران الخارجية لا تحتاج إلى تنظيف. لكن التنظيف الذاتي ليس آلية واحدة ؛ بل يتبع مسارين فيزيائيين كيميائيين: أحدهما هو الرهاب الفائق (تأثير اللوتس)، والذي يعتمد على خشونة النانو الدقيقة + طاقة السطح المنخفضة لتدوير الأوساخ بعيدًا بقطرات الماء ؛ والآخر هو التحفيز الضوئي الفائق (نوع TiO₂)، والذي يعتمد على الإثارة بالأشعة فوق البنفسجية لتحلل المواد العضوية والسماح بانتشار فيلم مائي لغسل الغبار. الاثنان متناقضان في الاتجاه (أحدهما يصد الماء والآخر يجذبه) ولكنهما يحققان نفس الغاية بوسائل مختلفة. تشرح هذه المقالة بشكل منهجي الآلية والمواد والمعايير ومقارنة الاختيار ؛ تتوافق جميع القياسات الكمية مع المعايير الحقيقية مثل ISO 27448 و JIS R 1705 و GB/T 23764. بالنسبة للأساس المادي للكراهية للماء، اقرأ أولاً المقالة المصاحبة "قابلية الترطيب بالطلاء النانوي وزاوية التلامس".

توفر Kexin New Materials (kexinMaterials) نوعين من حلول التنظيف الذاتي في الطلاءات الوظيفية - الكارهة للماء والمحفزة ضوئيًا. تتضمن هذه المقالة أيضًا مبدأ البحث والتطوير المتمثل في "اختيار المسار وفقًا لظروف العمل" من موادها التقنية العامة، مما يساعد العملاء على تجنب سوء فهم "حل تنظيف ذاتي واحد يناسب الجميع".

I. Path One: Superhydrophobic Lotus Effect (التنظيف الذاتي الطارد للماء)

ينشأ تأثير اللوتس من هيكله السطحي ثنائي الطبقة متناهية الصغر (حليمات ميكرومتر + بلورات شمع متناهية الصغر)، مما يرضي الحالة المركبة لكاسي باكستر: الهواء محاصر تحت قطرة الماء، ويتلامس فقط عند أطراف الحليمة، بزاوية تلامس أكبر من 150 درجة وزاوية دوارة أقل من 10 درجات ؛ تتدحرج قطرة الماء مثل "الكرة"، تحمل الغبار والرمل. تكرر الطلاءات الاصطناعية الخارقة للماء هذه البنية:

• كيمياء الطاقة السطحية المنخفضة: أدخل مجموعات منخفضة الطاقة مثل- CF و - Si - CH لخفض زاوية التلامس الجوهرية θ_Y (انظر قابلية الترطيب بطبقة النانو).
• البنية الخشنة النانوية الدقيقة: استخدم النانو SiO₂، أو النانو Al₂O Ω، أو النقش لبناء الخشونة، ودفع السطح من Wenzel إلى حالة Cassie.

تتكون الأوساخ في الغالب من جزيئات آلفة للماء لا تتلامس بشكل كبير مع الركيزة عند الهبوط على سطح غير آلف للماء، ولكن يتم "التقاطها" فقط بواسطة قطرات الماء المتدحرجة، مما يحقق "الغسيل الذاتي للمطر". "ينتمي طلاء السيراميك للسيارات، والجدران الخارجية للمباني غير الآلفة للماء، ومعالجة الأقمشة الطاردة للماء إلى هذه الفئة (انظر الآلية غير الآلفة للماء للسيراميك للسيارات).

1.1 ثلاث معادلات: من Young إلى Wenzel إلى Cassie

لفهم سبب عدم كفاية "الطاقة السطحية المنخفضة" وحدها، يجب ربط النماذج الكلاسيكية الثلاثة معًا:

• تصف معادلة يونغ زاوية التلامس الجوهرية θ_Y لسطح أملس مثالي، والتي يحددها توازن ثلاثة توترات بينية: الغاز الصلب، والصلب والسائل، والغاز السائل. بالاعتماد البحت على الكيمياء (التي تحتوي على الفلور، والمجموعات التي تحتوي على السيلان) لخفض طاقة السطح، يبلغ الحد الأعلى النظري لزاوية تلامس الماء على سطح أملس حوالي 120 درجة- وهذا هو السبب في أن "تغيير الكيمياء فقط، وليس البنية، لا يمكن أن ينتج عنه كراهية فائقة للماء".
• يصف نموذج Wenzel "الحالة المبللة" حيث يملأ السائل الوديان الوعرة بالكامل: cosθ* = r·cosθ_Y، حيث r هي نسبة المنطقة الفعلية إلى المنطقة المتوقعة (r ≥ 1). استنتاجها هو أن "الخشونة تضخم الميل الأصلي ": يصبح كاره الماء جوهريًا أكثر كارهًا للماء، ويصبح محب للماء جوهريًا أكثر ماءً. ولكن في حالة Wenzel، يتم تضمين السائل في الأخاديد، مع تباطؤ كبير في زاوية التلامس وقطرات مثبتة وغير متدحرجة.
• يصف نموذج كاسي باكستر "الحالة المركبة" حيث يقع السائل فوق النتوءات مع الهواء المحبوس أدناه: cosθ* = f·cosθ_Y + f − 1، حيث f هو جزء من منطقة التلامس الصلبة والسائلة الفعلية. كلما كانت f أصغر (كلما ارتفعت نسبة وسادة الهواء)، كانت زاوية التلامس الظاهرة أكبر، وكلما كان التباطؤ أصغر، وكلما كانت القطرة أسهل.

يعتمد التنظيف الذاتي الخارق للماء حقًا على حالة كايسي. بمجرد أن يدفع الضغط أو الاهتزاز أو التكثيف أو التآكل السائل إلى الأخاديد، ينهار النظام من كاسي إلى وينزل ؛ قد تظل زاوية التلامس مرتفعة، لكن القطرة لم تعد تتدحرج - تفشل وظيفة التنظيف الذاتي. وهذا يفسر أيضًا ظاهرة شائعة: "حبات الماء بشكل جميل على لوحة العينة، ولكن بعد بضعة أشهر في الهواء الطلق تحمل الماء والغبار".

1.2 المقاييس أكثر أهمية من زاوية التلامس: زاوية التدحرج وتباطؤ زاوية التلامس

يبلغ ترويج الصناعة عمومًا عن زاوية التلامس الثابتة فقط، ولكن ما يحدد "ما إذا كان يمكن حمل الأوساخ" هو في الواقع معلمة ديناميكية:

• تخلف زاوية التلامس: الفرق بين زاوية التقدم θ_adv وزاوية الانحسار θ_rec. كلما كان التباطؤ أصغر، كان من الأسهل فصل القطرة عن السطح.
• زاوية التدحرج/زاوية الانزلاق: إمالة السطح المطلوبة لقطرة ذات حجم معين لبدء التدحرج. المعيار الشائع لعدم الألفة الفائقة للماء هو زاوية التلامس الثابتة أكبر من 150 درجة وزاوية التدحرج أقل من 10 درجات.
• "تأثير بتلة الورد" هو مثال مضاد: تتجاوز بعض الأسطح المهيكلة النانوية الدقيقة أيضًا 150 درجة زاوية تلامس ثابتة، ولكن مع التصاق قوي للغاية، لا تسقط القطرة حتى عند عكسها. تحتوي هذه الأسطح على زاوية تلامس "مؤهلة" ولكن لا يمكن تنظيفها ذاتيًا على الإطلاق - سيؤدي التحديد بناءً على زاوية تلامس ثابتة فقط إلى حدوث عثرات.

لذلك، عند شراء طلاءات ذاتية التنظيف غير آلفة للماء، يجب على المرء طلب كل من بيانات زاوية التلامس الثابتة وزاوية التدحرج (أو تباطؤ زاوية التلامس)، وتحديد سائل الاختبار (الماء منزوع الأيونات)، وحجم القطرة، ودرجة حرارة الاختبار، وطريقة الاختبار (سلسلة ISO 19403/ GB/T 30693).

1.3 مسارات تنفيذ المواد وأوجه القصور في المتانة

تتكون الصناعة بشكل أساسي من أربعة مسارات: تراكم الجسيمات النانوية (SiO₂، Al ₂ O ₂، TiO₂) في طبقة خشنة متبوعة بتطعيم السيلان/الفلوروسيلان ؛ فصل الطور أو تكوين المسام لإنشاء هياكل مسامية ؛ النقش/الأنودة لإنشاء مورفولوجيا النانو الدقيقة مباشرة على الركيزة ؛ وطريقة سول- جل خطوة واحدة لتشكيل الفيلم في وقت واحد وخلق الخشونة.

نقطة الضعف الشائعة في المسارات الأربعة هي المتانة:

1. التآكل الميكانيكي: نتوءات النانو الدقيقة نفسها صغيرة الحجم للغاية ؛ أي مسح أو تجريف للغبار الرملي سيؤدي أولاً إلى تآكل الهيكل "على مستوى النانو"، وتنهار حالة كايسي وفقًا لذلك.
2. تقادم الأشعة فوق البنفسجية: تكسر مجموعات الطاقة العضوية منخفضة السطح السلاسل تحت الأشعة فوق البنفسجية والجذور الحرة، مما يتسبب في ارتفاع الطاقة السطحية. تتمتع الأنظمة التي تحتوي على سيلوكسان (Si - O - Si، طاقة رابطة عالية، مقاومة للأشعة فوق البنفسجية) حيث يتمتع الهيكل العظمي عمومًا بمقاومة أفضل للطقس من الأنظمة العضوية البحتة.
3. تغطية الملوثات: البقع الزيتية سوف "تملأ" وسادة الهواء، وعند هذه النقطة يصبح السطح الخارق للماء أكثر صعوبة في التنظيف.
4. القيود التنظيمية: المركبات المشبعة بالفلور طويلة السلسلة مقيدة بالفعل بالاتفاقيات الدولية (أدرج حمض البيرفلوروكتانويك في المرفق ألف من اتفاقية استكهولم بشأن الملوثات العضوية الثابتة في عام 2019، وسلفونات البيرفلوروكتان في المرفق باء في عام 2009)، وتتحول الصناعة بسرعة إلى النظم المفلورة قصيرة السلسلة ونظم السيلان/السيليكون العضوي. عند الاختيار، قم بتأكيد بيان الامتثال الكيميائي للمورد.

II. المسار الثاني: أليف الماء التحفيزي الضوئي (التحلل الذاتي)

المسار الثاني هو العكس تمامًا - فهو يجعل السطح آلفًا للماء، ويعتمد على التحلل الكيميائي بدلاً من التدحرج الفيزيائي:

• التحلل التحفيزي الضوئي: تحت الإثارة بالأشعة فوق البنفسجية (λ < 387 نانومتر)، يولد أناتاز TiO₂ أزواجًا من الثقوب الإلكترونية، والتي تتفاعل مع الماء السطحي/الأكسجين لإنتاج أنواع نشطة مثل ·OH و ·O₂ Ω، والأوساخ العضوية السطحية المتحللة أكسدة (بقع الزيت، فضلات الطيور، الغبار العضوي).
• التميه الفائق: تحت الإضاءة، يشكل سطح TiO₂ شواغر أكسجين وطبقة هيدروكسيلية، مع زاوية تلامس مع الماء تقترب من 0 درجة ؛ تنتشر قطرات الماء في فيلم بدلاً من الخرز ؛ يعزل هذا الفيلم المائي الأوساخ عن الركيزة ويغسل الغبار بالجاذبية/النسيم - أي "التنظيف الذاتي للماء".

لذلك، فإن طلاء TiO₂ النقي هو "التنظيف المائي"، وهو مناسب للجدران الستائرية الزجاجية والألواح الشمسية (مما يقلل من تراكم غبار التظليل) وبلاط الأنفاق. يجب إثبات نشاطها بمعايير محددة: ISO 27448 "السيراميك الناعم (السيراميك المتقدم، السيراميك التقني المتقدم) — طريقة اختبار أداء التنظيف الذاتي لمواد التحفيز الضوئي شبه الموصلة — قياس زاوية التلامس مع الماء"، JIS R 1703-1/-2 الياباني (طرق اختبار أداء التنظيف الذاتي لمواد التحفيز الضوئي: الجزء 1 قياس زاوية التلامس مع الماء، الجزء 2 طريقة تحلل أزرق الميثيلين)، و GB/T 23764-2009 "طريقة اختبار أداء التنظيف الذاتي لمواد التحفيز الضوئي" (تم تعديل هذا المعيار من JIS R 1703-1:2007)، إلخ. بالنسبة للآلية العامة للتحفيز الضوئي TiO₂، قم بتوسيع القراءة لتشمل مجموعة المواد Nano TiO₂ التنظيف الذاتي بالتحفيز الضوئي.

2.1 فجوة النطاق الترددي والكفاءة الكمية: لماذا يجب أن تكون الأشعة فوق البنفسجية

تبلغ فجوة نطاق أناتاز TiO₂ حوالي 3.2 إلكترون فولت، وهو ما يتوافق مع الحد الأعلى للطول الموجي القابل للاستثارة البالغ حوالي 387 نانومتر ؛ والروتيل حوالي 3.0 إلكترون فولت، أي ما يعادل حوالي 413 نانومتر. وفقًا لعلاقة بلانك، يجب ألا تقل طاقة الفوتون عن فجوة النطاق لإثارة إلكترونات نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل، مما يحد ماديًا من "جزء الأشعة فوق البنفسجية فقط في الضوء الطبيعي (الذي يمثل نسبة قليلة من طاقة الإشعاع الشمسي السطحي) يشارك في التحفيز الضوئي." هذا القيد الصعب يجلب ثلاثة استنتاجات هندسية:

1. في الداخل أو في الظل أو داخل الأنفاق التي لا تحتوي على كمية كافية من الأشعة فوق البنفسجية، يفشل التنظيف الذاتي النقي للأشعة فوق البنفسجية، ما لم تكن مجهزة بمصادر ضوء الأشعة فوق البنفسجية الاصطناعية (توجد مثل هذه التصاميم في إضاءة الأنفاق).
2. لا تزال الأيام الغائمة مبعثرة بالأشعة فوق البنفسجية ؛ لا ينخفض التحفيز الضوئي إلى الصفر تمامًا، لكن المعدل ينخفض بشكل كبير، ويتقلب تأثير التنظيف الذاتي مع الموسم والاتجاه.
3. يمتص الزجاج جزءًا من الأشعة فوق البنفسجية ؛ الطلاء التحفيزي الضوئي المثبت على الجانب الداخلي من الزجاج أقل كفاءة بكثير من الجانب الخارجي.

إذا أعيد تجميع أزواج الثقوب الإلكترونية المستثارة في الجزء الأكبر، فلن يتم إنتاج أي تأثير كيميائي. لذلك، تدور الطرق التقنية لتحسين النشاط بشكل أساسي حول "قمع إعادة التركيب وإطالة عمر الناقل ": مرحلة مختلطة من أناتاز/روتيل (يعزز عدم محاذاة فجوة النطاق في حدود الطور فصل الشحنة، وهي فكرة كلاسيكية للمساحيق التجارية من نوع P25)، وترسيب المعادن النبيلة (Pt، Au كمصائد إلكترونية)، والمضاعفة مع أشباه الموصلات ضيقة النطاق، وتعاطي العناصر.

2.2 استجابة الضوء المرئي: مكاسب وتكاليف المنشطات

2.3 "قابلية الانعكاس" للألفة الفائقة الناجمة عن الصور والانتعاش المظلم

إن الألفة الفائقة للماء في TiO₂ ليست خاصية دائمة، ولكنها مستحثة بالصور وقابلة للعكس: تحت إشعاع الأشعة فوق البنفسجية يصبح السطح مائيًا وتقترب زاوية التلامس مع الماء من 0 درجة ؛ بعد نقلها إلى مكان مظلم لفترة من الزمن، سترتفع زاوية التلامس تدريجيًا مرة أخرى. لهذه الظاهرة تأثيران مباشران في الهندسة:

• يجب أن يحدد الاختبار التسلسل الكامل لـ "المعالجة المظلمة - تشعيع الضوء - القياس". تم تصميم إجراءات اختبار ISO 27448 و GB/T 23764 حول هذه النقطة: استخدم أولاً طريقة محددة لتغطية السطح بالمادة العضوية (تشكيل زاوية تلامس أولية عالية)، ثم قم بالإشعاع تحت إشعاع الأشعة فوق البنفسجية المحدد، وسجل منحنى انخفاض زاوية التلامس بجرعة إشعاع تراكمية.
• عند مقارنة المنتجات المختلفة، يجب التحقق من الإشعاع (mW/cm²) وجرعة الإشعاع التراكمية (على سبيل المثال، J/cm² أو kJ/m²). الإبلاغ فقط عن "زاوية التلامس 5 درجات بعد 24 ساعة من الإشعاع" دون إعطاء الإشعاع يجعل البيانات غير جديرة بالثقة.

2.4 التحفيز الضوئي أكثر من مجرد تنظيف ذاتي: يجب تقييم ثلاثة أنواع من النشاط بشكل منفصل

معيار أداء مواد التحفيز الضوئي "خاص بالسيناريو"، ويؤدي خلطها إلى سوء الفهم:

تذكير خاص بالخطأ عالي التردد: JIS R 1705 هو "طريقة اختبار النشاط المضاد للفطريات لمنتجات التحفيز الضوئي تحت إشعاع الضوء"، والتي تنتمي إلى الفئة المضادة للبكتيريا وليست معيار اختبار ذاتي التنظيف ؛ بالنسبة للتنظيف الذاتي، يجب الاستشهاد بـ JIS R 1703-1 /-2 أو ISO 27448. سيتم الحكم على استخدام الرقم القياسي الخاطئ مباشرة على أنه وثائق فنية مزيفة في المراجعات الفنية الرسمية للمناقصة.

III. مقارنة بين مسارين: طارد للماء مقابل ماء

الاستنتاج: الاثنان يكملان بعضهما البعض بدلاً من أن يستبعدا بعضهما البعض. الأماكن الداخلية الخالية من الأشعة فوق البنفسجية (مثل التصميم الداخلي للسيارة والأنابيب) مناسبة للأنواع غير الآلفة للماء ؛ الزجاج الخارجي/الخلايا الكهروضوئية مع الأشعة فوق البنفسجية مناسبة لأنواع التحفيز الضوئي ؛ في بعض الأحيان يحقق المركب (TiO₂ decomposition + SiO₂ skeleton hydrophobicity) كليهما.

3.1 اختلافات التكيف بين المسارين إلى "أنواع الأوساخ"

على نفس الجدار الخارجي، تختلف صعوبة إزالة الغبار وعلامات المطر ودخان الزيت والطحالب وفضلات الطيور والكتابات على الجدران اختلافًا تامًا. عند تصنيف الاتساخ حسب بُعدي "عضوي/غير عضوي" و "جسيمي/شبيه بالفيلم"، يصبح تقسيم العمل بين المسارين واضحًا على الفور:

يوضح هذا الجدول مفهومًا خاطئًا أساسيًا: لا يمكن للتحفيز الضوئي إلا أن يتحلل المواد العضوية بشكل مؤكسد، وهو غير فعال تمامًا ضد الرواسب غير العضوية مثل القشور وإزهار الملح والصدأ المعدني ؛ في حين أن مقاومة كره الماء الفائق للبقع الزيتية أقل مثالية بكثير مما هو معلن. يمكن دحض أي منتج يدعي "رذاذ واحد، نظيف بشكل دائم" مباشرة بهذه الطاولة.

3.2 المسار المركب: كيفية التعايش الهيكلي

تؤدي الخاصية المؤكسدة القوية لـ TiO₂ إلى تحلل المواد العضوية في اتصال مباشر معها، بما في ذلك مرحلة المادة الرابطة العضوية الخاصة بالطلاء والمجموعات العضوية السطحية منخفضة الطاقة السطحية. لذلك، فإن "كل من المسعور والحفاز الضوئي" ليس مزيجًا بسيطًا، ولكنه يتطلب عزلًا هيكليًا:

• الهيكل الطبقي: هيكل SiO₂ غير العضوي كطبقة انتقالية للعزل، مع توزيع TiO₂ في الطبقة الخارجية أو في التوزيع الشبيه بالجزيرة ؛
• تعديل الطلاء: طلاء SiO₂ أو Al₂O على جزيئات TiO₂ لتقليل معدل التحلل الناجم عن التلامس المباشر (هذه أيضًا ممارسة شائعة للعديد من أصباغ ثاني أكسيد التيتانيوم "المقاومة للطقس ")؛
• مرحلة المادة الرابطة غير العضوية: استخدم مكونات الأغشية غير العضوية مثل السيليكات وحل السيليكا بشكل عام لتجنب تحلل مرحلة المادة الرابطة العضوية بشكل أساسي.

التكلفة هي زيادة تعقيد العملية وتكلفتها، ويتم تعويض عدم الألفة للماء جزئيًا عن طريق التحفيز الضوئي للماء. عند الاختيار، يجب اعتبار "المركب" حلاً لذوي الاحتياجات الخاصة، وليس أفضل بطبيعته بشكل افتراضي.

IV. قياس الأداء الكمي: كيفية اختبار التنظيف الذاتي

لا يمكن الحكم على التنظيف الذاتي من خلال "المظهر النظيف"، يجب تحديده كمياً:

• زاوية التلامس/زاوية التدحرج: بالنسبة للكوارث المائية الفائقة، CA الثابت >150 درجة وزاوية التدحرج <10 درجة وفقًا لمعيار ISO 19403 / GB/T 30693.
• نشاط التحفيز الضوئي: تقيس ISO 27448 و GB/T 23764-2009 تغيير زاوية ملامسة الماء مع تشعيع الأشعة فوق البنفسجية (أداء التنظيف الذاتي )؛ تستخدم JIS R 1703-2 و ISO 10678 تحلل أزرق الميثيلين لتوصيف النشاط ؛ تحتوي أنواع تنقية الهواء على سلسلة ISO 22197 منفصلة و GB/T 23761-2009.
• الشيخوخة المتسارعة: أعد اختبار النشاط أو CA بعد دورات الأشعة فوق البنفسجية/الحرارة الرطبة لتقييم المتانة.

وفقًا للأدبيات العامة، يمكن لزجاج التنظيف الذاتي التجاري TiO₂ الحفاظ على النشاط لعدة سنوات تحت الأشعة فوق البنفسجية المستمرة، ولكن النشاط ينخفض بشكل حاد في الأماكن المظللة والخالية من الأشعة فوق البنفسجية في الأماكن المغلقة - لذلك يجب أن يحدد "التنظيف الذاتي" ظروف الإضاءة للاستخدام، ولا يمكن المطالبة به على نطاق واسع.

4.1 يجب أن يحتوي تقرير التنظيف الذاتي الموثوق به على عناصر

بغض النظر عن المسار الذي يتم اتخاذه، للحكم على ما إذا كان التقرير "قابلاً للاستشهاد به"، تحقق مما إذا كانت هذه العناصر كاملة:

تنتمي تقارير التحفيز الضوئي التي تفتقر إلى "الإشعاع" والتقارير الخارقة للماء التي تفتقر إلى "زاوية التدحرج" إلى بيانات لا تضاهى - قد تكون حقيقية، ولكن لا يمكن استخدامها للمقارنة الأفقية.

4.2 تقييم المتانة في الهواء الطلق: الشيخوخة المتسارعة والتعرض للظروف الحقيقية

هناك فجوة بين البيانات المختبرية والأداء الخارجي، لذلك هناك حاجة إلى نوعين من الأدلة التكميلية:

• الشيخوخة المتسارعة: مصباح الزينون أو شيخوخة الأشعة فوق البنفسجية الفلورية (على سبيل المثال، GB/T 1865، GB/T 14522 وغيرها من طرق سلسلة التجوية الاصطناعية)، وإعادة قياس زاوية التلامس أو النشاط التحفيزي الضوئي بعد ركوب الدراجات. لاحظ أنه لا يوجد عامل تحويل عالمي لنسبة التسارع ؛ يجب التعامل مع المطالبات مثل "1000 ساعة تساوي X سنوات" بحذر.
• التعرض للحالة الحقيقية: قم بتعليق الألواح في مواقع المناخ التمثيلية وفقًا لـ GB/T 9276 "طريقة اختبار التعرض الطبيعي للتجوية للطلاء"، واسترجاعها وإعادة قياسها بشكل دوري. بالنسبة لمنتجات الجدران الخارجية المعمارية، يمكن أيضًا تقييم مقاومة البقع بالرجوع إلى GB/T 9780 "طريقة اختبار مقاومة البقع لأغشية الطلاء المعمارية "؛ هذا المؤشر هو الأقرب إلى تصور المستخدم لـ" التنظيف الذاتي ".
• إعادة القياس بعد التآكل: هذا إلزامي لكاره الماء الفائق. يمكن استخدام تآكل التابير (GB/T 1768 / ASTM D4060) أو الاحتكاك الترددي مع الحمل المحدد متبوعًا بقياس زاوية التدحرج لتقييم عمر تآكل هيكل النانو الدقيق.

خامساً: المواد والنقاط الرئيسية للصياغة

مزالق عملية المسار غير الآلفة للماء: ① مجموعات الطاقة المنخفضة عرضة لانقسام الأشعة فوق البنفسجية ؛ مطلوب هيكل عظمي مستقر من السيلوكسان ؛ ② فشل هيكل النانو الصغير عند التآكل ؛ هناك حاجة إلى ركيزة مقاومة للاهتراء أو طبقة علوية واقية ؛ ③ الترطيب الصعب أثناء التطبيق (الحفر )؛ التمهيدي/التنشيط مطلوب (انظر عملية تطبيق طلاء النانو).

مزالق عملية المسار التحفيزي الضوئي: ① يحفز TiO₂ في وقت واحد تدهور الراتنجات العضوية، لذلك يجب أن يستخدم الطلاء مرحلة رابطة غير عضوية/خزفية مقاومة للتحلل الضوئي لتجنب التحلل الذاتي ؛ ② يتم تنشيطه فقط بواسطة الأشعة فوق البنفسجية ؛ يتطلب نشاط الضوء المرئي المنشطات (N، C المنشطات أو أشباه الموصلات المركبة ضيقة النطاق الترددي) ولكن مع مقايضة الكفاءة والتكلفة ؛ ③ تشتت النانو والالتصاق (انظر منطق التشتت في الطلاء الصلب المقاوم للاهتراء النانوي).

سادساً. الإخفاقات الشائعة والتدابير المضادة

كمورد للنظام، تقوم Kexin New Materials (kexinMaterials)، عند تقديم حلول التنظيف الذاتي، أولاً بتوضيح "ما إذا كانت حالة العمل تحتوي على الأشعة فوق البنفسجية، وما إذا كانت مقاومة للاهتراء، وما هي الركيزة"، ثم تحدد نوعًا كارهًا للماء أو محفزًا للضوء، وترفق تقارير المعيار المقابل (CA/Rolling Angle أو ISO 27448/JIS R 1705) - ولا تضخم أبدًا مسارًا واحدًا على أنه عالمي.

سابعاً. سيناريوهات التطبيق النموذجية والنقاط الرئيسية الهندسية

7.1 الوحدات الكهروضوئية: تنعكس فائدة التنظيف الذاتي بشكل مباشر في توليد الطاقة

تراكم الغبار (الأوساخ) على ضوء كتل سطح الوحدة، مما تسبب في خسارة كبيرة في توليد الطاقة، خاصة في المناطق القاحلة والمتربة والزراعية المحترقة. تكمن قيمة طلاء التنظيف الذاتي في تقليل تكرار التنظيف واستهلاك المياه، بدلاً من "عدم الحاجة إلى الغسيل". ملاحظات هندسية:

• يجب أن يجتاز الطلاء اختبارات التجوية والحمل الميكانيكي على مستوى الوحدة، ويجب ألا يضعف نفاذية الزجاج وموثوقية الوحدة على المدى الطويل (تم تصميم الوحدة نفسها واعتمادها للسلامة وفقًا لسلسلة IEC 61215 / IEC 61730).
• غالبًا ما يتم دمج الطلاء المضاد للانعكاس (AR) ووظيفة التنظيف الذاتي في نفس الطبقة ؛ يجب فحص كل من كسب النفاذية ومؤشرات التنظيف الذاتي لتجنب التضحية بالنفاذية من أجل كراهية الماء.
• زاوية الإمالة حرجة: عند الإمالة المنخفضة، لا يمكن أن يتدفق غشاء/قطرات الماء بالكامل، ويكون تأثير التنظيف الذاتي أضعف بكثير منه عند الإمالة العالية.

7.2 بناء جدران الستائر وطلاءات الجدران الخارجية: مقاومة البقع أقرب إلى القبول من "التنظيف الذاتي"

زجاج الحائط الساتر مناسب للنوع الحفاز الضوئي (الأشعة فوق البنفسجية الخارجية الكافية، البقع العضوية وعلامات المطر بشكل أساسي )؛ غالبًا ما تستخدم طلاءات الجدران الخارجية مسار مقاومة البقع "منخفض الطاقة السطحية + عالي الصلابة"، مع القبول في الغالب بواسطة اختبار مقاومة البقع GB/T 9780. يجب تذكير المالكين بأن الواجهات الشمالية ومناطق الإفريز (مناطق ظل المطر) التي لا يتم الوصول إليها عن طريق غسل مياه الأمطار هي الأماكن التي يكون فيها التنظيف الذاتي هو الأسوأ ؛ يجب التعامل مع خطوط الصرف وأخاديد التنقيط في مرحلة التصميم بدلاً من الاعتماد على الطلاء.

7.3 الأنفاق والمساحات تحت الأرض: مصدر الضوء يحدد المسار

التلوث على أسطح بلاط الأنفاق هو بشكل أساسي مواد عوادم السيارات العضوية وأسود الكربون، وهو مناسب جدًا للتحلل التحفيزي الضوئي ؛ لكن الأشعة فوق البنفسجية الطبيعية داخل الأنفاق صفر، لذلك يجب أن تعتمد على مكون الأشعة فوق البنفسجية في نظام الإضاءة أو مصابيح الأشعة فوق البنفسجية المخصصة. إذا كان نظام الإضاءة لا يحتوي على الأشعة فوق البنفسجية، فيجب على المرء العودة إلى مسار "الطاقة السطحية المنخفضة الصلابة سهلة التنظيف"، والتي يتم حلها عن طريق الغسيل الميكانيكي.

7.4 الأقمشة والحافة الخارجية: طارد الماء لا يساوي التنظيف الذاتي

تشترك طارد الماء للنسيج (تشطيب طارد الماء والزيت) في الآلية مع التنظيف الذاتي الخارق للماء، لكن هيكل سطح النسيج يتحلل بسرعة تحت الغسيل والاحتكاك، مما يتطلب تقييم المتانة من خلال دورات الغسيل، وتحديد "درجة طارد الماء" بدلاً من الادعاء الغامض للتنظيف الذاتي.

7.5 طلاءات تنقية الهواء الداخلية: تنتمي إلى مجموعة مختلفة من المؤشرات

تستهدف طلاءات المحفزات الضوئية الداخلية بشكل أساسي تحلل الفورمالديهايد والمركبات العضوية المتطايرة والروائح، التي تنتمي إلى "تنقية الهواء" بدلاً من "التنظيف الذاتي "؛ يجب أن يتبع التقييم سلسلة ISO 22197 أو GB/T 23761-2009. يعد استخدام بيانات تنقية الهواء لإثبات التنظيف الذاتي، أو العكس، سوء استخدام قياسي. وفي الوقت نفسه، غالبًا ما تكون الكفاءة الفعلية تحت الضوء المرئي الداخلي أقل بكثير مما هي عليه في ظل ظروف الأشعة فوق البنفسجية المختبرية ؛ يجب ذكر متطلبات الإضاءة بصدق في الترويج.

8. حكم الصيانة والفشل: التنظيف الذاتي ليس خاليًا من الصيانة

توفر Kexin New Materials (kexinMaterials) بروتوكول صيانة عند تقديم حلول التنظيف الذاتي، لأن الصيانة غير السليمة هي المصدر الرئيسي "للفشل الناجم عن الإنسان" لطلاءات التنظيف الذاتي:

• لا توجد منظفات قلوية وجلخية قوية: يتم تدمير طبقة الطاقة السطحية المنخفضة وهيكل النانو الصغير بسرعة ؛ قد يعوض التنظيف غير السليم سنوات من تصميم التجوية.
• لا توجد نفاثة مائية مباشرة قريبة المدى عالية الضغط: يؤدي التصادم الميكانيكي إلى انهيار هيكل كاسي.
• يجب أن يظل السطح التحفيزي الضوئي "معرضًا للضوء ": بعد تثبيت مظلات الشمس أو الأفلام الإعلانية أو الغبار السميك طويل المدى، لا يمكن للأشعة فوق البنفسجية الوصول إليه ويفشل النشاط.
• إعادة القياس الدوري بدلاً من الفحص البصري: يوصى بإعادة القياس سنويًا باستخدام مقياس زاوية التلامس المحمول أو طريقة قطرة الماء القياسية، جنبًا إلى جنب مع سجلات المظهر، أكثر موضوعية بكثير من "يبدو جيدًا".
• يجب كتابة عتبات حكم الفشل في العقد: على سبيل المثال، "زاوية التدحرج التي تتجاوز X° التي يتم الحكم عليها على أنها فشل كاره للماء"، "زاوية تلامس سطح التحفيز الضوئي لا تنخفض إلى Y° تحت جرعة تشعيع محددة يتم الحكم عليها على أنها فشل في النشاط"، لتجنب النزاعات اللاحقة.

تاسعاً. العلاقة مع طلاء السيراميك للسيارات

ينتمي طلاء السيراميك للسيارات إلى المسار الخارق للماء (الهيكل العظمي SiO₂ + مجموعات الطاقة المنخفضة) ؛ "التنظيف الذاتي" هو مياه الأمطار التي تتدحرج حاملة الغبار، وليس التحلل الضوئي. إن الادعاء بأن "الطلاء يتحلل البقع" يخلط بين الطريقتين - فالطلاء الخزفي يصد الماء بشكل أساسي ويعزز اللمعان، ولا تزال البقع العضوية العنيدة تعتمد على غسل السيارات. يسمح فهم هذا التمييز ببناء توقعات دقيقة لـ "التنظيف الذاتي" لطلاء السيراميك للسيارات.

X. قائمة الاختيار المرجعية وشجرة القرار

لاختيار طلاء التنظيف الذاتي، أجب عن أربعة أسئلة أولاً: ① هل هناك الأشعة فوق البنفسجية (يحدد ما إذا كان التحفيز الضوئي قابلاً للاستخدام )؛ ② هل هو مقاوم للتآكل (يحدد عمر الهيكل غير الآلف للماء )؛ ③ الركيزة وظروف التطبيق (يحدد مرحلة الرابط والعملية )؛ ④ معيار القبول (غير آلف للماء بواسطة CA/زاوية التدحرج، التحفيز الضوئي بواسطة ISO 27448 / JIS R 1703-1/-2 / GB/T 23764). إن محاذاة "ROUTE + STANDARD + WORKING CONDITION" لا تجعل التنظيف الذاتي وسيلة للتحايل.

تم توسيعه بواسطة شجرة القرار على النحو التالي:

يستحق الصف الأخير التأكيد: عندما يكون الملوث ترسبًا غير عضوي، فإن "طلاء التنظيف الذاتي" نفسه ليس هو الحل الصحيح ؛ يجب على المرء العودة إلى معالجة المياه أو تصميم الصرف أو طرق السطح سهلة التنظيف. تعيين المشاكل التي لا ينبغي حلها عن طريق الطلاء للطلاء هو السبب الأكثر خفية لفشل مشروع التنظيف الذاتي.

الأسئلة الشائعة

س: كم عدد الآليات التي تحتوي عليها طلاءات التنظيف الذاتي ؟

ج: مساران رئيسيان: "تأثير اللوتس" الخارق للماء (خشونة النانو الدقيقة + مجموعات الطاقة المنخفضة، قطرات الماء تتدحرج حاملة الأوساخ) و TiO₂ التحفيزي الضوئي "المحبب للماء الفائق" (الأشعة فوق البنفسجية تتحلل الأوساخ العضوية + يغسل فيلم الماء). واحد يصد الماء، والآخر يجذب الماء ؛ طرق مختلفة لنفس الغاية، مع ظروف مختلفة قابلة للتطبيق.

س: لماذا يعتبر TiO₂ ذاتي التنظيف "آلف للماء" بدلاً من "كاره للماء "؟

ج: Anatase TiO₂ متحمس بواسطة الأشعة فوق البنفسجية يولد ·OH وما إلى ذلك لتحلل الأوساخ العضوية السطحية، في حين أن المعالجة بالهيدروكسيل السطحي تجعل زاوية التلامس مع الماء تقترب من 0 درجة وتنتشر في فيلم يعزل الغبار ويغسله. وهي تعتمد على "الانتشار المحب للماء + التحلل الضوئي"، وليس على الخرزات الدوارة المقاومة للماء.

س: هل الطلاء التحفيزي الضوئي مفيد في الداخل بدون ضوء الشمس ؟

ج: غير فعال في الأساس. يتطلب TiO₂ <387 نانومتر من التنشيط بالأشعة فوق البنفسجية ؛ ينخفض النشاط بشكل حاد في الداخل أو في الظل أو في الأنفاق بدون الأشعة فوق البنفسجية. في مثل هذه السيناريوهات، استخدم نوعًا فائقًا غير آلف للماء أو نوعًا مخدرًا مرئيًا مستجيبًا للضوء (مقايضة الكفاءة/التكلفة).

س: ما هي المعايير التي تثبت التنظيف الذاتي ؟

ج: بالنسبة لزاوية التلامس >150 درجة، زاوية الانزلاق <10 درجة (ISO 19403 / GB/T 30693 )؛ بالنسبة للتحفيز الضوئي، انظر إلى ISO 27448 (طريقة زاوية التلامس مع الماء لأداء التنظيف الذاتي)، JIS R 1703-1/-2 (طريقة زاوية التلامس مع الماء/طريقة تحلل أزرق الميثيلين)، GB/T 23764-2009 "طريقة اختبار أداء مواد التنظيف الذاتي للتحفيز الضوئي". لاحظ أن JIS R 1705 هي طريقة اختبار النشاط المضاد للفطريات ولا يمكن استخدامها لإثبات التنظيف الذاتي. يجب التعامل مع "التنظيف الذاتي" دون دعم التقرير بحذر.

س: ما هو الفرق الهندسي بين ولاية ونزل وولاية كاسي ؟

ج: في حالة Wenzel، يملأ السائل الأخاديد الخشنة ؛ يتم تضخيم زاوية التلامس ولكن التباطؤ كبير وقطرات الماء مثبتة ولا تتدحرج. في حالة كاسي، يرتكز السائل فوق النتوءات مع وسادة هوائية أدناه ؛ زاوية الانزلاق صغيرة وقطرات الماء تتدحرج بسهولة. يعتمد التنظيف الذاتي على حالة كاسي ؛ يمكن أن يؤدي الضغط أو التكثيف أو التآكل إلى انهيارها في حالة وينزل، ويتجلى ذلك على أنه "لا تزال زاوية التلامس على ما يرام ولكن الماء لا يتدحرج".

س: لماذا يؤدي الاعتماد فقط على زاوية التلامس الثابتة إلى اختيار خاطئ للمنتج ؟

ج: يوجد سطح "بتلة الورد ": تتجاوز زاوية التلامس الثابتة أيضًا 150 درجة، لكن الالتصاق قوي للغاية ولا تسقط قطرات الماء حتى عند عكسها، غير قادرة تمامًا على التنظيف الذاتي. يجب على المرء أن يطلب في وقت واحد زاوية انزلاق أو تخلف زاوية التلامس (الفرق بين زوايا التقدم والانحسار)، وتحديد حجم القطرات وطريقة الاختبار.

س: هل يمكن أن يؤدي التحفيز الضوئي إلى تحلل القشور وإزهار الملح والصدأ ؟

ج: لا. الأنواع النشطة من التحفيز الضوئي تؤكسد المادة العضوية، وهي غير فعالة ضد الرواسب غير العضوية (مقياس كربونات الكالسيوم، إزهار الملح، صدأ أكسيد المعدن). يجب معالجة هذا التلوث من خلال معالجة المياه أو تصميم الصرف أو الأسطح سهلة التنظيف، وليس من خلال توقع طلاء ذاتي التنظيف.

س: هل الطلاءات التحفيزية الضوئية المرئية المستجيبة للضوء جديرة بالثقة ؟

ج: المسار الفني حقيقي (المنشطات غير المعدنية مثل N، C الأحمر يغير حافة الامتصاص)، ولكن المنشطات غالبًا ما تدخل مراكز إعادة التركيب وتقلل من الكفاءة الكمية، و GB/T 23764-2009 لا ينطبق صراحة على المواد المرئية المستجيبة للضوء. عند الشراء، يجب على المرء أن يطلب مواصفات طيف مصدر الضوء، والإشعاع، والبيانات التجريبية لطرف ثالث ؛ وإلا فإن البيانات غير قابلة للمقارنة.

س: هل "التنظيف الذاتي" لطلاء السيراميك للسيارات محفز ضوئي ؟

ج: لا. ينتمي طلاء السيراميك للسيارات إلى المسار الخارق للماء، حيث يعتمد على تدفق مياه الأمطار لحمل الغبار وتعزيز مقاومة الماء ؛ لا تزال الأوساخ العضوية العنيدة تعتمد على غسل السيارات، وليس التحلل الضوئي. يؤدي استدعاء الطلاء "يتحلل البقع" إلى الخلط بين المسارين.

س: هل سيتحلل الطلاء التحفيزي الضوئي نفسه ؟

ج: نعم، إذا كانت مرحلة المادة الرابطة عبارة عن راتنج عضوي عادي. لذلك، يجب أن يستخدم الطلاء التحفيزي الضوئي مرحلة المادة الرابطة الخزفية/غير العضوية المقاومة للضوء لتجنب أن يحفز TiO₂ تدهور نفسه. هذه هي الصعوبة الأساسية في صياغة هذا المسار.

س: لماذا تكون مقاومة التآكل للطلاء الخارق للماء ضعيفة ؟

ج: يعتمد التنظيف الذاتي على بنية خشنة متناهية الصغر ؛ وبمجرد ارتدائها بشكل مسطح، تنهار حالة كاسي وتعود إلى حالة تسلل وينزل، وتنخفض كراهية الماء والتنظيف الذاتي بشكل حاد. يجب على المرء أن يقترن بطبقة علوية مقاومة للاهتراء أو تحديد ركيزة مقاومة للعوامل الجوية، وتجنب ظروف التآكل القوية.

س: هل يمكن الجمع بين المسارين ؟

ج: نعم. على سبيل المثال، يحلل TiO₂ الأوساخ العضوية + يحافظ الهيكل العظمي SiO₂ على كره الماء، ويجمع بين "التحلل + مقاومة الماء". لكن العملية معقدة، وتحتاج التكلفة والنشاط إلى مقايضات ؛ الحكم من خلال ظروف العمل ما إذا كان الأمر يستحق ذلك.

س: هل يحتاج طلاء التنظيف الذاتي إلى صيانة ؟

ج: نعم. يعتمد المسعور الفائق على إعادة الفحص الدوري لزاوية التلامس والتنظيف اللطيف للحفاظ على الهيكل ؛ يحتاج التحفيز الضوئي إلى سطح دون عائق، مما يحافظ على إمكانية الوصول إلى الأشعة فوق البنفسجية، ولا يزال الغبار المفرط يحجب الضوء ويقلل من الكفاءة. كما أنها ليست "خالية من الصيانة بشكل دائم".

س: كيف تختار نوع كاره للماء أو محفز ضوئي ؟

ج: الإجابة على أربعة أسئلة: ما إذا كان هناك الأشعة فوق البنفسجية (تحدد ما إذا كان يمكن استخدام التحفيز الضوئي)، وما إذا كانت مقاومة للاهتراء (تحدد العمر غير الآلف للماء)، والركيزة والبناء (تحدد مرحلة الربط)، ومعيار القبول (CA/زاوية الانزلاق مقابل ISO 27448). بالنسبة للزجاج/الخلايا الكهروضوئية المعرضة للأشعة فوق البنفسجية في الهواء الطلق، اختر التحفيز الضوئي ؛ بالنسبة للجدران الداخلية/خطوط الأنابيب/الخارجية ذات التآكل، اختر كاره للماء.

مراجع أخرى

• قابلية الترطيب بطبقة النانو وزاوية التلامس: فهم حالة كاسي باكستر وراء التنظيف الذاتي الخارق للماء وطرق القياس الكمي لزاوية التلامس/زاوية الانزلاق.
• آلية طلاء نانو السيراميك للسيارات المسعور: انظر الموقع الحقيقي للمسار المسعور الفائق في طلاء السيراميك للسيارات وحدود "التنظيف الذاتي".
• التنظيف الذاتي للتحفيز الضوئي Nano TiO₂: من منظور مجموعة المواد، خوض في بنية النطاق وآلية التحلل التحفيزي الضوئي لـ anatase TiO₂.
• سوق ومعايير طلاء النانو: خريطة التطبيق ونظرة عامة على نظام المعايير
• نظرة عامة على طلاء النانو: الجسيمات النانوية وآلية العمل وحدود التعريف