Принцип нанопокрытия с самоочисткой: два пути — эффект лотоса и фотокатализ TiO₂

«Самоочистка» - это самая обсуждаемая функция нанопокрытий: дождь мгновенно очищает его, стекло остается без пыли, а наружные стены не нуждаются в очистке. Но самоочистка не является единым механизмом; скорее, она следует по двум физико-химическим путям: один - супергидрофобность (эффект лотоса), который полагается на микро-нано шероховатость + низкую поверхностную энергию для откатывания грязи с каплями воды; другой - фотокаталитическая супергидрофильность (тип TiO₂), который полагается на УФ-возбуждение для разложения органического вещества и распространения водной пленки для вымывания пыли. Два противоположны по направлению (один отталкивает воду, другой притягивает ее), но достигают одной и той же цели разными способами. В этой статье систематически объясняется механизм, материалы, стандарты и сравнение выбора; все количественные оценки соответствуют реальным стандартам, таким как ISO 27448, JIS R 1705 и GB/T 23764. Для физической основы гидрофобности сначала прочитайте сопутствующую статью «Смачиваемость нанопокрытий и угол контакта».

Kexin New Materials (kexinMaterials) предоставляет два типа самоочищающихся растворов в функциональных покрытиях - гидрофобные и фотокаталитические. Эта статья также включает в себя принцип НИОКР «выбора пути в соответствии с условиями работы» из общедоступных технических материалов, помогая клиентам избежать неправильного представления о том, что «одно самоочищающееся решение подходит всем».

I. Первый путь: супергидрофобный эффект лотоса (водоотталкивающая самоочистка)

Эффект лотоса возникает из-за его поверхностной микро-нано-бислойной структуры (микрометровые сосочки + кристаллы нановоска), удовлетворяющей композитному состоянию Кэсси-Бакстера: воздух захватывается под каплей воды, контактируя только с кончиками сосочков, с углом контакта > 150° и углом качения < 10°; капля воды катится как «шар», унося пыль и песок. Искусственные супергидрофобные покрытия повторяют эту структуру:

• Химия с низкой поверхностной энергией: введите группы с низкой энергией, такие как —CF и -Si-CH, чтобы снизить внутренний угол контакта θ_Y (см. Смачиваемость нанопокрытия).
• Микро-нано-шероховатая структура: для построения шероховатости используйте нано SiO₂, нано Al₂O, или травление, толкающее поверхность от состояния Венцеля до состояния Кэсси.

Грязь в основном состоит из гидрофильных частиц, которые по существу не контактируют с подложкой при посадке на супергидрофобную поверхность, а просто «подхватываются» катящимися каплями воды, обеспечивая «самоомывание от дождя». «Автомобильное керамическое покрытие, гидрофобные наружные стены здания и тканевая водоотталкивающая обработка относятся к этой категории (см. Автомобильный керамический гидрофобный механизм).

1.1 Три уравнения: от Янга до Венцеля и Кэсси

Чтобы понять, почему одной «низкой поверхностной энергии» недостаточно, необходимо связать воедино три классические модели:

• Уравнение Юнга описывает собственный угол контакта θ_Y идеальной гладкой поверхности, определяемый балансом трех межфазных напряжений: твердого газа, твердого-жидкостного и жидкого-газового. Исключительно полагаясь на химию (фторсодержащие, силаносодержащие группы) для снижения поверхностной энергии, теоретический верхний предел угла контакта с водой на гладкой поверхности составляет около 120°- вот почему «изменение только химии, а не структуры, не может привести к супергидрофобности».
• Модель Венцеля описывает «увлажненное состояние», когда жидкость полностью заполняет неровные долины: cosθ* = r·cosθ_Y, где r - отношение фактической площади к проектной площади (r ≥ 1). Его вывод: «шероховатость усиливает первоначальную тенденцию»: по своей природе гидрофобность становится более гидрофобной, по своей природе гидрофильная становится более гидрофильной. Но в состоянии Венцеля жидкость внедряется в канавки с большим гистерезисом угла контакта и закрепленными некатящимися каплями.
• Модель Кэсси-Бакстера описывает «составное состояние», в котором жидкость находится поверх выступов с воздухом, захваченным ниже: cosθ* = f·cosθ_Y + f − 1, где f - доля фактической площади контакта твердого тела с жидкостью. Чем меньше f (чем выше коэффициент воздушной подушки), тем больше кажущийся угол контакта, тем меньше гистерезис и тем легче капает капля.

Супергидрофобная самоочистка действительно зависит от состояния Кэсси. Как только давление, вибрация, конденсация или износ выталкивают жидкость в канавки, система разрушается от Cassie до Wenzel; угол контакта может оставаться высоким, но капля больше не катится - функция самоочистки выходит из строя. Это также объясняет распространенное явление: «вода красиво наносится на панель образца, но через несколько месяцев на открытом воздухе она удерживает воду и пыль».

1.2 Показатели, более важные, чем угол контакта: угол качения и гистерезис угла контакта

Отраслевое продвижение обычно сообщает только статический угол контакта, но то, что определяет «можно ли унести грязь», на самом деле является динамическим параметром:

• Гистерезис угла контакта: разница между углом продвижения θ_adv и углом удаления θ_rec. Чем меньше гистерезис, тем легче капля отсоединяется от поверхности.
• Угол качения/угол скольжения: наклон поверхности, необходимый для того, чтобы капля определенного объема начала катиться. Общим критерием супергидрофобности является статический угол контакта >150° и угол качения <10°.
• «Эффект лепестка розы» является контрпримером: некоторые микро-наноструктурированные поверхности также превышают статический угол контакта 150°, но при чрезвычайно сильной адгезии капля не падает даже при переворачивании. Такие поверхности имеют «квалифицированный» угол контакта, но не могут самоочищаться вообще - выбор на основе только статического угла контакта приведет к подводным камням.

Поэтому при приобретении супергидрофобных самоочищающихся покрытий следует запрашивать данные как статического угла контакта, так и угла качения (или гистерезиса угла контакта), а также указывать испытательную жидкость (деионизированную воду), объем капель, температуру испытания и метод испытания (серия ISO 19403/ GB/T 30693).

1.3 Пути реализации материалов и недостатки долговечности

Конструируя микро-нано-двухмасштабную шероховатость + модификацию с низкой поверхностной энергией, промышленность в основном имеет четыре пути: накопление наночастиц (SiO₂, Al ₂ O, TiO₂) в шероховатый слой с последующей прививкой силана/фторсилана; разделение фаз или формирование пор для создания пористых структур; травление/анодирование для прямого создания микро-нано-морфологии на подложке; и одностадийный метод золь-гель для одновременного формирования пленки и создания шероховатости.

Общим недостатком четырех маршрутов является долговечность:

1. Механический износ: сами микро-нано-выступы чрезвычайно малы по масштабу; любое протирание или очистка песчаной пылью сначала изнашивает «наноуровневую» структуру, и состояние Кэсси соответственно разрушается.
2. УФ-старение: органические группы с низкой поверхностной энергией разрывают цепи под действием УФ и свободных радикалов, вызывая рост поверхностной энергии. Системы с силоксаном (Si—O—Si, высокая энергия связи, устойчивость к ультрафиолетовому излучению) в качестве скелета обычно имеют лучшую устойчивость к атмосферным воздействиям, чем чисто органические системы.
3. Покрытие загрязняющими веществами: маслянистые пятна «заполняют» воздушную подушку, и в этот момент супергидрофобную поверхность становится еще труднее очистить.
4. Нормативные ограничения: длинноцепочечные перфторированные соединения уже ограничены международными конвенциями (ПФОК был включен в Приложение А к Стокгольмской конвенции о стойких органических загрязнителях в 2019 году, ПФОС - в Приложение В в 2009 году), и отрасль быстро переходит на короткоцепочечные фторированные системы и силановые/кремнийорганические системы. При выборе подтвердите заявление поставщика о соответствии химическим веществам.

II. Второй путь: фотокаталитическая супергидрофильность TiO₂ (самоочистка при разложении)

Второй путь прямо противоположный - он делает поверхность гидрофильной, полагаясь на химическое разложение, а не на физическую прокатку:

• Фотокаталитическое разложение: при УФ-возбуждении (λ < 387 нм) анатаз TiO₂ генерирует электронно-дырочные пары, которые реагируют с поверхностной водой/кислородом с образованием активных соединений, таких как ·OH и ·O₂, окислительно разлагающейся поверхностной органической грязи (масляные пятна, птичий помет, органическая пыль).
• Супергидрофилизация: при освещении поверхность TiO₂ образует кислородные вакансии и гидроксилированный слой с углом контакта с водой, приближающимся к 0°; капли воды распространяются в пленку, а не отбиваются; эта водная пленка изолирует грязь от подложки и смывает пыль гравитацией/бризом, то есть «гидрофильной самоочисткой».

Таким образом, чистое покрытие TiO₂ является «гидрофильной очисткой», подходящей для стеклянных навесных стен, солнечных панелей (уменьшая накопление затеняющей пыли) и туннельной плитки. Его активность должна быть подтверждена специальными стандартами: ISO 27448 «Fine Ceramics (Advanced Ceramics, Advanced Technical Ceramics) — Test Method for Self-Cleaning Performance of Semiconducting Photocatalytic Materials — Measurement of Water Contact Angle», JIS R 1703-1/-2 (Test methods for self-cleaning performance of photocatalytic materials: Part 1 Measurement of water contact angle, Part 2 Methylene blue decomposition method) и GB/T 23764-2009 «Test method for self-cleaning performance of photocatalytic materials» (настоящий стандарт модифицирован из JIS R 1703-1:2007) и др. Для общего механизма фотокатализа TiO₂ расширьте считывание до кластера материалов Nano TiO₂ Photocatalytic Self-Cleaning.

2.1 Bandgap и квантовая эффективность: почему это должно быть ультрафиолетовое излучение

Запрещенная зона анатазы TiO₂ составляет около 3,2 эВ, что соответствует верхнему пределу возбуждаемой длины волны около 387 нм; рутил составляет около 3,0 эВ, что соответствует около 413 нм. Согласно соотношению Планка, энергия фотонов должна быть не меньше запрещенной зоны для возбуждения электронов валентной зоны к зоне проводимости, что физически ограничивает «только УФ-сегмент в естественном свете (составляющий несколько процентов поверхностной энергии солнечного излучения) участвует в фотокатализе.« Это жесткое ограничение приводит к трем инженерным выводам:

1. В помещении, в тени или внутри туннелей без достаточного УФ-излучения, чистая самоочистка TiO₂ в основном не работает, если только она не оснащена искусственными источниками ультрафиолетового света (такие конструкции существуют в туннельном освещении).
2. В пасмурные дни все еще наблюдается УФ-рассеяние; фотокатализ не полностью падает до нуля, но скорость значительно снижается, а эффект самоочищения колеблется в зависимости от сезона и ориентации.
3. Стекло поглощает часть УФ-излучения; фотокаталитическое покрытие, установленное на внутренней стороне стекла, гораздо менее эффективно, чем на внешней стороне.

Если возбужденные электронно-дырочные пары рекомбинируют в массе, химический эффект не возникает. Таким образом, технические пути улучшения активности в основном вращаются вокруг «подавления рекомбинации и продления срока службы носителя»: смешанная фаза анатаза/рутила (смещение запрещенной зоны на границах фаз способствует разделению заряда, классическая идея для коммерческих порошков типа P25), осаждение благородных металлов (Pt, Au в виде электронных ловушек), компаундирование с узкозонными полупроводниками и легирование элементов.

2.2 Реакция в видимом свете: выгоды и издержки допинга

2.3 «Обратимость» фотоиндуцированной супергидрофильности и темнового восстановления

Супергидрофильность TiO₂ не является постоянным свойством, а фотоиндуцирована и обратима: при УФ-облучении поверхность гидроксилируется, а угол контакта с водой приближается к 0°; после перемещения в темное место в течение определенного периода времени угол контакта будет постепенно снова увеличиваться. Это явление имеет два прямых воздействия в машиностроении:

• В испытании должна быть указана полная последовательность «темная обработка - измерение облучения светом». Процедуры испытаний ISO 27448 и GB/T 23764 разработаны вокруг этой точки: сначала используйте указанный метод для покрытия поверхности органическим веществом (с образованием начального высокого угла контакта), затем облучайте при указанной ультрафиолетовой освещенности и записывайте кривую снижения угла контакта с кумулятивной дозой облучения.
• При сравнении различных продуктов необходимо проверить освещенность (мВт/см²) и кумулятивную дозу облучения (например, Дж/см² или кДж/м²). Сообщение только «угол контакта 5° после 24-часового облучения» без указания освещенности делает данные ненадежными.

2.4 Фотокатализ - это больше, чем самоочистка: три вида деятельности должны оцениваться отдельно

Стандарт производительности фотокаталитических материалов «сценарный», и их смешивание вызывает недопонимание:

Особое напоминание о высокочастотной мисцитации: JIS R 1705 - это «метод испытания на противогрибковую активность фотокаталитических продуктов при облучении светом», который относится к антибактериальной категории и не является самоочищающимся стандартом испытаний; для самоочищения следует ссылаться на JIS R 1703-1/-2 или ISO 27448. Использование неправильного стандартного номера будет непосредственно оценено как ложная техническая документация в официальных технических обзорах тендера.

III. Сравнение двух путей: водоотталкивающего и гидрофильного

Вывод: они дополняют друг друга, а не исключают друг друга. Места без УФ-излучения в помещении (например, салоны автомобилей, трубы) подходят для гидрофобных типов; наружное стекло/фотогальваника с УФ-излучением подходят для фотокаталитических типов; иногда композит (разложение TiO₂ + гидрофобность каркаса SiO₂) обеспечивает и то, и другое.

3.1 Адаптационные различия двух путей к «типам загрязнения»

На той же внешней стене сложность удаления пыли, следов дождя, масляного пара, мха, птичьего помета и граффити совершенно иная. Классифицируя загрязнение по двум измерениям «органическое/неорганическое» и «частичное/пленочное», сразу становится понятным разделение труда между двумя путями:

Эта таблица проясняет фундаментальное заблуждение: фотокатализ может только окислительно разлагать органическое вещество и совершенно неэффективен против неорганических отложений, таких как накипь, соляное выцветание и металлическая ржавчина; в то время как устойчивость супергидрофобности к масляным пятнам гораздо менее идеальна, чем заявлено. Любой продукт, утверждающий, что «один спрей, постоянно чистый», может быть напрямую опровергнут с помощью этой таблицы.

3.2 Составной путь: как сосуществовать структурно

Сильное окислительное свойство TiO₂ разлагает органическое вещество в непосредственном контакте с ним, включая собственную органическую связующую фазу покрытия и поверхностные органические группы с низкой поверхностной энергией. Следовательно, «как гидрофобный, так и фотокаталитический» не является простой смесью, но требует структурного выделения:

• Слоистая структура: неорганический каркас SiO₂ в качестве переходного слоя для выделения, с TiO₂, распределенным в самом внешнем слое или в островкообразном распределении;
• Модификация покрытия: SiO₂ или Al₂O ლ покрытие на частицах TiO₂ для снижения скорости разложения, вызванной прямым контактом (это также обычная практика для многих «атмосферостойких» пигментов диоксида титана);
• Фаза неорганического связующего вещества: используйте неорганические пленкообразователи, такие как силикат и силикатный золь, в целом, чтобы принципиально избежать разложения фазы органического связующего вещества.

Стоимость представляет собой повышенную сложность процесса и стоимость, а гидрофобность частично компенсируется фотокаталитической гидрофилизацией. При выборе «композит» следует рассматривать как решение для особых нужд, а не как изначально лучшее по умолчанию.

IV. Количественная оценка производительности: как проверить самоочистку

О самоочистке нельзя судить по «чистоте», ее необходимо количественно оценить:

• Угол контакта/угол качения: для супергидрофобных, статических CA >150° и угла качения <10° в соответствии с ISO 19403 / GB/T 30693.
• Фотокаталитическая активность: ISO 27448 и GB/T 23764-2009 измеряют изменение угла контакта воды с УФ-облучением (эффективность самоочистки); JIS R 1703-2 и ISO 10678 используют разложение метиленового синего для характеристики активности; типы очистки воздуха имеют отдельные серии ISO 22197 и GB/T 23761-2009.
• Ускоренное старение: активность повторного испытания или CA после циклов УФ/влажного тепла для оценки долговечности.

Согласно общедоступной литературе, коммерчески доступное самоочищающееся стекло TiO₂ может сохранять активность в течение нескольких лет под непрерывным ультрафиолетовым излучением, но активность резко падает в затененных и закрытых местах, свободных от ультрафиолетового излучения, поэтому «самоочистка» должна указывать условия использования освещения и не может быть заявлена широко.

4.1 Элементы достоверного отчета о самоочистке должны содержать

Независимо от того, какой путь выбран, чтобы судить о том, является ли отчет «цитируемым», проверьте, являются ли эти пункты полными:

Фотокаталитические отчеты, в которых отсутствует «освещенность», и супергидрофобные отчеты, в которых отсутствует «угол качения», относятся к несопоставимым данным - они могут быть подлинными, но не могут использоваться для горизонтального сравнения.

4.2 Оценка долговечности на открытом воздухе: ускоренное старение и воздействие в реальных условиях

Существует разрыв между лабораторными данными и эксплуатационными характеристиками на открытом воздухе, поэтому необходимы два типа дополнительных доказательств:

• Ускоренное старение: ксеноновая лампа или флуоресцентное УФ-старение (например, GB/T 1865, GB/T 14522 и другие методы серии искусственного выветривания), повторное измерение угла контакта или фотокаталитической активности после цикла. Обратите внимание, что не существует универсального коэффициента преобразования для коэффициента ускорения; к таким утверждениям, как «1000 часов равно X годам», следует относиться с осторожностью.
• Воздействие в реальных условиях: повесьте панели на репрезентативных климатических участках в соответствии с GB/T 9276 «Метод испытания на воздействие естественных атмосферных воздействий на покрытия» и периодически извлекайте и повторно измеряйте. Для архитектурных наружных стеновых изделий стойкость к пятнам также может быть оценена со ссылкой на GB/T 9780 «Метод испытания стойкости к пятнам архитектурных пленок покрытий»; этот показатель наиболее близок к восприятию пользователем «самоочищения».
• Повторное измерение после истирания: это обязательно для супергидрофобных. Истирание Табера (GB/T 1768 / ASTM D4060) или возвратно-поступательное трение с заданной нагрузкой с последующим измерением угла качения могут быть использованы для оценки срока службы микро-нано-структуры.

V. Основные положения по материалам и рецептурам

Подводные камни процесса супергидрофобного маршрута: ① Низкоэнергетические группы склонны к УФ-расщеплению; требуется стабильный силоксановый скелет; ② Микро-наноструктура разрушается при истирании; требуется износостойкая подложка или защитный верхний слой; ③ Трудное смачивание во время нанесения (кратерирование); требуется грунтовка/активация (см. процесс нанесения нанопокрытий).

Подводные камни фотокаталитического процесса: ① TiO₂ одновременно катализирует деградацию органических смол, поэтому покрытие должно использовать устойчивую к фотолизу фазу неорганического/керамического связующего, чтобы избежать саморазложения; ② Активируется только ультрафиолетовым излучением; активность в видимом свете требует легирования (легирование N, C или композитный узкозонный полупроводник), но с компромиссом эффективности и стоимости; ③ Нанодисперсия и адгезия (см. Логику дисперсии в наноустойчивом жестком покрытии).

VI. Общие сбои и контрмеры

В качестве поставщика системы Kexin New Materials (kexinMaterials) при поставке самоочищающихся растворов сначала уточняет, «имеет ли рабочее состояние ультрафиолетовое излучение, является ли оно износостойким и какова подложка», затем определяет гидрофобный или фотокаталитический тип и прикрепляет соответствующий стандарт (CA/угол качения или ISO 27448/JIS R 1705) отчеты - никогда не раскручивая один маршрут как универсальный.

VII. Типичные сценарии применения и ключевые моменты проектирования

7.1 Фотоэлектрические модули: Преимущество самоочистки непосредственно отражается в производстве электроэнергии

Накопление пыли (загрязнение) на поверхностных блоках модуля падает на свет, вызывая значительные потери электроэнергии, особенно серьезные в засушливых, пыльных и сельскохозяйственных зонах горения. Ценность самоочищающегося покрытия заключается в снижении частоты очистки и расхода воды, а не в том, что оно «никогда не нуждается в стирке». Технические примечания:

• Покрытие должно пройти испытания на выветривание и механическую нагрузку на уровне модуля и не должно ухудшать коэффициент пропускания стекла и долгосрочную надежность модуля (сам модуль спроектирован и сертифицирован на безопасность в соответствии с серией МЭК 61215 / МЭК 61730).
• Антибликовое (AR) покрытие и функция самоочистки часто интегрируются в один и тот же слой; необходимо проверять как коэффициент пропускания, так и индикаторы самоочистки, чтобы избежать потери коэффициента пропускания для гидрофобности.
• Угол наклона имеет решающее значение: при низком наклоне водяная пленка/капли не могут полностью стекать вниз, а эффект самоочистки значительно слабее, чем при высоком наклоне.

7.2 Строительство навесных стен и покрытий наружных стен: устойчивость к пятнам ближе к приемке, чем «самоочистка»

Стекло навесных стен подходит для фотокаталитического типа (достаточное количество наружных ультрафиолетовых лучей, в основном органических пятен и следов дождя); покрытия наружных стен чаще используют маршрут «низкая поверхностная энергия + высокая твердость», с приемлемостью в основном с помощью теста на стойкость к пятнам GB/T 9780. Владельцы должны помнить, что северные фасады и карнизные зоны (зоны дождевой тени), до которых не доходит промывка дождевой водой, - это места, где самоочистка работает хуже всего; дренажные линии и капельные канавки следует обрабатывать на этапе проектирования, а не полагаться на покрытие.

7.3 Тоннели и подземные пространства: источник света определяет маршрут

Загрязнение поверхностей туннельной плитки в основном связано с автомобильными выхлопными органическими веществами и сажей, которые очень подходят для фотокаталитического разложения; но естественное ультрафиолетовое излучение внутри туннелей равно нулю, поэтому оно должно полагаться на ультрафиолетовый компонент в системе освещения или на специальные ультрафиолетовые лампы. Если схема освещения не содержит УФ, следует вернуться к «легко очищаемому высокотвердому малоповерхностно-энергетическому» маршруту, решаемому механической промывкой.

7.4 Ткани и внешняя отделка: водоотталкивающие свойства не равны самоочищающимся

Водоотталкивающая способность ткани (водоотталкивающая и маслоотталкивающая отделка) разделяет механизм с супергидрофобной самоочисткой, но структура поверхности ткани быстро разрушается при стирке и трении, что требует оценки долговечности с помощью циклов стирки и указания «степени водоотталкивающей способности», а не смутного заявления о самоочищении.

7.5 Покрытия для очистки воздуха в помещении: относятся к другому набору индикаторов

Покрытия внутреннего фотокатализатора в основном нацелены на разложение формальдегида, ЛОС и запахов, относящихся к «очистке воздуха», а не к «самоочистке»; оценка должна соответствовать серии ISO 22197 или GB/T 23761-2009. Использование данных очистки воздуха для подтверждения самоочищения или наоборот является стандартным неправильным использованием. Между тем, фактическая эффективность при видимом свете в помещении часто намного ниже, чем при лабораторных ультрафиолетовых условиях; требования к освещению должны быть указаны правдиво при продвижении.

VIII. Решение о техническом обслуживании и неисправности: самоочистка не является необслуживаемой

Kexin New Materials (kexinMaterials) предоставляет протокол технического обслуживания при поставке самоочищающихся растворов, поскольку ненадлежащее техническое обслуживание является основным источником «антропогенного отказа» самоочищающихся покрытий:

• Отсутствие сильных щелочных и абразивных чистящих средств: слой с низкой поверхностной энергией и микро-наноструктура быстро разрушаются; одна неправильная очистка может компенсировать годы проектирования выветривания.
• Отсутствие прямой струи воды под высоким давлением на близком расстоянии: механическое воздействие разрушает структуру Cassie.
• Фотокаталитическая поверхность должна оставаться «открытой для света»: после установки солнцезащитных козырьков, рекламных пленок или долговременной густой пыли УФ-излучение не может достичь, и активность падает.
• Периодическое повторное измерение, а не визуальный осмотр: рекомендуется ежегодно проводить повторные измерения с помощью портативного измерителя угла контакта или стандартного метода измерения капель воды вместе с регистрацией внешнего вида, что гораздо более объективно, чем «выглядит нормально».
• Пороги оценки отказа должны быть записаны в контракте: например, «угол качения, превышающий X°, оцениваемый как гидрофобный отказ», «угол контакта фотокаталитической поверхности, не падающий до Y° при указанной дозе облучения, оцениваемый как отказ активности», чтобы избежать последующих споров.

IX. Взаимосвязь с автомобильным керамическим покрытием

Автомобильное керамическое покрытие относится к супергидрофобному маршруту (каркас SiO₂ + низкоэнергетические группы); его «самоочистка» - это откатывание дождевой воды, несущей пыль, а не легкое разложение. Утверждение «покрытие разлагает пятна» путает два пути - керамическое покрытие в основном отталкивает воду и усиливает блеск, стойкие органические пятна все еще зависят от мойки автомобиля. Понимание этого различия позволяет строить точные ожидания относительно «самоочищения» автомобильного керамического покрытия.

X. Контрольный список выбора и дерево решений

Чтобы выбрать самоочищающееся покрытие, сначала ответьте на четыре вопроса: ① Есть ли УФ (определяет, пригоден ли фотокатализ); ② Износостойкость (определяет срок службы гидрофобной структуры); ③ Подложка и условия нанесения (определяет фазу связующего и процесс); ④ Стандарт приемлемости (гидрофобный по CA/углу качения, фотокаталитический по ISO 27448/ JIS R 1703-1/-2 / GB/T 23764). Согласование «маршрут + стандарт + рабочее состояние» делает самоочистку не уловкой.

Расширено деревом решений следующим образом:

Последний ряд стоит подчеркнуть: когда загрязняющим веществом является неорганическое осаждение, само по себе «самоочищающееся покрытие» не является правильным решением; следует вернуться к очистке воды, конструкции дренажа или легко очищаемым поверхностным подходам. Присвоение покрытиям проблем, которые не должны решаться путем нанесения покрытия, является наиболее скрытой причиной отказа самоочищающегося проекта.

Часто задаваемые вопросы

В: Сколько механизмов у самоочищающихся покрытий?

A: Два основных пути: супергидрофобный «эффект лотоса» (микро-нано шероховатость + низкоэнергетические группы, капли воды отскакивают, перенося грязь) и фотокаталитический «супергидрофильный» TiO₂ (УФ разлагает органическую грязь + смывает водную пленку). Один отталкивает воду, другой притягивает воду; разные маршруты к одному и тому же концу, с разными применимыми условиями.

В: Почему самоочищающийся TiO₂ является «гидрофильным», а не «гидрофобным»?

A: Анатаза TiO₂, возбуждаемая ультрафиолетом, генерирует ·OH и т. д. для разложения поверхностной органической грязи, в то время как поверхностное гидроксилирование заставляет угол контакта с водой приближаться к 0° и распространяться в пленку, которая изолирует и вымывает пыль. Он опирается на «гидрофильное растекание + фотолиз», а не на водоотталкивающие катящиеся шарики.

В: Полезно ли фотокаталитическое покрытие в помещении без солнечного света?

О: В основном неэффективно. TiO₂ требует λ<387 нм ультрафиолетовой активации; активность резко падает в помещении, в тени или в туннелях без УФ. Для таких сценариев используйте супергидрофобный тип или легированный тип с чувствительностью к видимому свету (компромисс эффективности/стоимости).

В: Какие стандарты подтверждают самоочищение?

A: Для супергидрофобных, посмотрите на угол контакта >150°, угол скольжения <10° (ISO 19403 / GB/T 30693); для фотокаталитических, посмотрите на ISO 27448 (метод угла контакта с водой для самоочищения), JIS R 1703-1/-2 (метод угла контакта с водой/метод разложения метиленового синего), GB/T 23764-2009 «Метод испытания для характеристик фотокаталитических самоочищающихся материалов». Обратите внимание, что JIS R 1705 является методом испытания на противогрибковую активность и не может быть использован для доказательства самоочищения. К «самоочистке» без поддержки отчета следует относиться с осторожностью.

В: В чем инженерная разница между состоянием Венцеля и состоянием Кэсси?

О: В состоянии Венцеля жидкость заполняет шероховатые канавки; угол контакта усиливается, но гистерезис большой, и капли воды защемляются и не катятся. В состоянии Кэсси жидкость находится поверх выступов с воздушной подушкой внизу; угол скольжения мал, и капли воды легко скатываются. Самоочистка зависит от состояния Кэсси; давление, конденсация или истирание могут перевести его в состояние Венцеля, что проявляется как «угол контакта все еще в порядке, но вода не катится».

В: Почему использование только статического угла контакта приводит к неправильному выбору продукта?

О: Существует «эффект лепестка розы»: статический угол контакта также превышает 150°, но адгезия чрезвычайно сильная, и капли воды не падают даже при переворачивании, полностью неспособные к самоочищению. Необходимо одновременно запросить гистерезис угла скольжения или угла контакта (разница между углами продвижения и удаления) и указать объем капли и метод испытания.

В: Может ли фотокатализ разлагать накипь, солевые выцветания и ржавчину?

A: Нет. Активные виды фотокатализа окисляют органическое вещество и неэффективны против неорганических отложений (окалина карбоната кальция, соляное выцветание, ржавчина оксида металла). Такое загрязнение следует устранять с помощью очистки воды, конструкции дренажа или легко очищаемых поверхностей, а не с помощью самоочищающегося покрытия.

В: Достоверны ли фотокаталитические покрытия, реагирующие на видимый свет?

О: Технический путь реален (неметаллическое легирование, такое как N, C, красное смещает край поглощения), но легирование часто вводит центры рекомбинации и снижает квантовую эффективность, а GB/T 23764-2009 явно не применяется к материалам, чувствительным к видимому свету. При покупке необходимо указать спектр источника света, освещенность и сторонние эмпирические данные; в противном случае данные не сопоставимы.

В: Является ли «самоочистка» автомобильного керамического покрытия фотокаталитической?

О: Нет. Автомобильное керамическое покрытие относится к супергидрофобному пути, полагаясь на дождевую воду, уносящую пыль и повышающую водоотталкивающую способность; стойкая органическая грязь по-прежнему зависит от мойки автомобилей, а не от фоторазложения. Вызов покрытия «разлагает пятна» путает два пути.

В: Разлагается ли фотокаталитическое покрытие?

О: Да, если связующая фаза представляет собой обычную органическую смолу. Таким образом, фотокаталитическое покрытие должно использовать фотостойкую керамическую/неорганическую связующую фазу, чтобы избежать TiO₂, катализирующего деградацию. Это основная сложность формулировки этого пути.

В: Почему износостойкость супергидрофобного покрытия низкая?

О: Его самоочистка основана на микро-нано-неровной структуре; после износа состояние Кэсси разрушается и возвращается в состояние инфильтрации Венцеля, а гидрофобность и самоочистка резко падают. Необходимо сочетать с износостойким верхним слоем или выбирать устойчивую к атмосферным воздействиям подложку и избегать сильных условий истирания.

В: Можно ли объединить эти два пути?

A: Да. Например, TiO₂ разлагает органическую грязь + каркас SiO₂ поддерживает гидрофобность, сочетая «разложение + водоотталкивающую способность». Но процесс сложный, и затраты и деятельность требуют компромиссов; судите по условиям работы, стоит ли это того.

В: Требуется ли техническое обслуживание самоочищающегося покрытия?

О: Да. Супергидрофобность основана на периодической проверке угла контакта и осторожной очистке для сохранения структуры; фотокаталитическая поверхность должна быть беспрепятственной, сохраняя доступность УФ-излучения, а чрезмерная пыль все еще блокирует свет и снижает эффективность. Ни один из них не является «постоянно необслуживаемым».

В: Как выбрать гидрофобный или фотокаталитический тип?

Ответ: Ответьте на четыре вопроса: есть ли УФ (определяет, можно ли использовать фотокаталитический), является ли он износостойким (определяет гидрофобный срок службы), подложка и конструкция (определяет фазу связующего), стандарт приемлемости (CA/угол скольжения по сравнению с ISO 27448). Для наружного ультрафиолетового облучения стекла/фотоэлектрических элементов выберите фотокаталитический; для внутренних/трубопроводов/наружных стен с износом выберите гидрофобный.

Дополнительная информация

• Смачиваемость нанопокрытия и угол контакта: Понимание состояния Кэсси-Бакстера, лежащего в основе супергидрофобной самоочистки, и методов количественного определения угла контакта/угла скольжения.
• Гидрофобный механизм автомобильного керамического нанопокрытия: см. реальное позиционирование супергидрофобного пути в автомобильном керамическом покрытии и границу «самоочистки».
• Фотокаталитическая самоочистка Nano TiO₂: с точки зрения кластера материалов, углубитесь в структуру полосы и механизм фотокаталитического разложения анатазы TiO₂.
• Рынок и стандарты нанопокрытий: карта применения и обзор системы стандартов
• Обзор нанопокрытий: наночастицы, механизм действия и границы определения