近年來，國內很多城市的霧霾污染嚴重，霧是自然天氣現象，危害很小；霾是由空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機化合物等粒子組成的。灰霾粒子的尺度比較小，從0.001μm 到10μm，平均直徑大約在1~2μm左右。這種顆粒本身既是一種污染物，又是流感病毒、結核桿菌、肺炎球菌、重金屬、多環芳烴等有害物質的載體，含有各種對人體有害的細顆粒、有毒物質達20多種。由于粒徑小（即PM2.5），易被人體吸收，非常不利于兒童成長及身心健康，尤其對呼吸系統、心血管系統危害較大，影響生殖能力，而且會增強傳染性病菌的活性，使傳染病增多。

本實驗研究了一種含有納米TiO2的氟碳涂層，這種涂層刷在建筑物表面后，與空氣接觸，能有效地抑制霾的產生并分解霾，減少霾的危害。納米TiO2作為納米材料具有許多特性，小尺寸效應、表面與界面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應。納米TiO2是一種半導體材料，Bickley等研究發現，銳鈦礦型TiO2的禁帶寬度為3.2eV，在光照特別是紫外光的照射下其夾帶電子就會躍遷至導帶，從而形成光生電子和光生空穴對，電子與空氣中的氧氣發生反應，生成高活性的超氧離子·O2-，而空穴則與表面水或OH-反應生成具有強氧化性的羥基自由基·OH，羥基自由基具有很高的化學活性，可以破壞有機物的C—C、C—H、C—O、C—N、N—H、O—H鍵，所以納米TiO2能有效地對有機酸類、烴類、酚類、鹵代脂肪烴、鹵代芳烴、硝基芳烴、取代苯胺、多環芳烴、雜環化合物、染料、表面活性劑、農藥等進行光催化反應，最終將其降解為H2O、CO2等無機小分子，從而消除了其對環境的污染。對于無機污染物的處理也都取得了預期的效果。

鈦酸丁酯：工業品，南京尊德科技有限公司；無水乙醇：分析純，天津市津東天正精細化學試劑廠；冰醋酸：分析純，濟寧華凱樹脂有限公司；納米二氧化鈦專用分散劑TDL-ND： 工業品，南京天行新材料有限公司；水性涂料消泡劑DC65：工業品，道康寧（中國）投資有限公司；pH 調節劑AMP-95：工業品，廣州市潤宏化工有限公司；氟碳乳液：工業品，長興化工；流平劑Si-well-Rebon SR 106：工業品，廣東雷邦高新材料有限公司；成膜助劑：工業品，廣州恒宇化工有限公司。

馬爾文納米粒度儀Zetasizer APS：進口；分散機ZTF-M-I：上海眾托實業有限公司； 高速分散研磨器ZFS-1.5/2.2：上海臻煊機電科技有限公司；電熱鼓風干燥箱202-00S：長沙科怡儀器設備有限公司；箱式電阻爐SX2-4-10（馬弗爐）：金壇市華城潤華實驗儀器廠。 

1.3.1 溶膠-凝膠法制備納米TiO2

溶膠-凝膠法可以在低溫下制備高純度、粒徑分布均勻、化學活性大的單組分或多組分分子級納米TiO2，具體工藝如下。

在完全干燥的燒杯中加入無水乙醇、冰醋酸，再加入適量的鈦酸丁酯，分散10~20min。在快速攪拌下，將無水乙醇和去離子水、分散劑的混合物滴入上述液體中。滴加完后，水浴加熱至70~75℃，繼續攪拌10~20min 后，靜置30~60min，得到均勻的微黃色凝膠，用烘箱110~120℃烘干，放到馬弗爐中400~600℃焙燒、活化得到黃色粉末。反應式如下：

1.3.2 自清潔凈霾涂料的制備

將黃色納米TiO2粉末放入加有去離子水、分散劑、消泡劑并正高速分散的液體中，分散潤濕20~30min，滴加稀釋的pH調節劑，使pH為7~9，分散10~15min，然后超高速研磨4~6h，得到納米分散液。測試納米分散液的粒徑，合格后，中速分散下加入乳液、流平劑、防沉劑、成膜助劑，分散40~60min后得到自清潔凈霾涂料。

圖1 納米分散液粒徑分布

圖1是用納米粒度儀測試納米分散液的粒徑分布圖，可以看出粒徑主要集中在15~30nm 之間，在多次實驗時發現有很多因素影響分散液中TiO2粒徑的大小和分布。將條件控制在最佳，粒徑可以集中在5~10nm，控制不好會＞100nm，甚至集中在幾十微米，同時穩定性不好，易團聚、沉降。經過分析，影響分散液中TiO2粒徑大小的因素主要有以下幾個方面。

2.1.1 水解速度的影響

實驗發現：水解速度過快，試驗過程中會有大量的塊狀絮凝物生成，得不到穩定的透明溶膠。這將直接影響后期的TiO2分散液的顆粒大小和分布，所以要加入適量的冰醋酸，并控制好滴加無水乙醇和去離子水、分散劑的混合物的速度，同時要控制好后期水浴升溫的速度。

2.1.2 馬弗爐烘烤溫度的控制

馬弗爐的溫度要控制好，升溫過快和不適當的溫度，烘烤時間過長或過短，都會導致粒徑變大。

2.1.3 分散劑的影響

選用合適的分散劑，將大大提高實驗的成功率，更容易得到粒徑分布理想的納米TiO2分散液。

2.1.4 超高速研磨的影響

實驗發現，研磨機的轉速對納米TiO2的分散有很大的影響。當轉速達到一定強度時，研磨效率會明顯提高，更容易短時間內將納米TiO2分散開，更容易得到粒徑分布理想的納米TiO2分散液。

圖2 納米TiO2對氮氧化物的作用檢測結果對比圖

圖2（A）為在密閉透光的容器中，放入涂刷有自清潔凈霾涂層的實驗板，然后充入檢測氣體，測試濃度變化。從圖2 可以看出，前10min，在無光的情況下，氣體濃度變化很少； 在自然光的照射下，15min 內，NO和NOX的濃度迅速減少；而（B）為沒有涂刷自清潔凈霾涂料的對照組，氣體濃度變化較小。檢測機構測試的結果也表明，自清潔凈霾涂層可以有效去除凈化大氣中的氮氧化物、甲醛，去除率達70%以上，從而可以抑制大氣中O3及二次顆粒物的生成，大氣中的氮氧化物的去除，有助于減少霧霾及光化學煙霧等大氣污染問題的發生。

將刷有白色氟碳漆的金屬板上，右半部分，刷上自清潔凈霾涂料，放在室外露天平臺。圖3是剛放在室外雨后的效果圖，可以看出，左部分疏水，有明顯的水珠，右半部分親水，水的接觸角非常小，這有益于雨水對污染物的清洗。

圖3 自清潔凈霾涂料涂層的親水實驗

圖4為刷有自清潔凈霾涂料的鐵板放置一個月后的效果圖。圖5是刷有自清潔凈霾涂料的鐵板放置6個月后的效果圖。

圖4 自清潔實驗結果

圖5 自清潔實驗結果

從圖中可以看出，自清潔凈霾涂料有著明顯的自清潔效果。通過大量實驗，影響自清潔凈霾涂層的的自清潔效果的影響因素分析如下。

2.3.1 不同的樹脂對自清潔凈霾涂料自清潔效果的影響

分別用氟碳乳液、丙烯酸乳液、水性聚氨酯分散液涂層進行對比試驗發現，只有氟碳涂層才能做出自清潔效果時間長、幾乎無失光的凈霾涂層。氟碳涂層露天放置6個月后仍有很好的自清潔效果；甚至加速老化400h后，仍顯示出很好的自清潔功能。而對比丙烯酸乳液、水性聚氨酯分散液中納米TiO2在涂層中含量相同的情況下，自清潔效果在露天下只有2~5 個月。所以最終選用氟碳乳液作為自清潔凈霾涂料的成膜物質。

2.3.2 納米TiO2的粒徑分布和在涂層中的含量對自清潔效果的影響

實驗發現，納米TiO2的粒徑分布越集中在更小的納米級粒徑下，催化作用越強，自清潔效果越好；涂層中納米TiO2含量越高，自清潔效果越明顯。但是，也會更快地粉化，最后失效。所以，對于不同粒徑分布的納米TiO2有不同的最佳加入量，太少則見效太慢，太多則失效太快。

經過大量實驗發現，納米TiO2與氟碳乳液制成的自清潔凈霾涂料具有高效的自清潔、凈霾功能，同時成膜透明，對基材本身顏色無影響，而且施工簡單方便、能耗少，不造成二次污染。當越多的建筑表面刷有自清潔凈霾涂料時，對減少霧霾天氣的污染越有利。當然，自清潔凈霾涂料也有一定的有效期，大概3~5a會對底下的涂層有一定的粉化作用，所以應對凈霾涂料的應用展開更深入廣泛的研究。

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