PVC建筑膜材表面涂層技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
摘要：建筑膜材是一種新型的建筑材料，廣泛應(yīng)用于各種膜結(jié)構(gòu)建筑中，PVC膜材是一種價格較低、應(yīng)用廣泛的膜材，但由于增塑劑的遷移問題，使PVC膜材的使用壽命和自潔性能較差。為提高PVC膜材的耐久性和自潔性，需對PVC膜材進行表面涂層。本文介紹了幾種PVC膜材表面涂層技術(shù)及其特點，并闡述了建筑膜材防污自潔技術(shù)的機理和發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：涂層技術(shù)，氟碳樹脂，防污自潔，荷葉效應(yīng)
在當(dāng)今的建筑領(lǐng)域，建筑膜材料的應(yīng)用越來越廣泛。無論在城市街頭，還是大型的體育場館，建筑膜材已經(jīng)悄然走進了人們的生活，扮演著不可或缺的角色。建筑膜材是一種強度高、柔韌性好的薄膜材料，是由纖維編織成織物基材，在兩面以樹脂為涂層材料加工固定而成的材料。中心的織物基材決定膜材的力學(xué)性能，而作為涂層材料的樹脂決定膜材的物理特性[1]。建筑膜材除了要具有良好的物理機械性能、耐老化性能、阻燃和防火性能以外，好的防污自潔性能也是一個重要的指標(biāo)，因為建筑膜材在使用過程中，時刻受到外界各種各樣的污染，如大氣中存在的漂浮的塵埃和煙霧。膜結(jié)構(gòu)建筑材料可以說是繼鋼鐵、水泥、木材和玻璃之后的第五種建筑材料[2]。
對于大跨度空間結(jié)構(gòu)來說，如果采用膜材料，其成本只相當(dāng)于傳統(tǒng)建筑的二分之一或更少，而且膜結(jié)構(gòu)建筑工程中所有加工和制作過程均在工廠內(nèi)完成，這樣減少了現(xiàn)場施工時間，相對傳統(tǒng)建筑工程工期更短�？梢越o設(shè)計師們帶來更多的想象空間，設(shè)計出優(yōu)美的建筑。目前應(yīng)用較廣的膜材主要有PTFE膜材、ETFE膜材、PVC膜材。PTFE和ETFE膜材具有強度高、能力強、耐低溫沖擊性能高、化學(xué)性能穩(wěn)定、透光性極強、防污性能優(yōu)良，灰塵及污跡會被雨水沖刷除去，使用壽命均在20年以上。PVC膜材由聚氯乙烯（PVC）涂層和聚酯纖維基層復(fù)合而成，應(yīng)用廣泛。由于其明顯的價格優(yōu)勢，目前在國內(nèi)受到普遍青睞。一般PVC膜的耐用年限依使用環(huán)境不同在5-8年。但在其應(yīng)用的過程中，存在增塑劑遷出，易粘灰，自潔性差等問題，嚴(yán)重影響到膜材的使用壽命和應(yīng)用范圍[3]。為了使建筑膜材能夠保持美觀，膜材表面涂層起著至關(guān)重要的作用，使其在使用過程中僅依靠雨水沖刷就能保持自潔。防污自潔的建筑膜材在環(huán)境保護與能源節(jié)約方面帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，所以受到了人們的密切關(guān)注[4]。本文介紹了幾種PVC膜材表面涂層技術(shù)及其特點，并闡述了建筑膜材防污自潔技術(shù)的機理和發(fā)展趨勢。
1表面涂層
1.1聚丙烯酸酯類涂層劑
聚丙烯酸酯（PA）是一種耐光性能好，與PVC具有良好粘結(jié)性能的樹脂，它易溶于丙酮，乙酸乙酯、二氯乙烷等溶劑，不易溶于水，價格低廉，使用工藝簡單。此類高分子能形成光澤好的耐水薄膜，粘合牢固，不易剝落，在室溫下柔韌而有彈性。20世紀(jì)70年代初，人們將其涂覆在PVC建筑膜材表面進行防污處理，取得一定效果。但在使用過程中受侵蝕的速度較快，耐老化性降低，因此使用年限較短（僅4-6年），主要用于臨時性建筑。所以，尋找一種耐候性優(yōu)良的處理劑引起了人們的重視[5]。
1.2氟碳樹脂類涂層劑
隨著氟碳樹脂開發(fā)技術(shù)的日趨成熟，人們將目光投向了氟碳樹脂來制備膜材用的防污自潔處理劑。氟碳樹脂是迄今為止發(fā)現(xiàn)的耐候性、耐久性最為優(yōu)良的聚合物，用其配制的含氟聚合物面層處理劑的機械性能、耐候性、抗污性、耐化學(xué)品性等十分優(yōu)良。C—F鍵的高鍵能是氟碳樹脂用作高耐候性表面處理劑的基礎(chǔ)。另外，具有C—F鍵的高氟聚合物表面能很低，使膜材具有一定得疏水性。這種極低的表面能與極強的疏水性使一般污染物難以黏附上去，耐沾污性就會大大提高，提高膜材的防污自潔性能[6]。
用作表面處理劑的氟碳樹脂主要有聚偏氟乙烯（PVDF），PVDF樹脂是具有優(yōu)良的防紫外線、耐老化、耐化學(xué)腐蝕，與其他聚合物具有熱力學(xué)相容性的部分結(jié)晶聚合物。對大多數(shù)無機鹽、酸、鹵素、氧化劑、弱堿及脂肪族、芳香族和鹵代溶劑等均有優(yōu)良的抗性[7]。其防污效果較聚丙烯酸酯樹脂大大提高，并具有良好的自潔性能。因此，PVDF面涂到建筑膜材后使用壽命達到15-25年，但是也由于PVDF的高化學(xué)惰性，與PVC膜材的粘合性差，易剝離[8]。剝離后使PVC涂層暴露在太陽光下，從而導(dǎo)致增塑劑遷出，膜面發(fā)粘，易吸灰，防污自潔性能下降。為此，德國制造商MehlerHaiku在PVC上涂一層聚丙烯酸酯作為過渡層，然后再涂一層PVDF，這樣既解決了易剝離問題，自潔性能仍十分優(yōu)異，但該工藝會導(dǎo)致建筑膜材顏色偏黃，因此仍需進一步研究。目前效果較好的如FERRARI公司開發(fā)的FluotopT2膜材，是將PVDF通過特定的固化劑與PVC膜材產(chǎn)生最佳結(jié)合；而德國HeytexNeugersdorfGmbH公司在PVDF面層中添加了特殊的改性助劑，既提高了膜材的防污性能，又由于改性助劑與PVC層內(nèi)添加劑的協(xié)同作用，使PVDF與PVC涂層的結(jié)合更加牢固，不易剝離[9]。
1.3納米TiO2涂層處理技術(shù)
研究發(fā)現(xiàn)在紫外線的照射下，納米TiO2具有良好的光氧化還原功能，能夠?qū)⒂袡C污染物氧化分解，從而使膜材達到自潔的效果[10]。另外，納米TiO2表面羥基使膜材表面處于親水狀態(tài)，從而阻隔污物對膜材的侵蝕，賦予膜材優(yōu)異的防污自潔能力。H.AbdulRazak等人證明將納米TiO2面涂到PVC建筑膜材，自潔性能優(yōu)于其他處理劑。美國圣戈班公司（Saint-Gobain）和韓國秀博工業(yè)集團（Supertex）均研究采用二氧化鈦技術(shù)得到防污性能極好的建筑用膜材，其產(chǎn)品具有極強的自潔性能、優(yōu)良的防污性、良好的透光性并能達到節(jié)能的目的。關(guān)鍵技術(shù)是在膜面涂層時，滲入一定量的二氧化鈦（TiO2），當(dāng)受到紫外線照射時，通過光催化反應(yīng)，產(chǎn)生超親水氧化分解作用，把有機物（污物）分解，可以十分方便地將其除去，因此只要二氧化鈦存在，它就可持續(xù)地具有防污效果。二氧化鈦作為光催化劑，在發(fā)揮催化作用時，本身不起變化，因此它的防污作用是持續(xù)的[11]。
2防污自潔建筑膜材制備的理論基礎(chǔ)
2.1“荷葉效應(yīng)”
氟碳樹脂的表面能一般在25mN/m左右，具有疏水性，但是要達到超疏水的效果，還需要進行超疏水處理。眾所周知，荷葉素有“出淤泥而不染”之稱，被視為純潔的象征[12]。對荷葉的這種“自潔”現(xiàn)象，人們進行了研究。20世紀(jì)90年代，德國植物學(xué)家波恩大學(xué)WilhelmBarthlott教授揭示了荷葉表面的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)荷葉的“自潔性”源于荷葉粗糙表面上微米結(jié)構(gòu)的突起以及表面納米尺寸的蠟晶共同存在引起的[13]。荷葉表面微米結(jié)構(gòu)的突起平均直徑約為5～9μm，平均間距約12μm，而每個突起是由許多直徑為124.3±3.2nm左右的蠟晶組成的。荷葉表面的微米－納米粗糙結(jié)構(gòu)不僅可以增大表面靜態(tài)接觸角（160.4±0.7°），進一步增加表面疏水性，而且更重要的是可以賦予疏水性表面較小的滾動角（2°）。當(dāng)水滴滾動時，會將附著在葉子表面的污物帶走[14]。
2.2接觸角理論
潤濕是固體表面的一個重要特征。而固體表面對液體的潤濕性是由接觸角的大小來表征的，是固、氣、液界面間表面能在固體表面平衡的結(jié)果，如公式（1）所示[15]。接觸角與表面能之間的關(guān)系可以通過楊氏方程來描述：
（1）
式中，是固體表面的固有接觸角；指固/氣接觸面的表面張力；指固與液接觸面的表面張力；指液與氣接觸面的表面張力。當(dāng)＝0º是，液體完全潤濕固體表面，如圖（a）所示。當(dāng)0º<<90º，液體不完全潤濕固體表面，固體表面表現(xiàn)為具有親水性，如圖（b）所示。當(dāng)90º<<180º時，液體不潤濕固體表面，該固體表面屬疏水性的表面，如圖（c）所示。
然而對于一些粗糙度高或者多孔的表面，Cassie和Baxter共同研究后認(rèn)為液滴在粗糙表面上的接觸是一種復(fù)合的接觸，液滴并不能填滿粗糙表面上的凹槽，在液珠下將有截留的空氣存在，表觀上的液固接觸面其實由固體和液體共同組成，如圖所示[16][17]。這時的靜態(tài)接觸角可由適合任何復(fù)合表面接觸的Cassie-Baxter方程得到：
（2）
是與液體實際接觸的固體表面所占的比例；是與液體接觸的孔洞中截留的空氣所占的比例；是液體與固體表面的接觸角；是液體與空氣的接觸角。＋＝1。由于＝180º，故得：
（3）
當(dāng)表面足夠疏水或者γ足夠大時，即，此時，，。
天津工業(yè)大學(xué)顧振亞教授指導(dǎo)的課題組，基于“荷葉效應(yīng)”原理，用PVDF(聚偏氟乙烯)與納米SiO2粒子在PVC建筑膜材表面構(gòu)筑微米一納米粗糙結(jié)構(gòu)，并用AFM(原子力顯微鏡)加以驗證。詳細(xì)分析了PVDF溶液的制備條件對構(gòu)筑微米結(jié)構(gòu)的影響。經(jīng)測試，面涂后的PVC建筑膜材與水的接觸角達158．9°，滾動角為3°，集灰實驗測試表明，水滴能將撒在PVC建筑膜材表面的炭黑帶走，具有一定防污自潔性，如圖6、圖7所示[18]。
3我國防污自潔建筑膜材的發(fā)展趨勢
目前，國內(nèi)膜結(jié)構(gòu)建筑膜材料的發(fā)展振奮人心，隨著一些大型體育館、候機大廳等建設(shè)以及2010年上海世博會和廣州亞運會等國際盛會的舉辦，為我國膜材的發(fā)展帶來了機遇和挑戰(zhàn)。我國起步晚，技術(shù)水平低，大部分膜材還主要依靠進口。PTFE、PVC和表面改性的PVC、ETFE等膜材是市場的主流，應(yīng)用比較廣泛。我國已有PTFE膜材的自主知識產(chǎn)權(quán)，性能也基本達到國外同類產(chǎn)品的要求。很多公司、科研單位以及高校都在進行PVC表面涂層材料的研究，如PVDF、納米TiO2表涂劑等的研究已初見成效，另外在表面防污自潔處理方面的研究如仿生荷葉構(gòu)筑微粗糙表面也開始起步[19]。在引進世界一流的生產(chǎn)設(shè)備和工藝技術(shù)的同時，加緊消化吸收并改進創(chuàng)新，盡快開發(fā)適合我國市場需求的膜材表面處理技術(shù)，對提升我國整個產(chǎn)業(yè)用紡織品產(chǎn)品檔次和市場競爭力都具有重要意義。
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(TianjinPolytechnicUniversityTextilecollegeTianjinCityHedongAreaChenglinStreetNO.63300160)
