林倩倩，梁文懂，胡大海，彭 威

（武漢科技大學 湖北省煤轉(zhuǎn)化與新型碳材料重點實驗室，湖北 武漢430081）

納米TiO2因其化學穩(wěn)定性、無毒以及能有效去除大氣和水中的污染物而成為解決能源和環(huán)境問題的理想材料［1－4］。多年來，研究者們雖然已經(jīng)做了大量的研究工作［5－9］，但在拓展超親水性應(yīng)用方面尚需作進一步的研究。研究發(fā)現(xiàn)［10］，一定條件下，利用超親水性可在基材表面形成一層極薄水膜，導致水分的快速蒸發(fā)，蒸發(fā)潛熱使得基材表面溫度迅速降低，利用這種特性有望實現(xiàn)構(gòu)筑物表面及其內(nèi)部的溫度調(diào)節(jié)，達到節(jié)能減排的目的。

作者以鈦酸丁酯［Ti（O－Bu）4］為鈦源，利用溶膠－凝膠法，通過摻雜聚二甲基硅氧烷（PDMS），在玻璃基材表面制備TiO2－PDMS復(fù)合薄膜，改善其親水性能，延長其親水性的保持時間；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計制作構(gòu)筑物模型，利用TiO2－PDMS薄膜的超親水性，施以適當流量的循環(huán)散水，使構(gòu)筑物模型外表面形成極薄的水膜，實現(xiàn)水分的高效蒸發(fā)，在調(diào)節(jié)構(gòu)筑物溫度的同時實現(xiàn)表面自潔。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

無水乙醇、鈦酸丁酯、鹽酸（36%～38%）、羥基封端PDMS（羥基含量8.5%）等均為分析純。

JC2000C1型靜滴接觸角測量儀，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司；X′Pert Pro MPD型XRD粉末衍射儀，荷蘭Philips公司；UV－2550PC型紫外可見分光光度計，日本島津公司；TL0.01型提拉機，沈陽科晶設(shè)備制造有限公司；SK1200H型超聲波清洗器，上?？茖С晝x器有限公司；TAST－8606型紅外線測溫儀，蘇州特安斯電子有限公司。

1.2 TiO2－PDMS復(fù)合薄膜的制備

在100mL三口燒瓶中加入30mL無水乙醇和0.2mL去離子水，置于磁力攪拌器上攪拌加熱至50℃。量取一定量的鈦酸丁酯溶液滴加到上述混合溶液中，預(yù)水解一段時間后加入0.2mL 1mol·L－1的鹽酸溶液，控制物質(zhì)的量比為Ti（O－Bu）4∶H2O∶HCl∶C2H5OH＝1∶10∶0.2∶60，攪拌1h后加入不同含量（TiO2∶PDMS，質(zhì)量比）的PDMS（用無水乙醇1∶1溶解）。繼續(xù)攪拌，得到無色透明的TiO2－PDMS復(fù)合溶膠，陳化24h后，稀釋10倍，靜置備用。

將100mm×100mm玻璃基板置于制備的復(fù)合溶膠中，采用浸漬提拉法涂膜，考察其親水性能，確定適宜的實驗條件。在此基礎(chǔ)上，采用滾筒涂覆法在構(gòu)筑物模型外表面涂覆復(fù)合溶膠，常溫常壓下懸掛晾干，制備涂覆TiO2－PDMS復(fù)合薄膜的構(gòu)筑物。

1.3 復(fù)合薄膜的性能表征

在25W石英紫外燈下照射30min后，用靜滴接觸角測量儀測定TiO2－PDMS復(fù)合薄膜表面的接觸角；用XRD粉末衍射儀對復(fù)合薄膜進行結(jié)構(gòu)表征；用紫外可見分光光度計對復(fù)合薄膜的透光率和形貌進行分析。

1.4 構(gòu)筑物設(shè)計與溫度調(diào)節(jié)

利用超親水特性可以實現(xiàn)構(gòu)筑物或建筑物的降溫，達到一定的節(jié)能效果。不同的構(gòu)筑物，室內(nèi)外熱環(huán)境有很大差別，并隨著墻體類型的不同有很大的變化。本實驗構(gòu)筑物尺寸為500mm×500mm×500mm的正方體，采用玻璃基材構(gòu)建，如圖1所示。

圖1 構(gòu)筑物模型Fig.1 Schematic diagram of structure model

在構(gòu)筑物的外表面涂覆TiO2－PDMS復(fù)合薄膜。實驗開始時啟動水泵，通過閥門控制水流量，調(diào)節(jié)構(gòu)筑物表面的水膜厚度，用紅外線測溫儀測量不同時段構(gòu)筑物模型的內(nèi)表面溫度及地表溫度，用溫度計測量構(gòu)筑物模型的內(nèi)部空氣溫度和大氣溫度。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合薄膜的XRD分析（圖2）

圖2 復(fù)合薄膜的XRD圖譜Fig.2 XRD Patterns of the composite films

由圖2可知：摻雜不同量PDMS的復(fù)合薄膜的XRD圖譜均在25.3°左右出現(xiàn)了銳鈦礦型TiO2特征吸收峰，說明溶膠內(nèi)有銳鈦礦晶型的TiO2生成；但特征峰較寬，可能是由于復(fù)合薄膜較薄，并且其是由PDMS與TiO2通過共價鍵形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而生成的銳鈦礦型TiO2粒子均勻分散在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，導致衍射信號減弱，也與納米TiO2的粒徑較小導致晶形不完整有關(guān)。

2.2 復(fù)合薄膜的透光率和形貌分析

圖3為可見光下復(fù)合薄膜的透光率曲線。

圖3 復(fù)合薄膜的透光率曲線Fig.3 Transmission curves of the composite films

由圖3可知：復(fù)合薄膜有著較高的透光率，摻雜PDMS會降低復(fù)合薄膜的透光率；PDMS摻雜量較少時，薄膜的透光率可維持在較高水平；當PDMS摻雜量為52.56%時，薄膜的透光率降至50%左右，但視覺上仍為透明薄膜。

2.3 復(fù)合薄膜的親水性能

將不同PDMS摻雜量的復(fù)合薄膜置于紫外燈下照射，測定不同紫外光照時間下的復(fù)合薄膜接觸角，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同紫外光照時間下，PDMS摻雜量對復(fù)合薄膜接觸角的影響Fig.4 Effect of PDMS amount on the contact angle of the composite films under different irradiation times

由圖4可知：不同PDMS摻雜量的復(fù)合薄膜的接觸角隨著紫外光照時間的延長均不斷減??；當PDMS摻雜量為0%時，照射120min后薄膜呈超親水狀態(tài)，接觸角減小到3.6°；隨著PDMS摻雜量的不斷增加，復(fù)合薄膜接觸角達到超親水狀態(tài)所需時間明顯縮短；當紫外光照射120min時，復(fù)合薄膜的接觸角均為0°，薄膜表面的水滴可以自由鋪展，形成一層極薄的水膜。這是因為，在紫外光照射下，復(fù)合薄膜表面的PDMS分子內(nèi)的Si－C化學鍵發(fā)生斷裂，生成的自由基與表面吸附的O2發(fā)生反應(yīng)生成Si－OH，使薄膜表面羥基含量增加，促進了復(fù)合薄膜由疏水狀態(tài)向超親水狀態(tài)的轉(zhuǎn)變［11］。比較圖4中不同PDMS摻雜量的曲線走勢可見，PDMS摻雜量為21.69%時，光照30min即可滿足實際應(yīng)用超親水需要。

PDMS摻雜量為21.69%的復(fù)合薄膜紫外光照30 min后，在不同條件下其接觸角隨時間的變化如圖5所示。

圖5 不同條件下，復(fù)合薄膜接觸角隨時間的變化Fig.5 Change of contact angle of the composite film with time under different conditions

由圖5可知：在薄膜保持潤濕的條件下，可長時間保持超親水狀態(tài)，接觸角均為0°；在薄膜保持干燥的條件下，接觸角初始有微弱變化，16h后接觸角增大到5°，此時薄膜仍具有良好的超親水性。由此可見，TiO2－PDMS復(fù)合薄膜在降低接觸角的同時，可以延長超親水的保持時間。這是由于，PDMS吸附的水分在薄膜表面形成一層很穩(wěn)定的物理吸附水層，停止紫外光照射后，這些吸附水可以穩(wěn)定TiO2表面的Ti3＋－OH結(jié)構(gòu)，使復(fù)合薄膜保持長時間的超親水狀態(tài)［12］，無需頻繁使用紫外光激發(fā)。

2.4 構(gòu)筑物內(nèi)部溫度變化

室外環(huán)境下，構(gòu)筑物內(nèi)部的溫度變化如圖6所示。

圖6 構(gòu)筑物內(nèi)部的溫度變化Fig.6 Change of internal temperature of structure model

由圖6可知：（1）散水條件下，涂膜和未涂膜構(gòu)筑物的內(nèi)部溫度顯著不同。表面涂覆TiO2－PDMS復(fù)合薄膜的構(gòu)筑物溫度要低得多，正午時段的大氣平均溫度為42℃，地表平均溫度為68℃，構(gòu)筑物涂膜后的內(nèi)部溫度比未涂膜時平均低7℃左右。實驗表明，有散水流經(jīng)表面時，未涂膜的構(gòu)筑物表面水流不均勻且易形成溝流，并存在干涸區(qū)，降低了冷卻效果；涂膜構(gòu)筑物的表面散水層則會迅速鋪展成極薄的水膜層，水膜的快速蒸發(fā)使得壁面溫度大大降低，冷卻了構(gòu)筑物表面并降低了周圍大氣的溫度，減少因日光照射而導致室內(nèi)降溫負荷的增加，獲得了顯著的冷卻促進效果。其次由于涂膜構(gòu)筑物表面所形成的水膜薄且均勻，因而散水層對涂膜構(gòu)筑的視覺效果影響不大。（2）涂膜條件下，散水與無散水構(gòu)筑物的內(nèi)部溫度差異更為明顯，大氣溫度越高，這種調(diào)溫作用越顯著。

因此，在散水和涂覆TiO2－PDMS復(fù)合薄膜的條件下，可以實現(xiàn)構(gòu)筑物內(nèi)部溫度的降低，具有實際應(yīng)用價值。

3 結(jié)論

以鈦酸丁酯為鈦源，利用溶膠－凝膠法制備的TiO2－PDMS復(fù)合薄膜具有良好的超親水性能和較好的透光性。室外環(huán)境下，在自制的構(gòu)筑物模型表面涂覆TiO2－PDMS復(fù)合薄膜，通過散水的作用，在構(gòu)筑物表面形成極薄的水膜層，利用水膜的快速蒸發(fā)可有效進行構(gòu)筑物的溫度調(diào)節(jié)。研究結(jié)果可用于多種墻體基材，具有一定的應(yīng)用價值。

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