近年来，国内很多城市的雾霾污染严重，雾是自然天气现象，危害很小；霾是由空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机化合物等粒子组成的。灰霾粒子的尺度比较小，从0.001μm 到10μm，平均直径大约在1~2μm左右。这种颗粒本身既是一种污染物，又是流感病毒、结核杆菌、肺炎球菌、重金属、多环芳烃等有害物质的载体，含有各种对人体有害的细颗粒、有毒物质达20多种。由于粒径小（即PM2.5），易被人体吸收，非常不利于儿童成长及身心健康，尤其对呼吸系统、心血管系统危害较大，影响生殖能力，而且会增强传染性病菌的活性，使传染病增多。

本实验研究了一种含有纳米TiO2的氟碳涂层，这种涂层刷在建筑物表面后，与空气接触，能有效地抑制霾的产生并分解霾，减少霾的危害。纳米TiO2作为纳米材料具有许多特性，小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应。纳米TiO2是一种半导体材料，Bickley等研究发现，锐钛矿型TiO2的禁带宽度为3.2eV，在光照特别是紫外光的照射下其夹带电子就会跃迁至导带，从而形成光生电子和光生空穴对，电子与空气中的氧气发生反应，生成高活性的超氧离子·O2-，而空穴则与表面水或OH-反应生成具有强氧化性的羟基自由基·OH，羟基自由基具有很高的化学活性，可以破坏有机物的C—C、C—H、C—O、C—N、N—H、O—H键，所以纳米TiO2能有效地对有机酸类、烃类、酚类、卤代脂肪烃、卤代芳烃、硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、杂环化合物、染料、表面活性剂、农药等进行光催化反应，最终将其降解为H2O、CO2等无机小分子，从而消除了其对环境的污染。对于无机污染物的处理也都取得了预期的效果。

钛酸丁酯：工业品，南京尊德科技有限公司；无水乙醇：分析纯，天津市津东天正精细化学试剂厂；冰醋酸：分析纯，济宁华凯树脂有限公司；纳米二氧化钛专用分散剂TDL-ND： 工业品，南京天行新材料有限公司；水性涂料消泡剂DC65：工业品，道康宁（中国）投资有限公司；pH 调节剂AMP-95：工业品，广州市润宏化工有限公司；氟碳乳液：工业品，长兴化工；流平剂Si-well-Rebon SR 106：工业品，广东雷邦高新材料有限公司；成膜助剂：工业品，广州恒宇化工有限公司。

马尔文纳米粒度仪Zetasizer APS：进口；分散机ZTF-M-I：上海众托实业有限公司； 高速分散研磨器ZFS-1.5/2.2：上海臻煊机电科技有限公司；电热鼓风干燥箱202-00S：长沙科怡仪器设备有限公司；箱式电阻炉SX2-4-10（马弗炉）：金坛市华城润华实验仪器厂。 

1.3.1 溶胶-凝胶法制备纳米TiO2

溶胶-凝胶法可以在低温下制备高纯度、粒径分布均匀、化学活性大的单组分或多组分分子级纳米TiO2，具体工艺如下。

在完全干燥的烧杯中加入无水乙醇、冰醋酸，再加入适量的钛酸丁酯，分散10~20min。在快速搅拌下，将无水乙醇和去离子水、分散剂的混合物滴入上述液体中。滴加完后，水浴加热至70~75℃，继续搅拌10~20min 后，静置30~60min，得到均匀的微黄色凝胶，用烘箱110~120℃烘干，放到马弗炉中400~600℃焙烧、活化得到黄色粉末。反应式如下：

1.3.2 自清洁净霾涂料的制备

将黄色纳米TiO2粉末放入加有去离子水、分散剂、消泡剂并正高速分散的液体中，分散润湿20~30min，滴加稀释的pH调节剂，使pH为7~9，分散10~15min，然后超高速研磨4~6h，得到纳米分散液。测试纳米分散液的粒径，合格后，中速分散下加入乳液、流平剂、防沉剂、成膜助剂，分散40~60min后得到自清洁净霾涂料。

图1 纳米分散液粒径分布

图1是用纳米粒度仪测试纳米分散液的粒径分布图，可以看出粒径主要集中在15~30nm 之间，在多次实验时发现有很多因素影响分散液中TiO2粒径的大小和分布。将条件控制在最佳，粒径可以集中在5~10nm，控制不好会＞100nm，甚至集中在几十微米，同时稳定性不好，易团聚、沉降。经过分析，影响分散液中TiO2粒径大小的因素主要有以下几个方面。

2.1.1 水解速度的影响

实验发现：水解速度过快，试验过程中会有大量的块状絮凝物生成，得不到稳定的透明溶胶。这将直接影响后期的TiO2分散液的颗粒大小和分布，所以要加入适量的冰醋酸，并控制好滴加无水乙醇和去离子水、分散剂的混合物的速度，同时要控制好后期水浴升温的速度。

2.1.2 马弗炉烘烤温度的控制

马弗炉的温度要控制好，升温过快和不适当的温度，烘烤时间过长或过短，都会导致粒径变大。

2.1.3 分散剂的影响

选用合适的分散剂，将大大提高实验的成功率，更容易得到粒径分布理想的纳米TiO2分散液。

2.1.4 超高速研磨的影响

实验发现，研磨机的转速对纳米TiO2的分散有很大的影响。当转速达到一定强度时，研磨效率会明显提高，更容易短时间内将纳米TiO2分散开，更容易得到粒径分布理想的纳米TiO2分散液。

图2 纳米TiO2对氮氧化物的作用检测结果对比图

图2（A）为在密闭透光的容器中，放入涂刷有自清洁净霾涂层的实验板，然后充入检测气体，测试浓度变化。从图2 可以看出，前10min，在无光的情况下，气体浓度变化很少； 在自然光的照射下，15min 内，NO和NOX的浓度迅速减少；而（B）为没有涂刷自清洁净霾涂料的对照组，气体浓度变化较小。检测机构测试的结果也表明，自清洁净霾涂层可以有效去除净化大气中的氮氧化物、甲醛，去除率达70%以上，从而可以抑制大气中O3及二次颗粒物的生成，大气中的氮氧化物的去除，有助于减少雾霾及光化学烟雾等大气污染问题的发生。

将刷有白色氟碳漆的金属板上，右半部分，刷上自清洁净霾涂料，放在室外露天平台。图3是刚放在室外雨后的效果图，可以看出，左部分疏水，有明显的水珠，右半部分亲水，水的接触角非常小，这有益于雨水对污染物的清洗。

图3 自清洁净霾涂料涂层的亲水实验

图4为刷有自清洁净霾涂料的铁板放置一个月后的效果图。图5是刷有自清洁净霾涂料的铁板放置6个月后的效果图。

图4 自清洁实验结果

图5 自清洁实验结果

从图中可以看出，自清洁净霾涂料有着明显的自清洁效果。通过大量实验，影响自清洁净霾涂层的的自清洁效果的影响因素分析如下。

2.3.1 不同的树脂对自清洁净霾涂料自清洁效果的影响

分别用氟碳乳液、丙烯酸乳液、水性聚氨酯分散液涂层进行对比试验发现，只有氟碳涂层才能做出自清洁效果时间长、几乎无失光的净霾涂层。氟碳涂层露天放置6个月后仍有很好的自清洁效果；甚至加速老化400h后，仍显示出很好的自清洁功能。而对比丙烯酸乳液、水性聚氨酯分散液中纳米TiO2在涂层中含量相同的情况下，自清洁效果在露天下只有2~5 个月。所以最终选用氟碳乳液作为自清洁净霾涂料的成膜物质。

2.3.2 纳米TiO2的粒径分布和在涂层中的含量对自清洁效果的影响

实验发现，纳米TiO2的粒径分布越集中在更小的纳米级粒径下，催化作用越强，自清洁效果越好；涂层中纳米TiO2含量越高，自清洁效果越明显。但是，也会更快地粉化，最后失效。所以，对于不同粒径分布的纳米TiO2有不同的最佳加入量，太少则见效太慢，太多则失效太快。

经过大量实验发现，纳米TiO2与氟碳乳液制成的自清洁净霾涂料具有高效的自清洁、净霾功能，同时成膜透明，对基材本身颜色无影响，而且施工简单方便、能耗少，不造成二次污染。当越多的建筑表面刷有自清洁净霾涂料时，对减少雾霾天气的污染越有利。当然，自清洁净霾涂料也有一定的有效期，大概3~5a会对底下的涂层有一定的粉化作用，所以应对净霾涂料的应用展开更深入广泛的研究。

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