超疏水自清潔涂料在隧道工程中的應(yīng)用

崔 鍇

(陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司 西安 710075)

0 引言

由于隧道處于相對(duì)封閉的環(huán)境，通風(fēng)效果差，尾氣中的有害物質(zhì)難以降解擴(kuò)散。隨著灰塵、泥水、汽車(chē)尾氣形成的炭黑和固體顆粒的混合，混合物最終沉積在隧道兩側(cè)的內(nèi)壁上，對(duì)隧道造成嚴(yán)重污染。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，隧道的交通燈和照明系統(tǒng)會(huì)變暗。隧道的空氣質(zhì)量將惡化，產(chǎn)生各種氣味和有毒氣體。隧道土建內(nèi)部缺陷難以檢測(cè)和維護(hù)，影響隧道的使用壽命。為了改善隧道環(huán)境和交通安全，必須定期清潔和維護(hù)。隧道的清潔已正式納入城市環(huán)境評(píng)估的必要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。目前，隧道的主要清潔方法是人工清潔。由于隧道表面的油污，很難清洗。清潔過(guò)程中存在死角，導(dǎo)致清潔質(zhì)量差。因此，手動(dòng)清洗方法具有清洗效率低，清洗質(zhì)量差，勞動(dòng)強(qiáng)度大和清洗成本高的缺點(diǎn)。

基于納米結(jié)構(gòu)涂層超疏水的特性，應(yīng)用于隧道內(nèi)壁清潔，可使隧道表面長(zhǎng)期無(wú)塵、無(wú)油污，具有很強(qiáng)的抗污染能力，能有效賦予隧道表面超強(qiáng)的自清潔功能，并使隧道內(nèi)壁明亮、平整。同時(shí)，它能夠節(jié)省人力、物力和財(cái)力，以及節(jié)約清潔和維護(hù)費(fèi)用。開(kāi)發(fā)清潔效果更好，清潔效率更高，更加經(jīng)濟(jì)的涂層材料，這是未來(lái)公路隧道內(nèi)墻綠色維護(hù)和耐久性維護(hù)的重要研究方向。本文就超疏水自清潔涂層材料的機(jī)理分析、選擇、性能檢測(cè)以及應(yīng)用展開(kāi)研究。

1 超疏水自清潔涂料機(jī)理分析及選擇

超疏水自清潔涂層的關(guān)鍵是使用適當(dāng)?shù)谋砻娲植诙群偷捅砻婺艿牟牧?。根?jù)“荷葉效應(yīng)”自清潔的原理，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)超疏水性的自清潔。第一種方法是修飾粗糙表面上的低表面能材料，通常用于制備超疏水表面的低表面能材料，主要包括聚硅氧烷，碳氟化合物和其他有機(jī)物質(zhì)(例如聚乙烯，聚苯乙烯等)[1]。第二種方法是在疏水表面上構(gòu)建類(lèi)似于荷葉的粗糙表面，制備方法包括無(wú)機(jī)納米粒子改性(例如TiO2，SiO2等)，激光，等離子體，化學(xué)蝕刻，電化學(xué)沉積和化學(xué)氣相沉積等[1-2]。在自然界中，超疏水材料的理論與技術(shù)稱(chēng)為“荷葉效應(yīng)”。德國(guó)生物學(xué)家Barthlott等[6]對(duì)近300種植物的葉片表面進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)粗糙表面上存在微結(jié)構(gòu)的乳突和表面上的疏水性蠟狀物質(zhì)共同作用為自清潔特性。這些自清潔表面具有超疏水材料的典型特征。通常，水滴與表面之間的穩(wěn)定接觸角大于150°，滾動(dòng)接觸角小于10°的材料稱(chēng)為超疏水材料。

根據(jù)楊氏公式[4]：γSV=γSL+γLV×cosθ，可以定義以下潤(rùn)濕條件：(1)當(dāng)θ小于30°時(shí)，表面稱(chēng)為親水性；(2)當(dāng)90°<θ<120°時(shí)，表面稱(chēng)為疏水性；(3)當(dāng)120°<θ<150°時(shí)，表面稱(chēng)為超疏水性；(4)當(dāng)θ>150°時(shí)，該表面稱(chēng)為超疏水面[6]。目前，由硅烷、硅氧烷、硅、二氧化硅、金屬和氧化物等制成的超疏水材料。人們利用超疏水材料清潔建筑幕墻、汽車(chē)、太陽(yáng)能電池板等領(lǐng)域取得了一些成就，如圖1所示。

圖1 酒店外墻超疏水和自清潔效果比較

由于隧道內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，隧道內(nèi)壁的污染和自清潔技術(shù)受到諸多因素的影響，許多機(jī)制尚不清楚。可以確認(rèn)的是，超疏水和自清潔的主要思想是利用液滴與壁之間較大的接觸角，使液滴從內(nèi)壁表面滾落，從而去除了隧道內(nèi)壁表面的污漬。

1.1 超疏水自清潔涂料機(jī)理理論分析

(1)促進(jìn)液滴滾動(dòng)。當(dāng)清水滴落在隧道內(nèi)壁的表面上時(shí)，促進(jìn)隧道內(nèi)壁的排水和自清潔的主要因素是促進(jìn)液滴的滾動(dòng)。在超疏水涂層表面上，水滴與基材表面之間的實(shí)際接觸面積很小。水滴的表面具有粗糙的結(jié)構(gòu)，并且基板的表面間隙被大量的空氣占據(jù)。另外，超疏水表面具有低的滾動(dòng)角，這使得水滴與基材表面之間的粘附性低。當(dāng)水滴落在適當(dāng)傾斜的表面上時(shí)，水滴將迅速滾落到基材表面。一般而言，超疏水材料的接觸角為150°的滾動(dòng)角約為10°，而隧道內(nèi)壁的清洗通常約為90°，可以滿(mǎn)足滾動(dòng)角的要求。另外，超疏水表面通常具有一定形式的粗糙結(jié)構(gòu)。當(dāng)水滴滴落在隧道內(nèi)壁的表面上時(shí)，大量的空氣被吸入粗糙表面的凹槽中以形成“氣墊”。由于這種“氣墊”，實(shí)際的固液接觸界面僅為總接觸面積的10%。同時(shí)，超疏水表面大大減小了材料表面的滯后角，水滴在隧道內(nèi)壁表面的附著力大大降低[10]。在重力作用下，隧道內(nèi)壁表面的水將很容易沿著壁向下滾動(dòng)。

(2)延遲在基材表面上形成污漬。由于汽車(chē)排氣、泥水和灰塵等各種因素的影響，延遲各種因素在隧道內(nèi)壁上形成污垢的綜合作用非常重要。固體的表面能是其比表面積的自由能，也稱(chēng)為固體的表面自由能。它是指在一定溫度和壓力下，由于形成單位新的固體表面積而導(dǎo)致的系統(tǒng)自由能的增加。它也等于在一定溫度下形成單位固體表面所需的可逆功，也稱(chēng)為內(nèi)聚功[11]。超疏水涂層表面的較大接觸角可以有效地改善自由能，隧道中的空氣污染物需要克服該自由能以在超疏水涂層表面上結(jié)垢。根據(jù)楊氏公式，改進(jìn)了測(cè)量表面能的方法[4]：cosθ=-1+2(γ_sv/γ_lv)[1-β1(γ_lv-γ_sv)^2]，其中γlv是液體的表面能(N/m)；γsv是固體的表面能(N/m)；β1為常數(shù)，其加權(quán)平均值為1.057×10m2/mJ;θ為接觸角。從公式可以看出，超疏水涂層的接觸角越大，除塵所需的自由能就越大，這意味著在超疏水涂層表面的隧道內(nèi)形成了粉塵。結(jié)果表明，超疏水材料可用于在隧道內(nèi)壁上構(gòu)建超疏水自清潔涂層，以清潔在基材表面上形成的污漬。

(3)減少灰塵和基材表面之間的附著力。為了使隧道的內(nèi)壁達(dá)到一定的清潔效果，有效地清洗附著在隧道內(nèi)壁上的大量污漬，可以通過(guò)改變涂層的化學(xué)成分和基材表面的粗糙度來(lái)降低結(jié)垢與基材之間的附著力。

①改變材料的化學(xué)成分。結(jié)垢的附著力取決于基材表面和結(jié)垢分子之間的力。分子間力越大，結(jié)垢附著力越強(qiáng)。一些研究表明，某些化學(xué)官能團(tuán)可以減少氫鍵的聚集[9]，干擾涂層表面和污垢之間分子的有序排列，并降低附著力。在涂層的制備過(guò)程中，可以考慮加入含有這種官能團(tuán)的物質(zhì)以達(dá)到防污效果。

②改變材料的表面粗糙度。眾所周知，在結(jié)構(gòu)均勻的理想表面上，即使表面能最低的基團(tuán)緊密堆積在一起，接觸角也不會(huì)超過(guò)120°。要構(gòu)建超疏水表面，需要增加疏水基質(zhì)的表面粗糙度[10]。污垢的附著力與疏水性自清潔涂層表面粗糙度之間的定量關(guān)系仍不確定。然而，在超疏水涂層表面結(jié)構(gòu)的構(gòu)造中采用高度不一致的類(lèi)乳突狀結(jié)構(gòu)可以改善涂層的接觸角并減少污物與隧道內(nèi)壁之間的接觸面積，從而使其更容易清潔隧道內(nèi)壁表面時(shí)，灰塵會(huì)隨著水滴滑動(dòng)[8]。如果能夠在隧道內(nèi)壁上建立具有微米級(jí)的多尺度粗糙結(jié)構(gòu)并改變壁材料的化學(xué)成分，將大大提高其防污性能，并增加水在其表面的接觸角。

因此，該超疏水涂層在三個(gè)方面奠定了良好的理論基礎(chǔ)：延遲在基材表面上形成污漬，減少污垢的附著力并加速水滴的滾動(dòng)。應(yīng)當(dāng)指出，隨著公路隧道里程和交通量的逐年增加，隧道內(nèi)墻污染和室內(nèi)美感問(wèn)題已引起廣泛關(guān)注。加快交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)，落實(shí)五大發(fā)展理念，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)墻的安全、快速、經(jīng)濟(jì)清潔，已成為隧道除垢養(yǎng)護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。因此，在隧道內(nèi)壁的清潔和養(yǎng)護(hù)中應(yīng)用超疏水自潔涂層技術(shù)在理論和實(shí)踐上都是可行的。

1.2 超疏水自清潔涂料的選擇

在本項(xiàng)目中，根據(jù)隧道的實(shí)際應(yīng)用條件和經(jīng)濟(jì)考慮，從現(xiàn)有的超疏水涂料中選擇了三種涂料：pl-166醇溶性樹(shù)脂，pf-311疏水涂料和pf-302超疏水材料。根據(jù)SEM顯微照片(圖2所示)，疏水性自清潔涂層的表面具有大量不規(guī)則的乳突狀結(jié)構(gòu)，這構(gòu)成了材料的微觀粗糙形態(tài)。乳突狀結(jié)構(gòu)之間的空間被空氣占據(jù)。乳突狀結(jié)構(gòu)有助于減小疏水性材料表面與水滴之間的接觸面積。另外，疏水性材料表面上的低表面能物質(zhì)與具有高表面張力的水滴接觸，這使得水滴具有收縮的趨勢(shì)。本項(xiàng)目選擇的三種涂料具有不同的致密乳突結(jié)構(gòu)和不同的疏水作用。根據(jù)在三種涂層表面上測(cè)得的接觸角(接觸角測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示)，隨著乳突結(jié)構(gòu)數(shù)量的增加，疏水作用越好。

圖2 疏水涂層表面的SEM圖像

表1 接觸角測(cè)量數(shù)據(jù)

2 超疏水自清潔涂層的室內(nèi)試驗(yàn)和工程應(yīng)用

2.1 隧道內(nèi)墻超疏水自潔涂料室內(nèi)試驗(yàn)

在該項(xiàng)目中，進(jìn)行室內(nèi)測(cè)試以驗(yàn)證其是否符合隧道的使用環(huán)境。根據(jù)《合成樹(shù)脂乳液砂墻狀建筑涂料》《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》和《建筑室內(nèi)裝修規(guī)程》的具體要求，對(duì)材料的粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行綜合分析。由于隧道的底壁是由膩?zhàn)臃酆腿槟z漆制成的，因此粘結(jié)強(qiáng)度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于合成樹(shù)脂乳液砂墻建筑涂料的技術(shù)指標(biāo)。噴涂涂層后，薄膜將粘附在底層上。測(cè)試表明，膩?zhàn)雍腿槟z漆層將在涂膜前脫落。涂料的粘合強(qiáng)度主要取決于油灰和乳膠漆的粘結(jié)強(qiáng)度。為了提高技術(shù)指標(biāo)的要求，在本項(xiàng)目中，結(jié)合各規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)以及隧道內(nèi)壁和環(huán)境特點(diǎn)，提出粘結(jié)強(qiáng)度技術(shù)指標(biāo)為0.4MPa。在本項(xiàng)目中，根據(jù)《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》確定三種自清潔涂料的粘結(jié)強(qiáng)度。圖3為粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試圖，測(cè)試結(jié)果表2所示。

圖3 粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試圖

表2 粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

在耐水技術(shù)指標(biāo)方面，參照J(rèn)G/T24-2018，CECS24：90和JG/T298-2010綜合分析得出了適合實(shí)際情況的耐水技術(shù)指標(biāo)。由于實(shí)驗(yàn)前后顏色變化很小，因此不考慮顏色變化。在本項(xiàng)目中，考慮到每個(gè)規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)和隧道內(nèi)墻的特性，確定的防水技術(shù)指標(biāo)為72小時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)涂層鼓脹、開(kāi)裂和剝離的情況。根據(jù)(GB/T1733-93)，成品樣品的邊緣應(yīng)用環(huán)氧樹(shù)脂密封，邊緣的寬度應(yīng)為2～3mm。對(duì)于三個(gè)涂層的每一個(gè)準(zhǔn)備三個(gè)樣品。樣品的短邊向下浸入自來(lái)水容器中。浸入深度為樣品側(cè)面長(zhǎng)度的2/3。72小時(shí)后，觀察樣品以確定涂層是否有剝離，脫落和溶脹現(xiàn)象。3個(gè)試件中至少有2個(gè)符合技術(shù)要求。耐水性測(cè)試圖如圖4所示，測(cè)試結(jié)果表3所示。

表3 耐水性測(cè)試結(jié)果

圖4 耐水性測(cè)試圖

根據(jù)《隧道建筑防火設(shè)計(jì)要求》中耐火技術(shù)指標(biāo)的要求，隧道內(nèi)壁超疏水自潔材料屬于室內(nèi)裝飾材料。該涂料僅使用不燃材料即可滿(mǎn)足隧道建筑的防火設(shè)計(jì)要求。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《建筑材料和產(chǎn)品的防火性能分類(lèi)》，建筑材料的燃燒性能分為A(不燃材料)，B1(阻燃材料)，B2(可燃材料)。和B3(易燃材料)。根據(jù)GB8624-2012中不燃材料的判斷條件，本項(xiàng)目采用酒精燃燒器燃燒涂料，并連續(xù)加熱表皮。移開(kāi)酒精燃燒器，觀察涂層的燃燒情況。根據(jù)測(cè)試現(xiàn)象，初步判斷其防火性能，如圖5所示，結(jié)果列于表4。

圖5 防火性能測(cè)試圖

表4 防火性能測(cè)試結(jié)果

在本項(xiàng)目中，參照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)涂料的粘結(jié)強(qiáng)度，耐水性能和耐火性能進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證其是否滿(mǎn)足隧道內(nèi)壁的使用要求。結(jié)果表明，三種材料的結(jié)合強(qiáng)度和耐水性能均滿(mǎn)足要求，只有pf-302涂料的耐火性能才能滿(mǎn)足隧道內(nèi)部的要求。

2.2 隧道內(nèi)墻超疏水自潔涂料的工程應(yīng)用

為了改善隧道的內(nèi)部環(huán)境，本文對(duì)萬(wàn)軍逥隧道試驗(yàn)路的預(yù)鋪設(shè)進(jìn)行了應(yīng)用。萬(wàn)軍逥隧道自2012年通車(chē)以來(lái)，車(chē)流量逐年增加，機(jī)械通風(fēng)難以完全去除隧道中的廢氣，這導(dǎo)致廢氣粘附到隧道側(cè)壁上涂層的表面。在下坡路段的卡車(chē)輪胎噴水冷卻后，路面上會(huì)形成一層水膜。在高速車(chē)輛的反復(fù)作用下，路面上的水膜會(huì)形成水蒸氣。水蒸氣與油和泥水混合形成了泥水混合污染物，附著在隧道的側(cè)壁上。主要病害包括剝落、龜裂和污垢。圖6為隧道內(nèi)墻污染。

圖6 隧道內(nèi)墻污染

隧道內(nèi)壁超疏水自清潔技術(shù)為了防止自潔涂層隨著施工后墻面污垢和風(fēng)化破壁的脫落而脫落，必須使用高壓空氣機(jī)清除表面污垢，清除隧道壁的剝落，并重新涂膩?zhàn)雍腿槟z漆。在噴涂過(guò)程中必須確保均勻噴涂。 由于孔處的風(fēng)速很大，因此必須向逆風(fēng)方向噴涂，以確保人員安全并減少涂料損失。圖7為其施工工藝。

圖7 超疏水自潔涂層的施工工藝

試驗(yàn)結(jié)果分析在隧道內(nèi)墻噴涂過(guò)涂料后一段時(shí)間后待隧道內(nèi)墻表面表干后對(duì)其疏水性能進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)對(duì)試鋪區(qū)域的噴水測(cè)試得出結(jié)論。

隧道現(xiàn)場(chǎng)的噴涂施工工藝及設(shè)備對(duì)涂層疏水性能有一定影響，但通過(guò)兩遍噴涂工藝基本達(dá)到室內(nèi)試驗(yàn)材料的疏水指標(biāo)(圖8和圖9)。就疏水效果而言，PF-302和PF-311涂料效果優(yōu)于PL-166。

圖8 噴涂一遍疏水涂料效果

圖9 噴涂?jī)杀槭杷苛闲Ч?/p>

3 結(jié)論與展望

將超疏水材料應(yīng)用于隧道是一個(gè)很好的探索。本文描述了超疏水材料的疏水機(jī)理并進(jìn)行了微觀分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了將超疏水材料應(yīng)用于隧道內(nèi)壁的可行性。主要結(jié)論如下：

證明了在隧道墻除垢中使用超疏水材料的可行性。從促進(jìn)滴落機(jī)制，影響結(jié)垢形成過(guò)程和減少結(jié)垢附著力三個(gè)方面證明了它的可行性。通過(guò)分析SEM圖像的形貌和接觸角，獲得類(lèi)乳突狀結(jié)構(gòu)與涂層表面疏水作用的關(guān)系。隨著乳突結(jié)構(gòu)數(shù)目的增加，疏水作用會(huì)更好。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試證明了將超疏水材料應(yīng)用于隧道內(nèi)壁的可行性。結(jié)果表明，所選擇的三種材料的結(jié)合強(qiáng)度和耐水性均能滿(mǎn)足要求，只有pf-302涂料的耐火性才能滿(mǎn)足隧道內(nèi)部的要求。

通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，探討了超疏水材料在隧道內(nèi)墻中的應(yīng)用是可行的，但其核心技術(shù)仍需進(jìn)一步研究，主要包括：隧道內(nèi)墻超疏水性涂料的技術(shù)指標(biāo)，耐久性研究和建筑技術(shù)研究。