水泥基超疏水材料自清潔技術(shù)研究

【摘要】水泥基超疏水材料自清潔技術(shù)的研究不僅具有重要的實(shí)用價(jià)值和環(huán)保意義，也是材料科學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向，對(duì)提升城市建筑和基礎(chǔ)設(shè)施的整體品質(zhì)、推動(dòng)科技創(chuàng)新以及改善人類生活環(huán)境具有深遠(yuǎn)影響。文章對(duì)水泥基超疏水材料自清潔技術(shù)展開了分析，闡述了水泥基超疏水材料自清潔機(jī)理及其技術(shù)制備流程，并給出了水泥基超疏水材料自清潔性能評(píng)價(jià)方法。

【關(guān)鍵詞】超疏水材料；自清潔技術(shù)；建筑材料

【中圖分類號(hào)】TU52 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）11-0111-03

0 引言

伴隨城市化進(jìn)程的加速和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，建筑材料的性能日益受到重視，特別是在建筑外墻、公共基礎(chǔ)設(shè)施以及交通標(biāo)志等領(lǐng)域，材料的耐久性、維護(hù)成本和美觀度成為關(guān)鍵考量因素。水泥基超疏水材料因其獨(dú)特的自清潔特性，能有效減少維護(hù)成本和頻率，提高材料的耐久性和美觀性，因此研究這一技術(shù)具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1 水泥基超疏水材料自清潔機(jī)理

水泥基超疏水材料的自清潔機(jī)理主要基于其獨(dú)特的表面特性，使材料表面對(duì)水具有極高的排斥性。水泥基超疏水材料的表面構(gòu)造為微觀和納米級(jí)的粗糙結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在微觀層面上捕獲空氣，形成一層空氣膜，使水滴在接觸這種表面時(shí)幾乎不與材料直接接觸，而是滾動(dòng)在空氣膜之上，這種現(xiàn)象被稱為“荷葉效應(yīng)”。荷葉效應(yīng)是自然界中許多植物表面特有的特性，具有極好的自清潔性能。

荷葉效應(yīng)通過在水泥表面引入特定的疏水劑實(shí)現(xiàn)，如硅基或氟基化合物。疏水劑與水泥基材料反應(yīng)，形成的表面疏水性極強(qiáng)。當(dāng)水滴落在這種表面上時(shí)，由于表面張力作用，水滴形成近似球形，從而極大地減少與材料表面的接觸面積。當(dāng)水滴滾動(dòng)時(shí)，會(huì)帶走附著在材料表面的塵埃和污垢，實(shí)現(xiàn)自清潔的效果。這種自清潔機(jī)制對(duì)于降低維護(hù)成本、延長材料使用壽命具有重要意義。自清潔機(jī)制還有助于防止微生物生長和附著。因?yàn)槲⑸镫y以在這樣的疏水表面上存活。要實(shí)現(xiàn)理想的自清潔效果，還需要對(duì)水泥基材料的表面結(jié)構(gòu)、疏水劑的種類和添加量進(jìn)行精確控制。材料表面的微觀結(jié)構(gòu)必須足夠精細(xì)以形成有效的空氣層。疏水劑的添加量需要達(dá)到使材料表面達(dá)到足夠疏水但又不影響其整體機(jī)械性能的平衡點(diǎn)。

2 水泥基超疏水材料自清潔技術(shù)制備

2.1 選擇和準(zhǔn)備基礎(chǔ)材料

基礎(chǔ)材料的選擇對(duì)于最終產(chǎn)品的性能和應(yīng)用范圍至關(guān)重要。在選擇水泥時(shí)，需要考慮其化學(xué)成分、細(xì)度、強(qiáng)度等級(jí)和穩(wěn)定性等多個(gè)因素。理想的水泥應(yīng)具有良好的黏合性能和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，以確保在后續(xù)添加疏水劑和其他添加劑時(shí)，能夠有效地與這些成分相結(jié)合，形成均勻的混合物。水泥細(xì)度也是一個(gè)關(guān)鍵因素。過細(xì)的水泥雖有助于提高材料的致密性和強(qiáng)度，但可能會(huì)增加成本和減少材料的透氣性；過粗的水泥則可能導(dǎo)致材料強(qiáng)度不足和均勻性差。

因此，在選擇水泥時(shí)，需要根據(jù)最終產(chǎn)品的用途和性能要求，選擇適宜的水泥類型和細(xì)度。準(zhǔn)備基礎(chǔ)材料的過程中，需確保水泥的質(zhì)量穩(wěn)定，避免雜質(zhì)和污染物的混入，這對(duì)于確保最終材料的性能穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。

2.2 加入疏水劑

疏水劑的選擇直接決定材料的超疏水性能。常用的疏水劑包括硅基和氟基化合物。理想的疏水劑應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、與水泥的良好相容性以及強(qiáng)烈的疏水性。不僅需要在化學(xué)上與水泥基材料兼容，還要能夠在加入后均勻分散于整個(gè)材料中。

疏水劑的加入量是一個(gè)關(guān)鍵的考量點(diǎn)，過多或過少都會(huì)影響材料的最終性能。適量的疏水劑能確保材料表面形成均勻且連續(xù)的疏水層；過量則可能導(dǎo)致材料性能不均或成本增加。在實(shí)際操作中，疏水劑通常在水泥粉磨過程中加入，以確保疏水劑能夠與水泥充分混合，并在水泥粒子表面形成有效的疏水層。

疏水劑的分散方法很重要。不均勻的分散會(huì)導(dǎo)致材料性能不一致。在加入疏水劑的過程中，還需考慮其對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的影響。雖然疏水劑主要用于提供疏水性能，但不當(dāng)?shù)倪x擇和使用可能會(huì)影響材料的強(qiáng)度和耐久性。因此，選擇疏水劑和確定其加入量時(shí)，還需要綜合考慮材料的疏水性能、力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 混合和攪拌

混合和攪拌是水泥基超疏水材料制備過程中的核心步驟。其目的是確保水泥、疏水劑，及其他可能的添加劑之間能夠充分且均勻混合，這直接影響材料的最終使用性能?；旌线^程需要在精確控制的條件下進(jìn)行，以保證材料成分的均勻分布。疏水劑的分散效果直接影響到材料表面的疏水性能，不均勻的混合可能會(huì)導(dǎo)致材料性能的不一致。攪拌過程中，需要關(guān)注材料的黏度和流動(dòng)性。過高的黏度可能導(dǎo)致攪拌不充分，而過低的黏度則可能影響材料的穩(wěn)定性和成型性。因此，控制適當(dāng)?shù)乃嗪退谋壤?，以及在必要時(shí)添加適量的流動(dòng)性改善劑或稀釋劑，對(duì)于獲得理想的混合效果至關(guān)重要。

在實(shí)際操作中，攪拌速度和時(shí)間的選擇也非常關(guān)鍵，過快的攪拌速度可能導(dǎo)致材料產(chǎn)生氣泡，影響其密實(shí)性和均勻性，而攪拌時(shí)間過長則可能導(dǎo)致材料性能下降[1]。因此，需要根據(jù)材料的具體類型和預(yù)期用途來優(yōu)化攪拌參數(shù)。攪拌過程中還需要注意溫度的控制，因?yàn)闇囟鹊淖兓赡苡绊懰嗟乃^程和疏水劑的分散效果。在混合和攪拌過程中，需考慮環(huán)境因素的影響，比如濕度和粉塵等，這些因素可能會(huì)影響材料的質(zhì)量和性能[2]。

2.4 成型和固化

成型和固化是制備過程中的最后階段，對(duì)材料的最終物理和化學(xué)特性有著決定性的影響。

1）成型過程涉及將混合后的水泥基超疏水材料倒入預(yù)設(shè)的模具中。這一步驟要求極高的精確度和均勻性，以確保材料在整個(gè)模具中分布均勻，從而形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能一致的最終產(chǎn)品。成型過程中需考慮的關(guān)鍵因素包括材料的流動(dòng)性、填充模具的方式以及是否存在氣泡等缺陷[3]。為避免氣泡和不均勻性，可以采用特殊的振動(dòng)或抽真空技術(shù)來幫助材料在模具中均勻分布。

2）固化過程是材料性能形成的關(guān)鍵階段。通常在常溫下進(jìn)行，但是溫度、濕度以及固化時(shí)間都會(huì)對(duì)材料的最終性能產(chǎn)生影響。溫度和濕度的控制尤其重要，直接影響水泥的水化過程，從而影響材料的硬度、強(qiáng)度和耐久性。固化時(shí)間的長短需要根據(jù)具體的材料配方和預(yù)期用途來確定，以確保材料完全固化并發(fā)揮最佳性能。在固化過程中，還需注意水泥和疏水劑之間的相互作用，這種相互作用可能會(huì)影響材料的超疏水性能和機(jī)械強(qiáng)度。固化完成后，材料需要進(jìn)行后處理，如磨光、切割或涂層，以滿足特定的應(yīng)用需求。整個(gè)成型和固化過程需要在嚴(yán)格控制的環(huán)境中進(jìn)行，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和性能的一致性[4]。

3 水泥基超疏水材料自清潔性能評(píng)價(jià)方法

3.1 模擬污染物收集法

模擬污染物收集法需要制備標(biāo)準(zhǔn)化的模擬污染物，這些污染物可以是粉塵、油脂或其他工業(yè)常見的污染物。這些模擬污染物的粒度和化學(xué)性質(zhì)需要嚴(yán)格控制，以確保試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性和可比性。須將這些模擬污染物均勻地施加到超疏水材料表面，在施加污染物后，通過設(shè)置一系列的環(huán)境條件，如溫度、濕度和光照模擬不同的外界環(huán)境對(duì)材料自清潔性能的影響。這些環(huán)境條件的設(shè)定應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景來確定。例如，在戶外應(yīng)用中，需要考慮到紫外線的影響，而在室內(nèi)應(yīng)用中，則需要考慮到燈光和溫度變化的影響。

在模擬環(huán)境條件作用一定時(shí)間后，還需對(duì)材料表面的污染物進(jìn)行觀察和量化分析?？梢酝ㄟ^拍攝高分辨率的表面圖像、使用光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡進(jìn)行。通過這些方法，可以觀察到污染物在材料表面的分布情況，以及是否有污染物被清除。還可以使用特定的化學(xué)分析方法，如紅外光譜分析或能量色散X射線分析（EDX），分析材料表面的化學(xué)成分變化。這有助于理解材料的自清潔機(jī)制。

為更全面地評(píng)價(jià)材料的自清潔性能，還應(yīng)考慮進(jìn)行長期的耐久性測(cè)試，包括在不同的環(huán)境條件下重復(fù)施加模擬污染物，并觀察材料自清潔性能的變化情況。這種長期的測(cè)試有助于評(píng)估材料在實(shí)際應(yīng)用中的性能穩(wěn)定性和使用壽命。通過綜合考量這些因素，模擬污染物收集法不僅可以評(píng)估水泥基超疏水材料的即時(shí)自清潔性能，也能評(píng)估其長期的環(huán)境適應(yīng)性和耐久性，為該類材料的研發(fā)和應(yīng)用提供重要的試驗(yàn)依據(jù)。

3.2 分光光度測(cè)量法

分光光度測(cè)量法是水泥基超疏水材料的自清潔性能重要的分析手段。該方法基于對(duì)材料表面反射或透射光的光譜分析，以定量地評(píng)估污染物的去除效率[5]。將標(biāo)準(zhǔn)的模擬污染物（如人造灰塵、油污等）均勻地施加到超疏水材料表面，確保每個(gè)樣本的污染程度相似，然后使用分光光度計(jì)測(cè)量污染前后材料表面的反射光譜或透射光譜。在污染物被施加到材料表面后，其反射或透射光譜會(huì)發(fā)生變化，并被精確地記錄下來。試驗(yàn)需要在模擬自然環(huán)境條件（如光照、濕度等）下對(duì)樣品進(jìn)行處理，以模擬材料在實(shí)際應(yīng)用中的自清潔過程。處理一段時(shí)間后，再次使用分光光度計(jì)測(cè)量材料表面的光譜。通過對(duì)比污染前后的光譜數(shù)據(jù)，可以定量地評(píng)估污染物去除的效率。

為確保結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，還需要對(duì)試驗(yàn)過程中的所有變量進(jìn)行嚴(yán)格控制，包括模擬污染物的類型和量、環(huán)境條件的設(shè)定、光譜測(cè)量的精度等。試驗(yàn)過程中需詳細(xì)記錄環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、光照強(qiáng)度等，以便在分析結(jié)果時(shí)考慮這些因素的影響。

做數(shù)據(jù)分析時(shí)，可以使用特定的軟件或算法來處理和解釋光譜數(shù)據(jù)，包括光譜的歸一化處理、峰值分析以及與污染物去除效率相關(guān)的光譜特征的提取。通過分析，可以更深入地理解污染物在材料表面的去除機(jī)制，以及不同環(huán)境條件對(duì)自清潔性能的影響。

3.3 涂層反射系數(shù)法

涂層反射系數(shù)法是基于對(duì)材料表面反射光的定量分析，通過測(cè)量和計(jì)算材料表面的反射系數(shù)來評(píng)估其自清潔能力。試驗(yàn)需要準(zhǔn)備一組涂有超疏水材料的樣本，同時(shí)在這些樣本的表面均勻涂抹標(biāo)準(zhǔn)化的模擬污染物，如油脂、灰塵等。這一步驟的關(guān)鍵是確保模擬污染物的涂抹均勻，以便在后續(xù)的測(cè)試中得到可靠的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)還需使用高精度的光譜儀測(cè)量每個(gè)樣本的初始反射光譜。這些光譜數(shù)據(jù)將作為后續(xù)對(duì)比的基準(zhǔn)。在模擬污染后，再次測(cè)量樣本的反射光譜。

通過比較污染前后的光譜數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出反射系數(shù)的變化，這種變化能夠直接反映出污染物對(duì)材料表面反射特性的影響。例如，如果污染物被有效去除，反射光譜應(yīng)該會(huì)恢復(fù)到接近初始狀態(tài)，表明材料具有良好的自清潔性能。在此過程中，還需要模擬不同的環(huán)境條件，如不同的濕度和光照條件，以評(píng)估這些因素對(duì)材料自清潔性能的影響。這是因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中的環(huán)境因素可能會(huì)顯著影響材料的性能。

通過長期的測(cè)試和多次重復(fù)試驗(yàn)，可以評(píng)估材料的持久性和在各種條件下的穩(wěn)定性。在分析數(shù)據(jù)時(shí)，除了計(jì)算反射系數(shù)的變化外，還可以通過更深入的光譜分析來理解污染物去除的具體機(jī)理。例如，可以分析不同波長下反射光譜的變化，以探索材料表面對(duì)不同類型污染物的響應(yīng)方式。這種分析有助于優(yōu)化材料的組成和結(jié)構(gòu)，以提高其自清潔效率。

“涂層反射系數(shù)法”不僅為評(píng)估水泥基超疏水材料的即時(shí)自清潔性能提供了量化的方法，而且還能夠幫助研究人員了解環(huán)境因素對(duì)材料性能的影響，以及材料在長期使用中的穩(wěn)定性。這些信息對(duì)于指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以及預(yù)測(cè)其在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)至關(guān)重要。

4 結(jié)語

水泥基超疏水材料的自清潔技術(shù)研究是一個(gè)跨學(xué)科領(lǐng)域的前沿話題，融合了材料科學(xué)、化學(xué)工程和環(huán)境科學(xué)等多個(gè)學(xué)科的研究成果。通過探討，不僅可以深入了解這種材料的制備過程、自清潔機(jī)制和應(yīng)用前景，而且也能意識(shí)到其在實(shí)際應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn)和限制。伴隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和技術(shù)的不斷進(jìn)步，水泥基超疏水材料無疑將在未來的建筑和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮越來越重要的作用。

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