摘要：建筑膜材是一種新型的建筑材料，廣泛應用于各種膜結構建筑中，PVC膜材是一種價格較低、應用廣泛的膜材，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膜材表面涂層技術及其特點，并闡述了建筑膜材防污自潔技術的機理和發展趨勢。
　　關鍵詞：涂層技術，氟碳樹脂，防污自潔，荷葉效應
　　KeyWords:coatingtechnology,fluorocarbonresin,Anti-foulingandSelf-cleaning,Lotus-Effect
　　Asanewtypestructuralmaterial,membraneiswidelyusedinmembranestructuralarchitecture.PVCislowpriceandwidelyusedstructuralmembrane,butthemigrationproblemofplasticizercauseitspoorservicelifeandself-cleaningperformance.SocoatingisappliedtothesurfaceofPVCmembrane.Inthispaper,PVCstructuralmembranesurfacecoatingtechnologyandcharacteristicsisintroduced.Themechanismofanti-foulingandself-cleaninganddevelopmenttrendisdiscussed.
　　在當今的建筑領域，建筑膜材料的應用越來越廣泛。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，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。膜結構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]。
　　對于大跨度空間結構來說，如果采用膜材料，其成本只相當于傳統建筑的二分之一或更少，而且膜結構建筑工程中所有加工和制作過程均在工廠內完成，這樣減少了現場施工時間，相對傳統建筑工程工期更短�？梢越o設計師們帶來更多的想象空間，設計出優美的建筑。目前應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、化學性能穩定、透光性極強、防污性能優良，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合而成，應用廣泛。由于其明顯的價格優勢，目前在國內受到普遍青睞。一般PVC膜的耐用年限依使用環境不同在5-8年。但在其應用的過程中，存在增塑劑遷出，易粘灰，自潔性差等問題，嚴重影響到膜材的使用壽命和應用范圍[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境保護與能源節約方面帶來巨大的經濟效益和社會效益，所以受到了人們的密切關注[4]。本文介紹了幾種PVC膜材表面涂層技術及其特點，并闡述了建筑膜材防污自潔技術的機理和發展趨勢。
　　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
　　隨著氟碳樹脂開發技術的日趨成熟，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現的耐候性、耐久性最為優良的聚合物，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、耐化學品性等十分優良。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。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樹脂是具有優良的防紫外線、耐老化、耐化學腐蝕，與其他聚合物具有熱力學相容性的部分結晶聚合物。對大多數無機鹽、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，從而導致增塑劑遷出，膜面發粘，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，自潔性能仍十分優異，但該工藝會導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公司開發的FluotopT2膜材，是將PVDF通過特定的固化劑與PVC膜材產生最佳結合；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層內添加劑的協同作用，使PVDF與PVC涂層的結合更加牢固，不易剝離[9]。
　　1.3納米TiO2涂層處理技術
　　研究發現在紫外線的照射下，納米TiO2具有良好的光氧化還原功能，能夠將有機污染物氧化分解，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，從而阻隔污物對膜材的侵蝕，賦予膜材優異的防污自潔能力。H.AbdulRazak等人證明將納米TiO2面涂到PVC建筑膜材，自潔性能優于其他處理劑。美國圣戈班公司（Saint-Gobain）和韓國秀博工業集團（Supertex）均研究采用二氧化鈦技術得到防污性能極好的建筑用膜材，其產品具有極強的自潔性能、優良的防污性、良好的透光性并能達到節能的目的。關鍵技術是在膜面涂層時，滲入一定量的二氧化鈦（TiO2），當受到紫外線照射時，通過光催化反應，產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，它就可持續地具有防污效果。二氧化鈦作為光催化劑，在發揮催化作用時，本身不起變化，因此它的防污作用是持續的[11]。
　　2防污自潔建筑膜材制備的理論基礎
　　2.1“荷葉效應”
　　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”現象，人們進行了研究。20世紀90年代，德國植物學家波恩大學WilhelmBarthlott教授揭示了荷葉表面的結構，發現荷葉的“自潔性”源于荷葉粗糙表面上微米結構的突起以及表面納米尺寸的蠟晶共同存在引起的[13]。荷葉表面微米結構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－納米粗糙結構不僅可以增大表面靜態接觸角（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°）。當水滴滾動時，會將附著在葉子表面的污物帶走[14]。
　　
　　    
　　
　　
　　                                     圖1                                             圖2                                                            圖3
　　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果，如公式（1）所示[15]。接觸角與表面能之間的關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＝0º是，液體完全潤濕固體表面，如圖（a）所示。當0º<<90º，液體不完全潤濕固體表面，固體表面表現為具有親水性，如圖（b）所示。當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。
　　                     
　　                                                                            圖4液體在不同固體表面的接觸角
　　然而對于一些粗糙度高或者多孔的表面，Cassie和Baxter共同研究后認為液滴在粗糙表面上的接觸是一種復合的接觸，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]。這時的靜態接觸角可由適合任何復合表面接觸的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）
　　當表面足夠疏水或者γ足夠大時，即，此時，，。
　　                                         
　　                                                                                    圖5Cassie模型
　　天津工業大學顧振亞教授指導的課題組，基于“荷葉效應”原理，用PVDF(聚偏氟乙烯)與納米SiO2粒子在PVC建筑膜材表面構筑微米一納米粗糙結構，并用AFM(原子力顯微鏡)加以驗證。詳細分析了PVDF溶液的制備條件對構筑微米結構的影響。經測試，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]。
　　                          
　　                                     圖6PVC膜材面涂前的集灰實驗效果圖                          圖7PVC膜材面涂后的集灰實驗效果圖
　　3我國防污自潔建筑膜材的發展趨勢
　　目前，國內膜結構建筑膜材料的發展振奮人心，隨著一些大型體育館、候機大廳等建設以及2010年上海世博會和廣州亞運會等國際盛會的舉辦，為我國膜材的發展帶來了機遇和挑戰。我國起步晚，技術水平低，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，應用比較廣泛。我國已有PTFE膜材的自主知識產權，性能也基本達到國外同類產品的要求。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筑微粗糙表面也開始起步[19]。在引進世界一流的生產設備和工藝技術的同時，加緊消化吸收并改進創新，盡快開發適合我國市場需求的膜材表面處理技術，對提升我國整個產業用紡織品產品檔次和市場競爭力都具有重要意義。
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　　TheCurrentSituationandDevelopmentTrendofPVCstructuralmembraneSurfaceCoatingTechnology
　　HouLili,HuoRuiting,GuZhenya
　　(TianjinPolytechnicUniversityTextilecollegeTianjinCityHedongAreaChenglinStreetNO.63300160)