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 纳米仿生自清洁节能玻璃的研发

 纳米仿生自清洁节能玻璃的研发

节能是人类社会经济发展所面临的共同课题,目前国际上建筑能耗占总能耗的30%,因此,建筑节能是节能战略的重要组成部分。到2008年底,我国既有建筑近400亿平方米,95%属不节能建筑,约130多亿平方米需要进行节能改造。国家提出的建筑节能目标是到2010年全国新增建筑的1/3达到节能50%的目标;到2020年,全国新增建筑全部达到节能65%的目标。目前我国建筑能耗占总能耗的40%,而通过门窗玻璃损失的能量为46%,因此门窗玻璃对建筑节能改造尤其重要。为满足日益提高的节能要求,提高现有建筑玻璃的节能效果,开发具有更好功能和更低成本的新产品,是建筑玻璃的发展趋势之一。另一方面,普通的门窗玻璃都存在着耐污性差的问题。尤其在大气含尘量较多、空气污染严重、干旱少雨的北方地区,玻璃幕墙极易蒙尘纳垢,出现色泽不均匀,波纹各异,使得光反射不可控,导致光环境杂乱,破坏城市景观。因而建筑物的玻璃清洗难度大,特别是高层建筑的玻璃清洗要耗费大量的人力和物力。因此,开发具有自清洁功能的节能玻璃成为当前企业和科学研究的一个热点。

目前市场上节能玻璃主要是在玻璃表面镀一层银或二氧化锡薄膜,增加玻璃对红外线的反射,以阻止冬天室内热量散失,隔离夏天室外热量,达到冬暖夏凉的节能效果。而自洁玻璃利用具有光催化作用的二氧化钛薄膜在紫外线照射下产生的超亲水性和光催化降解有机物达到自洁效果。但是这些玻璃产品也存在着不少的问题:(1) 同时具备节能和自洁功能的玻璃产品很少;(2) 二氧化钛薄膜主要采用气相沉积、溅射或溶胶凝胶法制备,工艺复杂,成本高,生产大尺寸玻璃受限制;(3) 自洁玻璃涂料采用无机和有机材料调和而成,涂层与玻璃的结合强度差,室外长期使用,有机物容易老化和分解,涂层容易剥落;(4) 目前产品的自洁功能主要基于二氧化钛薄膜的光催化性能,所以必须紫外线光照和雨水冲刷才能有效达到自洁效果,然而这两个必要条件很难同时满足。在下雨天,紫外线很弱,光催化自洁效果不明显。而且,在安装在阴面的玻璃,光催化自洁效果不明显,仍然需要定期清洗。

我们研制开发的全天候纳米仿生自清洁节能玻璃成功解决了传统自洁节能玻璃存在的问题:首次采用低温溶液法(低于 150 oC)在玻璃表面生长纳米棒阵列,使玻璃具有荷叶一样的自洁效应,并且不依赖光照、能全天候工作的纳米仿生节能玻璃。纳米仿生玻璃具有以下的优势:

(1)  纳米棒阵列仿生表面使玻璃具有超疏水自洁性能,属于物理自洁,不受光照限制,因此可以全天候自洁。

(2) 纳米棒阵列具有高表面积,也具有半导体光催化效应,因此可以进一步光化降解顽固污渍,达到物理和化学双重自洁效果。

(3)     该纳米棒阵列仿生涂层在低温溶液中制备,生长条件温和,无污染,不要需  要高温晶化热处理,生长容器为普通的化工容器,容易实现大面积规模化生产。

(4)     该玻璃对红外部分高反射,有效屏蔽外界热量,达到很好节能目的。

该纳米仿生玻璃的开发具有低投入、高科技与开发周期短等特点。研究团队将对已有的技术进行深入研发和优化改进,快速将技术产品化并大规模生产纳米仿生玻璃从而可创造可观的利润。

荷叶具有自我清洁的功能,落在叶面上的雨水会因表面张力的作用形成水珠,水与叶面的接触角会大于150度,只要叶面稍微倾斜,水珠就会滚离叶面,并带走灰尘等脏东西。荷叶效应主要是指莲叶表面具有超疏水以及自洁的特性。荷叶之所以会产生超疏水荷叶效应是因为在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。在超高分辨率显微镜下可以清晰看到,荷叶表面上有许多微小的乳突,乳突的平均大小约为10微米,平均间距约12微米。而每个乳突有许多直径为200纳米左右的突起组成的。在荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的“小山包”,它上面长满绒毛,在“山包”顶又长出一个馒头状的“碉堡”凸顶。因此,在“山包”间的凹陷部份充满着空气,这样就在紧贴叶面上形成一层极薄,只有纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后,隔着一层极薄的空气,只能同叶面上“山包”的凸顶形成几个点接触。雨点在自身的表面张力作用下形成球状,水球在滚动中吸附灰尘,并滚出叶面,这就是“莲花效应”能自洁叶面的奥妙所在。

        我们首次研制出一种纳米仿生节能玻璃。 该玻璃表面生长一层自洁纳米棒阵列,在纳米棒上又生长出很多十几纳米的纤毛状纳米棒结构。该玻璃的表面微观结构与荷叶表面的微纤毛结构非常类似,因此能模拟荷叶表面的超疏水性能,具有超强的物理自洁效应。当水滴滴在该自洁玻璃上时,水滴滑落过程中拾起灰尘粒子,因而很容易清洁玻璃表面。同时,该自洁纳米棒材料也是一个很好的光催化剂,玻璃表面的顽固污渍,也可以通过光催化作用,将污染物分解。同时,该玻璃对可见光透过率高而对红外光反射率高,因此能有效地将太阳光中的热量(主要集中在红外部分)屏蔽在外,降低室内温度,减低空调及其他电器负荷。

 

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