PVC建筑膜材表面涂层技术的现状及发展趋势

在当今的建筑领域，建筑膜材料的应用越来越广泛。无论在城市街头，还是大型的体育场馆，建筑膜材已经悄然走进了人们的生活，扮演着不可或缺的角色。建筑膜材是一种强度高、柔韧性好的薄膜材料，是由纤维编织成织物基材，在两面以树脂为涂层材料加工固定而成的材料。中心的织物基材决定膜材的力学性能，而作为涂层材料的树脂决定膜材的物理特性[1]。建筑膜材除了要具有良好的物理机械性能、耐老化性能、阻燃和防火性能以外，好的防污自洁性能也是一个重要的指标，因为建筑膜材在使用过程中，时刻受到外界各种各样的污染，如大气中存在的漂浮的尘埃和烟雾。膜结构建筑材料可以说是继钢铁、水泥、木材和玻璃之后的第五种建筑材料[2]。对于大跨度空间结构来说，如果采用膜材料，其成本只相当于传统建筑的二分之一或更少，而且膜结构建筑工程中所有加工和制作过程均在工厂内完成，这样减少了现场施工时间，相对传统建筑工程工期更短。可以给设计师们带来更多的想象空间，设计出优美的建筑。目前应用较广的膜材主要有ptfe膜材、etfe膜材、pvc膜材。ptfe和etfe膜材具有强度高、能力强、耐低温冲击性能高、化学性能稳定、透光性极强、防污性能优良，灰尘及污迹会被雨水冲刷除去，使用寿命均在20年以上。pvc膜材由聚氯乙烯（pvc）涂层和聚酯纤维基层复合而成，应用广泛。由于其明显的价格优势，目前在国内受到普遍青睐。一般pvc膜的耐用年限依使用环境不同在5-8年。但在其应用的过程中，存在增塑剂迁出，易粘灰，自洁性差等问题，严重影响到膜材的使用寿命和应用范围[3]。为了使建筑膜材能够保持美观，膜材表面涂层起着至关重要的作用，使其在使用过程中仅依靠雨水冲刷就能保持自洁。防污自洁的建筑膜材在环境保护与能源节约方面带来巨大的经济效益和社会效益，所以受到了人们的密切关注[4]。本文介绍了几种pvc膜材表面涂层技术及其特点，并阐述了建筑膜材防污自洁技术的机理和发展趋势。 1表面涂层 1.1聚丙烯酸酯类涂层剂聚丙烯酸酯（pa）是一种耐光性能好，与pvc具有良好粘结性能的树脂，它易溶于，乙酸乙酯、乙烷等溶剂，不易溶于水，价格低廉，使用工艺简单。此类高分子能形成光泽好的耐水薄膜，粘合牢固，不易剥落，在室温下柔韧而有弹性。20世纪70年代初，人们将其涂覆在pvc建筑膜材表面进行防污处理，取得一定效果。但在使用过程中受侵蚀的速度较快，耐老化性降低，因此使用年限较短（仅4-6年），主要用于临时性建筑。所以，寻找一种耐候性优良的处理剂引起了人们的重视[5]。 1.2氟碳树脂类涂层剂随着氟碳树脂开发技术的日趋成熟，人们将目光投向了氟碳树脂来制备膜材用的防污自洁处理剂。氟碳树脂是迄今为止发现的耐候性、耐久性最为优良的聚合物，用其配制的含氟聚合物面层处理剂的机械性能、耐候性、抗污性、耐化学品性等十分优良。c—f键的高键能是氟碳树脂用作高耐候性表面处理剂的基础。另外，具有c—f键的高氟聚合物表面能很低，使膜材具有一定得疏水性。这种极低的表面能与极强的疏水性使一般污染物难以黏附上去，耐沾污性就会大大提高，提高膜材的防污自洁性能[6]。用作表面处理剂的氟碳树脂主要有聚偏氟乙烯（pvdf），pvdf树脂是具有优良的防紫外线、耐老化、耐化学腐蚀，与其他聚合物具有热力学相容性的部分结晶聚合物。对大多数卤素、氧化剂、弱碱及脂肪族、芳香族和卤代溶剂等均有优良的抗性[7]。其防污效果较聚丙烯酸酯树脂大大提高，并具有良好的自洁性能。因此，pvdf面涂到建筑膜材后使用寿命达到15-25年，但是也由于pvdf的高化学惰性，与pvc膜材的粘合性差，易剥离[8]。剥离后使pvc涂层暴露在太阳光下，从而导致增塑剂迁出，膜面发粘，易吸灰，防污自洁性能下降。为此，德国制造商mehlerhaiku在pvc上涂一层聚丙烯酸酯作为过渡层，然后再涂一层pvdf，这样既解决了易剥离问题，自洁性能仍十分优异，但该工艺会导致建筑膜材颜色偏黄，因此仍需进一步研究。目前效果较好的如ferrari公司开发的fluotopt2膜材，是将pvdf通过特定的固化剂与pvc膜材产生最佳结合；而德国heytexneugersdorfgmbh公司在pvdf面层中添加了特殊的改性助剂，既提高了膜材的防污性能，又由于改性助剂与pvc层内添加剂的协同作用，使pvdf与pvc涂层的结合更加牢固，不易剥离[9]。 1.3纳米tio2涂层处理技术研究发现在紫外线的照射下，纳米tio2具有良好的光氧化还原功能，能够将有机污染物氧化分解，从而使膜材达到自洁的效果[10]。另外，纳米tio2表面使膜材表面处于亲水状态，从而阻隔污物对膜材的侵蚀，赋予膜材优异的防污自洁能力。h.abdulrazak等人证明将纳米tio2面涂到pvc建筑膜材，自洁性能优于其他处理剂。美国圣戈班公司（saint-gobain）和韩国秀博工业集团（supertex）均研究采用二氧化钛技术得到防污性能极好的建筑用膜材，其产品具有极强的自洁性能、优良的防污性、良好的透光性并能达到节能的目的。关键技术是在膜面涂层时，渗入一定量的二氧化钛（tio2），当受到紫外线照射时，通过光催化反应，产生超亲水氧化分解作用，把有机物（污物）分解，可以十分方便地将其除去，因此只要二氧化钛存在，它就可持续地具有防污效果。二氧化钛作为光催化剂，在发挥催化作用时，本身不起变化，因此它的防污作用是持续的[11]。 2防污自洁建筑膜材制备的理论基础 2.1“荷叶效应”
氟碳树脂的表面能一般在25mn/m左右，具有疏水性，但是要达到超疏水的效果，还需要进行超疏水处理。众所周知，荷叶素有“出淤泥而不染”之称，被视为纯洁的象征[12]。对荷叶的这种“自洁”现象，人们进行了研究。20世纪90年代，德国植物学家波恩大学wilhelmbarthlott教授揭示了荷叶表面的结构，发现荷叶的“自洁性”源于荷叶粗糙表面上微米结构的突起以及表面纳米尺寸的蜡晶共同存在引起的[13]。荷叶表面微米结构的突起平均直径约为5～9μm，平均间距约12μm，而每个突起是由许多直径为124.3±3.2nm左右的蜡晶组成的。荷叶表面的微米－纳米粗糙结构不仅可以增大表面静态接触角（160.4±0.7°），进一步增加表面疏水性，而且更重要的是可以赋予疏水性表面较小的滚动角（2°）。当水滴滚动时，会将附着在叶子表面的污物带走。
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