Эффект лотоса краска

Известны различные технологические подходы к созданию самоочищающихся материалов, т.е. таких материалов, которые препятствуют отложению загрязнений на своей поверхности.

Один из таких подходов основан на формировании особой наноморфологии поверхности материалов, благодаря чему они приобретают «эффект листьев лотоса». Как известно, листья лотоса остаются чистыми даже тогда, когда вода вокруг мутная и грязная. Происходит это из-за того, что листья не смачиваются водой, поэтому капли воды скатываются с них, не оставляя следа (рис. 1).

Рис. 1. Капли воды на листьях лотоса

Причина данного явления объясняется тем, что поверхность листьев лотоса покрыта мельчайшими пупырышками высотой около 10 мкм, а сами пупырышки, в свою очередь, покрыты ворсинками ещё меньшего размера (рис. 2).

Кроме того, и пупырышки, и ворсинки покрыты гидрофобным воскоподобным веществом. Благодаря этому значительно сокращается площадь контакта листьев с частицами загрязнений и уменьшается смачиваемость листьев.

Нанотехнологии дают возможность формировать особую поверхность, похожую на массажную щётку. Такая поверхность, иногда называемая «нанотравой» (или «наногазоном») образуется из множества параллельных нанопроволок (наностержней) одинаковой длины, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга (рис. 3).

Рис. 3. Микрофотография «нанотравы» из кремниевых стержней (кремниевые стержни диаметром 350 нм и высотой 7 мкм отстоят друг от друга на расстоянии 1 мкм)

Капля воды, попав на «нанотраву», не может проникнуть между отдельными «нанотравинками», поскольку этому мешает высокое поверхностное натяжение жидкости. Для того чтобы проникнуть между ними, капле надо увеличить её поверхность, а на это необходимы дополнительные энергетические затраты. Поэтому капля покоится на «нанотравинках», между которыми находятся пузырьки воздуха. В результате силы адгезии между каплей и «нанотравой» оказываются очень малыми. Это означает, что капле становится невыгодно растекаться и смачивать «нанотраву», и она сворачивается в шарик, демонстрируя очень большой краевой угол смачивания θ (рис. 4).

Рис. 4. Схема расположения капли на «нанотраве»

Чтобы смачиваемость «нанотравы» сделать ещё меньше, её поверхность покрывают тонким слоем гидрофобного полимера. В этом случае к ней не будут прилипать не только капли воды, но и любые частички грязи, поскольку касаются её лишь в нескольких точках. Поэтому грязь, оказавшаяся на такой поверхности, либо сама соскальзывает с неё, либо увлекается скатывающимися каплями воды.

Такое самоочищение нановорсистой поверхности материала от частиц грязи называют «эффектом листьев лотоса».

Рис. 5. Микрофотография «нанотравы» из золотых стержней, полученная гальваническим осаждением

Одним из возможных способов создания «нанотравы» является гальваническое осаждение металла сквозь пористый слой (например, керамики или полимера) на поверхность металла-основы (рис. 4). Минимальная толщина формируемых при этом отдельных стержней («нанотравинок») зависит от диаметра пор шаблона при осаждении и может составлять 50 нм. За счет большой поверхности «нанотрава» может применяться в качестве теплоотвода или в качестве чувствительного элемента химического сенсора.

«Нанотрава» также может формироваться в процессе глубокого ионного травления кремниевых пластин (рис. 5). Сначала пластина покрывается слоем фторполимера. Затем методом фотолитографии часть поверхности освобождается от полимера, а открывшийся кремний окисляется. Полученная «нанотрава» из оксида кремния проявляет супергидрофильные свойства, а покрытие из фторполимера придает ей супергидрофобность. Таким образом, можно получать на поверхности сложные рисунки из областей с различной смачиваемостью.

Рис. 5. Кремниевая «нанотрава» и схема ее получения: 1 – формирование кремниевой нанотравы путем ионного травления; 2 – нанесение фторполимера; 3 – создание маски при помощи фоторезиста; 4 – итоговая поверхность

Совершенно иной механизм самоочищения имеет место прииспользовании обладающего фотокаталитическим действием диоксида титана (TiO2), который в виде наночастиц вводится в объем материалов либо в виде нанопленки наносится на их поверхность.

Так, свойства бетона могут быть значительно улучшены при введении в него добавок наночастиц TiO2. Эти добавки придают бетону способность к самоочистке, обеспечивая тем самым его белизну и, как следствие, более эстетичный вид построенных из него зданий и сооружений (а также покрытий дорог) в течение длительного времени. Дело в том, что под воздействием солнечного света наночастицы TiO2 работают как фотокатализатор, преобразуя атмосферный кислород и пары воды в атомарный кислород. При этом выделяющегося активного кислорода достаточно для окисления и разложения органических загрязнений, дезодорирования помещений, уничтожения бактерий. Цементные материалы, модифицированные наночастицами TiO2, начали применяться в строительстве с середины 1990-х годов, когда итальянской фирмой Italcementi был разработан цемент марки Bianco TX Millennium для возведения церкви Dives in Misericordia в Риме (рис. 6).

Рис. 6. Церковь Dives in Misericordia, построенная из бетона с добавками наночастиц диоксида титана

Подобный эффект самоочистки достигается с помощью нанопокрытий диоксида титана, наносимых на разные строительные материалы, в частности, на стекла (рис. 13). Так, если покрыть стекло тонкой пленкой, содержащей наночастицы TiO2, то оно приобретает способность не только к самоочищению от органических загрязнителей благодаря фотокаталитическому эффекту наночастиц TiO2, но и к регулируемому пропусканию света. Стекла с таким покрытиями особенно перспективно использовать в теплицах и оранжереях.

В последние годы разрабатываются текстильные материалы, волокна которых покрыты тонкими полимерными гидрофобными пленками, подобными тем, что существуют на внешней поверхности растений, шерсти животных, перьях птиц. Капли воды, попадая на такую ткань, способны скатываться с нее без следа, унося с собой пыль, сажу и другие загрязнения. Для получения таких тканей их волокна обрабатывают полимерными наноэмульсиями соответствующего состава, которые, наряду с гидрофобными наночастицами, могут дополнительно содержать наночастицы TiO2.

Рис. 7. Стеклянный купол Национального театра в Пекине, покрытый пленкой диоксида титана

Еще один возможный способ создания самоочищающихся материалов, в частности, стекол и пластиков – это нанесение на их поверхность тонкой электрочувствительной пленки, которая при осаждении на нее пыли способна с помощью специальных датчиков активироваться и отталкивать частицы пыли.

Просмотров: 240

Принцип действия и преимущества самоочищающихся стекол

Самоочищающиеся стекла изготовлены на основе уникальных технологий, позволяющих свести к минимуму частоту мойки окон или фасадного остекления. Причем эта методика не только упрощает уход за стеклами, но и увеличивает их светопропускную способность, так они все время остаются чистыми. Внешне такие окна практически не отличаются от базовых конструкций. Основная разница – одни постепенно загрязняются и через какое-то время требуют мойки, а вторые в течение длительного периода остаются абсолютно чистыми. Это качество особенно актуально для объектов с фасадным остеклением, уход за которым требует ощутимых расходов.

В чем суть технологии самоочищения стекол

Технология, позволяющая окнам оставаться чистыми, основана на нанесении на уличную сторону стекол специального покрытия. Этот простой по своей сути принцип требует проведения при высоких температурах пиролитического процесса, в ходе которого на горячую поверхность стекла наносится диоксид титана. Это вещество является фотокатализатором и способно самоочищаться. Технологический процесс выполняется при температурах около 650 градусов, и фотокаталитическая пленка фактически вживляется в поверхность стекла. Активизируется такое покрытие в течение 5-7 дней с момента монтажа окон. То есть фотокатализатор должен какое-то время взаимодействовать с солнечным светом.
В ходе эксплуатации окон или фасадного остекления, подробнее о котором читайте на ОкнаТрейд, титановый диоксид вступает в реакцию с UF-лучами, благодаря чему предельно ускоряется естественный процесс разложения органических веществ. Отсутствие органики на поверхности стекол позволяет дождевой воде без проблем смывать остальную грязь. Причем в этом случае важную роль играет второе свойство покрытия, основанного на равномерном распределении влаги по всей площади окон. То есть дождевая вода стекает не каплями, а сплошной ультратонкой пленкой, эффективно смывающей скопившиеся загрязнения. Даже при ее высокой жесткости на стекле не остается подтеков в виде полос. Это стало возможным гидрофильным свойствам покрытия из титанового диоксида.

Преимущества самоочищающихся стекол

Самоочищающееся стекло – одновременно простое и гениальное изобретение. Эти изделия при минимальном участии человека позволяют поднять уровень комфортабельности помещений. К явным преимуществам покрытия стоит отнести:

  • экономия времени и средств на мытье окон – особенно она ощутима на больших площадях;
  • фотокатализатор не изнашивается со временем, то есть самоочищающиеся стекла имеют фактически неограниченный срок службы;
  • покрытие функционирует и в пасмурную погоду;
  • совместимость с любыми конструкциями – кровельное и фасадное остекление, оранжереи, зимние сады и обычные окна;
  • универсальность – подходит для ударопрочных, солнцезащитных и энергосберегающих стекол.

Некоторых покупателей тревожит голубоватый оттенок таких стекол и повышенный коэффициент светоотражения. При этом все признают, что блики и индивидуальный тон – условные минусы, однако о таких особенностях самоочищающегося покрытия стоит знать до заказа таких окон. Покрытие из диоксида титана устойчиво к царапинам, так как в процессе нанесения оно становится составной частью стекла. К недостаткам этих изделий относят их неспособность разлагать абсолютно все виды загрязнений и ощутимое увеличение стоимости остекления.

Какие загрязнения эффективно удаляют самоочищающиеся стекла

Стекла с фотокатализатором прекрасно расщепляют любую органику – птичий помет, пыльцу, отпечатки пальцев, следы от фруктов, сок деревьев и т.д. При контакте с этими веществами диоксид титана служит катализатором, существенно ускоряющим естественный процесс разложения. Благодаря этому вся попадающая на стекло органика быстрее окисляется и разрушается на молекулярном уровне. Остатки этих веществ смываются естественным образом вместе с пылью и грязью после каждого дождя.
Топливо тоже является производным от органических веществ, поэтому фотокатализатор эффективно справляется с маслянистыми пленками на стеклах.
Прекрасно справляясь с органическими загрязнениями, фотокатализатор не имеет действия на лаки, краски и прочие неорганические соединения. При попадании таких веществ стекло необходимо сразу же почистить с соблюдением рекомендаций по удалению тех или иных химических веществ. Также дополнительная мойка окон или фасадного остекления может понадобиться в периоды затяжной засухи или в результате интенсивного загрязнения, когда под толстым слоем органики катализатор перестает действовать.

Рекомендации по мытью самоочищающихся стекол

Если возникла необходимость помыть самоочищающееся стекло, то никакие особенные средства для этого не требуются. Достаточно обдать окна чистой водой из шланга. При устойчивых скопившихся загрязнениях рекомендуется протереть стекло смоченной в теплом мыльном растворе салфеткой или губкой, а затем смыть этот состав достаточным количеством воды. Полировать и натирать окна не требуется – радужные разводы после высыхания исчезнут сами.
Эффективность самоочищающихся стекол увеличивается, если их не моют до первого хорошего дождя. То есть фотокатализатор должен начать работать естественным образом.

Изобретение оконной конструкции, способной самоочищаться – это реальность современного мира. Большая часть домохозяек вынуждены мыть окна вручную. Нужно отметить – некоторым «чистильщикам» даже нравится это достаточно опасное занятие. Между тем появилась новая технологическая разработка – самоочищающиеся окна, готовая избавить от лишних хлопот (или заставить отказаться от любимого дела – мойки окон). Автоматически всплывает вопрос — как простой кусок стекла можно заставить самоочищаться? Рассмотрим эту технологическую задачу для знакомства с новыми возможностями, с целью принятия решения – купить или не купить.

Что такое самоочищающееся окно?

Первое, на что следует обратить внимание, рассматривая самоочищающиеся окна, это на конструкцию стеклянного листа, которая представлена далеко не «обыкновенными стеклянными» листами. Инновационный лист стекла содержит на внешней стороне тонкое покрытие диоксида титана. Порошкообразное, белого цвета вещество — соединение титана, часто применяется в производстве белых красок, зубной пасты и прочих веществ с характерным белым цветом структуры.

Однако диоксид титана, придающий белизну структуре краски, не подходит в таком виде под нанесение на поверхность стекла. Самоочищающиеся окна требуют определённой степени прозрачности. Поэтому технология предполагает нанесение на стекло толщиной 4 мм тончайшего слоя диоксида титана не более 10–25 нм (нанометров). Ультратонкий слой покрытия снижает эффективность прохождения света сквозь стекло, но вполне приемлемо — на 4-5%.

Структура покрытия самоочищающихся окон

Покрытие диоксида титана приобретает свойства самоочищения благодаря двум технологическим процессам:

  1. Фотокаталитическому (активируется светом).
  2. Гидрофильному (активируется действием воды).

Рассмотрим подробнее эти два процесса для лучшего понимания функционала.

Самоочищающееся окно: А – грязь (1), покрытие (2), содержащее микрокристаллический диоксид титана, стекло (3); В — ультрафиолетовые лучи (4), вызывающие химическую реакцию покрытия; С – вода (5) способствует смыванию грязи

Фотокаталитический процесс (активируемый светом)

Диоксид титана, по сути, фотокатализатор — материал, вызывающий химические реакции под воздействием определённым (правильным) спектром света. Так называемый «правильный» вид света — это ультрафиолетовое излучение (верхний синий солнечного излучения, не воспринимаемого человеческим глазом).

Когда ультрафиолетовое излучение воздействует на поверхность самоочищающегося окна (покрытого диоксидом титана), активируется процесс генерации электронов. Активные электроны превращают молекулы воды, присутствующие в воздухе, в гидроксильные радикалы, вызывающие химическое окисление и реакции восстановления покрытия.

Проще говоря, гидроксильные радикалы «атакуют» органические загрязнения, измельчают до такой степени, когда образовавшиеся на стекле наросты легко смываются дождевой водой. Поскольку реакции подвергается титановое покрытие поверхности самоочищающегося окна, действие реакции направлено на самые нижние слои грязи. Эксперименты показывают эффективный отрыв инкрустированных загрязнений с поверхности стекла, благодаря такому способу.

Гидрофильный процесс (активируемый действием воды)

Стекло традиционно выступает гидрофобным материалом (не впитывает воду). Попадающая на самоочищающееся (или обычное) окно вода, демонстрирует тенденцию капельной «атаки». Дождевые капли стекают по стеклу, оставляя грязные полосы по ходу движения.

Покрытием диоксида титана такая тенденция меняется. Гидроксильные радикалы, образующиеся в результате фотокатализа, фактически доводят стекло до состояния гидрофильной материи. Поэтому попадающие на стекло каплями молекулы воды, равномерно распределяются на поверхности.

Разница действия воды на новом (А) и обычном (В) стёклах: А — гидрофильный эффект, когда вода быстро растекается, смачивая всю плоскость стекла; В – обычные условия, когда вода распространяется капельным покрытием, сопротивляется течению

Падающие дождевые капли на грязное самоочищающееся окно быстро распространяются по всей поверхности стекла, подобно тому, как впитывает воду ткань. Традиционно окна (простые и самоочищающиеся) устанавливаются вертикально или под углом.

Образующийся на самоочищающемся окне «лист воды» вытирает равномерно стеклянную поверхность подобно резиновой швабре, которую хозяйки применяют для ручной очистки. После высыхания на поверхности полностью отсутствуют разводы и пятна.

Самоочищающиеся окна: преимущества и недостатки конструкций

При всей уникальности этой технологии, явно способной привлечь внимание огромного числа владельцев недвижимости, процессы самоочищения стекла демонстрируют не только преимущества. Определённого рода недостатки также присущи новым конструкциям стекольной промышленности.

Преимущественные стороны продукта

Самоочищающиеся окна внешне выглядят привлекательно, полностью соответствуют современным требованиям дизайна жилой и прочей недвижимости. Активное покрытие самоочищающихся окон продуктивно функционирует в течение всего срока службы стекла.

Преимущественные показатели очевидны, если судить по картинкам эффекта смыва дождём: А – картинка для обычного стекла; В – картинка для самоочищающегося стекла

Учитывая функциональность конструкции, владелец таких сооружений явно экономит время и деньги – ресурсы, необходимые для производства мойки в ручном режиме. Конечно же, самоочищающиеся окна способствуют снижению несчастных случаев, нередко имеющих место в случае ручной мойки объектов на высотных зданиях.

Существуют рыночные предложения на получение самоочищающихся окон различной толщины (4 – 10 мм), оснащённых стёклами небесных оттенков, эффективно фильтрующих солнечные блики.

Также доступно купить самоочищающиеся окна, наделённые внутренними покрытиями, отражающими тепло. Такие изделия способствуют повышению энергетической эффективности зданий.

Недостатки самоочищающихся окон

Наряду с преимуществами, самоочищающимся окнам присущ ряд недостатков. Первое, на что придётся обратить внимание, это цена. Рыночные ценники примерно на 15–20% выше обычного остекления. Процесс самоочищения проходит непрерывно и медленно. Конечный результат не сравнить с работой мойщика.

Для самоочищающегося окна характерна незавершенная работа — поверхность никогда не будет такой же чистой и сверкающей, как показывает стекло, вымытое домохозяйкой или сервисным служащим. Однако вид далеко не тот, что показывает обычное грязное стекло. Еще один недостаток — процесс очистки напрямую зависит от природных явлений — солнечного света и дождя.

Несмотря малые потребности покрытия в ультрафиолетовом излучении для достижения фотокаталитического эффекта, процесс реакции на самоочищение занимает 12–48 часов. Покрытие также требует времени для активации очищения непосредственно после установки окон (от недели летом до двух месяцев зимой, в зависимости от климатической зоны).

Самоочищающимся окнам для работы требуется вода и солнце. Поэтому, если в течение длительного времени природа в этом смысле «молчит», придётся мыть окна вручную.

Тестовое стекло в руках лаборатнта наглядно показывает эффективность очистки на обычной и новой структурах. Между тем в реальных условиях процесс напрямую связан с природными явлениями, что приходится учитывать

Мойка допускается мягкой тканью, тёплой мыльной водой, осторожными действиями. Фотокатализ работает только с органической грязью, поэтому самоочищающиеся окна не эффективны против отложений соли и песка (характерные моменты для недвижимости на побережье).

Несмотря на то, что покрытие с эффектом очистки рассчитано на полный срок службы окон, не исключены риски повреждения активного слоя абразивными материалами или агрессивными химикатами. Внутренняя область самоочищающихся окон в любом случае требует ручного труда.

Другие области применения технологии

Вполне успешно функционирующая с окнами технология теоретически допускает применение к любой плоской поверхности. Поэтому аналогичная фотокаталитическая система рассматривается для использования в других областях. Например, солнечные панели и фасады зданий также были запущены в разработку с учётом внедрения самоочищающейся функции.

Даже если учитывать, что очистка панелей солнечных батарей не всегда приводит к значительному повышению эффективности малых установок, технология видится полезной в случае эксплуатации больших установок. но если вы когда-либо видели солнечную ферму (с множеством гектаров солнечных панелей).

Технологии самоочищения поверхностей разработаны, как для солнечных тепловых панелей (производят горячую воду), так и для фотоэлектрических панелей солнечных батарей (генерируют электричество).

Обычно технология применима для больших поверхностей на открытом воздухе, однако не исключено использование внутри помещений. Правда, внутри помещений отсутствует солнечный свет. Тем не менее, допустимо применять излучение ультрафиолетовой лампы, чтобы активировать процесс очистки внутренних поверхностей.

Существуют самоочищающиеся окна, где на внутренней поверхности размещены светодиоды, скрытые под внешним рабочим слоем. Светодиоды периодически включаются с целью активации фотокатализатора. Не удивительно, если в скором времени появятся:

  • очки и контактные линзы,
  • самоочищающиеся зеркала,
  • сантехническая плитка,
  • кухонные панели,

Самоочищающиеся антимикробные поверхности, пригодные для использования в учреждениях здравоохранения, также уже на подходе.

При помощи информации: ExplaintHatStuff

Самоочищающаяся фасадная краска StoColor Lotusan

Самоочищающаяся силиконовая краска StoLotusan подходит для оснований: штукатурка, бетон, кирпич, известковые основания, волокнисто-цементные плиты, поверхности, окрашенные старой краской. Абсолютно не смачиваемая водой поверхность, благодаря «лотос-эффекту®» — загрязнения скатываются вместе с каплями дождя, что не только сохраняет фасад идеально чистым, но и препятствует размножению на его поверхности микроорганизмов (грибка и плесени). Краска Lotusan, колеруется по цветовым системам StoColor System, RAL, NCS и др.

Основные свойства:

  • низкая подверженность загрязнению;
  • эффект самоочищения с помощью дождя;
  • идеальная защита, прежде всего для сторон, наиболее подверженных воздействию непогоды;
  • устойчивость к вымеливанию и к воздействию ультрафиолета;
  • легкая обработка;
  • очень высокая паропроницаемость и проницаемость углекислого газа – идеальна для систем теплоизоляции фасада;
  • не содержит биоцидов;
  • матовая поверхность;
  • защищена патентным правом. Обладателем патента на производство является немецкий концерн Sto AG.

Впервые эффект лотоса открыл немецкий ботаник, профессор Боннского университета Вильгельм Бартлотт. Он обратил внимание на листья лотоса, которые каждый раз после дождя становятся сухими и чистыми. Дело в том, что поверхность листа лотоса представляет собой гидрофобную микроструктуру, благодаря чему частицы грязи и пыль просто не могут к ней прилипнуть, а оседают на поверхности. Во время дождя капли воды, как шарики ртути со стекла, увлекают их с собой, оставляя поверхность идеально чистой. Вскоре, эффект лотоса — это проверенное веками изобретение природы, при помощи новейших исследований в области бионики, был перенесён на фасадную краску, получившую название Lotusan.

Смотреть видео cиликоновая краска StoLotusan

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *