疏水型易洁材料在建筑玻璃领域中的研究

王琦 吕宜超 高新平 张放 熊建

（1.中国南玻集团开发研究院 深圳 518067；2.南玻集团咸宁南玻节能玻璃有限公司 咸宁 437000）

0 引言

普通幕墙玻璃表面易产生静电，吸收空气中的浮尘、汽车尾气，时间一长极容易脏污。当下雨时，普通幕墙玻璃与水的接触角为30°～40°，在玻璃表面很容易形成水珠，且水珠不易滑落，在水珠干燥过程中，又极容易吸附空气中的灰尘，干燥后形成水痕，天长日久易形成污垢，导致幕墙玻璃出现色泽不均、波纹各异、光反射环境杂乱，影响城市景观，因此，幕墙玻璃通常需要定期清洗。而清洗很多玻璃幕墙，需要在室外和高空作业，必须使用高空吊篮、吊板、升降台等工具，作业难度大，危险性大，清洗费用也较高。所以，具有自我清洁功能的玻璃（或称“易洁玻璃”）成为当前玻璃行业的热门课题。

“易洁玻璃”，通常在商业上也被形象地称为“自洁玻璃”，泛指在玻璃表面上涂抹一层特殊的涂料后，使得灰尘或者污浊液体（包括含水，甚至含油的液体）都难以附着在玻璃的表面，或者比较容易地被雨水在自然力作用下冲洗掉，这样玻璃表面非常容易保持清洁，减少了清洁玻璃表面的麻烦和费用。

近年，易洁技术迅速应用于玻璃行业，其特点是不沾污、易清洁、绿色环保，能在雨水自然力的冲洗下就可达到理想的清洁效果，有效延长保洁时间。本文介绍一种成本相对低廉、高耐候、持久疏水的“疏水型易洁玻璃”。

1 疏水型易洁玻璃主要特点

1.1 定义

疏水型易洁玻璃是一种具有高疏水性的玻璃，类似于莲花效应，使得水无法完全附着在玻璃表面上。这种特性使得水以水滴状的形态自然滑落，带走尘埃，从而实现了玻璃的易洁效果，避免了水渍的积累，与普通玻璃相比，效果更加明显。

超疏易洁玻璃，包括玻璃基片层、附着力增强层和超疏水功能层，附着力增强层位于玻璃基片层和功能层之间；附着力增强层与玻璃表面以化学键结合，膜层厚度20～35 nm，功能层位于附着力增强层上方与附着力增强层以分子间作用力及化学键结合，膜层厚度65～85 nm。附着力增强层与玻璃基材界面和功能层界面都具备非常好的相容性及结合力，可给功能层提供持久附着力。功能层膜具有超低表面能，表观结构为特殊微纳米级粗糙结构可起到超疏水状态，水滴接触角可达105°以上，并且可以持久抗灰易洁。

当纳米疏水涂层通过化学气相沉积工艺施工在玻璃表面后，随着溶剂的挥发，纳米颗粒被自动组装到玻璃的表面，而疏水基团自动朝着空气一侧展开，在空隙内壁形成如图1所示三层结构。这种结构，不仅在玻璃与空气之间设置一层极其致密的硬质“纳米水晶膜”，防止气态水及污迹与玻璃界面的接触；并且，朝向外侧的有序、密集的疏水基团也进一步赋予了玻璃表面超强的疏水性，防止了水与玻璃表面的接触。从而实现了对玻璃界面防水、防酸、防碱、防灰及增强表面硬度的高效防护。

图1 疏水型易洁玻璃结构示意

1.2 作用原理

疏水易洁产品的作用原理是通过表面处理和微纳米结构设计，使液滴在表面上形成较大的接触角和较小的滚动角，从而实现疏水性和易洁性。

疏水易洁产品经过特殊处理，使得表面能量降低，增加了液体与其相互作用的力，使得液滴在表面上形成较大的接触角。当液滴接触角超过90°时，液体更倾向于成球状，不容易附着在表面上。这种疏水性质使得液体在产品表面形成水珠状，而不是扩展开来。

目前疏水易洁产品的水滴接触角可达到102°～105°，水滴滚动角可达到18°～25°，通过提供较大的接触角和较小的滚动角，疏水易洁产品可以快速滚落水滴，将表面的污渍和灰尘随之带走。这种特性使得产品表面保持清洁，减少了清洁的频率和工作量。

2 疏水型易洁玻璃生产工艺流程

超疏易洁玻璃的加工流程有8个主要环节，分别为：玻璃基材清洗、玻璃等离子体轰击、辊涂、UV固化处理、冷却、超声波玻璃喷涂、膜层的固化、玻璃冷却。

（1）玻璃基材清洗

先使用油墨清洗剂除去玻璃表面的油膜，然后通过清洗机进行深层次清洗，清洗的走速控制在2.5～3.2 m/min，清洗机高度根据产品厚度调试：玻璃厚度±0.2 mm。

（2）玻璃等离子体轰击

清洗后呈现亲水状态的玻璃表面经过四组等离子体轰击，使玻璃界面形成超亲水状态并激发玻璃表面产生自由基，辊涂辅助层时材料与玻璃表面自由基形成化学键。

（3）辊涂

采用湿化学镀膜方式在玻璃表面辊涂一层纳米材料，具体过程如下：首先按照产品工艺要求调试辊涂机辊轮到玻璃界面的高度：-0.5 mm、辊涂机滚轮：320～340 r/min、玻璃在辊涂机腔体传送过程皮带走速：12～15 m/min；辊涂机腔体内的进出风调试参数：进风风速控制在1.9～3.0 m/s，抽风风速：2.2～3.5 m/s。调试完成后，辅助层纳米材料会被装入料桶中，并通过管道输送至辊轮上。一旦涂料接触到辊轮，根据预先设定的工艺参数，涂料将会均匀的注入辊轮中。玻璃传送至滚轮位置，与辊轮接触后，涂料会均匀地涂布在玻璃表面上。涂料与玻璃界面初步形成化学键，并且依靠其良好的流平性，在玻璃界面上形成均匀的膜层。

（4）UV固化处理

根据玻璃版面调试UV开启汞灯数量，每组汞灯数量12盏，每盏汞灯的功率最大功率12 kW，为了保证材料充分固化，需保证每个区域的膜面辐射的能量为450～620 mJ。通过UV炉玻璃表面的附着力增强层在紫外线照射后进行聚合交联反应形成一定硬度、致密的膜层并在玻璃基材界面形成牢固的化学键。

（5）冷却

UV固化完进入风栅段进行吹风冷却至30 ℃以下。

（6）超声波喷涂

采用超声波喷涂工艺方式在玻璃表面喷涂一层超疏水纳米材料，具体过程：首先按照产品工艺要求调试喷枪距离玻璃界面高度：6～7 cm，喷枪的流量：3～6 g/min，喷枪雾化：280～300 kPa，雾化形状呈现金字塔形状，玻璃在喷涂腔体传送过程皮带走速：2.0～2.5 m/min，防止玻璃背污卷膜走速：2.0～2.5 m/min，喷枪行程根据玻璃宽度进行调试：100～2500 mm，喷枪停顿时间设定：2～5 ms，喷枪组数确定：4个，调试完成后，将超疏水纳米材料放入药水罐内，并密封罐体。通过加压，超疏水纳米材料会通过药水管输送到超声波喷枪。喷枪内的顶针受到压力控制后开启，将超疏水纳米材料高度雾化，并以金字塔形状均匀喷涂在附着力增强层上。超疏水纳米材料与附着层结合，形成牢固的化学键。

（7）膜层的固化

中空玻璃或者夹层玻璃固化方式是先将固化炉温度设置在50～60 ℃、固化炉传动速度为5 m/min，固化炉温度到达设定温度之后玻璃进入固化炉内进行低温固化，固化时间为5～8 min；而单片玻璃固化时，固化炉的温度设置在250～260 ℃，固化炉传动速度：2.0～2.5 m/min，固化炉温度到达设定温度后玻璃进入固化炉进行高温固化，固化时间为25～30 min；对于低温固化的产品需静置24 h让其内部聚合物缓慢交联聚合形成长链聚合物，且在24 h内不可沾水及受到较强外力冲击破坏膜层。

（8）玻璃冷却

玻璃固化后进入风机段，风栅高度按照玻璃厚度±10 mm，风机的吹风功率控制在最大功率的40%～60%。

3 疏水型易洁玻璃的性能优势

南玻易洁玻璃性能比对团标（T/ZBH 008—2019易洁玻璃计量标准），见表1。

表1 南玻易洁玻璃性能与团标（T/ZBH 008—2019易洁玻璃计量标准）比对

由表1可以看出，该易洁玻璃耐酸碱、耐划伤、不易被机械及化学试剂剥离，并可以达到易清洁的效果。

4 结语

超疏易洁玻璃先在玻璃表面施工一层附着力增加层，此层与玻璃界面和超疏水层都具备较好的结合力，然后通过超声喷涂工艺将超疏纳米材料均匀喷涂在附着力增加层，在其表面生长≤15 nm 的隐形纳米网状晶格多层结构。通过化学键牢固结合，成为玻璃表面的一部分。纳米晶格降低了玻璃表面张力，产生强疏水性，使玻璃像荷叶般拒水防污，“出污泥而不染”，杜绝了水、污渍污液、有机清洁剂与玻璃表面的直接接触，也无法渗入玻璃内部，有效阻止了腐蚀老化，防磨损划伤，有效延长了保洁时间和使用寿命。此产品的水滴接触角可达到150°，水滴滚动角小于5°，解决即使是小水珠也可以自然滑落带走玻璃表面的灰尘达到易洁功效。

采用在玻璃表面镀上防静电的疏水涂层，并在高温下使得涂层与玻璃表面的活泼羟基进行化学反应而得疏水易洁玻璃，生产工艺流程简单、效率高、成本低、适合连续大规模生产。