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中国科大在自清洁轻质混凝土研究中取得进展
中国青年报 中国科学技术大学 / 时间:2019-12-13 10:34:36

自清洁、超疏水的“神奇”水泥来啦


  近日,中国科学技术大学化学与材料科学学院徐鑫教授课题组采用一种简单的方法,制备出具有自清洁、超疏水、高气孔率,隔热和隔音性能皆佳的轻质混凝土。相关研究发表在《美国化学学会应用材料与界面》上。
  现代建筑,特别是城市里高层建筑,通过高空人工吊绳的方法清洗外墙面,既耗费大量的人力和水资源,又存在着安全隐患。有没有一种新型建筑材料,能够像荷叶一样可以抵御污渍,一场雨过后,让整个建筑焕然如新了呢?中国科大课题组的方法就有望实现上述建筑物自清洁的设想。
  从池塘里的荷叶到壁虎的脚,自然界有许多自我清洁的表面。水滴撞击这些超疏水或极度憎水的表面,会形成水滴,在滚下来的同时清除灰尘颗粒和污染物。因此,开展超疏水建筑材料的研究是实现自清洁的有效途径。目前超疏水材料主要通过表面涂覆有机硅来实现,虽然可以起到自清洁效果,但其修饰层局限在材料表面,倘若受到机械磨损,很快会失去疏水性能,也限制了材料的长时间稳定应用。
  推行建筑节能环保,是形成绿色发展、循环发展、低碳发展的关键之一。其中,轻质混凝土在外墙保温领域得到了越来越大重视,它可以降低热量的损耗,同时替代传统的有机泡沫又能起到防火的效果。预计到2022年,我国外墙保温材料市场规模将超过2000亿元。随着人们生活水平的提高,单一的保温性能已不能完全满足需要。具有自我清洁的建筑材料引起了研究者的广泛关注,它可以为家庭和企业节省大量时间和劳动力,又能降低医院等场所的疾病风险。
  多年来,中国科大徐鑫和陈初升教授课题组合作进行多孔陶瓷的表面疏水改性研究,并将其用于膜蒸馏海水淡化,取得了一系列重要进展。基于最近在乳液法成型技术和有机前驱体陶瓷上的研究成果,徐鑫课题组在制备混凝土时加入了油相、乳化剂和少量的聚二甲基硅氧烷,制备均匀疏水修饰的3D轻质混凝土块体。在乳化剂的帮助下,形成许多含有聚二甲基硅氧烷的微小油滴。随后对混凝土进行干燥和加热,实现微小油滴对孔隙和陶瓷粉体的均匀修饰。
  由于原始粉体粒度小,修饰过程中的热处理使疏水基团均匀包覆在粉体的表面。水滴滴在这种混凝土试样表面会迅速弹开。通过调节油水比例,可大范围调整试样的孔隙率、抗折强度、体积密度。由于所得多孔混凝土的气孔尺寸只有30微米左右,远小于目前市场上销售泡沫混凝土的1毫米气孔,因此其虽重量轻,但机械强度强,抗压耐磨损。
  据悉,这种具有荷叶般自清洁的轻质混凝土能排斥灰尘颗粒,以及牛奶、啤酒、酱油、咖啡和染色的水等液体。即使将这种材料浸泡在液体中,也不会留下任何污渍。更为神奇的是,经过机械磨损、高温热处理和化学腐蚀,这种材料仍然能够保持超疏水特性。此外,这种多孔混凝土还能隔热和吸取噪音。
  本研究的相关成果引起国际媒体的广泛关注,美国化学学会、每日科学、趣味工程、国际财经时报等多家媒体进行了报道。

 (a)空气自清洁实验。灰尘微粒很容易被水滴带走;(b)油中自清洁实验。油中的灰尘颗粒(正庚烷)很容易被水滴带走;(c)球形染色液体立在材料的表面不会浸入,(d)试样浸渍在油中染色液体迅速弹开;(e)试样浸入染色液体取出后未被染色。

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