SAMOČISTILNI PREMAZI dr. Andrijana Sever Škapin

Predstavitev na temo: "SAMOČISTILNI PREMAZI dr. Andrijana Sever Škapin"— Zapis predstavitve:

1 SAMOČISTILNI PREMAZI dr. Andrijana Sever Škapin
Zavod za gradbeništvo Slovenije Oddelek za materiale Laboratorij za polimere Dimičeva 12 1000 Ljubljana

2 SAMOČISTILNI PREMAZI Onesnaženje zraka povzroča nalaganje številnih nezaželenih delcev na izpostavljene površine. Hitrejše propadanje površin, izguba funkcionalnosti, povečano tveganje za zdravje, slabši estetski izgled Poznamo tri razlilčne samočistilne efekte: Lotusov efekt fotokataliza fotoinducirana superhidrofilnost Onesnaženje zraka povzroča nalaganje številnih nezaželenih delcev na izpostavljene površine. Rezultat je bodisi hitrejše propadanje, izguba funkcionalnosti, povečano tveganje za zdravje, nenazadnje pa tudi slabši estetski izgled izpostavljenih materialov. V zadnjih letih potekajo intenzivne raziskave snovi, ki lahko vplivajo na samočiščenje površin. Pristopi so najmanj trije.

3 LOTUSOV EFEKT Kapljice imajo na hidrofobni površini obliko rahlo sploščene krogle, večji kot je kot omakanja – bolj ko so kapljice podobne krogli - večji je samočistilni efekt. Pojav je znan iz rastlinskega sveta in je bil identificiran pri 200 vrstah rastlin, poimenovan pa po lotusu. Ko na lotusov list padejo kapljice dežja, te po njegovi površini ne polzijo, ampak se kotalijo. Med kotaljenjem kapljice zaradi površinske napetosti pobirajo delce umazanije z lotusove površine, zato že manjša količina padavin popolnoma očisti lotusov list. Eksperimenti so pokazali, da v primeru, ko se kapljice ne kotalijo, ampak polzijo (večina ostalih površin), odstranjevanje umazanije skorajda ne poteka, saj pri tem ne pride do izkoriščanja površinske energije vode. Da pride do lotusovega efekta, morata biti izpolnjena dva pogoja.1 Prvi je ta, da mora biti površina hidrofobna (kot omakanja mora biti večji od 90o). Pri lotusu in drugih rastlinah imajo vlogo hidrofobnih materialov različni naravni voski. Drugi pogoj za lotusov efekt pa je ta, da je površina močno nagubana na mikrometrski skali. Taka nagubanost namreč še poveča povprečni kot omakanja, ki preseže 130o. Čim večji je kot, bolj idealno je kotaljenje kapljic. Lotusov efekt uspešno izkoriščajo pri dizajniranju številnih novih materialov. Najboljši rezultat doslej so dosegli z uporabo posebnih tehnik (na primer CVD-chemical vapour deposition), s katerimi so pravokotno na izbrano površino nanesli ogljikove nanocevke.2 S tem so dobili nekakšen “gozd” nanocevk, ki je imel zelo veliko hrapavost na podmikronski skali. Nato so z isto tehniko na te nanocevke nanesli še zelo tanek sloj teflona in s tem dosegli hidrofobnost površine. Kombinacija fine in urejene mikrostrukture ter hidrofobnosti teflona je dala kot 170o – vodne kapljice na taki površini imajo obliko skoraj popolne krogle. Čeprav so ti rezultati odlični, celo znatno boljši od tistih, ki jih srečamo v naravi, pa je cena za pripravo takih samočistilnih površin zaenkrat še prevelika, da bi bili taki produkti tudi komercialno zanimivi. Kapljice po površine ne polzijo ampak se kotalijo

4 FOTOKATALITIČNI EFEKT
Tudi fotokataliza je pojav, ki je dobro znan v naravi, saj je osnova za fotosintezo. Že vsaj 50 let so znane tudi fotokatalitske lastnosti anorganskih materialov, največ so raziskovali titanov dioksid. Od leta 2001, ko je Pilkington glass izdelal samočistilna okna, pa izkoriščajo fotokatalitske lastnosti titanovega oksida tudi v komercialnih aplikacijah (glej tabelo 1). Do fotokatalize pride v materialih, ki imajo tako elektronsko strukturo, da lahko ultravijolični del sončne svetlobe v njih ustvari proste elektrone in proste elektronske luknje. Oboji takoj reagirajo z vodo in ustvarijo, med drugim, superoksidne ione ter hidrosidne radikale. To so zelo reaktivni delci, ki pretvorijo organske snovi v ogljikov dioksid in vodo. Ob predpostavki, da ima material 25 % kvantni izkoristek, je hitrost razgradnje organskih snovi pri tipični svetlobni jakosti 10 mikroW/cm2 približno 1 mikrometer ogljikovodikov na uro. To je dovolj velika hitrost, da prepreči depozicijo delcev v običajnih atmosferskih pogojih. Produkti fotokatalize razgradijo tudi dušikove okside, ki so eden od hujših strupov v avtomobilskih izpuhih. Najpomembneje pa je, da fotokatalitski proces ne vodi do nikakršnih stranskih produktov in torej ni škodljiv za zdravje. Poleg na TiO2, fotokataliza potek tudi na nekaterih drugih polprevodniških anorganskih materialih: SrTiO3, CaTiO3, KTaO3, Ta2O5, ZrO2 ipd. Ostale možne aplikacije so na primer: v Rimu je na primer del cerkve Misericordia narejen iz samočistilnega betona, ki ohranja svetlečo belo površino, zgradba Marunouchi v Tokiu pa je narejena iz fotokatalitske opeke, ki preprečuje spremembo barve zaradi onesnaževanja. Prikaz samočistilnega efekta Princip fotokatalize TiO2

5 FOTOINDUCIRANA SUPERHIDROFILNOST
Prikaz površine Al panelov (levo) premazanih sTiO2 premazom in (desno) brez premaza Vzporedno s fotokatalizo (lahko pa tudi ločeno od nje) na polprevodniških materialih lahko poteka še en fizikalno-kemijski proces, ki prav tako povzroča samočistilne efekte, čeprav iz popolnoma drugega razloga. Naključje je, da tudi ta proces najbolje poznamo prav na primeru titanovega dioksida. Gre za pojav fotoinducirane superhidrofilnosti, ki so ga odkrili leta 1995, ko so proučevali lastnosti titanovega oksida, ki so mu primešali malo silicijeva dioksida. UV svetloba je v tem primeru povzročila redukcijo Ti4+ v Ti3+, hkrati pa oksidirala kisik. Najpomembnejše pri tem je, da kisik zaradi oksidacije zapusti površino materiala, na njegovo mesto pa se vrine voda (poskus poteka vedno v prisotnosti vode). Na ta način se voda čvrsto vsidra po celotni površini materiala, s tem pa postane površina izjemno hidrofilna - superhidrofilna (kot omakanja je blizu 0o). Ker voda zelo dobro omaka površino, takorekoč nikoli ne tvori kapljic, ampak se vedno popolnoma razlije. Tako se steklo, prevlečeno s takim materialom, nikoli ne zarosi, kar je lahko velikega pomena, denimo pri avtomobilskih zunanjih ogledalih itd. Danes denimo že najdemo samočistilna superhidrofobna stekla s titanovim oksidom v mnogih japonskih avtomobilih.

6 NADALJNJE RAZISKAVE Po svetu potekajo intenzivne nadaljnje študije za uporabo samočistilnih snovi v številnih aplikacijah. Raziskave so usmerjene predvsem v znižanje cene samočistilnih izdelkov, v optimizacijo obstoječih lastnosti samočistilnih površin in v razvoj samočistilnih izdelkov, ki bi imele fotokalitični efekt že z energijo vidne svetlobe. Po svetu potekajo intenzivne nadaljnje študije za uporabo samokatalitskih snovi v številnih aplikacijah: fasadah, tunelih, zaščitnih panelih, itd. Evropska unija je lani namenila 2.27 milijard Euro za projekte, v katerih bi razvili materiale za razgradnjo dušikovih oksidov in drugih strupenih snovi (benzena in njegovih derivatov, ipd.). Razlogov za nadaljnji razvoj je veliko, najpomembnejši je znižanje cene samočistilnih izdelkov, ki so do ca. 40 % dražji od enakih materialov, ki nimajo samočistilnega efekta. Drug razlog je, posebno v primeru notranjih površin, da bi dosegli fotokalitični efekt že z energijo vidne svetlobe. Mnoge odprte možnosti ponuja dopiranje titanovega dioksida z različnimi ioni z visokimi oksidacijskimi števili: Mo5+, Nb5+, W6+ itd.1 Dodatek platine ali zlata prav tako vpliva na fotokatalizo. Poleg tega obstaja še veliko možnosti za optimizacijo obstoječih lastnosti samočistilnih površin. Optimizacija je možna tudi pri sami tehnologiji vgradnje aktivnih delcev v prevleke (sol-gel, spin-coating itd). Nenazadnje, obstaja še mnogo alternativnih materialov, katerih lastnosti še niso popolnoma raziskane in utegnejo v prihodnje dopolniti ali celo nadomestiti izdelke na osnovi titanovega oksida. Titanium dioxide shows its photocatalytic effect only when irradiated by short-wavelength light, as ultraviolet rays. However, the amount of light in the ultraviolet range is only 3 to 4% of the total amount of solar light. In addition, only about 30% of the ultraviolet light absorbed by TiO2 can be used for photocatalytic reaction. It is now required that titanium dioxide indicates the photocatalytic effect even when irradiated by visible light to improve reaction efficiency. If there is a disorder in crystallographic sturucture in manufactured materials, the electrons and holes produced by absorption of solar light may be easily captured by defects in the crystal, and they cannot reach the surface. To solve this problem, TiO2 crystals with ordered structure and extremely high quality must be produced. We have succeeded in making the high quality crystal thin film by realizing epitaxial growth with high crystallinity of a substrate using a method called reactive laser ablation in oxygen environment. With this method, TiO2 thin films made of crystal structure with high photocatalytic property called anatase have been obtained Furthermore, in order to get photocatalytic effect even under visible light, impurities are introduced into TiO2 using impurity-doping method such as ion implantation to improve the sensitivity to light at longer wavelengths. For example, when transition metal like Cr is introduced into TiO2, electronic structure changes because some Ti atoms are replaced with Cr atoms, and a sensitivity to visible light is obtained. When the optical response characteristic of Cr doped TiO2 was investigated, it was measured that the amount of holes coming out to the surface increased not only under the ultraviolet light but also under the visible light. Further improvement of photocatalytic efficiency is aimed at not only substitution by transition metals but also substitution for oxygen by other light elements, such as sulfur and fluoride, etc. Reaktivno lasersko odparevanje v kisikovi atmosferi Dopiranje TiO2 s Cr