中國科大在自清潔輕質混凝土研究中取得重要進展

發稿時間:2019-12-05瀏覽次數:10

近期,中國科學技術大學化學與材料科學學院徐鑫教授課題組采用一種簡單的方法制備出了具有自清潔、超疏水、高氣孔率,隔熱和隔音的輕質混凝土。相關研究以“Simple fabrication of concrete with remarkable self-cleaning ability, robust superhydrophobicity, tailored porosity, and highly thermal and sound insulation”為題發表在ACS Applied materials & Interfaces上。

推行建筑節能環保,是形成綠色發展、循環發展、低碳發展的關鍵之一。其中輕質混凝土在外墻保溫領域得到了越來越大的重視,它可以降低熱量的損耗,同時替代傳統的有機泡沫又能起到防火的效果。預計到2022年,我國外墻保溫材料市場規模將超過2000億元。隨著人們生活水平的提高,單一的保溫性能已經不能完全滿足需要。具有自我清潔的建筑材料引起了研究者的廣泛關注,它可以為家庭和企業節省大量時間和勞動力,又能降低醫院等場所的疾病風險。

從池塘里的荷葉到壁虎的腳,自然界有許多自我清潔的表面。水滴撞擊這些超疏水或極度憎水的表面,會形成水滴,在滾下來的同時清除灰塵顆粒和污染物。因此開展超疏水建筑材料的研究是實現自清潔的有效途徑。目前超疏水材料主要通過表面涂覆有機硅來實現,雖然可以起到自清潔效果,但其修飾層局限在材料表面,倘若受到機械磨損,很快會失去疏水性能,也限制了材料的長時間穩定應用。

多年來,我校徐鑫和陳初升教授課題組合作進行多孔陶瓷的表面疏水改性研究,并將其用于膜蒸餾海水淡化(AIChE J2017, 63, 1272J Am Ceram Soc, 2019, in press)。基于最近在乳液法成型技術(Chem Eng J2019370658)和有機前驅體陶瓷(J Membr Sci2019579111)上的研究成果,徐鑫課題組在制備混凝土時加入了油相、乳化劑和少量的聚二甲基硅氧烷(PDMS),制備均勻疏水修飾的3D輕質混凝土塊體。在乳化劑的幫助下,形成許多含有PDMS的微小油滴。隨后對混凝土進行干燥和加熱,實現了PDMS對孔隙和陶瓷粉體的均勻修飾。通過調節油水比例,可大范圍調整試樣的孔隙率、抗折強度、體積密度。由于所得多孔混凝土的氣孔尺寸只有30微米左右,遠小于市售泡沫混凝土的1 mm,因此其雖重量輕,但機械強度強。

試樣制備流程圖

不同水油比試樣的SEM圖(a1:1,(b1:2,(c1:3,(d1:4

由于原始粉體粒度小,修飾過程中的熱處理使疏水基團均勻包覆在粉體的表面,制備出的輕質混凝土水接觸角可達166°,水滴滴在試樣表面會迅速彈開,密度小于1.0 g/cm3的試樣可漂浮在水面上,即使將試樣浸入到水中,也會迅速上升到水面上。

(a)水接觸角;(b)試樣紅外光譜光譜圖; (c) TEM圖像; (d)水接觸試樣時的狀態;(e)水滴上試樣迅速彈開;(f)輕質試樣漂浮于水面照片。

所得超疏水輕質混凝土能排斥灰塵顆粒和液體,包括牛奶、啤酒、醬油、咖啡和染色的水,可以浸泡在液體中,不留下任何污漬。即使經過機械磨損、高溫熱處理和化學腐蝕,這種材料仍然保持超疏水特性。此外,多孔混凝土還能吸收噪音和隔熱,這是建筑材料的另兩種吸引人的特性。

(a)空氣自清潔實驗。灰塵微粒很容易被水滴帶走;(b)油中自清潔實驗。油中的灰塵顆粒(正庚烷)很容易被水滴帶走;(c)球形染色液體立在材料的表面不會浸入,(d)試樣浸漬在油中染色液體迅速彈開;(e)試樣浸入染色液體取出后未被染色。

中國科大為該論文第一單位,徐鑫教授研究組的博士生董賓賓是該論文的第一作者,徐鑫教授為論文通訊作者,該工作得到了中國國家自然科學基金和先進耐火材料國家重點實驗室開放基金的支持。

本研究的相關結果被ACS News Service Weekly PressPac, ScienceDaily, International Business Times, Interesting Engineering等多家媒體進行了報道。ACS雜志專門為該工作制作了科普視頻,并在Youtube等視頻網站轉載,也進行了官方中文微信推廣。

附文章鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b14929


相關網站報道:

https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/presspacs/2019/acs-presspac-november-20-2019/self-cleaning-concrete-could-keep-buildings-looking-new-video.html

https://interestingengineering.com/researchers-create-self-cleaning-concrete-that-repels-liquid

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/11/191120131321.htm

https://www.ibtimes.com/scientists-invent-self-cleaning-concrete-keep-buildings-looking-new-2871442

https://mp.weixin.qq.com/s/vt5RkBEJsXo1IAK0FHAzjw



(化學與材料科學學院、科研部)


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