基于超疏水原理的纳米硅涂料在隧道内壁内壁清洗中中的应用

基于超疏水原理的纳米硅涂料在隧道内壁内壁清洗中中的应用

包谋多1，王宸1，史玲娜2，吴金锁2

（1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆400074；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆40067；）

摘要：纳米硅超疏水涂料，因为其疏水表面良好的抗污能力，自清洁能力，使其广泛的应用于公路交通运输领域。针对纳米硅超疏水涂料优秀的疏水性能，开展其在隧道内壁的抗污、亮化耐水性的应用研究。本文通过两个室内试验实验室试验验证了验证纳米硅涂层防水稳定性、涂层固化时间。最后通过工程的测试效果表明证明经过该纳米硅涂料处理后的隧道内壁反射率最高能达到96.7%，该涂料用于隧道内壁可以有效的提高隧道内壁面的抗污和亮化能力，同时提高公路隧道的节能运营水平。

关键词：疏水涂料；纳米硅；内壁清洗；隧道养护隧道亮化

Waterproof application of nano-silicon hydrophobic coatings in tunnel inner wall

Bao Mouduo1, Wang Chen1, Shi Lingna2, Wu Jinsuo2,3

(1. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. China Merchants Chongqing Transportation Research and Design Institute Co., LTD., Chongqing 40067, China; 3. R&d Center of Autonomous Driving Technology, Transportation Industry, 40067)

Abstract: Nano silicon superhydrophobic coating, because of its hydrophobic surface good anti-fouling ability, self-cleaning ability, making it widely used in the field of road transportation. Aiming at the excellent hydrophobic properties of nano-silicon superhydrophobic coatings, the application research on anti-fouling and brightening of the inner wall of the tunnel was carried out. In this paper, two indoor tests were used to verify the waterproof stability and coating curing time of the nano-silicon coating. Finally, through the test effect of the project, the results show that the reflectivity of the inner wall of the tunnel after the treatment of the nano-silicon coating can reach 96.7%, and the coating used in the inner wall of the tunnel can effectively improve the anti-fouling and brightening ability of the inner wall of the tunnel, and improve the energy-saving operation level of the highway tunnel.

Keywords: Hydrophobic coatings; Nanosilicon; Inner wall cleaning; Tunnel maintenance

1引    言

随着我国经济快速发展，个人机动车保有量在不断增加，隧道作为交通系统的重要组成成分，公路隧道的内部环境长期受到机动车排放废气和洞外恶劣环境的影响，而隧道内壁具有引导驾驶人视线的功能，长期收到污染的隧道内壁会直接影响到高速公路的通行能力和安全运营。为响应交通运输部的公路隧道提质升级活动[1]倡导隧道绿色节能运营。隧道运营过程中主要的污染是由过往列车排放的大量废气、飞扬的尘土颗粒物所致。王生昌研究了汽车污染物排放特性发现隧道内污染物组成成分主要有氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、颗粒物质等

[1]。为了改善隧道环境和驾驶安全，隧道的清洁现已成为环境评估的监测项目之一，。 目前隧道清洁主要分为人工清洁和机器清洁，闫志伟开发出一套用于清洁高速公路隧道墙壁的机器人[2]，华东交通大学的徐芳萍团队根据超声波发生于接收模块研究出一种隧道巡检机器人自清洁控制系统[3]。人工清理效率低，机器清理成本高，所以依托工程为降低清理频率和运营成本，喷涂基于超疏水原理的自清洁涂料于隧道内壁，达到一个长期有效的防污效果，赋予隧道内壁自清洁功能在清理过程中降低清理成本，以达到隧道的耐久防护，改善隧道环境。

为研究该自清洁涂料对于隧道内壁防水能力的影响，本文将对防水涂层成膜时间，抗污效果，隧道亮化效果这些工程应用角度进行研究。分析与评价其在隧道养护方面的合理性和可行性，为该依托工程推广和应用提供依据

21.超疏水材料自清洁机理

经过多年的自然演化，自然界中的一些生物表面表现出了特殊的表面浸润现象，这种现象是指液体和固体表面接触时液体沿着固体表面扩展[41]。这些生物表面的浸润现象引起了广泛的科学关注，同时衍生出了很多具有研究价值的课题。1997年，德国生物学家Barthlott通过对植物叶表面进行研究，表面的微纳米结构赋予植物其自清洁能力[52]。2007年，清华大学学者冯西桥通过对具有分层结构的水黾腿的防水性能进行研究，指出水黾腿部这些特殊的微纳米结构赋予水黾腿高效的疏水性，并且显著降低流动阻力[63]。陕西交通建设集团公司的崔锴[7]将超疏水涂料用于隧道工程中从疏水材料自身的接触角和耐火性出发，得出该类超疏水涂料应用于隧道内壁对于隧道养护是有效的。综上所述得到接触角（contact angle）是判断液体浸润固体表面程度的重要指标。一般表示为，亲水表面（<90°）；疏水表面（90°< <150°）；超疏水表面（150°<）图1表示其常见的润湿情况。

(a) (b)

(c)

图1(a)亲水表面（<90°）；(b)疏水表面（90°< <150°）；(c)超疏水表面（150°<）

Fig 1 (a)hydrophilic Surface（<90°）；(b)hydrophobic surface（90°< <150°）；(c)hyper-hydrophobic surface（150°<）

超疏水自清洁涂料的疏水机理主要是基于“荷叶效应”的自清洁原理。荷叶表面具有纳米级乳突结构，是一种水接触角（WCA）大于150°，滚动角（RA）小于5°的一种不润湿表面。该表面具有减少灰尘与固体表面附着力和促进液滴滚动的特点，液滴在固体表面移动时会带走附着在表面的污染物。在隧道工程中带有污染物的液滴随着隧道内壁表面滚动的，降低内壁面形成大范围霉斑污染物的概率。

定义疏水能力的重要指标是固体表面液体的“接触角”，Young’s方程[8]虽然是最基本的在理想状态下的表面张力平衡方程，但该方程忽略了固体表面粗糙度的影响，1936年Wenzel将杨氏方程与表面粗糙度结合在一起形成Wenzel方程[9]，Wenzel将粗糙度定义为物体粗糙表面的实际面积与几何投影面积的比值，Wenzel方程忽略了固体表面的气体与液体的接触问题。故Cassie引入表面组成分量得到Cassic方程[10]如式1所示

（1）

其中和分别表示为气体分别与固体和液体的面积分数。

图(a)，图(b)和图(c)分别表示Young’s模型，Wenzel模型，Cassie模型。

(a) (b)

(c)

图2  (a) Young’s模型；(b) Wenzel模型；(c) Cassie模型

Fig 2(a) Young's model; (b) Wenzel model; (c) Cassie model

32.疏水材料自清洁涂层性能研究

3.1 试验试剂与仪器

超疏水纳米SiO2；蒸馏水；针型滴管；接触角测量仪（北京哈科HARKE-SPCAX1）；反射率测定仪（重庆里博C84-111）；喷雾器；数显电热恒温鼓风干燥箱。

32.21涂料成膜时间和疏水能力分析

由于超疏水纳米硅溶液属于水性的超疏水涂料而且隧道的内壁多数是由腻子粉和乳胶漆涂装而成，纳米硅涂料喷涂在内壁上待其成膜需要时间，并且实验室为了加速其涂层固化会使用干燥箱烘干，在工程中，现场人员会模糊涂层的成膜时间，在未成膜时就进行下一步施工。为避免成膜时间会影响到内壁表面的疏水能力，通过观察纳米硅涂料在不同时间段作用在基底表面的接触角，由各阶段接触角大小推断各个时间段的疏水能力。从而指导工程施工。

根据《纳米薄膜接触角测量方法》GB/T 30447-2013的具体要求，由于该试验应用于实际工程，所以基底选择使用模拟隧道内壁材料的水泥板，表面使用水性环氧乳胶漆，如图3所示。

图3基底的制备图4悬滴法

Fig. 3 Preparation of substrate

 Fig. 4 Hanging drop method

如图4所示本试验采用悬滴法，使用满足GB/T 6682-2008要求的蒸馏水，水滴体积在5μL左右，根据规范要求需要在温度23℃±2℃的环境下进行，使用满足GB/T6682-2008要求的蒸馏水，可以观察到水滴在薄膜正面上的接触角为153°[图5（a）]该水滴展示出其超疏水的特性，将平面稍微倾斜，水滴非常容易滚动，通过测试其滚动角为13°[图5（b）]试验结果如图51（c）所示。

根据图5（c）的接触角变化规律得出：涂料开始作用到基底表面至90min这时间段内其接触角一直呈现上升趋势，其疏水能力不断变强，90min至120min之间逐渐趋于平缓，通过求和平均得出纳米硅涂料大致的接触角为155.028°，滚动接触角角4.8°。属于超疏水表面接触角（WCA＞150°），滚动角（RA＜5°）

（a）（b）

（c） 

图51（a）接触角图像（b）滚动接触角图像（c）疏水层成膜时间

Fig 5(a) Contact angle image (b) Rolling contact angle image (c) Hydrophobic layer film formation time

所由图可知依托工程中的隧道涂装工程采用的是水性砂浆找平以及水性环氧底漆，在底漆表面喷涂纳米硅疏水涂料，并且需要满足90min的成膜时间。待底漆表面的纳米乳突结构形成，再进行后续施工。涂料开始作用到基底表面至90min这时间段内其接触角一直呈现上升趋势，其疏水能力不断变强，90min至120min之间逐渐趋于平缓，通过求和平均得出纳米硅涂料大致的接触角为155.028°，滚动接触角角4.8°。属于超疏水表面接触角（WCA＞150°），滚动角（RA＜5°）

32.32超疏水涂料自清洁能力试验

超疏水材料之所以具有自清洁能力，是源于其表面具有纳米级的乳突结构，能大幅度提高表面的粗糙度使得水滴能在表面滚动，在水滴滚动过程中带走表面的污染物，达到自清洁的效果。

由于纳米硅涂料成膜时间较长，需要将喷涂了涂料的基底置于80°恒温的鼓风干燥箱中，加速其表面的成膜。

本试验将粉末状污泥涂抹至基材表面。将20mL水置于5cm高度处，对载玻片涂层上的粉末状污泥进行水流冲洗试验，水流冲击完毕后，观察基材涂层的污泥表现情况，a图为实验室制备的的基材涂层表面，b图为未被涂料处理的基材表面清洗情况，c图为经过涂料处理的基材表面，由图62知经过处理后的载玻片c表面仅有少量的污泥粉尘残留，且无水滴粘附，表现出良好的防污防水渍特性。而未经处理的b图中的载玻片有大量的污泥粉尘残留。

图62（a）实验室制备基材表面（b）未经处理的基材表面抗污效果（c）经处理后的基材表面抗污效果

Fig 5(a) Laboratory preparation of substrate surfaces (b) Untreated substrate surface antifouling effect (c) The surface antifouling effect of the treated substrate

图7（d）未经处理的水泥板（e）未经处理水泥板表面污染情况（f）纳米硅涂料表面污染情况

Fig 7(d) Untreated cement slabs (e) Contamination of the surface of the untreated cement slab (f) Surface contamination of nano-silicon coatings

本试验采用三个对照组，分别是“未经处理的水泥板”，“未经纳米硅涂料处理且表面被污染的的水泥板”，“被泥沙污染物污染后的表面具有纳米硅涂料的水泥板”。分别将其命名 为材料a，材料b，材料c。以材料（a）作为对照组采用C84-III反射率测定仪分别对（a）（b）（c）表面的反射率进行测定，每个测点测4次，然后各个测点取平均值，测定结果如表1所示：

表1 各材料表面反射率

Table 1 Surface reflectivity of each material

由表1可知未经处理过的基底在被污染后其反射率同比下降29.6%，而经过疏水涂料处理后的基底反射率同比只下降了13.2%，由此可得该超疏水涂料能赋予基底表面自清洁能力能提高隧道内壁的抗污能力和亮化效果。

3.4耐水性试验

介于隧道内壁而隧道长期处于一个相对湿度较大的环境下，并且在阴雨天气中，雨水对洞口内壁面，会造成一定程度的侵蚀，所以需要对涂料的耐水性进行试验。

根据规范GB/T 1733-1993《漆膜耐水性测定法》将试件的2/3置入水温为

23±2℃的去离子水中，观察浸入水中表面的疏水薄膜了解该薄膜在极端条件下的持续时间，经过观察，该疏水薄膜能持续2个月。

4工程试验

为了改善隧道内部的环境情况，提高内壁的自清洁能力。该工程采用耐污性纳米硅涂料，对重庆某高速高速隧道的安全重点关注区域进行安全提升涂装。

为避免隧道洞外天气影响，同时方便比较，选取该高速公路的某一隧道隧道作为现场实测地点。现场实测运用照度计对该隧道涂装前后洞内照度变化来反应耐污性纳米硅涂料自清洁能力对隧道内壁的影响，为准确的反应洞内照度变化，选取同一测区并在洞内经污染14天后进行清洗施工，采用高压水枪清洗。

通过比较未涂装内壁和已涂装内壁的清洗前后照度差值来验证纳米硅涂料的自清洁能力，实测数据结果如图8所示。

(a)左侧车道1/6处(b) 左侧车道1/2处

(c) 左侧车道5/6处

图8(a)：左侧车道1/6处(b)左侧车道1/2处(c)左侧车道5/6处

Fig 8 (a) : 1/6 of left lane (b) 1/2 of left lane (c) 5/6 of left lane

在未清洗情况下，车道不同位置内壁已涂装时的洞内照度较未涂装条件下的洞内照度分别提升了25.1%、14%、9.2%。

在已清洗情况下，内壁已涂装时的洞内照度较未涂装条件下的洞内照度分别提升了11.8%、10.5%、8.5%。由此可得该纳米硅涂料能提升隧道洞内亮化水平，并且相比未涂装的隧道内壁具有一定的自清洁能力，能在一定程度上节约清理成本，在视觉效果上降低行车过程中的“黑/白洞效应”。如图9所示。

图9涂装前后对入口黑洞效应的减缓作用

Fig. 9 Slowing down of black hole effect in entrance before and after painting

为评价该涂装的自清洁效果，对工程实施运营后的3~4个月的隧道内避免进行测试，其中隧道入口段的污染影响最大，通过观测发现隧道入口段侧壁底部至1.5米范围内出现一定的粘灰现象，其主要成分是机动车尾气排放和行驶过程中的泥土粉尘。如图10~11经过3~4个月运营后未清洗的内壁面仍能具备防水和亮化隧道的功能。

图10运营一段时间后效果

Fig. 10 Effect after operation for a period of time

图11刚施工完隧道壁面

Fig.11 Just finished the tunnel wall

运营一段时间后，通过反射率测定仪测定隧道内壁各个高度的反射率，通过图12（a）所示的数据可得，隧道内壁的污染程度是距道路路面越近，污染越严重，其中在高度0.8m-1m处反射率发生突变，所以由此可得对于该依托工程中的清洗重点应该放在隧道内壁面底部1m以下。清理现场如图12（b）所示

（a）（b）

图12（a）运营期中的内壁面反射率（b）现场清理过程

Fig. 12(a) Interior wall reflectivity during operation (b) Site cleanup process

本工程实施后对清洗过程进行跟踪，由于所实施的纳米硅涂装具备自清洁能力，所以该墙面直接用常规水车清水冲洗可达到较好的清洁效果，无需额外的清洗剂，这意味着即使在重污染情况下，采用本工程技术用简单清洗方式即可达到刚实施完的整洁效果，在清洁养护方面节约用水和人力成本的作用比较明显。

53结论与展望

隧道经过14天现场隧道运营后，在未清洗情况下，1/6车道1/2车道5/6车道处在内壁未涂装时的洞内照度较已涂装条件下的洞内照度分别降低了25.1%、14%、9.2%，表明在污染情况一致的条件下，纳米硅涂料能有效缓解隧道内部暗化过程；在经历普通清洗车清洗后，内壁已涂装时的洞内照度较未涂装条件下的洞内照度分别提升了11.8%、10.5%、8.5%，表明相同清洗条件下涂装了纳米硅涂料的内壁更易清洗。目前超疏水涂料作用在隧道内壁面这一研究能有效提高隧道自清洁能力进而提高隧道的亮化效果。，本文通过阐述超疏水材料的疏水原理，并通过实验进一步证明该纳米硅涂料能有效应用于隧道内壁面能有效的控制隧道养护成本。。主要结论如下：

（1）该纳米硅涂料作用于隧道内壁表面后表现出的疏水能力与其作用时间呈正相关，最高可达到153°接近超疏水材料，具有良好的疏水性能。最后根据实验结果得出工程指导意见，在工程实际中纳米硅涂料需要经过90min的成膜时间其疏水性能才能最大化并且在日常养护过程中，需要普通清洗车对内壁1米以下的位置重点清洗。

（2）在室内试验中经过处理后的材料经过一段时间后能有效地保证原材料85.8%的反射率，有效的保障了隧道内壁的亮化效果，但实际工程中存在疏水层磨损的情况，所以实际的洞内亮化效果较原基础的85.5%下降一些。

展望没有

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