纳米二氧化钛(TiO2)涂层对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)积尘行为的影响

《Advances in Materials Science and Engineering》：Influence of Nano Titanium Dioxide Coating on the Dust Accumulation Behavior of Polymethyl Methacrylate

　　

摘要：聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate, PMMA)具有透光率高、质量轻、抗冲击强度高及耐候性好等优点，可作为太阳能利用技术中玻璃的替代材料。材料表面粗糙度的差异会导致灰尘在其表面的附着性不同。研究人员以PMMA为基材开展194 d的自然环境野外实验，分析不同浓度纳米二氧化钛(nano Titanium Dioxide, nano-TiO2)涂层对不同倾斜角下PMMA表面积尘行为的影响。结果表明：涂层浓度越高，表面亲水性越强，自清洁(self-cleaning)效果越好；但当涂层质量浓度达到1.10%后，样品表面附着力已降至一定程度，继续提高浓度对表面积尘密度影响甚微，涂层自清洁效应趋于近似饱和状态。同时，降雨是实现涂层自清洁效应的关键因素，受降雨显著影响时段内样品的积尘减少系数(dust accumulation reduction coefficient, K)相对较大。为定量表征涂层自清洁效应，建立了不同倾斜角下积尘减少系数的预测模型，并归纳了涂层发挥显著自清洁效应所对应的降雨量区间。研究发现倾斜角越大，发挥显著自清洁效应所需的有效降雨量越小，这主要受沿样品表面向下分力的影响。此外，在积尘浓度0～3.50 g/m2区间内建立了样品表面清洗周期(cleaning cycle)预测模型：当倾斜角为0°时清洗周期约为35 d，倾斜角为25°时清洗周期延长至约37 d。

论文解读：《Influence of Nano Titanium Dioxide Coating on the Dust Accumulation Behavior of Polymethyl Methacrylate》发表于《Advances in Materials Science and Engineering》

一、研究背景与意义

光伏发电(PV)受大气扬尘影响会导致盖板透光率下降及发电功率衰减，长期不清理可使效率降低26%～40%。传统主动除尘（水洗、机械振动、静电除尘等）成本高且维护困难，超疏水(superhydrophobic)涂层耐久性差，而纳米二氧化钛(nano-TiO₂)光诱导超亲水(superhydrophilic)自清洁涂层兼具光催化活性、高耐久性与低成本优势。既往研究多以玻璃为基材，而聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)因高透光、轻质、高抗冲可作光伏及建筑采光玻璃替代品，但目前缺乏nano-TiO₂涂层改性PMMA表面积尘行为的系统性自然环境下长期实验数据。为此，研究人员开展194天户外实验，探究不同nano-TiO₂涂层浓度、不同安装倾斜角(tilt angle, β)及气象因子对PMMA表面积尘密度(dust accumulation density, ρ)与积尘减少系数(K)的影响，建立K值与清洗周期预测模型，为PMMA基光伏/采光构件的自清洁维护提供理论依据。

二、主要关键技术方法

研究人员采用溶胶—凝胶(sol–gel)法制备锐钛矿型(anatase)nano-TiO₂胶体，配制成0.50%、0.70%、0.90%、1.10%、1.30%（另设未涂层对照0.00%）五种质量浓度水溶液，添加KH550硅烷偶联剂增进界面结合，经喷枪均匀喷涂于14 cm×14 cm×4 mm PMMA基材表面，室温固化24 h后以紫外(UV)灯照射4 h激活光催化亲水性能。实验平台布设于天津城建大学工程训练中心屋顶（无遮挡、朝南），设置β=0°、25°、50°共三个倾斜角，每种浓度×角度组合各一块样件（总计18块），测试周期自2019年6月24日至2020年1月4日共194 d，每10 d（遇雨顺延1 d）称量积尘质量计算ρ(g/m²)，并以未涂层同角度样件为基准计算K=(ρ₀－ρ_m)/ρ₀×100%；同步监测PM2.5、PM10、降雨量(R)、风速及风向；以接触角测量仪测定不同浓度涂层水接触角(Water Contact Angle, WCA)；采用B类不确定度评估实验误差。

三、研究结果

3.1 天气因素(Weather Factors)

研究人员监测显示测试期PM2.5为6～157 μg/m³，PM10为10～240 μg/m³，后期大气含尘量偏高；日降雨量0.51～51.4 mm（第29 d达暴雨级51.4 mm）；日平均风速0.83～9.31 m/s，多风向以SE、S、NW为主。结论：降雨是触发涂层自清洁的关键因素；迎风面增大尘粒碰撞附着，侧风减小直接碰撞利于清洁。

3.2 倾斜角0°时参数变化(Parameter Variation With a Tilt Angle of 0°)

对比不同浓度涂层ρ随时间变化曲线呈先升—受暴雨归零—再升趋势。涂层浓度越高ρ越低，1.30%浓度组较未涂层ρ降低7.40%。K值随浓度升高而增大，在受降雨显著影响段（第8次测量）c=1.30%时K_max=35.33%，c=0.50%时仅为12.61%；少雨段K值整体偏低且组间差异缩小。结论：nano-TiO₂涂层可降低表面附着、提升自清洁效果，但效应受降雨制约。

3.3 倾斜角25°和50°时参数变化(Parameter Variation With a Tilt Angle of 25° and 50°)

两角度ρ整体低于0°，β=50°降幅最显著；c=1.30%时第2次测量较0°分别降19.60%(25°)和30.40%(50%)，末次测量50°较0°降58.10%。暴雨同样使ρ归零。K值在25°和50°下总体高于0°，且在中等降雨配合倾斜角形成连续水膜可有效携走尘土——c=1.30%时25°K=45.33%、50°K=29.65%（0°同期较低）；末次测量因涂层低附着+侧西风+较高风速使涂样ρ出现下降。结论：倾斜角增大会强化重力沿面向分量促进尘粒滑落及水膜铺展，协同涂层亲水性进一步降低积尘。

3.4 实验误差分析(Experimental Error Analysis)

按B类不确定度评定，积尘质量、样件尺寸、倾斜角假设均匀分布(k_u=√3)，合成不确定度：积尘ρ<0.10%，积尘密度0.29%，K值0.41%，倾斜角0.23%。结论：测量可信。

3.5 关系方程拟合(Fitting the Relational Equation)

3.5.1 积尘减少系数预测模型(Prediction Model for Dust Accumulation Reduction Coefficient)

取最优实用浓度c=1.10%（超过此浓度K增幅不显著），对相对降雨量L_R=R/R₁非线性拟合得0°、25°、50°下K～L_R关系式。K随L_R先升后降，极小或极大降雨时涂层效应弱；以K≥10.00%为显著自清洁判据，有效L_R区间分别为0°:0.14～1.22、25°:0.06～1.17、50°:0.01～1.01。结论：倾斜角越大所需有效降雨量阈值越低。

3.5.2 清洗周期(Cleaning Cycle)

以透光率降低系数(transmittance reduction coefficient, φ)=(τ₀－τ_m)/τ₀描述积尘致透光损失，选取少雨段(第13～19次测)拟合φ～无雨天数(t)。设定φ=5.00%为清洗阈值，c=1.10%时计算得：β=0°清洗周期≈35 d，β=25°≈37 d，β=50°整个实验期内φ未达阈值可更久不洗。结论：带涂层PMMA在大倾斜角下可延长人工清洗间隔。

四、讨论与结论翻译

研究人员得出结论如下：

1. 1.
   194 d实验前期受降雨（尤其第29 d暴雨）显著影响使各样件ρ降至0 g/m²，后期少雨段ρ总体递增；末次测量因风场耦合作用25°及50°涂样ρ现下降趋势。
2. 2.
   同一浓度及时间下倾斜角越大积尘密度越低，c=1.30%时50°较0°末次测量ρ降低58.10%，归因于沿面向重力分量增大抑制尘粒沉积。
3. 3.
   涂层浓度升高使UV激发下接触角降低、亲水性增强从而提升自清洁；但浓度超过1.10%后K值不再显著变化，表面附着力已降至临界值，自清洁效应近似饱和。
4. 4.
   降雨对自清洁效应影响因倾斜角而异，25°及50°即便小雨也能借亲水涂层形成平整水膜带走尘土。
5. 5.
   建立了降雨量、倾斜角与积尘减少系数K的关系并给出不同角度下发挥显著自清洁效应的降雨量区间。
6. 6.
   在少雨段建立了φ～t关系模型，得出c=1.10%时β=0°清洗周期35 d，β=25°清洗周期37 d，为PMMA自清洁构件运维提供依据。