中國科大在自清潔輕質(zhì)混凝土研究中取得重要進(jìn)展
近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院徐鑫教授課題組利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(zhì)混凝土。相關(guān)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(fā)表在ACS Applied materials & Interfaces上。本研究的相關(guān)結(jié)果被ACS News Service Weekly PressPac, ScienceDaily, International Business Times, Interesting Engineering等多家媒體進(jìn)行了報(bào)道。ACS雜志專門為該工作制作了科普視頻，并在Youtube等視頻網(wǎng)站轉(zhuǎn)載，也進(jìn)行了官方中文微信推廣。
推行建筑節(jié)能環(huán)保，是形成綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展的關(guān)鍵之一。其中輕質(zhì)混凝土在外墻保溫領(lǐng)域得到了越來越大的重視，它可以降低熱量的損耗，同時(shí)替代傳統(tǒng)的有機(jī)泡沫又能起到防火的效果。預(yù)計(jì)到2022年，我國外墻保溫材料市場規(guī)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(jīng)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(guān)注，它可以為家庭和企業(yè)節(jié)省大量時(shí)間和勞動力，又能降低醫(yī)院等場所的疾病風(fēng)險(xiǎn)。
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(shí)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(shí)現(xiàn)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(jī)硅來實(shí)現(xiàn)，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(jī)械磨損，很快會失去疏水性能，也限制了材料的長時(shí)間穩(wěn)定應(yīng)用。
多年來,我校徐鑫和陳初升教授課題組合作進(jìn)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 J，2017, 63, 1272；J Am Ceram Soc, 2019, in press）?；谧罱谌橐悍ǔ尚图夹g(shù)（Chem Eng J，2019，370，658）和有機(jī)前驅(qū)體陶瓷（J Membr Sci，2019，579，111）上的研究成果，徐鑫課題組在制備混凝土?xí)r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(zhì)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(jìn)行干燥和加熱，實(shí)現(xiàn)了PDMS對孔隙和陶瓷粉體的均勻修飾。通過調(diào)節(jié)油水比例，可大范圍調(diào)整試樣的孔隙率、抗折強(qiáng)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(yuǎn)小于市售泡沫混凝土的1 mm，因此其雖重量輕，但機(jī)械強(qiáng)度強(qiáng)。
試樣制備流程圖
不同水油比試樣的SEM圖（a）1:1，（b）1:2，（c）1:3，（d）1:4
由于原始粉體粒度小，修飾過程中的熱處理使疏水基團(tuán)均勻包覆在粉體的表面，制備出的輕質(zhì)混凝土水接觸角可達(dá)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(shí)的狀態(tài)；(e)水滴上試樣迅速彈開；(f)輕質(zhì)試樣漂浮于水面照片。
所得超疏水輕質(zhì)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(jīng)過機(jī)械磨損、高溫?zé)崽幚砗突瘜W(xué)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(shí)驗(yàn)。灰塵微粒很容易被水滴帶走；(b)油中自清潔實(shí)驗(yàn)。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(xué)基金和先進(jìn)耐火材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金的支持。
附文章鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b14929
相關(guān)網(wǎng)站報(bào)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
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