asb-portal.cz - Odborný portál pro profesionály v oblasti stavebnictví

Vysoce účinné fotokatalytické povrchy

02.01.2012
Multifunkční suspenze s fotokatalytickým efektem. Nanotechnologie – slovo, které je stále častěji používáno v souvislosti s novými materiály a dalšími produkty, které se objevují na trhu. Mezi nanotechnologické produkty můžeme počítat i nátěrové hmoty.
Komponenty těchto nátěrových hmot jsou nanočástice nebo nanovlákna, jejichž specifické vlastnosti výrazně zvyšují kvalitativní parametry a inovují vlastnosti nátěrových hmot, které se díky nim stávají mimořádně odolné proti otěru, absorbují neutrony radioaktivního záření, mají sníženou prostupnost elektromagnetického záření, vysoké tepelněizolační schopnosti, povrch se samočisticí funkcí, mají dokonce schopnost pročišťovat vzduch i vodu. Mezi takové produkty patří i nátěrové hmoty s fotokatalytickým efektem.

Nátěrové hmoty s fotokatalytickým efektem
Fotokatalytické vlastnosti nanočástic oxidu titaničitého (TiO2) jsou popsány a masivně zkoumány již od sedmdesátých let minulého století. TiO2 je velmi rozšířená látka, která se používá jako bílý pigment. Z fyzikálního hlediska jde o polovodič n-typu. Princip fotokatalýzy TiO2 vychází z energetického rozdílu valenčního a vodivostního pásu o velikosti 3 až 3,2 eV. Tuto šířku zakázaného pásu lze překlenout pomocí excitace světlem o vlnové délce 410 nm a kratší (hluboká fialová a celé UV spektrum). Pokud se v kyslíkovém prostředí (vzduch) dotkne molekula nebo mikroskopická částice oxidovatelné látky povrchu tvořeného excitovanými nanočásticemi TiO2 (fotokatalytické vrstvy), dojde k její reakci se vzdušným kyslíkem – oxidaci (obr. 1).

To má celou řadu praktických efektů. Foto­katalytická vrstva je schopna účinně čistit vzduch například od cigaretového kouře. V okamžiku, kdy se částice kouře dotkne osvětlené plochy aktivované fotokatalytické vrstvy, dojde k její reakci se vzdušným kyslí­kem (oxiduje – spálí se). Namísto kouře vzni­ká pár molekul převážně vody a oxidu uhliči­tého – vzduch se vyčistí od kouře. Stejně tak dokáže osvětlená plocha aktivní vrstvy oxidovat i organické alergeny, karcinogeny, viry, bakterie, spory nebo rozkládat exhalace pro­dukované průmyslovou výrobou a dopravou.

Viry a bakterie i ostatní mikroorganismy si nejsou schopny, na rozdíl od chemických přípravků, vybudovat proti fotokatalýze rezistenci. Fotokatalýza totiž rozkládá bez rozdílu všechnu organickou hmotu. Na rozdíl od dezinfekcí a jiných chemických přípravků však nevnáší do prostředí další škodlivé látky.

TiO2 je plně excitován již v oblasti měkkého UV-A záření o neškodné vlnové délce 340 až 365 nm. To je výhodné pro jeho využití ve fotokatalýze, obzvláště musíme-li volit umělé osvětlení pro excitaci fotokatalytických vrstev. Z hlediska lidského zdraví jsou vlnové délky nad 340 nm zcela bezproblémové a setkáváme se s nimi běžně jako s dekoračními světly.

Fotokatalytické vlastnosti nanočástic oxidu titaničitého přirozeně zaujaly nejenom vědce, ale i výrobce nátěrových hmot a stavebních materiálů. Lákavá vize nátěrových hmot, které vytvářejí samočisticí fotokatalytický povrch se schopností čistit vzduch, vedla ke vzniku první generace nátěrových hmot s fotokatalytickým efektem.

Fotokatalytické nátěrové hmoty první generace
Fotokatalytické nátěrové hmoty první generace jsou na bázi silikátových nebo akrylátových pojiv nebo sol-gel. Vyznačují se poměrně nízkou fotokatalytickou účinností. Vezmeme-li v úvahu teoretické maximum fotokatalytické účinnosti plochy tvořené čistou fotoaktivní látkou (100 % nanočástic TiO2), potom 90 % fotokatalytických produktů na světovém trhu dosahuje účinnost do 3 %. Ostatní produkty s účinnějším sol-gel dosahují až 10 % účinnosti. Zejména u fotokatalytických nátěrových hmot pojených silikátovými a akrylátovými pojivy jsou samočisticí vlastnosti a schopnost čistit vzduch minimální. Důvodem jejich nízké fotokatalytické účinnosti je použití nevhodného pojiva, které obalí fotoaktivní nanočástice a téměř zamezí přístupu vzduchu a kontaminantů k jejich fotoaktivnímu povrchu. Na tomto základě pak téměř kompletně redukují fotokatalytický efekt. Tato skutečnost vedla českou společnost Advanced Materials-JTJ, s. r. o., (AMJTJ) k vyvinutí zcela nového speciálního pojiva vhodného pro fotokatalytické aplikace. AMJTJ patentovala a uvedla na trh zcela nový typ fotokatalytických nátěrových hmot s označením FN® již v roce 2008.

Fotokatalytické nátěrové hmoty druhé generace
Rozdíl mezi strukturou vytvořenou fotokatalytickým nátěrem I. a II. generace (FN®) velmi dobře ukazují fotografie z elektronového mikroskopu (obr. 2 a 3).

Obr. 2  Fotokatalytický nátěr 1. generace – (silikátová kompozice): fotoaktivní částice jsou téměř dokonale obaleny silikátovým pojivem. Obr. 3  Fotokatalytický nátěr 2. generace – speciální kompozice anorganických pojiv FN®: nanočástice TiO2 jsou vytlačeny na povrch pojiva, v jehož houbovité síti jsou pevně uchyceny. To umožňuje volný přístup UV záření, vzduchu a škodlivin k fotoaktivnímu povrchu nanočástic.

FN® představují nejnovější generaci fotokatalytických nátěrů (II. generace) využívajících speciální pojiva, která jen minimálně redukují fotokatalytickou účinnost nanočástic TiO2. Druhá generace je svým fotokatalytickým efektem až stokrát účinnější než obdobné produkty I. generace, které jsou založeny na silikátových, silikonových nebo akrylátových pojivech.

Svým složením jsou FN® vodní suspenze fotoaktivního oxidu titaničitého ve směsi anorganických pojiv. Nanesený nátěr po zaschnutí vytvoří na povrchu vysoce porózní tenkou vrstvu o síle 0,005 až 0,05 mm. Patentovaná kompozice FN® vytváří takovou strukturu a morfologii vrstvy, v níž je maximálně zachována fotoaktivita nanočástic TiO2. Jeden metr čtvereční plochy pokryté suspenzí FN® tak vytváří 500 m2 fotoaktivní plochy nanočástic TiO2, na níž může probíhat fotokatalytický proces. To zajišťuje povrchům ošetřeným FN® mimořádnou fotokatalytickou účinnost a samočisticí schopnost. Několikanásobně vyšší fotokatalytickou účinnost FN® v porovnání s fotokatalytickými nátěry I. generace jednoznačně potvrdily laboratorní testy degradace NOx.

Testy FN®
V testu prováděném nezávislou laboratoří podle normy ISO 22197-1 byla porovnávána relativní fotonická efektivita povrchů tvořených suspenzemi FN1 a FN2 a konvenčním fotokatalytickým nátěrem I. generace, který je založen na silikátových pojivech s povrchem tvořeným čistými nanočásticemi TiO2 (Degussa P25 – standard). Výsledky zaznamenané v grafu 1prokázaly extrémně vysokou účinnost suspenzí FN® při degradaci NOx (obr. 4).

Obr. 4  Graf 1 Obr. 5  Graf 2 (autor: prof. Josef Krýsa)

Účinnost multifunkčních suspenzí FN® při degradaci organických látek byla analyzována na VŠCHT. Byly provedeny testy odbourávání hexanu na nátěru FN2®.

Srovnání rychlostí degradace podle GC: P 25 – 4,1 mmol/h/ m2; FN2® – 2,4 mmol/h/m2. FN2® povrch = 59 % fotokatalytické účinnosti Degussa P 25 (100 %). Výsledky experimentu znázorňuje graf 2 (obr. 5).
Výsledek experimentu prokázal vysokou fotokatalytickou účinnost suspenze FN2® při degradaci organických látek. Platí to obecně nejenom pro hexan, ale pro široké spektrum organických látek, u nichž byla mnoha vědeckými pracovišti prokázána jejich fotokatalytická degradovatelnost. Mezi látky rozložitelné fotokatalýzou patří například oxidy dusíku (NOx), oxidy síry (SOx), oxid uhelnatý (CO), ozón (O3), čpavek (NH3), sirovodík (H2S), většina chlorovaných uhlovodíků, dioxiny, chlorobenzen, chlorofenol, jednoduché uhlovodíky (např. CH3OH, C2H5OH, CH3COOH, CH4, C2H6, C3H8, C2H4, C3H6), aromatické uhlovodíky (benzen, fenol, toluen, etylbenzen, o-xylen), pesticidy (Tradimefon, Primicarb, Asulam, Diazinon, MPMC, atrazin), organická barviva a další.

Současně na fotokatalytickém povrchu dochází k eliminaci bakterií, virů, kvasinek, hub a spor. Fotokatalytický efekt zároveň čistí povrch mikroprachu od nebezpečných organických látek. Prokázaná fotokatalytická účinnost FN® při čištění vzduchu od organických i anorganických polutantů je taková, že umožňuje využití těchto nátěrů k efektivnímu čištění vzduchu jak v interiérech, tak i ovzduší měst a průmyslových aglo­merací, které je znečištěno emisemi z automobilové dopravy a průmyslové výroby.

Povrchová vrstva vytvořená suspenzemi FN®
Povrchová vrstva vytvořená suspenzemi FN® je neškodná lidskému zdraví a životnímu prostředí. Nanočástice TiO2 jsou pevně ukotveny v porézní struktuře vrstvy a nedochází k jejich samovolnému uvolňování do okolního prostředí. Dotyk s fotoaktivní vrstvou je pro všechny vyšší organismy bez jakéhokoli rizika. Fotokatalytická reakce (pokud na fotokatalytickou vrstvu dopadá denní světlo nebo UV záření z umělého zdroje) dokáže likvidovat mikroorganismy, které s ní přijdou do přímého kontaktu. Nanočástice TiO2 jsou zcela inertní a biokompaktibilní. Lidé se s nimi masově setkávají (v souvislosti s využíváním titanové běloby) již téměř sto let, nikdy nebyl věrohodně proká­zán žádný případ jejich negativního dopadu na lidské zdraví nebo životní prostředí.

Povrchová vrstva vytvořená suspenzemi FN® čistí vzduch, rozkládá organické a některé anorganické substance a vykazuje samočisticí schopnost. Nátěrem v interiéru je možno přeměnit místnost na vysoce účinnou, nízkoenergetickou, spolehlivou a bezúdržbovou čističku vzduchu. Čisticí proces je aktivován ultrafialovým světlem (UV-A), které je přirozenou součástí denního světla. V prostorech, kde je tohoto světla nedostatek, je UV-A záření nutno zajistit jeho umělým zdrojem (s optimální vlnovou délkou 345 až 365 nm). Funkčnost vrstvy se za přítomnosti UV záření zachovává dlouhodobě 10 i více let.

Vlastnosti a aplikace
Suspenze FN® mají transparentnost, vysokou paropropustnost a přídržnost k povrchu okolo 3 MPa.
Nanášení se provádí stříkáním (pistolí HVLP), válečkem (nízkým – lakýrnickým) nebo štětcem. Vhodným podkladem je kámen (zejména vápenec, mramor, opuka, pískovec), neglazovaná keramika (obklady, cihly, střešní tašky), beton, silikátové a akrylátové omítky a barvy.


Obr. 6  Samočistitelné zdi s FN® povrchem
Obr. 7  Aplikace FN® nátěrů je výhodná například v kuchyni. Obr. 8  Samočistitelné FN® povrchy se s úspěchem využívají v prostředích, kde je kladen důraz na hygienu, například v lékárnách.
Obr. 9  FN® nátěr na střeše kostela v Polsku zajistí její delší životnost.
Obr. 12  Suspenze FN® vyráběná v licenci společnosti COLORLAK pro trh ČR a SR. Obr. 11  Aplikace FN® povrchů ve výrobně v Hodoníně zde zlepšila pracovní podmínky.


Praktické použití
Používají se na (obr. 6 až 11):
  • účinné čistění vzduchu od:
–    škodlivin a zápachu z cigaretového kouře,
–    škodlivých látek a zápachu organického původu produkovaných průmyslovou výrobou,
–    zplodin spalovacích motorů (NOx, aromatických uhlovodíků a dalších),
–    patogenních organismů (virů a bakterií),
–    alergenů typu organických molekul ne­bo mikroskopických organických částic,
–    nepříjemných pachů z vaření nebo pachů živočišného původu,
  • řešení problému nezdravého vzduchu v plně klimatizovaných budovách (Sick Building Syndrome – SBS),
  • zachování čistého povrchu stěn, střech a stavebních konstrukcí:
–    na površích ošetřených suspenzemi FN® se nedokáží usazovat a dlouhodobě udržet nečistoty (saze, prachové částice, mikrokapénky tuku), fotokatalytický efekt zabraňuje na těchto plochách růstu plísní, řas, lišejníků a mechů,
–    na plochách, na nichž je nanesena silnější vrstva suspenze FN® (0,1 až 0,2 mm), vykazujících díky hydrofilním vlastnostem silný antigraffiti efekt.

Nátěry FN® jsou k dostání na trhu na všech světových kontinentech (obr. 12).

TEXT: Mgr. Pavel Šefl, CSc.
OBRÁZKY a FOTO: Advanced Materials-JTJ

Autor pracuje jako obchodní ředitel ve společnosti Advanced Materials-JTJ, s. r. o., (AMJTJ), přední české inovační firmě v oboru nanotechnologií.

Článek byl uveřejněn v časopisu Realizace staveb.

Komentáře

Prepíšte text z obrázku do poľa. Ak nedokážete text rozoznať, kliknite na obrázok.
Bohuslav R.
Vážený pane, zajímalo by mne zda je možno touto technologií ošetřit i povrch vytvořený z plastových lamel Vinilsiding? Na tomto povrchu docela zdárně rostou různé plísně a to zejména na severní straně fasády. Povrchy musí být asi před aplikaci důkladně očištěny? Díky za odpovědi.
Odpovědět | 11.07.2014, 15:36

Další z Jaga Media