一種利用水凝膠仿生涂層實現自清潔油污功能的防火煙道

王若愚

我國城市住宅的設計中普遍采用煙道集中排煙方式.不完全燃燒物及油煙容易積聚附著于煙道表面.由于煙囪效應的作用，一旦吸入明火，將會迅速蔓延到整個煙道，引燃靠近煙道的可燃、易燃物品，從而促使火勢蔓延擴大.本研究目的是尋找一種材料或制備工藝，使煙道實現不沾油污或具有長期自我清潔除污功能，且滿足低能耗、持久性及制備工藝簡單低廉等要求，以實現便于推廣和大規模生產運用目的.

一、研究現狀

根據現行國家標準，目前我國煙道材料基本以混凝土夾芯、玻鎂板、菱鎂板等材料為主，滿足1h耐火極限要求.目前國內煙道的構造形式主要有單煙道式、主次式、變壓式、止逆閥式和同心圓式等幾種.各種構造的設計目的都是基于增加煙氣流速、防倒煙等方向，沒有從減少內壁油污附著方向考慮.居民用煙道屬于上下層多戶共用，在沒有相關法律法規強制性規定下，很難實現有組織的定期清理.

煙道內壁的粗糙表面是形成油污沉積的主要原因，民用煙道在建筑使用年限內基本不會更換.方法的選擇要從長期發揮效能方向考慮.從實用推廣角度考慮，低成本、制造工藝簡單是方法選擇的重要因素.自然界中很多水生動物的表皮具有不粘附污漬物、非常光滑等特點.通過研究發現其表面不但存在微米級溝槽結構，而且同時自身能夠分泌出黏液，這樣具有分泌功能的特殊結構能阻止污漬的粘附.

油具有疏水性，幾乎不附著于任何水基表面.如在煙道內壁長期生成一層水膜，油污在水膜表面很難滲入粘附，在重力作用下逐漸脫落，達到自清潔目的.在生活中已得到大量運用、價格低廉的高分子吸水材料吸附水分后形成水凝膠，在凝膠表面可形成水膜式結構.

本研究模擬在煙道內壁增加聚丙烯酸鈉涂層，吸收工作狀態下煙道中的水蒸氣生成水凝膠層，模擬水生動物表皮黏液層的功能，實現持久性自清潔油污功能，達到消除火災隱患的目的.

二、研究方法和結果

1.涂層制備

將聚丙烯酸鈉和環氧樹脂漆按不同組分攪拌均勻后涂在玻鎂板表面，靜置24小時后，涂層表面已干燥，形成一層亮膜涂層.

2.水凝膠生成實驗

水蒸氣連續噴向涂層面，模擬煙道工作狀態.15分鐘后，各組分涂層均形成水凝膠表面，持續40分鐘后，各組分水凝膠涂層沒有開裂現象.

通過實驗發現，環氧樹脂漆+聚丙烯酸鈉涂層在蒸汽作用下可以形成水凝膠水膜，在長時間高溫蒸汽持續壓力下沒有脫落現象.

3.油污脫離實驗

刮取油污涂滿玻鎂板涂層表面;在實驗箱內充滿蒸汽，模擬煙道工作狀態;26分鐘后板面水凝膠都形成，油污有匯聚流動現象;30分鐘后油污明顯向下流動，水凝膠面顏色變淺;35分鐘后油污聚攏成條狀，水凝膠表面顏色大部分變淺，露出水膜層.

4.實驗結果

利用高分子吸水材料可以在物體表面制備水凝膠涂層;水凝膠涂層在吸水后形成的仿水生動物表皮黏液可以達到避油效果，實現油污自清潔;因高分子吸水材料的水凝膠形成具有可逆性，在滿足涂層力學要求后，可以實現自清潔涂層的持久性功效;水凝膠涂層施工工藝簡單，可以實現工廠化大批量生產.

5.經濟性分析

目前市場上煙道預制件價格為60元/米，工業品聚丙烯酸鈉約5000元/噸，環氧樹脂漆約10000元/噸.在普通規格煙道內壁噴涂1毫米左右涂層，增加成本約10元/米，在整體建筑造價上完全可以忽略不計.

三、研究結論

（1）水凝膠涂層在吸收水蒸氣溶脹后表面均能形成水膜層，形成的水凝膠涂層祛油污效果明顯.（2）高分子吸水材料涂層形成的水凝膠具有可逆性，可以長期發揮祛油污功效.（3）現有的各種材質煙道內壁噴涂水凝膠涂層后，利用煙道內水蒸氣形成水凝膠水膜，可以實現自清潔油污功能，具備防火功效.（4）煙道內壁噴涂水凝膠涂層增加成本較低，完全具有推廣價值.（5） 水凝膠含量過高，溶脹后會造成基體開裂，初步實驗以2∶8組分以內比例制作聚丙烯酸鈉和環氧樹脂漆的涂層表面物理特性最理想.但對在工廠化生產中的添加劑組成仍需作進一步研究.