Riassunto analitico
Oggigiorno, l'uso di rivestimenti di TiO2 fotocatalitico depositati su componenti edilizi sta diventando molto interessante per lo sviluppo di materiali autopulenti. La proprietà autopulente della TiO2 è esprimibile in termini di reazione redox fotoindotta di inquinanti adsorbiti e super- idrofilia fotoindotta della superficie quando è irradiata con energia ultravioletta. Entrambi i fenomeni sono stati ampiamente utilizzati nella progettazione di diversi tipi di materiali da costruzione con caratteristiche autopulenti. Infatti, alcuni di essi sono ad oggi disponibili in commercio. Tuttavia, le limitazioni correlate con l'ottenimento di prodotti efficaci e la loro applicazione in condizioni d’uso (atmosferiche, per l’ordinaria manutenzione e pulizia) impediscono ancora un loro diffuso uso nel settore dell'edilizia. Pertanto, in questo lavoro, diversi studi sono stati condotti su queste principali limitazioni allo scopo di promuovere un più vasto utilizzo dei materiali autopulenti contenenti TiO2 nell’edilizia. La ricerca è stata divisa in due aspetti principali, che riguardano: (i) problematiche legate alla produzione di materiali autopulenti di TiO2 e (ii) problematiche associate con all'utilizzo dei rivestimenti autopulenti in condizioni d’uso. Tra le limitazioni associate alla produzione di materiali autopulenti ci sono la bassa adesione dei rivestimenti al loro substrato, l'uso di substrati che influenzano l'attività fotocatalitica (o PCA) e la presenza di residui provenienti dalla sintesi del fotocatalizzatore (TiO2) che possono compromettere la PCA dei prodotti finali. In questa ricerca, il miglioramento dell’adesione tra i rivestimenti di TiO2 e i substrati di vetro è stato raggiunto mediante la modificazione della rugosità superficiale dei vetri ottenuta con trattamenti chimici applicati alla superficie. Inoltre, questa procedura decrementa anche il contenuto di Na+ sulla superficie del vetro, limitando le riduzioni della PCA dei prodotti finali. I problemi associati alla presenza dei residui di sintesi sono stati superati mediante trattamenti chimici dei prodotti appena preparati. Riguardo alle limitazioni connesse con l'applicazione di rivestimenti autopulenti in condizioni d’uso, le più comuni includono il “weathering” e le variazioni di PCA con fattori atmosferici come la temperatura e l’umidità. Il weathering non solo influenza la PCA, ma anche promuove il rilascio di nanoparticelle potenzialmente pericolose per l'ambiente o la salute umana. D'altra parte, la temperatura e l'umidità sono note per influenzare i meccanismi di reazione e la cinetica del processo di degradazione organica. Qui, rivestimenti di TiO2 sono stati esposti al weathering e a differenti valori di temperatura e umidità per valutare gli effetti di questi fattori sulle proprietà autopulenti dei rivestimenti . Inoltre, per determinare come le caratteristiche superficiali del rivestimento influenzino la proprietà autopulente in condizioni d’uso, sono state testate tre diverse morfologie di TiO2 (nanoparticolato, mesoporoso e non poroso). Le informazioni ottenute in questo lavoro consentono non solo di superare alcuni limiti tipici associati alla produzione di vetri autopulenti, ma anche per stabilire le condizioni d’uso in cui ognuno di questi materiali presenta le prestazioni migliori. Inoltre, sono state proposte alcune linee guida volte a favorire la scelta adeguata del tipo di rivestimento di TiO2 a seconda delle prestazioni nelle condizioni ambientali a cui vengono sottoposte e quindi definirne l'applicazione finale, rendendo questi materiali estremamente interessanti per l’edilizia dal punto di vista sia commerciale che tecnologico.
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Abstract
Nowadays, the use of photocatalytic TiO2 coatings deposited over building components becomes more attractive for the development of self-cleaning materials. The self-cleaning property of TiO2 is explained in terms of both photoinduced redox reaction of adsorbed pollutants and photoinduced super-hydrophilicity of its surface when irradiated with ultra band gap energy. These phenomena have been widely exploited to design different kinds of self-cleaning building materials. Indeed, some of them are commercially available. However, limitations correlated with the obtaining of efficient products and their application at real conditions still prevent their employment in the building sector. Therefore, in this work, investigations regards these limitations were carried out with the aim of promoting a widespread use of TiO2-based self-cleaning materials in the building industry. The research was divided in two principal aspects: (i) issues associated with the production of TiO2 self-cleaning materials and (ii) limitations associated with the utilization of self-cleaning coatings at real conditions. Between the limitations associated with the production of self-cleaning materials there are the low adhesion of the coatings to their substrate, the use of substrates that affect the photocatalytic activity (or PCA) and the presence of residues from the catalyst synthesis that could compromise the PCA of the final products. In this research, improvements of the adhesion between TiO2 coatings and soda-lime glasses were reached throughout roughness modifications of the glasses using chemical treatments. Furthermore, this procedure also decreased the surface Na+ from the glass surface, avoiding reductions on the PCA of the final products due to sodium contamination. The problems associated to the presence of residues from synthesis were overcome by chemical treatments of the as-prepared products. Regards the limitations associated with the application of self-cleaning coatings at real conditions, the most common include weathering and the changes in PCA associated to atmospheric variables such as temperature and humidity. Weathering not only affects the PCA but also promotes the release of nanoparticles, being dangerous for the environment or the human health. On the other hand, temperature and humidity are known to influence the reaction pathways and the kinetics of the organic degradation process. Here, TiO2 coatings were exposed to weathering and different values of temperature and humidity in order to evaluate the effects of these phenomena on the self-cleaning property of the coatings. In addition, to determine how the surface characteristics of the coating influence the self-cleaning property at real conditions, three different types of morphologies (nanoparticled, mesoporous and non-porous TiO2) were tested. The information obtained in this work permitted not only to overcome some typical limitations associated with the production of self-cleaning glasses, but also to establish the real conditions at which each one of these materials should present better performances. In addition, guidelines for an adequate choosing of the kind of TiO2 coating depending on their performance at determinate conditions and the target application have been proposed, making these materials even more interesting for the building sector from both commercial and practical points of view.
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