改善表面清洁和消毒效果的新型纳米涂层

作者：Jim Deardorff，总裁，Superior Coatings公司，密苏里州，Chillicothe

冠状病毒对现代社会造成了毁灭性的社会和经济影响。目前，还没有治愈的方法，而且要研发出一种经验证的疫苗还需要几个月的时间。由于冠状病毒具有高度传染性，并且很容易在人与人之间传播，因此表面清洁对于控制其传播也具有了新的重要意义。

医疗设施旨在以多种方式管理细菌和细菌的生长。固定装置和设备使用玻璃、不锈钢和高密度塑料等材料。为持续清洁和消毒而配制的特殊涂料适用于所有内墙。近年来，抗菌涂料已被医疗设施和个人有哮喘等健康问题的家庭所接受。这些涂料由包括银、铜和铵在内的添加剂配制而成的，可以杀菌。

持续的清洁减少了病人与工人接触疾病的机会，但由于物理磨损和化学作用，实际上会损坏表面。这增加了额外污染的可能性，并给将来的清洁操作带来了困难。
现代清洁基于以下步骤：

1. 将清洁材料涂在被污染的表面上。
2. 让污染物处于悬浮状态。
3. 细菌和微生物被特定的清洁配方灭杀。
4. 将清洁剂/土壤/细菌进行组合擦拭或冲洗干净。

清洁工作人员通过目视检查来验证清洁效果，但由于冠状病毒和其他微生物的微小尺寸，目视检查可能无效(图1)。

纳米解决方案

纳米清洁涂层是一个工程项目，旨在解决传统清洁实践的局限性。纳米清洁涂层是基于纳米技术的科学——在纳米级别（一米的十亿分之一）创造或组织材料、设备或系统。纳米清洁涂层的主要成分是硅，是玻璃的一种成分，与生产现代计算机芯片的材料相同（表1）。通过在微观层面上对表面进行改性，提高了清洁性能。这将创建一个类似于硬化玻璃的表面。当硅被加入到微分子聚合物中时，它会转化为一个高效、超薄的保护涂层，且适用于任何硬质表面。

传统涂料包含树脂/粘合剂、颜料、添加剂和溶剂或水性载体。颜料提供颜色，提高耐化学性和耐磨性。树脂/粘合剂是使颜料和添加剂保持悬浮状态的粘合剂。溶剂或水性载体有助于成膜，并在固化周期中蒸发掉。附着力是涂层和应用表面之间的机械和化学相互作用的结果。

纳米清洁涂层不含彩色颜料或树脂/粘合剂，只有硅纳米颗粒。它是通过静电吸引与表面结合的。这种效应是由硅纳米颗粒的正电荷和宿主表面的负电荷产生的，不需要反应时间。一旦硅与基材接触，固化过程就完成了。通过重新应用来保持性能。重新应用是有成本效益的，因为最初的应用为以后的重新使用提供了基础。这大大减少了人力和物力开支。

工作原理

实际上，几乎所有的天然和人造表面都含有被称为毛细管结构的微观缺陷。放大后，这些不规则现象看起来就像山脉的高峰和低谷。灰尘、污垢和化学残留物会被吸收到这些很难清除的空隙中。毛细管结构也为微生物提供了一个很好的生长繁殖场所。图2是毛细管结构的图示。

硅纳米颗粒充满了带正电荷的血小板，它们像鱼鳞一样相互重叠。这增加了纳米涂层的阻隔功能，可以防止污垢、灰尘和微生物进入毛细管空隙。硅是不透湿的，这减少了对水性污染物的吸引力。

优势特点

纳米清洁技术不仅仅是一种清洁产品，而是一种表面维护技术的组成部分，旨在建立和保持暴露于传染性微生物表面的高度洁净。它提供了许多优点：

• 防止空气中的灰尘和污垢。
• 微生物、细菌和病毒浓度显著降低。
• 消除吸水和保水现象。
• 劳动力成本显著降低。
• 减少对腐蚀性和有害清洁产品的需求。
• 阻止微生物找到理想的繁殖处。

降低清洁成本

微生物和细菌的数量，每20分钟就会增加一倍。这需要额外的清洁手段来控制微生物的生长。在大多数情况下，这种做法既昂贵又不合理。纳米清洁涂层用预防性维护取代了对可见污垢的清洁，其中硅作为主动涂层引入，以提高性能并降低总体清洁成本。使用纳米清洁技术可以使人工和材料成本降低50%至80%。

自清洁

反复使用纳米清洁技术可以利用范德华力产生自清洁优势，它在两个表面靠近的任何时候都会发生。接触点越近，吸引力就越强。由于硅纳米颗粒会努力实现更高的结合水平，使得污染物不断被替代，而便于清除。

水膜破裂及接触角测量

纳米清洁涂层允许工人通过观察水珠在处理表面上的方式，通过ASTM F-22-02水膜破裂测试来监测性能。水滴表明硅涂层保持完好（图3）。纳米清洁涂层产生了一个疏水表面，它排斥水分。相反，亲水表面吸收水分。

水滴的大小和形状决定了耐水性的高低。这是通过接触角来测量的，接触角从水滴的底部开始，沿直线移动到断开点(图4)。接触角测量的程度越高，表面就越难吸收和保持水分。

纳米清洁涂层是第一个使用水膜破裂测试来监控覆盖率和性能的保护涂层。清洁性能也可以通过在处理过的表面上用干净的棉布擦拭来检查。如果检测到阻力，则表明存在过多污垢。
去除有机或无机污染物取决于所涉及的表面类型。光滑、坚硬的表面比多孔或不规则表面更容易清洁。图5显示了冠状病毒在不同表面上的预计寿命。

测试

为了证明纳米清洁技术相对于传统清洁的优势，测试将是使纳米清洁涂层推向市场的重要因素。具体需要考虑的项目包括：

1. 如何使硅纳米涂层附着在表面上；
2. 微裂缝和裂缝是如何隐藏病原体的；
3. 现代清洁剂的粘度是如何限制与亚微米沟槽的接触的；
4. 表面状况如何影响清洁性能；
5. 为什么纳米清洁涂层可以通过封闭微表面缺陷来提高清洁性能；
6. 纳米清洁涂层如何减少传统清洁实践产生的负面环境影响。

纳米清洁涂层的性能测试相当简单。我们采用一个未经处理的参考试样和一个用硅纳米涂层处理的试样，分别在两个面板上进行水膜破裂测试，以演示吸水率的差异。两个面板上的污垢和生物污染物等与实际情况相同。

使用传统清洁方法对参考试样进行清洁，并用干净的棉布擦拭干净。用肥皂和水对纳米清洁涂层表面进行清洁，并用超细纤维布擦拭，这种布旨在通过布体上的微钩来去除表面污染物。超细纤维布通过去除污染物而不仅仅是移动颗粒来改善清洁。用光度计（一种用于测量微观浓度的仪器）来验证二者的性能差异。

结论

在20世纪，全世界遭受了多次大型传染病的袭击。

• 1916年美国脊髓灰质炎疫情：27000例病例，6000例死亡。
• 1918年至1920年的西班牙大流感：5亿病例，1亿人死亡。
• 1957年至1958年的亚洲流感：全世界有110万人死亡，美国有11.6万人死亡。
• 1981年至今的艾滋病大流行：全世界3500万人死亡。
• 2009年至2010年H1N1禽流感：14亿病例，575400人死亡。
• 2014年至2016年西非埃博拉疫情：28600例病例，11325例死亡。
• 历史上最严重的流行病之一是1346年至1353年的黑死病：历史学家估计，它消灭了欧洲一半以上的人口。

相比之下，截至2020年8月16日，美国共有537万例冠状病毒感染病例，16.9万人死亡，2904440人康复。这意味着死亡率低于0.04%。

毫无疑问，将来还会有其他传染病发生。如今，大多数表面清洁和消毒都是通过反应性维护来完成的，反应性维护是指在过度污染的情况下而进行的清洁操作，或者根据工作历史或制造商的建议定期进行的预防性维护。纳米清洁涂层是一个积极主动的维护计划，采用了控制传染病传播的最佳策略。基本的纳米清洁流程也可以作为其他疫情事件的预防标准，其中对表面的清洁和消毒是至关重要的。