Plastové okno se samočisticím účinkem

Firma HT Troplast, známá výrobou profilů zn. TROCAL pro okna, dveře a zimní zahrady, drží i nadále taktovku v oblasti vývoje nových technických a užitných vlastností profilových systémů. Svědčí o tom intenzivní práce na projektu profilů se samočisticím efektem. Projekt, který se opírá o fotokatalytické účinky nanočástic TiO₂, vzniká ve spolupráci s firmami KBE, KOMMERLING a Knipping a týká se i zasklení.

Dnes jsou v zásadě známy tři způsoby řešení samočisticích povrchů. Jedním je vytvoření mikroskopicky velmi hladkého povrchu, ke kterému nemohou prachové částice nečistot dobře přilnout. Druhý způsob spočívá naopak ve vytvoření mikroskopicky velice členitého, ale silně hydrofobního povrchu, o který se sice částice špíny mohou zachytit, ale jsou při nejbližším styku s vodou, např. při dešti, spláchnuty kapkami vody, které se po povrchu kutálejí aniž by povrch smáčely a přitom nabalují špínu na sebe (tzv. lotosový efekt, viz [1], aplikovaný např. na fasádních nátěrech).

Řešení HT Troplast: fotokatalyticky aktivovaný hydrofilní povrch.

Konečně třetí samočistící úprava spočívá naopak ve vytvoření silně hydrofilního povrchu, kdy voda, např. dešťová, podplaví a odplaví veškerou špínu, jakmile přijde do styku s povrchem. Tuto cestu zvolil výzkumný tým HT Troplast. Aby se stal povrch extrémně hydrofilní, je nutné povrchovou vrstvu speciálně chemicky upravit a dále je nutné vysoce hydrofilní chování vrstvy opakovaně aktivovat, což se děje pomocí ultrafialového záření, které je vždy přítomno v denním, tj. slunečním světle. Prvenství firmy HT Troplast je v tom, že se jí podařilo jako první zrealizovat hydrofilní úpravu na plastovém povrchu PVC až do stadia ověřovacích zkoušek a také v tom, že jako první využila fotokatalytických účinků jemně rozemletého oxidu titaničitého TiO2 (krystalická modifikace anatas). Povrchová úprava spočívá v nanesení velice tenké, ale souvislé vrstvy jemného prachu TiO2 na povrch plastu. Vrstva je tak tenká, že nemá žádný vliv na barevné podání profilu.

Tajemství úspěchu - využití nano-technologie

Důležitou podmínkou je, aby velikost částic anatasu byla pouhých několik nanometrů (1 nm = 10-9 m): jen tehdy, má-li anatas vysokou hodnotu tzv. specifického povrchu, se docílí vysokého katalytického účinku.
Například krychle anatasu TiO₂ o hmotnosti 50 kg má povrch 0,33 m². Jestliže krychli rozdělíme na krychličky o délce hrany 1 nm, bude povrch dohromady dělat 78 km². Úměrně s tím, jak vzroste specifický povrch látky (měřený v m² na kilogram), vzroste i její reaktivita. Chemicky takřka netečný krystal anatasu se tak stane reaktivním prachem. Je třeba dodat, že výroba takto jemného prachu je technologicky složitá. Stejně tak platí, že kdyby byly částice prachutisíckrát větší (např. 1 µm, nikoliv 1 nm), byl by fotokatalytický účinek úměrně menší specifickému povrchu, tzn. přibližně 1000 krát menší a tedy zanedbatelný.

Princip činnosti

Princip vytvoření smáčivé hydrofilní vrstvy přiblížíme na na tzv. pásovém modelu. Podrobně byl popsán např. v [1] nabo v monografii [2].
Ultrafialové sluneční záření má tolik energie, že má schopnost vzbudit (excitovat) elektron z valenčního pásu anatasu do vodivostního, čímž vznikne pár elektron - díra s vysokou pohyblivostí. Jakmile se elektron e^- setká na povrchu anatasu s molekulou kyslíku, vytvoří se záporně nabitý peroxidický radikál •O₂^-, který se na okamžik elektrostaticky naváže k povrchu krystalu, tím je vodivostní elektron lokalizován. Jakmile k tomuto místu - poněkud zjednodušeně řečeno - dorazí pohyblivá díra h⁺, dojde za přítomnosti molekul vody (obsažených ve vzduchu nebo vázaných slabou chemickou vazbou k anatasu) k reakci:

•O₂^- + H₂O + h⁺ -> •OH + •HO₂

Výsledkem reakce je vznik silně reaktivního peroxidického a hydroxylového radikálu se silně antibakteriálními, oxidačními a destrukčními účinky na většinu organických látek, které jsou oxidovány až na oxid uhličitý, vodu a další plynné produkty. Doprovodným, avšak velmi důležitým produktem ozařování povrchu anatasu UV zářením, je vedle vzniku reaktivních radikálů vznik vazeb molekul vody ze vzduchu na povrch anatasu podle endothermní reakce, kdy formálně vzniká velice slabá kyselina titaničitá:

TiO₂ + H₂O + energie -> H₂TiO₃

Slabá povrchová vrstva kyseliny titaničité představuje právě onu extrémně hydrofilní povrchovou vrstvu přitahující vodu s adhezní konstantou vyšší než 1 (blíže o smáčivosti a adhezní konstantě např. v [3]), která je nutná k tomu, aby nečistoty, na které nestačilo oxidační působení peroxidických a hydroxylových radikálů, byly při opláchnutí vodou podplaveny a odplaveny.

Výhody samočisticího povrhu

Uživatel získá okno, které nebude vyžadovat takřka žádnou starost. To je důležité zejména v místech s vysokým znečištěním prachem a jinými nečistotami a také v případech, kdy jsou okna těžko přístupná. Náklady na čištění oken se samočisticí úpravou jsou minimální, potřeba mytí a čistění vzniká jen velice zřídka.

Spojený postup

Podle internetových stran firmy HT Troplast [4] se také sklářský průmysl pustil do vývoje a dnes už dokonce i výroby skel se samočisticím efektem, který je založen na stejném principu. Z hlediska uživatele je to optimální řešení.

Testovací fáze

V současné době probíhají testy, kdy jsou okna dlouhodobě zatěžována různými typy znečištění v různých klimatických podmínkách. Jde o testy, které probíhají jak v laboratoři, tak venku a mají potvrdit vhodnost tohoto řešení v praxi.

Literatura a zdroje:

[1] Hejhálek Jiří: Jak funguje Hydrotect, Stavebnictví a interiér č. 5/2001
[2] Akira Fujishima, Kazuhito Hashimoto, Toshiya Watanabe: TiO₂ Fotokatalysis. Fundamentals and Applications. Český překlad: TiO₂ fotokatalýza, základy a aplikace. Vydal Silikátový svaz v roce 2002.
[3] Hejhálek Jiří: Principy vzlínání kapalin. Stavebnictví a interiér č. 6/2003
[4] http://www.ht-troplast.com/