ISO 198102023 精細(xì)陶瓷（高級(jí)陶瓷、高級(jí)工業(yè)陶瓷）.室內(nèi)照明環(huán)境下半導(dǎo)體光催化材料自清潔性能的試驗(yàn)方法.水接觸角的測量標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)發(fā)展報(bào)告

精細(xì)陶瓷（高級(jí)陶瓷、高級(jí)工業(yè)陶瓷）——室內(nèi)照明環(huán)境下半導(dǎo)體光催化材料自清潔性能的試驗(yàn)方法——水接觸角的測量標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)發(fā)展報(bào)告StandardizationDevelopmentReport:FineCeramics(AdvancedCeramics,AdvancedTechnicalCeramics)—TestMethodforSelf-CleaningPerformanceofSemiconductingPhotocatalyticMaterialsunderIndoorLightingEnvironment—MeasurementofWaterContactAngle摘要隨著城市化進(jìn)程的加速和人們對居住環(huán)境品質(zhì)要求的提升，自清潔材料作為功能性表面材料的重要分支，正受到全球范圍內(nèi)學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。半導(dǎo)體光催化材料憑借其在光照條件下分解有機(jī)污染物、降低表面潤濕性的獨(dú)特機(jī)制，已成為自清潔表面技術(shù)的核心材料體系。然而，由于缺乏統(tǒng)一的性能評(píng)價(jià)方法，特別是針對室內(nèi)照明環(huán)境下自清潔效果的標(biāo)準(zhǔn)測試規(guī)程，導(dǎo)致不同研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)之間的測試結(jié)果難以橫向比較，嚴(yán)重制約了該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步與市場推廣。ISO19810:2023《精細(xì)陶瓷（高級(jí)陶瓷、高級(jí)工業(yè)陶瓷）——室內(nèi)照明環(huán)境下半導(dǎo)體光催化材料自清潔性能的試驗(yàn)方法——水接觸角的測量》正是在這一背景下由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）正式發(fā)布的重要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。本報(bào)告就該標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)背景、編制歷程、核心技術(shù)內(nèi)容及其對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響進(jìn)行系統(tǒng)闡述與分析，旨在為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員、標(biāo)準(zhǔn)化工作者和產(chǎn)業(yè)管理人員提供全面的參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：精細(xì)陶瓷；半導(dǎo)體光催化材料；自清潔性能；水接觸角；室內(nèi)照明；國際標(biāo)準(zhǔn)；ISO19810Keywords:FineCeramics;SemiconductingPhotocatalyticMaterials;Self-CleaningPerformance;WaterContactAngle;IndoorLighting;InternationalStandard;ISO198101引言1.1研究背景自清潔材料是指能夠在自然條件或人工干預(yù)下自動(dòng)清除表面污染物的功能性材料，其技術(shù)路徑主要分為疏水型（lotuseffect）和光催化型兩大類。其中，以二氧化鈦（TiO?）為代表的半導(dǎo)體光催化材料，因其優(yōu)異的光誘導(dǎo)超親水特性和光催化降解有機(jī)污染物的能力，成為自清潔領(lǐng)域中研究最為深入、應(yīng)用最為廣泛的材料體系。自20世紀(jì)90年代日本學(xué)者Fujishima和Hashimoto發(fā)現(xiàn)TiO?涂層在紫外光照射下可實(shí)現(xiàn)超親水轉(zhuǎn)變以來，光催化自清潔技術(shù)已在建筑玻璃、陶瓷幕墻、太陽能電池板防塵、道路降塵治理等領(lǐng)域獲得規(guī)模化應(yīng)用。近年來，隨著室內(nèi)光環(huán)境研究的深入和可見光響應(yīng)型光催化材料的發(fā)展，利用室內(nèi)普通照明實(shí)現(xiàn)自清潔功能的技術(shù)路線日益受到重視，市場對相關(guān)產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的需求也日趨迫切。然而，光催化自清潔性能的評(píng)價(jià)涉及光源條件、濕度環(huán)境、污染物類型、表面狀態(tài)等多重復(fù)雜因素。國際上不同實(shí)驗(yàn)室常采用各自設(shè)計(jì)的測試裝置與條件，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分散、可比性差。特別在室內(nèi)照明條件下，光源的波段分布、照度水平及照射時(shí)長等參數(shù)對材料表面水接觸角的變化具有顯著影響，若無統(tǒng)一的規(guī)范，產(chǎn)品質(zhì)量控制和國際貿(mào)易中的技術(shù)壁壘將難以消除。1.2標(biāo)準(zhǔn)化需求分析針對上述問題，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC206（精細(xì)陶瓷技術(shù)委員會(huì)）經(jīng)過充分調(diào)研和論證，于2018年前后正式啟動(dòng)光催化自清潔性能測試方法標(biāo)準(zhǔn)的編制工作。該標(biāo)準(zhǔn)的核心目標(biāo)是建立一個(gè)以水接觸角為評(píng)價(jià)指標(biāo)、以室內(nèi)照明環(huán)境為測試條件的統(tǒng)一試驗(yàn)方法，為半導(dǎo)體光催化材料在室內(nèi)場景下的自清潔性能提供客觀、可重復(fù)、可比較的定量評(píng)價(jià)手段。水接觸角（WaterContactAngle,WCA）作為表征固體表面潤濕性的經(jīng)典物理量，在光催化自清潔領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢：其測試簡便、靈敏度高、可在材料表面直接測量且無需破壞樣品。在光催化反應(yīng)過程中，材料表面因光生電子-空穴對的產(chǎn)生而引發(fā)表面化學(xué)狀態(tài)的改變，進(jìn)而導(dǎo)致水接觸角的顯著下降——即從疏水狀態(tài)（接觸角＞90°）轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水甚至超親水狀態(tài)（接觸角＜10°）。這一變化過程可直接反映材料的光催化自清潔能力，因此水接觸角的動(dòng)態(tài)變化成為評(píng)價(jià)自清潔性能的理想指標(biāo)。1.3標(biāo)準(zhǔn)基本信息ISO19810:2023由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）正式發(fā)布，發(fā)布日期為2023年7月24日，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為現(xiàn)行有效。該標(biāo)準(zhǔn)屬于精細(xì)陶瓷（高級(jí)陶瓷、高級(jí)工業(yè)陶瓷）領(lǐng)域的測試方法標(biāo)準(zhǔn)，分類號(hào)為高級(jí)陶瓷。標(biāo)準(zhǔn)正文為英文版本，采用電子版加密PDF格式發(fā)布，售價(jià)541.0元人民幣。該標(biāo)準(zhǔn)全面規(guī)定了在室內(nèi)照明環(huán)境下，利用水接觸角測量方法評(píng)價(jià)半導(dǎo)體光催化材料自清潔性能的試驗(yàn)原理、設(shè)備要求、試樣制備、試驗(yàn)步驟、結(jié)果計(jì)算與報(bào)告要求，為全球相關(guān)產(chǎn)業(yè)和研究機(jī)構(gòu)提供了統(tǒng)一的技術(shù)依據(jù)。2標(biāo)準(zhǔn)編制背景與工作歷程2.1國際標(biāo)準(zhǔn)化背景ISO/TC206（FineCeramics）成立于1999年，是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織下屬專門負(fù)責(zé)精細(xì)陶瓷（含先進(jìn)陶瓷）領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)制定的技術(shù)委員會(huì)。其工作范圍涵蓋精細(xì)陶瓷的術(shù)語、分類、測試方法、產(chǎn)品規(guī)格及臨床應(yīng)用等各個(gè)層面。近年來，隨著功能陶瓷和納米材料技術(shù)的快速發(fā)展，ISO/TC206逐步將光催化材料、生物陶瓷、熱障涂層等前沿方向納入標(biāo)準(zhǔn)化工作范疇。在ISO19810發(fā)布之前，國際上關(guān)于光催化材料性能評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)主要集中于日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JISR1701系列（如JISR1701-1光催化材料抗菌活性測試）以及ISO27447等抗菌性能測試標(biāo)準(zhǔn)。然而，這些標(biāo)準(zhǔn)多聚焦于有機(jī)物的降解效率或抗菌活性，針對自清潔性能——特別是以水接觸角為指標(biāo)的定量評(píng)價(jià)方法——尚缺乏統(tǒng)一規(guī)范。ISO/TC206在系統(tǒng)梳理國際相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，于2017年正式提出制定光催化材料自清潔性能水接觸角測試方法的提案。2.2標(biāo)準(zhǔn)編制歷程該標(biāo)準(zhǔn)的編制過程大致經(jīng)歷了以下階段：-提案階段（2017—2018年）：日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查會(huì)（JISC）基于國內(nèi)JISR1752等標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)合韓國、中國等成員國向ISO/TC206提交了新工作項(xiàng)目提案（NWIP）。-立項(xiàng)投票階段（2018—2019年）：經(jīng)ISO/TC206各成員國投票表決，該項(xiàng)目獲得通過并正式立項(xiàng)，編號(hào)確定為ISO19810，由ISO/TC206/WG33工作組負(fù)責(zé)具體編制工作。-草案編制階段（2019—2021年）：工作組多次召開線上線下會(huì)議，圍繞光源條件、試樣制備方法、水接觸角測量參數(shù)的設(shè)定等核心議題進(jìn)行了深入研討和試驗(yàn)比對（round-robintest）。期間共形成工作組草案（WD）四版、委員會(huì)草案（CD）兩版。-國際標(biāo)準(zhǔn)草案（DIS）投票階段（2022年）：在完成CD階段的技術(shù)修改后，標(biāo)準(zhǔn)草案進(jìn)入DIS投票程序，各成員國提交了大量技術(shù)性修改意見，主要涉及標(biāo)準(zhǔn)照明條件的細(xì)化和測量重復(fù)性的驗(yàn)證要求等方面。-最終國際標(biāo)準(zhǔn)草案（FDIS）及發(fā)布階段（2022—2023年）：經(jīng)FDIS投票通過后，標(biāo)準(zhǔn)于2023年7月24日正式出版發(fā)布。2.3標(biāo)準(zhǔn)編制的主要技術(shù)考量在標(biāo)準(zhǔn)編制過程中，工作組圍繞以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了重點(diǎn)討論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：第一，光源條件的選擇。室內(nèi)照明環(huán)境的復(fù)雜性在于光源種類繁多（LED、熒光燈、白熾燈等），光譜分布差異顯著。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和文獻(xiàn)調(diào)研，工作組最終確定采用CIE標(biāo)準(zhǔn)illuminantD65模擬平均自然光的光譜分布作為基準(zhǔn)測試光源，同時(shí)規(guī)定了光照強(qiáng)度的可調(diào)范圍和均勻性要求。這一選擇既兼顧了標(biāo)準(zhǔn)化的可操作性，也在一定程度上反映了室內(nèi)光環(huán)境的典型特征。第二，水接觸角的測量方法。標(biāo)準(zhǔn)充分考慮了靜態(tài)接觸角和動(dòng)態(tài)接觸角兩種測試模式的適用性，規(guī)定在光催化反應(yīng)前、反應(yīng)中及反應(yīng)后分別測量接觸角，并給出了液滴體積、滴落高度、測量時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)的精確要求，以確保測量結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性。第三，試樣制備與預(yù)處理。考慮到實(shí)際應(yīng)用場景中材料表面狀態(tài)（粗糙度、清潔度、老化程度等）對水接觸角測量結(jié)果的影響，標(biāo)準(zhǔn)對試樣基材選擇、涂層制備工藝、表面清潔步驟及預(yù)光照條件等作出了明確規(guī)定。3標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容解析3.1適用范圍ISO19810:2023適用于在室內(nèi)照明環(huán)境下具有光催化自清潔功能的半導(dǎo)體光催化材料，包括但不限于：-以TiO?為基礎(chǔ)的透明光催化涂層及其制品；-含摻雜改性的可見光響應(yīng)型光催化材料；-負(fù)載于玻璃、陶瓷、金屬等基材上的光催化薄膜；-具有自清潔功能的建筑和裝飾材料表面處理層。該標(biāo)準(zhǔn)不適用于以下情況：紫外光照射下的光催化性能評(píng)價(jià)（相關(guān)方法可參見其他ISO標(biāo)準(zhǔn)）、非光催化型自清潔材料（如單純疏水涂層）的性能評(píng)價(jià)，以及粉體或懸浮液形態(tài)的光催化材料的評(píng)價(jià)。3.2規(guī)范性引用文件該標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)內(nèi)容上引用了多項(xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn)，主要包括：-ISO27448：精細(xì)陶瓷（高級(jí)陶瓷、高級(jí)工業(yè)陶瓷）——半導(dǎo)體光催化材料自清潔性能的試驗(yàn)方法——水接觸角的測量（紫外光照射條件下），該標(biāo)準(zhǔn)是本標(biāo)準(zhǔn)在紫外光條件下的姊妹標(biāo)準(zhǔn)；-ISO10677：精細(xì)陶瓷（高級(jí)陶瓷、高級(jí)工業(yè)陶瓷）——半導(dǎo)體光催化材料的紫外線光源；-ISO80000-1：量和單位——第1部分：總則。這些引用文件為標(biāo)準(zhǔn)的可操作性提供了必要的方法學(xué)支撐。3.3術(shù)語和定義標(biāo)準(zhǔn)對以下關(guān)鍵術(shù)語進(jìn)行了明確定義：-半導(dǎo)體光催化材料（semiconductingphotocatalyticmaterial）：能夠在光照射下產(chǎn)生活性氧物種并引發(fā)氧化還原反應(yīng)的半導(dǎo)體材料；-自清潔性能（self-cleaningperformance）：材料在光照射條件下通過光催化反應(yīng)消除表面污染物或改善表面潤濕性的能力；-水接觸角（watercontactangle）：在固-液-氣三相界面上，液體表面切線與固體表面之間的夾角；-室內(nèi)照明環(huán)境（indoorlightingenvironment）：模擬室內(nèi)正常照明條件下的光照環(huán)境，其光譜分布和照度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。3.4測試原理該標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原理基于半導(dǎo)體光催化材料的光誘導(dǎo)超親水效應(yīng)。當(dāng)半導(dǎo)體光催化材料受到能量大于其帶隙的光照射時(shí)，價(jià)帶電子躍遷至導(dǎo)帶，在材料表面形成電子-空穴對。光生空穴可與表面晶格氧反應(yīng)形成氧空位，而水分子則在氧空位處發(fā)生解離吸附，形成羥基化表面。這一表面化學(xué)變化導(dǎo)致材料的水接觸角顯著降低，表現(xiàn)出從疏水向親水轉(zhuǎn)變的特征。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，通過精確測量光催化材料在標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)照明條件下水接觸角隨照射時(shí)間的變化，定量評(píng)價(jià)其自清潔性能。評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括：初始水接觸角、光照后穩(wěn)態(tài)水接觸角、水接觸角變化速率以及達(dá)到超親水狀態(tài)（接觸角＜10°）所需的時(shí)間等。3.5試驗(yàn)設(shè)備與條件標(biāo)準(zhǔn)對試驗(yàn)設(shè)備提出了以下核心要求：-接觸角測量儀：分辨率不低于0.1°，能夠自動(dòng)滴液和圖像采集分析，液滴體積的精確控制范圍應(yīng)為1-5μL；-標(biāo)準(zhǔn)光源：采用符合CIED65光譜分布的光源，照度水平調(diào)節(jié)范圍為500-3000lx（推薦標(biāo)準(zhǔn)照度為1000lx），光照均勻性偏差不超過±10%；-恒溫恒濕環(huán)境：測試環(huán)境溫度控制在23℃±2℃，相對濕度控制在50%±10%；-暗箱或遮光裝置：確保非照射階段樣品與外界光源隔離。3.6試樣制備標(biāo)準(zhǔn)對試樣的制備提出了系統(tǒng)的要求：-基材要求：推薦采用標(biāo)準(zhǔn)載玻片（76mm×26mm）或同等尺寸的平板基材，表面粗糙度Ra應(yīng)不大于0.02μm；-涂層制備：規(guī)定了溶膠-凝膠法、磁控濺射法、噴涂熱解法等常用涂膜工藝的基本要求，并明確涂層的厚度范圍（推薦50-500nm）、均勻性和附著力要求；-預(yù)處理：試樣在正式測試前需經(jīng)過清潔（無水乙醇超聲清洗）、干燥及必要的暗處理（在避光條件下存放不少于12小時(shí)以消除殘余光活化效應(yīng)）等步驟。3.7試驗(yàn)步驟標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)流程如下圖所示：1.暗狀態(tài)初始接觸角測量：在避光條件下，于試樣表面至少5個(gè)不同位置測量水接觸角，取算術(shù)平均值作為初始接觸角θ?；2.光照處理：將試樣置于標(biāo)準(zhǔn)光源下進(jìn)行照射，照度設(shè)定為1000lx（或根據(jù)產(chǎn)品使用場景調(diào)整并在報(bào)告中注明）；3.定時(shí)測量：分別在光照開始后的特定時(shí)間點(diǎn)（如0.5h、1h、2h、4h、8h、24h等）取出試樣，快速測量水接觸角并記錄；4.結(jié)果記錄：繪制水接觸角隨光照時(shí)間的變化曲線，計(jì)算穩(wěn)態(tài)接觸角和變化速率。3.8結(jié)果計(jì)算與表示標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以如下方式表示自清潔性能：-水接觸角變化率（Δθ）：Δθ=θ?-θt，其中θt為光照t時(shí)間后的水接觸角；-光誘導(dǎo)親水化速率常數(shù)（k）：通過擬合接觸角變化動(dòng)力學(xué)曲線獲得；-超親水時(shí)間（t_super）：接觸角降至10°以下所需的光照時(shí)間。3.9試驗(yàn)報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包含以下內(nèi)容：樣品信息和制備工藝、測試條件（光源類型、照度、溫濕度）、初始及不同時(shí)間點(diǎn)的水接觸角數(shù)據(jù)、接觸角隨時(shí)間的變化曲線、計(jì)算結(jié)果及必要的圖示說明，同時(shí)注明與本標(biāo)準(zhǔn)的任何偏離之處。4標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布機(jī)構(gòu)與主要起草單位4.1國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）簡介國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）成立于1947年，總部位于瑞士日內(nèi)瓦，是世界上最大的非政府性國際標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)。截至2024年，ISO擁有超過160個(gè)成員國，累計(jì)發(fā)布國際標(biāo)準(zhǔn)超過25000項(xiàng)，覆蓋了除電工電子領(lǐng)域（該領(lǐng)域由IEC負(fù)責(zé)）以外的幾乎所有技術(shù)領(lǐng)域。ISO/TC206（精細(xì)陶瓷技術(shù)委員會(huì)）成立于1999年，秘書處由日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查會(huì)（JISC）承擔(dān)。目前，ISO/TC206下設(shè)多個(gè)工作組（WG），分別負(fù)責(zé)測試方法（WG2）、光催化材料（WG33）、生物陶瓷（WG34）、陶瓷復(fù)合材料（WG41）等不同方向的標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作。其中WG33主要負(fù)責(zé)光催化材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的編制和協(xié)調(diào)，ISO19810即由該工作組負(fù)責(zé)推進(jìn)。4.2主要起草單位介紹4.2.1項(xiàng)目牽頭單位——日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（NationalInstituteofAdvancedIndustrialScienceandTechnology,AIST）是日本最大的公共研究機(jī)構(gòu)，隸屬于日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省，成立于2001年（由原通商產(chǎn)業(yè)省工業(yè)技術(shù)院重組而成），總部位于東京，在全國設(shè)有多個(gè)研究基地。AIST在光催化材料領(lǐng)域擁有近三十年的研究積累。早在1990年代，該所的研究團(tuán)隊(duì)便與東京大學(xué)的Fujishima教授課題組合作，系統(tǒng)開展了TiO?光催化自清潔涂層的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)。AIST材料與化學(xué)部門下屬的界面納米工程研究中心長期致力于光催化機(jī)理、表面潤濕性調(diào)控、功能性涂層的設(shè)計(jì)合成及環(huán)境凈化材料等領(lǐng)域的研究。該中心配備了先進(jìn)的接觸角測量系統(tǒng)、量子效率分析儀、表面光電壓譜儀以及多通道光催化反應(yīng)評(píng)價(jià)裝置等大型設(shè)備，形成了從材料設(shè)計(jì)、薄膜制備到性能評(píng)價(jià)的完整研究鏈條。在標(biāo)準(zhǔn)編制過程中，AIST不僅承擔(dān)了標(biāo)準(zhǔn)草案的主要起草工作，還牽頭組織了來自日本、中國、韓國、德國、法國等國的10余家實(shí)驗(yàn)室參與的實(shí)驗(yàn)室間比對試驗(yàn)（Round-RobinTest）。比對試驗(yàn)結(jié)果表明，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試條件下，各參試實(shí)驗(yàn)室測得的水接觸角數(shù)據(jù)具有良好的一致性和可重復(fù)性（實(shí)驗(yàn)室間標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在5°以內(nèi)），驗(yàn)證了該方法的技術(shù)可行性和可靠性。AIST的代表性研究成果還包括：開發(fā)了可見光響應(yīng)型摻氮TiO?涂層材料、建立了光催化材料量子效率的標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)方法、參與制定了JISR1752（室內(nèi)光環(huán)境下光催化材料自清潔性能評(píng)價(jià)方法）等多項(xiàng)日本國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。4.2.2其他重要參與單位除AIST外，以下單位也為ISO19810的編制做出了重要貢獻(xiàn)：-日本TOTO株式會(huì)社：作為全球光催化自清潔產(chǎn)品的先驅(qū)企業(yè)