CN100439272C - 自清洁透光板 - Google Patents

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Abstract

一种自清洁透光板，最好是玻璃的，包括一个基板，一个亲水性涂层在基板的一个表面上，以及加热器件用于提高自清洁透光板的温度超过没有加热器件的自清洁透光板的温度。最好，亲水性涂层是光催化活性的，更希望是氧化钛的。优选的加热器件包括一个着色玻璃基板，它能够使用入射的辐射能，以提高基板的温度。多层透光单元和叠层，包括一个自清洁透光板和加热器件也已经公开。

Description

自清洁透光板
本发明涉及自清洁透光板，涉及含有自清洁透光板的多层透光单元或叠层件，以及含有自清洁透光板的窗和门。
自清洁透光板具有一个亲水性表面。与亲水性表面接触的雨水或其它水将扩散越过此表面并清洗掉它的脏垢。用自清洁透光板装窗户是有利的，因为它比普通的窗户需要较少的清洗。自清洁透光板可以是塑料板，但更经常的是玻璃板。自清洁透光板通常设置一个亲水性涂层在透光板上。此涂层可以是，例如氧化硅或金属氧化物。
一种特别有用的自清洁透光板是这样的一种，其亲水性涂层是光催化活性的。当一个半导体被一个特定频率的光线照射时，光催化活性在一个空穴-电子对的半导体内由于发光而产生。空穴-电子对能够在太阳光下产生和能够在湿空气内反应，以形成羟基和过氧基在半导体的表面上。羟基和过氧基氧化表面上的尘垢。光催化活性涂层在被照射时倾向于破坏表面上的有机尘垢。它们还倾向于保持它们的亲水性性能，因为表面的活性清洁是照射的一个结果。光催化活性涂层可以含有一个半导体，带有一个适当的带隙，例如，氧化钛。
在玻璃上的氧化钛光催化涂层公开于下列文献：EP 0901991A2，WO97/07069，WO 97/10186，WO 98/06675，WO 98/41480，WO 00/75087，inAbstract 735 of 187th Elecfrochemical Meeting(Reno，NV 95-1，p.1102)and in New Scientist magazine(26August 1995，p.19)。
有利的是保持表面的亲水性本性在比现在达到的更高的水平，从而能提高自清洁性能的效率。对于一个光催化活性涂层。这样能够带来表面的光催化活性的增加。
本发明因此在第一方面提供一个自清洁透光板，包括一个基板，一个亲水性涂层在基板的一个表面上，以及加热器件用于提高自清洁透光板的温度。
亲水性涂层最好是一个光催化活性涂层。
意外的是，提高基板的温度导致涂层的活性的增加，它又导致涂层的自清洁性能的改善。
加热器件可以包括一个有动力的加热器，例如一个电加热器。适当的加热器件可以包括在自清洁透光板的表面上的导电涂层，或细金属丝作为加热元件附着在自清洁透光板上。
然而，加热器件最好是含有被动的加热器件，更希望是使用入射辐射能(例如太阳光)的器件，以提高基板的温度至超过没有加热器件的基板的温度。这样做的优点是，显然不需要一个单独的供电，以及在价格和环境保护方面也是有效率的。加热器件可以包括一个热反射涂层在基板的另一个表面上，或者一个热吸收涂层在基板的一个表面上，但更希望的是加热器件包括一个着色基板，尤其是一个着色玻璃基板。因此，在一个优选的实施例中，本发明的一个方面提供一个自清洁透光板，包括一个着色玻璃基板，包括一个亲水性涂层在基板的一个表面上。亲水性涂层通常具有静力水接触角为40°或更低，最好为25°或更低。亲水性涂层最好是一个光催化活性涂层，它的基板具有一个直接太阳热吸收率为0.15或更大。然而，更希望，基板具有一个直接太阳热吸收率为0.2或更大，0.25或更大，0.35或更大，或者0.4或更大。基板可以是一个塑料基板(例如聚碳酸酯)但是最好是一个玻璃基板，尤其是一个浮法玻璃基板。着色玻璃基板可以借助在基体玻璃组分内添加染料而制成。这些染料包括氧化铁，它可以加入到基本玻璃组分中按0.1至0.9重量百分比，最好按0.4至0.9重量百分比(Fe2O3)。
自清洁透光板可以使用于多层透光单元，包括自清洁透光板在与第二透光板相反的取向上。在此种情况下，多层透光单元可以自身具有加热器件。加热器件例如可以具有涉及本发明的第一方面上面所述的加热器件，或者补充地或代替地，多层透光单元内的第二透光板可以具有加热器件，例如，一个热反射涂层。因此，在第二方面，本发明提供一个多层透光单元，包括一个自清洁透光板，一个第二透光板在与自清洁透光板相反的取向上，以及加热器件用于提高自清洁透光板的温度超过没有加热器件的一个自清洁透光板的温度。最好，在此方面的加热器件具有一个热反射涂层在第二透光板的一个表面上。
自清洁透光板也可以合并为叠层(尤其是叠层的玻璃)。因此，在第三方面本发明提供一个叠层，包括一个第一铺层的自清洁透光板，一个第二玻璃铺层，一个塑料中间层，例如，聚乙烯醇缩丁醛(PVB)以及具有加热器件用于提高叠层的温度。
以上所述的自清洁透光板，多层透光单元以及叠层可以合并入建筑用窗户或车辆。以上所述的自清洁透光板，多层透光单元以及叠层也可以合并入建筑用门户。
在第四方面，本发明提供一个窗户，包括一个自清洁透光板。窗户附设有空气流动减少器件，排列为减少越过窗户的空气流动。这样做的优点是由于空气流动减少器件减少越过窗户的空气流动，以及因此减少窗户的对流冷却(保持一个较高的温度以及因此自清洁透光板的较高的活性)。空气流动减少器件包括至少一个挡板或至少一个偏流器。
借助实例，本发明的实施例将参见附图来说明，其中：
图1是在玻璃上的一个氧化钛的光催化活性涂层的反应率与温度关系的一个曲线图；
图2是按照本发明的一个自清洁透光板的示意的剖面图(以及不是按比例的)；
图3是一个多层透光单元的示意的剖面图(以及不是按比例的)，包括一个自清洁透光板；
图4是一个窗户的示意的剖面图(以及不是按比例的)包括一个自清洁透光单元，在具有风偏流器的一个结构中。
图1的数据是使用一个透明的浮法玻璃基板获得的，它附设一个涂层，具有一个二氧化硅的碱阻断底层，以及一个氧化钛的光催化活性涂层沉积在二氧化硅层上。二氧化硅和氧化钛层是在浮法玻璃的生产过程中通过化学气相沉积在玻璃的表面上；二氧化硅涂层来自一个原始的气体混合物，含有硅烷，乙烯和氧，氧化钛层来自一个原始的气体混合物，含有氯化钛和乙酸乙酯(一般地说明于WO 00/75087)。
为了测量涂覆的玻璃的光催化活性，在光催化活性表面上沉积硬脂酸薄膜，其方法是取一份1×10-2mol dm-3的标准的硬脂酸甲醇溶液以及用滴管滴3×10-2cm3在玻璃片的涂TiO2表面上。然后它在一台旋转涂覆机上(Electronic Microsystems Ltd spin coater)以1000rpm旋转2min，以及随后放置在空气流中约30min，以保证甲醇完全清除。薄膜的光催化活性的测量是借助在2700cm-1和3000cm-1之间测量硬脂酸的C-H红外展宽振动的特征的综合吸收率，作为辐射时间的一个函数，测量使用的红外摄谱仪为Perkin Elmer 1725 Fourier Transform Infrared Spectrometer(FTIR)。根据具有一个已知的每克分子面积的类似物(比如花生酸(CH3-(CH2)18CO2H))的综合吸收率的文献值给出对于测量的每吸收率cm-1单位的一个值为3.17×1015硬脂酸克分子cm-2(讨论见Y.Paz，Z，Luo，L.Razenberg，A.Heller，J.Mater Res.，1995，10，2842)。硬脂酸的浓度根据此基础计算。辐射是使用一个光化学反应器进行，包括一个半圆筒辐射单元，具有六个8w黑光灯泡(Coast-Air；辐射λ(max)＝355-360nm；长度28.7cm)装置为对着一个半圆筒铝反射器。为了测定温度的作用，涂覆的玻璃样品安装在一个恒温室内以及温度的改变在14和53℃(287和327K)之间。图1示出硬脂酸光氧化的速率作为温度的一个函数。从这些结果可以清晰地看出，提高温度就会增加反应速率。
图2示出一个自清洁透光板2，包括一个深绿色的着色浮法玻璃基板4，具有两层涂层6在一个表面上。浮法玻璃基板4具有一个基本成分为氧化钙-二氧化硅玻璃，带有0.9重量百分比的氧化铁作为染色剂，如以下表1和2所列。涂层6的上层8是一个氧化钛光催化活性层。涂层6的下层10是一个二氧化硅层，它的作用是作为一个碱阻断层，以减少或防止碱金属离子移动进入涂层6的上层8，它可能减少光催化活性。当透光板2暴露在辐射能时(例如太阳光)，着色浮法玻璃基板4吸收此能量的一部分，以及透光板2的温度升高。温度的升高具有的作用是改善透光板的涂覆表12的自清洁性能，这是因为光催化活性层8的光催化活性增加的缘故。温度的升高还可以使表面更具亲水性。
图3示出一个双层透光单元14，包括一个自清洁透光板16和一个第二透光板18安装在它的相反的取向上。自清洁透光板16和第二透光板18被一个隔片20分离开，留下一个空气间隙22以改进单元的隔热性。透光板16与图2所绘的类似，包括一个浮法玻璃基板24，具有两层涂层在一个表面上。涂层的上层26是一个氧化钛的光催化层，以及下层是一个二氧化硅层，它的作用是作为一个碱阻断层。自清洁透光板16的涂覆的表面30是这样定位，当双层透光单元14安装到一个结构中时，涂覆的表面可以处于外面。第二透光板18包括一个深绿色的着色浮法玻璃基板32，具有一个光催化沉积热反射涂层34在一个表面上。热反射涂层包括一个硅-碳氧化物底层和一个氟掺杂氧化锡层(约300nm厚)。代替地，热反射层可以包括一个溅射涂层，具有一个或多个薄银层和抗反射层。
在使用中，辐射能(例如太阳光)将前进通过双层透光单元14以及被热反射涂层34反射至自清洁透光板16，从而提高它的温度。第二透光板18的深绿色玻璃基板32也作用于提高自清洁透光板16的温度，这时借助吸收辐射能，再辐射的吸收能也可以被热反射涂层34反射至自清洁透光板16。
图4示出一个窗户40，包括一个自清洁透光板42在一个结构中。窗户40安装在一个框架元件44内。固定到框架元件44和凸出至结构的外部46的是倾斜的风偏转器48。风转器48是定位和成形为这样，使风W的分量偏转，它的流动基本上是平行于窗户40的表面。这种偏转的结果是窗户40的对流冷却减少，它导致对于窗户而言，在一个给定的入射辐射能强度下较高的温度升高。风偏转器的一个代替方案是挡板可以使用以减慢越过窗户的风或其它空气流。
本发明借助下列的实例进一步说明，它们涉及自清洁透光板，包括光催化活性涂层，沉积在玻璃基板上。玻璃基板具有一个基本成分，其元素在表1所示的大致范围内，其添加的染料在表2所示的大致范围内。通常染料是添加在基本成分的顶上，在此种情况下，成分是重新标准化的。数量是按重量百分比，少量的其它元素也可能存在。二价铁(Fe2+)的数量以光学百分比的形式测量。玻璃基板可以按玻璃技术中已知的方法制造以及透明的和着色玻璃基板(带有与这里所述的玻璃基板相同或相似的性能)可以作为常用商品采购。
表1
Figure C0282453100081
表2
着色玻璃基板的颜色   Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(wt％)   Fe<sup>2+</sup>(％Opt ical)   Co<sub>3</sub>O<sub>4</sub>(ppm)   NiO(ppm)   Se(ppm)   TiO<sub>2</sub>(wt％)
  透明的   -   -   -    -   -   -
  灰色   0.40   20   80    -   23   -
  青铜色   0.40   20   39    -   27   -
  蓝色   0.61   27   57    -   -   0.11
  浅绿色   0.60   25   -    -   -   -
  深绿色   0.90   25   -    -   -   -
着色玻璃具有的氧化铁数量(如Fe2O3的重量百分比)在0.4至0.9范围内，但也可以具有更宽阔的数量范围(例如0.1至0.9)以及具有二价铁数量在约20至30％光学的范围内。
对于厚度6mm的透明的和着色的浮法玻璃试样，它们具有表1和2所列的成分范围，其可见光传输的性能，传输颜色(L*，a*，b*照射器D65)，直接太阳光反射和直接太阳光吸收列于下面表3。可见光传输值，直接太阳光反射和直接太阳光吸收是按照ISO 9050计算的。太阳光值是使用空气物质2计算的。
表3
Figure C0282453100091
玻璃的光学性能随着玻璃试样的厚度变化。浅绿色着色玻璃的直接太阳光吸收作为厚度的一个函数列于表4。
表4
  浅绿色玻璃基板的厚度(mm)   直接太阳光吸收(％)
  4   39.6
  2   24.2
  1.5   19.1
光催化活性涂层(按WO 00/75087沉积的)包括两层涂层：一个二氧化硅底层和一个氧化钛光催化活性层(成锐钛矿的形式)。二氧化硅底层的沉积可以借助引起含有硅烷，氧，乙烯和氮的一个气体混合物(例如在一个流动率为1∶2∶6∶0.13)接触和在玻璃移动的方向上平行于玻璃表面流动，玻璃温度约670℃。二氧化硅涂层的厚度，例如是在25至40nm范围内。氧化钛光催化活性涂层的沉积可以借助综合的气体流，含有四氯化钛在流动的氮载体气体中，乙酸乙酯在流动的氮载体气体中，以及一个氮的体积流动进入气体混合物以及随后引起气体混合物接触和流过玻璃的表面，这时玻璃的温度约460℃。氧化钛层的厚度例如可以在10至20nm范围内。光催化活性涂层可以由各种金属化合物形成。作为可使用的建议的化合物包括氧化钛，氧化铁，氧化银，氧化铜，氧化钨，氧化锌，氧化锌/锡和钛酸锶。
光催化活性涂层的其它沉积方法也可以使用。
氧化钛的光催化活性涂层的沉积可以借助化学气相沉积(CVD)，使用其它的钛原始物，例如烷氧基钛(比如乙氧基钛，丙氧基钛)，可溶凝胶法(比如使用烷氧基原始物在乙醇内的浸入，流动或旋转涂覆)，溅射(包括使用钛金属或亚化学计量氧化物靶的活性溅射)或其它涂覆方法。一旦涂层已沉积，可以进一步处理(例如，增加涂层的光催化活性)，例如通过热处理。涂层可以包括其它的有别于光催化活性的各涂覆层，以改变涂层的各种性能，例如，亲水性，光学或其它性能以保护涂层(如果基板含有活动的碱金属离子，可借助阻断碱金属由基板移出)。
在下列的实例中，具有各种加热器件的自清洁透光板的中心玻璃板的温度是在不同的条件下计算的(见International Organisation forStandards ISO 9050和/或ISO 9845)。在ISO条件下和在ASHRAE(American Society of Heating Refrigerating and Air ConditioningEngineers)夏季条件下暴露透光板使用有关的一般条件列于下面表5。在温度计算中的不精确性为约±1℃。
表5
  ISO暴露   ASHRAE夏季暴露
  风速   3.5m/s   3.5m/s
  辐射强度   750W/m<sup>2</sup>   783W/m<sup>2</sup>
  外部温度   10℃   31.7℃
  内部温度   10℃   23.9℃
实例1至5
实例1至5涉及单独的透光板，其中玻璃基板为6mm厚以及光催化活性涂层在外表面上(即向着辐射源)。基板是不同着色的。透光板的温度对于ISO和ASHRAE的夏季条件列于表6。
表6
  实例   玻璃基板的着色  ISO暴露(℃)   ASHRAE夏季暴露(℃)
  1   青铜色   21.9   41.8
  2   灰色   21.9   41.8
  3   蓝色   23.9   44.7
  4   浅绿色   22.1   42.7
  5   深绿色   24.5   45.4
实例6至10
实例6至10涉及双层透光板，其中两个玻璃基板中的每一个为6mm厚以及有一个12.7mm的空气间隙在它们之间。在每个单元内，自清洁透光板是这样取向的，使光催化活性涂层在外表面上(即向着辐射源)。第二透光板是透明的。自清洁透光板是不同着色的。自清洁透光板的温度对于ISO和ASHRAE的夏季条件列于表7。
表7
  实例   玻璃基板的着色  ISO(℃)   ASHRAE夏季(℃)
  6   青铜色   24.4   46.4
  7   灰色   24.1   45.3
  8   蓝色   26.5   48.4
  9   浅绿色   24.4   46.4
  10   深绿色   27.1   49.2
实施11至15
实例11至15涉及的自清洁透光板，具有与实例5相同的一个深绿色玻璃基板，并且玻璃基板具有一个改变的厚度(在6mm和1mm之间)。自清洁透光板的温度对于ISO和ASHRAE夏季条件以及直接太阳光吸收(在涂覆侧面测定的)一起列入表8。
表8
  实例   深绿色玻璃基板的厚度(mm)   直接太阳光吸收(涂覆侧面)(％)   ISO(℃)   ASHRAE夏季(℃)
  11   6   59.1   24.4   45.4
  12   4   49.2   22   42
  13   2   32.3   17.8   37.8
  14   1.5   26.1   16.4   36.2
  15   1   18.9   14.6   34.4
实例16至33
在表9和10内的实例16至33示出风速对改变风速的双层透光单元内透明的基板(实例16至24)或深绿色的玻璃基板(实例17至33)上自清洁透光板的温度的影响。每个单元内的第二透光板是透明的6mm厚的玻璃，带有12.7mm空气间隙。使用于计算温度的其它条件相当于ISO或ASHRAE夏季条件。
表9
Figure C0282453100121
表10

Claims (5)

1.一种自清洁透光板，包括：一个玻璃基板，该基板的一个表面上具有一由氧化钛构成的亲水性光催化涂层，以及一种加热器件，利用入射的辐射能提高基板的温度，所述加热器件包括，使用着色的玻璃作为基板。
2.如权利要求1所述的自清洁透光板，其特征在于，所述基板具有一个直接的太阳能热吸收率为0.15或更大。
3.一种多层透光单元，包括：一个自清洁透光板，一个第二透光板，位于与上述自清洁透光板相反的取向上，以及一种加热器件，利用入射的辐射能提高自清洁透光板的温度，所述加热器件包括，使用着色的玻璃作为第二透光板，所述自清洁透光板包括玻璃基板，该基板的一个表面上具有由氧化钛构成的亲水性光催化涂层。
4.一种窗户，包括如权利要求1或2所述的自清洁透光板或者如权利要求3所述的多层透光单元。
5.一种建筑物立面，包括多个如权利要求1或2所述的自清洁透光板或者多个如权利要求3所述的多层透光单元。
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