CN101538125A - 一种超亲水自洁玻璃的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超亲水自洁玻璃的制备方法，属于玻璃镀膜技术领域。所提供得制备方法采用液相沉积法在玻璃表面沉积具有光致超亲水性的TiO₂膜，该方法以偏钛酸、二氧化硅、氢氟酸、氨水、硼酸等为原料配制成溶液，其中钛离子浓度为0.01～0.5M，硅钛摩尔比为0～1，硼钛摩尔比为2～6，溶液pH值为1.0～4.0；将清洗后的玻璃基片垂直浸入溶液中，溶液温度为20～80℃，沉积1～20小时后取出清洗，于80～200℃温度下烘干后即得具有光致超亲水性的TiO₂镀膜玻璃。本制备方法具有设备简单、操作方便、原料易得、成本低廉等优点。

Description

一种超亲水自洁玻璃的制备方法

技术领域

本发明属于玻璃镀膜技术领域，具体涉及一种超亲水自洁玻璃的制备方法。

技术背景

城市高层建筑窗户幕墙玻璃的清洁是一件繁重而危险的工作，如果用超亲水自洁玻璃制造，依靠雨水冲刷或用自来水冲洗即可保持表面清洁，从而减轻劳动强度和避免发生危险。由于自洁玻璃在阳光下可以分解空气中有机物和杀死细菌，因而自洁玻璃的使用还可减少空气中有害物质浓度，改善城市空气质量。

汽车挡风玻璃和后视镜如用超亲水玻璃制造，下雨时可在玻璃表面形成均匀水膜而保持透明，增加行车安全。同时，由于超亲水玻璃表面的TiO₂膜可以吸收太阳光中紫外线，减少紫外线对车内人员的伤害，如果玻璃两面均镀有TiO₂膜，还可降低车内有机物和细菌浓度，有益健康。

有多种方法可在玻璃表面沉积TiO₂膜，但能够用于工业化生产的主要为磁控溅射法和溶胶--凝胶法，磁控溅射法设备昂贵，操作条件苛刻，溶胶--凝胶法需要多次成膜才能达到所需厚度，并以价格较高的钛有机化合物为原料。上述两种方法的制造成本均较高，难以大规模推广应用，因而提供一种低成本的TiO₂镀膜玻璃的制造方法具有重要意义。

发明内容：

为了克服上述现有制备方法的不足，本发明提供一种设备简单、操作方便、原料易得、成本低廉的超亲水自洁玻璃制备方法。

本发明采用液相沉积法在玻璃表面沉积具有光致超亲水性能的TiO₂膜，具体制备步骤如下：

1、将偏钛酸和氢氟酸反应制得氟钛酸溶液，将二氧化硅溶于氢氟酸得到氟硅酸溶液，将两种溶液按设定的比例混和得到氟钛酸和氟硅酸混和溶液，溶液中硅钛摩尔比为0～1之间。

2、将步骤1所得溶液稀择至钛离子浓虔为0.01～0.5M，加入氨水中和至溶液的PH值为1.0～4.0。

3、在步骤2所得溶液中加入硼酸，搅拌使之溶解，溶液中硼钛摩尔比为2～6。

4、将经过清洗的玻璃垂直放入步骤3所得溶液中，溶液温度为20～80℃，反应1～20小时，得到TiO₂镀膜玻璃，膜厚为50～300nm。

较有利的工艺条件为：

溶液中钛离子浓度为0.05M～0.25M，硅钛摩尔比为0.05～0.15，硼钛摩尔比为2～4，PH值为1.5～3.0，溶液温度为25～65℃，沉积时间为2～4小时，烘干温度为80～120℃。

与已有超亲水自洁玻璃的制备方法相比，本发明所采用的方法具有以下优点：

1、本发明方法所用设备简单，操作方便。镀膜时只需将玻璃浸入设定温度的溶液中即可，膜厚可以通过沉积时间加以控制，一次成膜即可得到所需膜厚。

2、本发明方法所需要的原料均为工业级化工产品，价廉易得。镀膜玻璃的制造成本大为降低。

3、在溶液中加入氟硅酸沉积含Si的TiO₂膜，也可称为SiO₂-TiO₂复合膜，硅的加入能够增强膜和玻璃的结合牢固度，提高膜的光致超亲水性。

4、本发明区别于其它TiO₂镀膜玻璃制造方法的最显著特征是：镀膜玻璃烘干后不需要进行400℃以上高温热处理即具有光致超亲水性。这是因为进行SiO₂和TiO₂共沉积时，SiO₂的存在延迟TiO₂的沉积过程，因而可在较高溶液温度下进行膜的沉积而不会产生大量的TiO₂粉体，这时沉积和结晶同时进行，膜的结构以锐钛型纳米晶为主，因而具有光致超亲水性。这不仅简化工艺操作，减少能源消耗，降低生产成本，而且亲水性有所增加。

具体实施方式

实施例1：将偏钛酸和氢氟酸反应制得氟钛酸溶液，二氧化硅与氢氟酸反应制得氟硅酸溶液。将两种溶液混和且稀释至钛离子浓度为0.1M，硅离子浓度为0.01M，用氨水中和至PH为2.0，加入硼酸使其浓度为0.3M，将洗净后玻璃垂直浸入上述溶液，持溶液温度为60℃，反应2小时后取出，洗净后在120℃下烘干，即得TiO₂镀膜玻璃。镀膜玻璃的光致亲水性用水的接触角来评价。接触角小于90°称亲水性物质，小于5°称为超亲水性物质。镀膜玻璃透明度用可见光的透射率表示。

将新制备的TiO₂镀膜玻璃在暗处放置10天后测得接触角为72°，垂直置于秋季睛天太阳下光照一天，测得接触角为0°，然后将镀膜玻璃置于室内无阳光直射处，5天后接触角仍为0°，10天后接触角为5°。说明本发明方法制造的TiO₂镀膜玻璃光照一天后即具有超亲水性，无阳光照射时超亲水性可保持10天。可见光透射率为无膜玻璃的85％。

实施例2：改变溶液中氟钛酸浓度，保持其它工艺条件与实施例1相同，观察氟钛酸浓度的影响。结果表明，当氟钛酸浓度低于0.01M时，难以成膜，当浓度大于0.5M时，生成大量的TiO₂粉体沉淀，不仅造成原料的浪费，而且膜的均匀性差，和基底结合不牢。当氟钛酸的浓度为0.05～0.25M时，可得到附合要求的含Si的TiO₂膜。

实施例3：为了考察溶液中氟硅酸浓度对镀膜质量的影响，改变溶液中硅钛比，保持其它工艺条件与实施例1相同。结果发现，随着溶液中硅钛比增大，镀膜玻璃的光致亲水性增大。但硅钛比超过0.2时，膜的光致亲水性反而下降。较为有利的硅钛比为0.05～0.15。

实施例4：改变溶液的PH值，保持其它工艺条件与实施例1相同，考察PH的影响。结果发现，当溶液PH小干1.0，溶液过饱和度低，膜的沉积速度慢，PH值低于0.5时，完全不能成膜；当溶液PH值大于3.0时，由于溶液过饱和度高，产生大量粉体沉淀，膜的颜色不均匀，当PH大于4.0时，只产生TiO₂粉体沉淀而不能成膜。适当的PH范围为1.5～3.0。

实施例5：改变溶液温度而保持其它工艺条件与实施例1相同。结果表明，随着溶液温度升高，膜的生成和粉体沉淀的产生速度均加快，造成溶液中钛离子消耗速度增大，膜的极限厚度减小。当溶液温度高于80℃，不能成膜；温度低于20℃时，成膜速度慢，且膜的结晶度低。较适合的溶液温度为25～65℃

实施例6：为了考察镀膜时间对膜质量的影响，保持其它工艺条件与实施例1相同。结果表明，随着沉积时间延长，膜的厚度增加，镀膜玻璃的透明度降低。当沉积时间大于6小时，可见光透射率小于无膜玻璃的60％；当镀膜时间低于1小时，膜的厚度低于50nm，膜的光致亲水性差。适合的沉积时间为2～4小时。

实施例7：将实施例1所得镀膜玻璃分为两组，一组不经热处理，一组在450℃下热处理2小时，在相同条件下测量接触角。结果如表1所示：

表1热处理对镀膜玻璃亲水性的影响

	暗处存放10天	太阳光照1天	太阳光照2天	室内放置5天	室内放置10天
						未热处理样品	72°	0°	0°	0°	5°
热处理样品	78°	5°	0°	5°	10°

新制备的镀膜玻璃于暗处存放10天后所测得接触角反映TiO₂膜本身所具有的亲水性；太阳光照后接触角反映光致超亲水性。将获得光致超亲水性的镀膜玻璃置于室内一定时间后的接触角反映光致超亲水性的保持能力。由表1的结果可知，未经热处理的TiO₂镀膜玻璃光致亲水性及其保持能力均优于经过热处理的镀膜玻璃。

Claims (8)

1、一种超亲水自洁玻璃的制备方法，其特征在于该制备方法是采用液相沉积法在玻璃表面沉积具有光致超亲水性的含Si的TiO₂膜，所述制备方法具体步骤如下：

(1)以偏钛酸和氢氟酸反应制备氟钛酸，二氧化硅和氢氟酸反应制备氟硅酸，将氟钛酸溶液和氟硅酸溶液混和，控制硅钛摩尔比为0～1；

(2)将步骤(1)所得溶液稀释至钛离子浓度为0.01～0.5M，用氨水调节PH值至1.0～4.0，加入硼酸使溶液中硼钛摩尔比为2～6；

(3)将玻璃基片洗净后垂直浸入步骤(2)所得溶液中，溶液温度为20～80℃，沉积时间1～20小时，然后将基片取出，用水冲洗后在80～200℃烘干温度下烘干，即制备得到超亲水自洁玻璃。

2、根据权利要求1所述制备方法，其特征在于步骤(2)中所述的钛离子浓度为0.05～0.25M。

3、根据权利要求1所述制备方法，其特征在于步骤(2)中所述的硅钛摩尔比为0.05～0.15。

4、根据权利要求1所述制备方法，其特征在于步骤(2)中所述的硼钛摩尔比为2～4。

5、根据权利要求1所述制备方法，其特征在于步骤(2)中所述的PH值为1.5～3.0。

6、按权利要求1所述方法，其特征在于步骤(3)中所述的溶液温度为25～65℃。

7、按权利要求1所述方法，其特征在于步骤(3)中所述的沉积时间为2～4小时。

8、按权利要求1所述方法，其特征在于步骤(3)中所述的烘干温度为80～120℃。