CN102167524A

CN102167524A - 一种自清洁玻璃的制备方法

Info

Publication number: CN102167524A
Application number: CN 201010609045
Authority: CN
Inventors: 黄金; 李祥伟; 唐少俊
Original assignee: SAIC Chery Automobile Co Ltd
Current assignee: Chery Automobile Co Ltd
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: CN102167524B

Abstract

本发明涉及一种自清洁玻璃的制备方法，两种方法分层次镀膜能提高了膜层与玻璃表面结合力，增加了薄膜的耐磨性；又能提高膜层表面的致密性，减少光畸变率；还能避免了各掺杂离子相互干扰；Sol-gel法一次镀膜可以实现掺杂金属离子(非气态)，延长了无光照条件下自清洁时间，CVD法二次镀膜可以实现掺杂非金属离子(气态)，提高自清洁薄膜对可见光的利用率。

Description

一种自清洁玻璃的制备方法

技术领域

本发明涉及一种自清洁玻璃的制备方法。

背景技术

二氧化钛(TiO₂)具有很强的光催化和亲水性能，且其化学性质稳定、无毒、成本低，是理想的光催化剂，因而二氧化钛自清洁玻璃具有广阔的应用前景。目前制备自清洁玻璃的方法多达十几种，概括起来主要有液相制备法、化学气相法、物理气相法、电化学法、喷雾热分解法、自组装法等等，其中溶胶-凝胶(Sol-gel)法和化学气相沉积(CVD)法倍受关注。和其他方法相比，Sol-gel法制备工艺简单、成本低廉，而CVD法成膜致密、均匀，非常适用工业化大规模生产，并且能与浮法玻璃生产相结合，降低成本。

一般来说，自清洁薄膜对太阳光的利用率不高，薄膜无光照条件下易失活，因此人们研究通过掺杂改变二氧化钛的能带宽度，抑制载流子和空穴之间复合的速度，从而实现光催化的长久性和超亲水性能的可持续。常用掺杂包括三类，分别为化合物(SiO₂、ZnO₂、WO₃、Fe₂O₃等)、金属离子(Fe、V、Cu、Al、Rh、Ni、Cd等)和非金属离子(N、F、S等)掺杂。从文献报道来看，以上掺杂对薄膜的光谱吸收频率红移或者抑制载流子的复合都有一些作用。其中SiO₂、Fe³⁺、N离子这三类物质研究较多。湖南大学的刘付胜聪用Sol-gel法制备出TiO₂/SiO₂复合自清洁防雾玻璃，具备黑暗中长时间的亲水性和较高的玻璃表面的耐磨性；四川大学的王作辉用Sol-gel法制备出掺铁TiO₂薄膜，提高了薄膜的紫外线吸收、光催化和亲水性能；浙江大学的郭玉用APCVD法以氨气为氮源，制备出的薄膜具备可见光诱导光催化性(减小带隙)，但样品紫外光吸收能力没有增加。

但是目前制备TiO₂自清洁薄膜的各种改性措施基本集中在单个因素的改变上，往往提高了一种性能却忽视了其他性能的改进，显然不能使制备的自清洁玻璃具备良好的综合性能，难以获得市场的认可。例如Sol-gel法中的提拉制膜存在膜层不均匀，容易产生彩虹现象，很难在大规模生产中保证质量稳定；传统CVD工艺制膜成本较高，薄膜中锐钛矿晶型的含量较低，只具备很有限的超亲水和光催化功能；掺杂单一离子只提高单方面的性能，如掺杂N可以提高可见光光催化利用率，却不能延长无光照条件下自清洁效果，人们采用多元素混合掺杂发现由于各种元素之间相互影响，镀膜材料的自清洁性能反而没有得到任何提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以结合浮法玻璃生产线镀膜的新方法，通过多元素分步掺杂、两种方法分层镀膜、严格控制镀膜的厚度、速度、温度和掺杂物质配比，克服了自清洁玻璃中常见的耐磨性差、透光率低、光谱响应范围窄和无光照下自清洁时效性差等众多难题。其步骤可以如下：1.用Sol-gel法在玻璃表面镀膜掺杂金属离子(铁、镍、铝、钨、钒、锌、锡、钼、镉、铼、铬、银)的SiO2的基底，并烘干成型；2.用CVD法在已镀膜SiO2的玻璃基底上再次镀膜掺杂非金属离子(N、S、C、P、卤族元素)的TiO2的二次膜；3.在马弗炉中对镀膜玻璃样品实施高温烘烤。

具体技术方案如下：

一种自清洁玻璃的制备方法，采用分层镀膜，包括Sol-gel法一次镀膜以及CVD法二次镀膜，其中一次镀膜时掺杂金属离子，二次镀膜时掺杂非金属离子。

进一步地，采用如下步骤：

(1)用Sol-gel法在玻璃表面镀膜掺杂金属离子的SiO2的基底，并烘干成型；

(2)用CVD法在已镀膜SiO2的玻璃基底上再次镀膜掺杂非金属离子的TiO2的二次膜；

(3)在马弗炉中对镀膜玻璃样品实施高温烘烤。

进一步地，步骤(1)中，Sol-gel法一次镀膜时采用喷枪实施喷涂。

进一步地，Sol-gel法一次镀膜所掺杂金属离子为非气态。

进一步地，CVD法二次镀膜所掺杂非金属离子为气态。

进一步地，所述金属离子为铁、镍、铝、钨、钒、锌、锡、钼、镉、铼、铬、银中的一种或几种。

进一步地，所述非金属离子为N、S、C、P、卤族元素中的一种或几种。

进一步地，Sol-gel法一次镀膜具体步骤为：

1)将有机硅3ml～15ml、水解抑制剂4ml～12ml、有机溶剂35ml～100ml组成混合溶液A，并在40℃环境下均匀搅拌30min～60min；

2)将高浓度酸0.2ml～2ml、去离子水1ml～5ml组成混合液B，将B加入A，并在40℃环境下搅拌2h～5h，形成混合液C；

3)将金属盐类、有机溶剂35ml～100ml组成混合液D，将D加入C，继续保温并搅拌0.5h～2h，形成F，并冷却至室温；

4)将F倒入喷枪中，以流量为0.5L/min～2.0L/min的速度将溶胶均匀喷涂在玻璃表面；

5)将镀膜玻璃放置于干燥箱，干燥温度为60℃～100℃，干燥时间为10min～30min；

6)干燥过后将其放入马弗炉中缓慢加热-热处理，最高温度为400℃，加热速度为1.5℃/min～5℃/min，保温时间为0.5h～2h。

进一步地，CVD法二次镀膜具体步骤为，采用CVD反应炉：

1)在水循环保温玻璃瓶中倒入2L～8L无机钛液体；

2)在耐酸碱材质的管道中分别通入高纯的N₂、O₂和非金属元素气体；

3)准备镀膜的玻璃放在不锈钢质材的加热片上，加热片内部近上表面区域水平插入控温热电偶，在加热片中部区域水平插入加热棒。

进一步地，所述步骤1)在干燥环境、通风橱内操作；所述步骤2)中以质量流量计控制流量，使流量误差小于2％～5％，以二通阀、三通阀合理控制进气过程，防止倒吸。

与目前现有技术相比，本发明两种方法分层次镀膜能提高了膜层与玻璃表面结合力，增加了薄膜的耐磨性；又能提高膜层表面的致密性，减少光畸变率；还能避免了各掺杂离子相互干扰；Sol-gel法一次镀膜可以实现掺杂金属离子(非气态)，延长了无光照条件下自清洁时间，CVD法二次镀膜可以实现掺杂非金属离子(气态)，提高自清洁薄膜对可见光的利用率。

附图说明

图1：掺非金属-TiO2制备的CVD示意图

图中：1.质量流量计 2.二通阀 3.三通阀 4.有机钛 5.恒温水 6.反应室 7.试样 8.加热块 9.步进电机 10.喷头

具体实施方式

下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。

本实施例涉及一种自清洁玻璃的制备方法，其基本步骤依次是：1.用Sol-gel法在玻璃表面镀膜掺杂金属离子(铁、镍、铝、钨、钒、锌、锡、钼、镉、铼、铬、银)的SiO₂的基底，并烘干成型；2.用CVD法在已镀膜SiO₂的玻璃基底上再次镀膜掺杂非金属离子(N、S、C、P、卤族元素)的TiO₂的二次膜；3.在马弗炉中对镀膜玻璃样品实施高温烘烤。

本实施例具体实施方案是：1.一次镀膜(Sol-gel法)：有机硅(3ml～15ml)、水解抑制剂(4ml～12ml)、有机溶剂(35ml～100ml)混合溶液A，并在40℃环境下均匀搅拌30min～60min；高浓度酸0.2ml～2ml、去离子水(1ml～5ml)的混合液B，将B缓慢加入A，并在40℃环境下剧烈搅拌2h～5h，形成混合液C；最后金属盐类(铁、镍、铝、钨、钒、锌、锡、钼、镉、铼、铬、银中的一种)、有机溶剂(35ml～100ml)的混合液D，将D缓慢加入C，继续保温并搅拌0.5h～2h，形成F，并冷却至室温；将F倒入喷枪中，以流量为0.5L/min～2.0L/min的速度将溶胶均匀喷涂在玻璃表面；将镀膜玻璃放置于干燥箱，干燥温度为60℃～100℃，干燥时间为10min～30min。干燥过后将其放入马弗炉中缓慢加热-热处理，最高温度为400℃～550℃，加热速度为1.5℃/min～5℃/min，保温时间为0.5h～2h；

2.二次镀膜(CVD法)：在水循环保温玻璃瓶中(30℃～50℃、密闭)倒入2L～8L无机钛液体(干燥环境、通风橱操作)。在耐酸碱材质的管道中分别通入高纯的N₂、O₂和非金属元素(N、S、C、P、卤族元素中的一种)气体，以质量流量计控制流量，使流量误差小于2％～5％，以二通阀、三通阀合理控制进气过程，防止倒吸。喷头前的步进电机用来控制喷头位置，并能模拟浮法玻璃生产线状态。准备镀膜的玻璃放在不锈钢质材的加热片上，加热片内部近上表面区域水平插入控温热电偶(镍镉-镍硅)，在加热片中部区域水平插入加热棒(1200W～2000W)。CVD反应炉为密闭装置，侧面为透明材质制成，用来近距离观察和操控反应过程。反应尾气在反应炉另外一端出口排出，并依次经过两次装水玻璃容器过滤，排入大气中(如图1所示)。

优选实施例1

具体步骤与实验内容描述相似，具体的反应物和加入量如下：

1.一次镀膜(Sol-gel法)：正硅酸四乙酯4ml、二乙醇胺4ml、无水乙醇35ml混合溶液A，在40℃环境下均匀搅拌30分钟；冰醋酸2ml、去离子水1ml的混合液B，在40℃环境下剧烈搅拌2h，形成混合液C；氯化铁0.05g、无水乙醇35ml的混合液D，将D缓慢加入C，继续保温并搅拌0.5h，形成F；最后冷却至室温；用喷枪实施喷涂，喷涂流量为0.5L/min；将镀膜玻璃放置于干燥箱，干燥温度为80℃，干燥时间为10min。干燥过后将其放入马弗炉中缓慢加热-热处理，最高温度为500℃，加热速度为1.5℃/min，保温时间为0.5h；

2.二次镀膜(CVD法)：在水循环保温玻璃瓶中(40℃、密闭)倒入4L的TiCl₄液体(干燥环境、通风橱操作)。在CVD通气管道中分别通入高纯的N₂、O₂和NH₃，加热棒的功率为1500W。

优选实施例2

一次镀膜：正硅酸四乙酯6ml、乙酰丙酮4ml、无水乙醇60ml混合溶液A；硝酸(98％)0.2ml、去离子水2ml的混合液B；硝酸银0.1g、无水乙醇60ml的混合液D，以流量为2L/min的速度对玻璃实施喷涂；将镀膜玻璃水平放置于干燥箱，干燥温度为100℃，干燥时间为15min。干燥过后将其放入马弗炉中缓慢加热-热处理，最高温度为450℃，加热速度为6℃/min，保温时间为2h；

二次镀膜：在水循环保温玻璃瓶中(40℃、密闭)倒入6L的Ti(OC₃H₇)₄液体(干燥环境、通风橱操作)。在CVD通气管道中分别通入高纯的N₂、O₂和SO₂，实施二次镀膜。

本实施例提供的工艺方法制备出的自清洁玻璃，因为采用了两种方法分层镀膜、多元素分步掺杂工艺，具备了以下性能：1.两种方法分层次镀膜能提高了膜层与玻璃表面结合力，增加了薄膜的耐磨性；又能提高膜层表面的致密性，减少光畸变率；还能避免了各掺杂离子相互干扰。2.Sol-gel法一次镀膜可以实现掺杂金属离子(非气态)，延长了无光照条件下自清洁时间，CVD法二次镀膜可以实现掺杂非金属离子(气态)，提高自清洁薄膜对可见光的利用率。这些优点使得镀膜玻璃表现出良好的防雾、超亲水、净化空气和自清洁等性能。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种自清洁玻璃的制备方法，其特征在于，采用分层镀膜，包括Sol-gel法一次镀膜以及CVD法二次镀膜，其中一次镀膜时掺杂金属离子，二次镀膜时掺杂非金属离子。

2.如权利要求1所述的自清洁玻璃的制备方法，其特征在于，采用如下步骤：

(3)在马弗炉中对镀膜玻璃样品实施高温烘烤。

3.如权利要求1所述的自清洁玻璃的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，Sol-gel法一次镀膜时采用喷枪实施喷涂。

4.如权利要求1-3中任一项所述的自清洁玻璃的制备方法，其特征在于，Sol-gel法一次镀膜所掺杂金属离子为非气态。

5.如权利要求1-4中任一项所述的自清洁玻璃的制备方法，其特征在于，CVD法二次镀膜所掺杂非金属离子为气态。

6.如权利要求1-5中任一项所述的自清洁玻璃的制备方法，其特征在于，所述金属离子为铁、镍、铝、钨、钒、锌、锡、钼、镉、铼、铬、银中的一种或几种。

7.如权利要求1-6中任一项所述的自清洁玻璃的制备方法，其特征在于，所述非金属离子为N、S、C、P、卤族元素中的一种或几种。

8.如权利要求1-7中任一项所述的自清洁玻璃的制备方法，其特征在于，Sol-gel法一次镀膜具体步骤为：

9.如权利要求1-8中任一项所述的自清洁玻璃的制备方法，其特征在于，CVD法二次镀膜具体步骤为，采用CVD反应炉：

1)在水循环保温玻璃瓶中倒入2L～8L无机钛液体；

10.如权利要求9所述的自清洁玻璃的制备方法，其特征在于，所述步骤1)在干燥环境、通风橱内操作；所述步骤2)中以质量流量计控制流量，使流量误差小于2％～5％，以二通阀、三通阀合理控制进气过程，防止倒吸。