CN102898036A - 一种基于玻璃表面的超亲水薄膜的制备方法 - Google Patents

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一种基于玻璃表面的超亲水薄膜的制备方法，涉及超亲水薄膜。提供所需设备简单、投资小、耐磨、持久性长久的一种基于玻璃表面的超亲水薄膜的制备方法。用酸碱两步法制备SiO2溶胶；将SiO2溶胶稀释，再加入聚乙二醇，超声振荡后擦涂在玻璃基板上，然后烧结，即得表面具有超亲水薄膜的玻璃。工艺流程简单，投资小，所得的超亲水薄膜具有以下特点：1）无需光照，在暗处都具有超亲水性。2）超亲水具有持久性。把该方法制得的超亲水玻璃放置在室内3个月，之后检测结果仍有超亲水性。3）而且膜的粘结力牢固，耐磨。实验室条件下，用试管刷用力刷该玻璃表面的薄膜，结果显示仍有超亲水性。

Description

一种基于玻璃表面的超亲水薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及超亲水薄膜，尤其是涉及一种基于玻璃表面的超亲水薄膜的制备方法。
背景技术
特殊浸润性表面由于其独特的浸润行为在液体输送、涂料、防水、建筑和医用材料等领域都有着重要的应用。作为一种典型的特殊浸润性表面，超亲水表面（与水的接触角接近于0°)具有防雾和自清洁的功能，在工业生产和实际生活中具有广泛的应用，例如汽车的前挡玻璃和侧窗玻璃采用超亲水表面技术后，在下雨天和寒冷的天气中，雨滴或者小雾滴在玻璃表面上迅速平铺开来，从而达到不影响镜面成像、能见度和玻璃的透光率的效果。
制备超亲水表面主要有两种途径:一是光引发超亲水，如TiO2、ZnO、SnO2、WO3、V2O5等受紫外光或可见光辐照后即可由亲水或者疏水转变为超亲水；二是在亲水材料表面构建粗糙结构。Wenzel等研究了表面粗糙度对表面表观接触角的影响，提出cosθa=rcosθ，其中θa为表观接触角，θ为本征接触角，r为表面粗糙度，即实际表面面积和几何投影面积之比(r≥1)，r和θ分别代表了表面粗糙度和表面化学组成对浸润性的影响。Wenzel模型表明粗糙结构对浸润性有增强作用，当θ＞90°，θa随着粗糙度的增加而增大，表面变得更加疏水；当θ＜90°，θa随着粗糙度的增加而降低，表面更加亲水。此外，也可将上述两种途径结合，如赋予TiO2和ZnO表面粗糙结构来制备超亲水表面。
国外在20世纪60年代就已经开始了玻璃自清洁和防雾研究，在基础研究方面，目前世界上发达国家均有知名公司在专门从事自清洁玻璃的研究开发和制作，如英国的Pilkington公司、日本TOTO公司、美国PPG公司、德国GEA公司等。国内的研究虽然起步较晚，但也取得了显著的进展，有关专利和技术成果有上百项，且不断有玻璃防雾剂产品推出。目前制备超亲水表面的方法有很多，主要有溶胶-凝胶法、静电自组装技术、液相沉积法、化学气相沉积法和磁控溅射法等。
中国专利CN200610035099公开一种利用磁控溅射方法，先在玻璃表面溅射二氧化硅薄膜，然后在纳米二氧化硅薄膜表面上溅射一层阴、阳离子共掺的改性二氧化钛薄膜，镀了双层薄膜的玻璃在500-600℃下退火，烧结炉中自然冷却即得。该自清洁玻璃具有良好的光催化活性和光致亲水性，玻璃透过率高，无色透明；但是亲水性的持久性比较差，过一段时间后接触角又会变大，而且该工艺过程采用磁控溅射，需要真空系统，设备价格昂贵，不适于大规模的生产。
中国专利CN200910077830公开一种超亲水的防雾增透涂层及其制备方法，用正硅酸乙酯、氨水、无水乙醇为原料，在不同的条件下混合搅拌,制备不同粒径的SiO2球型纳米粒子，然后采取浸涂的方法把SiO2球型纳米粒子与聚电解质通过静电组装沉积到玻璃片上，最后通过煅烧制备出超亲水的防雾增透涂层。该涂层依次是由粒径为10~80nm的SiO2球型纳米粒子层，粒径为100~200nm的SiO2球型纳米粒子层及粒径为10~80nm的SiO2球型纳米粒子层组装而成。该无机涂层成本低、性能优越、耐久性好，缺点是工艺流程复杂，而且该涂层粘结力不强，容易擦掉。
中国专利CN021520429公开一种纳米自洁净超亲水玻璃产品生产方法，用二氧化硅溶胶与钛氧有机物的混合物作为膜液材料，经提拉成膜，干燥后焙烧，钛氧有机物热解得到主要成分为二氧化钛的高光催化活性纳米晶体膜。该产品具有良好的光催化性，短时间光照即可达到自清洁超亲水状态。该工艺的缺点是依赖于光照。
Premkumar等[Premkumar J，Khoo S B.Electrochemically Generated Super-HydrophilicSurfaces.Chemical Communication，2005，640-642]利用电化学方法成功制备了In2O3-SnO2超亲水表面，他们首先将涂有In2O3-SnO2的玻璃基底作为工作电极，铂金作为对电极，在阈电位为2.0V时处理10min，CA由改性前的80°降低至1~2°。。利用电化学方法对表面进行处理是获得粗糙结构的有效方法，这种制备方法的优点是无需光照即可得到高度亲水的表面，但是其亲水性只能维持一到两天，且该方法需要特殊的仪器设备，难以实现大面积表面的制备。
在现有的制备方法中，有的需要紫外光照，有的需要特殊的设备，有的薄膜不耐磨，有的亲水性不能保持长久的时间。因此寻求一种低成本、无需光照、耐磨、亲水性长期保持的制备方法具有重要的现实意义。
发明内容
本发明旨在克服现有自清洁玻璃存在的缺点，提供所需设备简单、投资小、耐磨、持久性长久的一种基于玻璃表面的超亲水薄膜的制备方法。
本发明包括以下步骤：
1）用酸碱两步法制备SiO2溶胶；
在步骤1）中，所述用酸碱两步法制备SiO2溶胶的具体步骤可为：将正硅酸乙酯、乙醇和去离子水混合，再加入盐酸，然后往混合溶液中加入氨水，直到混合溶胶的pH保持在3～5之间为止；搅拌，得乳白色的澄清的SiO2溶胶；所述正硅酸乙酯、乙醇、去离子水和盐酸按体积比可为（5～6）∶（10～15）∶（2～3）∶（10～15），所述盐酸的质量分数可为5%~6%；所述搅拌可采用磁力搅拌0.5～1h。
2）将SiO2溶胶稀释，再加入聚乙二醇，超声振荡后擦涂在玻璃基板上，然后烧结，即得表面具有超亲水薄膜的玻璃。
在步骤2）中，所述稀释可采用乙醇稀释，按体积比SiO2溶胶∶乙醇可为1∶（1～3）；所述聚乙二醇的加入量按质量百分比可为稀释过的SiO2溶胶中的5%~15%；所述聚乙二醇可选自PEG600、PEG1000、PEG2000等中的一种；所述烧结的条件可为450～520℃下烧结1～3h。
本发明的工艺流程简单，投资小，所得的超亲水薄膜具有以下特点：
1）无需光照，在暗处都具有超亲水性。
2）超亲水具有持久性。把该方法制得的超亲水玻璃放置在室内3个月，之后检测结果仍有超亲水性。
3）而且膜的粘结力牢固，耐磨。实验室条件下，用试管刷用力刷该玻璃表面的薄膜，结果显示仍有超亲水性。
附图说明
图1为本发明实施例制备的超亲水薄膜表面微观结构的电镜图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1：
取5ml正硅酸乙酯、10ml乙醇、2ml去离子水混合搅拌5min，接着滴加10ml质量分数为5%的盐酸，磁力搅拌5min，然后再滴加稀氨水直到溶胶的pH为3，继续搅拌0.5h后用乙醇溶液按体积比1∶1稀释得到的SiO2溶胶。往稀释的SiO2溶胶中添加5%PEG600，超声振荡，然后利用该混合溶液擦涂在玻璃表面上，接着进行450℃烧结1h。
实施例2：
取5.5ml正硅酸乙酯、10ml乙醇、2.5ml去离子水混合搅拌5min，接着滴加10ml质量分数为5.5%的盐酸，磁力搅拌5min，然后再滴加稀氨水直到溶胶的pH为4，继续搅拌0.5h后用乙醇溶液按体积比1∶2稀释得到的SiO2溶胶。往稀释的SiO2溶胶中添加10%PEG600，超声振荡，然后利用该混合溶液擦涂在玻璃表面上，接着进行490℃烧结2h。
实施例3：
取6ml正硅酸乙酯、15ml乙醇、3ml去离子水混合搅拌10min，接着滴加15ml质量分数为6%的盐酸，磁力搅拌10min，然后再滴加稀氨水直到溶胶的pH为5，继续搅拌1h后用乙醇溶液按体积比1∶3稀释得到的SiO2溶胶。往稀释的SiO2溶胶中添加15%PEG600，超声振荡，然后利用该混合溶液擦涂在玻璃表面上，接着进行520℃烧结3h。
实施例4：
取5ml正硅酸乙酯、10ml乙醇、2ml去离子水混合搅拌5min，接着滴加10ml质量分数为5%的盐酸，磁力搅拌5min，然后再滴加稀氨水直到溶胶的pH为3，继续搅拌0.5h后用乙醇溶液按体积比1∶1稀释得到的SiO2溶胶。往稀释的SiO2溶胶中添加5%PEG1000，超声振荡，然后利用该混合溶液擦涂在玻璃表面上，接着进行450℃烧结1h。
实施例5：
取6ml正硅酸乙酯，15ml乙醇，3ml去离子水混合搅拌10min，接着滴加15ml质量分数为6%的盐酸，磁力搅拌10min，然后再滴加稀氨水直到溶胶的pH为5，继续搅拌1h后用乙醇溶液按体积比1∶3稀释得到的SiO2溶胶。往稀释的SiO2溶胶中添加10%PEG2000，超声振荡，然后利用该混合溶液擦涂在玻璃表面上，接着进行520℃烧结2h。

Claims (10)

1.一种基于玻璃表面的超亲水薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）用酸碱两步法制备SiO2溶胶；
2）将SiO2溶胶稀释，再加入聚乙二醇，超声振荡后擦涂在玻璃基板上，然后烧结，即得表面具有超亲水薄膜的玻璃。
2.如权利要求1所述的一种基于玻璃表面的超亲水薄膜的制备方法，其特征在于在步骤1）中，所述用酸碱两步法制备SiO2溶胶的具体步骤为：将正硅酸乙酯、乙醇和去离子水混合，再加入盐酸，然后往混合溶液中加入氨水，直到混合溶胶的pH保持在3～5之间为止；搅拌，得乳白色的澄清的SiO2溶胶。
3.如权利要求2所述的一种基于玻璃表面的超亲水薄膜的制备方法，其特征在于所述正硅酸乙酯、乙醇、去离子水和盐酸按体积比为（5～6）∶（10～15）∶（2～3）∶（10～15）。
4.如权利要求2或3所述的一种基于玻璃表面的超亲水薄膜的制备方法，其特征在于所述盐酸的质量分数为5%~6%。
5.如权利要求2所述的一种基于玻璃表面的超亲水薄膜的制备方法，其特征在于所述搅拌是采用磁力搅拌0.5～1h。
6.如权利要求1所述的一种基于玻璃表面的超亲水薄膜的制备方法，其特征在于在步骤2）中，所述稀释是采用乙醇稀释。
7.如权利要求1所述的一种基于玻璃表面的超亲水薄膜的制备方法，其特征在于在步骤2）中，按体积比SiO2溶胶∶乙醇为1∶（1～3）。
8.如权利要求1所述的一种基于玻璃表面的超亲水薄膜的制备方法，其特征在于在步骤2）中，所述聚乙二醇的加入量按质量百分比为稀释过的SiO2溶胶中的5%~15%。
9.如权利要求1所述的一种基于玻璃表面的超亲水薄膜的制备方法，其特征在于在步骤2）中，所述聚乙二醇选自PEG600、PEG1000、PEG2000中的一种。
10.如权利要求1所述的一种基于玻璃表面的超亲水薄膜的制备方法，其特征在于在步骤2）中，所述烧结的条件为450～520℃下烧结1～3h。
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