CN104817283B - 一种自清洁光栅玻璃的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自清洁光栅玻璃的制备方法，包括以下步骤：A)将光栅玻璃依次进行亲水性处理与氨基化处理；B)将步骤A)得到的光栅玻璃依次进行氧化石墨烯的组装与还原处理；C)将步骤B)得到的光栅玻璃进行二氧化钛的组装；D)将步骤C)得到的光栅玻璃进行氟化处理。本申请提供了一种自清洁光栅玻璃的制备方法，经过光栅亲水性处理、氨基化处理、氧化石墨烯组装、氧化石墨烯的还原、二氧化钛的组装以及氟化处理步骤，将石墨烯与二氧化钛的复合结构与光栅玻璃表面条纹相结合，得到复合微纳结构，在赋予透明光栅玻璃憎水性的同时，可对有机物实现光降解，从而得到自清洁的透明光栅玻璃。

Description

一种自清洁光栅玻璃的制备方法

技术领域

本发明涉及光栅玻璃技术领域，尤其涉及一种自清洁光栅玻璃的制备方法。

背景技术

光栅玻璃也称镭射玻璃，其以玻璃为基材，经激光表面微刻处理形成的激光装饰材料，是应用现代高新技术采用激光全息变光原理，将摄影美术与雕塑的特点融为一体，使普通玻璃在白光条件下显现出五光十色的三维立体图像。具体的，光栅玻璃是依据不同需要，利用电脑设计，激光表面处理，编入各种色彩、图形及各种色彩变换方式，在普通玻璃上形成物理衍射分光和全息光栅或其他光栅，凹与凸部形成四面对应分布或散射分布，构成不同质感、空间感，不同立面的透镜，加上玻璃本身的色彩及射入的光源，致使无数小透镜形成多次棱镜折射，从而产生不时变换的色彩和图形，具有很高的观赏与艺术装饰价值。

鉴于透明光栅玻璃在实际应用过程中会受到环境中灰尘和有机污染物等的影响，因此研制出一种自清洁的透明光栅玻璃是十分有必要的。二氧化钛作为一种重要的无机半导体材料，在催化自清洁领域发挥着举足轻重的作用。石墨烯作为一种良好的电子接收体材料，与二氧化钛复合，将有利于大幅提高二氧化钛的催化效果。经独特结构设计，将石墨烯和二氧化钛构筑到光栅玻璃表面，形成独特微纳结构，在保证光栅玻璃透明性的同时，提高其光催化性能，这有望实现光栅玻璃的高性能自清洁性能。由此，本申请提供了一种自清洁光栅玻璃的制备方法。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种具有光降解功能的光栅玻璃的制备方法。

有鉴于此，本申请提供了一种自清洁光栅玻璃的制备方法，包括以下步骤：

A)，将光栅玻璃依次进行亲水性处理与氨基化处理；

B)，将步骤A)得到的光栅玻璃依次进行氧化石墨烯的组装与还原处理；

C)，将步骤B)得到的光栅玻璃进行二氧化钛的组装；

D)，将步骤C)得到的光栅玻璃进行氟化处理。

优选的，步骤A)中所述光栅玻璃的光栅间距为2～32μm，所述光栅玻璃的刻蚀深度为1～2μm。

优选的，所述亲水性处理按照下述方式进行：

将光栅玻璃置于体积比为3：1的浓硫酸和双氧水的混合溶液中，80℃～120℃处理1～3h，去离子水冲洗，高纯氮气吹干。

优选的，所述氨基化处理按照下述方式进行：

将经过亲水性处理的光栅玻璃置于1wt％～5wt％的硅烷偶联剂水溶液中浸泡3～5h，再采用去离子水冲洗，100～120℃烘干；所述硅烷偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷与3-氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或两种。

优选的，所述氧化石墨烯的组装按照下述方式进行：

将步骤A)得到的光栅玻璃置于氧化石墨烯分散液中浸泡12～18h，再采用去离子水冲洗，80～100℃烘干；所述氧化石墨烯分散液的浓度为0.25～4mg/mL。

优选的，所述还原处理按照下述方式进行：

将经过氧化石墨烯组装的光栅玻璃与还原剂混合，120～150℃处理12～24h后依次进行去离子水与乙醇冲洗，高纯氮气吹干。

优选的，所述还原剂选自苯胺、吡咯与水合肼中的一种或多种。

优选的，所述二氧化钛的组装按照下述方法进行：

将步骤B)得到的光栅玻璃置于0.25～4mg/mL的二氧化钛分散液中浸泡8～12h，再采用乙醇冲洗，80℃～100℃烘干，所述二氧化钛分散液的溶剂选自甲醇、乙醇、N，N-二甲基甲酰胺、乙二醇与异丙醇中的一种或多种。

优选的，所述氟化处理按照下述方式进行：

将组装有二氧化钛的光栅玻璃置于含氟试剂中浸泡3～6h，采用N，N-二甲基甲酰胺冲洗，乙醇冲洗，100℃～120℃烘干。

优选的，所述含氟试剂选自三氟丙基三甲氧基硅烷、三氟丙基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷、十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷与六氟丁基丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种；所述含氟试剂的浓度为1～10mmol/L。

本申请提供了一种自清洁光栅玻璃的制备方法，首先将光栅玻璃进行亲水性处理，再将亲水性处理后的光栅玻璃进行氨基化处理，然后在光栅玻璃表面依次进行氧化石墨烯的组装、还原处理、二氧化钛的组装，最后进行氟化处理。本申请通过氨基化处理，使光栅玻璃带上正电荷，是光栅玻璃表面的静电自组装的基础，然后将石墨烯片组装到光栅玻璃表面，二氧化钛纳米颗粒组装到石墨烯片表面，还原氧化石墨烯将光波扩展到可见光，从而实现在可见光下光栅玻璃的光降解作用。另外，由于石墨烯片是二维平面，二氧化钛为纳米颗粒，形成的表面凸起有利于提高接触角，使光栅玻璃具有超憎水性。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的自清洁透明光栅玻璃的扫描电镜图；

图2为本发明实施例1制备的自清洁透明光栅玻璃与纯光栅玻璃的紫外可见光谱图；

图3为本发明实施例1制备的自清洁透明光栅玻璃的接触角图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种自清洁光栅玻璃的制备方法，包括以下步骤：

A)，将光栅玻璃依次进行亲水性处理与氨基化处理；

B)，将步骤A)得到的光栅玻璃依次进行氧化石墨烯的组装与还原处理；

C)，将步骤B)得到的光栅玻璃进行二氧化钛的组装；

D)，将步骤C)得到的光栅玻璃进行氟化处理。

本申请提供了一种自清洁光栅玻璃的制备方法，通过静电自组装将石墨烯和二氧化钛构筑到透明光栅玻璃的表面，结合光栅玻璃表面条纹，得到复合微纳结构，在赋予透明光栅玻璃憎水性的同时，实现了对有机物的光降解，从而得到自清洁的光栅玻璃。

在自清洁光栅玻璃制备的过程中，本申请首先将光栅玻璃进行亲水性处理，使光栅玻璃表面带有大量的羟基基团，实现光栅玻璃表面的亲水性，便于后续氧化石墨烯在光栅玻璃表面组装。本申请所述光栅玻璃可以按照下述的方法制备：

采用激光直写技术或掩膜曝光技术在玻璃基底上制备掩膜光栅条纹，通过等离子刻蚀技术在玻璃基底上刻蚀出光栅结构。所述等离子刻蚀优选采用三氟甲烷和氩气作为反应刻蚀气体。本申请所述光栅玻璃的间距优选为2～32μm，更优选为4～25μm，所述光栅玻璃的刻蚀深度优选为1μm～2μm。

按照本发明，所述光栅玻璃的亲水性处理具体为：

将光栅玻璃置于体积比为3:1的浓硫酸和双氧水的混合溶液中，80℃～120℃处理1～3h后取出，再采用去离子水清洗3～4遍，高纯氮气吹干。

本发明然后将光栅玻璃进行氨基化处理。所述氨基化处理是为了使得光栅玻璃带上正电荷，这是基于静电自组装技术来实现在光栅玻璃表面构筑各种结构单元，正电荷与负电荷材料相互吸引，从而实现在光栅玻璃表面可控组装。本申请所述氨基化处理优选按照下述方式进行：

将经过亲水性处理的光栅玻璃置于质量分数为1wt％～5wt％的硅烷偶联剂水溶液中浸泡3～5h，再采用去离子水冲洗3～4遍，100～120℃烘干。

上述过程中，所述硅烷偶联剂优选为3-氨丙基三乙氧基硅烷与3-氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或两种。

按照本发明，然后在经过氨基化处理的光栅玻璃表面组装氧化石墨烯，使氧化石墨烯通过静电吸附作用铺设于光栅结构表面。作为优选方案，在光栅玻璃表面沉积氧化石墨烯的过程具体为：

将经过氨基化处理的光栅玻璃置于氧化石墨烯分散液中浸泡12～18h，再采用去离子水冲洗3～4遍，80～100℃烘干。

在上述过程中，所述氧化石墨烯分散液的制备方法为：

将氧化石墨烯置于去离子水中，采用40～100kHz的超声处理1～2h，形成浓度为0.25～4mg/mL的氧化石墨烯分散液。

本申请然后将表面组装氧化石墨烯的光栅玻璃进行还原。氧化石墨烯本身是亲水的，其经过还原后具有憎水性，而在一定程度上提高了光栅玻璃表面的接触角。光栅玻璃表面氧化石墨烯进行还原处理具体按照下述过程进行：

将表面组装有氧化石墨烯的光栅玻璃与还原剂混合，120～150℃处理12～24h，冷却后取出，去离子水清洗3～4次，乙醇清洗3～4次，高纯氮气吹干；所述还原剂优选为苯胺、吡咯和水合肼中的一种或多种。

本申请然后在光栅玻璃表面组装二氧化钛，使二氧化钛分散于还原氧化石墨烯表面。经过此步骤之后，在光栅玻璃表面一层还原氧化石墨烯片组装到光栅玻璃表面，一层二氧化钛纳米颗粒组装到单层石墨烯片表面。在光栅玻璃表面组装二氧化钛优选按照下述方式进行：

将组装有还原氧化石墨烯的光栅玻璃置于二氧化钛分散液中组装8～12h，再采用乙醇冲洗3～4遍，80℃～100℃烘干。

所述二氧化钛分散液采用下述方法制备：

将二氧化钛置于有机溶剂中，采用40～100kHz的超声处理1～2h，得到浓度为0.25～4mg/mL的二氧化钛分散液；所述有机溶剂优选为甲醇、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、乙二醇与异丙醇中的一种或多种。

本申请最后在组装二氧化钛之后进行了氟化处理，氟化基团在纳米材料与微栅结构形成的微纳结构的表面形成接近超疏水或者超疏水的表面。本申请所述氟化处理具有按照下述方式进行：

将组装有二氧化钛的光栅玻璃置于含氟试剂中浸泡3～6h，N,N-二甲基甲酰胺冲洗3～4遍，乙醇冲洗3～4遍，100℃～120℃烘干。

上述过程中，所述氟化试剂优选为三氟丙基三甲氧基硅烷、三氟丙基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷与六氟丁基丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。本申请所述含氟试剂的浓度优选为1～10mmol/L，更优选为3～8mmol/L。

本申请的光栅玻璃表面经过处理后，光栅玻璃的表面微纳结构，可以实现玻璃表面的超憎水性能，因此赋予了玻璃表面类似于荷叶表面的自清洁效果；通过静电自组装在光栅玻璃表面形成的石墨烯-二氧化钛复合结构，二氧化钛在紫外光照下具有优异的有机物光降解功能，与石墨烯等复合后，其光降解所需光波可以拓展到可见光区。另外，由于石墨烯片是二维平面，二氧化钛为纳米颗粒，形成的表面凸起有利于提高接触角，使光栅玻璃具有超憎水性。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的自清洁光栅玻璃及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

1)采用微加工技术中的激光直写技术或掩膜曝光技术在玻璃基底上制作掩膜光栅条纹，通过等离子体刻蚀技术在玻璃基底上刻蚀出光栅结构，控制光栅的间距为8μm。采用三氟甲烷和氩气为反应刻蚀气体，光栅玻璃刻蚀深度控制在1μm。

2)将光栅玻璃置于体积比为3：1的浓硫酸和双氧水的混合溶液中，90℃处理1h，取出去离子水洗3遍，高纯氮气吹干。

3)将亲水性处理的光栅玻璃置于质量分数为1wt％的3-氨丙基三甲氧基硅烷的水溶液中浸泡3h，取出用去离子水冲洗3遍，120℃烘干，从而实现光栅玻璃的氨基化。

4)将Hummers法得到的氧化石墨置于去离子水中，用50kHz的超声波处理1h形成单片分散、浓度为1mg/mL的分散液。再将氨基化的光栅玻璃置于氧化石墨烯组装液中浸泡12h，取出后去离子水冲洗3遍，80℃烘干。

5)将组装有氧化石墨烯的光栅玻璃置于反应釜中，加入2mL的苯胺还原剂，120℃处理12h，冷却后取出，去离子水洗3次，乙醇洗3次，高纯氮气吹干。

6)将二氧化钛置于乙醇溶剂中，用50kHz的超声波处理1h形成单分散、浓度为1mg/mL的分散液。再将组装有还原氧化石墨烯的光栅玻璃置于二氧化钛分散液中组装8h，乙醇冲洗3遍，80℃烘干。

7)将组装有二氧化钛的光栅玻璃置于10mmol/L的十七氟硅烷试剂中浸泡3h后取出，N，N-二甲基甲酰胺洗3遍，乙醇洗3遍，120℃烘干。

图1为本实施例制备的自清洁透明光栅玻璃的扫描电镜图，根据图1可知，光栅玻璃中石墨烯和二氧化钛的存在而构筑的微纳结构；图2为本实施例制备的自清洁透明光栅玻璃与纯光栅玻璃的紫外可见光谱图，根据图2可知，在可见光范围的透过率，与纯光栅玻璃相比，自清洁透明光栅玻璃仍然具有良好的透光性能；图3为自清洁透明光栅玻璃的接触角，根据图3可知，光栅玻璃具有超疏水特性，其接触角大小为152.9°。

实施例2

自清洁光栅玻璃的制备过程与实施例1相同，区别在于：将光栅的间距由8μm减少到4μm，制备得到自清洁透明光栅玻璃的接触角为153.5°。

实施例3

自清洁光栅玻璃的制备过程与实施例1相同，区别在于：将氧化石墨烯分散液的浓度由1mg/L提高到2mg/L，制备得到自清洁透明光栅玻璃的接触角为148.5°。

实施例4

自清洁光栅玻璃的制备过程与实施例1相同，区别在于：将苯胺的量由2mL减少到1mL，制备得到自清洁透明光栅玻璃的接触角为132.5°。

实施例5

自清洁光栅玻璃的制备过程与实施例1相同，区别在于：将二氧化钛的乙醇分散液的浓度由1mg/mL增加到2mg/mL，制备得到自清洁透明光栅玻璃的接触角为139.3°。

实施例6

自清洁光栅玻璃的制备过程与实施例1相同，区别在于：将十七氟硅烷试剂的N，N-二甲基甲酰胺溶液的浓度由10mmol/L降低到5mmol/L，制备得到自清洁透明光栅玻璃的接触角为118.8°。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种自清洁光栅玻璃的制备方法，包括以下步骤：

A)，将光栅玻璃依次进行亲水性处理与氨基化处理；

B)，将步骤A)得到的光栅玻璃依次进行氧化石墨烯的组装与还原处理；

C)，将步骤B)得到的光栅玻璃进行二氧化钛的组装；

D)，将步骤C)得到的光栅玻璃进行氟化处理；

所述氧化石墨烯的组装按照下述方式进行：

将步骤A)得到的光栅玻璃置于氧化石墨烯分散液中浸泡12～18h，再采用去离子水冲洗，80～100℃烘干；所述氧化石墨烯分散液的浓度为0.25～4mg/mL；

所述二氧化钛的组装按照下述方法进行：

将步骤B)得到的光栅玻璃置于0.25～4mg/mL的二氧化钛分散液中浸泡8～12h，再采用乙醇冲洗，80℃～100℃烘干，所述二氧化钛分散液的溶剂选自甲醇、乙醇、N，N-二甲基甲酰胺、乙二醇与异丙醇中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A)中所述光栅玻璃的光栅间距为2～32μm，所述光栅玻璃的刻蚀深度为1～2μm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述亲水性处理按照下述方式进行：

将光栅玻璃置于体积比为3：1的浓硫酸和双氧水的混合溶液中，80℃～120℃处理1～3h，去离子水冲洗，高纯氮气吹干。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氨基化处理按照下述方式进行：

将经过亲水性处理的光栅玻璃置于1wt％～5wt％的硅烷偶联剂水溶液中浸泡3～5h，再采用去离子水冲洗，100～120℃烘干；所述硅烷偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷与3-氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或两种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述还原处理按照下述方式进行：

将经过氧化石墨烯组装的光栅玻璃与还原剂混合，120～150℃处理12～24h后依次进行去离子水与乙醇冲洗，高纯氮气吹干。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述还原剂选自苯胺、吡咯与水合肼中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氟化处理按照下述方式进行：

将组装有二氧化钛的光栅玻璃置于含氟试剂中浸泡3～6h，采用N，N-二甲基甲酰胺冲洗，乙醇冲洗，100℃～120℃烘干。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述含氟试剂选自三氟丙基三甲氧基硅烷、三氟丙基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷、十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷与六氟丁基丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种；所述含氟试剂的浓度为1～10mmol/L。