CN106630666A - 一种具有光催化性能的多孔超亲水薄膜制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有光催化性能的多孔超亲水薄膜制备方法，以聚苯乙烯PS小球的悬浮乳液于玻璃基底上自组装制备聚苯乙烯胶体晶体层模板；以钛酸丁酯为前驱体制备氧化钛前驱溶胶，将该溶胶在预镀有PS模板层的基底上镀膜，于室温静置一段时间后将镀膜玻璃置于烘箱中烘干，后于一定的温度下煅烧，去除胶体晶体模板层，即得到一种具有光催化性能的多孔超亲水薄膜。本发明制备了优良的光催化性和超亲水性薄膜，薄膜对水的超小接触角展示了氧化钛薄膜玻璃作为自清洁玻璃效能提高的潜力，同时优良的光催化性能能够扩展氧化钛镀膜玻璃的应用领域。本发明制备过程易于控制，适合大规模的推广。

Description

一种具有光催化性能的多孔超亲水薄膜制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有光催化性能的多孔超亲水薄膜制备，属于玻璃深加工薄膜制备领域。
背景技术
长期以来氧化钛以其显著的光催化性能被广泛研究，光催化材料接受光照产生跃迁的自由电子，光生电子或空穴与离子或分子结合生成活性自由基，具有氧化性或还原性，能够将大分子有机物降解。光催化材料广泛应用于玻璃自清洁、污水处理、异味消除、杀菌消毒等领域。在玻璃薄膜领域，氧化钛薄膜玻璃对水的润湿性很好，当水接触到氧化钛薄膜的时候往往会在其表面形成一层水膜，保护玻璃基底被尘土颗粒所污染从而达到自清洁的效果。而传统的氧化钛自清洁薄膜的光催化性能相对较弱，这样就限制了氧化钛薄膜的应用领域。增强氧化钛膜的亲水润湿性，提高其光催化能力，从而提高氧化钛薄膜玻璃的自清洁效能同时扩大氧化钛镀膜玻璃的应用领域显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种具有光催化性能的多孔超亲水薄膜制备方法，制备的薄膜具备了较高的光催化性能的同时具有极小的对水接触角，亲水性很好。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种具有光催化性能的多孔超亲水薄膜，包括以下步骤：
（1）、首先将现有的5%固含量（质量分数）的聚苯乙烯小球乳液原液，以水稀释制备固含量为0.01~0.10%的单分散聚苯乙烯PS小球悬浮乳浊液，将表面羟基化的玻璃基底垂直浸入所制备的PS小球悬浮液中，在一定的温度湿度下，使PS小球自组装成胶体晶体层作为模板，待用。
（2）、氧化钛溶胶的制备：一定量的酞酸丁酯与无水乙醇混合均匀，加入少量乙酰丙酮，静置1~2h，后滴入适量去离子水使酞酸丁酯水解，调解溶液pH≈2.0~4.0，加入N,N-二甲基甲酰胺，搅拌1~3h后静置12~36h得到镀膜前驱液。
（3）、以预镀有PS模板层的玻璃为基底，以所制备的氧化钛溶胶为镀膜液镀膜，镀膜方式为提拉、旋涂、辊涂、刮涂等。将镀膜玻璃于室温下静置1~3h，后于80~120℃的环境下烘干。
（4）、将烘干的玻璃薄膜于高温下热处理，使得PS模板热裂解去除，得到多孔超亲水氧化钛膜。
本发明一种具有光催化性能的多孔超亲水薄膜制备，其特征也在于：步骤（1）中所述的表面羟基化是将玻璃基底于70%浓硫酸与30%双氧水的混合溶液中在50~70℃环境下浸泡1~3h；表面羟基化目的是使玻璃表面亲水性增强，基板沉浸在悬浊液里面時，基板的界面与水的表面张力更加匹配，溶剂蒸发時的毛细管力更强，使小球沉积更容易。
所述的聚苯乙烯小球其直径为250~350nm；所述温度为40~70℃，湿度为50~70%。
本发明一种具有光催化性能的多孔超亲水薄膜制备，其特征也在于：步骤（2）中所述酞酸丁酯与无水乙醇其混合体积比为1:10~1:3，所述适量去离子水其与酞酸丁酯的体积比为1:5~1:2，所述N,N-二甲基甲酰胺与酞酸丁酯的体积比为1:4~1:10。
本发明一种具有光催化性能的多孔超亲水薄膜制备，其特征也在于：步骤（3）中所述氧化钛溶胶氧化钛固含量为1.0%~6.0%。
本发明一种具有光催化性能的多孔超亲水薄膜制备，其特征也在于：步骤（4）中所述的高温为400~600℃，热处理时间为1~3h。
本发明的优点体现在：以模板法制得了多孔结构的薄膜，实现薄膜的优良光催化性与极好的亲水性的结合。氧化钛薄膜由于表面孔结构的存在大大增加了其比表面积，从而使薄膜具有良好的光催化性能，同时表面微结构的存在提升了薄膜表面的润湿性，使薄膜表现为超亲水。薄膜对水的超小接触角展示了氧化钛薄膜玻璃作为自清洁玻璃效能提高的潜力，同时优良的光催化性能能够扩展氧化钛镀膜玻璃的应用领域。本发明制备过程易于控制，适合大规模的推广。
附图说明
图1为本发明一种具有光催化性能的多孔超亲水薄膜制备原理图（横截面侧视图）；
图2为本发明所制备薄膜典型的表面形貌特征扫面图；
图3为本发明所制备薄膜典型的接触角测试图；
图4为本发明所制备薄膜典型的光催化图谱。
具体实施方式
下面实施例进一步介绍本发明，但是实施例不会构成对本发明的限制。
实施例1
将现有的5%固含量的聚苯乙烯小球乳液原液，以水稀释制备固含量为0.02%的单分散聚苯乙烯PS小球悬浮乳浊液，将玻璃基片于70%浓H2SO4与30%H2O2的混合溶液中在60℃温度下浸泡2h，垂直浸入所制备的PS小球悬浮液中，在温度45℃、湿度65%的环境中下静置，使PS小球自组装成胶体晶体层作为模板（如图1a所示），待用。
取20ml酞酸丁酯与60ml无水乙醇混合均匀，加入5ml乙酰丙酮，静置1h，后滴入10ml离子水使酞酸丁酯水解，调解溶液pH=3.0，加入2ml N,N-二甲基甲酰胺，搅拌2h后静置24h得到镀膜前驱液；以预镀有PS模板层的玻璃为基底，以所制备的氧化钛溶胶为镀膜液提拉镀膜，提拉浸渍速率为60mm/min，浸渍时间1h；将镀膜玻璃于室温下静置1h，后于120℃的环境下烘干（如图1b所示）；将图1b烘干的玻璃薄膜于600℃下热处理1h，使得PS模板热裂解去除，得到多孔超亲水氧化钛膜，如图1c所示。
本实施例中，主要通过控制前驱体钛酸四丁酯的量来控制氧化钛的固含量。
例如本实施例中，20ml酞酸丁酯、60ml无水乙醇、5ml乙酰丙酮、10ml离子水、2mlN,N-二甲基甲酰胺。
20ml酞酸丁酯为19.92g，钛含量为0.0585mol。故最终形成氧化钛为0.0585mol，质量为4.675g，60ml无水乙醇47.34g，5ml乙酰丙酮4.85g，10ml离子水为10g，2ml N,N-二甲基甲酰胺1.88g，共：83.99g。故氧化钛固含量为4.675/83.99=5.57%。
由说明书附图2、3可见所制备典型的薄膜具有有序孔结构的表面微结构，且其与水的接触角几乎为0°，达到薄膜表面超亲水的效果，并且如图4所示的光催化图谱显示薄膜具有良好的光催化性能。
实施例2
将现有的5%固含量的聚苯乙烯小球乳液原液，以水稀释制备固含量为0.05%的单分散聚苯乙烯（PS）小球悬浮乳浊液，将玻璃基片于70%浓H2SO4与30%H2O2的混合溶液中在50℃温度下浸泡3h，垂直浸入所制备的PS小球悬浮液中，在温度45℃、湿度65%的环境中下静置，使PS小球自组装成胶体晶体层作为模板，待用。
取12ml酞酸丁酯与60ml无水乙醇混合均匀，加入4ml乙酰丙酮，静置1.5h，后滴入4ml离子水使酞酸丁酯水解，调解溶液pH=3.0，加入2ml N,N-二甲基甲酰胺，搅拌2h后静置24h得到镀膜前驱液；以预镀有PS模板层的玻璃为基底，以所制备的氧化钛溶胶为镀膜液旋涂镀膜，旋涂速率为1000r/min，镀膜5次；将镀膜玻璃于室温下静置2h，后于100℃的环境下烘干；将烘干的玻璃薄膜于500℃下热处理1.5h，使得PS模板热裂解去除，得到多孔超亲水氧化钛膜。
实施例3
将现有的5%固含量的聚苯乙烯小球乳液原液，以水稀释制备固含量为0.08%的单分散聚苯乙烯（PS）小球悬浮乳浊液，将玻璃基片于70%浓H2SO4与30%H2O2的混合溶液中在70℃温度下浸泡1h，垂直浸入所制备的PS小球悬浮液中，在温度45℃、湿度65%的环境中下静置，使PS小球自组装成胶体晶体层作为模板，待用。
取8ml酞酸丁酯与60ml无水乙醇混合均匀，加入2ml乙酰丙酮，静置2h，后滴入2ml离子水使酞酸丁酯水解，调解溶液pH=3.0，加入2ml N,N-二甲基甲酰胺，搅拌1h后静置36h得到镀膜前驱液；以预镀有PS模板层的玻璃为基底，以所制备的氧化钛溶胶为镀膜液用线棒刮涂镀膜，将镀膜玻璃于室温下静置3h，后于80℃的环境下烘干；将烘干的玻璃薄膜于450℃下热处理2h，使得PS模板热裂解去除，得到多孔超亲水氧化钛膜。

Claims (4)

1.一种具有光催化性能的多孔超亲水薄膜制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）、将固含量为5%的聚苯乙烯小球乳液以水稀释，制备固含量为0.01~0.10%的单分散聚苯乙烯PS小球悬浮乳浊液，将表面羟基化的玻璃垂直浸入所制备的PS小球悬浮液中，在温度为40~70℃，湿度为50~70%条件下，使PS小球在玻璃基底上自组装成胶体晶体层作为PS模板；
（2）、氧化钛溶胶的制备：酞酸丁酯与无水乙醇按体积比为1:（5~10）混合均匀，加入适量乙酰丙酮，静置1~2h，后滴入去离子水使酞酸丁酯水解，去离子水其与酞酸丁酯的体积比为1:（2~10），调解溶液pH=2.0~4.0，按照N,N-二甲基甲酰胺与酞酸丁酯的体积比为1:（4~10）加入N,N-二甲基甲酰胺，搅拌1~3h后静置12~36h得到氧化钛溶胶镀膜液；
（3）、以预镀有PS模板层的玻璃，采用提拉、旋涂、辊涂、刮涂的方式，将氧化钛溶胶镀膜液镀制于PS模板层上，于室温下静置1~3h，后于80~120℃的环境下烘干得到镀膜玻璃；
（4）、将烘干的镀膜玻璃于400~600℃热处理，时间为1~3h，使得镀膜玻璃中的PS模板热裂解去除，得到多孔超亲水氧化钛薄膜玻璃。
2.根据权利要求1所述的一种具有光催化性能的多孔超亲水薄膜制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的表面羟基化，是将玻璃基底于70%浓硫酸与30%双氧水的混合溶液中在50~70℃环境下浸泡1~3h。
3.根据权利要求1所述的一种具有光催化性能的多孔超亲水薄膜制备方法，其特征在于：所述的聚苯乙烯小球其直径为250~350nm。
4.根据权利要求1所述的一种具有光催化性能的多孔超亲水薄膜制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述氧化钛溶胶氧化钛固含量为1.0%~6.0%。
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