CN108191254A - 一种玻璃表面多孔结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玻璃表面多孔结构的制备方法，将腐蚀溶液雾化形成液滴对玻璃进行腐蚀。本发明的玻璃表面多孔结构的制备方法成本较低，废液处理较为简单；无需采用大型的物理沉积或者刻蚀设备，方法简单易行；制备出的多孔结构均匀，且该多孔结构制备方法具有普适性，能够在各种玻璃片和玻璃制品上的表面制备出多孔结构，具有很强的市场前景。

Description

一种玻璃表面多孔结构的制备方法

技术领域

本发明涉及玻璃表面处理方法，特别是一种玻璃表面多孔结构的制备方法。

背景技术

目前，玻璃因其具备低成本、高透光率、低膨胀系数、良好的机械和耐候性能被广泛运用，成为日常生活中必不可少的产品。

但是，未经任何处理的普通玻璃由于与空气间存在较大的折射率差异，表面仍会有5％以上的反射光损失。因此人们对于玻璃表面的增透膜进行了广泛而深入的研究，主要研究方向为采用具有渐变折射率的非均匀薄膜、具有多层不同折射率的均匀薄膜或者多空的膜层结构来实现增透的目的。

另一方面，具有特殊润湿性(如超亲水和超疏水)的玻璃将具有防水、防雾、自清洁等特性，这将会在太阳能电池、汽车、装饰等领域具有广泛的应用前景。而固体表面的润湿性由表面的微观结构和化学组成共同决定。无论是超疏水表面还是超亲水表面都需要在表面构筑微米-纳米级粗糙结构。

因此，为了得到一种兼具高透光性和特殊润湿性的玻璃，必须先在玻璃表面制备一层合适的多孔结构。目前主要的制备方法有射频磁控溅射法、离子刻蚀法、模板转移法、模板腐蚀法、溶胶凝胶法、化学腐蚀法等。但考虑到工艺、设备、成本、生产效率等各方面的因素，目前只有溶胶凝胶法和化学腐蚀法可大规模生产应用，但他们又存在结构结合力低，寿命短等问题。

因此寻找一种工艺简单、生产成本低、孔结构均匀且结合力强的玻璃表面多孔结构制备方法成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供了一种玻璃表面多孔结构的制备方法，采用雾化腐蚀法，制备工艺简单、生产成本低、且孔分布均匀。

一种玻璃表面多孔结构的制备方法，将腐蚀溶液雾化形成液滴对玻璃进行腐蚀。

本发明中所指的腐蚀溶液为能够腐蚀玻璃的溶液，可以为酸性腐蚀溶液，如盐酸、氢氟酸、硝酸、硫酸、正磷酸等酸性玻璃腐蚀溶液中的一种或两种及两种以上的组合物。也可以为碱性腐蚀溶液，氢氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾、氟化铵、氟化钠、硅酸钠等碱性玻璃腐蚀溶液中的一种、两种或两种以上的组合。作为有优选，本发明中的腐蚀溶液为酸性腐蚀溶液。

本发明中，所述将腐蚀溶液雾化形成液滴时雾化腐蚀溶液的速率为0.01～20ml/min，即每分钟雾化腐蚀溶液0.01～20ml。

本发明中，所述腐蚀溶液雾化后形成的液滴尺寸为5nm～10μm。

作为优选，雾化得到的液滴在第一预定温度下预热后再与玻璃表面接触以腐蚀玻璃。进一步优选，所述第一预定温度为10～120℃，进一步优选，所述第一预定温度为60～80℃。所述预定时长根据应用需求设定。进一步，为提高多孔结构的质量，可进一步调控在第一预定温度下预热的时长。

为提高腐蚀后形成的多孔结构质量以及结构均匀性，作为一种实现方式，雾化形成的液滴在第二预定温度下对玻璃进行腐蚀。作为优选，所述第二预定温度为10～120℃。所述第二预定温度为40～90℃。

作为另外一种实现方式，将腐蚀溶液雾化前包括将腐蚀溶液加热至第三预定温度，所述第三预定温度小于所述第二预定温度。

需要说明的是第一预定温度和第二预定温度及第三预定温度没有直接相关性，相互独立。

本发明的多孔结构制备方法具有普适性，能够在各种玻璃片和玻璃制品上的表面制备出多孔结构，如普通硅酸盐玻璃片等。

与现有技术相比，本发明的玻璃表面多孔结构的制备方法成本较低，废液处理较为简单；无需采用大型的物理沉积或者刻蚀设备，方法简单易行，制备出的多孔结构均匀，且该多孔结构制备方法具有普适性，能够在各种玻璃片和玻璃制品上的表面制备出多孔结构，实现增透功能，且可通过后续简单处理即可获取特殊浸润性，具有很强的市场前景。

附图说明

图1为本实施例1的普通硅酸盐玻璃的表面多孔结构的SEM平面图，倍数为×50K；

图2为实施例1中玻璃腐蚀前后的透射率对比图；

图3为实施例5制得玻璃表面多孔结构的SEM平面图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面将结合具体实施例和附图进一步阐述本发明的方案，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本发明一种玻璃表面多孔结构的制备方法，将腐蚀溶液雾化形成液滴对玻璃进行腐蚀，具体包括以下步骤：

1)玻璃表面的预处理：玻璃表面经清洗液清洗干净，并烘干；

2)雾化腐蚀处理：将经步骤1)后的玻璃置于经过雾化的腐蚀液形成的雾气氛围中或利用管道将雾化后的液体喷射在玻璃表面，与玻璃表面接触以对玻璃表面进行腐蚀反应；

3)腐蚀后处理：将经步骤2)后中的腐蚀后玻璃经去离子水、清洗液、去离子水超声清洗后烘干，得到表面具有多孔结构的玻璃。

步骤1)中的预处理包括：清洗和干燥。进一步优选，分别用丙酮和酒精超声清洗，再经去离子水冲洗后用氮气吹干。经此方法玻璃表面的有机、无机沾染物都被去除干净。

步骤2)中腐蚀溶液要求能腐蚀玻璃片，根据不同玻璃的组份可以为酸性腐蚀溶液，如盐酸、氢氟酸、硝酸、硫酸、正磷酸等酸性玻璃腐蚀溶液中的一种或两种及两种以上的组合物。也可以为碱性腐蚀溶液，氢氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾、氟化铵、氟化钠、硅酸钠等碱性玻璃腐蚀溶液中的一种、两种或两种以上的组合。作为一种优选实现方式，腐蚀溶液为酸性腐蚀溶液。

雾化腐蚀时，要求腐蚀溶液雾化后形成的液滴尺寸为5nm～10μm。

针对步骤2)，作为一种实现方式，可以将经过步骤1)后的玻璃片置于容器(容器不能被腐蚀溶液腐蚀)，向容器中充入雾化后的腐蚀溶液以进行腐蚀。作为另一种实现方式，可将经过步骤1)后的玻璃片置于架台上，通过管道(管道不能被腐蚀溶液腐蚀)将雾化后的腐蚀溶液喷至架台上的玻璃表面。实际上，在实际生产时不仅仅局限于以上两种方式，无论何种实现方式，腐蚀原理都是雾化后形成的腐蚀溶液变为小液滴凝结在玻璃片的表面对其进行腐蚀，使玻璃表面形成致密、均匀的纳米级的小孔洞。

针对步骤2)中，作为另一种实现方式，将玻璃片置于聚四氟乙烯材质的容器内利用管道将雾化形成的液滴导入容器内，并通过加热管道至第一预定温度来进行预热(可通过该方式使雾化后的腐蚀溶液在第一预订温度下预热一定时长，通过调节管道长度来达到调控预热时长)。进一步，通过加热容器至第二预定温度来保证腐蚀过程在第二预定温度下进行。

进一步，作为一种优选实现方式，雾化得到的液滴在第一预定温度下预热预订时长后再与玻璃表面接触以腐蚀玻璃。第一预定温度为10～120℃，优选为60～80℃。所述预定时长为0～15s。雾化得到的液滴与玻璃表面接触前先将玻璃加热至第二预定温度。所述第二预定温度为10～120℃。

此外，腐蚀时，腐蚀溶液组成、雾量、腐蚀时的反应时间、第一预定温度等条件直接关系到制备出多孔结构的质量，进而影响到玻璃片的透射率和粗糙度。其中第一预定温度可以通过以下一种或者几种组合方式来控制，例如加热腐蚀液、雾化器药杯、气雾传输通道、反应容器或管道、反应架台或者直接加热玻璃等。

作为一种优选实现方式，步骤2)中腐蚀溶液为HF和DI的混合溶液。各组分体积比为：HF:DI＝1:(0.1～10)，其中，HF表示质量分数为40％的氢氟酸，DI表示去离子水。腐蚀时雾量为0.01～20ml/min，腐蚀时反应时间为5～1200s，腐蚀时第一预定温度为10～120℃。

步骤3)中清洗液应为强酸类溶液，用于清洗经过步骤2)后玻璃表面生成的难溶物。作为优选，本发明选用HCl和DI的混合溶液，体积比为：HCl:DI＝1:(0.1～10)。其中，HCl表示质量分数为37.5％的盐酸，DI表示去离子水。

通过合理选择腐蚀溶液和清洗液，设置腐蚀参数(如腐蚀溶液组成、雾量、腐蚀时的反应时间、第一预定温度等)能够使最终制备的得到玻璃表面的多孔结构，获得具有高透光性能的多孔玻璃。

实施例1

本实施例的玻璃表面多孔结构的制备方法，包括如下步骤：

1)玻璃表面的预处理：将厚度为11±1mm，大小为25mm×25mm的普通硅酸盐玻璃片依次放入丙酮、乙醇、DI中分别超声清洗20min，再在常温下氮气吹干，去除玻璃片表面有机、无机沾染物；

2)雾化腐蚀处理：将预处理后的玻璃片水平后置于聚四氟乙烯管道中，将腐蚀液放入压缩空气式雾化器中，把产生的腐蚀酸雾通入管道前端进行腐蚀，雾化后得到的液滴直径为3.5μm，且将腐蚀酸雾的雾量控制为：0.2ml/min。加热管道，使温度达到80℃，即第二预设温度为80℃。腐蚀溶液为HF和DI的混合溶液，体积比为：HF:DI＝1:4，其中，HF表示浓度为40％的氢氟酸，DI表示去离子水；反应时间50s；

3)腐蚀后处理：将经步骤2)处理得到的玻璃片先用DI超声清洗5min，再用HCl和DI的混合溶液(体积比为：HCl:DI＝1:1)超声清洗10min，然后再用DI清洗5min，最后常温氮气吹干。HCl表示质量分数为37.5％的盐酸，DI表示去离子水。

图1为本实施例制得玻璃表面多孔结构的SEM平面图，可以看出本实施例的方法能够在普通硅酸盐玻璃表面形成致密、均匀的纳米级多孔结构。

图2为本实施例中玻璃腐蚀前后的透射率对比图，可见采用本实施例的方法腐蚀后，玻璃的投射率得到明显提升。

实施例2

本实施例的玻璃表面多孔结构的制备方法，包括如下步骤：

1)玻璃表面的预处理：将厚度为11±1mm，大小为25mm×25mm的普通硅酸盐玻璃片依次放入丙酮、乙醇、DI中分别超声清洗20min，再在常温下氮气吹干，去除玻璃片表面有机、无机沾染物；

2)雾化腐蚀处理：将预处理后的玻璃片片水平后置于聚四氟乙烯容器中，将腐蚀液放入压缩空气式雾化器中，把产生的腐蚀酸雾通入容器进行腐蚀，雾化后得到的液滴直径中位数为3.5μm，且将腐蚀酸雾的雾量控制为：0.2ml/min。加热容器底，使温度达到60℃，即使第二预定温度为60℃，反应时间90s，腐蚀液为HF和DI的混合溶液，体积比为：HF:DI＝1:6，其中，HF表示浓度为40％的氢氟酸，DI表示去离子水；

3)腐蚀后处理：将经步骤2)处理得到的玻璃片先用DI超声清洗5min，再用HCl和DI的混合溶液(体积比为：HCl:DI＝1:2)超声清洗10min，然后再用DI清洗5min，最后常温氮气吹干。HCl表示质量分数为37.5％的盐酸，DI表示去离子水。

实施例3

本实施例的玻璃表面多孔结构的制备方法，包括如下步骤：

1)玻璃表面的预处理：将厚度为11±1mm，大小为25mm×25mm的普通硅酸盐玻璃片依次放入丙酮、乙醇、DI中分别超声清洗20min，再在常温下氮气吹干，去除玻璃片表面有机、无机沾染物；

2)雾化腐蚀处理：将预处理后的玻璃片片水平后置于聚四氟乙烯管道中，将腐蚀液放入超声雾化器中，把产生的腐蚀酸雾通入管道前端进行腐蚀，液滴直径为5μm，雾量控制为：2ml/min。加热管道，使温度达到100℃，即本实施例中第二预定温度为100℃，反应时间30s，腐蚀液为HF和DI的混合溶液，体积比为：HF:DI＝1:1，其中，HF表示浓度为40％的氢氟酸，DI表示去离子水；

3)腐蚀后处理：将经步骤2)处理得到的玻璃片先用DI超声清洗5min，再用HCl和DI的混合溶液(体积比为：HCl:DI＝1:1)超声清洗10min，然后再用DI清洗5min，最后常温氮气吹干。HCl表示质量分数为37.5％的盐酸，DI表示去离子水。

实施例4

本实施例的玻璃表面多孔结构的制备方法，包括如下步骤：

1)玻璃表面的预处理：将厚度为11±1mm，大小为25mm×25mm的普通硅酸盐玻璃片依次放入丙酮、乙醇、DI中分别超声清洗20min，再在常温下氮气吹干，去除玻璃片表面有机、无机沾染物；

2)雾化腐蚀处理：将预处理后的玻璃片片水平置于聚四氟乙烯架台上，腐蚀液通过高速离心喷雾喷头形成腐蚀酸雾形成酸雾，把产生的腐蚀酸雾对准玻璃片端进行腐蚀，腐蚀溶液雾化后得到的液滴直径为8μm，且将雾量控制为：1ml/min。加热架台底部，使温度达到50℃，即第二预定温度为50℃，反应时间60s，腐蚀液为HF和DI的混合溶液，体积比为：HF:DI＝2:1，其中，HF表示浓度为40％的氢氟酸，DI表示去离子水；

3)腐蚀后处理：将经步骤2)处理得到的玻璃片先用DI超声清洗5min，再用HCl和DI的混合溶液(体积比为：HCl:DI＝1:3)超声清洗10min，然后再用DI清洗5min，最后常温氮气吹干。HCl表示质量分数为37.5％的盐酸，DI表示去离子水。

实施例5

本实施例的玻璃表面多孔结构的制备方法，包括如下步骤：

1)玻璃表面的预处理：将厚度为11±1mm，大小为25mm×25mm的普通硅酸盐玻璃片依次放入丙酮、乙醇、DI中分别超声清洗20min，再在常温下氮气吹干，去除玻璃片表面有机、无机沾染物；

2)雾化腐蚀处理：将预处理后的玻璃片水平后置于聚四氟乙烯容器中，将腐蚀液放入压缩空气式雾化器中，把产生的腐蚀酸雾通入聚四氟乙烯管道，液滴直径中位数为3.5μm，雾量控制为：0.2ml/min。酸雾在第一预设温度70℃下预热一定时长，本实施例中预热管道长20cm，预热时长约为2s。之后将经过预热后的酸雾通入容器中进行腐蚀反应，加热容器使第二预设温度为80℃，反应时间50s。腐蚀溶液为HF和DI的混合溶液，体积比为：HF:DI＝1:4，其中，HF表示浓度为40％的氢氟酸，DI表示去离子水；反应时间50s；

3)腐蚀后处理：将经步骤2)处理得到的玻璃片先用DI超声清洗5min，再用HCl和DI的混合溶液(体积比为：HCl:DI＝1:1)超声清洗10min，然后再用DI清洗5min，最后常温氮气吹干。HCl表示质量分数为37.5％的盐酸，DI表示去离子水。

本实施例中的酸雾在第一预定温度下预设一定时长，该预定时长可以通过预热管道的长度设定，通过调节管道长度设定预设时长。在具体实现时，也可以采用其他方式，例如设置可打开和可封闭预热容器，使预热容器封闭进行预设需要的时长，然后再打开预热容器将预热后的溶液充入盛放待腐蚀玻璃的容器中。

通过预热，使雾化后得到的液滴进一步挥发，一方面能够降低雾化得到的液滴的尺寸；另一方面，雾化后形成的液滴挥发掉的部分实际上是以更小的液滴形式挥发的，通过两个不同尺寸等级的液滴的联合的腐蚀作用以保证最终得到的腐蚀效果。

图3为本实施例制得玻璃表面多孔结构的SEM平面图，可以看出本实施例的方法能够在普通硅酸盐玻璃表面形成致密、均匀的纳米级多孔结构。透射率测试结果显示，采用本实施例的方法制备多孔结构后玻璃的透射率与实施例1中的基本相同(略有下降)，可见，本实施例的玻璃表面多孔结构能够实现增透的效果，且通过后期改进获取特殊浸润性。进一步，与图1比较，本实施例中制得玻璃表面多孔结构的一些杂乱的小孔隙消失，代之以均匀分布的突起，可见孔隙大小更加均匀，去小孔隙有助于增大表面起伏程度，有助于后续的亲疏水改性。

Claims (8)

1.一种玻璃表面多孔结构的制备方法，其特征在于，将腐蚀溶液雾化形成液滴对玻璃进行腐蚀。

2.如权利要求1所述的玻璃表面多孔结构的制备方法，其特征在于，所述腐蚀溶液为酸性腐蚀溶液或碱性腐蚀溶液。

3.如权利要求1或2所述的玻璃表面多孔结构的制备方法，其特征在于，腐蚀溶液雾化后形成的液滴尺寸为5nm～10μm。

4.如权利要求3所述的玻璃表面多孔结构的制备方法，其特征在于，雾化得到的液滴在第一预定温度下预热后再与玻璃表面接触以腐蚀玻璃。

5.如权利要求4所述的玻璃表面多孔结构的制备方法，其特征在于，所述第一预定温度为10～120℃。

6.如权利要求3所述的玻璃表面多孔结构的制备方法，其特征在于，雾化形成的液滴在第二预定温度下对玻璃进行腐蚀。

7.如权利要求6所述的玻璃表面多孔结构的制备方法，其特征在于，所述第二预定温度为10～120℃。

8.如权利要求6所述的玻璃表面多孔结构的制备方法，其特征在于，所述第二预定温度为40～90℃。