CN109851230A - 一种具有除霾功能的建筑玻璃及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具有除霾功能的建筑玻璃及制备方法，所述建筑玻璃是将水合硝酸锌、酸化处理的纳米硅藻土、硫化钠、碳酸铵、NaOH溶液、NaCl溶液先后加入蒸馏水中，恒温搅拌反应后间产物煅烧，得到纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇，接着分散于油酸中制成镀膜液，最后旋转镀膜于玻璃基片表面后热处理而制得。本发明提供的建筑玻璃的含纳米硅藻土负载掺杂改性的氧化锌纳米簇的除霾镀膜层，吸附性能好，光催化活性高，可有效光催化降解挥发性有机污染物等雾霾的主要污染源，除霾效率高，并且工艺制造过程简单、成本低，利于大规模推广。

Description

一种具有除霾功能的建筑玻璃及制备方法

技术领域

本发明涉及建筑玻璃技术领域，特别是涉及一种具有除霾功能的建筑玻璃及制备方法。

背景技术

随着我国国民经济持续增长及人民生活水平的不断提高，环保已成为一种人们追求健康绿色生活的主旋律。而随着人们对户内外装修的涂料要求越来越高，更多的人在选择功能性涂料的过程中，着重考虑抗雾霾环保型涂料，越来越多的人追求“亲近自然、大森林般的清新空气”，因此，研究和开发具有抗雾霾功效的涂料具有重要的意义。

近几年来，雾霾污染和室内空气质量问题日渐严重，挥发性有机污染物（VOCs）作为雾霾和室内大气污染的主要污染源之一，也因此受到了人们的广泛关注。其中，光催化降解挥发性有机污染物是目前最具有应用前景的环境友好净化技术之一，因此受到广泛关注。

目前，将过光催化技术用于各类建筑材料的研究和应用成为热门课题。在市场上已出现了光催化涂料、光催化自清洁瓷砖、光催化杀菌材料、抗霾玻璃等一系列产品，特别是随着纳米技术的发展，将纳米制备技术和光催化技术相结合，更是受到人们的青睐。但光催化涂料等的施工过程较为复杂，而对于城市中随处可见玻璃建筑，将抗霾功能与玻璃进行结合，可有效进行大面积、高效除霾，并且施工简单，因此抗霾玻璃的研究和应用越来越多。

中国发明专利申请号201510011175.7公开了一种纳米光催化复合型除霾祛醛乳胶漆，其特征是，包括以下组分及其重量百分比：水20-25%、高分子类分散剂1.5-2%、多功能助剂2-2.5%、纳米光催化炭硅复合原料25-35%、颜填料15-20%、乳液20-30%、成膜助剂1-2%。中国发明专利申请号201610741103.2公开了一种光催化抗雾霾砂壁状负离子涂料，包括以下重量份原料：抗霾基础料15-60份，颗粒骨料10-70份和粘结剂10-30份；该抗霾基础料能够消除雾霾中的烟尘，油尘，砂尘等，增加空气中的负离子。

为了解决现有的光催化涂料等利用光催化技术的建筑材料存在施工困难的问题，利用建筑玻璃施工简单而应用广泛的特点，有必要提出一种新型的具有除霾功能的建筑玻璃，进而实现高效大规模的除霾。

发明内容

针对目前通过光催化涂料等建筑材料进行大面积除霾存在施工困难的问题，本发明提出一种具有除霾功能的建筑玻璃及制备方法，从而在实现大规模除霾的同时，简化了施工工艺，降低了施工难度。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种具有除霾功能的建筑玻璃的制备方法，所述建筑玻璃是将水合硝酸锌、酸化处理的纳米硅藻土、硫化钠、碳酸铵、NaOH溶液、NaCl溶液先后加入蒸馏水中，恒温搅拌反应后间产物煅烧，得到纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇，接着分散于油酸中制成镀膜液，最后旋转镀膜于玻璃基片表面后热处理而制得，具体制备方法如下：

（1）先将水合硝酸锌溶解于蒸馏水中，加入酸化处理的纳米硅藻土，超声分散均匀，得到悬浮液，然后升温并向悬浮液中加入硫化钠、碳酸铵，搅拌均匀，接着依次缓慢加入质量浓度为10-15%的NaOH溶液、质量浓度为12-18%的NaCl溶液配成前驱液，恒温搅拌反应，待反应结束后过滤、真空干燥，收集所得固体产物，最后置于马弗炉中焙烧，出料，得到纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇；

（2）先将玻璃基片置于浓度为0.2-0.5mol/L的丙酮溶液中，在频率为30-40kHz的超声波下进行10-20min的超声清洗，清洗后取出干燥，然后将玻璃基片加热至40-60℃备用；

（3）将纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇加入油酸中，在60-80℃下保温分散均匀，制成镀膜液，然后采用旋转镀膜法将镀膜液沉积于已处理的玻璃基片表面，接着烘干，再进行热处理，最后自然冷却，即得具有抗雾霾功能的建筑玻璃。

优选的，步骤（1）中所述恒温搅拌反应采用磁力搅拌，搅拌转速为200-300rpm，温度为50-90℃，反应2-3h。

优选的，步骤（1）中所述焙烧的温度为500℃，焙烧2-5h。

优选的，步骤（1）中，蒸馏水、水合硝酸锌、酸化处理的纳米硅藻土、硫化钠、碳酸铵、NaOH溶液、NaCl溶液的质量比例为100:8-12:16-20:3-6:4-7:10-20:12-22。

优选的，所述玻璃基片包括但不限于平板玻璃、浮法玻璃、压花玻璃、钢化玻璃、夹层玻璃、吸热玻璃、热反射玻璃中的一种。

优选的，步骤（3）中所述旋转镀膜法的转速为1000-2000rpm，涂膜厚度为80-200μm。

优选的，步骤（3）中所述烘干的温度为150-250℃，烘干1-3h。

优选的，步骤（3）中所述热处理的温度为400-450℃，热处理3-6h。

优选的，步骤（3）中所述镀膜液中，油酸、纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇的质量比例为100:30-50。

本发明以水合硝酸锌为原料，采用水热法制备得到纳米氧化锌，反应条件温和，过程简单，无污染，得到的氧化锌纳米簇呈现良好的放射状向外辐射生长，实现了纳米晶在较宽范围内的可控生长，属于六方晶系铅锌矿结构，具有良好的光催化效果。

进一步的，在氧化锌纳米簇制备过程中加入硫化钠、碳酸铵，引入N、S，实现硫氮掺杂改性纳米氧化锌，N、S可进入氧化锌晶格内部并部分取代O，解决了纳米氧化锌光吸收主要集中于紫外线光区、光生载流子容易复合、量子产量低的问题，有效扩展了氧化锌的激发波段，提高了纳米氧化锌在可见光范围内的光催化效率。

更进一步的，在氮硫掺杂改性纳米氧化锌的过程中，使用纳米硅藻土进行负载，使得生成的氧化锌纳米粒子在硅藻土内部沿孔隙堆积生长成簇，利用硅藻土自身较高的比表面积和良好的吸附性能，同时氧化锌纳米簇由空心纳米粒子组装堆积而成，同样具有极高的比表面积，因此，本发明通过纳米硅藻土负载掺杂改性的氧化锌纳米簇后对玻璃基片进行旋转镀膜显著改善镀膜层的吸附性能，具有极高的催化活性，除霾效率高。

另外，本发明选择将纳米硅藻土负载掺杂改性的氧化锌纳米簇加入油酸作为镀膜液，油酸可通过包覆修饰氧化锌纳米簇，对产物结构起到梳理作用，实现了氧化锌纳米簇由亲水属油性向亲油疏水性的改变，提高了纳米硅藻土负载掺杂改性的氧化锌纳米簇在镀膜液中的分散性，确保了镀膜层的除霾效果。

现有的通过涂料进行大面积除霾的技术方法存在施工困难的问题，限制了其应用。鉴于此，本发明提出一种具有除霾功能的建筑玻璃及制备方法，将水合硝酸锌溶解于蒸馏水中，加入酸化处理的纳米硅藻土，超声分散得悬浮液；升温后向悬浮液中加入硫化钠、碳酸铵搅拌均匀，然后依次缓慢加入NaOH溶液、NaCl溶液配成前驱液，恒温搅拌反应，待反应结束后过滤、真空干燥，收集所得固体产物，置于马弗炉中焙烧，得到纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇；将玻璃衬底由丙酮溶液进行超声清洗，再将清洗后的玻璃基片加热备用；将纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇分散在油酸中，保温制成镀膜液，采用旋转镀膜法将镀膜液沉积在玻璃基片表面，接着烘干、热处理、自然冷却，获得具有抗雾霾功能的建筑玻璃。本发明提供的建筑玻璃的含纳米硅藻土负载掺杂改性的氧化锌纳米簇的除霾镀膜层，吸附性能好，光催化活性高，可有效光催化降解挥发性有机污染物等雾霾的主要污染源，除霾效率高，并且工艺制造过程简单、成本低，利于大规模推广。

本发明还提供了一种上述制备方法制备的得到的一种具有除霾功能的建筑玻璃，所述建筑玻璃是将水合硝酸锌、酸化处理的纳米硅藻土、硫化钠、碳酸铵、NaOH溶液、NaCl溶液先后加入蒸馏水中，恒温搅拌反应后间产物煅烧，得到纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇，接着分散于油酸中制成镀膜液，最后旋转镀膜于玻璃基片表面后热处理而制得。

本发明提出一种具有除霾功能的建筑玻璃及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：

1、本发明通过纳米硅藻土负载掺杂改性的氧化锌纳米簇后对玻璃衬底进行旋转镀膜，在玻璃表面形成除霾功能镀层，该镀层可有效光催化降解挥发性有机污染物等雾霾的主要污染源，可有效根除雾霾污染。

2、本发明制得的建筑玻璃镀膜层中的氧化锌纳米簇由空心纳米粒子组装堆积而成，具有极高的比表面积，从而显著改善镀膜层的吸附性能，具有极高的催化活性，除霾效率高。

3、本发明的工艺制造过程简单、成本低，容易实现大规模的除霾，无需后续施工，直接将该玻璃与建筑物进行装配即可，利于大规模推广。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。

实施例1

（1）先将水合硝酸锌溶解于蒸馏水中，加入酸化处理的纳米硅藻土，超声分散均匀，得到悬浮液，然后升温并向悬浮液中加入硫化钠、碳酸铵，搅拌均匀，接着依次缓慢加入质量浓度为13%的NaOH溶液、质量浓度为16%的NaCl溶液配成前驱液，恒温搅拌反应，待反应结束后过滤、真空干燥，收集所得固体产物，最后置于马弗炉中焙烧，出料，得到纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇；恒温搅拌反应采用磁力搅拌，搅拌转速为260rpm，温度为60℃，反应2.5h；焙烧的温度为500℃，焙烧3h；纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇制备中，蒸馏水、水合硝酸锌、酸化处理的纳米硅藻土、硫化钠、碳酸铵、NaOH溶液、NaCl溶液的质量比例为100:11:17:5:6:14:17；

（2）先将玻璃基片置于浓度为0.3mol/L的丙酮溶液中，在频率为36kHz的超声波下进行14min的超声清洗，清洗后取出干燥，然后将玻璃基片加热至48℃备用；玻璃基片为平板玻璃；

（3）将纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇加入油酸中，在68℃下保温分散均匀，制成镀膜液，然后采用旋转镀膜法将镀膜液沉积于已处理的玻璃基片表面，接着烘干，再进行热处理，最后自然冷却，即得具有抗雾霾功能的建筑玻璃；旋转镀膜法的转速为1600rpm，涂膜平均厚度为100μm；烘干的温度为190℃，烘干2h；热处理的温度为430℃，热处理4h；镀膜液中，油酸、纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇的质量比例为100:38。

测试方法：

将本实施例制备获得的建筑玻璃进行VOCs催化降解性能测试，在1m×1m×1m的试验箱内进行试验，箱内布置10W的氙气灯，放置本发明制得的建筑玻璃，尺寸为0.5m×0.5m，通入一定浓度的VOCs气体A₀，采用VOCs浓度测试仪实时监测测试箱内VOCs含量，并根据公式B=（A₀-A_i）/A₀计算VOCs去除率，测试时间分别为10min、20min和40min，得到结果如表1所示。

实施例2

（1）先将水合硝酸锌溶解于蒸馏水中，加入酸化处理的纳米硅藻土，超声分散均匀，得到悬浮液，然后升温并向悬浮液中加入硫化钠、碳酸铵，搅拌均匀，接着依次缓慢加入质量浓度为10%的NaOH溶液、质量浓度为12%的NaCl溶液配成前驱液，恒温搅拌反应，待反应结束后过滤、真空干燥，收集所得固体产物，最后置于马弗炉中焙烧，出料，得到纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇；恒温搅拌反应采用磁力搅拌，搅拌转速为200rpm，温度为50℃，反应3h；焙烧的温度为500℃，焙烧2h；纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇制备中，蒸馏水、水合硝酸锌、酸化处理的纳米硅藻土、硫化钠、碳酸铵、NaOH溶液、NaCl溶液的质量比例为100:8:16:3:4:10:12；

（2）先将玻璃基片置于浓度为0.2mol/L的丙酮溶液中，在频率为30kHz的超声波下进行20min的超声清洗，清洗后取出干燥，然后将玻璃基片加热至40℃备用；玻璃基片为平板玻璃；

（3）将纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇加入油酸中，在60℃下保温分散均匀，制成镀膜液，然后采用旋转镀膜法将镀膜液沉积于已处理的玻璃基片表面，接着烘干，再进行热处理，最后自然冷却，即得具有抗雾霾功能的建筑玻璃；旋转镀膜法的转速为1000rpm，涂膜平均厚度为80μm；烘干的温度为150℃，烘干3h；热处理的温度为400℃，热处理6h；镀膜液中，油酸、纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇的质量比例为100:30。

采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。

实施例3

（1）先将水合硝酸锌溶解于蒸馏水中，加入酸化处理的纳米硅藻土，超声分散均匀，得到悬浮液，然后升温并向悬浮液中加入硫化钠、碳酸铵，搅拌均匀，接着依次缓慢加入质量浓度为15%的NaOH溶液、质量浓度为18%的NaCl溶液配成前驱液，恒温搅拌反应，待反应结束后过滤、真空干燥，收集所得固体产物，最后置于马弗炉中焙烧，出料，得到纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇；恒温搅拌反应采用磁力搅拌，搅拌转速为300rpm，温度为90℃，反应2h；焙烧的温度为500℃，焙烧5h；纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇制备中，蒸馏水、水合硝酸锌、酸化处理的纳米硅藻土、硫化钠、碳酸铵、NaOH溶液、NaCl溶液的质量比例为100: 12: 20:6: 7: 20:22；

（2）先将玻璃基片置于浓度为0.5mol/L的丙酮溶液中，在频率为40kHz的超声波下进行10min的超声清洗，清洗后取出干燥，然后将玻璃基片加热至60℃备用；玻璃基片为平板玻璃；

（3）将纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇加入油酸中，在80℃下保温分散均匀，制成镀膜液，然后采用旋转镀膜法将镀膜液沉积于已处理的玻璃基片表面，接着烘干，再进行热处理，最后自然冷却，即得具有抗雾霾功能的建筑玻璃；旋转镀膜法的转速为2000rpm，涂膜平均厚度为200μm；烘干的温度为250℃，烘干1h；热处理的温度为450℃，热处理3h；镀膜液中，油酸、纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇的质量比例为100: 50。

采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。

实施例4

（1）先将水合硝酸锌溶解于蒸馏水中，加入酸化处理的纳米硅藻土，超声分散均匀，得到悬浮液，然后升温并向悬浮液中加入硫化钠、碳酸铵，搅拌均匀，接着依次缓慢加入质量浓度为12%的NaOH溶液、质量浓度为15%的NaCl溶液配成前驱液，恒温搅拌反应，待反应结束后过滤、真空干燥，收集所得固体产物，最后置于马弗炉中焙烧，出料，得到纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇；恒温搅拌反应采用磁力搅拌，搅拌转速为250rpm，温度为70℃，反应2.5h；焙烧的温度为500℃，焙烧4h；纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇制备中，蒸馏水、水合硝酸锌、酸化处理的纳米硅藻土、硫化钠、碳酸铵、NaOH溶液、NaCl溶液的质量比例为100:10:18:4:6:15:17；

（2）先将玻璃基片置于浓度为0.4mol/L的丙酮溶液中，在频率为35kHz的超声波下进行15min的超声清洗，清洗后取出干燥，然后将玻璃基片加热至50℃备用；玻璃基片为平板玻璃；

（3）将纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇加入油酸中，在70℃下保温分散均匀，制成镀膜液，然后采用旋转镀膜法将镀膜液沉积于已处理的玻璃基片表面，接着烘干，再进行热处理，最后自然冷却，即得具有抗雾霾功能的建筑玻璃；旋转镀膜法的转速为1500rpm，涂膜平均厚度为140μm；烘干的温度为200℃，烘干2h；热处理的温度为420℃，热处理5h；镀膜液中，油酸、纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇的质量比例为100:40。

采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。

对比例1

对比例1与实施例1相比，未添加酸化处理的纳米硅藻土，制得的建筑玻璃采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。

表1：

Claims (10)

1.一种具有除霾功能的建筑玻璃的制备方法，其特征在于，所述建筑玻璃是将水合硝酸锌、酸化处理的纳米硅藻土、硫化钠、碳酸铵、NaOH溶液、NaCl溶液先后加入蒸馏水中，恒温搅拌反应后间产物煅烧，得到纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇，接着分散于油酸中制成镀膜液，最后旋转镀膜于玻璃基片表面后热处理而制得，具体制备方法如下：

（1）先将水合硝酸锌溶解于蒸馏水中，加入酸化处理的纳米硅藻土，超声分散均匀，得到悬浮液，然后升温并向悬浮液中加入硫化钠、碳酸铵，搅拌均匀，接着依次缓慢加入质量浓度为10-15%的NaOH溶液、质量浓度为12-18%的NaCl溶液配成前驱液，恒温搅拌反应，待反应结束后过滤、真空干燥，收集所得固体产物，最后置于马弗炉中焙烧，出料，得到纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇；

（2）先将玻璃基片置于浓度为0.2-0.5mol/L的丙酮溶液中，在频率为30-40kHz的超声波下进行10-20min的超声清洗，清洗后取出干燥，然后将玻璃基片加热至40-60℃备用；

（3）将纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇加入油酸中，在60-80℃下保温分散均匀，制成镀膜液，然后采用旋转镀膜法将镀膜液沉积于已处理的玻璃基片表面，接着烘干，再进行热处理，最后自然冷却，即得具有抗雾霾功能的建筑玻璃。

2.根据权利要求1所述的一种具有除霾功能的建筑玻璃的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述恒温搅拌反应采用磁力搅拌，搅拌转速为200-300rpm，温度为50-90℃，反应2-3h。

3.根据权利要求1所述的一种具有除霾功能的建筑玻璃的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述焙烧的温度为500℃，焙烧2-5h。

4.根据权利要求1所述的一种具有除霾功能的建筑玻璃的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，蒸馏水、水合硝酸锌、酸化处理的纳米硅藻土、硫化钠、碳酸铵、NaOH溶液、NaCl溶液的质量比例为100:8-12:16-20:3-6:4-7:10-20:12-22。

5.根据权利要求1所述的一种具有除霾功能的建筑玻璃的制备方法，其特征在于，所述玻璃基片包括但不限于平板玻璃、浮法玻璃、压花玻璃、钢化玻璃、夹层玻璃、吸热玻璃、热反射玻璃中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种具有除霾功能的建筑玻璃的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述旋转镀膜法的转速为1000-2000rpm，涂膜厚度为80-200μm。

7.根据权利要求1所述的一种具有除霾功能的建筑玻璃的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述烘干的温度为150-250℃，烘干1-3h。

8.根据权利要求1所述的一种具有除霾功能的建筑玻璃的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述热处理的温度为400-450℃，热处理3-6h。

9.根据权利要求1所述的一种具有除霾功能的建筑玻璃的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，油酸、纳米硅藻土负载硫氮掺杂氧化锌纳米簇的质量比例为100:30-50。

10.如权利要求1-9任一权项所述制备方法制备得到的一种具有除霾功能的建筑玻璃。