CN110240816B - 一种透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料及其制备方法 - Google Patents

一种透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料及其制备方法。所述制备方法包括以下步骤：（1）将醋酸锌溶于无水乙醇中搅拌，随后加入醇胺与蒸馏水，加热搅拌得ZnO溶胶；（2）将钛源溶于无水乙醇中，随后加入乙酰丙酮与醇胺，搅拌后，滴加无水乙醇、蒸馏水和硝酸的混合液，搅拌后在室温下静置得到TiO2溶胶；（3）将上述溶胶混合得到混合溶胶，搅拌并在室温下静置老化；（4）混合溶胶经室温静置老化后，均匀地涂抹在基底上形成涂层，室温下静置后将所述基底加热，随后煅烧即得到透明亲水性自清洁抗污染涂层。与普通玻璃表面相比，所述涂层可减少50%以上的灰尘沉积量。可应用于太阳能光伏板、建筑玻璃幕墙以及换热器表面的抗污防尘。

Description

一种透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料及其制备方法
技术领域
本发明属于自清洁材料技术领域，具体涉及一种透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料及其制备方法。
背景技术
灰尘沉积所造成的污染给人们的生活及工业生产带来了很大的困扰。大气中含有较多的灰尘与颗粒悬浮物，这些悬浮物附着在太阳能光伏板上将会极大程度地降低光伏板的透光率，进而降低光伏效率。灰尘沉积在换热器表面将会大幅度提高换热器的热阻，进而降低换热器的传热效率。还有在其他很多工业设备、精密电子元件应用上，灰尘沉积均会造成很大的影响。
目前，针对此类问题，市场上有两种应对措施。一种为对污染表面定期进行清理从而达到清洁的作用。但此种方式存在明显的弊端。其需要大量的人力财力，同时在干旱地区极为不便。另一种应对措施为在器件表面涂抹一层涂层以达到自清洁的效果。市场上有采用超亲水涂层喷涂在玻璃表面，在表面和污垢之间形成一层水膜从而在水流的带动下，使得表面灰尘得以快速脱落。也有采用超疏水涂层，利用涂层自身的疏水作用，使得水分在器件表面无法停留，从而带走了附着在涂层表面的灰尘。
上述方法均具有一定的局限性。首先，人工清理的方式需要大量的人力财力，在部分地区极为不便。若使用涂层，两种涂层均需要在有水分的情况下才能对表面进行清理，因而湿度对于其清洁效率具有很大的影响。其次，现有的超亲水及超疏水涂层的制备方法较为复杂，其工业化、市场化大规模使用尚存在问题，且材料自身的耐久性亦是一个不容忽视的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提出一种透明自清洁抗灰尘沉积材料及其制备方法，材料自身的制备工艺较为简单，同时具有较强的耐久性，用以解决当前在生活及工业生产中均存在的较为较为严重的灰尘污染问题，从而在太阳能光伏板、换热器、风扇等领域均有着较为广泛的应用。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
为达到上述目的，本发明的技术方案提供了一种透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）配置ZnO溶胶
将醋酸锌溶于无水乙醇中搅拌，随后加入醇胺与蒸馏水，加热搅拌得到ZnO溶胶；
（2）配置TiO2溶胶
将钛源溶于无水乙醇中，随后加入乙酰丙酮与醇胺，搅拌后，滴加无水乙醇、蒸馏水以及硝酸的混合液，搅拌后在室温下静置得到TiO2溶胶；
（3）将步骤（1）和（2）的溶胶混合得到混合溶胶，搅拌并在室温下静置老化；
（4）混合溶胶经室温静置老化后，均匀地涂抹在基底上形成涂层，室温下静置后将所述基底加热，随后煅烧即得到所述透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料。
优选地，所述步骤（1）中，ZnO溶胶中醋酸锌、无水乙醇、醇胺和蒸馏水的摩尔比为2:20-25:2:3-5。
优选地，所述步骤（2）中，首先钛源溶于无水乙醇中时，钛源与无水乙醇的体积比为1:3.93-4.59，而且钛源与后面加入的乙酰丙酮、醇胺、无水乙醇、蒸馏水以及硝酸的体积比为1: 0.16-0.21:0.17:2.0-2.3:1.0:0.02-0.03。
优选地，所述步骤（3）中，混合时TiO2溶胶与ZnO溶胶的体积比为1:1-10:1。
优选地，步骤（1）中加热搅拌是在65-75oC搅拌1.5-2.5h。
优选地，步骤（2）中在制备TiO2溶胶溶液时，钛源与乙酰丙酮以及醇胺搅拌反应30-50min。
优选地，所述步骤（2）中在制备TiO2溶胶时，搅拌后在室温下静置2-4h。
优选地，步骤（3）在制备混合溶胶时，ZnO溶胶与TiO2溶胶混合搅拌1.5-2.5h并在室温下静置老化2-4天。
优选地，步骤（4）中将涂层材料均匀涂抹到玻片上后，先静置1.5-2.5h后在90-100oC条件下加热30-40min，最后再在500-550oC下煅烧40-50min。
通过上述制备方法制备得到亲水性透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料，表面孔径为0.5微米至10微米，具有很好的透光性，在表面形成一层水膜流下的情况下能够很好的带走附着在基底表面的灰尘，具有很好的抗灰尘沉积特性。材料涂层由TiO2溶胶以及ZnO溶胶混合制备合成，其中TiO2提供良好的亲水性能，而ZnO则有利于降低涂层的折射率并提高涂层的透光性，这样在保证涂层具备超亲水性的同时又可以保证其不会影响基底的透光性，具备较高的实际应用价值。
本发明具有如下优点及有益效果：
（1）本发明采用有机钛酸酯制备TiO2溶胶溶液，随后利用ZnO溶胶溶液对TiO2溶胶薄膜透光性进行改性，制备所得的涂层具有较好的自清洁效果同时兼具较好的透光性。所制备涂层因可使小水珠在表面形成一层水膜流下，从而带走沉积在表面的灰尘，因而具有很好的抗灰防尘效果。经过灰尘沉积实验测量发现与普通玻璃表面相比，所制备涂层可以减少50%以上的灰尘沉积量，且对于周围环境湿度较大时，空气中的水蒸汽更易凝结在涂层表面形成水膜，从而带走表面的灰尘，其自清洁抗灰防尘效果更佳。同时，由于表面水膜的存在，因而表面存在的漫反射问题已被最大程度的消除。
（2）本发明的亲水性透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料制备过程中，所使用的材料具有较高的透光性，因而在自清洁过程的同时并未影响载体自身的透光性。
（3）在制备过程中只需要在室温下涂抹即可将涂层粘附在载体上，不需要复杂的旋转喷涂方式，反应条件较为简单，反应有机物易获取，在反应过程中无污染物生成，转化效率高，反应装置简单，可用于一系列亲水性透明自清洁抗灰尘沉积材料的制备。因而可以应用于太阳能光伏板、建筑玻璃幕墙以及换热器表面的抗污防尘，在建筑、能源和环境工程领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的亲水性透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料与普通玻璃经灰尘沉积后的灰尘沉积密度变化图；
图2是本发明实施例1制备的亲水性透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料对玻璃透光率的影响示意图；
图3是本发明实施例1制备的亲水性透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料表面电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。 实施例1
一种亲水性透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料的制备方法，其具体步骤为：
（1）配置含ZnO的溶胶：将7.6g醋酸锌水合物溶于无水乙醇中，搅拌30分钟，随后加入N,N-二乙基乙醇胺与蒸馏水，混合溶液在65oC下搅拌2h。在配置过程中，醋酸锌水合物、无水乙醇、N,N-二乙基乙醇胺以及蒸馏水的摩尔比为2:20:2:4。
（2）配置含TiO2的溶胶：将10mL的钛酸丁酯溶液溶于40mL的无水乙醇中，随后加入乙酰丙酮与N,N-二乙基乙醇胺，搅拌30min后，将20mL乙醇、10mL蒸馏水以及0.3mL质量浓度为65%的硝酸的混合液滴到其中，搅拌30min后在室温下静置3h。在配置过程中，钛酸丁酯、第一次无水乙醇量、乙酰丙酮、N,N-二乙基乙醇胺、蒸馏水、第二次无水乙醇量以及硝酸的之间的体积比为10:40:2.0:1.7:20:10:0.3。
（3）将上述两种溶胶按体积分数1:4的比例混合，得到混合溶胶，搅拌2h并在室温下静置老化2天。
（4）所制备的ZnO-TiO2溶胶经室温下静置老化后，均匀地涂抹在载玻片上，室温下静置2h后将含有涂层的玻片置于100oC加热30min，随后在550oC环境下煅烧40min。取出，待用，即可得到透明亲水性自清洁抗污染涂层。
本实施例所制备出的亲水性透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料表面具有多孔结构，孔的大小范围在1微米至10微米之间（如图3所示），涂层表面水的静态接触角度数在5o以下，具备良好的超亲水效果。同时涂层本身具有良好的透光性，透光率与普通玻璃（无涂层）相比并无明显下降（如图2所示）。图1显示，实施例1制备得到的涂层表面沉积的灰尘较普通玻璃（无涂层）更易被水流带走，其沉积量仅为普通玻璃的50%，因而具有较好的抗灰尘沉积特性（抗灰尘沉积试验是在高湿度环境下测量其表面灰尘密度随时间变化趋势）。
实施例2
一种亲水性透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料的制备方法，其具体步骤为：
配置含ZnO的溶胶：将7.6g醋酸锌水合物溶于无水乙醇中，搅拌30分钟，随后加入三乙醇胺与蒸馏水，混合溶液在65oC下搅拌2h。在配置过程中，醋酸锌水合物、无水乙醇、三乙醇胺以及蒸馏水的摩尔比为2:20:2:4。
配置含TiO2的溶胶：将10mL的钛酸异丙酯溶液溶于40mL的无水乙醇中，随后加入乙酰丙酮与三乙醇胺，搅拌30min后，将20mL乙醇、10mL蒸馏水以及0.3mL质量浓度为65%的硝酸的混合液滴到其中，搅拌30min后在室温下静置3h。在配置过程中，钛酸异丙酯、第一次无水乙醇量、乙酰丙酮、N,N-二乙基乙醇胺、蒸馏水、第二次无水乙醇量以及硝酸的之间的体积比为10:40:1.8:1.7:20:10:0.3。
将上述两种溶胶按体积分数1:5的要求混合，得到混合溶胶，搅拌2h并在室温下静置老化2天。
所制备的ZnO-TiO2溶胶经室温下静置老化后，均匀地涂抹在载玻片上，室温下静置2h后将含有涂层的玻片置于100oC加热40min，随后在500oC环境下煅烧40min。取出，待用，即可得到透明亲水性自清洁抗污染涂层。
本实施例所制备出的亲水性透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料表面具有多孔结构，孔的大小范围在1.0微米至10微米之间（参照图3），涂层表面水的静态接触角度数在5o以下，具备良好的超亲水效果。同时涂层本身具有良好的透光性，透光率与普通玻璃相比并无明显下降。经实验证明，其表面沉积的灰尘较普通玻璃更易被水流带走，其沉积量仅为普通玻璃的40%，因而具有较好的抗灰尘沉积特性。
实施例3
一种亲水性透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料的制备方法，其具体步骤为：
配置含ZnO的溶胶：将7.6g醋酸锌水合物溶于无水乙醇中，搅拌30分钟，随后加入2-二乙胺基乙醇与蒸馏水，混合溶液在60oC下搅拌2h。在配置过程中，醋酸锌水合物、无水乙醇、2-二乙胺基乙醇以及蒸馏水的摩尔比为2:20:2:5。
配置含TiO2的溶胶：将10mL的钛酸四乙酯溶液溶于40mL的无水乙醇中，随后加入乙酰丙酮与二乙醇胺，搅拌30min后，将20mL乙醇、10mL蒸馏水以及0.3mL质量浓度65%的硝酸混合液滴到其中，搅拌30min后在室温下静置3h。在配置过程中，钛酸四乙酯、第一次无水乙醇量、乙酰丙酮、N,N-二乙基乙醇胺、蒸馏水、第二次无水乙醇量以及硝酸的之间的体积比为10:40:1.8:1.7:20:10:0.3。
将上述两种溶胶按体积分数1:5的比例混合，得到混合溶胶，搅拌3h并在室温下静置老化2天。
所制备的ZnO-TiO2溶胶经室温下静置老化后，均匀地涂抹在载玻片上，室温下静置2h后将含有涂层的玻片置于100oC加热40min，随后在500oC环境下煅烧40min。取出，待用，即可得到透明亲水性自清洁抗污染涂层。
本实施例所制备出的亲水性透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料表面具有多孔结构，孔的大小范围在0.5微米至10微米之间（参照图3），涂层表面水的静态接触角度数在5o以下，具备良好的超亲水效果。同时涂层本身具有良好的透光性，透光率与普通玻璃相比并无明显下降。经实验证明，其表面沉积的灰尘较普通玻璃更易被水流带走，其沉积量仅为普通玻璃的40%，因而具有较好的抗灰尘沉积特性。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限定。凡本领域的技术人员利用本发明的技术方案对上述实施例作出的任何等同的变动、修饰或演变等，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配置ZnO溶胶
将醋酸锌溶于无水乙醇中搅拌，随后加入醇胺与蒸馏水，加热搅拌得到ZnO溶胶；ZnO溶胶中醋酸锌、无水乙醇、醇胺和蒸馏水的摩尔比为2:20-25:2:3-5；加热搅拌是在65-75℃搅拌1.5-2.5h；
(2)配置TiO2溶胶
将钛源溶于无水乙醇中，随后加入乙酰丙酮与醇胺，搅拌30-50min后，滴加无水乙醇、蒸馏水以及硝酸的混合液，搅拌后在室温下静置2-4h得到TiO2溶胶；首先钛源溶于无水乙醇中时，钛源与无水乙醇的体积比为1:3.93-4.59，而且钛源与后面加入的乙酰丙酮、醇胺、无水乙醇、蒸馏水以及硝酸的体积比为1:0.16-0.21:0.17:2.0-2.3:1.0:0.02-0.03；
(3)将步骤(1)和(2)的溶胶混合搅拌1.5-2.5h得到混合溶胶，混合时TiO2溶胶与ZnO溶胶的体积比为1:1-10:1，搅拌并在室温下静置老化2-4天；
(4)混合溶胶经室温静置老化后，均匀地涂抹在基底上形成涂层，室温下静置1.5-2.5h后将所述基底加热，在90-100℃条件下加热30-40min，最后再在500-550℃下煅烧40-50min，即得到所述透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料。
2.权利要求1所述制备方法制得的透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料，其特征在于，所述透明自清洁抗灰尘沉积涂层材料的表面孔径为0.5微米至10微米。
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