ES2347904T3 - Lamina de acristalamiento de auto-limpieza. - Google Patents

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Abstract

Una lámina de acristalamiento de auto-limpieza caracterizada por un sustrato de vidrio tintado, una capa de recubrimiento fotocatalíticamente activa, hidrófila, que comprende un compuesto metálico sobre una superficie de la misma y medios de calentamiento para aumentar la temperatura del sustrato, en la que los medios de calentamiento comprenden un recubrimiento reflectante del calor sobre la superficie de la lámina de acristalamiento.

Description

Esta invención se refiere a láminas de acristalamiento de auto-limpieza, a unidades o laminados de acristalamiento múltiples que comprenden láminas de acristalamiento de auto-limpieza, y a ventanas y fachadas que comprenden láminas de acristalamiento de auto-limpieza.
Las láminas de acristalamiento de auto-limpieza tienen una superficie hidrófila. La lluvia u otro tipo de agua que entra en contacto con la superficie hidrófila se extenderán sobre la superficie y arrastrará la suciedad de la misma. Es beneficioso acristalar las ventanas con láminas de acristalamiento de auto-limpieza porque requieren una menor limpieza que las ventanas corrientes. Las láminas de acristalamiento de auto-limpieza pueden ser láminas plásticas, pero normalmente son láminas de vidrio. La superficie de auto-limpieza se proporciona normalmente mediante un recubrimiento hidrófilo sobre la lámina de acristalamiento. El recubrimiento puede ser, por ejemplo, de óxido de silicio
o un óxido metálico.
Un tipo particularmente útil de lámina de acristalamiento de auto-limpieza es una cuyo revestimiento hidrófilo es fotocatalíticamente activo. La actividad fotocatalítica surge por la fotogeneración, en un semiconductor, de un par agujero-electrón cuando el semiconductor se ilumina por una luz de una frecuencia determinada. El par agujero-electrón puede generarse a la luz del sol y puede reaccionar en aire húmedo para formar radicales hidroxi y peroxi sobre la superficie del semiconductor. Los radicales oxidan la suciedad orgánica sobre la superficie. Cuando los recubrimientos fotocatalíticamente activos se iluminan, por tanto, tienden a destruir la suciedad orgánica sobre la superficie. También tienden a mantener sus propiedades hidrófilas, debido a la limpieza activa de la superficie como una consecuencia de la iluminación. Los recubrimientos fotocatalíticamente activos pueden comprender un semiconductor con una banda prohibida adecuada, por ejemplo, óxido de titanio.
Los recubrimientos fotocatalíticos de óxido de titanio sobre vidrio se describen en los documentos EP 0 901 991 A2, WO 97/07069, WO 97/10186, WO 98/06675, WO 98/41480, WO 00/75087, en el Resumen 735 de la 187 Reunión de la Electromechanical Society (Reno, NV, 95-1, pág. 1102) y en la
revista New Scientist (26 de agosto de 1996, pág. 19).
Sería ventajoso mantener la naturaleza hidrófila de las superficies a un nivel mayor que el conseguido actualmente, a fin de aumentar la efectividad de las propiedades de auto-limpieza. Para un recubrimiento fotocatalíticamente activo, esto podría implicar un aumento de la actividad fotocatalítica de la superficie.
La presente invención proporciona, por consiguiente, en un primer aspecto, una lámina de acristalamiento de auto-limpieza como se expone en la reivindicación 1 adjunta a tal efecto.
Sorprendentemente, aumentar la temperatura del sustrato da como resultado el aumento de la actividad del recubrimiento, que da como resultado una mejora en las propiedades de auto-limpieza del recubrimiento.
Generalmente, lo recubrimientos hidrófilos tienen ángulos de contacto estáticos con el agua de 40º o menores, preferiblemente 25º o menores. El recubrimiento hidrófilo es un recubrimiento fotocatalíticamente activo. Preferiblemente, el sustrato tiene una absorción de calor solar directa de 0,15 o mayor. Más preferiblemente, sin embargo, el sustrato tendrá una absorción de calor solar directa de 0,2 o mayor, 0,25 o mayor, 0,3 o mayor, 0,35 o mayor o 0,4 o mayor. Preferiblemente, el sustrato es un sustrato de vidrio flotado. Los sustratos de vidrio tintado pueden formarse añadiendo colorantes a composiciones de vidrio base. Dichos colorantes incluyen óxido de hierro, que puede añadirse a una composición de vidrio base en una cantidad del 0,1 al 0,9 por ciento en peso, preferiblemente del 0,4 al 0,9 por ciento en peso (Fe2O3).
Las láminas de acristalamiento de auto-limpieza de la invención pueden usarse en múltiples unidades de acristalamiento que comprenden la lámina de acristalamiento de auto-limpieza en orientación opuesta a una segunda lámina de acristalamiento. Las láminas de acristalamiento de auto-limpieza pueden incorporarse también en laminados (especialmente vidrio laminado).
Pueden incorporarse láminas de acristalamiento de auto-limpieza, unidades y laminados de acristalamiento múltiples, como se ha descrito anteriormente, en ventanas para edificios o vehículos. Pueden incorporarse también láminas de acristalamiento de auto-limpieza, unidades y laminados de acristalamiento múltiples, como se ha descrito anteriormente, en fachadas para edificios.
A modo de ejemplo, las realizaciones de la invención se describirán a
continuación con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1 es un gráfico de velocidad de reacción de un recubrimiento
fotocatalíticamente activo de óxido de titanio sobre vidrio como una
función de la temperatura.
La Figura 2 ilustra esquemáticamente en sección (y no a escala) una
lámina de acristalamiento de auto-limpieza de acuerdo con la presente
invención.
La Figura 3 ilustra esquemáticamente en sección (y no a escala) una
unidad de acristalamiento múltiple que comprende una lámina de
acristalamiento de auto-limpieza.
Los datos para la Figura 1 se obtuvieron usando un sustrato de vidrio flotado transparente, provisto de un recubrimiento que tiene una capa inferior de sílice de bloqueo de álcali y un recubrimiento fotocatalíticamente activo de óxido de titanio, depositado sobre la capa de sílice. Las capas de sílice y óxido de titanio se depositaron por deposición química en fase vapor sobre la superficie de vidrio, durante el proceso de producción de vidrio flotado; el recubrimiento de sílice a partir de una mezcla de gas precursora que comprende silano, etileno y oxígeno, la capa de óxido de titanio a partir de una mezcla de gas precursora que comprende cloruro de titanio y acetato de etilo (generalmente como se describe en el documento WO 00/75087).
Para medir la actividad fotocatalítica del vidrio recubierto, se depositaron películas de ácido esteárico sobre la superficie fotocatalíticamente activa, tomando una solución madre de 1 x 10-2 mol dm-3 de ácido esteárico en metanol y pipeteando 3x10-2 cm3 sobre la superficie recubierta de TiO2 del portaobjetos de vidrio. Después, esto se centrifuga a 1000 rpm durante 2 min en una máquina de recubrimiento pivotante Electronic Microsystems Ltd y posteriormente, se deja en una corriente de aire durante aproximadamente 30 min para asegurar la retirada completa de metanol. La fotoactividad de las películas se determinó midiendo la absorbancia integrada característica de las vibraciones de tensión infrarrojas de C-H de ácido esteárico entre 2700 cm-1 y 3000 cm-1 como una función del tiempo de irradiación, usando un espectrómetro infrarrojo con transformada de Fourier Perkin Elmer 1725 (FTIR). Los valores de la bibliografía basados en la absorbancia integrada de homólogos que tienen un área por molécula conocida (tal como ácido araquídico (CH3, (CH2)18CO2H) da un valor de 3,17 x 1015 moléculas de ácido esteárico cm-2 por cada unidad de cm-1 abs. medida (como se analiza en Y. Paz, Z. Luo, L. Razenberg, A. Heller, J. Mater. Res., 1995, 10, 2842). Las concentraciones superficiales de ácido esteárico se calcularon sobre esta base.
La irradiación se realizó usando un reactor fotoquímico que comprende una unidad de irradiación semicilíndrica que contiene seis bombillas Black Light 8W (Coast-Air; radiación λ(máx.) = 355-360 nm; longitud, 28,7 cm) colocadas frente a un reflector de aluminio semicilíndrico. Para determinar el efecto de la temperatura, las muestras de vidrio recubiertas se montaron sobre una célula termostatizada y las temperaturas variaron entre 14 y 53ºC (287 y 327 K). La Figura 1 muestra la velocidad de fotooxidación del ácido esteárico como una función de la temperatura. A partir de estos resultados está claro que aumentando la temperatura aumenta la velocidad de reacción.
La Figura 2 muestra una lámina de acristalamiento de auto-limpieza 2 que comprende un sustrato de vidrio flotado tintado de verde oscuro 4 que tiene un recubrimiento de dos capas 6 sobre la superficie. El sustrato de vidrio flotado 4 tiene una composición base de un vidrio de sílice-cal-sosa con aproximadamente un 0,9 por ciento en peso de óxido de hierro como colorante, como se describe en las Tablas 1 y 2 más adelante. La capa superior 8 del recubrimiento 6 es una capa fotocatalíticamente activa de óxido de titanio. La capa inferior 10 del recubrimiento 6 es una capa de sílice que funciona como una capa de bloqueo de álcali para reducir o prevenir la migración de iones de metales alcalinos en la capa superior 8 del recubrimiento 6, que puede reducir su actividad fotocatalítica. Cuando la lámina de acristalamiento 2 se expone a energía radiante (por ejemplo luz solar) el sustrato de vidrio flotado tintado 4 absorbe una parte de esta energía y aumenta la temperatura de la lámina de acristalamiento 2. El aumento de temperatura tiene el efecto de mejorar las propiedades de auto-limpieza de la superficie recubierta 12 de la lámina de acristalamiento aumentando la actividad fotocatalítica de la capa fotocatalíticamente activa 8. El aumento de temperatura puede hacer también más hidrófila a la superficie.
La Figura 3 muestra una unidad de acristalamiento doble 14 que comprende una lámina de acristalamiento de auto-limpieza 16 y una segunda lámina de acristalamiento 18 montadas en orientación opuesta entre sí. La lámina de acristalamiento de auto-limpieza 16 y la segunda lámina de acristalamiento 18 se separan mediante un espaciador 20 para dejar un hueco de aire 22 para mejorar el aislamiento de la unidad. La lámina de acristalamiento de auto-limpieza 16 es similar a la ilustrada en la Figura 2, que comprende un sustrato de vidrio flotado 24 que tiene un recubrimiento de dos capas sobre una superficie. La capa superior 26 del recubrimiento es una capa fotocatalíticamente activa de óxido de titanio y la capa inferior 28 es una capa de sílice que actúa como una capa de bloqueo de álcali. La superficie recubierta 30 de la lámina de acristalamiento de auto-limpieza 16 se sitúa de tal forma que cuando la unidad de acristalamiento doble 14 se instala en una estructura, la superficie recubierta puede estar en el exterior. La segunda lámina de acristalamiento 18 comprende un sustrato de vidrio flotado tintado de verde oscuro 32 que tiene un recubrimiento reflectante del calor 34 depositado pirolíticamente sobre la superficie. El recubrimiento reflectante del calor comprende una capa inferior de oxicarburo de silicio y una capa de óxido de estaño dopada con flúor (de aproximadamente 300 nm de espesor). Como alternativa, la capa reflectante del calor puede comprender un recubrimiento pulverizado que comprende una o más capas delgadas de plata y capas antireflexión.
Durante el uso, pasará energía radiante (por ejemplo luz solar) a través de la unidad de acristalamiento doble 14 y se reflejará mediante el recubrimiento reflectante del calor 34 hacia la lámina de acristalamiento de auto-limpieza 16, por consiguiente, aumentando su temperatura. El sustrato de vidrio verde oscuro 32 de la segunda lámina de acristalamiento 18 contribuirá también a un aumento en la temperatura de la lámina de acristalamiento de auto-limpieza 16, absorbiendo energía radiante, estando reflejada también la energía absorbida re-radiada mediante el recubrimiento reflectante del calor 34 hacia la lámina de acristalamiento de auto-limpieza 16.
La invención se ilustra adicionalmente mediante los siguientes ejemplos, que se refieren a láminas de acristalamiento de auto-limpieza que comprenden recubrimientos fotocatalíticamente activos depositados sobre sustratos de vidrio. Los sustratos de vidrio consisten en una composición base que tiene componentes en el intervalo aproximado de proporciones indicado en la Tabla 1, tintados por la adición de colorantes en las cantidades aproximadas descritas en la Tabla 2. Normalmente, los colorantes se añaden de la parte superior de la composición base, en cuyo caso se la composición se vuelve a normalizar. Las cantidades están en porcentaje en peso, pueden estar presentes también pequeñas cantidades de otros componentes. La cantidad de hierro ferroso (Fe2+) se mide en términos de porcentaje óptico. Los sustratos de vidrio pueden fabricarse mediante métodos bien conocidos en la técnica del vidrio y pueden conseguirse sustratos de vidrio transparentes y tintados (con propiedades idénticas a o similares a aquéllas de los sustratos de vidrio descritos en este documento) como productos básicos disponibles en el mercado.
Tabla 1
Composición Base
% en peso Mín.
% en peso Máx.
SiO2
71,90 72,90
CaO
8,27 9,15
MgO
3,87 4,42
Na2
12,90 14,20
K2O
0,02 0,80
Fe2O3
0,092 0,136
Al2O3
0,07 1,19
SO3
0,167 0,25
Tabla 2
Color del
Fe2O3 Fe2+ (% Co3O4 NiO Se TiO2
sustrato de
(% en Óptico) (ppm) (ppm) (ppm) (% en
vidrio tintado
peso) peso)
Transparente
- - - - - -
Gris
0,40 20 80 - 23 -
Bronce
0,40 20 39 - 27 -
Azul
0,61 27 57 - - 0,11
Verde Claro
0,60 25 - - - -
Verde Oscuro
0,90 25 - - - -
Los vidrios tintados tienen cantidades de óxido de hierro (medido como porcentaje en peso de Fe2O3) en el intervalo del 0,4 al 0,9 (pero pueden tener
cantidades en un intervalo más amplio, por ejemplo, del 0,1 al 0,9) y cantidades de hierro ferroso en el intervalo de aproximadamente el 20 al 30% óptico. Las propiedades ópticas de transmisión visible, transmisión de color (L*, a*, b*, iluminante D65), reflexión solar directa y absorción solar directa para
5 muestras de 6 mm de espesor del vidrio flotado transparente y tintado que tienen componentes en los intervalos descritos en las Tablas 1 y 2 se describen en la tabla 3 a continuación. Los valores de transmisión visible, reflexión solar directa y absorción solar directa se calcularon de acuerdo con ISO 9050. Los valores solares se calcularon usando masa de aire 2.
10 Tabla 3
Tinte del sustrato de vidrio
Transmisión visible (%) Transmisión de Color (D65) Reflexión Solar Directa (%) Absorción Solar Directa (%)
L*
a* b*
Transparente
88,9 95,5 -1,9 0,2 7,2 13,8
Gris
43,0 71,5 1,2 -1,8 5,2 49,6
Bronce
48,4 75,1 3,0 7,9 5,2 49,2
Azul
54,9 79,0 -9,5 -10,7 5,0 60,0
Verde Claro
75,1 89,4 -9,2 1,2 5,5 50,0
Verde Oscuro
65,0 84,5 -13,1 2,5 5,1 62,0
Las propiedades ópticas del vidrio varían con el espesor de la muestra de vidrio. La absorción solar directa del vidrio tintado de verde claro se muestra 15 en la Tabla 4 como una función del espesor.
Tabla 4
Espesor del Sustrato de Vidrio Verde Claro (mm)
Absorción Solar Directa (%)
4
39,6
2
24,2
1,5
19,1
Los recubrimientos fotocatalíticamente activos (depositados como se describe en el documento WO 00/75087) comprenden un recubrimiento de dos capas: una capa inferior de óxido de silicio y una capa fotocatalíticamente activa de óxido de titanio (en la forma anatasa). La capa inferior de óxido de silicio puede depositarse provocando una mezcla gaseosa de silano, oxígeno, etileno y nitrógeno (por ejemplo, a una proporción de flujo de 1:2:6:0,13) para poner en contacto y hacer fluir de forma paralela a la superficie de vidrio en la dirección de movimiento del vidrio a una temperatura del vidrio de aproximadamente 670ºC. El espesor del recubrimiento de óxido de titanio puede estar, por ejemplo, en el intervalo de 25 a 40 nm. La capa de óxido de titanio fotocatalíticamente activa puede depositarse combinando corrientes de gas que comprenden tetracloruro de titanio en gas portador de nitrógeno fluido, acetato de etilo en gas portador de nitrógeno fluido y un flujo neto global de nitrógeno en una mezcla gaseosa y haciendo después que la mezcla gaseosa entre en contacto y fluya sobre la superficie de vidrio a una temperatura del vidrio de aproximadamente 640ºC. El espesor de la capa de óxido de titanio puede estar, por ejemplo, en el intervalo de 10 a 20 nm. Los recubrimientos fotocatalíticamente activos pueden formarse a partir de una diversidad de compuestos de metales. Los compuestos que se han propuesto como útiles incluyen óxidos de titanio, óxidos de hierro, óxidos de plata, óxidos de cobre, óxidos de tungsteno, óxidos de cinc, óxidos de cinc/estaño y titanatos de estroncio.
Pueden usarse otros métodos de deposición del recubrimiento fotocatalíticamente activo. Los recubrimientos fotocatalíticamente activos de óxido de titanio pueden depositarse mediante deposición química en fase vapor (CVD) usando otros precursores de titanio, por ejemplo alcóxidos de titanio (por ejemplo, etóxido de titanio o propóxido de titanio), métodos sol gel (por ejemplo, recubrimiento por inmersión, por flujo o por centrifugación usando precursores alcóxido en alcoholes), por pulverización (incluyendo pulverización de reactivos usando un metal de titanio o diana de óxido subestequiométrico) u otros métodos de recubrimiento. Los recubrimientos, una vez depositados, pueden procesarse adicionalmente (por ejemplo, para aumentar la actividad fotocatalítica del recubrimiento) por ejemplo mediante tratamiento térmico. El recubrimiento puede comprender capas de recubrimiento distintas del recubrimiento fotocatalíticamente activo para modificar, por ejemplo, las propiedades hidrófilas, ópticas u otras del recubrimiento o para proteger el recubrimiento (por ejemplo, mediante el bloqueo de la migración de iones de metales alcalinos del sustrato, si el sustrato contiene iones de metales alcalinos móviles).
5 En los siguientes ejemplos, la temperatura de la hoja central de las láminas de acristalamiento de auto-limpieza, que tienen medios de calentamiento de diversos tipos, se calcula en diferentes condiciones (véase la International Organisation for Standards ISO 9050 y/o ISO 9845). Las condiciones generales usadas en relación a la exposición de las láminas de
10 acristalamiento en condiciones ISO y condiciones ASHRAE Verano (American Society of Heating Refrigerating y Air Conditioning Engineers). Estas condiciones se describen en la Tabla 5, a continuación. La incertidumbre en los cálculos de temperatura es de aproximadamente ±1ºC. Tabla 5
Exposición ISO
Exposición ASHRAE Verano
Velocidad del viento
3,5 m/s 3,5 m/s
Intensidad de la radiación
750 W/m2 783 W/m2
Temperatura externa
10ºC 31,7ºC
Temperatura interna
10ºC 23,9ºC
15 Ejemplos 1 a 5 Los Ejemplos 1 a 5 se refieren a láminas de acristalamiento sencillas en las que el sustrato de vidrio es de 6 mm de espesor y el recubrimiento fotocatalíticamente activo está en la superficie exterior (es decir, hacia la fuente
20 radiante). Los sustratos son de diversos tintes. Las temperaturas de las láminas de acristalamiento se describen en la Tabla 6 para las condiciones ISO y ASHRAE Verano. Tabla 6
Ejemplo
Tinte del Sustrato de Vidrio Exposición ISO (ºC) Exposición ASHRAE Verano (ºC)
1
Bronce 21,9 41,8
2
Gris 21,9 41,8
3
Azul 23,9 44,7
4
Verde claro 22,1 42,7
5
Verde oscuro 24,5 45,4
Ejemplos 6 a 10
Los Ejemplos 6 a 10 se refieren a unidades de acristalamiento dobles en las que cada uno de los dos sustratos (vidrio) es de 6 mm de espesor y hay un hueco de aire de 12,7 mm entre ambos. En cada unidad, la lámina de
5 acristalamiento de auto-limpieza se orienta de tal forma que el recubrimiento fotocatalíticamente activo está sobre la superficie exterior (es decir, hacia la fuente radiante). La segunda lámina de acristalamiento es transparente. Los sustratos de vidrio de auto-limpieza son de diversos tintes. Las temperaturas de las láminas de acristalamiento de auto-limpieza se describen en la Tabla 7 para
10 las condiciones ISO y ASHRAE Verano. Tabla 7
Ejemplo
Tinte del Sustrato de Vidrio ISO (ºC) ASHRAE Verano (ºC)
6
Bronce 24,4 46,4
7
Gris 24,1 45,3
8
Azul 26,5 48,4
9
Verde claro 24,4 46,4
10
Verde oscuro 27,1 49,2
Ejemplos 11 a 15 Los Ejemplos 11 a 15 se refieren a láminas de acristalamiento de auto
15 limpieza que tienen un sustrato de vidrio verde oscuro como en el Ejemplo 5, teniendo el sustrato de vidrio un espesor que varía (entre 6 mm y 1 mm). Las temperaturas de las láminas de acristalamiento de auto-limpieza se describen en la Tabla 8 para las condiciones ISO y ASHRAE Verano, junto con la absorción solar directa (determinada sobre el lado recubierto).
20 Tabla 8
Ejemplo
Espesor del Sustrato de Vidrio Verde Oscuro (mm) Absorción Solar Directa (Lado Recubierto) (%) ISO (ºC) ASHRAE Verano (ºC)
11
6 59,1 24,4 45,4
12
4 49,2 22 42
13
2 32,3 17,8 37,8
14
1,5 26,1 16,4 36,2
15
1 18,9 14,6 34,4

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Una lámina de acristalamiento de auto-limpieza caracterizada por un sustrato de vidrio tintado, una capa de recubrimiento fotocatalíticamente activa, hidrófila, que comprende un compuesto metálico sobre una superficie de la misma y medios de calentamiento para aumentar la temperatura del sustrato, en la que los medios de calentamiento comprenden un recubrimiento reflectante del calor sobre la superficie de la lámina de acristalamiento.
  2. 2.
    Una lámina de acristalamiento de auto-limpieza de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que el compuesto metálico se selecciona entre el grupo que comprende óxidos de titanio, óxidos de hierro, óxidos de plata, óxidos de cobre, óxidos de tungsteno, óxidos de cinc, óxidos de cinc/estaño y titanatos de estroncio.
  3. 3.
    Una lámina de acristalamiento de auto-limpieza de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada por que el óxido metálico es óxido de titanio.
  4. 4.
    Una lámina de acristalamiento de auto-limpieza de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada por que la capa de recubrimiento fotocatalíticamente activa tiene un espesor de 10 a 20 nm.
  5. 5.
    Una unidad de acristalamiento múltiple que comprende una lámina de acristalamiento de auto-limpieza como se ha reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores y una segunda lámina de acristalamiento en orientación opuesta a la lámina de acristalamiento de auto-limpieza.
  6. 6.
    Un laminado caracterizado por que comprende una primera capa de una lámina de acristalamiento de auto-limpieza de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, una segunda hoja de vidrio y una hoja de plástico.
  7. 7.
    Una ventana que comprende una lámina de acristalamiento de auto-limpieza de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, una unidad de acristalamiento múltiple de acuerdo con la reivindicación 5 o un laminado de
    acuerdo con la reivindicación 6.
  8. 8.
    Una fachada para un edificio que comprende una pluralidad de láminas de acristalamiento de auto-limpieza de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, una pluralidad de unidades de acristalamiento múltiples de acuerdo con la reivindicación 5 o una pluralidad de laminados de acuerdo con la reivindicación 6.
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