二氧化鈦光催化自清潔玻璃的研究進程及研究內容簡述

華俐婷，李笑冉，王 月（沈陽理工大學，遼寧沈陽110159）

二氧化鈦光催化自清潔玻璃的研究進程及研究內容簡述

華俐婷，李笑冉，王 月（沈陽理工大學，遼寧沈陽110159）

為滿足人類生活發展的要求，玻璃的自清潔功能開發被提出。目前，多個國家已致力于對自清潔玻璃的研究，且都取得了優異的成果。玻璃的自清潔性能主要是由二氧化鈦光催化實現的，通過溶膠-凝膠法制備薄膜，浸漬-提拉法涂覆，并且從親水性及有機物降解能力等多方面進行驗證，其清潔效果都非常可觀。

光催化；玻璃；二氧化鈦；自清潔

1 引言

隨著對環境惡化給人類生活帶來危害的認識以及對環境保護要求的提高，人們對使用具有環保作用且利用自然條件達到自動清潔作用，又能美化環境的綠色建筑材料的要求越來越迫切，而自清潔玻璃的出現，恰恰滿足了人們這一美好愿望。自清潔玻璃是一種將二氧化鈦光催化劑負載于玻璃表面，從而具有光催化降解自清潔去污等性能的新型環保材料，在建筑行業有著廣闊的應用前景。

日本公司用化學氣相沉積法（CAD）生產TiO2鍍膜自清潔玻璃，通過增加膜厚方式來提高膜性能，可大面積得到均勻的二氧化鈦膜、質量穩定，但使材料消耗增大、加工時間變長、生產成本增加且自清潔效率較低，市場反饋一般。英國采用APCVD法制備了大面積自清潔除塵玻璃，其光誘導超親水性和光催化能力都比較好，但透過率相對于溶膠-凝膠法還是較低，市場效果不好。美國用溶膠-凝膠法制備了玻璃上的光氧化自清潔透明二氧化鈦膜，其光催化活性及透過率都很高，但由于成本高、性價比一般，至今仍未在市場上推廣。歐洲用有機高分子材料制備出一種具有光性能的持久性超憎水自清潔鍍膜玻璃，低潤濕性的表面避免了在玻璃表面形成任何污跡，但要具有一定的粗糙度，如何得到最小的表面散射膜成為一個挑戰。中國已將溶膠-凝膠法制備自清潔玻璃的工藝用于建筑業，利用自然雨水沖刷就能達到自然清潔的方式，節水節力節資源，減少高層清潔的危險。

2 自清潔玻璃分類

自清潔玻璃是指具備自動親水除污功能表面的玻璃，因此，只需根據玻璃表面鍍膜材質就可以區別不同性質的自清潔玻璃。

2.1 超親水自清潔玻璃

2.1.1 納米二氧化鈦自清潔玻璃

將已研究完備的納米二氧化鈦光催化技術應用于玻璃，得到具有超親水性和光催化分解有機物功能的表面自清潔玻璃。

2.1.2 納米二氧化鈦/二氧化鈰自清潔玻璃

改進了自清潔玻璃的光催化有效條件，改善了玻璃表面的自清潔功能。

2.1.3 過渡金屬離子摻雜的納米二氧化鈦自清潔玻璃

摻雜過渡金屬離子，提高了玻璃表面二氧化鈦光催化性能，摻雜的過渡金屬離子化合價越高，其提高二氧化鈦的光催化活性的能力越強。

2.1.4 稀土金屬離子摻雜的納米二氧化鈦自清潔玻璃

稀土金屬離子摻雜的玻璃光催化好，吸收帶紅移，帶隙能降低。

2.1.5 貴金屬摻雜的納米二氧化鈦自清潔玻璃

主要指銀離子的摻雜。

2.1.6 其他元素摻雜的納米二氧化鈦自清潔玻璃引入一定量非金屬元素（如硫、氮、碳等）到二氧化鈦的晶

格中，部分取代氧，使晶格缺陷并改變晶體結構，影響電子與

空穴的復合能力，降低帶隙能級，擴大光響應范圍。

2.1.7 無機-有機雜化自清潔玻璃

二氧化鍶與有機硅聚合物進行分子自組，可以使表面潤濕性提高。

2.2 超疏水自清潔玻璃

2.2.1 有機高分子疏水自清潔玻璃

能有效突破光散射問題和玻璃表面老化問題。

2.2.2 無機金屬氧化物疏水自清潔玻璃

依靠表面結構的特殊性達到疏水疏油的功能，且具有一定的光催化效果。

3 光催化玻璃的研究內容和需解決的關鍵問題

3.1 研究內容

3.1.1 TiO2薄膜的制備方法

（1）溶膠-凝膠法

先由含鈦化合物溶液制備二氧化鈦溶膠，然后將溶膠涂布于玻璃表面，在玻璃表面二氧化鈦的溶膠經過溶液自然揮發或熱處理進行凝膠，并于玻璃表面固化成型。

一般溶膠-凝膠法得到的納米二氧化鈦都是銳鈦型，所以其光催化效率最高。而經過干燥或鋼化處理的玻璃膜由于其中有機物的氣化揮發使膜表面呈多孔狀態，光催化效果更好。

（2）鍍膜

在溶膠-凝膠法中，玻璃基片的表面潔凈度是很重要的，這不僅影響到鍍膜的光學性能、外觀均勻性，還影響鍍膜在玻璃表面的附著力等性能，因此，涂布溶膠前，將浮法玻璃原片用表面活性劑洗滌液清洗，再用去離子水沖干凈、烘干達到玻璃表面干凈、無任何痕跡。

將干凈玻璃帶鍍膜表面朝上，將配置好的二氧化鈦復合溶膠倒入噴霧器中，加壓到1.3～2.0atm（1atm=101325Pa），向以1.0～2.5m/min的速度在線行進的玻璃基片噴涂二氧化鈦復合溶膠，然后，玻璃直接進入烘干設備，調整溫度在105～300℃之間，將鍍膜玻璃片烘干。再在300℃停留10min，自然冷卻后，得到鍍有復合二氧化鈦膜的自清潔玻璃。

3.1.2 研究影響制備的因素

（1）玻璃在線行進速度對自清潔膜表面性能的影響

玻璃在線行進速度加快，自清潔玻璃表面形成的二氧化鈦膜太薄，納米二氧化鈦太少，會影響玻璃的親水性和附著力和光催化能力。

（2）熱處理溫度對自清潔膜表面性能的影響

加熱溫度不影響玻璃的外觀和自清潔膜的耐老化時間和親水性，但嚴重影響膜的附著能力和可見光透過率。

（3）烘干速度對自清潔膜表面性能的影響

烘干速度過慢，玻璃表面會出現彩虹現象，可見光透過率下降；

烘干速度過快，二氧化鈦凝膠網絡中的溶劑來不及揮發，可見光透過率同樣下降。

（2）光催化性能檢測——光吸收法

不同的有機物都有一定的吸收光譜，并有最明顯的特征吸收峰，吸光值隨有機物在溶劑中濃度變化而導致其特征吸收峰值變化的原理來判斷有機物在溶劑中的濃度，借以判斷自清潔玻璃表面降解有機物的能力。

使用紫外分光光度計，將配置好的濃度為50ug/mL的甲苯水溶液250mL倒入500mL燒杯中，然后將玻璃樣品用棉線系緊，吊放在呈有甲苯的燒杯中，杯底有磁力攪拌，采用8W具有254nm、365nm波長的紫外燈照射，每10min測定一次甲苯溶液的吸光值。通過測得的峰值計算降解率。降解率越大，表明光催化活性越好，具有光催化功能。

（3）光學性能檢測——分光光度法

玻璃對可見光的透過率大小表明可見光透過玻璃之后，在玻璃的另一側光的能見度大小，如果可見光透過率低，將影響室內的光亮度。

通過分光光度計得到的光透過率大小，可以判斷其光學性能。光透過率越大，光學性能越好。

（4）耐老化能力檢測

檢驗自清潔玻璃老化與否，除按常規膜檢驗方法需要檢驗膜發黃與粉化與否外，還應檢驗長期紫外光照和加速老化后的超親水性和光催化能力變化。

自清潔玻璃的耐老化標準為：除了達到按國家鍍膜玻璃標準和涂料老化標準外，還要求紫外光照射1000h后以及模擬自然界風吹、雨淋的耐老化試驗后，自清潔玻璃表面仍然具有超親水性和光催化能力，其中，必須水接觸角θ＜5℃，光催化有機物降解率大于90%。

3.2 擬解決的關鍵問題

采用溶膠-凝膠法在玻璃表面制備自清潔二氧化鈦薄膜。

[1]黃 楠，楊 萍，冷永祥，等.用等離子體浸沒離子注入方法在材料表面形成TiO2-x薄膜的方法及其應用[P].2003，04.

[2]龐世紅，王承遇，馬眷榮，等.常壓化學氣相沉積法制備二氧化鈦薄膜的沉積工藝及薄膜均勻性[J].硅酸鹽學報，2010（01）：64～67.

[3]咸小剛，郭萬林，臺國安.厚度依賴的二氧化鈦薄膜光學性能研究.

[4].納米科技，2009，6（3）：44～48.

3.1.3 自清潔玻璃性能技術檢驗

（1）超親水性檢測——角度測量法

玻璃是否自清潔效果，對無機灰塵和有機物的沖洗能力取決于玻璃的超親水性，主要是測試玻璃表面與水接觸時的水接觸角θ。

采用角度測量法，使用光學視頻儀通過固定軟件，在顯示器上，直接測量水在自清潔玻璃表面的接觸角θ。θ值越小，親水性越強。

TQ171.1

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2095-2066（2016）24-0266-02

2016-8-10