新型车辆用自清洁玻璃的制备与抗菌性能研究

1、-范文最新推荐- 新型车辆用自清洁玻璃的制备与抗菌性能研究 摘 要玻璃作为传统的建筑材料广泛地应用于工业和日常生活各个方面，例如汽车挡风玻璃、玻璃幕墙、家装材料等，而这些材料的性能直接关系到人民的生活质量。自清洁玻璃的产生，为汽车玻璃产业创造了一片新的景象。本论文中，以制备出的TiO2、 NbOx 、TiNbO5和TiTaO5纳米片为原料，使用层层自组装旋涂法镀膜介绍了涂有不同薄膜（NbOX ，TiO2，NbOX 、TiO2复合，NbOx/TiO2，TiNbO5，TiNbO5 、NbOX 复合，NbOx/ TiNbO5，TiTaO5）的自清洁玻璃的光学性能探究。利用扫描电镜(SEM)观察薄膜的

2、表面形貌，以薄膜对亚甲基蓝的光降解表征自清洁玻璃的光催化能力，以接触角分析表明薄膜的超亲水性能。结果表明：在热处理450下，NbOX ，TiO2复合薄膜具有超亲水性能、高透光性、光催化性能和耐刮擦能力。因此，此种复合薄膜适用于车辆用自清洁玻璃。9110关键词： 自清洁；纳米片；层层自组装；亲水性AbstractGlass as a traditional building material have been widely usedin all aspects of daily life, such as car windshields, glass curtain wall, home im

3、provement materials, which performance played an important factor in the life. Self-cleaning glass appeared and produced has opened a novel door to the green development of material. In this paper, the self cleaning film including NbOX ，TiO2，NbOX 、TiO2 composite film，NbOx/TiO2，TiNbO5，TiNbO5 、NbOX co

4、mposite film and NbOx/ TiNbO5，TiTaO5 was prepared via LBL spin-coating method starting from TiO2、 NbOx 、TiNbO5and TiTaO5 nanosheets , which have been fabricated from the layered compound. Typically, scanning electron microscopy (SEM) was employed to detect the morphology of film. At the same time, t

5、he decomposition of MB under the UV light was utilized to probe the photocatalytic property. Finally, the contact angle was charactered to illustrate the hydrophilic property. The results indicated that: the NbOX,TiO2 composite film heated under 450 possessed super-hydrophilic properties, high trans

6、mittance under the visible region and better photocatalytic performance, and abrasion to the scratch, whichwas sufficient for most vehicles with self-cleaning glass. 3.3 自清洁玻璃薄膜表征183.3.1 亲水性分析183.3.2 透过率分析223.3.3 光催化性能分析233.3.4 自清洁玻璃薄膜附着力及硬度分析243.4 薄膜表面形貌分析264 结论27致谢29参考文献301绪论玻璃在建筑、汽车等方面广泛地被应用，空气污染

7、等问题使得这些玻璃非常容易变脏而失去其透光度，玻璃的清洁工作也变得困难。尤其对于汽车玻璃，在下雨的情况下，由于普通玻璃表面污染的原因，当水滴落玻璃表面时会自动收缩，水会在玻璃表面形成具有一定接触角的水滴，紧密分布在玻璃表面，由于水珠对光的折射，常常使人们在下雨的情况下，无法通过玻璃看清前面的物体，所以，汽车的挡风玻璃在下雨时需要雨刮器。而具有亲水性的自清洁玻璃在水滴接触玻璃表面时马上会分散开，当水滴多时则形成水膜连成一片，不会影响司机的视线，减小了雨天行驶的危险。一种新型车辆用自清洁玻璃针对以上问题被广泛而深入地研究。自清洁玻璃顾名思义就是可以自动清洁表面污染物，使玻璃本身自动保持新鲜和持久的

8、光透过率等使玻璃清洁如新的一种状态。借助自身结构特点或者外界因素如雨水、阳光等自动清洗玻璃表面，达到自净作用，并且具有一定的抗菌效应。1.1自清洁玻璃1.1.1自清洁玻璃的研究现状自清洁玻璃的研究不仅仅局限于实验阶段，进入21世纪，国内外一些企业在玻璃表面涂TiO2或掺杂TiO2膜，工业化生产出自清洁玻璃，并在市场上销售。日本作为最早发现TiO2具有光催化性能的国家，很早就开始了TiO2镀膜玻璃的研究，日本的纳米TiO2光催化自清洁产品的研发和应用都是走在世界前列的。2000年，日本Soda公司Shigemichi Fukayama与日本东京大学先进科学技术中心Toshiya Watanbe等

9、合作采用溶胶-凝胶法在钠钙硅玻璃上制备纳米TiO2薄膜。日本的旭硝子公司和康宁硅酸盐工业公司等，采用化学气相沉积法(CVD)生产了自清洁玻璃产品并投入市场，但是这种方法制造的产品光催化效率比较低，而且成本较高，所以市场反应一般。 1.1.2自清洁玻璃的分类自清洁玻璃按材质分类可分为无机膜材料自清洁玻璃和有机膜材料自清洁玻璃，按亲水性分类可分为超亲水性自清洁玻璃和超疏水自清洁玻璃。2超亲水性自清洁玻璃的自清洁功能表现为两方面：一是靠其表面对水的亲和性，使水的液滴在玻璃材料表面上的接触角趋于零。当水接触到玻璃材料时，迅速在其表面铺展，形成均匀的水膜，表现出超亲水的性质，通过均匀水膜的重力下落带走污

10、渍，通过该方式将可以去除部分有机或无机污渍。二是光催化分解有机物的能力，TiO2在紫外光或可见光照射下，当照射光子的能量大于或者等于其能带宽度的时候，介带中的电子被激发，越过价带进入导带，在导带和价带上形成电子-空穴对，电子、空穴具有不同的活性，分别与吸附在TiO2表面的有机物质发生氧化还原反应，生成水和CO2，从而达到降解有机物的目的。(图1.1)3图1.1 普通玻璃(左)与镀有TiO2自清洁涂层玻璃(右)在室外放置50天后表面亲水性照片超疏水表面的自清洁原理：基于“荷叶效应”，20世纪90年代，德国植物学家波恩大学Barthlott等揭示了荷叶表面的结构，发现荷叶的

11、“自洁性”源于其表面的微纳结构，荷叶表面具有微米级的乳突，乳突上有纳米级的蜡晶物质，这种微-纳米级的粗糙结构可以大幅度提高水滴在其上的接触角，导致水滴极易滚落。水滴在超疏水表面上的运动是一个复杂的物理现象，在自清洁过程中起到了一个至关重要的作用：水滴在表面滚动时会带走表面的污染物或灰尘，从而达到自清洁的效果(图1. 2)。图1.2超疏水表面自清洁原理市场上出现的自清洁玻璃，主要还是以有效成分为TiO2的无机膜材料的超亲水性自清洁玻璃。国内外研究者和生产企业所研究和生产的自清洁玻璃一般是指在普通玻璃的一面或者两面镀上一层主要成分是TiO2的功能薄膜的玻璃。自清洁玻璃必须具

12、有两种性能：光催化性和光致超亲水性。前者是指在太阳光的照射下，玻璃表面具有光催化能力，可以分解吸附在玻璃表面的有机污染物分子，使之分解为小分子，甚至是二氧化碳和水分子；后者是指在太阳光照射下，玻璃表面能长时间保持与水的超亲和性，雨水在玻璃表面不会形成水珠而是一层均匀的水膜。这样，玻璃表面的污染物在雨水的冲刷下被一起带走。 （2）溶胶-凝胶高温烧结法溶胶-凝胶高温烧结法是目前已经产业化和自清洁效果(尤其是光催化效果)最为有效的自清洁玻璃生产的方法该方法从溶液出发，经过溶液的溶胶化、凝胶化后，在低温条件下制备出纳米薄膜，然后对玻璃进行镀膜与钢化得到自清洁玻璃。一般采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2膜

13、的顺序为：先由含钛化合物溶液制备TiO2溶胶，然后将溶胶涂布十玻璃表面，在玻璃表面TiO2的溶胶经过自然挥发或热处理进行凝胶，并在玻璃表面固化成型。一般溶胶-凝胶法得到的纳米TiO2都是锐钛型，所以其光催化效率最高。溶胶-凝胶烧结法作为一种自清洁玻璃的制备方法，其优点是：低温也可以得到自清洁玻璃，通过调整原料溶液的组成、PH值、反应温度和干燥时间等因素可以容易调整材料的微孔径大小及分布和结晶体在材料内的排列状况，得到理想的膜材料。但是，溶胶-凝胶烧结法在规模化生产中可能出现涂布不均的情况，而且凝胶的制备的热处理参数的控制对凝胶的性质影响太大。1995年美国的Paz和Lou制备了玻璃上的光氧化自

14、清洁透明TiO2膜，研究发现用溶胶-凝胶法在钠钙玻璃和石英上可得到具有光催化活性并且透过率很高的膜。1999年，余家国等采用溶胶-凝胶法对有关自清洁玻璃的制备、表征、改性等进行了大量的研究，并有大量相关研究论文发表。2000年，日本soda公司Shigemichi与日本东京大学先进科学技术中心Toshiya Watanabe等合作采用溶胶-凝胶法在钠钙玻璃上制备纳米TiO2膜，并对纳米TiO2膜光催化活性和光致超亲水性进行了细致的研究。侯梅芳等用溶胶-凝胶法制备了掺Nd3+的TiO2光催化薄膜。从公布的专利方而来看，制备自清洁玻璃的方法为溶胶-凝胶法的有曾妙庄、赵修建 ,周水文、王玉震、仁达森

15、等。1 由于层层自组装技术在功能薄膜材料制备方面具有控制产物的尺寸、成分及形貌等特点，使得它的应用研究得到了快速发展，受到了研究者高度重视。1.2层状化合物层状化合物是一类具有层状主体结构的化合物，如无机硅酸盐、磷酸盐、钛酸盐、层状双氢氧化物、石墨等。其层间距一般为几个纳米，处于分子水平。另外，层状化合物是有某种特定的结构单元通过共用角、边、面堆积而成的空间网状结构，相对比较稳定，层间存在可移动的离子或中性分子，用以补偿电荷平衡。1.2.1层状化合物的分类划分层状化合物类型的方法很多，一般以层状主体是否带电来区分，分为阳离子型层状化合物、阴离子型层状化合物和中性层状化合物三类。（1）阳离子型层

16、状化合物阳离子型层状化合物指层状化合物的片层是由带负电的结构单元通过共用边、角、面形成层状框架或网络。片层是负电的，其电荷的补偿是通过层间可移动的阳离子或中性分子来实现的。这类无机化合物主要有无机磷酸盐、硅酸盐、钛酸盐，以及过渡金属混合氧化物等。由于这类化合物具有独特的光学、电学等优异性能，因而，目前关于此类层状化合物的研究比较多。（2）阴离子型层状化合物阴离子型层状化合物即层状主体构架师带正电的结构单元组成，层间可自由移动的是阴离子或中性分子，用来补偿电荷平衡。具有代表性的是水滑石类阴离子，如层状双氢氧化物。（3）中性层状化合物中性层状化合物即层状主体结构是电中性的。这类化合物研究较多的是石

17、墨、层状金属硫化物等。1.2.2剥离技术剥离是层状化合物在离子插入反应时导致的膨润过程的极限。由于层状化合物层间有与层主体电性相反的可交换离子，在一定条件下当尺寸较大的微粒插入到层间时，可引起层状体膨润而使层间距增大。随着离子交换反应的进行，层间距随层内离子/分子尺寸的变化而变化，当层间距增大到一定程度时，层间的相互作用力逐渐减弱直至完全消失，此时层状化合物以单片层的形式存在，即为剥离状态。由于层状化合物具有纳米层结构特征和纳米级水平上的超分子化学反应特点，其基本单元层厚度处于几个纳米之内，因而通过剥离得到的纳米层诸如零维纳米粒子、一维纳米纤维、纳米管、功能薄膜等具有特殊性能低维纳米材料制备的有效手段。特别是在新型纳米级复合材料的合成领域，可利用剥离得到的纳米层的量子效应来合成常规方法不能制取的特殊功能积层材料