自清洁玻璃的性能研究_自清洁玻璃的研究
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自清洁玻璃的性能研究
摘要：自清洁玻璃能够利用阳光、空气、雨水，自动保持玻璃表面的清洁，并且玻璃表面所镀的TiO2膜或其他半导体膜还能分解空气中的有机物，以净化空气，且催化空气中的氧气使之变为负氧离子，从而使空气变得清新，同时能杀灭玻璃表面的细菌和空气中的细菌。随着国内环保意识的增强以及人们更加注重生存质量,及可持续发展的要求，自洁净玻璃的市场前景是非常广阔的。
关键字：自清洁；超亲水；超疏水；光催化性；低碳
引言：我们都喜欢光洁的物品，而无机非金属材料既具有其特有的光泽还有他们的特殊的透明性以及高强度持久稳定性成为了是我们家居建材等的一个很好的选择…….但是我们经常遇到的问题就是我们的玻璃或者陶瓷上面经常性的会有灰尘等赃物。如此的话，光洁物品有所玷污，而影响我们的观赏性，而我们在此研究的自清洁玻璃，就是为了解决玻璃制品容易脏的问题的…….自清洁玻璃我自清洁性我们可以从设计工艺上和材料的性能上进行研究。就像美国的隐形飞机的隐形性一样，他们先从造型上减少雷达的反射面积，再在表面涂上吸收涂层等。因此我们也可以将此类的成功案例引入到我们的自清洁玻璃……..其一我们可以通过设计产品的造型，其实具有良好的美观效应和较少的表面污物残留（这个我们可以参照超亲水和超疏水结构进行设计）；其二我们可以在上面贴一些特殊薄膜，来制成自清洁玻璃。一般我们可以分为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性自清洁玻璃。
（1）超亲水性自清洁玻璃：具有超亲水性的自清洁玻璃从材质方面看来一般都是无机材料组成的膜,如: TiO2、SnO2 等。
（2）超疏水性自清洁玻璃：通常,有机自清洁玻璃都是超疏水的,利用超疏水技术使得玻璃表面产生超疏水和超疏油的特殊表面,使处在玻璃表面的水无法吸附在玻璃表面而变为球状水珠滚走,亲水性污渍和亲油性污渍无法粘附于玻璃表面,从而保证了玻璃的自清洁。
1、研究现状
自清洁玻璃的使用面极广,具有广阔的发展和应用前景,可广泛应用在与人们生活环境相关的玻璃和玻璃制品上。其在紫外光照射下能够降解有机物,具有
杀菌的效果,可以用于医院手术仪器、厨房玻璃等；其超亲水性使空气中的水蒸气不会凝结在玻璃表面,可以用于汽车挡风玻璃及后视镜,浴室镜子,眼睛镜片,仪器仪表玻璃等；其自清洁性能使其广泛用于玻璃幕墙、门窗玻璃、天窗玻璃、家电玻璃、灯具灯罩玻璃等。
目前自清洁玻璃的产业化受到了一些技术上的制约:其在可见光下的光催化效率太低、TiO2 膜的大面积制备技术也不够成熟,此外,自清洁玻璃自清洁性能的持久性还有待提高。
纳米二氧化钛由于具有良好的光催化性能，在抗菌除臭、污水处理、空气净化等方面有广阔的应用前景。TiO2 是N 型半导体金属氧化物，在同类（如ZnO、CdS、WO3 等）物质中具有氧化活性好、稳定性强、无毒等优点，是一种绿色环境友好型材料。制备出具有较高催化活性和能够被可见光激发的纳米二氧化钛光催化剂，一直是光催化研究的前沿和重要方向。
2、自清洁玻璃的制备加工方法 2.1 溶胶—凝胶法
该法利用易水解的钛盐在某种溶剂中与水发生反应,经水解缩聚形成钛溶胶,将溶胶涂覆在洁净的玻璃表面,镀膜后的基片经干燥、热处理后形成纳米TiO2 薄膜。
2.2 磁控溅射法
磁控溅射法镀膜是比较成熟的工艺,生产自洁净玻璃是以钛为溅射靶材,在惰性气体和氧气混合的气氛下,保持一定的混合气压力,在玻璃上溅射成均一透明致密的TiO2 薄膜。2.3 化学气相沉积法
该法是用有机钛化合物或四氯化钛作为原料,先将它们蒸发变成气态,然后随载气输送到镀膜器中,最后蒸汽在玻璃表面发生分解、水解或热解反应,形成TiO2薄膜。
3、自清洁材料性能改进型研究 3.1 提高它的光催化性 3.1.1 掺杂贵金属离子
TiO2的晶体结构和能带结构受金属掺杂影响最为显著和直接，这两方面的改变会直接影响TiO2 的吸光性能和光催化活性。Chao发现掺杂适量的Ag+，会促进TiO2 晶相由锐钛矿相向金红石相转变，但阻止了锐钛矿相TiO2 晶粒的长大，并且会增加TiO2 的比表面积，这为提高TiO2 光催化活性提供了良好的前提条件。Lopez发现在Pt/TiO2 凝胶过程中，铂离子会进入TO2 的分子晶格中，这影响了半导体颗粒表面的能带结构，降低了带隙能，也影响了比表面积，以及不同晶相之间（A :R）的比例关系，从而提高了TiO2 的光催化活性。在金属离子的掺杂中，如Fe3+,Cr3+,Ag+ 等，A g+ 对光催化活性的提高最为显著。在可见光或微光条件下，掺杂贵金属离子的二氧化钛也有较满意的杀菌效果。3.1.2 纳米二氧化钛掺杂阴离子
相对于以金属离子为主的阳离子掺杂，阴离子（如N 3-，C4-，P3-等）掺杂TiO2 光催化剂对提高光催化活性的研究较少。Asahi在2001年首次报道了掺杂阴离子N3-的TiO2在提高可见光响应性能方面的研究，引起了人们的广泛关注。据报导，掺N 3-的TiO2样品在紫外光下活性与纯TiO2相近，而在可见光下前者仍有显著的光催化活性。尽管一些研究已表明，阴离子掺杂提高了TiO2在可见光响应性能方面的若干优势，但所得到的可见光催化活性还很低。并且由于比较新颖，所以暂时未见其在抗菌方面的报道 3.1.3 纳米二氧化钛与其他半导体的复合加入SiO2后使得TiO2 具有较大的比表面积，所以SiO2/TiO2半导体具有较强的光催化活性。在SiO2/TiO2，Al2O3/TiO2,Cds/TiO2 等纳米复合材料中，SiO2/ TiO2 光催化活性明显好于纯TiO2。
在可见光或微光条件下，复合半导体也会使TiO2 光催化剂具有较高的抗菌性能。徐瑛发现在没有紫外光照的条件下，TiO2/V2O5 复合微粉对大肠杆菌也具有较强的抗菌性能。鞠剑峰制备的V2O5/ TiO2-SiO2 复合材料，不需紫外光照射也具有较强的抗菌性能，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率均在99% 以上。3.1.4 纳米二氧化钛与窄禁带半导体的复合窄禁带半导体如CdS(2.5eV),Fe2O3(2.2eV),Cu2O(2.0eV)等氧化物（硫化物），能够被可见光激发而进行光催化分解，但它在可见-紫外光照射下，往往表现不稳定，即产生光蚀现象。所以研究者为了充分发挥窄禁带半导体的可见光响应性能，就将它与宽禁带半导体TiO2复合，这为提高二氧化钛在可见光下的杀菌效果提供了一种新的方法。CdS/ TiO2 复合半导体可以有效地扩大其对太阳光中可见光部分的吸收,有效光量子产率达到了5% ~10%（而TiO2的有效光量子产率较低，约为4%）。3.2 能吸收可见光的激发的自清洁玻璃
研究采用了多种手段对纳米TiO2进行改性, 其中过渡金属离子掺杂是一种有效的改性方法, 如在TiO2体系中掺杂Fe、Cr、Co、V等离子，已被证实可以提高其可见光响应光催化活性。
研究分别以MnSO4．H2O和MnC2O4．4H2O为锰源，采用水热法制备Mn掺杂的TiO2光催化剂。通过X-射线衍射光谱（XRD）和紫外-可见光吸收光谱（UV-vis）对其进行表征。制备的Mn-TiO2-S和Mn-TiO2-C系列样品在400-650nm处的可见光区域有一个较强的吸收，这归因于少量的Mn离子进入TiO2晶格，或者存在于TiO2间隙中，而锰元素的存在使TiO2的价带和导带之间产生中间能级，光生电子和空穴可以通过这些中间能级发生跃迁，因此所需的激发能量降低至可见光范围，从而使锰掺杂的TiO2具有可见光吸收性能。这种光吸收性能的改变也使其具有了可见光下的光催化活性。随着Mn量的增加，样品在可见光区域的吸收增加，并且在图中未发现Mn氧化物的吸收峰，说明Mn在样品中的分散性很好。分别以nSO4·H2O和MnC2O4·4H2O为锰源，采用水热法成功合成了具有可见光响应的Mn-TiO2光催化剂。制备的Mn-TiO2样品均表现为锐钛矿晶型，Mn的掺杂抑制了TiO2晶粒生长，且以MnSO4·H2O为锰源制备的Mn-TiO2粒径略小于以MnC2O4·4H2O为锰源制备的样品。在可见光照射下，所有Mn-TiO2催化剂对罗丹明B具有明显的可见光降解效果，并且低Mn掺杂量的Mn-TiO2-S催化剂具有较高的光催化活性，这归因于其较小的粒径及更好的晶型结构。
4、自清洁玻璃的应用前景讨论
采用自洁净玻璃制成的建筑玻璃幕墙,可以长久地保持清洁明亮,并大大减少了幕墙清洗保洁费用及清洁剂对环境的污染。用自洁玻璃制成道路照明玻璃和汽车玻璃,可防止汽车废气污染,也可显著提高照明效果；自洁玻璃不仅适用于各种公共建筑,也适合寻常家居装饰,在家居中,使用自洁玻璃,可有效地消除室内的臭味、烟味和人体异味;在水汽很重的浴室,普通镜子几乎会看不出人影,而采用镀TiO2薄膜的镜子,仍然会很清晰。自洁玻璃具有能将近红外光抵挡的功能,从而具有更好的保暖节能性能,可作为新型材料加以推广。在如今国家实行建筑
节能政策的形势下,自洁净玻璃作为节能材料有着巨大的应用发展空间(建筑物的大部分热量是经由玻璃传递的)。
尽管目前国内自洁净玻璃的消费能力偏低,但近年来,基本建设投资规模迅速增大,建筑业得到蓬勃发展,国内各大城市的公共建筑物、高层写字楼、购物中心及星级宾馆等建筑物玻璃用量正迅猛上升;再加上国内环保意识的增强以及人们更加注重生存质量,及可持续发展的要求，自洁净玻璃的市场前景是非常广阔的。
参考文献: [1] 陈津,魏丽乔,许并社,等.纳米非金属功能材料[M].北京: 化学工业出版社,2007.[2] 侯梅芳,李芳柏,等.钕掺杂提高TiO2 光催化活性的机制[J].中国稀土学报,2004 [3] 高濂,郑 珊,张青红.纳米氧化钛光催化材料及应用[M].北京: 化学工业出版社,2002.[4]百度百科
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