二氧化钛光催化自清洁玻璃的研究进程及研究内容简述

华俐婷，李笑冉，王 月（沈阳理工大学，辽宁沈阳110159）

二氧化钛光催化自清洁玻璃的研究进程及研究内容简述

华俐婷，李笑冉，王 月（沈阳理工大学，辽宁沈阳110159）

为满足人类生活发展的要求，玻璃的自清洁功能开发被提出。目前，多个国家已致力于对自清洁玻璃的研究，且都取得了优异的成果。玻璃的自清洁性能主要是由二氧化钛光催化实现的，通过溶胶-凝胶法制备薄膜，浸渍-提拉法涂覆，并且从亲水性及有机物降解能力等多方面进行验证，其清洁效果都非常可观。

光催化；玻璃；二氧化钛；自清洁

1 引言

随着对环境恶化给人类生活带来危害的认识以及对环境保护要求的提高，人们对使用具有环保作用且利用自然条件达到自动清洁作用，又能美化环境的绿色建筑材料的要求越来越迫切，而自清洁玻璃的出现，恰恰满足了人们这一美好愿望。自清洁玻璃是一种将二氧化钛光催化剂负载于玻璃表面，从而具有光催化降解自清洁去污等性能的新型环保材料，在建筑行业有着广阔的应用前景。

日本公司用化学气相沉积法（CAD）生产TiO2镀膜自清洁玻璃，通过增加膜厚方式来提高膜性能，可大面积得到均匀的二氧化钛膜、质量稳定，但使材料消耗增大、加工时间变长、生产成本增加且自清洁效率较低，市场反馈一般。英国采用APCVD法制备了大面积自清洁除尘玻璃，其光诱导超亲水性和光催化能力都比较好，但透过率相对于溶胶-凝胶法还是较低，市场效果不好。美国用溶胶-凝胶法制备了玻璃上的光氧化自清洁透明二氧化钛膜，其光催化活性及透过率都很高，但由于成本高、性价比一般，至今仍未在市场上推广。欧洲用有机高分子材料制备出一种具有光性能的持久性超憎水自清洁镀膜玻璃，低润湿性的表面避免了在玻璃表面形成任何污迹，但要具有一定的粗糙度，如何得到最小的表面散射膜成为一个挑战。中国已将溶胶-凝胶法制备自清洁玻璃的工艺用于建筑业，利用自然雨水冲刷就能达到自然清洁的方式，节水节力节资源，减少高层清洁的危险。

2 自清洁玻璃分类

自清洁玻璃是指具备自动亲水除污功能表面的玻璃，因此，只需根据玻璃表面镀膜材质就可以区别不同性质的自清洁玻璃。

2.1 超亲水自清洁玻璃

2.1.1 纳米二氧化钛自清洁玻璃

将已研究完备的纳米二氧化钛光催化技术应用于玻璃，得到具有超亲水性和光催化分解有机物功能的表面自清洁玻璃。

2.1.2 纳米二氧化钛/二氧化铈自清洁玻璃

改进了自清洁玻璃的光催化有效条件，改善了玻璃表面的自清洁功能。

2.1.3 过渡金属离子掺杂的纳米二氧化钛自清洁玻璃

掺杂过渡金属离子，提高了玻璃表面二氧化钛光催化性能，掺杂的过渡金属离子化合价越高，其提高二氧化钛的光催化活性的能力越强。

2.1.4 稀土金属离子掺杂的纳米二氧化钛自清洁玻璃

稀土金属离子掺杂的玻璃光催化好，吸收带红移，带隙能降低。

2.1.5 贵金属掺杂的纳米二氧化钛自清洁玻璃

主要指银离子的掺杂。

2.1.6 其他元素掺杂的纳米二氧化钛自清洁玻璃引入一定量非金属元素（如硫、氮、碳等）到二氧化钛的晶

格中，部分取代氧，使晶格缺陷并改变晶体结构，影响电子与

空穴的复合能力，降低带隙能级，扩大光响应范围。

2.1.7 无机-有机杂化自清洁玻璃

二氧化锶与有机硅聚合物进行分子自组，可以使表面润湿性提高。

2.2 超疏水自清洁玻璃

2.2.1 有机高分子疏水自清洁玻璃

能有效突破光散射问题和玻璃表面老化问题。

2.2.2 无机金属氧化物疏水自清洁玻璃

依靠表面结构的特殊性达到疏水疏油的功能，且具有一定的光催化效果。

3 光催化玻璃的研究内容和需解决的关键问题

3.1 研究内容

3.1.1 TiO2薄膜的制备方法

（1）溶胶-凝胶法

先由含钛化合物溶液制备二氧化钛溶胶，然后将溶胶涂布于玻璃表面，在玻璃表面二氧化钛的溶胶经过溶液自然挥发或热处理进行凝胶，并于玻璃表面固化成型。

一般溶胶-凝胶法得到的纳米二氧化钛都是锐钛型，所以其光催化效率最高。而经过干燥或钢化处理的玻璃膜由于其中有机物的气化挥发使膜表面呈多孔状态，光催化效果更好。

（2）镀膜

在溶胶-凝胶法中，玻璃基片的表面洁净度是很重要的，这不仅影响到镀膜的光学性能、外观均匀性，还影响镀膜在玻璃表面的附着力等性能，因此，涂布溶胶前，将浮法玻璃原片用表面活性剂洗涤液清洗，再用去离子水冲干净、烘干达到玻璃表面干净、无任何痕迹。

将干净玻璃带镀膜表面朝上，将配置好的二氧化钛复合溶胶倒入喷雾器中，加压到1.3～2.0atm（1atm=101325Pa），向以1.0～2.5m/min的速度在线行进的玻璃基片喷涂二氧化钛复合溶胶，然后，玻璃直接进入烘干设备，调整温度在105～300℃之间，将镀膜玻璃片烘干。再在300℃停留10min，自然冷却后，得到镀有复合二氧化钛膜的自清洁玻璃。

3.1.2 研究影响制备的因素

（1）玻璃在线行进速度对自清洁膜表面性能的影响

玻璃在线行进速度加快，自清洁玻璃表面形成的二氧化钛膜太薄，纳米二氧化钛太少，会影响玻璃的亲水性和附着力和光催化能力。

（2）热处理温度对自清洁膜表面性能的影响

加热温度不影响玻璃的外观和自清洁膜的耐老化时间和亲水性，但严重影响膜的附着能力和可见光透过率。

（3）烘干速度对自清洁膜表面性能的影响

烘干速度过慢，玻璃表面会出现彩虹现象，可见光透过率下降；

烘干速度过快，二氧化钛凝胶网络中的溶剂来不及挥发，可见光透过率同样下降。

（2）光催化性能检测——光吸收法

不同的有机物都有一定的吸收光谱，并有最明显的特征吸收峰，吸光值随有机物在溶剂中浓度变化而导致其特征吸收峰值变化的原理来判断有机物在溶剂中的浓度，借以判断自清洁玻璃表面降解有机物的能力。

使用紫外分光光度计，将配置好的浓度为50ug/mL的甲苯水溶液250mL倒入500mL烧杯中，然后将玻璃样品用棉线系紧，吊放在呈有甲苯的烧杯中，杯底有磁力搅拌，采用8W具有254nm、365nm波长的紫外灯照射，每10min测定一次甲苯溶液的吸光值。通过测得的峰值计算降解率。降解率越大，表明光催化活性越好，具有光催化功能。

（3）光学性能检测——分光光度法

玻璃对可见光的透过率大小表明可见光透过玻璃之后，在玻璃的另一侧光的能见度大小，如果可见光透过率低，将影响室内的光亮度。

通过分光光度计得到的光透过率大小，可以判断其光学性能。光透过率越大，光学性能越好。

（4）耐老化能力检测

检验自清洁玻璃老化与否，除按常规膜检验方法需要检验膜发黄与粉化与否外，还应检验长期紫外光照和加速老化后的超亲水性和光催化能力变化。

自清洁玻璃的耐老化标准为：除了达到按国家镀膜玻璃标准和涂料老化标准外，还要求紫外光照射1000h后以及模拟自然界风吹、雨淋的耐老化试验后，自清洁玻璃表面仍然具有超亲水性和光催化能力，其中，必须水接触角θ＜5℃，光催化有机物降解率大于90%。

3.2 拟解决的关键问题

采用溶胶-凝胶法在玻璃表面制备自清洁二氧化钛薄膜。

[1]黄 楠，杨 萍，冷永祥，等.用等离子体浸没离子注入方法在材料表面形成TiO2-x薄膜的方法及其应用[P].2003，04.

[2]庞世红，王承遇，马眷荣，等.常压化学气相沉积法制备二氧化钛薄膜的沉积工艺及薄膜均匀性[J].硅酸盐学报，2010（01）：64～67.

[3]咸小刚，郭万林，台国安.厚度依赖的二氧化钛薄膜光学性能研究.

[4].纳米科技，2009，6（3）：44～48.

3.1.3 自清洁玻璃性能技术检验

（1）超亲水性检测——角度测量法

玻璃是否自清洁效果，对无机灰尘和有机物的冲洗能力取决于玻璃的超亲水性，主要是测试玻璃表面与水接触时的水接触角θ。

采用角度测量法，使用光学视频仪通过固定软件，在显示器上，直接测量水在自清洁玻璃表面的接触角θ。θ值越小，亲水性越强。

TQ171.1

A

2095-2066（2016）24-0266-02

2016-8-10