基本信息
- 项目名称：
- 自清洁玻璃制备新方法
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本发明涉及一种自清洁玻璃制备新方法。首先以TiCl4为原料采用常温络合-控制水解新工艺制备出粒度为1.5 nm的混晶TiO2无色透明水溶胶，然后将该水溶胶利用普通高压喷枪均匀喷涂在玻璃表面，即可得到透明、均匀、牢固的薄膜，同时具有超亲水性和高自洁性能。与目前市场上采用的气相沉积、磁控溅射和溶胶-凝胶法相比，工艺简单、不用专门复杂设备、投资少、效果好，极大降低了应用门槛，前景广阔。
- 详细介绍：
- 一、作品发明的意义 众所周知，现代社会大量的人力物力被投入到建筑物、机车以及居家玻璃的清洗中，而此项工作不仅浪费人力、物力和财力，而且还会对一部分人的人身安全造成极大的威胁；对于机动车辆，由于雨刷清洗不干净挡风玻璃上的雨雾而带来的视线模糊，使司机产生很大困扰，…。自清洁玻璃的研发和制备对发展新的生态建筑材料和环境协调型材料,保护环境和实现可持续发展具有重要意义。这类新型功能材料的使用面极广,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。其在紫外光或者太阳光照射下具有降解有机污染物物和杀菌消毒的效果,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。因此，自清洁玻璃的研究与制备无疑具有良好的经济效益与社会效益。 所谓自清洁玻璃,是指普通玻璃在经过特殊的物理或化学方法处理后,其表面产生独特的物理化学特性,从而使玻璃不再通过传统的人工擦洗方法而在自然雨水或人工定期喷淋的冲刷下达到清洁一新的状态。目前较为普遍的是在玻璃表面覆上TiO2薄膜，因为TiO2吸收一定强度的光后会使使电子激发，从而使吸附的水变成•OH，玻璃上的•OH层使得玻璃具有很强的亲水性，且•OH的强氧化性还可以分解在其上面附着的有机物，杀死细菌等，这一系列的性质使得涂层玻璃或其他的喷涂表面具有了自清洁能力。 目前生产上主要采用的方法包括化学气相沉积法(CVD)、溶胶-凝胶高温烧结法(Sol-Gel)和磁控溅射法等。传统自洁玻璃不仅制备工艺复杂、设备昂贵，而且所镀的纳米TiO2膜为纯锐钛矿晶型，需要紫外光激发，不能有效地利用太阳光或日光灯，所以市场推广困难。 二、作品科学性和先进性 1.本发明采用常温络合—控制水解新技术成功制备出了粒度仅为1.5 nm的混晶TiO2无色透明水溶胶。首先将TiCl4水解转化为TiO2∙H2O，然后与有机羧酸在室温下进行络合反应，得到透明配合物，再经分段控制水解即可得纳米混晶TiO2无色透明水溶胶。该方法原料廉价易得、制备工艺先进、环保节能，适于批量生产。所得水溶胶无色透明，性能稳定。 2.将本发明无色透明纳米混晶TiO2水溶胶用普通高压喷枪喷涂到玻璃表面，经室温晾干后，就会获得具有均匀纳米涂膜的超亲水性、高自洁性能的玻璃制品。该自清洁玻璃的制备方法与目前市场上采用的气相沉积法、磁控溅射法和溶胶提拉加高温烧结法相比，具有工艺简单、不用专门复杂设备、投资少、膜厚均匀等优点，并可在任何条件下（比如在玻璃安装前或安装后）喷涂，为自清洁玻璃的普遍推广和广泛市场化开创了先河。 3.本发明方法制得的自清洁玻璃，由于混晶效应，效果极佳。按照GB/T 23764-2009方法检验，用JC2000接触角测量仪测得其表面接触角接近0度，具有高度超亲水性能和自洁性能，在太阳光或日光灯照射下可以在短时间内完成对玻璃表面有机污染物的降解，同CVD法、磁控溅射和溶胶提拉加高温烧结法相比，极大改善了自清洁玻璃表面超亲水性能低，光催化性能不高的缺陷。 三、作品创新点 1.以普通无机盐TiCl4为原料，以有机羧酸为络合剂，采用常温络合-控制水解新技术成功制备出了安全、无毒、高效、平均粒径1.5 nm的混晶TiO2无色透明水溶胶，该工艺具有原料易得、成本低、工艺简单，环保节能、便于工业化生产等优点。 2.将本发明的水溶胶利用普通高压喷枪将其均匀涂覆在玻璃表面，所产生牢固的、透明的纳米薄膜不但有超亲水性（按照GB/T 23764-2009国际标准，用JC2000接触角测量仪测得其表面接触角接近0度），而且有高自洁性，在太阳光或日光灯照射下，可以将吸附在玻璃表面的甲醛、苯类以及病毒微生物等完全降解，从而实现对环境的完全净化。 经中国科学技术信息研究所查新证明，该发明成果在国内外尚未见报道(详见查新报告)，已经申报了国家发明专利。 四、应用前景 本发明采用常温络合—控制水解新技术制备出的纳米TiO2水溶胶无色透明，储存稳定性好，有两大应用领域：一、可以直接用普通高压喷枪喷涂在玻璃制品表面，自然晾干后，就会得到镀有无色透明、均匀纳米薄膜的超亲水玻璃，解决了传统的磁控溅射、化学气相沉积和溶胶提拉法设备复杂、制膜困难的难题；不会使玻璃由于高温等苛刻条件下的操作而变形，并且可以在已安装好的玻璃上直接喷涂，省去了更换玻璃的费用；二、可以作为光触媒产品治理居家装修、公共场所等空气环境污染。与市场现有的乳白色和黄色光触媒相比，该透明水溶胶呈中性，产品无色透明，可直接喷涂在室内家具、壁纸和墙壁等任何物体上，在太阳光或日光灯照射下就会完成对甲醛、苯类等有机污染物以及病毒细菌等有毒微生物的完全降解，从而实现对环境的净化。 本发明工艺简单，原料易得，成本低，极大降低了应用门槛，使得纳米自清洁玻璃成本降得极低，保证了市场接受能力和生产厂家足够的利润空间。如果应用于上述两个领域，保守估计每年市场需1000吨纳米TiO2水溶胶。如果筹建一个年产1000吨企业，总投资500万元（包括设备、厂房和流动资金），企业销售额可达30000万元（3个亿），利税15000万元（1.5个亿），如果在加上自洁玻璃的销售利润，其经济效益和社会效益将是巨大的。 近年来，我国机动车玻璃，高层建筑外墙装饰玻璃和防雾玻璃发展快速，如果在这些玻璃制品上推广使用超亲水、自清洁性玻璃，其应用前景将非常可观。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 为了解决:1.阴雨天由于机动车辆的雨雾造成的视线模糊对司机产生的困扰，2.高层建筑装饰玻璃每年清洗所导致的高风险、高费用问题，3.目前自清洁玻璃制备必须采用磁控溅射、气相沉积和溶胶提拉高温烧结法等复杂技术难题，本发明首先制备一种高效混晶纳米TiO2无色透明水溶胶光催化剂，然后利用普通喷涂技术将其涂覆在普通浮法玻璃表面，使其具有超亲水性和高自洁性能,为国内外自清洁玻璃的推广奠定基础。 本发明的创新点主要是：（1）以普通无机盐TiCl4为原料，以有机羧酸为络合剂，采用常温络合-控制水解新技术成功制备出了安全、无毒、高效、平均粒径1.5 nm的混晶TiO2无色透明水溶胶，该工艺具有原料易得、成本低、工艺简单，环保节能、便于工业化生产等优点。（2）将本发明的水溶胶利用普通高压喷枪将其均匀涂覆在玻璃表面，所产生牢固、透明的纳米薄膜不但有超亲水性（按照GB/T 23764-2009国际标准，用JC2000接触角测量仪测得其表面接触角接近0度），而且有高自洁性，在太阳光或日光灯照射下，可以将吸附在玻璃表面的甲醛、苯类以及病毒微生物等完全降解，从而实现对环境的完全净化。 经中国科学技术信息研究所查新证明，该发明成果在国内外尚未见报道(详见查新报告)，已经申报了国家发明专利。
科学性、先进性
- 1.本发明采用常温络合-控制水解新技术成功制备出了粒度仅为1.5 nm的混晶TiO2无色透明水溶胶。该方法原料廉价易得、制备工艺先进、环保节能，适于批量生产。所得水溶胶无色透明，性能稳定。 2.将无色透明纳米混晶TiO2水溶胶用普通高压喷枪喷涂到玻璃表面，经室温晾干后获得具有均匀纳米涂膜的超亲水、高自洁的玻璃制品。该自清洁玻璃的制备方法与目前市场上采用的气相沉积法、磁控溅射法和溶胶提拉加高温烧结法相比，具有工艺简单、不用专门复杂设备、投资少、膜厚均匀等优点，并可在任何条件下（比如在玻璃安装前或安装后）喷涂，为自清洁玻璃普遍推广和广泛市场化开创了先河。 3.本发明制得的自清洁玻璃涂膜，由于混晶效应，较普通的锐钛矿纳米TiO2薄膜具有更高的太阳能利用率。按GB/T 23764-2009方法测得表面接触角接近0度，在太阳光或日光灯照射下可在短时间内完成对玻璃表面有机污染物的降解，同CVD法、磁控溅射和溶胶提拉加高温烧结法相比，极大改善了自清洁玻璃表面的超亲水和光催化性能。
获奖情况及鉴定结果
- 申请中国发明专利一项 题目：一种高自洁亲水玻璃及制备方法 申请号：201110089601.0 申请日：2011年4月11日
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 技术转让或联合办厂均可
作品可展示的形式
- 实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本发明采用常温络合-控制水解新技术制备出的纳米TiO2水溶胶无色透明，储存稳定性好，容易批量生产。该产品可直接用普通高压喷枪喷涂在玻璃制品表面，自然晾干后，就会得到镀有无色透明、均匀纳米薄膜的超亲水和高自洁玻璃，解决了传统的磁控溅射、化学气相沉积和溶胶提拉法设备复杂、制膜困难的难题；不会使玻璃由于在高温等苛刻条件下操作而变形，并且可以在已安装好的玻璃上直接喷涂，省去了更换玻璃的费用，近年来，我国机动车玻璃，高层建筑外墙装饰玻璃发展快速，如果在这些玻璃制品上推广使用自清洁玻璃，应用前景将非常可观； 本发明工艺简单，原料易得，成本低，极大降低了应用门槛，使得纳米自清洁玻璃成本降得极低，保证了市场接受能力和生产厂家足够的利润空间。如果应用于上述两个领域，保守估计每年市场需1000吨纳米TiO2水溶胶。如果筹建一个年产1000吨企业，总投资500万元（包括设备、厂房和流动资金），企业销售额可达30000万元（3个亿），利税15000万元（1.5个亿），经济效益和社会效益可观。
同类课题研究水平概述
- 1. 化学气相沉积法是最早进行研究和在生产线上使用的自清洁玻璃制备方法，其实质上是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质或气体供给基板，借助气相反应，在基片表面上反应生成薄膜的方法。2002年英国Pilkington公司利用CVD技术沉积制造出了世界第一块应用型自清洁玻璃，并已推广应用。以后相继有古巴哈瓦那大学的Zumeta和西班牙巴塞罗那大学Ayllon等以及英国Pilkington公司的Sanderson等人发表文章，论述了他们的研究工作。国内目前有张敬畅、吴兴惠等申请了使用CVD法制备TiO2自清洁玻璃的专利。 2. 溶胶-凝胶高温烧结法是先由含钛有机化合物溶液制备溶胶，然后将溶胶涂布于玻璃表面形成凝胶，再经干燥和高温焙烧后在玻璃表面形成一层TiO2薄膜。1995年美国的Paz和Lou制备了玻璃上的光氧化自清洁透明TiO2膜， 近年来又有日本soda公司Shigemichi与日本东京大学先进科学技术中心Toshiya Watanabe等、土耳其伊斯坦布尔科技大学Sam等采用溶胶-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。我国有任达森等人采用溶胶-凝胶法制备了SiO2/TiO2镀膜玻璃，并研究其光催化性能。 3. 磁控溅射法是薄膜物理气相沉积(PVD)的一种方法，是与化学气相沉积相联系又截然不同的一类薄膜沉积技术。1999年，董昊等采用直流磁控溅射方法制备TiO2玻璃并研究了其光催化性能。以后日本的Okada、德国Zywitzki等研究脉冲磁控溅射法沉积制备纳米TiO2晶体膜的结构与性能关系，并研究了它在水溶液中的光催化活性。国内专利方面，使用磁控溅射法制备TiO2玻璃的有王浩、唐振方、杨锡良等。 本作品发明了一种超亲水、高自洁玻璃的新型制备方法。首先采用常温络合—控制水解新技术成功制备出了粒度仅为1.5 nm的纳米混晶TiO2无色透明水溶胶。然后用普通高压喷枪喷涂到玻璃表面，室温晾干后获得涂有一层牢固均匀透明的纳米涂膜，实验证明，由于混晶效应，该玻璃同时具有超亲水性和高自洁性能。与目前市场上采用的三种方法相比，该方法工艺简单、不用专门复杂设备、投资少，可在任何条件下（比如玻璃安装前或安装后）喷涂，为自清洁玻璃的普遍推广和广泛市场化开创了一条新路，应用前景广阔。
