CN102898035A

CN102898035A - 一种复合薄膜及其制备方法和复合材料

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Publication number: CN102898035A
Application number: CN2011102122758A
Authority: CN
Inventors: 章国明; 黎宪宽
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2031-07-28
Also published as: CN102898035B

Abstract

本发明提供了一种复合薄膜，该薄膜含有二氧化钛和二氧化硅；所述二氧化钛为氮掺杂二氧化钛，其中，以薄膜的总摩尔数为基准，所述二氧化钛的摩尔百分比为9.8-49.8%，所述二氧化硅的摩尔百分比为44.8-88.2%，所述氮元素的摩尔百分比为0.4-2%，所述二氧化硅为球形，二氧化硅的平均粒径为80-100nm。本发明还提供了该薄膜的制备方法及含有该薄膜的复合材料。本发明的薄膜的透光率高且自清洁能力强。

Description

一种复合薄膜及其制备方法和复合材料

技术领域

本发明涉及一种复合薄膜及其制备方法和复合材料。

背景技术

TiO₂薄膜是一种重要的功能材料，在紫外光照射下，表面具有高度的亲水特性，可将有机污染物深度氧化，最终生成CO₂和H₂O等。具有杀菌、自洁净、光催化降解污物等功能。常用在玻璃等基片表面，制备具有自清洁的产品。如可以用在建筑玻璃、幕墙玻璃、隔断玻璃、装饰装演玻璃、汽车风档玻璃、汽车侧窗玻璃、反射镜、天窗玻璃、灯具灯罩玻璃、盖板玻璃、医院手术器材、厨房玻璃、镜片玻璃、家电玻璃、仪器仪表玻璃、墙面砖和卫生洁具等物品表面。但是，目前自TiO₂ 薄膜的自清洁效果较差，只能在特定的条件下才具有自清洁效果，同时，自清洁效应时间短，使基材表面暴露在被污染的空气中过长时间后，由于表面被灰尘覆盖变脏而很容易失效。

中国专利CN101372394A公开了一种利用表面活性剂修饰的二氧化钛合成超亲水性薄膜的方法，其组成包括：制备二氧化钛溶胶、预处理、浸渍-提拉、附着溶胶、干燥、溶胶-水热法制备二氧化钛纳米粒子、预处理二氧化钛纳米粒子、旋涂、干燥，焙烧，其特征是：在室温条件下，制备二氧化钛溶胶，采用浸渍-提拉的方法以60 mm/min的提拉速度将一层二氧化钛溶胶附着在玻璃或导电玻璃ITO上，提拉前玻璃基片在二氧化钛溶胶中的浸渍时间为2分钟，60℃干燥，得到底片，旋涂之前对溶胶-水热法制备的表面活性剂修饰的膏状二氧化钦纳米粒子进行预处理，接着采用旋涂的方法在上述底片上固定一层溶胶-水热法制备的表面活性剂修饰的二氧化钛纳米粒子，干燥，焙烧，最终得到纳米二氧化钦薄膜。

上述方法制备得到的薄膜的亲水性持续的时间短，从而使其自清洁能力低，并且该方法制备得到的薄膜的透光率率低，不能满足需求。

发明内容

本发明为解决现有技术中的二氧化钛薄膜的自清洁能力低、油光率低的技术问题，从而提供一种能够长时间具有自清洁能力和透光率高的二氧化钛薄膜及其制备方法和含有该薄膜的复合材料。

本发明提供了一种复合薄膜，该薄膜含有二氧化钛和二氧化硅；所述二氧化钛为氮掺杂二氧化钛，其中，以薄膜的总摩尔数为基准，所述二氧化钛的摩尔百分比为9.8-49.8%，所述二氧化硅的摩尔百分比为44.8-88.2%，所述氮元素的摩尔百分比为0.4-2%，所述二氧化硅为球形，二氧化硅的平均粒径为80-100nm。

本发明还提供了上述复合薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

该方法包括以下步骤：

S1、配制SiO₂溶胶

SS1将正硅酸乙酯、水合无水乙醇混合并搅拌均匀形成混合溶液；其中，各物质的摩尔比为：正硅酸乙酯：水：无水乙醇=1：3-5：35-45，然后用酸将pH值调节为2-4，搅拌陈化；

SS2用碱将步骤SS1中的混合溶液的pH调节到8-10，并陈化形成溶胶；

SS3将步骤S2中的溶胶用酸将pH值调节为2-4，得到酸性SiO₂溶胶；

S2、配制TiO₂溶胶

将钛酸四丁酯、水、乙酰丙酮和无水乙醇混合并搅拌均匀，TiO₂溶胶中各物质的摩尔比例为钛酸四丁酯：水：乙酰丙酮：无水乙醇=1：2-3：0.5-1.5：16-20，然后用酸调节pH值为3-5，搅拌陈化；

S3、制备SiO₂-TiO₂复合溶胶

在搅拌上述酸性SiO₂溶胶的同时，将上述TiO₂溶胶缓慢加入到上述SiO₂溶胶中，继续搅拌形成SiO₂-TiO₂复合溶胶；

S4、制备氮掺杂的N-SiO₂-TiO₂复合溶胶

将表面活性剂加入到上述SiO₂-TiO₂复合溶胶中搅拌；然后向其中加入含氮物质，搅拌形成氮掺杂的N-SiO₂-TiO₂复合溶胶；

S5、制备复合薄膜

将基片缓慢***到上述N-SiO₂-TiO₂复合溶胶中浸渍1-2分钟后，通过液位下降法在基片表面形成一层N-SiO₂-TiO₂膜，然后将玻璃基片放置在空气中自然晾干，将基片放入烘箱中烘干，然后焙烧形成负载与基片上的复合薄膜，剥除基片，即得到复合薄膜；

其中，含氮物质以N计，氮掺杂的N-SiO₂-TiO₂复合溶胶中，以二氧化钛、二氧化硅及氮元素的总摩尔量为基准，所述二氧化钛的摩尔百分比为3-45%，所述二氧化硅的摩尔百分比为15-81%，所述氮元素的摩尔百分比为10-70%；以氮掺杂的N-SiO₂-TiO₂复合溶胶的总质量为基准，所述表面活性剂的含量为1-20%。

本发明还提供一种复合材料，该材料包括基材与附于基材上的复合薄膜，其中，所述复合薄膜为本发明所述的复合薄膜。

本发明的薄膜，具有比其它产品更持久的自清洁能力。纯二氧化硅减反射膜虽然具有较高的减反射性能，但是由于二氧化硅自身并不具有自清洁特性，因此在短期内就会由于环境中的污染而令透光性大大下降，而纯二氧化钛自清洁膜则由于其自身折射率过高（高达2.45），使透光性大大下降从而影响了在类似于太阳能电池领域中的应用。本产品通过合理的调节二氧化钛和二氧化硅的比例，以及调节所形成薄膜的孔隙率，从而将该种复合薄膜的有效折射率降低，保证了高透光性。此外，由于在复合薄膜制备过程中对二氧化钛部分掺杂的N等元素，有效调节了二氧化钛的带隙宽度，从而令二氧化钛的光催化活性即使在弱光（无紫外线照射）的情况下也具有光催化活性。该性能使环境污染物能够及时的被从薄膜表面清除，从而令薄膜能够长久保持的自清洁性能。此外，二氧化硅为一般意义上的路易斯酸，在常温常压下对具有亲核性的水有较强的吸附作用，亦即所谓的“锁水”性能比较好。但是二氧化硅不具有光催化活性，在经过一定时期的放置之后就会导致污染并使表面的水膜消失，而二氧化钛的加入能够对此进行弥补，由于其光催化活性能够使薄膜保持洁净，并且始终存在大量的羟基基团，从而令表面的超亲水性能得以长久的保持。

具体实施方式

根据本发明提供的薄膜，为了使薄膜的亲水性更持久，优选地，所述二氧化钛的摩尔百分比为30-40%，所述二氧化硅的摩尔百分比为70-60%，所述氮元素的摩尔百分比为0.5-1.5%。

根据本发明提供的薄膜，为了使薄膜的亲水性更持久，优选地，所述二氧化钛为锐钛型二氧化钛和金红石型二氧化钛的混合物。金红石型二氧化钛虽然也具有一定光催化活性，但是由于其本身带隙较高（块体金红石型二氧化钛带隙在3.3电子伏特），从而令其在阳光下极弱；而锐钛矿型二氧化钛相对于金红石型则具有较低带隙（块体锐钛矿型二氧化钛带隙在3.1电子伏特），在阳光照射下有较强光催化活性。相关报道和实验证明二氧化钛光催化活性的强弱不仅仅与具体晶体带隙相关，还与晶体界面态密切相关。当锐钛矿型和金红石型二氧化钛同时存在并相互紧邻时，表现出比单一性晶体更强的光催化活性。一般认为，这是由于这种界面态的存在使产生的光电子的寿命大大加强，一旦产生光电子之后由于界面的存在阻碍了重新复合，从而令光催化活性增加。

根据本发明提供的薄膜，优选地，所述薄膜的折射率为1.25-1.4。由于本发明的薄膜常用在玻璃表面，而一般玻璃的折射率为1.5，空气折射率为1，若要降低该界面的反射，则表面所覆盖薄膜必须符合λ/4。根据理论计算，若要使可见光具有最强投射，则所形成薄膜的有效折射率为1.3左右。

本发明提供了一种上述薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

该方法包括以下步骤：

S1、配制SiO₂溶胶

S2、配制TiO₂溶胶

S3、制备SiO₂-TiO₂复合溶胶

S4、制备氮掺杂的N-SiO₂-TiO₂复合溶胶

S5、制备复合薄膜

根据本发明所提供的制备方法，优选地，所述步骤SS1中搅拌的时间为0.5-1.5小时，陈化的时间为24-96小时；所述步骤SS2中陈化的时间为 24-96小时；步骤S2中搅拌的时间为0.5-1.5小时，陈化的时间为24-96小时；步骤S3中搅拌的时间为30-60分钟；步骤S4中加入表面活性剂后的搅拌时间为30-60分钟，加入含氮物质后的搅拌时间为30-60分钟。所述烘干的温度为70-90℃，时间为40-80min；所述焙烧的温度为500-600℃，时间为1-3小时。

N-SiO₂-TiO₂溶胶中的氮元素的含量很高，但是在焙烧过程中，大部分的氮元素都以氮气及氮氧化物的形式挥发掉，只有少量的氮元素进入二氧化钛晶体。

本发明的制备方法，在SS1中将各物质混合均匀，在陈化过程，会缓慢进行水解，成少量的晶种，为SS2中的反应做准备。在SS2中，水解生成二氧化硅，由于是在碱性条件下水解，使生成的二氧化硅成球形并且粒径小，这样的二氧化硅能够提高后期形成的薄膜的亲水性的持久性。

根据本发明所提供的制备方法，本发明步骤SS1、SS3及S2中所用的酸可以为本领域公知的各种酸，但是为了后续能够容易去除，优选地，步骤SS1、SS3及S2中所用的酸为盐酸或硝酸。盐酸和硝酸在高温下会分别形成HCl和NO₂气体离开。

根据本发明所提供的制备方法，步骤SS2中所用的碱可以为本领域常用的各种碱，但是为了不引入其他杂质，优选地，步骤SS2中所用的碱为氨水，氨水会在高温下部分变为气体，另一部分形成N元素掺杂入二氧化钛晶体中。由于氨水的用量较少，且形成N元素掺杂入二氧化钛晶体中的更少。

根据本发明所提供的制备方法，所述表面活性可以为本领域常用的各种表面活性剂，优选地，所述表面活性剂为曲拉同X100、二乙醇胺、三乙醇胺、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、油酸、聚乙二醇和乙二醇胺中的至少一种。

根据本发明所提供的制备方法，优选地，所述含氮物质为碳酸氢铵和尿素中的至少一种。

根据本发明所提供的制备方法，优选地，所述基片为玻璃或陶瓷。

根据本发明所提供的制备方法，为了使得到的薄膜厚度均匀，没有其他杂质，优选地，在制备复合薄膜之前，将基材进行表面处理，以得到表面光滑平整的基材。

本发明提供了一种复合材料，该材料包括基材与附于基材上的复合薄膜，其中，所述复合薄膜为本发明所述的复合薄膜。

根据本发明所提供的复合材料，优选地，所述基材为玻璃或陶瓷。

根据本发明所提供的复合材料，所述复合材料的制备方法可以是将基材直接放置在复合溶胶中按照薄膜的制备方法制备，只要在最后不将薄膜和基材玻璃即可，这样得到的复合材料的结合力比较好。也可以将上述得到的玻璃用粘接与基材粘接在一起。

下面用实施例对本发明进行进一步的详细说明。

实施例1

S1、配制SiO2溶胶

SS1将正硅酸乙酯、水合无水乙醇混合并搅拌均匀形成混合溶液；其中，各物质的摩尔比为：正硅酸乙酯：水：无水乙醇=1：4：40，然后用盐酸将pH值调节为3，搅拌4小时，陈化24小时；

SS2用氢氧化钠将步骤SS1中的混合溶液的pH调节到9，并陈化24小时，形成溶胶；

SS3将步骤S2中的溶胶用盐酸将pH值调节为3，得到酸性SiO2溶胶；

S2、配制TiO2溶胶

将钛酸四丁酯、水、乙酰丙酮和无水乙醇混合并搅拌均匀，TiO2溶胶中各物质的摩尔比例为钛酸四丁酯：水：乙酰丙酮：无水乙醇=1：2.5：1：18，然后用盐酸调节pH值为4，搅拌2小时，陈化24小时；

S3、制备SiO2-TiO2复合溶胶

在搅拌上述酸性SiO2溶胶的同时，将上述TiO2溶胶缓慢加入到上述SiO2溶胶中，继续搅拌30分钟，形成SiO2-TiO2复合溶胶；

S4、制备氮掺杂的N-SiO2-TiO2复合溶胶

将曲拉通X100加入到上述SiO2-TiO2复合溶胶中，并搅拌30分钟；然后向其中加入含尿素，搅拌60分钟后形成氮掺杂的N-SiO2-TiO2复合溶胶；

S5、制备复合薄膜

将玻璃基片缓慢***到上述N-SiO2-TiO2复合溶胶中浸渍5分钟后，通过液位下降法在基片表面形成一层N-SiO2-TiO2膜，然后将玻璃基片放置在空气中自然晾干，将基片放入80℃的烘箱中烘干30min后，在540℃下焙烧2小时，形成负载于基片上的复合薄膜A1。

氮掺杂的N-SiO2-TiO2复合溶胶中，二氧化钛的含量为9mol，二氧化硅的含量为81mol，尿素的含量为5mol；以氮掺杂的N-SiO2-TiO2复合溶胶的总质量为基准，所述表面活性剂的含量为10%。

实施例2

按照实施例1的方法制备负载于基片上的复合薄膜A2，区别在：氮掺杂的N-SiO2-TiO2复合溶胶中，二氧化钛的含量为16mol，二氧化硅的含量为64mol，尿素的含量为10mol；以氮掺杂的N-SiO2-TiO2复合溶胶的总质量为基准，所述表面活性剂的含量为5%。

实施例3

按照实施例1的方法制备负载于基片上的复合薄膜A3，区别在：氮掺杂的N-SiO2-TiO2复合溶胶中，二氧化钛的含量为21mol，二氧化硅的含量为49mol，尿素的含量为15mol；以氮掺杂的N-SiO2-TiO2复合溶胶的总质量为基准，所述表面活性剂的含量为7%。

实施例4

按照实施例1的方法制备负载于基片上的复合薄膜A4，区别在：氮掺杂的N-SiO2-TiO2复合溶胶中，二氧化钛的含量为24mol，二氧化硅的含量为36mol，尿素的含量为20mol；以氮掺杂的N-SiO2-TiO2复合溶胶的总质量为基准，所述表面活性剂的含量为1%。

实施例5

按照实施例1的方法制备负载于基片上的复合薄膜A5，区别在：氮掺杂的N-SiO2-TiO2复合溶胶中，二氧化钛的含量为10mol，二氧化硅的含量为40mol，尿素的含量为25mol；以氮掺杂的N-SiO2-TiO2复合溶胶的总质量为基准，所述表面活性剂的含量为15%。

实施例6

按照实施例1的方法制备负载于基片上的复合薄膜A6，区别在：氮掺杂的N-SiO2-TiO2复合溶胶中，二氧化钛的含量为10mol，二氧化硅的含量为30mol，尿素的含量为30mol；以氮掺杂的N-SiO2-TiO2复合溶胶的总质量为基准，所述表面活性剂的含量为20%。

实施例7

按照实施例1的方法制备负载于基片上的复合薄膜A7，区别在：氮掺杂的N-SiO2-TiO2复合溶胶中，二氧化钛的含量为3mol，二氧化硅的含量为27mol，尿素的含量为35mol；以氮掺杂的N-SiO2-TiO2复合溶胶的总质量为基准，所述表面活性剂的含量为10%。

实施例8

按照实施例1的方法制备负载于基片上的复合薄膜A8，区别在：氮掺杂的N-SiO2-TiO2复合溶胶中，二氧化钛的含量为45mol，二氧化硅的含量为45mol，尿素的含量为5mol；以氮掺杂的N-SiO2-TiO2复合溶胶的总质量为基准，所述表面活性剂的含量为10%。

对比例1

利用表面活性剂修饰的二氧化钛合成超亲水性薄膜的方法，其组成包括：

制备二氧化钛溶胶、预处理、浸渍-提拉、附着溶胶、干燥、溶胶-水热法制备二氧化钛纳米粒子、预处理二氧化钛纳米粒子、旋涂、干燥，焙烧，在室温条件下，制备二氧化钛溶胶，采用浸渍-提拉的方法以60 mm/min的提拉速度将一层二氧化钛溶胶附着在玻璃或导电玻璃ITO上，提拉前玻璃基片在二氧化钛胶中的浸渍时间为2分钟，60℃干燥，得到底片，旋涂之前对溶胶-水热法制备的表面活性剂修饰的膏状二氧化钛纳米粒子进行预处理，接着采用旋涂的方法在上述底片上固定一层溶胶-水热法制备的表面活性剂修饰的二氧化钛纳米粒子，干燥，焙烧，最终得到纳米二氧化钛薄膜CA1。

测试方法

1、透光率测试

采用紫外可见分光光度计对A1-A8及CA1进行透光率检测，结果见表1。

2、接触角测试

采用静态接触角仪对A1-A8及CA1进行接触角检测，结果见表1。

表1

从表1中可以看出，本发明的薄膜的透光率达93%以上，接触角小于5°。而用对比例1的方法制备的薄膜的透光率只有88.73%。接触角为34°。所以本发明的薄膜的透光率大，自清洁能力很强。

Claims

1.一种复合薄膜，其特征在于，该薄膜含有二氧化钛和二氧化硅；所述二氧化钛为氮掺杂二氧化钛，其中，以薄膜的总摩尔数为基准，所述二氧化钛的摩尔百分比为9.8-49.8%，所述二氧化硅的摩尔百分比为44.8-88.2%，所述氮元素的摩尔百分比为0.4-2%，所述二氧化硅为球形，二氧化硅的平均粒径为80-100nm。

2.根据权利要求1所述的复合薄膜，其特征在于：所述二氧化钛的摩尔百分比为30-40%，所述二氧化硅的摩尔百分比为60-70%，所述氮元素的摩尔百分比为0.5-1.5%。

3.根据权利要求1或2所述的复合薄膜，其特征在于，所述二氧化钛为锐钛型二氧化钛和金红石型二氧化钛的混合物。

4.根据权利要求1或2所述的复合薄膜，其特征在于，所述薄膜的折射率为1.25-1.4。

5.权利要求1所述的复合薄膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、配制SiO₂溶胶

S2、配制TiO₂溶胶

S3、制备SiO₂-TiO₂复合溶胶

S4、制备氮掺杂的N-SiO₂-TiO₂复合溶胶

S5、制备复合薄膜

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤SS1中搅拌的时间为0.5-1.5小时，陈化的时间为24-96小时；所述步骤SS2中陈化的时间为 24-96小时；步骤S2中搅拌的时间为0.5-1.5小时，陈化的时间为24-96小时；步骤S3中搅拌的时间为30-60分钟；步骤S4中加入表面活性剂后的搅拌时间为30-60分钟，加入含氮物质后的搅拌时间为30-60分钟。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述烘干的温度为70-90℃，时间为40-80min；所述焙烧的温度为500-600℃，时间为1-3小时。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤SS1、SS3及S2中所用的酸为盐酸或硝酸。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤SS2中所用的碱为氨水。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂为曲拉同X100、二乙醇胺、三乙醇胺、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、油酸、聚乙二醇和乙二醇胺中的至少一种。

11.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述含氮物质为碳酸氢铵和尿素中的至少一种。

12.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述基片为玻璃或陶瓷。

13.一种复合材料，该材料包括基材与附于基材上的复合薄膜，其特征在于，所述复合薄膜为权利要求1所述的复合薄膜。

14.根据权利要求13所述的复合材料，其特征在于，所述基材为玻璃或陶瓷。