[发明专利]一种基于玻璃表面的超亲水薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及超亲水薄膜，尤其是涉及一种基于玻璃表面的超亲水薄膜的制备方法。

背景技术

特殊浸润性表面由于其独特的浸润行为在液体输送、涂料、防水、建筑和医用材料等领域都有着重要的应用。作为一种典型的特殊浸润性表面，超亲水表面（与水的接触角接近于0°)具有防雾和自清洁的功能，在工业生产和实际生活中具有广泛的应用，例如汽车的前挡玻璃和侧窗玻璃采用超亲水表面技术后，在下雨天和寒冷的天气中，雨滴或者小雾滴在玻璃表面上迅速平铺开来，从而达到不影响镜面成像、能见度和玻璃的透光率的效果。

制备超亲水表面主要有两种途径:一是光引发超亲水，如TiO₂、ZnO、SnO₂、WO₃、V₂O₅等受紫外光或可见光辐照后即可由亲水或者疏水转变为超亲水；二是在亲水材料表面构建粗糙结构。Wenzel等研究了表面粗糙度对表面表观接触角的影响，提出cosθa=rcosθ，其中θa为表观接触角，θ为本征接触角，r为表面粗糙度，即实际表面面积和几何投影面积之比(r≥1)，r和θ分别代表了表面粗糙度和表面化学组成对浸润性的影响。Wenzel模型表明粗糙结构对浸润性有增强作用，当θ＞90°，θa随着粗糙度的增加而增大，表面变得更加疏水；当θ＜90°，θa随着粗糙度的增加而降低，表面更加亲水。此外，也可将上述两种途径结合，如赋予TiO₂和ZnO表面粗糙结构来制备超亲水表面。

国外在20世纪60年代就已经开始了玻璃自清洁和防雾研究，在基础研究方面，目前世界上发达国家均有知名公司在专门从事自清洁玻璃的研究开发和制作，如英国的Pilkington公司、日本TOTO公司、美国PPG公司、德国GEA公司等。国内的研究虽然起步较晚，但也取得了显著的进展，有关专利和技术成果有上百项，且不断有玻璃防雾剂产品推出。目前制备超亲水表面的方法有很多，主要有溶胶-凝胶法、静电自组装技术、液相沉积法、化学气相沉积法和磁控溅射法等。

中国专利CN200610035099公开一种利用磁控溅射方法，先在玻璃表面溅射二氧化硅薄膜，然后在纳米二氧化硅薄膜表面上溅射一层阴、阳离子共掺的改性二氧化钛薄膜，镀了双层薄膜的玻璃在500-600℃下退火，烧结炉中自然冷却即得。该自清洁玻璃具有良好的光催化活性和光致亲水性，玻璃透过率高，无色透明；但是亲水性的持久性比较差，过一段时间后接触角又会变大，而且该工艺过程采用磁控溅射，需要真空系统，设备价格昂贵，不适于大规模的生产。

中国专利CN200910077830公开一种超亲水的防雾增透涂层及其制备方法，用正硅酸乙酯、氨水、无水乙醇为原料，在不同的条件下混合搅拌,制备不同粒径的SiO₂球型纳米粒子，然后采取浸涂的方法把SiO₂球型纳米粒子与聚电解质通过静电组装沉积到玻璃片上，最后通过煅烧制备出超亲水的防雾增透涂层。该涂层依次是由粒径为10~80nm的SiO₂球型纳米粒子层，粒径为100~200nm的SiO₂球型纳米粒子层及粒径为10~80nm的SiO₂球型纳米粒子层组装而成。该无机涂层成本低、性能优越、耐久性好，缺点是工艺流程复杂，而且该涂层粘结力不强，容易擦掉。

中国专利CN021520429公开一种纳米自洁净超亲水玻璃产品生产方法，用二氧化硅溶胶与钛氧有机物的混合物作为膜液材料，经提拉成膜，干燥后焙烧，钛氧有机物热解得到主要成分为二氧化钛的高光催化活性纳米晶体膜。该产品具有良好的光催化性，短时间光照即可达到自清洁超亲水状态。该工艺的缺点是依赖于光照。

Premkumar等[Premkumar J，Khoo S B.Electrochemically Generated Super-HydrophilicSurfaces.Chemical Communication，2005，640-642]利用电化学方法成功制备了In₂O₃-SnO₂超亲水表面，他们首先将涂有In₂O₃-SnO₂的玻璃基底作为工作电极，铂金作为对电极，在阈电位为2.0V时处理10min，CA由改性前的80°降低至1~2°。。利用电化学方法对表面进行处理是获得粗糙结构的有效方法，这种制备方法的优点是无需光照即可得到高度亲水的表面，但是其亲水性只能维持一到两天，且该方法需要特殊的仪器设备，难以实现大面积表面的制备。