[发明专利]把纳米颗粒粘合到玻璃上的方法

说明书

本申请根据35U.S.C.§119，要求于2011年11月9日提交的美国临时申请系列第61/557,490号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

领域

本发明总体涉及在表面上包括稳定颗粒的结构，以及粘附颗粒的方法。具体来说，本文所揭示的结构、方法和工艺涉及纳米颗粒，该纳米颗粒被粘附到玻璃或玻璃陶瓷表面来提供具有独特或改善性质的涂覆表面。改性的玻璃表面可用于各种技术，例如光伏、减反射、抗微生物和耐指纹。

背景

已通过多种机理实现了把纳米颗粒粘附到表面，例如表面或纳米颗粒的化学改性(如在通过硫醇粘附金颗粒的情况中)或者表面改性(表面粗糙度增加通常导致程度更大的接触和粘附)。但是，许多这样的方法始终受到粘附强度问题的困扰，还存在表面不可重复和表面易于损坏等相关问题，导致缺乏具有市场竞争力的产品。

在玻璃表面的情况下，已经显示可通过热烧结步骤把纳米颗粒粘附到玻璃上。在烧结过程中，例如在接近软化点的温度热处理玻璃结构，使得纳米颗粒粘附到表面。通常，选择的纳米颗粒具有比结构玻璃更高的T_熔点或者T_软化点，允许良好地控制烧结到结构上的纳米颗粒的量，以及允许纳米颗粒嵌入该玻璃结构至大于或等于一半粒径。但是，在一些实施方式中，烧结温度随着粒径而显著变化，直径更大的颗粒需要更高的温度。例如，在康宁(Corning)玻璃产品号2318上的单层100-120纳米氧化硅纳米颗粒需要725-750℃的温度，来把一半的直径烧结到玻璃表面中，而单层250纳米的纳米颗粒需要750-770℃的温度。此外，因为粘附是在高于玻璃退火温度的温度下发生的，这导致玻璃软化，可能使玻璃变形和翘曲。因此，本领域一直需要寻找把颗粒粘附到表面的新方法，提供高强度表面，同时保留纳米颗粒改性表面所需的化学和物理特征。

概述

本发明的一方面是提供一种结构，所述结构包括支撑元件、粘合剂和纳米微粒层，以提供具有高耐久性和可离子交换的纳米纹理化的玻璃表面，从而赋予机械强度。一种实施方式包括一种结构，所述结构包括支撑元件、纳米微粒层和粘合剂，其中所述粘合剂包括碱金属硅酸盐、硼酸盐或磷酸盐。在一些实施方式中，所述碱金属硅酸盐包括SiO₂和Alk₂O，其中Alk包括Li,Na或K，SiO₂:Alk₂O比例是约0.05:1到约20.0:1。在一些实施方式中，碱金属硼酸盐包括R(H_nAlk₂O)·B₂O₃,n＝0至<2，其中R是约0.05到约20.0，且Alk包括Li,Na或K，SiO₂:R(H_nAlk₂O)·B₂O₃比例是约0.05:1到约20.0:1。在一些实施方式中，所述粘合剂包括SiO₂和H_nAlk_3-nPO₄，其中n＝0至<3且Alk包括Li,Na或K，SiO₂:H_nAlk_3-nPO₄比例是约0.05:1到约20.0:1。在一些实施方式中，所述粘合剂包括约0.1重量％-约40.0重量％的SiO₂。在一些实施方式中，所述粘合剂的厚度约小于所述颗粒平均直径的1/4，或者所述颗粒平均直径的1/2，或者所述颗粒的平均直径。

在一些实施方式中，所述纳米微粒层包括纳米颗粒，该纳米颗粒包括玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷、聚合物、金属、金属氧化物、金属硫化物、金属硒化物、金属碲化物、金属磷酸盐、固体纳米颗粒、量子点、无机复合材料、有机复合材料、无机/有机复合材料、富勒烯、纳米管、纳米纤维、纳米线、纳米棒、纳米壳或其组合。在一些实施方式中，所述纳米微粒层包括纳米颗粒，该纳米颗粒包括氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钛或其组合。在一些实施方式中，所述纳米微粒层包括纳米颗粒，该纳米颗粒的平均直径是约5纳米-约10,000纳米。在一些实施方式中，所述纳米微粒层包括纳米颗粒，该纳米颗粒的平均直径是约5纳米-约500纳米。