溶胶-凝胶法制备TiO2薄膜自清洁玻璃

TiO2薄膜因其具有很好的亲水性和光催化性，在建筑幕墙玻璃等领域广泛应用，在玻璃表面涂覆TiO2薄膜的方法有很多，其中溶胶-凝胶法制备TiO2薄膜，具有工艺简单、成本较低、镀膜均匀等优点。镀膜玻璃的制备，过程包括以下几个步骤：①溶胶的制备：在104mL无水乙醇中加入8mL二乙醇胺，以此作为抑制剂，延缓钛酸丁酯的强烈水解，再加入乙酸20mL和蒸馏水1mL，搅拌30min；而后取不同量的钛酸丁酯，滴加于其中，搅拌1h，陈化24h后得到稳定的TiO2溶胶。其工艺流程如图1所示。②玻璃基片的清洗：先用清洗剂洗掉玻璃表面的油污，再用流动水冲干净后用盐酸和氢氧化钠分别浸泡3h，再用蒸馏水洗涤以去除基片上可能残留的离子。最后用吹风机将玻璃表面的水吹干，备用。③玻璃镀膜：采用自行设计制作的镀膜装置，利用液面下降法镀膜，结构示意图如图2所示。装置原理类似于医用输液设备，可控制液体的下降速度。④镀膜玻璃的热处理：先将制得的镀膜玻璃在80℃下干燥20

min，然后转入马弗炉中，在不同温度下进行热处理，以脱去物理和部分化学结合水，使薄膜结构致密。本实验热处理的升温速度为10℃/min，保温时间为2h，随炉冷却后取出。图1制备TiO2溶胶的工艺流程图图2液面下降法镀膜装置示意图实验讨论：（1）首先研究镀膜层数对玻璃亲水性的影响，结果如图3所示。从图3可知，每条曲线的起伏变化很小，由此可以推断，镀膜层数的变化对薄膜润湿角的影响不大。图3不同涂膜层数的润湿角（2）钛酸丁酯用量（即醇酯比）对玻璃亲水性的影响。选择镀膜层数为5时考察钛酸丁酯的用量（也即醇酯比）对接触角的影响，所得曲线如图4所示。从图4可以看出，玻璃的接触角在一定范围内随着钛酸丁酯的使用量的增加逐渐减小，在钛酸丁酯的用量为12mL时达到最小值，随后随着钛酸丁酯的用量的增加接触角又会变大。图4不同钛酸丁酯用量对应的接触角（3）热处理温度对玻璃亲水性的影响。钛酸丁酯用量为12mL，镀膜层数为5时，分别在400℃、450℃、500℃、550℃、600℃下进行热处理。测得接触角如图5。由图5可知热处理温度对镀膜玻璃的接触角影响很大，在400～500℃范围内随着温度的升高，接触角出现明显的降低，随后接触角趋向稳定。在温度超过550℃后接触角明显随着温度的升高又会变大。500℃时锐钛矿已经完全形成，所以玻璃的接触角趋向于稳定且到达最小值，但是在550℃以后一定量的TiO2转变为金红石，接触角又随之变大。图5不同退火温度下的镀膜接触角（4）镀膜层数对玻璃光催化性能的影响，结果如图6所示。由图6可知，随着镀膜层数从1增加到5，TiO2薄膜的光催化降解能力明显提高，超过5层后分解率反而逐渐降低，可看出最佳镀膜层数为5层。图6镀膜层数对光催化性能的影响（5）热处理温度对光催化性能的影响，钛酸丁酯用量为12mL，镀层数为5时，分别在400℃、450℃、500℃、550℃、600℃下进行热处理，而后进行甲基橙降解实验。结果如图7所示。由图7可知热处理温度对TiO2薄膜的光催化活性影响很大，随着温度的升高，催化活性有了明显的提高，500℃处理的样品光催化活性最高，甲基橙降解率可达65%。图7不同热处理温度对应的甲基橙分解率经过一系列的实验，可知钛酸丁酯为12mL，镀膜层数5层、热处理温度500℃时制得的样品为理想样品，样品表面的原子力显微镜（AFM）检测结果如图8所示。由图可知，具有最佳性能的玻璃表面整体是光滑平整的，同时又由于热处理过程中有机物的挥发，致使表面均匀分布着许多微小的气孔，这种特殊的表面结构一方面有利于降低玻璃的接触角，一方面又可以提高其光催化性能。图8理想样品的AFM图从以上实验结果可知，3个工艺参数包括镀膜层数、醇酯比和热处理温度，对溶胶-凝胶法在普通玻璃上制备的二氧化钛镀膜的性能有重要的影响，其中主要的原因与二氧化钛的比表面积