自清洁玻璃的研究

自清洁玻璃的研究

选题意义

随着对环境恶化给人类生活带来危害的认识以及对环境保护要求的提高，人们对使用具有环保作用且利用自然条件达到自动清洁作用，又能美化环境的绿色建筑材料的要求越来越迫切。玻璃幕墙因其功能性和装饰性等优点被建筑师们所青睐,但玻璃幕墙的清洁却是一个令人头痛的问题,使用洗涤剂来清洁玻璃不仅污染环境,也浪

费大量的水资源。依靠自然的水冲刷的自清洁玻璃是从根本上解决玻璃清洗的最有效方法,因此研究制备自清洁玻璃成为当今的研究热点。自清

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同就在于那层高科技含量的“外衣”—自清洁薄膜。这层膜使玻璃宛如一张透明的荷叶，水滴其上，恰似雨打荷叶，瞬间滚落，不留踪迹。

自清洁玻璃简介

自清洁玻璃可分为两大类: 亲水性自清洁玻璃和疏水性自清洁玻璃。

亲水性自清洁玻璃是在普通玻璃表面加了一层超亲水性薄膜。最常用的是TiO2光催化薄膜。它具有良好的光催化性能，在抗菌除臭、污水处理、空气净

化等方面有广阔的应用前景。TiO

是N 型半导体金属氧化物，在同类（如Zno 、

2

等）物质中具有氧化活性好、稳定性强、无毒等优点，是一种绿色环境CdS、WO

3

友好型材料。该薄膜在紫外光的照射下，不但能分解有机污染物，而且滴在薄膜上的水滴与薄膜的接触角很快变为零，这些特性使得TiO2光催化薄膜具有自洁去污，易于清洗，防水雾等功能。

疏水性自清洁玻璃是在普通玻璃表面涂一层超疏水薄膜。这种超疏水薄膜主要为有机物薄膜，因为有机聚合物是主要的疏水物质, 其疏水性分子中除了碳外, 含有大量低表面能的硅、服等原子基团, 它能极大地降低材料的表面能, 使其对水的接触角增大（通常大于1000)。目前主要应用氟硅烷系( FAS) 、氟系及有机硅化合物等来提高疏水性。其中氟硅烷系( FAS) 有机物具有特殊的化学惰性, 即不溶于水也不溶于酸碱溶液, 且对各种气体和水蒸气具有很小的渗透性,因而得到了广泛应用。

实验目的

通过对自清洁玻璃的研究，给人们的生产和生活带来极大的便利。首先，它可以节省玻璃的清洗费用，特别是对于楼层高的建筑物，使得玻璃成为一劳永逸；降低人工清洗使用的清洁剂带来对玻璃结构的腐蚀和破坏；降低了高空作业带来的危险；解决了非立面建筑墙面，房面的清洗难题，完美展现现代建筑的艺术风格；真正的体现出环保的价值。

本实验采用溶胶-凝胶法，以三甲基氯硅烷、氢氟硅酸和去离子水为前躯体，制备出一种含-CF3强疏水性基团的氟硅烷溶液。再用提拉法在玻璃基片上得到一层超疏水性薄膜。通过对所得物质性质的检测，预测其应该具有和荷叶相似的表面结构和性质。

实验的原理

荷叶的基本化学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物，有丰富的-OH、-NH2等极性基团，在自然环境中应该很容易吸附水分或污渍。但荷叶叶面却呈现具有极强的拒水性，洒在叶面上的水会自动聚集成水珠，水珠的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净，这就是著名的"荷叶自洁效应"。

表面润湿原理

固体表面的湿润性是固体的重要表面性能，描述湿润性的指标为湿润角，湿润角小于90°为亲水表面, 润湿角大于90°为疏水表面, 润湿角大于150°则称为超疏水表面。

最早描述液滴在固体表面润湿角的杨氏方程说明了润湿角与固体表面能的关系。

cos θ = (σs-g-σs-l)/σg-l ( 1)

式中的σs-g、σs-l 与σg-l分别为固气表面、固液表面与气液表面的表面张力。

对于粗糙表面，Wenzel 方程认为水滴在粗糙表面完全浸润, 其液滴接触角为: cos θr = r cosθ ( 2 )

式中的r 为表面粗糙度, 即实际表面积与表面投影面积之比值, θ为平整表面的接触角。根据Wenzel 方程, 对于疏水表面, 增加表面粗糙度, 液滴的接触角增大, 而对于亲水表面, 增加表面粗糙度, 液滴的接触角反而减小。

Cassie 等认为水滴在粗糙表面接触存在两种界面( 图1) : 水滴与固体界面以及由于毛细现象水滴无法进入微孔而形成空气垫从而形成的水滴与空气垫界面, 并认为水滴与空气垫的接触角为 180°, 因此, 提出粗糙表面的水滴的接触角为:

cos θr = r f 1cosθ- f 2 ( 3)

式中, f1、f2分别为粗糙表面接触面中液固界面的面积分数与气固界面的面积分数。从上述模型可知,制备具有特殊结构的表面可以提高表面的接触角。

荷叶的微观结构

通过扫描电子显微镜图像，可以清晰地看到，在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的“小山包”（每两个小山包之间的距离约为20－40μm）在山包上面长满了绒毛，在山包顶又长出了一个个馒头状的“碉堡”凸顶。整个表面被微小的蜡晶所覆盖（大约200nm －2μm）。

因此，在“山包”间的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄、只有纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“山包”的凸顶形成几个点接触，由于空气层、“山包”状突起和蜡质层的共同托持作用，使得水滴不能渗透，而能自由滚动。雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是"荷叶效应"能自洁叶面的奧妙所在。

实验方法

自清洁玻璃的制备加工方法很多，主要有溶胶-凝胶法；磁控溅射法；化学气相沉积法。由于考虑到实验过程操作过程的方便，一般采用溶胶-凝胶法。采用溶胶-凝胶法，以三甲基氯硅烷、氢氟硅酸和去离子水为前躯体，在玻璃基片上用提拉法制备出一种含-CF3强疏水性基团的氟硅烷薄膜。

1、溶胶的配制

实验中采用三甲基氯硅烷（(CH3)

3SiCl）、氢氟硅酸（H

2

SiF

6

）和去离子水

为原料配置氟硅烷有机溶胶。在三甲基氯硅中加入一定量的H

2SiF

6

和去离子水搅

拌30min，得到黄色透明的氟硅烷溶胶，然后陈化24h备用。

三甲基氯硅烷先发生水解反应，生产三甲基硅氧烷，反应式为(1)。三甲基硅氧烷再与H2SiF6得到—CH3基团，反应式为(2)。