自清洁玻璃研究现状

自清洁玻璃涂层的研究现状

由于太阳能光伏电池板上的采光玻璃长期在户外日照雨临及外界环境的污染，如同建筑物的玻璃一样，一段时间后玻璃表面会形成一层脏污层，而此脏污层会影响光线的穿透率，因此会大大降低太阳能光伏电池的转换效率。目前，为了保持采光玻璃的透光性，同时避免十分繁重的清洁工作，研发表面自清洁且具有一定减反射增透功能的自清洁玻璃成为一种必然的趋势。

目前，从方法上区分自清洁玻璃有以下两类：超疏水自清洁玻璃和超亲水自清洁玻璃，它们都是通过水的作用达到本身的自清洁效果的。

超疏水自清洁

超疏水自清洁玻璃大多模仿荷叶的自清洁效果, 在玻璃表面镀一层疏水膜制备而成的。这种疏水膜可以是超疏水的有机高分子氟化物、硅化物和其他高分子膜, 也可以是具有一定粗糙度的无机金属氧化物膜。超疏水方自清洁法效果比较明显，但由于受超疏水表面的纳微米结构机械强度的限制，使得该方法时效性差，无法保证玻璃产品作为耐用消费品的长期使用寿命，因此实际应用的超疏水自清洁玻璃还很少。

表1列出国内外在超疏水自清洁方面的研究专利。除了表1列出的部分专利信息外，

国内有研究机构开发出了一种不粘性超疏水纳米陶瓷涂料，具有疏水、疏油、易洁（或自洁）等功能。该涂料是有机硅单体和无机纳米氧化物在原子或分子状态通过缩合反应有机的结合，从而制得复合纳米涂料，因成膜后光滑坚硬如陶瓷表面，故得名——陶瓷涂料。陶瓷涂料主要成分为Si 、O 和Al （SiO 2、Al 2O 3、P 2O 5SiO 2、Al 2O 3、P 2O 5），在玻璃基材表面涂装后，通过低温加热方式固化，形成性能和陶瓷、玻璃等相似的涂膜。

表1 国内外超疏水涂层部分专利信息

专利

方法

性能

US005476717A （1995）

在有机或者无机基底表面涂覆2，促粘剂（硅烷）4，减反射涂层（硅烷）6，硅烷偶联剂8，耐磨涂层10，最后经含氟聚合物进行地表能修饰，其中减反射涂层是经溶胶凝胶法

制备的二氧化硅溶胶。

可以再有机或无机材料表面涂覆超疏水减反射涂层。

US2006/0263516A1 将一定量的、纳米二氧化硅粉末和低表能材料（聚氧乙烯、硅氧烷、正己烷）水超声分散为混合乳液，乳液涂覆于玻璃表面，高温干燥。

US2006/0292345A1 Sol-gel 法，将不同的硅氧烷经水解缩合后形成溶胶，掺杂含氟聚合物进行地表能修饰。

US2011/0095389A1 在硅片等半导体表面刻蚀，制备超疏水表面 US2010/0203287A1

CCVD 法制备纳米二氧化硅超疏水，透明涂层

102234183A （2011） Sol-gel 法制备纳米二氧化硅超疏水减反射涂层

透光率提高至99.1%玻璃表面自清洁

市场上出现的自清洁玻璃，主要还是以有效成分为TiO2的无机膜材料的超亲水自清洁玻璃，国内外研究者和生产企业所研究和生产的自清洁玻璃一般都是在普通玻璃的一面或者两面镀上一层主要成分是TiO2的功能薄膜玻璃。目前绝大部分的自清洁玻璃主要被应用于建筑幕墙和门窗玻璃以及汽车玻璃，随着太阳能电池的广泛使用，一些企业和研发机构已经开始研发用于太阳能超白玻璃表面的自清洁增透涂层。表1给出国内外关于自清洁玻璃的研究成果，表2列出国内外在超疏水自清洁方面的研究专利。

超亲水性自清洁玻璃的自清洁功能表现为两方面：一是靠其表面对水的亲和性，使水的液滴在玻璃材料表面上的接触角趋于零。当水接触到玻璃材料时，迅速在其表面铺展，形成均匀的水膜，表现出超亲水的性质，通过均匀水膜的重力下落带走污渍，通过该方式将可以去处大部分有机或无机污渍。二是光催化分解有机物的能力，TiO2在紫外光或可见光照射下，当照射光子的能量大于或者等于其能带宽度的时候，介带中的电子被激发，越过价带进入导带，在导带和价带上形成电子-空穴对，电子、空穴具有不同的活性，分别与吸附在TiO2表面的有机物质发生氧化还原反应，生成水和CO2，从而达到降解有机物的目的。

表1国内外自清洁玻璃的研究现状

超亲水自清洁制备方法

表3自清洁玻璃的制备方法

制备方法方法特点技术难点

化学气相沉

积法

用有机钛化合物或四氯化钛作为原料，先将它们蒸发变成气态，然

后随载气输送到镀膜器中，最后蒸汽在玻璃表面发生分解、水解或热解

反应，形成TiO2薄膜。

特点是工艺复杂、较难掌握、设备投资大，但膜层质量好、光催化

活性高、产量大，它代表着玻璃镀膜的发展方向。

用这种方法的企业主要有英国Pilkington公司、美国PPG公司、美

国AFG公司和日本旭硝子公司、中国耀华公司等。

1.TiO2薄膜的大面积制备。TiO2涂覆在玻璃表面制成

的自清洁玻璃可广泛应用于建筑物的窗玻璃和汽车挡

风玻璃。利用Solgel等湿法通过浸涂或拉涂方式涂覆

TiO2时，很难得到均匀的薄膜，玻璃外观不佳；而利

用气相沉积等干法沉积的TiO2薄膜，虽有较好的外

观，但性能却比较差，而且生产成本很高。

2. 光谱响应范围拓宽到可见光。TiO2只在紫外线或太

阳光下起作用，光催化对太阳能的利用率不高，光催

化量子产率不高，不能在室内弱光环境中应用。

3. 光催化性能的稳定性。环境(包括载体) 中的外来离

子吸附或扩散到TiO2表面、催化分解产物在其表面积

累都会导致光催化活性下降，甚至失活。如何改进制

备方法防止其它离子的干扰，如何对催化剂特别是光

催化产品进行失活和再生的研究，对扩展TiO2的应用

也是值得研究的问题。

磁控溅射法

利用现有的玻璃生产的磁控溅射镀膜设备，通过将金属钛溅射到玻璃表面，在玻璃表面自然氧化生成TiO2的薄膜，使得玻璃表面具有一定的亲水性，来达到自清洁效果。

该方法工艺稳定，能制备出具有较高折射率和高性能的TiO2薄膜，有望在建筑玻璃的规模生产中得到应用。

采用该技术的代表厂家有三峡新材公司。

溶胶提拉+高温烧结技术

将TiO2制成溶胶，再将玻璃放入该溶胶中浸润提拉的方式得到处理过的玻璃，再将该玻璃再高温烧结炉中烧结，完成金红石晶型向锐钛矿晶型的转化。

该方法通过高温烧结，成本高，不利于规模化生产，金红石晶型向锐钛矿晶型的转化存在转化效率问题,自清洁效果有限。

采用该技术的代表厂家有长春新世纪公司。