基于種子層結(jié)構(gòu)控制的超疏水自清潔玻璃的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于種子層結(jié)構(gòu)控制的超疏水自清潔玻璃的制備方法，步驟如下：（1）配制ZnO種子層溶膠，在溶膠中分別加入表面活性劑PEG和CTAB,分別和ZnO種子層溶膠摻雜均勻，得到PEG/ZnO種子層溶膠和CTAB/ZnO種子層溶膠；（2）采用浸漬提拉法在ITO玻璃上分別鍍摻雜了PEG和CTAB的ZnO種子層，得到PEG/ZnO種子層和CTAB/ZnO種子層，并在馬弗爐中以一定溫度處理；（3）將制備好的PEG/ZnO種子層材料在配置好的ZnO生長(zhǎng)溶液中水熱處理，得到ZnO納米束陣列，將制備好的CTAB/ZnO種子層材料在配置好的ZnO生長(zhǎng)溶液中水熱處理，得到ZnO納米帶陣列；（4）分別將制備好的ZnO納米束陣列和ZnO納米帶陣列用硬脂酸(SA)的乙醇溶液進(jìn)行化學(xué)處理一段時(shí)間，并在空氣中熱處理一段時(shí)間，得到SA/ZnO納米束陣列和SA/ZnO納米帶陣列。
【專利說明】
基于種子層結(jié)構(gòu)控制的超疏水自清潔玻璃的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于自清潔功能涂層材料制備領(lǐng)域，具體為一種基于種子層結(jié)構(gòu)控制ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列涂層的超疏水自清潔玻璃的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自清潔功能玻璃是指普通玻璃在經(jīng)過特殊的物理或化學(xué)方法處理后，在其表面產(chǎn)生獨(dú)特的物理性能，不再需要通過傳統(tǒng)的人工擦洗而是在自然雨水的沖刷作用下就能達(dá)到清潔效果的涂層玻璃。隨著現(xiàn)代化城市的發(fā)展，玻璃幕墻作為一種美觀新穎的建筑墻體裝飾辦法，已成為現(xiàn)代高層和超高層建筑時(shí)代的顯著特征。然而，普通玻璃雖天生麗質(zhì)，但不耐污染，特別是隨著環(huán)境污染的日益加劇，大氣中粉塵含量較多，玻璃幕墻極易蒙塵納垢，失去其原始特性。隨著人們對(duì)環(huán)境惡化所帶來危害的認(rèn)識(shí)以及對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的提高，人們對(duì)使用具有環(huán)保作用且利用自然條件達(dá)到自動(dòng)清潔作用，又能起到美化環(huán)境作用的綠色建筑材料的要求越來越迫切。與此同時(shí)，自清潔建筑玻璃的出現(xiàn)，恰恰滿足了人們這一美好愿望。因此，制備自清潔建筑玻璃，呈現(xiàn)出較好的發(fā)展前景，成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。
[0003]超疏水自清潔玻璃大多模仿荷葉的自清潔效果，在玻璃表面鍍一層疏水膜制備而成的。目前絕大部分的自清潔玻璃主要被應(yīng)用于建筑幕墻和門窗玻璃以及汽車玻璃，研究具有耐候性、耐用性和高機(jī)械強(qiáng)度的減反射自清潔涂層將是自清潔玻璃的發(fā)展趨勢(shì)。
[0004]ZnO是一種寬禁帶第三代半導(dǎo)體材料，引起了人們的廣泛關(guān)注。ZnO介電常數(shù)小，具有更快的電子傳輸能力，并且制備方法較多。納米ZnO粒徑介于1-1OOnm之間，是一種面向21世紀(jì)的新型高功能精細(xì)無機(jī)產(chǎn)品，表現(xiàn)出許多特殊的性質(zhì)，具有光化學(xué)效應(yīng)和較好的遮蔽紫外線性能，其紫外線遮蔽率高達(dá)98% ^nO納米束和納米帶狀結(jié)構(gòu)具有更大的比表面積，更快的電子傳輸能力，禁帶寬度大，具有較好的遮蔽紫外線性能;ZnO納米束和納米帶狀結(jié)構(gòu)的納米粗糙結(jié)構(gòu)，在粗糙表面上的固液實(shí)際接觸面積大于表觀接觸面積，同時(shí)粗糙的低表面能表面具有超疏水性的機(jī)理。
[0005]本發(fā)明基于種子層結(jié)構(gòu)控制ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列涂層的超疏水自清潔玻璃，在超疏水自清潔的方法上取得了明顯的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明將具有禁帶寬度大、電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小的ZnO通過表面活性劑PEG和CTAB的改性合成不同的ZnO納米結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步通過硬脂酸(SA)的化學(xué)處理，作為一種新型自清潔材料在ITO玻璃上鍍膜。同普通玻璃相比，基于種子層結(jié)構(gòu)控制ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列涂層的超疏水自清潔玻璃的自清潔效果更好。
[0007]本發(fā)明的目的在于提出一種基于種子層結(jié)構(gòu)控制ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列涂層的超疏水自清潔玻璃的制備方法。
[0008]本發(fā)明提供的一種基于種子層結(jié)構(gòu)控制ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列涂層的超疏水自清潔玻璃的制備方法如下:首先，配制ZnO種子層溶膠，在溶膠中分別加入表面活性劑PEG和CTAB，分別和ZnO種子層溶膠摻雜均勻，得到PEG/ZnO種子層溶膠和CTAB/ZnO種子層溶膠;然后，采用浸漬提拉法在ITO玻璃上分別鍍摻雜了PEG和CTAB的ZnO種子層，得到PEG/ZnO種子層和CTAB/ZnO種子層，并在馬弗爐中以一定溫度處理;接著，將制備好的PEG/ZnO種子層材料在配置好的ZnO生長(zhǎng)溶液中水熱處理，得到ZnO納米束陣列，將制備好的CTAB/ZnO種子層材料在配置好的ZnO生長(zhǎng)溶液中水熱處理，得到ZnO納米帶陣列；最后，分別將制備好的ZnO納米束陣列和ZnO納米帶陣列用硬脂酸(SA)的乙醇溶液進(jìn)行化學(xué)處理一段時(shí)間，并在空氣中熱處理一段時(shí)間，得到SA/ΖηΟ納米束陣列和SA/ΖηΟ納米帶陣列，即得到基于種子層結(jié)構(gòu)控制ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列涂層的超疏水自清潔玻璃材料。
[0009]本發(fā)明進(jìn)一步給出在上述方法基礎(chǔ)上的具體工藝參數(shù):
[0010]1、配制PEG/ZnO種子層溶膠和CTAB/ZnO種子層溶膠的工藝參數(shù):采用溶膠凝膠法，以醋酸鋅為前驅(qū)體，單乙醇胺為絡(luò)合劑，乙二醇甲醚為溶劑，配制0.lmol/L?0.3mol/L的ZnO種子層溶膠，并在溶膠中分別加入表面活性劑PEG和CTAB，50 V恒溫?cái)嚢鑳蓚€(gè)小時(shí)。
[0011]2、制備PEG/ZnO種子層和CTAB/ZnO種子層的工藝參數(shù):將ITO玻璃基片分別浸入上述配好的PEG/ZnO種子層溶膠和CTAB/ZnO種子層溶膠中20s，使溶膠與ITO玻璃基片表面充分接觸，然后以6cm/min的速度垂直地提拉ITO玻璃基片，濕膜移入100 °C恒溫箱中進(jìn)行烘干處理15?20min，重復(fù)操作一次，將薄膜放到馬弗爐中在400 °C下熱處理3?4h，得到有PEG/ZnO種子層和CTAB/ZnO種子層的ITO玻璃基片。
[0012]3、制備ZnO納米束陣列和ZnO納米帶陣列的工藝參數(shù):以硝酸鋅和六次甲基四胺按1:1配置0.02mol/L?0.05mol/L的生長(zhǎng)溶液。將制備好的有PEG/ZnO種子層和CTAB/ZnO種子層的ITO玻璃基片，導(dǎo)電面向下，分別放入ZnO生長(zhǎng)溶液中，在90°C下水浴處理3?4h，分別得至IjZnO納米束陣列和ZnO納米帶陣列。
[0013]4、用硬脂酸(SA)的乙醇溶液進(jìn)行化學(xué)處理ZnO納米束陣列和ZnO納米帶陣列的工藝參數(shù):分別將制備好的ZnO納米束陣列和ZnO納米帶陣列用硬脂酸(SA)的乙醇溶液進(jìn)行化學(xué)處理l_2min，并在空氣中80°C熱處理2_3min，得到SA/ΖηΟ納米束陣列和SA/ΖηΟ納米帶陣列，即得到基于種子層結(jié)構(gòu)控制ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列涂層的超疏水自清潔玻璃材料。
[0014]本發(fā)明還給出了優(yōu)選的方案，具體如下:
[00?5]首先，首先配制0.lmol/L?0.3mol/L的ZnO種子層溶膠，在溶膠中分別加入表面活性劑PEG，和ZnO種子層溶膠摻雜均勻，得到0.lmol/L?0.3mol/L的PEG/ZnO種子層溶膠;然后采用浸漬提拉法在ITO玻璃上鍍摻雜了 PEG的ZnO種子層，得到PEG/ZnO種子層，并在馬弗爐中以400 °C下熱處理3?4h;接著將制備好的PEG/ZnO種子層材料在配置好的ZnO生長(zhǎng)溶液中在90°C下水浴處理3?4h，得到ZnO納米束陣列；最后分別將制備好的ZnO納米束陣列用硬脂酸(SA)的乙醇溶液進(jìn)行化學(xué)處理l-2min，并在空氣中80 V熱處理2_3min，得到SA/ΖηΟ納米束陣列，即得到一種基于種子層結(jié)構(gòu)控制ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列涂層的超疏水自清潔玻璃材料。
[0016]本發(fā)明的作用機(jī)理是:Ζη0納米束和ZnO納米帶具有更大的比表面積，更快的電子傳輸能力，禁帶寬度大，具有較好的遮蔽紫外線性能;ZnO納米束和ZnO納米帶的納米粗糙結(jié)構(gòu)，在粗糙表面上的固液實(shí)際接觸面積大于表觀接觸面積，同時(shí)粗糙的低表面能表面和在硬脂酸的作用下具有超疏水性的機(jī)理。
[0017]納米ZnO無機(jī)薄膜材料具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是它的電子傳輸能力更快，具有較好的光化學(xué)效應(yīng)和遮蔽紫外線性能，二是ZnO納米棒的納米粗糙結(jié)構(gòu)表面的表面能低，這就使ZnO成為了較為理想的紫外線吸收與屏蔽材料以及超疏水自清潔無機(jī)薄膜材料。
[0018]本發(fā)明所獲得的基于種子層結(jié)構(gòu)控制ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列涂層的超疏水自清潔玻璃材料，經(jīng)紫外可見光分光光度計(jì)測(cè)試后，對(duì)可見光的透過率以及對(duì)紫外光吸收、屏蔽效率均能達(dá)到90%以上;經(jīng)接觸角測(cè)試儀(DSA series)測(cè)試后，對(duì)水的接觸角達(dá)到159°。
[0019]本發(fā)明的有益效果:
[0020]1、無毒，有利于環(huán)境保護(hù)，沒有產(chǎn)生次生危害。
[0021 ] 2、低成本，易于實(shí)現(xiàn)，便于控制。
[0022]3、綠色化工工藝，是環(huán)境友好過程。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明所得的基于種子層結(jié)構(gòu)控制ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列涂層的超疏水自清潔玻璃的掃描電鏡圖，其中圖1(a)為PEG/ZnO種子層結(jié)構(gòu)圖，圖1(b)為CTAB/ZnO種子層結(jié)構(gòu)圖，圖1(c)為ZnO納米束陣列結(jié)構(gòu)圖，圖1(d)為ZnO納米帶陣列結(jié)構(gòu)圖。
[0024]圖2為實(shí)施例所得的基于種子層結(jié)構(gòu)控制ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列涂層的超疏水自清潔玻璃材料經(jīng)紫外可見光分光光度計(jì)測(cè)試結(jié)果。
[0025]圖3為實(shí)施例所得的基于種子層結(jié)構(gòu)控制ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列涂層的超疏水自清潔玻璃材料經(jīng)接觸角測(cè)試儀(DSA series)測(cè)試結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面的實(shí)施例可以使本專業(yè)技術(shù)人員更全面的理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。
[0027]實(shí)施例
[0028]首先，首先配制0.3mol/L的ZnO種子層溶膠，在溶膠中分別加入表面活性劑PEG和CTAB，分別和ZnO種子層溶膠摻雜均勻，得到0.3mol/L的PEG/ZnO種子層溶膠和0.3mol/L的CTAB/ZnO種子層溶膠;然后采用浸漬提拉法在ITO玻璃上分別鍍摻雜了PEG和CTAB的ZnO種子層，得到PEG/ZnO種子層和CTAB/ZnO種子層，并在馬弗爐中以400 °C下熱處理4h ；接著將制備好的PEG/ZnO種子層材料在配置好的ZnO生長(zhǎng)溶液中在90 °C下水浴處理4h，得到ZnO納米束陣列，將制備好的CTAB/ZnO種子層材料在配置好的ZnO生長(zhǎng)溶液中在90 °C下水浴處理4h，得到ZnO納米帶陣列；最后分別將制備好的ZnO納米束陣列和ZnO納米帶陣列用硬脂酸(SA)的乙醇溶液進(jìn)行化學(xué)處理2min，并在空氣中80 °C熱處理3min，得到SA/ΖηΟ納米束陣列和SA/ZnO納米帶陣列，即得到基于種子層結(jié)構(gòu)控制ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列涂層的超疏水自清潔玻璃材料。
[0029]本發(fā)明所獲得的基于種子層結(jié)構(gòu)控制ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列涂層的超疏水自清潔玻璃材料，經(jīng)紫外可見光分光光度計(jì)測(cè)試后，對(duì)可見光的透過率以及對(duì)紫外光吸收、屏蔽效率均能達(dá)到90%以上，測(cè)試結(jié)果如圖1所示;經(jīng)接觸角測(cè)試儀(DSA series)測(cè)試后，對(duì)水的接觸角達(dá)到159°以上，測(cè)試結(jié)果如圖2所示;經(jīng)接觸角測(cè)試儀(DSA series)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。
[0030]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于種子層結(jié)構(gòu)控制的超疏水自清潔玻璃的制備方法，其特征在于，該方法步驟如下: (1)配制ZnO種子層溶膠，在溶膠中分別加入表面活性劑PEG和CTAB，分別和ZnO種子層溶膠摻雜均勻，得到PEG/ZnO種子層溶膠和CTAB/ZnO種子層溶膠； (2)采用浸漬提拉法在ITO玻璃上分別鍍摻雜了PEG和CTAB的ZnO種子層，得到PEG/ZnO種子層和CTAB/ZnO種子層，并在馬弗爐中以一定溫度處理； (3)將制備好的PEG/ZnO種子層材料在配置好的ZnO生長(zhǎng)溶液中水熱處理，得到ZnO納米束陣列，將制備好的CTAB/ZnO種子層材料在配置好的ZnO生長(zhǎng)溶液中水熱處理，得到ZnO納米帶陣列； (4)最后分別將制備好的ZnO納米束陣列和ZnO納米帶陣列用硬脂酸的乙醇溶液進(jìn)行化學(xué)處理一段時(shí)間，并在空氣中熱處理一段時(shí)間，得到SA/ΖηΟ納米束陣列和SA/ΖηΟ納米帶陣列，即得到基于種子層結(jié)構(gòu)控制ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列涂層的超疏水自清潔玻璃材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于種子層結(jié)構(gòu)控制的超疏水自清潔玻璃的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)中的制備PEG/ZnO種子層溶膠和CTAB/ZnO種子層溶膠的工藝參數(shù)如下:采用溶膠凝膠法，以醋酸鋅為前驅(qū)體，單乙醇胺為絡(luò)合劑，乙二醇甲醚為溶劑，配制0.lmol/L?0.3mol/L的ZnO種子層溶膠，并在溶膠中分別加入表面活性劑PEG和CTAB，50°C恒溫?cái)嚢鑳蓚€(gè)小時(shí)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于種子層結(jié)構(gòu)控制的超疏水自清潔玻璃的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中的制備PEG/ZnO種子層和CTAB/ZnO種子層的工藝參數(shù):將ITO玻璃基片分別浸入上述配好的PEG/ZnO種子層溶膠和CTAB/ZnO種子層溶膠中20s，使溶膠與ITO玻璃基片表面充分接觸，然后以6cm/min的速度垂直地提拉ITO玻璃基片，濕膜移入100 °C恒溫箱中進(jìn)行烘干處理15?20min，重復(fù)操作一次，將薄膜放到馬弗爐中在400°C下熱處理3?4h，得到有PEG/ZnO種子層和CTAB/ZnO種子層的ITO玻璃基片。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于種子層結(jié)構(gòu)控制的超疏水自清潔玻璃的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中的制備ZnO納米束陣列和ZnO納米帶陣列的工藝參數(shù):以硝酸鋅和六次甲基四胺按1:1配置0.02mol/L?0.05mol/L的生長(zhǎng)溶液。將制備好的有PEG/ZnO種子層和CTAB/ZnO種子層的ITO玻璃基片，導(dǎo)電面向下，分別放入ZnO生長(zhǎng)溶液中，在90 V下水浴處理3?4h，分別得到ZnO納米束陣列和ZnO納米帶陣列。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于種子層結(jié)構(gòu)控制的超疏水自清潔玻璃的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)中的用硬脂酸(SA)的乙醇溶液進(jìn)行化學(xué)處理ZnO納米束陣列和ZnO納米帶陣列的工藝參數(shù)如下:分別將制備好的ZnO納米束陣列和ZnO納米帶陣列用硬脂酸的乙醇溶液進(jìn)行化學(xué)處理l_2min，并在空氣中80°C熱處理2-3min，得到SA/ΖηΟ納米束陣列和SA/ZnO納米帶陣列。
【文檔編號(hào)】C03C17/34GK105859155SQ201610341382
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月23日
【發(fā)明人】劉志鋒, 劉軍啟
【申請(qǐng)人】天津城建大學(xué)