基于種子層結構控制的超疏水自清潔玻璃的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于種子層結構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)的乙醇溶液進行化學處理一段時間，并在空氣中熱處理一段時間，得到SA/ZnO納米束陣列和SA/ZnO納米帶陣列。
【專利說明】
基于種子層結構控制的超疏水自清潔玻璃的制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于自清潔功能涂層材料制備領域，具體為一種基于種子層結構控制ZnO納米結構陣列涂層的超疏水自清潔玻璃的制備方法。
【背景技術】
[0002]自清潔功能玻璃是指普通玻璃在經過特殊的物理或化學方法處理后，在其表面產生獨特的物理性能，不再需要通過傳統的人工擦洗而是在自然雨水的沖刷作用下就能達到清潔效果的涂層玻璃。隨著現代化城市的發展，玻璃幕墻作為一種美觀新穎的建筑墻體裝飾辦法，已成為現代高層和超高層建筑時代的顯著特征。然而，普通玻璃雖天生麗質，但不耐污染，特別是隨著環境污染的日益加劇，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。隨著人們對環境惡化所帶來危害的認識以及對環境保護要求的提高，人們對使用具有環保作用且利用自然條件達到自動清潔作用，又能起到美化環境作用的綠色建筑材料的要求越來越迫切。與此同時，自清潔建筑玻璃的出現，恰恰滿足了人們這一美好愿望。因此，制備自清潔建筑玻璃，呈現出較好的發展前景，成為了一個研究熱點。
[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、耐用性和高機械強度的減反射自清潔涂層將是自清潔玻璃的發展趨勢。
[0004]ZnO是一種寬禁帶第三代半導體材料，引起了人們的廣泛關注。ZnO介電常數小，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世紀的新型高功能精細無機產品，表現出許多特殊的性質，具有光化學效應和較好的遮蔽紫外線性能，其紫外線遮蔽率高達98% ^nO納米束和納米帶狀結構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構的納米粗糙結構，在粗糙表面上的固液實際接觸面積大于表觀接觸面積，同時粗糙的低表面能表面具有超疏水性的機理。
[0005]本發明基于種子層結構控制ZnO納米結構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。
【發明內容】
[0006]本發明將具有禁帶寬度大、電子漂移飽和速度高、介電常數小的ZnO通過表面活性劑PEG和CTAB的改性合成不同的ZnO納米結構，并進一步通過硬脂酸(SA)的化學處理，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，基于種子層結構控制ZnO納米結構陣列涂層的超疏水自清潔玻璃的自清潔效果更好。
[0007]本發明的目的在于提出一種基于種子層結構控制ZnO納米結構陣列涂層的超疏水自清潔玻璃的制備方法。
[0008]本發明提供的一種基于種子層結構控制ZnO納米結構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)的乙醇溶液進行化學處理一段時間，并在空氣中熱處理一段時間，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構控制ZnO納米結構陣列涂層的超疏水自清潔玻璃材料。
[0009]本發明進一步給出在上述方法基礎上的具體工藝參數:
[0010]1、配制PEG/ZnO種子層溶膠和CTAB/ZnO種子層溶膠的工藝參數:采用溶膠凝膠法，以醋酸鋅為前驅體，單乙醇胺為絡合劑，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恒溫攪拌兩個小時。
[0011]2、制備PEG/ZnO種子層和CTAB/ZnO種子層的工藝參數: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恒溫箱中進行烘干處理15?20min，重復操作一次，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: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，導電面向下，分別放入ZnO生長溶液中，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)的乙醇溶液進行化學處理ZnO納米束陣列和ZnO納米帶陣列的工藝參數: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)的乙醇溶液進行化學處理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構控制ZnO納米結構陣列涂層的超疏水自清潔玻璃材料。
[0014]本發明還給出了優選的方案，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)的乙醇溶液進行化學處理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構控制ZnO納米結構陣列涂層的超疏水自清潔玻璃材料。
[0016]本發明的作用機理是: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構，在粗糙表面上的固液實際接觸面積大于表觀接觸面積，同時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理。
[0017]納米ZnO無機薄膜材料具有兩個優點:一是它的電子傳輸能力更快，具有較好的光化學效應和遮蔽紫外線性能，二是ZnO納米棒的納米粗糙結構表面的表面能低，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薄膜材料。
[0018]本發明所獲得的基于種子層結構控制ZnO納米結構陣列涂層的超疏水自清潔玻璃材料，經紫外可見光分光光度計測試后，對可見光的透過率以及對紫外光吸收、屏蔽效率均能達到90%以上;經接觸角測試儀(DSA series)測試后，對水的接觸角達到159°。
[0019]本發明的有益效果:
[0020]1、無毒，有利于環境保護，沒有產生次生危害。
[0021 ] 2、低成本，易于實現，便于控制。
[0022]3、綠色化工工藝，是環境友好過程。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明所得的基于種子層結構控制ZnO納米結構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種子層結構圖，圖1(b)為CTAB/ZnO種子層結構圖，圖1(c)為ZnO納米束陣列結構圖，圖1(d)為ZnO納米帶陣列結構圖。
[0024]圖2為實施例所得的基于種子層結構控制ZnO納米結構陣列涂層的超疏水自清潔玻璃材料經紫外可見光分光光度計測試結果。
[0025]圖3為實施例所得的基于種子層結構控制ZnO納米結構陣列涂層的超疏水自清潔玻璃材料經接觸角測試儀(DSA series)測試結果。
【具體實施方式】
[0026]下面的實施例可以使本專業技術人員更全面的理解本發明，但不以任何方式限制本發明。
[0027]實施例
[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)的乙醇溶液進行化學處理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構控制ZnO納米結構陣列涂層的超疏水自清潔玻璃材料。
[0029]本發明所獲得的基于種子層結構控制ZnO納米結構陣列涂層的超疏水自清潔玻璃材料，經紫外可見光分光光度計測試后，對可見光的透過率以及對紫外光吸收、屏蔽效率均能達到90%以上，測試結果如圖1所示;經接觸角測試儀(DSA series)測試后，對水的接觸角達到159°以上，測試結果如圖2所示;經接觸角測試儀(DSA series)測試結果如圖3所示。
[0030]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1.基于種子層結構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行化學處理一段時間，并在空氣中熱處理一段時間，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構控制ZnO納米結構陣列涂層的超疏水自清潔玻璃材料。2.根據權利要求1所述的基于種子層結構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如下:采用溶膠凝膠法，以醋酸鋅為前驅體，單乙醇胺為絡合劑，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恒溫攪拌兩個小時。3.根據權利要求1所述的基于種子層結構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: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恒溫箱中進行烘干處理15?20min，重復操作一次，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.根據權利要求1所述的基于種子層結構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: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，導電面向下，分別放入ZnO生長溶液中，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.根據權利要求1所述的基于種子層結構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)的乙醇溶液進行化學處理ZnO納米束陣列和ZnO納米帶陣列的工藝參數如下: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行化學處理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】C03C17/34GK105859155SQ201610341382
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月23日
【發明人】劉志鋒, 劉軍啟
【申請人】天津城建大學