Самоочищающееся стекло
Самоочищающееся стекло — это особый тип стекла , поверхность которого не допускает попадания грязи и копоти.
Область самоочищающихся покрытий на стекле делится на две категории: гидрофобные и гидрофильные . Оба этих типа покрытия очищаются под действием воды: первый - скатыванием капель, а второй - скатыванием воды, уносящей грязь. Однако гидрофильные покрытия на основе диоксида титана (диоксида титана) обладают дополнительным свойством: они способны химически расщеплять впитавшуюся грязь под воздействием солнечных лучей.
Требованиями к самоочищающейся гидрофобной поверхности являются очень высокий статический угол контакта с водой θ, часто упоминаемое условие составляет θ>160°, и очень низкий угол скатывания, т.е. минимальный угол наклона, необходимый для скатывания капли. поверхность. [1]
Самоочищающиеся поверхности
[ редактировать ]Известно несколько методов создания рисунка на гидрофобных поверхностях с использованием формованных полимеров и восков , методов физической обработки, таких как ионное травление и сжатие полимерных шариков, а также химических методов, таких как плазмохимическое придание шероховатости, которые могут привести к ультра -гидрофобные покрытия. [2] Хотя эти поверхности являются эффективными самоочищающимися, они страдают рядом недостатков, которые до сих пор препятствовали их широкому применению. Пакетная обработка гидрофобного материала — дорогостоящий и трудоемкий метод, а получаемые покрытия обычно мутные, что исключает возможность нанесения на линзы и окна, а также на хрупкие материалы.Второй класс самоочищающихся поверхностей — это гидрофильные поверхности, которые смывают грязь не только за счет потока воды. Эти покрытия химически разрушают грязь под воздействием света — процесс, известный как фотокатализ . Несмотря на коммерциализацию гидрофильных самоочищающихся покрытий в ряде продуктов, эта область еще далека от зрелости; В первичной литературе регулярно публикуются исследования фундаментальных механизмов самоочищения и характеристики новых покрытий.
Открытие механизма самоочищения
[ редактировать ]Первое самоочищающееся стекло было основано на тонкопленочном покрытии из титана . [3] Пленка может быть нанесена путем центрифугирования органотитанат-хелатного предшественника (например, изо-тетрапропоксида титана, хелатированного ацетилацетоном) с последующей термообработкой при повышенных температурах для сжигания органических остатков и образования фазы анатаза. В этом случае натрий может диффундировать из стекла в образующийся диоксид титана, вызывая ухудшение гидрофильного/каталитического эффекта. [4] если не будут приняты превентивные меры. Стекло очищается в два этапа. « Фотокаталитическая » стадия процесса разрушает органические загрязнения на стекле с помощью ультрафиолетового света и делает стекло супергидрофильным (обычно стекло гидрофобно ). На следующей «супергидрофильной» стадии дождь смывает грязь, практически не оставляя разводов, поскольку вода равномерно распределяется по супергидрофильным поверхностям. [5]
Первый коммерческий продукт
[ редактировать ]В 2001 году компания Pilkington Glass объявила о разработке первых самоочищающихся окон Pilkington Activ™, а в последующие месяцы несколько других крупных стекольных компаний выпустили аналогичную продукцию. В результате на сегодняшний день остекление является, пожалуй, крупнейшим коммерческим применением самоочищающихся покрытий. Все эти окна покрыты тонким прозрачным слоем диоксида титана . Это покрытие очищает окно в два этапа, используя два различных свойства: фотокатализ и гидрофильность . Под воздействием солнечного света фотокатализ заставляет покрытие химически расщеплять органическую грязь, адсорбированную на окне. Когда стекло намокает от дождя или другой воды, гидрофильность уменьшает углы контакта до очень низких значений, в результате чего вода образует тонкий слой, а не капли, и этот слой смывает грязь.
Использование диоксида титана в системах самоочистки.
[ редактировать ]Диоксид титана стал предпочтительным материалом для самоочищающихся окон и гидрофильных самоочищающихся поверхностей в целом из-за его благоприятных физических и химических свойств. [ нужна ссылка ] Диоксид титана не только высокоэффективен при фотокатализировании загрязнений под воздействием солнечного света и достижении супергидрофильного состояния, но также нетоксичен, химически инертен в отсутствие света, недорог, относительно прост в обращении и нанесении тонких пленок и является признанным бытовым химикатом. используется в качестве пигмента в косметике и красках, а также в качестве пищевой добавки. [6]
Механизм
[ редактировать ]Метастабильная . фаза анатаза обычно считается наиболее фотокаталитической среди полиморфных структур титана, возможно, из-за обычно более высокой удельной поверхности [7] Более того, ультрафиолетовое облучение создает поверхностные кислородные вакансии в местах мостиков, что приводит к превращению соответствующего Ti 4+ сайты для Ти 3+ участки, благоприятные для диссоциативной адсорбции воды. [8] Эти дефекты, по-видимому, влияют на сродство к хемосорбированной воде окружающих их участков, образуя гидрофильные домены, в то время как остальная часть поверхности остается олеофильной. Гидрофильные домены представляют собой области, где диссоциативно адсорбируется вода, связанная с кислородными вакансиями, которые преимущественно фотогенерируются вдоль направления [001] плоскости (110); в том же направлении, в котором выравниваются сайты кислородных мостиков. [9]
Другие приложения
[ редактировать ]Другими возможными областями применения являются компьютерные мониторы и экраны КПК , где отпечатки пальцев нежелательны. [10]
Стекло на основе диоксида титана не может разлагать толстые непрозрачные отложения, такие как краска или силикон , отпечатки пальцев гидрошпонки или кровотечения после атмосферных воздействий, а также штукатурную пыль, образующуюся во время строительства. [11]
С 2001 года комитет TC24 «Покрытия на стекле» Международной комиссии по стеклу пытается разработать методы испытаний для оценки фотокаталитических самоочищающихся покрытий на стекле. [12]
Бренды
[ редактировать ]- утверждает , что бренд Pilkington Activ Компания Pilkington является первым самоочищающимся стеклом. Pilkington Activ™ состоит из слоя нанокристаллического анатазного диоксида титана толщиной 20–30 нм, нанесенного методом химического осаждения из паровой фазы при атмосферном давлении на натриево-известково-силикатное флоат-стекло. [13] В результате получается продукт с чрезвычайно благоприятными характеристиками пропускания и отражения видимого света; Activ™ имеет видимую отражательную способность около 7% и видимую мутность менее 1%, но поглощает 20% падающего солнечного ультрафиолетового света, который используется в процессе самоочистки. Покрытие также прочное и не может быть повреждено скотчем или умеренным механическим истиранием; Компания Pilkington утверждает, что покрытие прослужит весь срок службы оконной рамы.
- Бренд SunClean от PPG Industries также использует покрытие из диоксида титана, нанесенное с помощью запатентованного процесса. [14]
- Neat Glass от Cardinal Glass Industries имеет слой диоксида титана толщиной менее 10 нм, нанесенный методом магнетронного распыления . [11]
- SGG Aquaclean (1-е поколение, только гидрофильный, 2002 г.) [15] ) и Bioclean (2-го поколения, фотоактивные и гидрофильные, 2003 г.). [16] ) Сен-Гобен . [17] Покрытие Bioclean наносится методом химического осаждения из паровой фазы.
- РЕЙБОРГ ХИКАРИ от Nippon Shell Glass . [18]
- Дождь-Х
См. также
[ редактировать ]- ETFE Пленки , прозрачные полимерные пленки, которые считаются самоочищающимися.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мармур, А. Ленгмюр, 20, 3517–3519, (2004).
- ^ Роуч, П., Ширтклифф, Нью-Джерси и Ньютон, MI Soft Matter 4, 224–240, (2008).
- ^ Пас, Ю.; Луо, З.; Рабенберг, Л.; Хеллер, А. (1 ноября 1995 г.). «Фотоокислительные самоочищающиеся прозрачные пленки диоксида титана на стекле» . Журнал исследования материалов . 10 (11): 2842–2848. Бибкод : 1995JMatR..10.2842P . дои : 10.1557/JMR.1995.2842 . ISSN 2044-5326 . S2CID 138230137 .
- ^ Пас, Ю.; Хеллер, А. (1997). «Фотоокислительно-самоочищающиеся прозрачные пленки диоксида титана на натриево-известковом стекле: вредное воздействие загрязнения натрием и его предотвращение» . Журнал исследования материалов . 12 (10): 2759–2766. Бибкод : 1997JMatR..12.2759P . дои : 10.1557/JMR.1997.0367 . ISSN 0884-2914 . S2CID 135908071 .
- ^ «Экостекло самоочищается солнцем» . 08.06.2004 . Проверено 8 ноября 2022 г.
- ^ Диоксид титана mchnanosolutions.com [ мертвая ссылка ]
- ^ Ханаор, Дориан А.Х.; Соррелл, Чарльз К. (2011). «Обзор фазового превращения анатаза в рутил» . Журнал материаловедения . 46 (4): 855–874. Бибкод : 2011JMatS..46..855H . дои : 10.1007/s10853-010-5113-0 .
- ^ Ассади, МХН (2016). «Влияние легирования медью на фотокаталитическую активность в плоскостях (101) анатаза TiO 2: теоретическое исследование» . Прикладная наука о поверхности . 387 : 682–689. arXiv : 1811.09157 . Бибкод : 2016ApSS..387..682A . дои : 10.1016/j.apsusc.2016.06.178 . S2CID 99834042 .
- ^ Ацуши; Ватанабэ, Тошия (1997 Ронг; Фуджисима, Акира ; Ван , . , Китамура , Кодзима ) 431–432 Бибкод : 1997Natur.388..431W . doi : 10.1038 41233 ISSN 0028-0836 /
- ^ «Самоочищающееся стекло» . Engadget . Проверено 8 ноября 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б Аккуратное стекло. Архивировано 6 октября 2008 г. в Wayback Machine , Бюллетень технического обслуживания Cardinal CG № CG05-06/06.
- ^ «Отчеты ТК24» .
- ^ «Самоочищающееся стекло Pilkington Activ™» . www.pilkingtonselfcleaningglass.co.uk .
- ^ «Информация о стекле SunClean» .
- ^ "Saint Gobain запускает самоочищающееся стекло"
- ^ «Saint-Gobain Glass запускает самоочищающееся стекло второго поколения» .
- ^ «Самоочищающееся стекло — Saint-Gobain Glass UK» . www.selfcleaningglass.com . Проверено 16 июля 2017 г.
- ^ Хёмэнкагаку Том. 26, № 11, стр. 700–703, 2005, Т. Анзаки , фильм. Архивировано 22 июля 2011 г. в Wayback Machine.