浅谈自洁玻璃在幕墙中的实际应用及发展前景
关键词：自洁玻璃；光催化；幕墙
1.自洁玻璃概念与原理
1.1概念
自洁玻璃又称自净玻璃，属于生态环保型“绿色玻璃”，在平板玻璃表面涂覆一层透明的二氧化钛，光催化剂玻璃，就可制成自洁玻璃。当被称为光触媒的二氧化钛光催化剂玻璃遇到太阳光或荧光灯、紫外线照射时，在外界光的激发下会使附着在表面的有机物、污染物变为二氧化碳和水并自动消除。
1.2.自洁净玻璃的原理
1.2.1光催化的自洁净
玻璃表面的TiO2玻璃是一种具有光催化活性的材料。纳米级TiO2本身是一种半导体，它在吸收一定波长的光能后产生自由电子(e)空穴(h+)对，并与其表面吸附的OH和O2-作用生成经基自由基OH和超氧化物阴离子自由基O2-，新生成的OH羚基自由基具有很强的氧化能力，它直接氧化细胞壁、细胞膜和细胞内的组分，导致细菌死亡或变异。在玻璃表面涂覆一层TiO2膜，利用一定条件使其发生上述的氧化钦的光催化反应可以把吸附在氧化钦表面的有机物分解为二氧化碳和水，剩余的无机物则被雨水冲刷干净，实现自洁。
1.2.2防雾
将TiO2镀在基片上制备成玻璃，与粉体TiO2相比有一个特殊的性质，即超亲水性。在通常情况下，将水滴在TiO2玻璃表面，表面与水有90°以上的接触角，但在紫外光的照射下，水的接触角减小，甚至达到0°(水滴完全浸润氧化钦玻璃表面)，显示了玻璃的亲水性。光照停止后，玻璃表面的这种亲水性可以维持数小时甚至几天，随后又慢慢地恢复到紫外光照射前情况，玻璃具有的这种性质被称为超亲水性。再用紫外光照射，则再次表现出超亲水性，采用间歇紫外光照射就可以使得玻璃表面始终保持超亲水性。
3.自洁净玻璃的应用
2.1TiO2玻璃光催化性能的应用
作为空气净化材料,玻璃型TiO2不仅能将房间内新建材、粘接剂等产生的甲醛,吸烟产生的乙醛、家庭灰土等产生的甲硫醇等有机异臭在紫外线照射下分解而消除掉,还能分解油分和有机的表面污染。TiO2光催化剂与一些气体吸附剂(沸石、活性碳、SiO2等)相结合在弱紫外光激发条件下就可有效地降解低浓度有害气体。
对室内主要的气体污染物甲醛、甲苯等的研究结果表明,污染物的光降解与其浓度有关。在高浓度条件下,反应生成中间产物富集在TiO2周围,阻碍了光催化反应的进行,去除效率很低;在较低浓度(如100ppm)以下,TiO2表面没有中间产物生成,甲醛和甲苯可比较完全地被TiO2光催化分解为CO2和H2O。而日常空间中这些气体浓度都非常低。在居室、办公室窗玻璃、陶瓷等建材表面涂敷TiO2光催化玻璃可有效地降解这些有机物,净化室内和室外空气。TiO2光催化玻璃对乙醛等臭气的光照射反应显示:当气体的初始浓度大时只有在紫外光照射下才具有明显的消臭效果,而当其浓度低时,通常的荧光灯就可将其完全分解。量子效率的测定结果表明,进行低浓度乙醛的光催化反应时,普通荧光灯的效率比紫外光源要高得多,对其它臭气如甲硫醇、硫化物、氨气等也观测到同样的现象。人们对臭气很敏感,但其实际浓度都很低,一般在10ppm以下,这样的浓度只要使用白色荧光灯所含的紫外光量就足以将其除去。
另外一个需要解决的问题就是,TiO2玻璃与玻璃基体相互作用,其光催化性能会受到玻璃的影响。普通的碱石灰玻璃在热处理过程中钠离子会从基体向外扩散,这将会导致电子空穴符合几率增加,从而使得催化剂活性降低。我们选择SiO2/TiO2复合玻璃。以甲醛降解为例,图1是没有SiO2玻璃预镀层和含有SiO2玻璃预镀层的玻璃管负载SiO2玻璃光催化剂的甲醛降解曲线。在玻璃管表面预先镀上一层SiO2玻璃,48h内甲醛的降解率由67.4%增加到88.1%。说明SiO2预镀层对于阻止钠离子的扩散是很有效的。
2.2超亲水自清洁性能在建材中的应用
真正清洁的玻璃表面是高度亲水的(即水的接触角θ为零),但在环境空气中,由于吸附污染物分子,θ值将不断增大,亲水性变差,当θ>5°且玻璃表面温度低于大气所含水汽对应的饱和蒸汽压温度时,就会发生结雾现象。玻璃表面结雾,会给人们的生产和生活带来诸多不便,如降低运载工具运行的安全性,造成眼睛片、浴室镜子、仪器镜头的影像模糊等。利用TiO2表面的超亲水特性,可使表面具有防污、防雾、易洗、易干等特性,在建筑物窗玻璃、运输工具的窗玻璃、挡风玻璃及后视镜、浴室镜子、眼镜镜片、测量仪器的罩玻璃等物品表面涂敷一层TiO2玻璃时,即使空气中的水分或蒸气凝结,冷凝水不会形成单个水滴而是构成均匀的水膜,所以表面不会发生光散射的雾,表面可维持高度的透明性。高层建筑的玻璃幕墙清洗非常不方便,而且具有较高的危险性。如果其表面有TiO2玻璃,可以预计,不但玻璃表面本身不易被污染和变脏,雨水就可以将表面的污物冲刷洗干净。这种亲水TiO2玻璃可以应用于不同工业材料的防雾镜子、玻璃及自清洁涂料。
由于玻璃与水的浸润角是决定其自清洁性能至关重要的因素,因此如何提高TiO2玻璃的超亲水性,研究了SiO2的添加量与其对TiO2玻璃光生超亲水性影响的关系。发现当SiO2在氧化钛玻璃中的添加量为15%时对于与水的接触角是最有效的。对于锐钛矿向金红石的转变和锐钛矿的晶粒长大具有抑制作用,并具有较大的表面积。复合玻璃浸润角随时间的变化如图2所示。
3.自洁净玻璃的发展趋势与前景
近些年来，我国一些大专院校和科研机构的广大科技工作者对自洁净玻璃开展了深入的研究，取得了许多令人欣慰的成果。这种TiO2基玻璃自洁净玻璃应用于建筑幕墙玻璃，可以长久保持其清洁明亮，大大减少清洗保养的费用；应用于室外尤其是公共环境、道路等玻璃灯具的照明，可免去清洁维护费用，并显著提高照明效果；用于汽车玻璃和车用后视镜，不仅免于经常清洁，而且可使雨水迅速扩散挥发，大大提高驾驶人员的视线，提高汽车驾驶安全性；自洁净玻璃还可用于太阳能电池盖板、太阳能热水器玻璃，它将明显地提高光-电、光-热转化效率。专家们指出，这一产品的开发成功，大大推动了我国自洁玻璃的生产应用及市场启动的步伐。
自洁玻璃因性能优越，可以广泛应用于高层建筑物的幕墙、窗玻璃和汽车玻璃等领域，产品市场极为看好。现已成为国际市场绿色环保玻璃热销的焦点。目前，我国的“二氧化钛光催化玻璃”和“TiO2玻璃自洁净玻璃”不久将批量上市，这将大大推动我国二氧化钛光催化膜自洁玻璃产品的开发、研制及推广应用的步伐，并成为了自洁玻璃销售市场的亮点。另据有关资料介绍，2004年我国平板玻璃生产已超过3亿重量箱，其中建筑用玻璃超过5亿m2，汽车用玻璃超过1500万m2，特殊行业用玻璃超过64万m2，今后，这些玻璃的大部分将被功能玻璃所替代。随着社会的进步，市场前景会越好。2005年，功能建筑玻璃的需求量超过1亿m2，其建筑玻璃市场每年将超过100亿元，这个数字约占平板玻璃总量的1/6左右，与经济发达国家80%的玻璃都使用功能玻璃的数量相比，还有较大差距。另外，2008年奥运会成功在北京举办及2010年上海世博会的召开，这期间，北京、上海等相关周边城市各类建筑物宾馆的兴建，“自洁玻璃”等绿色环保建材的需求量每年以10%的增幅上升，国内自洁玻璃市场将会一路看好，自洁玻璃的应用前景十分广阔。
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