自清潔玻璃研究進展

王　寧

[摘要]自清潔玻璃在降低勞動強度，處理環境污染等方面有著良好的應用前景。國內外眾多研究機構及玻璃生產公司正在致力于自清潔玻璃的研究。對玻璃自清潔效率，耐老化程度以及生產成本等的探索，正在促進自清潔玻璃早日市場化。

[關鍵詞]自清潔玻璃 TiO2

中圖分類號：O79文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0520002－01

一、引言

玻璃在建筑、汽車等方面廣泛地被應用，空氣污染等問題使得這些玻璃非常容易變臟而失去其透光度。玻璃的清潔工作也變得困難，尤其對于高層建筑，清潔玻璃還帶有很高的危險性。一種新型自清潔玻璃針對以上問題被廣泛而深入地研究。自清潔玻璃顧名思義就是可以自動清潔表面污染物，使玻璃可以一直保持干凈，良好透光率的玻璃。借助自身結構特點或者外界因素如雨水，陽光等自動清洗玻璃表面，達到自凈作用[1]。有些自清潔玻璃也具有一定的殺菌效應[2]。

二、自清潔玻璃的分類

自清潔玻璃按材質分類可分為無機膜材料自清潔玻璃和有機膜材料自清潔玻璃，按親水性分類可分為超親水性自清潔玻璃和超疏水自清潔玻璃。

市場上出現的自清潔玻璃，主要還是以有效成分為TiO2的無機膜材料的超親水性自清潔玻璃。國內外研究者和生產企業所研究和生產的自清潔玻璃一般是指在普通玻璃的一面或者兩面鍍上一層主要成分是TiO2的功能薄膜的玻璃。自清潔玻璃必須具有兩種性能：光催化性和光致超親水性。前者是指在太陽光的照射下，玻璃表面具有光催化能力，可以分解吸附在玻璃表面的有機污染物分子，使之分解為小分子，甚至是二氧化碳和水分子；后者是指在太陽光照射下，玻璃表面能長時間保持與水的超親和性，雨水在玻璃表面不會形成水珠而是一層均勻的水膜，這樣，玻璃表面的污染物在雨水的沖刷下被一起帶走。

三、國內外自清潔玻璃研究現狀

對于自清潔玻璃的研究不僅僅局限于試驗階段，進入21世紀，國內外一些企業在玻璃表面涂TiO2或摻雜TiO2膜，工業化生產出自清潔玻璃，并在市場上銷售。

日本作為最早發現TiO2具有光催化性能的國家，很早就開始了TiO2鍍膜玻璃的研究，日本的納米TiO2光催化自清潔產品的研發和應用都是走在世界前列的。2000年，日本Soda公司Shigemichi Fukayama與日本東京大學先進科學技術中心Toshiya Watanbe等合作采用溶膠凝膠法在鈉鈣硅玻璃上制備納米TiO2薄膜。日本的旭硝子公司和康寧硅酸鹽工業公司等，采用化學氣相沉積法（CVD）生產了自清潔玻璃產品并投入市場，但是這種方法制造的產品光催化效率比較低，而且成本較高，所以市場反應一般。

英國皮爾金頓（Pilkington）公司對自清潔玻璃的研發和制造也是比較成功的。在有效清除無機有機灰塵的同時，還要求其自清潔土層是永久性的，即與玻璃有相同的使用壽命。該公司主要采用熱解CVD法，其產品的透過率相對于溶膠凝膠法來說比較低，光誘導超親水性和光催化能力都比較好。不過他們的產品由于性價比低，并為贏取市場的認可。

美國PPG公司和ATOFINA公司也采用類似于Pilington方法生產自清潔玻璃。2000年福特公司J.T.Remillard在TiO2膜上研究了硬脂酸的光催化氧化的原位光譜散射現象，用光譜散射測試無定形硅和玻璃底層上的TiO2的光催化活性。但是該產品成本高，性價比一般，至今仍未在投入市場。

德國、法國等歐洲國家對自清潔玻璃主要集中在研究上。代表人物主要有德國的M.Flemming,K.Reins,M.dreja,O,Zywitzki，法國的Virginie Romeas等。另外古巴哈瓦那大學的I.Zumeta，西班牙巴塞羅那大學的J.A.Ayllon等也對自清潔玻璃的研究做出了相當的貢獻。

我國是關注自清潔玻璃比較早的國家，早在1995年就報到了日本相關產品的出現。比較早的有余家國、趙修建、俞新剛、王承遇等。他們對自清潔玻璃的制備，表征，改性等做了大量的研究，發表了眾多相關論文報道。之后又有唐懷軍、丁鵬、曾人杰等做了很多研究，例如通過Fe3+Sn2+Y3+

等的摻雜，來提高TiO2的光催化效率，進而提高自清潔玻璃的自清潔能力。劉熙娟提出在照明工程中使用自清潔玻璃，利用光催化自清潔原理，提高照明設備的光通量，并凈化空氣。劉景輝研究了TiO2在汽車擋風玻璃上的親水性，并得出納米TiO2膜可以達到防霧效果的結論。從公布的專利情況看，我國制備自清潔玻璃主要集中在溶膠凝膠發商。到目前為止，在國內真正具有自清潔玻璃生產線，能夠批量生產并且有自清潔玻璃產品投入市場的主要是格蘭特（中山）工程玻璃有限公司、秦皇島易鵬玻璃工程有限公司。像我國的國家大劇院，廣東中山市財政局大樓等均采用了自清潔玻璃。北京的水立方也是采用的自清潔表層。[3，4]

四、自清潔玻璃研究方向

對于自清潔玻璃的研究主要集中在表面涂層TiO2的光催化性能上，TiO2膜雖然熱穩定性好，成本低，對人體無害，可用多種涂膜方法，但其禁帶寬度為3.2eV,只有波長小于387nm的紫外光才可起催化作用，太陽光中紫外光只有3%～4%，而可見光占40%～44%。因此，提高自清潔玻璃對可見光的催化效率，不僅有科學意義，而且有實際價值，可促進自清潔玻璃的生產和滿足客戶的使用。通過部分金屬和非金屬的摻雜均可以實現自清潔玻璃的可見光吸收拓展。

不僅僅是光催化效率，自清潔玻璃還需要較好的透光率，表面涂層的耐老化性能，薄膜層與基體良好的結合性能。一般而言溶膠凝膠法生產的自清潔玻璃遠比CVD法或者濺射法生產的自清潔玻璃透光率高。即使光催化效率很高，但若耐老化性能不好，或者薄膜開裂脫裂都不具備實際應用意義。

五、前景展望

自清潔玻璃是一種集環保，節省勞動力，降低作業危險于一身的新型玻璃，有著良好的應用前景。提高其光催化效率，降低生產成品后有良好的市場前景。不僅可以帶來經濟利潤，更重要的是提高人們生活質量，節約勞動力。在今后的玻璃產品中會逐漸取代普通玻璃，成為人們生活中必不可少的產品。

參考文獻：

[1]王德憲、林鴻賓，溶膠-凝膠納米技術與鍍膜功能玻璃材料[J].玻璃，2004,174(3):18-20.

[2]Linsebigler L.A,Lu G,Yates J T.Photocatalysis on TiO2 surface：Princilpes,Mechanisms and Selected Results[J].Amer Chem Soc,1995,95(3):725-758.

[3]武漢理工大學，制備高活性二氧化鈦薄膜自潔凈玻璃材料的方法[P].中國專利：CN1400185A,2003.03.05.

[4]長春新世紀納米技術研究所，納米級自潔凈玻璃及生產工藝[P].中國專利：CN1336342A,2002.02.20.