自清洁玻璃研究进展

王　宁

[摘要]自清洁玻璃在降低劳动强度，处理环境污染等方面有着良好的应用前景。国内外众多研究机构及玻璃生产公司正在致力于自清洁玻璃的研究。对玻璃自清洁效率，耐老化程度以及生产成本等的探索，正在促进自清洁玻璃早日市场化。

[关键词]自清洁玻璃 TiO2

中图分类号：O79文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0520002－01

一、引言

玻璃在建筑、汽车等方面广泛地被应用，空气污染等问题使得这些玻璃非常容易变脏而失去其透光度。玻璃的清洁工作也变得困难，尤其对于高层建筑，清洁玻璃还带有很高的危险性。一种新型自清洁玻璃针对以上问题被广泛而深入地研究。自清洁玻璃顾名思义就是可以自动清洁表面污染物，使玻璃可以一直保持干净，良好透光率的玻璃。借助自身结构特点或者外界因素如雨水，阳光等自动清洗玻璃表面，达到自净作用[1]。有些自清洁玻璃也具有一定的杀菌效应[2]。

二、自清洁玻璃的分类

自清洁玻璃按材质分类可分为无机膜材料自清洁玻璃和有机膜材料自清洁玻璃，按亲水性分类可分为超亲水性自清洁玻璃和超疏水自清洁玻璃。

市场上出现的自清洁玻璃，主要还是以有效成分为TiO2的无机膜材料的超亲水性自清洁玻璃。国内外研究者和生产企业所研究和生产的自清洁玻璃一般是指在普通玻璃的一面或者两面镀上一层主要成分是TiO2的功能薄膜的玻璃。自清洁玻璃必须具有两种性能：光催化性和光致超亲水性。前者是指在太阳光的照射下，玻璃表面具有光催化能力，可以分解吸附在玻璃表面的有机污染物分子，使之分解为小分子，甚至是二氧化碳和水分子；后者是指在太阳光照射下，玻璃表面能长时间保持与水的超亲和性，雨水在玻璃表面不会形成水珠而是一层均匀的水膜，这样，玻璃表面的污染物在雨水的冲刷下被一起带走。

三、国内外自清洁玻璃研究现状

对于自清洁玻璃的研究不仅仅局限于试验阶段，进入21世纪，国内外一些企业在玻璃表面涂TiO2或掺杂TiO2膜，工业化生产出自清洁玻璃，并在市场上销售。

日本作为最早发现TiO2具有光催化性能的国家，很早就开始了TiO2镀膜玻璃的研究，日本的纳米TiO2光催化自清洁产品的研发和应用都是走在世界前列的。2000年，日本Soda公司Shigemichi Fukayama与日本东京大学先进科学技术中心Toshiya Watanbe等合作采用溶胶凝胶法在钠钙硅玻璃上制备纳米TiO2薄膜。日本的旭硝子公司和康宁硅酸盐工业公司等，采用化学气相沉积法（CVD）生产了自清洁玻璃产品并投入市场，但是这种方法制造的产品光催化效率比较低，而且成本较高，所以市场反应一般。

英国皮尔金顿（Pilkington）公司对自清洁玻璃的研发和制造也是比较成功的。在有效清除无机有机灰尘的同时，还要求其自清洁土层是永久性的，即与玻璃有相同的使用寿命。该公司主要采用热解CVD法，其产品的透过率相对于溶胶凝胶法来说比较低，光诱导超亲水性和光催化能力都比较好。不过他们的产品由于性价比低，并为赢取市场的认可。

美国PPG公司和ATOFINA公司也采用类似于Pilington方法生产自清洁玻璃。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谱散射现象，用光谱散射测试无定形硅和玻璃底层上的TiO2的光催化活性。但是该产品成本高，性价比一般，至今仍未在投入市场。

德国、法国等欧洲国家对自清洁玻璃主要集中在研究上。代表人物主要有德国的M.Flemming,K.Reins,M.dreja,O,Zywitzki，法国的Virginie Romeas等。另外古巴哈瓦那大学的I.Zumeta，西班牙巴塞罗那大学的J.A.Ayllon等也对自清洁玻璃的研究做出了相当的贡献。

我国是关注自清洁玻璃比较早的国家，早在1995年就报到了日本相关产品的出现。比较早的有余家国、赵修建、俞新刚、王承遇等。他们对自清洁玻璃的制备，表征，改性等做了大量的研究，发表了众多相关论文报道。之后又有唐怀军、丁鹏、曾人杰等做了很多研究，例如通过Fe3+Sn2+Y3+

等的掺杂，来提高TiO2的光催化效率，进而提高自清洁玻璃的自清洁能力。刘熙娟提出在照明工程中使用自清洁玻璃，利用光催化自清洁原理，提高照明设备的光通量，并净化空气。刘景辉研究了TiO2在汽车挡风玻璃上的亲水性，并得出纳米TiO2膜可以达到防雾效果的结论。从公布的专利情况看，我国制备自清洁玻璃主要集中在溶胶凝胶发商。到目前为止，在国内真正具有自清洁玻璃生产线，能够批量生产并且有自清洁玻璃产品投入市场的主要是格兰特（中山）工程玻璃有限公司、秦皇岛易鹏玻璃工程有限公司。像我国的国家大剧院，广东中山市财政局大楼等均采用了自清洁玻璃。北京的水立方也是采用的自清洁表层。[3，4]

四、自清洁玻璃研究方向

对于自清洁玻璃的研究主要集中在表面涂层TiO2的光催化性能上，TiO2膜虽然热稳定性好，成本低，对人体无害，可用多种涂膜方法，但其禁带宽度为3.2eV,只有波长小于387nm的紫外光才可起催化作用，太阳光中紫外光只有3%～4%，而可见光占40%～44%。因此，提高自清洁玻璃对可见光的催化效率，不仅有科学意义，而且有实际价值，可促进自清洁玻璃的生产和满足客户的使用。通过部分金属和非金属的掺杂均可以实现自清洁玻璃的可见光吸收拓展。

不仅仅是光催化效率，自清洁玻璃还需要较好的透光率，表面涂层的耐老化性能，薄膜层与基体良好的结合性能。一般而言溶胶凝胶法生产的自清洁玻璃远比CVD法或者溅射法生产的自清洁玻璃透光率高。即使光催化效率很高，但若耐老化性能不好，或者薄膜开裂脱裂都不具备实际应用意义。

五、前景展望

自清洁玻璃是一种集环保，节省劳动力，降低作业危险于一身的新型玻璃，有着良好的应用前景。提高其光催化效率，降低生产成品后有良好的市场前景。不仅可以带来经济利润，更重要的是提高人们生活质量，节约劳动力。在今后的玻璃产品中会逐渐取代普通玻璃，成为人们生活中必不可少的产品。

参考文献：

[1]王德宪、林鸿宾，溶胶-凝胶纳米技术与镀膜功能玻璃材料[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]武汉理工大学，制备高活性二氧化钛薄膜自洁净玻璃材料的方法[P].中国专利：CN1400185A,2003.03.05.

[4]长春新世纪纳米技术研究所，纳米级自洁净玻璃及生产工艺[P].中国专利：CN1336342A,2002.02.20.