淺談自潔玻璃在幕墻中的實際應用及發(fā)展前景
關鍵詞：自潔玻璃；光催化；幕墻
1.自潔玻璃概念與原理
1.1概念
自潔玻璃又稱自凈玻璃，屬于生態(tài)環(huán)保型“綠色玻璃”，在平板玻璃表面涂覆一層透明的二氧化鈦，光催化劑玻璃，就可制成自潔玻璃。當被稱為光觸媒的二氧化鈦光催化劑玻璃遇到太陽光或熒光燈、紫外線照射時，在外界光的激發(fā)下會使附著在表面的有機物、污染物變?yōu)槎趸己退⒆詣酉?/p>
1.2.自潔凈玻璃的原理
1.2.1光催化的自潔凈
玻璃表面的TiO2玻璃是一種具有光催化活性的材料。納米級TiO2本身是一種半導體，它在吸收一定波長的光能后產(chǎn)生自由電子(e)空穴(h+)對，并與其表面吸附的OH和O2-作用生成經(jīng)基自由基OH和超氧化物陰離子自由基O2-，新生成的OH羚基自由基具有很強的氧化能力，它直接氧化細胞壁、細胞膜和細胞內的組分，導致細菌死亡或變異。在玻璃表面涂覆一層TiO2膜，利用一定條件使其發(fā)生上述的氧化欽的光催化反應可以把吸附在氧化欽表面的有機物分解為二氧化碳和水，剩余的無機物則被雨水沖刷干凈，實現(xiàn)自潔。
1.2.2防霧
將TiO2鍍在基片上制備成玻璃，與粉體TiO2相比有一個特殊的性質，即超親水性。在通常情況下，將水滴在TiO2玻璃表面，表面與水有90°以上的接觸角，但在紫外光的照射下，水的接觸角減小，甚至達到0°(水滴完全浸潤氧化欽玻璃表面)，顯示了玻璃的親水性。光照停止后，玻璃表面的這種親水性可以維持數(shù)小時甚至幾天，隨后又慢慢地恢復到紫外光照射前情況，玻璃具有的這種性質被稱為超親水性。再用紫外光照射，則再次表現(xiàn)出超親水性，采用間歇紫外光照射就可以使得玻璃表面始終保持超親水性。
3.自潔凈玻璃的應用
2.1TiO2玻璃光催化性能的應用
作為空氣凈化材料,玻璃型TiO2不僅能將房間內新建材、粘接劑等產(chǎn)生的甲醛,吸煙產(chǎn)生的乙醛、家庭灰土等產(chǎn)生的甲硫醇等有機異臭在紫外線照射下分解而消除掉,還能分解油分和有機的表面污染。TiO2光催化劑與一些氣體吸附劑(沸石、活性碳、SiO2等)相結合在弱紫外光激發(fā)條件下就可有效地降解低濃度有害氣體。
對室內主要的氣體污染物甲醛、甲苯等的研究結果表明,污染物的光降解與其濃度有關。在高濃度條件下,反應生成中間產(chǎn)物富集在TiO2周圍,阻礙了光催化反應的進行,去除效率很低;在較低濃度(如100ppm)以下,TiO2表面沒有中間產(chǎn)物生成,甲醛和甲苯可比較完全地被TiO2光催化分解為CO2和H2O。而日�？臻g中這些氣體濃度都非常低。在居室、辦公室窗玻璃、陶瓷等建材表面涂敷TiO2光催化玻璃可有效地降解這些有機物,凈化室內和室外空氣。TiO2光催化玻璃對乙醛等臭氣的光照射反應顯示:當氣體的初始濃度大時只有在紫外光照射下才具有明顯的消臭效果,而當其濃度低時,通常的熒光燈就可將其完全分解。量子效率的測定結果表明,進行低濃度乙醛的光催化反應時,普通熒光燈的效率比紫外光源要高得多,對其它臭氣如甲硫醇、硫化物、氨氣等也觀測到同樣的現(xiàn)象。人們對臭氣很敏感,但其實際濃度都很低,一般在10ppm以下,這樣的濃度只要使用白色熒光燈所含的紫外光量就足以將其除去。
另外一個需要解決的問題就是,TiO2玻璃與玻璃基體相互作用,其光催化性能會受到玻璃的影響。普通的堿石灰玻璃在熱處理過程中鈉離子會從基體向外擴散,這將會導致電子空穴符合幾率增加,從而使得催化劑活性降低。我們選擇SiO2/TiO2復合玻璃。以甲醛降解為例,圖1是沒有SiO2玻璃預鍍層和含有SiO2玻璃預鍍層的玻璃管負載SiO2玻璃光催化劑的甲醛降解曲線。在玻璃管表面預先鍍上一層SiO2玻璃,48h內甲醛的降解率由67.4%增加到88.1%。說明SiO2預鍍層對于阻止鈉離子的擴散是很有效的。
2.2超親水自清潔性能在建材中的應用
真正清潔的玻璃表面是高度親水的(即水的接觸角θ為零),但在環(huán)境空氣中,由于吸附污染物分子,θ值將不斷增大,親水性變差,當θ>5°且玻璃表面溫度低于大氣所含水汽對應的飽和蒸汽壓溫度時,就會發(fā)生結霧現(xiàn)象。玻璃表面結霧,會給人們的生產(chǎn)和生活帶來諸多不便,如降低運載工具運行的安全性,造成眼睛片、浴室鏡子、儀器鏡頭的影像模糊等。利用TiO2表面的超親水特性,可使表面具有防污、防霧、易洗、易干等特性,在建筑物窗玻璃、運輸工具的窗玻璃、擋風玻璃及后視鏡、浴室鏡子、眼鏡鏡片、測量儀器的罩玻璃等物品表面涂敷一層TiO2玻璃時,即使空氣中的水分或蒸氣凝結,冷凝水不會形成單個水滴而是構成均勻的水膜,所以表面不會發(fā)生光散射的霧,表面可維持高度的透明性。高層建筑的玻璃幕墻清洗非常不方便,而且具有較高的危險性。如果其表面有TiO2玻璃,可以預計,不但玻璃表面本身不易被污染和變臟,雨水就可以將表面的污物沖刷洗干凈。這種親水TiO2玻璃可以應用于不同工業(yè)材料的防霧鏡子、玻璃及自清潔涂料。
由于玻璃與水的浸潤角是決定其自清潔性能至關重要的因素,因此如何提高TiO2玻璃的超親水性,研究了SiO2的添加量與其對TiO2玻璃光生超親水性影響的關系。發(fā)現(xiàn)當SiO2在氧化鈦玻璃中的添加量為15%時對于與水的接觸角是最有效的。對于銳鈦礦向金紅石的轉變和銳鈦礦的晶粒長大具有抑制作用,并具有較大的表面積。復合玻璃浸潤角隨時間的變化如圖2所示。
3.自潔凈玻璃的發(fā)展趨勢與前景
近些年來，我國一些大專院校和科研機構的廣大科技工作者對自潔凈玻璃開展了深入的研究，取得了許多令人欣慰的成果。這種TiO2基玻璃自潔凈玻璃應用于建筑幕墻玻璃，可以長久保持其清潔明亮，大大減少清洗保養(yǎng)的費用；應用于室外尤其是公共環(huán)境、道路等玻璃燈具的照明，可免去清潔維護費用，并顯著提高照明效果；用于汽車玻璃和車用后視鏡，不僅免于經(jīng)常清潔，而且可使雨水迅速擴散揮發(fā)，大大提高駕駛人員的視線，提高汽車駕駛安全性；自潔凈玻璃還可用于太陽能電池蓋板、太陽能熱水器玻璃，它將明顯地提高光-電、光-熱轉化效率。專家們指出，這一產(chǎn)品的開發(fā)成功，大大推動了我國自潔玻璃的生產(chǎn)應用及市場啟動的步伐。
自潔玻璃因性能優(yōu)越，可以廣泛應用于高層建筑物的幕墻、窗玻璃和汽車玻璃等領域，產(chǎn)品市場極為看好�，F(xiàn)已成為國際市場綠色環(huán)保玻璃熱銷的焦點。目前，我國的“二氧化鈦光催化玻璃”和“TiO2玻璃自潔凈玻璃”不久將批量上市，這將大大推動我國二氧化鈦光催化膜自潔玻璃產(chǎn)品的開發(fā)、研制及推廣應用的步伐，并成為了自潔玻璃銷售市場的亮點。另據(jù)有關資料介紹，2004年我國平板玻璃生產(chǎn)已超過3億重量箱，其中建筑用玻璃超過5億m2，汽車用玻璃超過1500萬m2，特殊行業(yè)用玻璃超過64萬m2，今后，這些玻璃的大部分將被功能玻璃所替代。隨著社會的進步，市場前景會越好。2005年，功能建筑玻璃的需求量超過1億m2，其建筑玻璃市場每年將超過100億元，這個數(shù)字約占平板玻璃總量的1/6左右，與經(jīng)濟發(fā)達國家80%的玻璃都使用功能玻璃的數(shù)量相比，還有較大差距。另外，2008年奧運會成功在北京舉辦及2010年上海世博會的召開，這期間，北京、上海等相關周邊城市各類建筑物賓館的興建，“自潔玻璃”等綠色環(huán)保建材的需求量每年以10%的增幅上升，國內自潔玻璃市場將會一路看好，自潔玻璃的應用前景十分廣闊。
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