一種自然超親水性多孔TiO2/SiO2復(fù)合薄膜及其制備方法，包括以下步驟：采用溶膠凝膠法，分別以鈦酸四丁酯和正硅酸乙酯為前軀體制備TiO2溶膠和SiO2溶膠；按照摩爾份數(shù)計(jì)，以SiO2溶膠加入量為SiO2和TiO2總量的1％-50％進(jìn)行復(fù)合，得到TiO2/SiO2復(fù)合溶膠；再用制得的復(fù)合溶膠在基底材料上進(jìn)行涂膜，晾干后，經(jīng)煅燒，冷卻后得到具有超親水性能的薄膜。本發(fā)明專利技術(shù)制備的薄膜具有相分離誘導(dǎo)的發(fā)達(dá)孔結(jié)構(gòu)和SiO2復(fù)合的雙重特征，孔徑在100nm-6μm范圍內(nèi)，薄膜厚度在200nm-2μm范圍內(nèi)，薄膜表面與水接觸角為5°以下，具有極佳的自清潔、防霧和抗菌功能。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種復(fù)合薄膜，尤其是一種自然超親水性多孔Ti02/Si02復(fù)合薄膜及其制備方法。
技術(shù)介紹
超親水TiO2薄膜因其具有優(yōu)良的光學(xué)、化學(xué)和親水性質(zhì)，在自清潔、防霧、抗菌、抗腐蝕、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用、藥物傳送系統(tǒng)、太陽能電池、熱傳遞等方面有著廣泛的應(yīng)用潛力。但是由于TiO2有著較大禁帶寬度3. 2eV,光能利用率很低，只有紫外光才能誘導(dǎo)TiO2產(chǎn)生超親 水性，這導(dǎo)致TiO2薄膜仍未能取得大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。目前制備TiO2薄膜的方法主要有陰極電化學(xué)沉積法、陽極氧化法、靜電紡絲法、水熱法、化學(xué)氣相沉積法、磁控濺射法、脈沖激光沉積法、層層自組裝法等，但這些方法具有諸多方面的局限性，具體表現(xiàn)在儀器設(shè)備昂貴、制備工藝復(fù)雜、改性條件苛刻、表面微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、親水壽命短等。溶膠-凝膠法具有設(shè)備要求低、工藝簡單、低溫反應(yīng)、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，是制備粗糙TiO2薄膜與制備復(fù)合薄膜最常用的方法之一。在使用溶膠-凝膠法制備TiO2薄膜中，可以比較容易的改變薄膜表面化學(xué)組成(例如對薄膜表面進(jìn)行貴金屬沉積、離子摻雜、半導(dǎo)體復(fù)合、SiO2復(fù)合等)，通過光照誘導(dǎo)超親水性；也可以方便的在親水薄膜表面構(gòu)建粗糙多孔結(jié)構(gòu)，提高其物理吸附能力。但是在制備粗糙多孔結(jié)構(gòu)薄膜時(shí)，往往需要用到模板劑(或造孔劑)，如聚乙二醇(PEG)、十二烷基苯磺酸鈉(DBS)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)等，既增加了制備成本又造成了制備工藝的繁雜，而不使用模板劑的情況非常罕見。此外，人們往往對TiO2薄膜進(jìn)行單一方面的改性，這在改善TiO2薄膜超親水性能上作用非常有限。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)為了克服現(xiàn)有TiO2薄膜在可見光條件下超親水性能不理想的缺點(diǎn)，而提供一種多孔的Ti02/Si02復(fù)合薄膜制備方法。利用溶膠-凝膠法，采用乙酰丙酮和醇胺類化合物兩種絡(luò)合劑復(fù)合的方法，在不使用模板劑的條件下便制備出了具有發(fā)達(dá)孔結(jié)構(gòu)的超親水TiO2薄膜，多孔結(jié)構(gòu)由溶膠體系中的相分離誘導(dǎo)產(chǎn)生。并在此基礎(chǔ)上加入蓄水性材料SiO2,進(jìn)行Ti02/Si02復(fù)合，首次制備出具有多孔結(jié)構(gòu)的超親水Ti02/Si02復(fù)合薄膜，極大提高了TiO2的超親水性能，該方法可以減小薄膜表面和水的接觸角，實(shí)現(xiàn)TiO2薄膜的可見光響應(yīng)。制備的復(fù)合薄膜可廣泛應(yīng)用于自清潔、防霧、抗菌領(lǐng)域，屬于功能材料領(lǐng)域。本專利技術(shù)所采用的技術(shù)方案如下一種自然超親水性多孔Ti02/Si02復(fù)合薄膜的制備方法，包括以下步驟采用溶膠凝膠法，分別以鈦酸四丁酯和正硅酸乙酯為前軀體制備TiO2溶膠和SiO2溶膠；按照摩爾份數(shù)計(jì)，以SiO2溶膠加入量為SiO2和TiO2總量的1% -50%進(jìn)行復(fù)合，得到Ti02/Si02復(fù)合溶膠；再用制得的復(fù)合溶膠在基底材料上進(jìn)行涂膜，晾干后，經(jīng)煅燒，冷卻后得到具有超親水性能的薄膜。優(yōu)選地，所述SiO2溶膠的制備在10_60°C溫度條件下，將正硅酸乙酯、無水乙醇混合并攪拌約20-60min，配成B溶液；將無水乙醇、去離子水、濃硝酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為65% )充分混合,配成A溶液；將A溶液逐滴滴加到強(qiáng)烈攪拌下的B溶液中，滴加完以后繼續(xù)攪拌2-3小時(shí)，然后室溫下密封避光陳化2-3天，形成SiO2溶膠。優(yōu)選地，所述制備SiO2溶膠的原料加入量，按體積份數(shù)計(jì)為10份正硅酸乙酯、30-100份無水乙醇、1-5份去離子水、0. 1-1. 5份濃硝酸，其中A、B溶液中無水乙醇用量體積比為3 : 7 7 : 3。優(yōu)選地，所述TiO2溶膠的制備在10-60°c溫度條件下，將鈦酸四丁酯、無水乙醇混合并攪拌約20-60min，然后加入乙酰丙酮和醇胺類化合物作為鈦醇鹽的絡(luò)合劑，使所有添加溶液充分混合，配成D溶液；將無水乙醇、去離子水、濃硝酸充分混合，配成C溶液；將0溶液逐滴滴加到強(qiáng)烈攪拌下的D溶液中，滴加完以后繼續(xù)攪拌2-3小時(shí)，然后密封避光陳化1-3天,形成TiO2溶膠。 優(yōu)選地，所述醇胺類化合物為乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺中的一種。優(yōu)選地，所述制備TiO2溶膠的原料加入量，按體積份數(shù)計(jì)為10份鈦酸四丁酯、30-100份無水乙醇、5-15份去離子水、0. 5-1. 5份濃硝酸、1_4份乙酰丙酮、0. 25-3份乙醇胺或1-5份二乙醇胺或1-6份三乙醇胺；其中C、D溶液中無水乙醇用量體積比為3 : 7 7 3。優(yōu)選地，所述1102/5102復(fù)合溶膠的制備將SiO2溶膠加入到1102溶膠中，10_60°C溫度條件下攪拌2-3h，避光陳化0-15天，得到Ti02/Si02復(fù)合溶膠。優(yōu)選地，在進(jìn)行涂膜前，先將基底材料依次用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗10-60min,并烘干。優(yōu)選地，在玻璃、金屬或陶瓷基底上采用浸涂法、旋涂法或噴涂法，均勻涂布制備好的復(fù)合溶膠，自然晾干后，在300°C _60(TC下煅燒，最后自然冷卻至室溫，最終得到多孔Ti02/Si02復(fù)合薄膜。本專利技術(shù)在制備TiO2溶膠時(shí)，同時(shí)加入乙酰丙酮和醇胺類化合物，在控制鈦酸四丁酯前驅(qū)體的水解反應(yīng)速率的同時(shí)，能加速水解低聚物縮聚反應(yīng)的進(jìn)行。隨著縮聚反應(yīng)的進(jìn)行，體系中逐漸形成以兩種縮聚產(chǎn)物為主體的低聚物相。由于縮聚反應(yīng)使水解產(chǎn)物的羥基大量消耗，使得縮聚產(chǎn)物的極性大為降低。同時(shí)以溶劑為主體的相由于存在大量的羥基，致使以縮聚產(chǎn)物為主體的低聚物相和以溶劑為主體的相在極性上有較大的差別，相容性降低，引起了相分離的發(fā)生。當(dāng)進(jìn)行涂膜和煅燒時(shí)，溶劑相揮發(fā)形成多孔結(jié)構(gòu)，而低聚物相則成為多孔結(jié)構(gòu)的骨架。相比于平坦的薄膜，粗糙多孔結(jié)構(gòu)的薄膜具有更強(qiáng)的親水性能。加入蓄水性材料SiO2，進(jìn)行Ti02/Si02復(fù)合。SiO2表面能吸收較多的水形成與硅原子相對稱的具有很強(qiáng)穩(wěn)定性的表面羥基基團(tuán)，光照條件下，Ti02/Si02薄膜表面物理吸附水?dāng)U散至SiO2處及復(fù)合氧化物處，被SiO2所吸附，成為穩(wěn)定的物理吸附水層，從而極大提高薄膜的親水性倉泛。本專利技術(shù)所得到的Ti02/Si02復(fù)合薄膜表面具有多孔結(jié)構(gòu)，孔徑在100nm-6 y m范圍內(nèi)可調(diào)。薄膜厚度在200nm-2 內(nèi)，在可見光條件下即具有超親水性質(zhì)，薄膜表面與水接觸角在5°以下(主要為2. 5-5° )。與已有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下本專利技術(shù)制得的薄膜同時(shí)具有多孔結(jié)構(gòu)和SiO2復(fù)合的特殊功效，利用兩種改性的協(xié)同作用，在可見光條件下極大的提高了 TiO2薄膜的超親水性，能廣泛應(yīng)用于自清潔、防霧、抗菌領(lǐng)域。附圖說明圖I是所制備的多孔Ti02/Si02復(fù)合薄膜的SEM圖，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別為實(shí)施例1、2、3、4、5所得的復(fù)合薄膜。圖2是所制備的多孔打02/5102復(fù)合薄膜的水接觸角圖，其中其中(a)、(b)、(C)、(d)、(e)分別為實(shí)施例1、2、3、4、5所得到的復(fù)合薄膜。圖3是實(shí)施例2制備的TiO2薄膜(a)和實(shí)施例2制備的多孔Ti02/Si02復(fù)合薄膜(b)粉末樣品的紅外圖譜。圖4是實(shí)施例2制備的TiO2薄膜(a)和實(shí)施例2制備的多孔Ti02/Si02復(fù)合薄膜(b)樣品的XPS高分辨率Ols圖譜。 圖5是實(shí)施例2制備的TiO2薄膜(a)和實(shí)施例2制備的多孔Ti02/Si02復(fù)合薄膜(b)的水接觸角隨時(shí)間的變化曲線圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對本專利技術(shù)作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述，但本專利技術(shù)的實(shí)施方式不限于此，對于未特別注明的工藝參本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
【技術(shù)特征摘要】
1.一種自然超親水性多孔Ti02/Si02復(fù)合薄膜，其特征在于，該薄膜表面具有多孔結(jié)構(gòu)，孔徑在100nm-6 y m范圍內(nèi)，薄膜厚度在200nm_2 y m范圍內(nèi)，薄膜表面與水接觸角為5°以下。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 采用溶膠凝膠法，分別以鈦酸四丁酯和正硅酸乙酯為前軀體制備TiO2溶膠和SiO2溶膠；按照摩爾份數(shù)計(jì)，以SiO2溶膠加入量為SiO2和TiO2總量的1% -50%進(jìn)行復(fù)合，得到Ti02/Si02復(fù)合溶膠；再用制得的復(fù)合溶膠在基底材料上進(jìn)行涂膜，晾干后，經(jīng)煅燒，冷卻后得到具有超親水性能的薄膜。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述SiO2溶膠的制備 在10-60°C溫度條件下，將正硅酸乙酯、無水乙醇混合并攪拌約20-60min，配成B溶液；將無水乙醇、去離子水、濃硝酸充分混合，配成A溶液；將A溶液逐滴滴加到強(qiáng)烈攪拌下的B溶液中，滴加完以后繼續(xù)攪拌2-3小時(shí)，然后密封避光陳化2-3天，形成SiO2溶膠。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述制備SiO2溶膠的原料加入量，按體積份數(shù)計(jì)為10份正硅酸乙酯、30-100份無水乙醇、1-5份去離子水、0. 1-1. 5份濃硝酸，其中A、B溶液中無水乙醇用量體積比為3 : 7 7 : 3。5.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的制備方法，其特征在于，所述TiO2溶膠的制備 在10-60°C溫度條件下，將鈦酸四...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：黃洪，黃濤，司徒粵，謝德龍，黃偉欣，
申請(專利權(quán))人：華南理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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