專利名稱：一種表面涂覆氮摻雜納米二氧化鈦薄膜的可見光響應自清潔氟碳鋁單板的制作方法
技術領域：
本發明屬于新型建筑材料領域，特別涉及一種表面涂覆氮摻雜納米二氧化鈦薄膜的可見光響應自清潔氟碳鋁單板的低溫制備方法及其應用。
背景技術：
氟碳鋁單板是采用優質鋁合金為基材，經過表面噴涂氟碳涂料所制備的新型建筑材料。其優點在于不僅質量輕，剛性好，強度高，耐候性和耐蝕性好，而且工藝性好，涂層均勻、色彩多樣，防火性強，使用壽命長。這使得氟碳鋁單板在建筑領域倍受青睞，但是鋁單板表面的氟碳涂料層表現出強烈的憎水性，表面受到的有機污染物很難被雨水沖洗掉，而且隨著現代工業的發展，對環境造成的污染日趨嚴重，油性有機物粘附在氟碳涂料層上難以去除，因此需要定期進行清理，但是對于大型橋梁和高樓等建筑的維護十分困難和危險，這不僅耗費大量的人力物力，而且對維護人員來說也是一種潛在的危險，因此研究開發出一種具有自清潔功能的氟碳鋁單板顯得意義重大。目前，國內外有關自清潔氟碳鋁單板的研究重點主要集中在對于氟碳涂料的改性上面，包括疏水性氟碳涂料、親水性氟碳涂料。如專利CN1903961A公開了一種通過有機硅改性制備具有荷葉效應的疏水性自清潔氟碳鋁單板；如專利CN 1900183A公開了一種通過引入親水分子基團獲得表面親水化的氟碳涂料層而具有自清潔功能；。這些通過改性得到氟碳涂料能夠有效的提升涂層的自清潔能力，但是隨著社會的發展，污染日益加重，大量的有機物粘附在涂抹表面，難以通過雨水沖洗達到自清潔效果。隨著光催化工業技術的發展，人們開始將研究重點轉向制備具有光催化自清潔功能的氟碳鋁單板。自Fujishima和 Honda等人報道TiO2電極在紫外光條件下光分解水以來，光催化技術受到人們的廣泛關注， 其中TiO2因為具有良好的穩定性、耐熱性，以及在紫外光條件下具有自清潔、分解有機物和有害氣體等功能而受到廣泛注視。專利CN 1817978A公開了一種通過向氟碳涂料中添加銳鈦礦TiO2和金紅石TiO2的混晶作為光催化改性劑制備具有光降解能力的氟碳鋁單板，但是TiO2粉體顆粒本身就存在一定的團聚現象，而且在涂料中分散不均勻，這都嚴重影響到了涂膜的自清潔效果。因此近年來人們將研究重點轉向制備具有高效自清潔能力的打02薄膜上，其中溶膠-凝膠法因為制備裝置簡單、生產試驗操作方便等優點而成為制備TiO2薄膜的主要方法。但是傳統的溶膠-凝膠法所制備的薄膜都需要經過高溫煅燒才能制備出具有高活性的銳鈦礦晶型TiO2納米晶。專利CN 101660147A公開了一種溶膠-凝膠法制備 TiO2薄膜的方法，該專利通過制備溶膠進行鍍膜，先將薄膜采用馬沸爐進行高溫煅燒，而后放入高溫蒸氣鍋中沸水處理，即得到TiO2薄膜，該薄膜光滑致密，薄膜顆粒分布均勻，具有良好的光催化活性。但是> 300°C的高溫煅燒條件嚴重限制了基材的使用范圍，高溫煅燒不僅會使氟碳鋁單板上面的氟碳涂料分解，還有使鋁基材受熱變形，這都會影響到氟碳鋁單板的正常使用。因此低溫制備倍受青睞，專利CN 1394675A公開了一種柔性基底表面負載二氧化鈦薄膜光催化劑的制備方法，該方法通過制備TiO2溶膠進行浸潰提拉鍍膜，而后將其放入水熱釜中進行高壓、水熱處理，獲得納米晶TiO2薄膜光催化劑。但是水熱法對實驗設備與操作過程要求較高，而且利用這種制備方法制得得TiO2薄膜材料的光催化降解特性需要在紫外光照射條件下才能較好的表現出來，這都限制了其生產使用領域。并且，目前關于低溫制備自清潔氟碳鋁單板及其應用的專利還未見報道。針對以上局限性，本發明提出了一種表面涂覆氮摻雜納米二氧化鈦薄膜的可見光響應自清潔氟碳鋁單板的制備方法，該自清潔氟碳鋁單板不僅具有可見光響應后的超親水性及光催化特性，達到自清潔的功能，而且還保留了氟碳涂料原有的高耐候性和耐蝕性。
發明內容
為了解決上述問題，本發明的目的是針對傳統氟碳鋁單板的耐油污性差和光利用率低的局限性，提出一種在氟碳鋁單板上面制備一層具有可見光響應的N摻雜納米TiO2薄膜。為了達到上述目的，本發明是這樣實現的，它包括氟碳鋁單板基底和N摻雜銳鈦礦型納米二氧化鈦薄膜層，其特征在于所述氟碳鋁單板基底表面采用高壓噴涂有一層N 摻雜銳鈦礦型納米二氧化鈦薄膜層，薄膜在氟碳鋁單板表面分布均勻，厚度為O. 5-1. 5 μ m ; N摻雜薄膜經過自然光照射后，具有超親水性和光催化特性，能達到自清潔效果。所述的表面涂覆氮摻雜納米二氧化鈦薄膜的可見光響應自清潔氟碳鋁單板的制備方法，其特征是低溫制備方法為溶膠-凝膠法，具體步驟為
第一步按照鈦酸四丁酯無水乙醇鹽酸去離子水摩爾比為I :10-15 :0.2 1:80 200的比列進行混合，攪拌均勻，得到透明溶膠；
第二步將所制備的TiO2溶膠于60-100°C水浴處理4-20h ；
第三步將不同質量的尿素加入步驟二所制備的溶膠中，密封后進行50-90°C水浴 l-5h ；
第四步將步驟三所得溶膠噴涂于氟碳鋁單板表面，形成膜厚O. 5-1. 5 μ m的薄膜，自然干燥后，紅外干燥熱處理3-10min即可。整個制備過程中溫度均低于200°C，不會對氟碳鋁單板表面的氟碳涂料造成影響。N摻雜薄膜經自然光照射后具有超親水性和光催化特性，能達到自清潔的效果。本發明提出的可見光響應自清潔氟碳鋁單板的制備方法為在低溫條件下于氟碳鋁單板上面制備一層具有可見光響應能力的TiO2薄膜，薄膜均勻，避免了將TiO2粉體加入氟碳涂料中帶來的顆粒分散不均勻問題。通過改進溶膠-凝膠法制備的自清潔氟碳鋁單板，采用低溫水浴的方法制備銳鈦礦晶型的TiO2溶膠，避免了傳統溶膠-凝膠法所需要的高溫煅燒過程，使得鋁板表面氟碳涂料本身性能不受影響，保留了氟碳涂料層所具有的高耐候性、高耐腐性等優點。本發明提出的可見光響應N摻雜二氧化鈦自清潔氟碳鋁單板的制備方法，具體步驟如下
I )、基底材料的預處理選取氟碳鋁單板基材，使用去離子水，無水乙醇，丙酮對氟碳鋁單板進行超聲清洗，烘干待用；
2)、銳鈦礦型TiO2溶膠的制備將鈦酸丁酯、無水乙醇、去離子水和鹽酸溶液按照一定的摩爾比進行攪拌混合，得到TiO2溶膠，將溶膠室溫陳化一段時間；將陳化后的TiO2溶膠密封進行一定溫度的水浴熱處理一段時間，即可得銳鈦礦晶型的TiO2溶膠；
3)、N摻雜TiO2溶膠的制備將一定量的尿素進行干燥研磨后，添加到步驟2)所制備的銳鈦礦型TiO2溶膠中，攪拌一定時間后，將其密封好進行水浴熱處理一段時間即可。4)、薄膜的制備采用浸潰-提拉法將制備好的氟碳鋁單板浸入由步驟3)制備的溶膠中，進行提拉鍍膜，將薄膜自然干燥后進行紅外干燥處理；重復次過程可制的不同厚度的N摻雜TiO2薄膜。本發明所述的表面涂覆氮摻雜納米二氧化鈦薄膜的可見光響應自清潔氟碳鋁單板可應用于建筑外墻或裝飾及大型橋梁工程等領域。本發明具有以下優點
(I)、薄膜厚度均勻，納米二氧化鈦顆粒分布均勻，具有超親水性，具有良好的自清潔高
(2)、具有可見光響應、光催化特性，提高光源利用率，能夠有效的降解表面殘留的有機污染，進一步提聞自清潔效果；
(3)、保留了氟碳鋁單板基材原有的高耐候性、耐蝕性等性能。
圖I為Ti02溶膠低溫干燥后的XRD物相表征，說明二氧化鈦晶型為銳鈦礦晶型； 圖2、圖3為所制備的氟碳鋁單板在自然光照條件下，對亞甲基藍的降解效果圖，說明
該氟碳鋁單板對可見光具有良好的光響應，且具有良好的光降解特性。左側為空白試驗，右側為涂膜氟碳鋁單板。
具體實施例方式實施例I
量取5ml的鈦酸丁酯，加入到9ml無水乙醇中，在室溫條件下磁力攪拌20min，得溶液 A0同時量取15ml lmol/L的HC1，加入到17. 5ml去離子水中，磁力攪拌IOmin得溶液B。在磁力攪拌條件下，將溶液A緩慢滴加到溶液B中，滴加完畢后，再磁力攪拌30min得Ti02溶膠C。陳化10-15h后，將溶膠在密封條件下80°C恒溫水浴加熱6h得Ti02溶膠D ;取適量溶膠D進行45°C干燥的到納米Ti02粉體，并對該粉體進行XRD物相分析，分析結果如圖I 所示。將Ig尿素干燥研磨后加入溶膠D中，攪拌2h，而后將添加了尿素的Ti02溶膠密封， 65°C恒溫加熱2h得溶膠E，而后使用該溶膠對氟碳鋁單板進行鍍膜，將自然干燥后的薄膜置于紅外干燥箱中，干燥后即得具有可見光響應的自清潔氟碳鋁單板。實施例2
量取5ml的鈦酸丁酯，加入到9ml無水乙醇中，在室溫條件下磁力攪拌20min，得溶液 A0同時量取15ml lmol/L的HC1，加入到17. 5ml去離子水中，磁力攪拌IOmin得溶液B。 在磁力攪拌條件下，將溶液A緩慢滴加到溶液B中，滴加完畢后，再磁力攪拌30min得Ti02 溶膠C。陳化20h后，將溶膠在密封條件下70°C恒溫水浴加熱8h得Ti02溶膠D。將Ig尿素干燥研磨后加入溶膠D中，攪拌2h，而后將添加了尿素的Ti02溶膠密封，65°C恒溫加熱 2h得溶膠E，而后使用該溶膠對氟碳鋁單板進行鍍膜，將自然干燥后的薄膜置于紅外干燥箱中，干燥后即得具有可見光響應的自清潔氟碳鋁單板。
實施例3
取實施例I制備的可見光響應N摻雜二氧化鈦自清潔鋁單板，置于亞甲基藍溶液中，將其放在室內窗臺上自然光照3天后，亞甲基藍的實物降解圖如圖2、圖3所示。
權利要求
1.一種表面涂覆氮摻雜納米二氧化鈦薄膜的可見光響應自清潔氟碳鋁單板，它包括氟碳鋁單板基底和N摻雜銳鈦礦型納米二氧化鈦薄膜層，其特征在于所述氟碳鋁單板基底表面采用高壓噴涂有一層N摻雜銳鈦礦型納米二氧化鈦薄膜層，薄膜在氟碳鋁單板表面分布均勻，厚度為O. 5-1. 5ym；N摻雜薄膜經過自然光照射后，具有超親水性和光催化特性，能達到自清潔效果。
2.—種權利要求I所述的表面涂覆氮摻雜納米二氧化鈦薄膜的可見光響應自清潔氟碳鋁單板的制備方法，其特征是低溫制備方法為溶膠-凝膠法，具體步驟為第一步按照鈦酸四丁酯無水乙醇鹽酸去離子水摩爾比為I :10-15 :0.2 1:80 200的比列進行混合，攪拌均勻，得到透明溶膠；第二步將所制備的TiO2溶膠于60-100°C水浴處理4-20h ；第三步將不同質量的尿素加入步驟二所制備的溶膠中，密封后進行50-90°C水浴 l-5h ；第四步將步驟三所得溶膠噴涂于氟碳鋁單板表面，形成膜厚O. 5-1. 5μπι的薄膜，自然干燥后，紅外干燥熱處理3-10min即可。
全文摘要
一種表面涂覆氮摻雜納米二氧化鈦薄膜的可見光響應自清潔氟碳鋁單板，氟碳鋁單板表面涂覆的氮摻雜納米二氧化鈦薄膜暴露在室外，經過自然光照后具有超親水性，附在涂層表面的污染能夠通過雨水沖刷洗掉。另一方面，氮摻雜納米二氧化鈦薄膜經過自然光照后具有光催化特性，能夠有效地降解殘留在鋁板表面的有機污染物。本方法所涉及的設備簡單，便于操作，制備條件溫和，且制備過程中不會對氟碳鋁單板表面的氟碳涂料造成影響，保留了原氟碳涂料的高耐候性、高耐蝕性。
文檔編號C01G23/053GK102587610SQ20121002093
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月31日 優先權日2012年1月31日
發明者李勇, 艾凡榮, 閆洪 申請人:南昌大學