本发明属于材料制备技术领域，涉及一种用于在管腔内壁喷涂TiO2纳米涂层的装置。
背景技术：
二氧化钛(TiO2)是一种备受关注的光催化材料，具有优良的化学稳定性和催化活性。TiO2纳米涂层在环境污染治理、光催化自清洁、太阳能电池等领域有着重要的应用前景，已成为国内外竞相研究的热点之一。TiO2具有3种晶型，其中锐钛矿晶型的二氧化钛具有光催化自清洁能力。锐钛矿相TiO2在紫外光辐照下能够产生电子-空穴对，再与吸附在TiO2材料表面的H2O和O2发生氧化还原反应生成羟基自由基，羟基自由基活性很高，可分解有机污染物，实现表面自清洁。
制备光催化TiO2涂层的方法很多，主要有溶胶凝胶法、水热合成法、涂敷法、电泳合成法、阳极氧化法、阴极电沉积法、磁控溅射法、固相合成法、等离子体气相沉积法等。传统方法主要有以下不足：(1)限制基底材料的形状。传统方法只能在平面基底上镀膜，无法伸入管腔基底材料内部。在管腔内壁喷涂二氧化钛膜具有广阔的应用前景，而传统方法无法实现；(2)传统低温等离子体发生器，电子密度较低(约为1010～1013/cm3)，而且会产生大量臭氧，臭氧具有毒性，接触高浓度的臭氧会使人出现头疼及呼吸器官局部麻痹等症状，甚至会引发永久性心脏障碍；此外，臭氧对大多数材料都具有腐蚀性，例如，铝、锌、铅与臭氧接触会被强烈氧化，聚氯乙烯塑料接触臭氧会导致疏松、开裂和穿孔。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对上述已有技术制备纳米TiO2薄膜存在的不足，提供一种用于在管腔内壁喷涂TiO2纳米涂层的装置。
本发明的技术方案如下：
一种用于在管腔内壁喷涂TiO2纳米涂层的装置，包括介质阻挡放电等离子体发生器、钛源、电动机、高压电源，介质阻挡放电等离子体发生器的介质为可塑形的中空电介质管，并可根据需镀膜管腔的管径及弯曲程度进行设计。中空电介质管可塑造为V形、S形等多种形状，以适应不同形状的管腔材料，并伸入管腔内部在其内壁进行二氧化钛薄膜的喷涂。
具体步骤如下：
将等离子体发生器3伸入管腔1内部，使用氮气或氩气作为载气携带钛源与工作气体混合并通入进气口4，高压极和地极接通交流电源，在接通电源后，等离子体射流6经微孔阵列2喷出。由于在等离子体发生器侧壁设有微孔阵列2，等离子体射流6可呈荆棘状均匀得喷向四周，并在管腔内壁得到二氧化钛纳米涂层；当待镀膜管腔为圆柱状时，在镀膜的同时接通电动机5的电源，电动机5驱动等离子体发生器3在管腔1内旋转，进一步提高镀膜的均匀性。
低温等离子体发生器放电电压为3～15KV，电流0.5～4mA，工作气体可选自空气、氮气、氧气、氦气、氩气和氖气中任意一种或多种，气流流速为10～40L/min；钛源可选自四氯化钛或四异丙醇钛，流速为10～50sccm。
低温等离子体射流温度不高于100℃，等离子体电子密度不低于1015/cm3，本发明对许多耐热性较差的管腔材料仍然适用。
本发明在管腔内壁喷涂的TiO2薄膜为锐钛矿晶型，具有光催化自清洁能力。
本发明的效果和益处是提供一种用于在管腔内壁喷涂TiO2纳米涂层的装置，克服了传统方法只能在平面基底上镀膜的缺点。其不仅可以伸入管腔内部喷涂TiO2纳米涂层，而且对管腔的弯曲程度没有限制。同时，该装置臭氧浓度极低，小于0.1ppm，对材料无腐蚀，对环境无污染。
附图说明
图1为在圆柱状管腔内壁喷涂TiO2示意图。图中：1圆柱状管腔，2低温等离子体微孔阵列，3中空结构的介质阻挡放电等离子体发生器，4进气口，5电动机，6荆棘状等离子体；
图2为在V形管腔内壁喷涂TiO2示意图。图中：7中空结构的介质阻挡放电等离子体发生器，8V形管腔，9进气口；
图3为在S形管腔内壁喷涂TiO2示意图。图中：10中空结构的介质阻挡放电等离子体发生器，11S形管腔，12进气口；
图4为实施例1所喷涂TiO2纳米涂层的X射线衍射图谱；
图5为实施例1-3和对比例1的接触角测试结果。图中：(a)实施例1，(b)实施例2(c)实施例3，(d)对比例1。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明做进一步说明，以便更好地理解本发明，但本发明并不局限于此。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1：向大气压低温等离子体发生器的进气口4中通入氩气和氧气(氧气体积分数为20％)，流速40L/min。接通等离子体高压电源，放电电压10KV，放电电流1mA，激发产生荆棘状等离子体射流6。使用氮气作为载气将四氯化钛引入进气口4，气流流速为40sccm。将低温等离子体发生器3伸入圆柱状石英管腔1内部(图1)，并开动电动机5驱动等离子体发生器3旋转。喷涂10分钟后，在圆柱状石英管腔内表面得到TiO2薄膜。
在上述条件下所获得的是锐钛矿相的纳米晶TiO2薄膜(图4)。
将上述喷涂得到的TiO2纳米涂层，依据光催化自清洁材料性能测试方法(GB/T23764-2009)进行测试。使用提拉法以60cm/min的上升速度在纳米涂层表面涂覆油酸正庚烷溶液(油酸：正庚烷＝1:199)，随后使用紫外灯照射样品表面，光照强度1mW/cm2。接触角测试结果如附图5(a)所示，6小时后，样品接触角降为5°，表明所喷涂TiO2纳米涂层具有良好的自清洁效果。
实施例2：实施例2与实施例1的不同之处在于，待镀膜管腔为V形的铝管，等离子体介质为V形聚四氟乙烯管(图2)。
将上述喷涂得到的TiO2纳米涂层，依据光催化自清洁材料性能测试方法(GB/T23764-2009)进行测试。使用提拉法以60cm/min的上升速度在纳米涂层表面涂覆油酸正庚烷溶液(油酸：正庚烷＝1:199)，干燥后使用紫外灯照射样品表面，光照强度1mW/cm2。接触角测试结果如附图5(b)所示，6小时后，样品接触角降为5°，表明所喷涂TiO2纳米涂层具有良好的自清洁效果。
实施例3：实施例3与实施例1的不同之处在于，待镀膜管腔为S形的PVC管，等离子体介质为S形聚四氟乙烯管(图3)。
将上述喷涂得到的TiO2纳米涂层，依据光催化自清洁材料性能测试方法(GB/T23764-2009)进行测试。使用提拉法以60cm/min的上升速度在纳米涂层表面涂覆油酸正庚烷溶液(油酸：正庚烷＝1:199)，干燥后使用紫外灯照射样品表面，光照强度1mW/cm2。接触角测试结果如附图5(c)所示，6小时后，样品接触角降为5°，表明所喷涂TiO2纳米涂层具有良好的自清洁效果。
对比例1：使用圆柱状石英管腔，依据光催化自清洁材料性能测试方法(GB/T23764-2009)进行测试。使用提拉法以60cm/min的上升速度在纳米涂层表面涂覆油酸正庚烷溶液(油酸：正庚烷＝1:199)，干燥后使用紫外光照射样品表面，光照强度1mW/cm2。接触角测试结果如附图5(d)所示，6小时内样品接触角无明显变化，表明石英管腔无光催化自清洁能力。