专利名称：一种表面涂覆氮掺杂纳米二氧化钛薄膜的可见光响应自清洁氟碳铝单板的制作方法
技术领域：
本发明属于新型建筑材料领域，特别涉及一种表面涂覆氮掺杂纳米二氧化钛薄膜的可见光响应自清洁氟碳铝单板的低温制备方法及其应用。
背景技术：
氟碳铝单板是采用优质铝合金为基材，经过表面喷涂氟碳涂料所制备的新型建筑材料。其优点在于不仅质量轻，刚性好，强度高，耐候性和耐蚀性好，而且工艺性好，涂层均匀、色彩多样，防火性强，使用寿命长。这使得氟碳铝单板在建筑领域倍受青睐，但是铝单板表面的氟碳涂料层表现出强烈的憎水性，表面受到的有机污染物很难被雨水冲洗掉，而且随着现代工业的发展，对环境造成的污染日趋严重，油性有机物粘附在氟碳涂料层上难以去除，因此需要定期进行清理，但是对于大型桥梁和高楼等建筑的维护十分困难和危险，这不仅耗费大量的人力物力，而且对维护人员来说也是一种潜在的危险，因此研究开发出一种具有自清洁功能的氟碳铝单板显得意义重大。目前，国内外有关自清洁氟碳铝单板的研究重点主要集中在对于氟碳涂料的改性上面，包括疏水性氟碳涂料、亲水性氟碳涂料。如专利CN1903961A公开了一种通过有机硅改性制备具有荷叶效应的疏水性自清洁氟碳铝单板；如专利CN 1900183A公开了一种通过引入亲水分子基团获得表面亲水化的氟碳涂料层而具有自清洁功能；。这些通过改性得到氟碳涂料能够有效的提升涂层的自清洁能力，但是随着社会的发展，污染日益加重，大量的有机物粘附在涂抹表面，难以通过雨水冲洗达到自清洁效果。随着光催化工业技术的发展，人们开始将研究重点转向制备具有光催化自清洁功能的氟碳铝单板。自Fujishima和 Honda等人报道TiO2电极在紫外光条件下光分解水以来，光催化技术受到人们的广泛关注， 其中TiO2因为具有良好的稳定性、耐热性，以及在紫外光条件下具有自清洁、分解有机物和有害气体等功能而受到广泛注视。专利CN 1817978A公开了一种通过向氟碳涂料中添加锐钛矿TiO2和金红石TiO2的混晶作为光催化改性剂制备具有光降解能力的氟碳铝单板，但是TiO2粉体颗粒本身就存在一定的团聚现象，而且在涂料中分散不均匀，这都严重影响到了涂膜的自清洁效果。因此近年来人们将研究重点转向制备具有高效自清洁能力的打02薄膜上，其中溶胶-凝胶法因为制备装置简单、生产试验操作方便等优点而成为制备TiO2薄膜的主要方法。但是传统的溶胶-凝胶法所制备的薄膜都需要经过高温煅烧才能制备出具有高活性的锐钛矿晶型TiO2纳米晶。专利CN 101660147A公开了一种溶胶-凝胶法制备 TiO2薄膜的方法，该专利通过制备溶胶进行镀膜，先将薄膜采用马沸炉进行高温煅烧，而后放入高温蒸气锅中沸水处理，即得到TiO2薄膜，该薄膜光滑致密，薄膜颗粒分布均匀，具有良好的光催化活性。但是> 300°C的高温煅烧条件严重限制了基材的使用范围，高温煅烧不仅会使氟碳铝单板上面的氟碳涂料分解，还有使铝基材受热变形，这都会影响到氟碳铝单板的正常使用。因此低温制备倍受青睐，专利CN 1394675A公开了一种柔性基底表面负载二氧化钛薄膜光催化剂的制备方法，该方法通过制备TiO2溶胶进行浸溃提拉镀膜，而后将其放入水热釜中进行高压、水热处理，获得纳米晶TiO2薄膜光催化剂。但是水热法对实验设备与操作过程要求较高，而且利用这种制备方法制得得TiO2薄膜材料的光催化降解特性需要在紫外光照射条件下才能较好的表现出来，这都限制了其生产使用领域。并且，目前关于低温制备自清洁氟碳铝单板及其应用的专利还未见报道。针对以上局限性，本发明提出了一种表面涂覆氮掺杂纳米二氧化钛薄膜的可见光响应自清洁氟碳铝单板的制备方法，该自清洁氟碳铝单板不仅具有可见光响应后的超亲水性及光催化特性，达到自清洁的功能，而且还保留了氟碳涂料原有的高耐候性和耐蚀性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是针对传统氟碳铝单板的耐油污性差和光利用率低的局限性，提出一种在氟碳铝单板上面制备一层具有可见光响应的N掺杂纳米TiO2薄膜。为了达到上述目的，本发明是这样实现的，它包括氟碳铝单板基底和N掺杂锐钛矿型纳米二氧化钛薄膜层，其特征在于所述氟碳铝单板基底表面采用高压喷涂有一层N 掺杂锐钛矿型纳米二氧化钛薄膜层，薄膜在氟碳铝单板表面分布均匀，厚度为O. 5-1. 5 μ m ; N掺杂薄膜经过自然光照射后，具有超亲水性和光催化特性，能达到自清洁效果。所述的表面涂覆氮掺杂纳米二氧化钛薄膜的可见光响应自清洁氟碳铝单板的制备方法，其特征是低温制备方法为溶胶-凝胶法，具体步骤为
第一步按照钛酸四丁酯无水乙醇盐酸去离子水摩尔比为I :10-15 :0.2 1:80 200的比列进行混合，搅拌均匀，得到透明溶胶；
第二步将所制备的TiO2溶胶于60-100°C水浴处理4-20h ；
第三步将不同质量的尿素加入步骤二所制备的溶胶中，密封后进行50-90°C水浴 l-5h ；
第四步将步骤三所得溶胶喷涂于氟碳铝单板表面，形成膜厚O. 5-1. 5 μ m的薄膜，自然干燥后，红外干燥热处理3-10min即可。整个制备过程中温度均低于200°C，不会对氟碳铝单板表面的氟碳涂料造成影响。N掺杂薄膜经自然光照射后具有超亲水性和光催化特性，能达到自清洁的效果。本发明提出的可见光响应自清洁氟碳铝单板的制备方法为在低温条件下于氟碳铝单板上面制备一层具有可见光响应能力的TiO2薄膜，薄膜均匀，避免了将TiO2粉体加入氟碳涂料中带来的颗粒分散不均匀问题。通过改进溶胶-凝胶法制备的自清洁氟碳铝单板，采用低温水浴的方法制备锐钛矿晶型的TiO2溶胶，避免了传统溶胶-凝胶法所需要的高温煅烧过程，使得铝板表面氟碳涂料本身性能不受影响，保留了氟碳涂料层所具有的高耐候性、高耐腐性等优点。本发明提出的可见光响应N掺杂二氧化钛自清洁氟碳铝单板的制备方法，具体步骤如下
I )、基底材料的预处理选取氟碳铝单板基材，使用去离子水，无水乙醇，丙酮对氟碳铝单板进行超声清洗，烘干待用；
2)、锐钛矿型TiO2溶胶的制备将钛酸丁酯、无水乙醇、去离子水和盐酸溶液按照一定的摩尔比进行搅拌混合，得到TiO2溶胶，将溶胶室温陈化一段时间；将陈化后的TiO2溶胶密封进行一定温度的水浴热处理一段时间，即可得锐钛矿晶型的TiO2溶胶；
3)、N掺杂TiO2溶胶的制备将一定量的尿素进行干燥研磨后，添加到步骤2)所制备的锐钛矿型TiO2溶胶中，搅拌一定时间后，将其密封好进行水浴热处理一段时间即可。4)、薄膜的制备采用浸溃-提拉法将制备好的氟碳铝单板浸入由步骤3)制备的溶胶中，进行提拉镀膜，将薄膜自然干燥后进行红外干燥处理；重复次过程可制的不同厚度的N掺杂TiO2薄膜。本发明所述的表面涂覆氮掺杂纳米二氧化钛薄膜的可见光响应自清洁氟碳铝单板可应用于建筑外墙或装饰及大型桥梁工程等领域。本发明具有以下优点
(I)、薄膜厚度均匀，纳米二氧化钛颗粒分布均匀，具有超亲水性，具有良好的自清洁高
(2)、具有可见光响应、光催化特性，提高光源利用率，能够有效的降解表面残留的有机污染，进一步提闻自清洁效果；
(3)、保留了氟碳铝单板基材原有的高耐候性、耐蚀性等性能。
图I为Ti02溶胶低温干燥后的XRD物相表征，说明二氧化钛晶型为锐钛矿晶型； 图2、图3为所制备的氟碳铝单板在自然光照条件下，对亚甲基蓝的降解效果图，说明
该氟碳铝单板对可见光具有良好的光响应，且具有良好的光降解特性。左侧为空白试验，右侧为涂膜氟碳铝单板。
具体实施例方式实施例I
量取5ml的钛酸丁酯，加入到9ml无水乙醇中，在室温条件下磁力搅拌20min，得溶液 A0同时量取15ml lmol/L的HC1，加入到17. 5ml去离子水中，磁力搅拌IOmin得溶液B。在磁力搅拌条件下，将溶液A缓慢滴加到溶液B中，滴加完毕后，再磁力搅拌30min得Ti02溶胶C。陈化10-15h后，将溶胶在密封条件下80°C恒温水浴加热6h得Ti02溶胶D ;取适量溶胶D进行45°C干燥的到纳米Ti02粉体，并对该粉体进行XRD物相分析，分析结果如图I 所示。将Ig尿素干燥研磨后加入溶胶D中，搅拌2h，而后将添加了尿素的Ti02溶胶密封， 65°C恒温加热2h得溶胶E，而后使用该溶胶对氟碳铝单板进行镀膜，将自然干燥后的薄膜置于红外干燥箱中，干燥后即得具有可见光响应的自清洁氟碳铝单板。实施例2
量取5ml的钛酸丁酯，加入到9ml无水乙醇中，在室温条件下磁力搅拌20min，得溶液 A0同时量取15ml lmol/L的HC1，加入到17. 5ml去离子水中，磁力搅拌IOmin得溶液B。 在磁力搅拌条件下，将溶液A缓慢滴加到溶液B中，滴加完毕后，再磁力搅拌30min得Ti02 溶胶C。陈化20h后，将溶胶在密封条件下70°C恒温水浴加热8h得Ti02溶胶D。将Ig尿素干燥研磨后加入溶胶D中，搅拌2h，而后将添加了尿素的Ti02溶胶密封，65°C恒温加热 2h得溶胶E，而后使用该溶胶对氟碳铝单板进行镀膜，将自然干燥后的薄膜置于红外干燥箱中，干燥后即得具有可见光响应的自清洁氟碳铝单板。
实施例3
取实施例I制备的可见光响应N掺杂二氧化钛自清洁铝单板，置于亚甲基蓝溶液中，将其放在室内窗台上自然光照3天后，亚甲基蓝的实物降解图如图2、图3所示。
权利要求
1.一种表面涂覆氮掺杂纳米二氧化钛薄膜的可见光响应自清洁氟碳铝单板，它包括氟碳铝单板基底和N掺杂锐钛矿型纳米二氧化钛薄膜层，其特征在于所述氟碳铝单板基底表面采用高压喷涂有一层N掺杂锐钛矿型纳米二氧化钛薄膜层，薄膜在氟碳铝单板表面分布均匀，厚度为O. 5-1. 5ym；N掺杂薄膜经过自然光照射后，具有超亲水性和光催化特性，能达到自清洁效果。
2.—种权利要求I所述的表面涂覆氮掺杂纳米二氧化钛薄膜的可见光响应自清洁氟碳铝单板的制备方法，其特征是低温制备方法为溶胶-凝胶法，具体步骤为第一步按照钛酸四丁酯无水乙醇盐酸去离子水摩尔比为I :10-15 :0.2 1:80 200的比列进行混合，搅拌均匀，得到透明溶胶；第二步将所制备的TiO2溶胶于60-100°C水浴处理4-20h ；第三步将不同质量的尿素加入步骤二所制备的溶胶中，密封后进行50-90°C水浴 l-5h ；第四步将步骤三所得溶胶喷涂于氟碳铝单板表面，形成膜厚O. 5-1. 5μπι的薄膜，自然干燥后，红外干燥热处理3-10min即可。
全文摘要
一种表面涂覆氮掺杂纳米二氧化钛薄膜的可见光响应自清洁氟碳铝单板，氟碳铝单板表面涂覆的氮掺杂纳米二氧化钛薄膜暴露在室外，经过自然光照后具有超亲水性，附在涂层表面的污染能够通过雨水冲刷洗掉。另一方面，氮掺杂纳米二氧化钛薄膜经过自然光照后具有光催化特性，能够有效地降解残留在铝板表面的有机污染物。本方法所涉及的设备简单，便于操作，制备条件温和，且制备过程中不会对氟碳铝单板表面的氟碳涂料造成影响，保留了原氟碳涂料的高耐候性、高耐蚀性。
文档编号C01G23/053GK102587610SQ20121002093
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月31日 优先权日2012年1月31日
发明者李勇, 艾凡荣, 闫洪 申请人:南昌大学