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1 前言
玻璃幕墻作為一種新型、高檔的外圍護結構，以其獨特的色彩與光影，多變的造型吸引了業主和建筑師，廣泛應用于多層和高層建筑（詞條“高層建筑”由行業大百科提供）中。近年來，各地特別是沿海城市興建了大批采用玻璃幕墻作外圍護結構的建筑，對提高建筑品質、豐富城市景觀起到了積極的作用。隨著材料科學技術的不斷進步與發展， 幕墻玻璃的種類也在不斷變化和發展。
目前，我國許多高級建筑的玻璃幕墻采用了自潔凈玻璃。所謂自潔凈玻璃是在具備光功能薄膜基礎上開發出的殺菌防霧新型智能環保產品。它采用特有的鍍膜工藝(目前主要是溶膠—凝膠工藝和磁控濺射法)在玻璃表面上制備納米TiO2薄膜，利用該薄膜的優良特性使玻璃具有在光催化條件下的抑菌、殺菌和防霧等自潔凈性能。這種玻璃不需要擦洗，遇到太陽光或熒光燈、紫外線照射后，在外界光的激發狀態下會使附著在表面的有機物、污染物變為CO2和水且自動消除，免除了玻璃幕墻清洗之煩惱，節約了水資源，避免了清洗劑對環境的污染，被稱為“綠色玻璃”。除已被廣泛用于高級建筑物的玻璃幕墻裝飾玻璃（詞條“裝飾玻璃”由行業大百科提供），還用于蓋板玻璃、汽車玻璃、高檔玻璃鏡等。
2 TiO2自潔凈玻璃的制備
2.1 清洗玻片
暴露于大氣中的玻片表面容易受到污染，表面上附著一些物質或能量等污染物。最初的污染常常是玻片表面本身形成過程中的一部分。玻璃發生的吸附現象、化學反應、浸析和干燥過程、機械處理以及擴散和離析過程都使各種成分的表面污染物增加。自潔凈玻璃是在普通玻璃上制備納米TiO2薄膜或復合膜而制成的，玻片上的污染物會影響在它上面形成的薄膜的性質，因此在鍍膜前必須對玻片進行清洗，玻片清洗是自潔凈玻璃的研制步驟中很重要的一道工序。目前，常見的清洗方法主要有：手工清洗法、浸洗法、噴射清洗法、超聲波清洗法、蒸氣脫脂清洗法。
2.2 制備薄膜
二氧化鈦（詞條“氧化鈦”由行業大百科提供）(TiO2)光催化膜在近年來得到廣泛的研究應用，尤其是在平板玻璃的表面已得到有效的應用。
這種TiO2光催化膜的制備方法有：金屬鈦的加熱陽極氧化、電子束沉積、離子濺射、化學氣相沉積、金屬有機化學氣相沉積、等離子體增強的化學氣相沉積、熱溶膠以及溶膠—凝膠法等近10 種方法，但制作“自潔玻璃”工藝中應用最多的是溶膠-凝膠法。其生產流程大致為：玻璃原片備制→清洗→干燥→入鍍膜池→鍍制→烘干→進入熱處理爐燒結→出爐降溫冷卻→產品檢驗→包裝→出廠。采用溶膠-凝膠鍍膜法制作生產自潔玻璃有以下幾大優點：
a) 通過簡單的設備可涂較大的復雜形狀的玻璃基板;
b) 能夠獲得高度均勻的多組分氧化物涂層;
c) 熱處理所需溫度較低;
d) 可獲得納米級粒子尺寸的涂層;
e) 容易引入微量元素，摻雜改性（詞條“改性”由行業大百科提供）;
f) 可改變膜的表面結構和性能;
g) 可制備別的方法不能制備的材料， 如有機-無機復合涂層。
為了阻止玻璃本體內的堿金屬離子進入納米TiO2薄膜，影響其光催化除菌防霧效果，多數生產商采用二次鍍膜的方法來阻斷堿金屬離子向膜層的滲透。也有廠家采用其他物理化學方法對玻璃原片進行處理來達到相同的目的。因此，目前能夠提供的自潔凈玻璃基本為雙面膜，這對提高產品的有效性非常有益。
采用溶膠-凝膠法工藝制作“自潔玻璃”，可以通過控制溶膠組成、提拉速度和熱處理工藝制度，在鈉鈣平板玻璃基片上制備出具有光催化活性的二氧化鈦(TiO2)薄膜，可實現玻璃的自潔和易清洗功能。經測定，其二氧化鈦(TiO2)薄膜穩定，耐磨性、耐酸堿、外觀指標都已達到JC 693—1998《熱反射玻璃》標準，符合商業應用的要求。因此，這種表面涂覆了TiO2光催化劑的“自潔玻璃”完全可以有效地對付臟物。并且可以用來鋼化和熱彎夾層，進一步加工成安全玻璃使用。近年來， 自潔凈玻璃的研究開發取得了長足進展， 在光催化理論逐步建立的同時也正在解決產業化過程中的許多技術難題， 但如何有效提高日光下的光催化抑菌殺菌自潔效果，如何把TiO2薄膜與水的浸潤角降至5℃以下并延長有效時間，至今仍是制約自潔凈玻璃廣泛應用的主要技術障礙。
3 自潔凈玻璃的光催化原理
3.1 自潔凈
玻璃表面的TiO2薄膜是一種具有光催化活性的納米材料。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作用生成羥基自由基OH 和超氧化物陰離子自由基O2-， 新生成的OH 羥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。玻璃表面吸附了空氣中的有機物和無機物后， 有機物不易溶于水，時間一長，形成污垢，表面變臟。而且這些有機污垢在水中的溶解度小，用水很難擦洗干凈。如果在玻璃表面涂覆一層TiO2膜， 利用一定條件使其發生上述的氧化鈦的光催化反應可以把吸附在氧化鈦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，實現自潔。這就是所稱自潔凈玻璃機理。
3.2 防霧
將TiO2鍍在基片上制備成薄膜， 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薄膜表面，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°(水滴完全浸潤氧化鈦薄膜表面)， 顯示了薄膜的親水性。光照停止后，薄膜表面的這種親水性可以維持數小時甚至幾天，隨后又慢慢地恢復到紫外光照射前情況，薄膜具有的這種性質被稱為超親水性。再用紫外光照射，則再次表現出超親水性，采用間歇紫外光照射就可以使得薄膜表面始終保持超親水性。圖1 中a, b 的示意圖形象地說明了TiO2薄膜的超親水性使水滴狀態發生的改變。在紫外光照前，水滴與TiO2表面的接觸角為91°，紫外光照后，接觸角逐漸減小，最后接觸角為0°，即水滴平鋪在氧化鈦表面。
發生此現象的機理可解釋如下：在紫外光照射的條件下，TiO2表面的超親水性起因于其表面的結構變化。在紫外光的照射下，TiO2價帶的電子被激發到了導帶，電子和空穴向TiO2表面遷移，在表面形成電子空穴對，電子與Ti4+反應，空穴則同薄膜表面的橋氧離子反應，分別生成正三價鈦離子和氧空位。此時，空氣中的水分子解離吸附在氧空位中，成為化學吸附水(表面羥基)，化學吸附水可以進一步吸附空氣中的水分， 即在T13+缺陷的周圍形成了高度親水的微區， 而表面剩余區域仍保持疏水性，這樣就在TiO2的表面構成了均勻分布的納米尺寸的分離的親水和親油微區。潤濕表面停止紫外光照射后，化學吸附的表面羥基被空氣中的氧取代，重新回到原來的疏水性狀態。
3.3 抗菌
摻雜在TiO2光催化膜表面的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在光照20min 內滅菌率達到90%，80min可全部被殺滅。在室內照明光源如日光燈照射下，紫外光強為1μm/cm2~10μm/cm2，同樣可以起到殺菌作用。將涂覆TiO2薄膜的衛生陶瓷應用于醫院可殺死附著于墻面的細菌;用于浴室，可減少由于地面和墻上積聚的肥皂細菌作用而引起的粘稠狀物質等，起到防滑和防污的作用;用于衛生間，可明顯降低其中的氮氣濃度，使人不會有不適的感覺。
3.4 凈化空氣
用紫外光照射TiO2光催化膜，光催化劑受激發產生的電子-空穴對能將空氣中有機或無機的污染物如氮氧化合物(NOX)、甲醛(HCHO)、二氧化硫(SO2)等直接分解成無害的物質， 達到凈化空氣的目的。
將TiO2涂覆于建材混凝土（詞條“混凝土”由行業大百科提供）表面用于道路兩側，在光照下可以產生光催化作用，有效地將汽車尾氣排放的NOX氧化成危害相對較小的HNO3，同時將SOX氧化，從而凈化了空氣。
4 自潔凈玻璃面臨的問題
雖然自潔凈玻璃技術最近十多年得到了較快發展， 但從整體上看目前仍處在產業化開發的前期，許多機理還有待于驗證，其應用程度受到一定制約，主要原因是：
a) 太陽能（詞條“太陽能”由行業大百科提供）利用率低。由于TiO2薄膜的能帶結構決定了膜層只能夠吸收可利用太陽光中的紫外線部分，TiO2被激發產生的空穴-電子對雖然具有很高的氧化能力， 但其光吸收僅限于紫外光區，此部分尚不足照射到地面太陽光能量的10%，對太陽光的利用率比較低，是目前生產的自潔凈玻璃在日常條件自潔效果不明顯的主要原因之一。
b) 量子產率低，總反應速度慢。光生載流子(h+
e-)很容易重新復合，直接影響光催化效率、殺菌、防霧效果。4%~10%量子產率遠滿足不了自潔凈玻璃的使用要求。要想強化玻璃自潔凈效果就必須有新的技術來阻止光生載流子的重新復合。
c) 大面積鍍膜工藝在技術上尚有難度，尤其是在大面積條件下如何保證TiO2薄膜中的銳鈦礦型結構提高、膜層均勻一致和熱加工后的自潔凈效果驗證等方面還有待于做更多的工作。
d) 目前的自潔凈玻璃功能作用的明顯實現要借助于一定的試驗條件， 尤其是輔助紫外光的照射，自然太陽光條件下的自潔凈防霧效果不顯著。
上述關鍵問題的根本解決有待于深入的基礎研究尤其是應用基礎研究。就光催化反應來說，關鍵在于提高光催化反應的活性和選擇性，提高光量子產率，將其激發波長擴展到可見光區，提高光能利用率。
5 自潔凈玻璃的發展趨勢與前景
5.1 自潔凈玻璃研究的進展
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。
上海復旦大學現已研制出一種可自我清潔的玻璃“二氧化鈦光催化玻璃”。這種自潔玻璃其表面涂有一層親水性良好又具有分解有機物質功能的二氧化鈦光催化薄膜。這種“自潔玻璃”的表面即使長期暴露在空氣中，也不容易積聚灰塵，如果沾上油污，也可被它分解干凈。經測試，這種“自潔玻璃”的使用壽命預計可長達10 年以上。
武漢理工大學與湖北三峽新材公司合作開發的新型生態建材——TiO2基薄膜自潔凈玻璃被列為2001 年度國家重點技術創新項目，并擁有6 項專利。研制開發成功的產品有規格厚度為5mm～15mm無色和有色的鍍有TiO2基薄膜的自潔凈玻璃。其最大尺寸達到2000mm×1500mm， 該產品利用先進的鍍膜工藝，在玻璃表面均勻地鍍制一層含有銳鈦礦型TiO2晶體的透明涂層。這種材料在陽光的紫外光照射下具有奇異的三大特性：
a) 光催化活性———電子的遷移，產生自由電子和空穴，生成活性氧(O2)和活性的OH-基團，可使玻璃表面附著的有機污染物被快速分解為無機物，從而實現玻璃的自潔凈功能。
b) 光誘導超親水性———TiO2薄膜顯示超親水性(當水的接觸角度≤5°為超親水性)。一方面可以隔斷油污與TiO2薄膜表面的直接接觸，另一方面可以將有機物從表面抬起，薄膜表面的有機污染物也極易被雨水沖走而保持潔凈。
c) 殺菌效果———細菌與病毒等也能在光催化的作用下被殺死和分解，因此，該自潔凈玻璃同時還具有防霉、防霧、殺菌、消毒的奇異功能。
這種TiO2基薄膜自潔凈玻璃應用于建筑幕墻（詞條“建筑幕墻”由行業大百科提供）玻璃，可以長久保持其清潔明亮，大大減少清洗保養的費用;應用于室外尤其是公共環境、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，不僅免于經常清潔，而且可使雨水迅速擴散揮發，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，這一產品的開發成功，大大推動了我國自潔玻璃的生產應用及市場啟動的步伐。
5.2 自潔凈玻璃研究的市場前景
自潔玻璃因性能優越，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，產品市場極為看好。現已成為國際市場綠色環保玻璃熱銷的焦點。目前，我國的“二氧化鈦光催化玻璃”和“TiO2薄膜自潔凈玻璃”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品的開發、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。另據有關資料介紹，2004 年我國平板玻璃生產已超過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， 特殊行業用玻璃超過64萬m2，今后，這些玻璃的大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，這個數字約占平板玻璃總量的1/6 左右， 與經濟發達國家80%的玻璃都使用功能玻璃的數量相比，還有較大差距。
6 結束語
玻璃幕墻就象一面面碩大無比的鏡子，為人們推出了一幕幕變幻莫測的城市風景畫面。近年來，幕墻玻璃也在不斷推陳出新，自潔凈玻璃作為一種生態建筑材料和環境協調型材料， 在環境保護、污水處理、空氣凈化等方面具有廣泛的應用前景，在建筑幕墻也得到了較快的應用和發展。TiO2薄膜光催化劑由于其較寬的禁帶寬度、高的折射率和機械強度以及穩定的化學性能，其薄膜材料在紫外光照射下，能產生活性自由基，自由基能分解有機化合物，具有殺菌和自清潔等作用，在包括玻璃幕墻等
眾多領域中具有廣泛的應用前景。目前，雖然自潔凈玻璃的理論基礎及應用研究都還不是非常成熟，所生產的產品離實際應用有一段距離，但是作為一種新型材料，自潔凈玻璃所顯示的優異性能是不容忽視的。筆者相信，隨著研究的深入，自潔凈玻璃將在改善我們的生存環境，給我們的日常生活帶來更多的便利方面起到重要作用;TiO2薄膜在各項領域的應用將會越來越廣泛，它將在科技、生活等方面發揮巨大潛力。
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