形成自凈化表面的組合物與方法
【專利摘要】制備自凈化表面的方法，其中該方法包括在表面上布置第一涂層，其中該第一涂層包括有機(jī)硅烷，和在第一涂層上布置第二涂層，其中第二涂層包括TiO2。
【專利說明】形成自凈化表面的組合物與方法
發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明的實(shí)施方案一般地涉及形成自凈化表面的(self decontaminating)化學(xué)組合物與方法。在一些實(shí)施方案中，該化學(xué)組合物包括光催化劑。在一些實(shí)施方案中，光催化劑包括氧化鈦部分。在一些實(shí)施方案中，該化學(xué)組合物以由二氧化鈦部分形成的薄膜的靜電沉積物形式施加。
[0002]發(fā)明背景
[0003]氧化鈦(例如，TiO2)是在油漆，紙張，塑料和牙膏中廣泛使用的一種無(wú)毒物質(zhì)。本領(lǐng)域已知可添加堿金屬類氫氧化物到鈦鹽的水溶液中，產(chǎn)生無(wú)定形的過氧化鈦凝膠。過氧化鈦凝膠可與過氧化氫水溶液反應(yīng)，產(chǎn)生無(wú)定形過氧化鈦凝膠，然后將其加熱到高溫，獲得銳鈦礦二氧化鈦。
[0004]目前制備含氧化鈦的片材，涂層或薄膜的方法要求在高溫(例如，200-400°C)下燒結(jié)氧化鈦顆粒，以便氧化鈦緊密地承載在基底上。使用這些現(xiàn)有技術(shù)的方法，氧化鈦化合物沉積在基底上，然后在約200-40(TC下烘烤，使該化合物固定地置于基底上。要求這種高溫來(lái)固化(c ure)氧化鈦限制了其功效，例如由零售商或用戶使用二氧化鈦來(lái)產(chǎn)生自凈化表面。
[0005]因此，現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)展是開發(fā)或使用新的氧化鈦片材，涂層或薄膜沉積。
[0006]附圖簡(jiǎn)述
[0007]結(jié)合附圖，閱讀下述詳細(xì)說明，將更好地理解本發(fā)明，其中相同的參考標(biāo)志符用于表示相同的元件，和其中
[0008]圖1闡述了靜電噴涂裝置的一個(gè)實(shí)施方案；
[0009]圖2A闡述了靜電噴涂裝置的另一實(shí)施方案；
[0010]圖2B闡述了進(jìn)一步含可氧化顏料源的圖2A的靜電噴涂裝置；
[0011]圖3是顯示在玻璃表面上50微米處的原子力顯微鏡圖像，其中使用 申請(qǐng)人:的組合物與方法，形成該涂層；和
[0012]圖4是使用具有IOX物鏡的透射幾何，顯示在玻璃表面上的涂層的光學(xué)圖像，其中使用 申請(qǐng)人:的組合物與方法，形成該涂層。
[0013]優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說明
[0014]在優(yōu)選的實(shí)施方案中，參考附圖，以下述說明方式描述本發(fā)明，其中相同的數(shù)字表示相同或類似的元件。在整個(gè)說明書當(dāng)中，提到“一個(gè)實(shí)施方案”，“一種實(shí)施方案”或類似的語(yǔ)言是指與該實(shí)施方案結(jié)合描述的特定的特征，結(jié)構(gòu)或特性包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方案中。因此，在整個(gè)說明書當(dāng)中，措辭“在一個(gè)實(shí)施方案中”和類似語(yǔ)言的出現(xiàn)可以，但不必然全部是指相同的實(shí)施方案。
[0015]在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明中所述的特征，結(jié)構(gòu)或特性可以任何合適的方式結(jié)合。在下述說明中，引證許多具體的細(xì)節(jié)，以提供本發(fā)明實(shí)施方案的全面理解。然而，熟練相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)意識(shí)到，可在沒有一個(gè)或更多個(gè)具體細(xì)節(jié)的情況下，或者采用其他方法，組分，材料等的情況下實(shí)踐本發(fā)明。在其他情況下，沒有詳細(xì)地顯示或描述公知的結(jié)構(gòu)，材料或操作，以避免模糊本發(fā)明的各方面。
[0016]在自然界中，二氧化鈦以公知的礦物金紅石，銳鈦礦和板鈦礦出現(xiàn)，和另外以兩種高壓形式，單斜的斜鋯石-類形式和正交的a -PbO2-類形式出現(xiàn)，這二者最近在巴伐利亞的Ries坑中發(fā)現(xiàn)。最常見的形式是金紅石，它也是最穩(wěn)定的形式。銳鈦礦和板鈦礦當(dāng)加熱時(shí)均轉(zhuǎn)化成金紅石。金紅石，銳鈦礦和板鈦礦全部含有六個(gè)配位的鈦。
[0017]二氧化鈦具有許多改性形式-除了金紅石，銳鈦礦和板鈦礦以外，還存在通過合成生產(chǎn)的三種亞穩(wěn)形式(單斜晶，四角形和正交晶)，和高壓形式(a-PbO2-類，斜鋯石-類和氯鉛礦-類)。
[0018]氧化-通過分子，原子或離子，損失電子或增加氧化態(tài)。具有氧化其他物質(zhì)能力的物質(zhì)據(jù)說是具有氧化性或者氧化的，且稱為氧化劑。換種方式說，氧化劑從另一物質(zhì)中除去電子，和因此自身被還原。和由于它“接受”電子，因此它也被稱為電子受體。
[0019]在化學(xué)中，光催化是在催化劑存在下加速光反應(yīng)。在催化的光解作用中，光被吸收基底吸收。在光生催化中，光催化劑的活性(PCA)取決于催化劑產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的能力，這一能力生成能經(jīng)歷二級(jí)反應(yīng)的自由基(羥基自由基:.ΟΗ)。自從發(fā)現(xiàn)借助二氧化鈦，電解水以來(lái)，它的理解變得可能了。該方法的商業(yè)應(yīng)用稱為高級(jí)氧化方法(AOP)。存在實(shí)現(xiàn)Α0Ρ’ s的數(shù)種方法，這些方法可以，但不必然牽涉TiO2或甚至使用紫外光。通常定義因子是產(chǎn)生并使用羥基自由基。
[0020]當(dāng)用充足能量的光照射TiO2時(shí)，電子-空穴對(duì)被激發(fā)，結(jié)果額外的電子越過帶隙到導(dǎo)帶(〃CB〃)，同時(shí)空穴停留在價(jià)帶(〃VB〃)上。然后被激發(fā)的電子可在TiO2的表面上用于氧化還原反應(yīng)。例如，可通過可見光激發(fā)金紅石相，但具有快速的電荷重組速率；另一方面，銳鈦礦具有緩慢的重組速率，但可僅僅被紫外光激發(fā)。因此，合理的是生產(chǎn)混合相光催化劑，以增加總的功效。
[0021]一些氧化鈦的晶體形貌顯示出光催化特征，當(dāng)暴露于紫外光(UV)下時(shí)。當(dāng)暴露于UV光下時(shí)，氧化鈦產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，所述電子-空穴對(duì)生成自由基(例如羥基自由基)。光催化強(qiáng)度的程度隨氧化鈦的類型而變化，例如，銳鈦礦氧化鈦(粒度約5-30納米)是比金紅石氧化鈦(粒度約0.5-1微米)強(qiáng)的光催化劑。因此，氧化鈦在滅菌，消毒和修復(fù)應(yīng)用中具有潛在的用途。
[0022]在 申請(qǐng)人:的組合物與方法的一個(gè)實(shí)施方案中，采用靜電噴涂器，使用含可氧化顏料的氧化鈦涂層，在表面上產(chǎn)生基本上均勻的自凈化涂層。
[0023]現(xiàn)參考圖1，2A和2B，在一個(gè)實(shí)施方案中，在環(huán)境溫度下，在表面130上沉積氣體，液體，氣溶膠和/或固體形式的TiO2配方和/或TiO2前體配方。在圖1，2么和28所示的實(shí)施方案中，使用靜電或電動(dòng)噴涂裝置100，形成基本上連續(xù)的含氧化鈦的涂層140。使用靜電噴涂裝置100，霧化的顆粒120具有第一電荷(以荷正電的形式示出)，從而當(dāng)它們離開噴嘴110時(shí)，彼此排斥并將它們自己均勻地鋪開。圖2A示出了含在加壓空氣內(nèi)的TiO2粉末的混合物220從手持噴涂裝置210向外噴涂。
[0024]待涂布的基底130包括第二且相反的電荷(以荷負(fù)電形式示出)或接地。TiO2荷負(fù)電的TiO2粉末然后被吸引到基底上。相反荷電的基底吸引TiO2粉末顆粒，甚至在“帶陰影”的后面部分內(nèi)，結(jié)果得到基本上均勻的涂層。使用相反電荷還增加轉(zhuǎn)移效率和TiO2顆粒與基底之間的粘合性。在一些實(shí)施方案中，靜電噴涂裝置可進(jìn)一步使用壓力，以產(chǎn)生高速空氣流，所述高速空氣流促進(jìn)霧化顆粒120攜帶到基底130上。
[0025]在一些實(shí)施方案中，通過例如(a)直接充電，(b)摩擦起電或(C)后霧化充電，將TiO2顆粒充電到約30_100kV。在直接充電中，將電極浸潰在含TiO2的儲(chǔ)料器或?qū)Ч軆?nèi)。在摩擦起電中，當(dāng)通過靜電噴涂裝置擠出TiO2時(shí)，與TiO2接觸的機(jī)筒的內(nèi)表面產(chǎn)生摩擦靜電荷。在后霧化充電中，將靜電場(chǎng)在出口噴嘴的下游施加到TiO2上?？衫缤ㄟ^靜電誘導(dǎo)或電暈，或者通過一個(gè)或更多個(gè)電極(電極環(huán)，網(wǎng)或格柵)，生成靜電場(chǎng)。
[0026]在一些實(shí)施方案中， 申請(qǐng)人:的組合物與方法利用與含季銨部分的有機(jī)硅烷結(jié)合的TiO20在一些實(shí)施方案中，官能化的硅烷包括化合物1，其中Rl和R2是烷基，和其中X-選自氯離子，溴離子，和碘離子。使用 申請(qǐng)人:的方法的這一實(shí)施方案，目標(biāo)表面被部分或完全用含化合物I的混合物涂布，和隨后該表面部分或完全被TiO2涂布。
[0027]
【權(quán)利要求】
1.制備自凈化表面的方法，該方法包括: 在表面上布置第一涂層，所述第一涂層包含有機(jī)硅烷； 在所述第一涂層上布置第二涂層，所述第二涂層包括Ti02。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述的布置所述第一涂層包括在所述表面上噴涂所述有機(jī)硅烷。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所述噴涂所述有機(jī)硅烷包括噴涂含3.6被％所述有機(jī)硅烷的含水混合物。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述的布置所述第二涂層包括靜電噴涂所述TiO2在所述第一涂層上。
5.權(quán)利要求4的方法，其中所述靜電噴涂所述TiO2包括靜電噴涂3%含水的TiO2膠體懸浮液。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述有機(jī)硅烷包括下述結(jié)構(gòu):
7.權(quán)利要求6的方法，其中所述有機(jī)硅烷包括下述結(jié)構(gòu):
8.權(quán)利要求6的方法，其中R8包括C18烷基鏈。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所述有機(jī)硅烷包括下述結(jié)構(gòu):


10.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在所述涂層內(nèi)布置顏料。
11.權(quán)利要求10的方法，其中所述顏料可被TiO2氧化。
12.權(quán)利要求11的方法，其中所述的在所述第二涂層內(nèi)布置顏料包括臨在所述的在所述第一涂層上布置第二涂層之前，添加所述顏料到所述TiO2中。
13.權(quán)利要求10的方法，其中所述顏料包括亞甲基藍(lán)。
14.通過包括下述步驟的方法形成的在表面上布置的涂層: 在水中溶解酒石酸； 添加異丙醇鈦(IV)到所述酒石酸溶液中，在水中形成酒石酸/異丙醇鈦加合物； 在所述表面上流延在水中的所述酒石酸/異丙醇鈦加合物，形成所述涂層。
15.權(quán)利要求14的涂層，其中所述溶解步驟包括形成0.5mol的溶液。
16.權(quán)利要求14的涂層，其中所述方法進(jìn)一步包括: 將所述酒石酸溶液傾倒在圓底燒瓶?jī)?nèi)；和 將所述圓底燒瓶置于冰浴內(nèi)。
17.權(quán)利要求16的涂層，其中所述方法進(jìn)一步包括: 在完成所述添加步驟之后，從所述冰浴中取出所述圓底燒瓶；和 溫?zé)崴鰣A底燒瓶到室溫；和 在所述圓底燒瓶?jī)?nèi)形成凝膠。
18.權(quán)利要求17的涂層，其中所述流延步驟包括在所述表面上流延所述凝膠。
19.權(quán)利要求14的涂層，其中所述酒石酸/異丙醇鈦加合物包括下述結(jié)構(gòu):
20.權(quán)利要求14的涂層，其中所述酒石酸/異丙醇鈦加合物包括下述結(jié)構(gòu):
【文檔編號(hào)】D06M15/643GK103635626SQ201280026252
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月15日
【發(fā)明者】C·吉?dú)W菲利恩, C·格羅斯曼, M·恩戈, R·維索奇 申請(qǐng)人:聯(lián)合生物科學(xué)服務(wù)股份有限公司