纳米二氧化钛涂层的制备及其阻垢性能的研究
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摘要：纳米二氧化钛薄膜是一种功能性薄膜，在环境保护、抗菌白洁、表面防雾及阻垢等领域有着广阔的应用前景。
利用液相沉积法制备，以氟钛酸氨与为硼酸原料制备纳米级二氧化钛薄膜。通过实验研究沉积用反应液组成、沉积时间、热处理温度对纳米二氧化钛薄膜的影响，从而找剑最佳制备条件：(NH4)2TiF6溶液和H3BO3溶液的浓度比为1：3、沉积温度为35℃、热处理温度400℃，然后在碳钢管上挂膜并利用松花江水研究其阻垢性能，通过接触角测定、XRD、SEM测定确定纳米二氧化钛薄膜的物理参数。通过测接触角，XRD、SEM等表征手段，对其晶型、粒径、透光率、阻垢性等进行研究，研究结果证实二氧化钛纳米薄膜具有纳米粒径且分布均匀，该膜具有结合力强、阻垢性能好性等特点。针对液相沉积法制备纳米二氧化钛涂层问题，我采用静态分析与正交实验方法，得出最佳成膜条件的结果，这个结果具有使我深刻了解纳米二氧化钛涂层的制备与及其性能的意义。
关键词：纳米二氧化钛薄膜；制备；阻垢；液相沉积法
1. 课题研究意义、目的及背景
1.1 纳米二氧化钛涂层的制备及阻垢性能研究意义及应用背景
纳米TiO2是一种光催化材料，其具有廉价、易得、无毒无害、化学性质稳定、抗光腐蚀性强的优点，具有许多独特的性质，其亲水性可以随紫外光的照射而变化，这种性质使涂有纳米TiO2的涂层具有自清洁效应，并已经应用于建筑玻璃防尘和汽车等。那么通过溅射、浸渍及等离子体发射等方法制备的纳米TiO2涂层是否也可以强化沸腾防垢、传热过程、有研究表明，由于纳米TiO2涂层传热元件，在紫外光照射后，形成超亲水表面，其表面润湿性增加，池沸腾传热效果明显好于其他表面；实验表明：利用纳米结构的超疏水性可以强化沸腾传热。采用液相沉淀法在无缝钢管基质上制备了低表面能低的纳米TiO2疏水性薄膜涂层传热元件，以CaSO4水溶液为实验工质的自然循环流动沸腾喜欢热实验表明，处理表面的传热系数较未处理的高，且具有很好的防垢效果[1]。
2.TiO2薄膜的制备方法
2.1 溶胶-凝胶制备纳米涂层
溶胶-凝胶(Sol-gel)法[3]是20世纪60年代发展起来的制备玻璃和陶瓷等无机材料的新工艺。近年来是制备氧化物薄膜广泛采用的方法，此技术一致被认为是目前最有前途的薄膜制备方法之一。例如纳米级金刚石微粉是用爆炸技术合成的新材料,美、俄等国在纳米金刚石粉的应用开发上,已投入大量的研究,将纳米SiO2加入到粘合剂和密封胶中,能使粘接效果和密封胶的密封性大大提高,其作用原理是在纳米SiO2表面包覆一层具有亲水性的有机材料,再添加到有机胶中可形成一种网络状的二氧化硅结构,抑制了胶体的流动并使固化速度加快,从而提高了粘接效果,同时由于颗粒尺寸小,也增加了胶的密封性。
2.2 化学气相沉积法制备纳米涂层
在一个加热的基片或物体表面上，通过一种或几种气态元素或化合的物产生的化学反应而形成不挥发的固体膜层的过程叫化学气相沉积(Chemical VaporDeposition，简称CVD)。
2.3 热分解法制备纳米涂层
在溶胶-凝胶方法中用浸渍-提拉工艺制备的涂层一般比较薄，如果想制备较厚的薄膜则需要多次成膜。以异丙醇钛为钛的来源，以a-菇品醇[CH3C6H8C(CH3)2OH]和异丙醇的混合溶液为溶剂，分别以2-(2一乙醇基)乙醇基乙醇(结构式为C2H5OCH2CH20CH2CH20H，简称EEE)和相对分子质量为600的聚乙二醇(PEG)为异丙醇钛的络合剂，用普通玻璃片为基片进行提拉，所制得的涂层厚度随浸渍提拉次数的增加而增加，其表现就是光透过涂层，在相同的波长范围，光的干涉数增加[3]。
2.4 液相沉积法制备纳米涂层
近年来在湿化学法中发展起一种液相沉积法LPD(Liquid phase deposition)，1988年由Nagayama[8]首次报导。用此法只需在适当反应液中浸入基片，在基片上就会沉积出氧化物或氢氧化物的均一致密的涂层。成膜过程不需热处理，不需昂贵的设备，操作简单，可以在形状复杂的基片上制膜，在制备功能性涂层尤其是微电子行业的超大规模集成电路VLSI(Very Large Scale Integrated Circuit)及金属-氧化物-导体MOS (Metal-Oxide-Semiconductor)、液晶显示器件LCD(Liquid Crystal display)中的氧化物涂层中正得到广泛应用。
3.纳米TiO2涂层阻垢性能研究
王琳琳[3]在2004年纳米TiO2薄膜对池沸腾防垢性能研究中，以碳酸钙饱和溶液为工质，进行了防垢实验研究，在刚开始的一定时间范围内，传热系数都围绕某一较高的均值上下波动，但是随着时间的延长，污垢开始形成，传热系数急剧下降，最后稳定在一个较低的值。研究结果发现发现经过表面处理的表面有一定的抗垢效果。而且二氧化钛薄膜厚度不同，效果不一样，TiO2薄膜厚度为46.7nm时，其加热表面的结垢时间延长为空白加热面的10倍；TiO2薄膜厚度为76.8nm时，其加热面的结垢时间为空白加热面的9倍。
研究者是以松花江水为研究对象，研究纳米TiO2薄膜的阻垢性能，通过测定传热系数确定垢的形成程度。
参考文献：
[1] 张长远, 何斌, 张金龙. 二氧化钛功能薄膜研究发展与应用. 感光科学与光化学, 2004, (1): 66-77.
[2] 宋长友等. 纳米晶二氧化钛光催化薄膜的制备技术及特征. 中国陶瓷工业. 2005, 12, (4): 37-40.
[3] 王琳琳. 纳米TiO2传热表面的液相沉积法制备及其池沸腾防垢研究. 天津: 天津大学, 2007.
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