自洁玻璃

已知有多种通过聚合物型材和聚合物蜡来制备疏水表面图样的工艺，物理方法如离子刻蚀和聚合物珠粒压缩，化学方法如等离子体化学粗加工，这些技术都可以用于制作超疏水涂层。^[2]虽然这些表面都能有效地实现自清洁，但是它们仍有许多缺点，这些缺点阻碍了广泛的应用。疏水材料的大批量生产成本很高且十分耗时，并且如此产生的涂层并不透明（而是比较模糊），无法在透镜、窗户以及脆性材料上得以应用。第二类自洁表面是亲水表面，它们不仅仅依靠水流来冲洗污垢。这些涂层在光照下会化学分解污垢，这一过程称为光催化。尽管亲水自洁涂层的许多产品实现了商业化，但该领域还远未成熟。有关自清洁根本机理和新涂层表征的研究仍然频繁在在一次文献中被报道。

（人类历史上）第一块自洁玻璃基于薄膜二氧化钛涂层。^[3]该膜可以通过旋转镀膜有机钛酸盐螯合前体(例如乙酰丙酮螯合的异四丙基钛)、然后升温热处理以烧尽有机残留物并形成锐钛矿相。在这种情况下，如果不采取预防措施，钠可能会从玻璃扩散到新生的二氧化钛中，导致亲水/催化效果下降。^[4]玻璃的自洁分为两个阶段。“光催化”阶段利用紫外光分解玻璃上的有机污垢，并使玻璃成为超亲水状态(通常玻璃是疏水的)。随后的“ 超亲水”阶段中，雨水冲刷掉污垢，几乎不会留下水纹，因为水在超亲水表面上均匀铺展。^[5]

2.1 第一个商业产品

2001年，皮尔金顿玻璃公司(Pilkington Glass)宣布开发第一款自洁窗户Pilkington Activ，随后几个月，其他几家主要玻璃公司也发布了类似产品。因此，玻璃窗可能是自洁涂料迄今为止最大的商业应用。所有这些窗户都涂有一层薄薄的二氧化钛透明层。这种涂层分两个阶段清洁窗户，使用两种不同的性质：光催化和亲水性。在阳光下，光催化作用会使涂层化学分解吸附在窗户上的有机污垢。当玻璃被雨水或其他水弄湿时，亲水性将接触角降低到非常低的值，使得水形成薄层而不是液滴，随后水薄层将污垢洗掉。

二氧化钛因其良好的物理和化学性能，已成为自洁窗户和亲水自洁表面的首选材料。 二氧化钛不仅能高效地在阳光下光催化污垢并达到超亲水状态，而且无毒，无光下呈化学惰性，价格低廉，相对容易处理并沉积成薄膜，是一种公认的家用化学品，可以用作化妆品和油漆中的颜料以及食品添加剂。^[6]

3.1 机制

锐钛矿相通常被认为是其多晶型结构中最具光催化性的，这可能是由于其较高的比表面积。此外，紫外线照射在桥接位点会产生表面氧空位，导致相关Ti4+位点转化为Ti3+位点，有利于游离水的吸附。^[7]这些缺陷可能会影响其周围位点对化学吸附水的亲和力，形成亲水域，而表面的其余部分仍然保持亲油性。亲水域是吸附离解水的区域，与氧空位相联，氧空位优先沿(110)平面的[001]方向产生，氧桥接位点的排列方向相同。^[8]

据推测，自清洁玻璃还可用于表面不允许又指纹残留的计算机显示器和掌上电脑屏幕。^[9]

二氧化钛基玻璃不能分解厚的不透明沉积物，如油漆或硅酮、防水指纹或风化后的血迹，或施工过程中产生的灰泥粉尘。^[10]

自2001年以来，TC24“ 玻璃涂层”委员会国际玻璃委员会一直努力建立用于评估玻璃光催化自洁涂层的测试方法。^[11]

• 皮尔金顿宣称该公司的Pilkington Activ品牌是第一款自洁玻璃。Pilkington Activ由一层20-30 nm的锐钛矿二氧化钛纳米晶体组成，在钠钙硅酸盐浮法玻璃上通过常压化学气相沉积技术沉积而得。^[12]产品具有非常好的可见光透射率和反射性能；Activ的可见光反射率约为7%，可见模糊度小于1%，但会吸收20%的入射太阳紫外光于自洁过程中使用。这种涂层很坚固，不会被透明胶带或一般的机械磨损损坏；皮尔金顿声称，这种涂层的使用寿命不会短于窗框的寿命。
• PPG Industries公司的SunClean品牌也采用了基于二氧化钛涂层的专利工艺。^[13]
• Cardinal Glass Industries公司采用磁控溅射法生产的Neat Glass拥有厚度小于10 nm的二氧化钛层。^[10]
• 圣戈班（Saint-Gobain）公司的SGG· Aquaclean (第一代，仅亲水性，2002年^[14])和 Bioclean (第二代，同时具有光活性和亲水性，2003年^[15])。^[16]Bioclean涂层通过化学气相沉积制备。
• Nippon Sheet Glass公司生产的REIBORG HIKARI品牌。^[17]