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CN107021648B - 利用亚甲蓝溶液解决二氧化硅薄膜开裂及玻璃着色问题的方法 - Google Patents

利用亚甲蓝溶液解决二氧化硅薄膜开裂及玻璃着色问题的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用亚甲基蓝溶液解决二氧化硅薄膜开裂的方法,并利用其多孔特性进行吸附着色。依次向烧杯中加入水、无水乙醇和一正丁胺以及正硅酸四乙酯，控制搅拌及加入时间，制得多孔SiO2溶胶；将此溶胶放入喷壶中，以一定的喷涂速度喷涂到玻璃基板上；待溶胶完全凝胶，将玻璃基板浸入到亚甲基蓝溶液中，吸附一定时间，取出玻璃基板，此时玻璃基板上的薄膜没有开裂，同时吸附了溶液中大量的亚甲基蓝溶液，使玻璃基板着色。本发明实现了将喷涂溶胶后的玻璃基板片浸入亚甲基蓝溶液中解决了凝胶干燥过程中的开裂问题，同时达到了吸附有机染料使玻璃着色的目的。这种方法可以大规模应用于工业生产中。

Description

利用亚甲蓝溶液解决二氧化硅薄膜开裂及玻璃着色问题的 方法
技术领域
本发明涉及对有机染料亚甲蓝溶液的吸附净化同时利用此溶液解决二氧化硅薄膜开裂及玻璃着色问题的方法，属于废水处理及玻璃生产领域。
背景技术
表面镀膜作为一种玻璃深加工的方法不仅可以减少玻璃表面的缺陷，还可以改善玻璃的光学性能。薄膜与基底间以Si-O-Si化学键结合，粘附力较强。将SiO2薄膜镀于玻璃表面成为改善玻璃表面性能的常用手段之一。
目前，制备SiO2薄膜常用的方法有等离子体／电子刻蚀处理法、化学气相／电化学沉积法、磁控溅射法等。然而这些涂层制备方法通常较为复杂，制备成本高昂、面积较小。而溶胶凝胶法因为具有生产工艺简单，无需昂贵的生产设备，合成温度低以及可以生产化学组成及结构可控的材料等优点而成为在玻璃上制备SiO2薄膜的常用方法。利用溶胶凝胶法制备SiO2薄膜，一般以正硅酸乙酯等硅氧烷等为硅源，醇或酮等有机物为溶剂，酸或碱为催化剂，在合适温度下水解制备SiO2溶胶，并将其涂覆于玻璃板上。
目前涂覆溶胶的方法有喷涂法、浸渍法、刷涂法等，其中，喷涂法可以将原料液分散为微／纳米级的小颗粒，然后将其叠加覆盖在基底上形成一定结构的均匀涂层．此外，喷涂法制得的涂层具备良好的再生性能，且喷涂法制备纳米粒子涂层具有成本低廉、工艺简单、节省时间和能大面积应用等优点，因而喷涂法相较于其他方法更高效，且能控制涂层的厚度。本发明将制得的溶胶经几分钟的陈化，通过喷涂法涂覆于玻璃基板上形成SiO2干凝胶薄膜。
由于多孔SiO2薄膜的性能（如吸附性能、绝热性能等）在很大程度上取决于其孔隙率，，通常来说，厚度越大，吸附效果越好。因此，在实际应用中为了性能较好的薄膜，要求SiO2薄膜须具备一定的厚度和高的孔隙率，且膜层完整无开裂。
但是SiO2薄膜在干燥及焙烧过程中极易开裂，薄膜开裂的原因有很多。由于湿凝胶中包裹着大量水分、有机基团和有机溶剂，湿凝胶干燥时这些物质挥发，导致凝胶薄膜收缩、硬化，而在薄膜中产生应力，最后可能导致凝胶开裂。同时，在凝胶中留有大量气孔，这使凝胶开裂的应力主要来自于凝胶骨架空隙中液体表面张力所引起的毛细管力，它使凝胶颗粒重排，发生大的体积收缩。此外，凝胶开裂与凝胶本身尺寸（越厚越易开裂）和干燥速率有关。
为避免开裂，可以从增强固相骨架强度和抑制毛细管力出发。增强固相骨架强度可以改变反应体系组成，控制水解条件以得到高交联度或高聚合度的SiO2缩聚产物。而对于抑制毛细管力可从增大毛细管孔径、降低液相表面张力以及增大接触角等方面着手。这些方法都有一定的效果，但过程、工艺均很复杂，重复性，提高性较差。所以本发明致力于研究一种新的方法解决薄膜开裂问题。
发明内容
本发明提供了一种采用喷涂的方法制备多孔SiO2薄膜，并采用浸渍到亚甲基蓝溶液中解决薄膜开裂问题的方法。
本发明采用的技术如下：
利用溶胶-凝胶法制备SiO2溶胶，将溶胶灌入喷壶中，以一定的速率喷涂到玻璃基片上，将凝胶干燥后得到多孔SiO2薄膜，具有一定的吸附特性，可以吸附亚甲基蓝溶液并解决薄膜开裂问题。步骤如下：
a)在烧杯中加入8.926ml水和35.68ml乙醇，在磁力搅拌器上搅拌10min；
b)在烧杯中加入2.23ml一正丁胺，搅拌30min；
c)在烧杯中加入4.46ml正硅酸四乙酯，常温搅拌反应约5min并静置1—2min后形成溶胶；
d)按上述方法制得的SiO2溶胶在未凝胶之前装入喷壶中，喷涂到玻璃基板上，控制喷嘴与玻璃基板的距离在3cm,连续喷涂3次，得到镀有SiO2薄膜的玻璃基板；
e)将喷涂之后的玻璃板在空气中静置1-2min后浸入到不同浓度的亚甲基蓝溶液中。控制其干燥时间以及浸渍时间，找到最佳的干燥时间及浸渍时间；
f)每隔半小时测其溶液的吸光度，得到单片玻璃基板对亚基蓝的吸附率达到50%，通过这种方法得到的SiO2薄膜的开裂问题得以解决。
上述实验方案中所用的水是去离子水，以正硅酸乙酯为硅源，乙醇为溶剂，丁胺为催化剂，通过溶胶凝胶法制得溶胶，将该溶胶喷涂到玻璃基板上，经干燥溶胶缩聚在玻璃基板上形成薄膜。本发明中通过喷涂的方法保证喷涂溶胶的均匀性，涂层的厚度可以很好地掌握。本发明中选取的制备凝胶的方案是使形成的凝胶透明度较好的方案，将其喷涂到玻璃基板上，对玻璃基板透明度影响较小。
本发明中，将SiO2凝胶喷涂到玻璃基板上，静置一段时间，将覆有湿凝胶的玻璃基板浸入含有有机染料分子的废水中，通过有机染料的吸光度判断其吸附浓度，本发明中吸附率较高。
本发明解决了凝胶在干燥过程中的开裂问题，在凝胶干燥时将其浸入有机染料溶液中，减慢水分及有机溶剂的挥发，用有机染料分子填充置换有机溶剂，减少应力作用，避免其开裂。
本发明中玻璃基板吸附有机染料，使玻璃基板着色，由于凝胶的透明性好，不改变玻璃基板的透明度，所以得到的颜色玻璃液为透明状。
附图说明
图1：薄膜浸入亚甲基蓝溶液前后对比图。
图2：分别为偏光显微镜（1:10）下观察到的微观图像。
图3：单片薄膜对不同浓度亚基蓝的去除效率。
图4：吸附不同浓度亚甲基蓝后的玻璃基板的透射率。
具体实施方式
实施例1
量取8.926ml水和35.68ml乙醇置于烧杯中，在磁力搅拌器上搅拌10min，使其充分混合，然后在烧杯中加入2.23ml一正丁胺，搅拌30min，待混合均匀后在烧杯中加入4.46ml正硅酸四乙酯，常温搅拌反应约5min并静置1-5min后形成溶胶。
实施例2
将清洗干净的玻璃基板悬挂在支架上，按实施例1制得的SiO2溶胶在未凝胶之前装入喷壶中，喷涂到玻璃基板上，控制喷嘴与玻璃基板的距离在3cm，连续喷涂3次，得到镀有SiO2薄膜的玻璃基板。
实施例3
在实施例2中将镀有SiO2薄膜的玻璃基板在空气中静置1-5min，凝胶涂层未完全干燥时，将玻璃基板浸入到不同浓度的亚甲基蓝溶液中，每隔半小时测其溶液的吸光度，最终得到在静置2min后，将其浸入亚甲基蓝溶液中效果最好。时间过短凝胶未凝胶完全，时间过长凝胶干燥出现裂纹。所以通过这种方法得到的SiO2薄膜的开裂问题得以解决。在溶液中浸渍时间不易过长，以3h最佳，时间过长，会使薄膜受损。如图1图2所示，浸入亚甲基蓝后的薄膜光滑，无开裂，基本无孔结构。浸入不同浓度亚甲基蓝溶液的玻璃基板的去除效率如图3所示，亚甲基蓝溶液进入SiO2薄膜的孔洞中并替换有机溶剂，减少应力作用，避免其开裂。
实施例4
用分光光度计测实施例3所得的颜色玻璃的透射率，如图4所示，说明通过该方法得到的SiO2薄膜对玻璃的透光性影响较小，能够大批量生产应用。

Claims (1)

1.一种利用亚甲蓝溶液解决二氧化硅薄膜开裂及玻璃着色问题的方法，其特征是：
（1）原料组成及配比： 在烧杯中加入8.926ml水和35.68ml乙醇，在磁力搅拌器上搅拌10min； 在烧杯中加入2.23ml一正丁胺，搅拌30min； 在烧杯中加入4.46ml正硅酸四乙酯，搅拌6min，制得SiO2溶胶；
（2）将清洗干净的玻璃基板悬挂在支架上，按上述方法制得的SiO2溶胶在未凝胶之前装入喷壶中，喷涂到玻璃基板上，控制喷嘴与玻璃基板的距离在3cm，连续喷涂3次，得到镀有SiO2薄膜的玻璃基板；
（3）将镀有SiO2薄膜的玻璃基板在空气中静置2min，凝胶涂层未完全干燥时，将玻璃基板浸入到亚甲基蓝溶液中3h，亚甲基蓝溶液的浓度分别为3, 4, 5, 6mg/L, 得到不开裂蓝色二氧化硅薄膜。
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