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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf das Entfernen von organischen Schadstoffen aus einer geschlossenen
Umgebung und im Besonderen aus der Luft innerhalb einer geschlossenen
Umgebung, wie z. B. einem Zimmer, einem Fahrzeug, einem Flugzeug,
einem Raumfahrzeug, einem Unterseeboot, etc.
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Hintergrund
der Erfindung
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Volatile organische Substanzen, einschließlich Gase
mit geringem Molekulargewicht, kondensierbare Dämpfe, umgebungsbedingter Tabakrauch, Bio-Aerosole,
u. a. einschließend,
aber nicht begrenzt auf 1,3-Butadien, Formaldehyd, Acetaldehyd, Benzol,
Toluol, Aceton, Methyl-Ethylketon, Schwefelwasserstoff, Triethylamin,
Phthalate, Mineralöle,
volatile Brandhemmer, etc. und Reizstoffe wie z. B. Pollen oder
Pilzsporen, welche im Allgemeinen als organische Schadstoffe bezeichnet
werden, stellen häufig in
einer geschlossenen Umgebung einen Einfluss auf das Wohlbefinden
und auch eine Gesundheitsbedrohung dar. Konventionelle aktive Reinigungssysteme, wie
z. B. Filter, thermische Katalysatorbetten u. a., entfernen diese
organischen Schadstoffe aus der Umgebung. Diese Systeme sind jedoch
weder energie- noch kosteneffizient auf Grund des Druckabfalls durch
das System oder der benötigten
Energie für thermische
Oxidation, nachträglicher
Klimatisierung der Luft auf akzeptable Temperaturen und der begrenzten
Lebensdauer des Systems.
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Die Behandlung von organischen Schadstoffen
ist besonders problematisch in relativ kleinen oder eingeengten
Räumen.
In einem Automobil tragen organische Schadstoffe beispielsweise
zum Unbehagen der Passagiere, zum Beschlagen der Windschutzscheibe
und zu dem "Blauen-Dunst-Belag", der sich auf den
Innenscheiben und der Windschutzscheibe absetzt, bei. Auf Grund
der Größe und Geometrie
des Autos ist der Gebrauch eines aktiven Reinigungssystems jedoch
weder praktisch noch kosteneffizient für die Mehrzahl der Automobile
im "normalen" Preisbereich, d.
h. unter etwa 15.000 $.
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DE 4 023 995 A1 beschreibt ein Verfahren zur
Reinigung der Luft in Fahrzeugen durch ein fotokatalytisches Halbleitermaterial,
welches sich in einem Festbett befindet und im Betrieb von einer UV-Lampe
beleuchtet wird. Dieses Dokument unterstreicht außerdem den
Vorteil einer relativen Bewegung von Fotokatalysator und UV-Lampe
zueinander und lehrt ferner, das Festbett elastisch innerhalb des Fahrzeugs
zu positionieren.
DE
4 410 476 A1 lehrt eine Lampe, z. B. eine UV-Lampe mit
einem Glaskörper,
der auf seiner Außenfläche mit
einer fotokatalytischen Halbleiterbeschichtung beschichtet ist,
zur Zersetzung organischer Schadstoffe innerhalb einer geschlossenen
Umgebung, z. B. Tabakrauchpartikel in Zimmern.
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Was im Stand der Technik fehlt, ist
ein System zum effizienten und effektiven Entfernen organischer
Schadstoffe aus einer geschlossenen Umgebung.
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Beschreibung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung beschreibt
ein Belüftungssystem
gemäß Anspruch
1. Die folgende Beschreibung bezieht sich auch auf das Entfernen
organischer Schadstoffe aus einer geschlossenen Umgebung, ein System
dafür,
und ein Verfahren zum Aufbringen einer fotokatalytischen Halbleiterbeschichtung
auf ein Substrat. Das Beschichtungsverfahren weist auf: Bilden einer
Mischung aus einem fotokatalytischen Halbleiter, Wasser, einem Agens
zur Vermeidung von Agglomeration, und einem Agens zur Homogenisierung;
ausreichendes Entfernen von Wasser von der genannten Mischung, um
ein Gel zu bilden; Beschichten des gereinigten Substrats mit dem
Gel, Reinigen des Substrats, um Verunreinigungen zu entfernen; und
Erwärmen
des beschichteten Substrats auf eine Temperatur, die ausreicht,
um den fotokatalytischen Halbleiter in seine aktive Form umzuwandeln.
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Ein System zum Entfernen organischer Schadstoffe
aus einer geschlossenen Umgebung, welches nicht unter den Umfang
von Anspruch 1 fällt, weist
auf: ein Fenster oder eine Windschutzscheibe mit einer TiO2-Beschichtung; eine UV-Quelle, die so orientiert
ist, dass die UV-Quelle während
des Betriebs die TiO2-Beschichtung beleuchtet;
und eine Einrichtung zur Versorgung der TiO2-Beschichtung mit
Wasser. Im Wesentlichen beleuchtet die UV-Quelle die TiO2-Beschichtung, aktiviert die Beschichtung
und bringt das TiO2 dazu, Wasser an seiner
Oberfläche
zu dissoziieren, um Hydroxylradikale zu bilden. Die Hydroxylradikale
oxidieren dann organische Schadstoffe, welche auf der TiO2-Beschichtung
absorbiert sind.
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Die oben genannten und weitere Merkmale und
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich an Hand der
folgenden Beschreibung und Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine abgeschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform, welche nicht Teil
der vorliegenden Erfindung bildet, bei der eine TiO2-Beschichtung
und eine UV-Lampe verwendet werden bei der Entfernung von organischen
Schadstoffen aus dem Inneren eines Automobils.
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2 ist
eine weitere Ausführungsform,
welche nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, bei welcher organische
Schadstoffe in einem Zimmer oxidiert werden durch eine UV-beleuchtete
TiO2-Beschichtung auf einem Fenster in dem
Zimmer.
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Beste Art
der Ausführungsform
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung weist ein
Verfahren und System zum Entfernen organischer Schadstoffe aus einer
geschlossenen Umgebung auf, wie z. B. ein Zimmer oder das Innere
eines Fahrzeugs, einschließlich
eines Automobils, Flugzeugs, Raumfahrzeugs, Zugs, Busses, Nahrungstransportsystems, etc.
Im Wesentlichen kommen die organischen Schadstoffe mit einem beleuchteten
fotokatalytischen Halbleiter in Kontakt. Wassermoleküle auf der fotokatalytischen
Halbleiteroberfläche
dissoziieren, um Hydroxylradikale zu bilden, welche die organischen
Schadstoffe oxidieren.
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Der fotokatalytische Halbleiter ist
ein innerhalb seiner Bandbreite durch Licht aktivierbarer Stoff und
ist in der Lage, Wassermoleküle
zu dissoziieren, um Hydroxylradikale zu bilden, welche die organischen
Schadstoffe oxidieren. Einige solcher fotokatalytischen Halbleiter
schließen
Metalloxide ein wie z. B.: Zinndioxid (SnO2),
Titaniumdioxid (TiO2), Zinkoxid (ZnO), Wolframtrioxid
(WO3), Bleioxid (PbO), Eisentitantrioxid
(FeTiO3), Vanadiumpentoxid (V2O5), Eisenoxid (Fe2O3), und andere wie z. B. Cadmiumsulfid (CdS).
Vorzugsweise hat der fotokatalytische Halbleiter ein optisches Absorptionsband
in der Nähe
des sichtbaren Lichts, wird nicht leicht vergiftet durch Stoffe
in der Luft wie z. B. organische Schadstoffe, und verdampft oder
oxidiert selber nicht leicht. Ein solcher fotokatalytischer Halbleiter
ist TiO2, welches preiswert, stabil, ökologisch
unbedenklich, beständig gegen
Vergiftung, und leicht aktivierbar und regenerierbar durch UV mit
Wellenlängen
von weniger als ca. 400 nm ist.
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Eine Herstellung des Systems zur
Entfernung organischer Schadstoffe weist das Bilden einer fotokatalytischen
Halbleiter-Suspension auf und das Beschichten eines gereinigten
Substrats damit. Die Suspension kann von dem Typ sein, der in einem Sol-Gel-Verfahren
verwendet wird, oder jede andere Suspension, die geeignet ist, ein
Substrat zu beschichten, um eine fotokatalytische Halbleiterbeschichtung
mit ausreichender Dicke zur Oxidierung organischer Schadstoffe und
mit Widerstandsfähigkeit
gegen Abreibung zu erhalten.
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Das Sol-Gel-Verfahren weist das Aufbringen eines
kolloidalen Sols auf das Substrat, wie z. B. Kieselglas, auf, die
Beschichtung wird anschließend
teilweise entwässert,
um ein Gel zu bilden, welches in einem kontrollierten Erwärmungsprozess
gesintert wird, um die Beschichtung in ein haltbares keramisches
Material umzuwandeln.
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Die Herstellung eines kolloidalen
Sols kann beispielsweise das Herstellen einer Mischung aus Titantetraiso-Propoxid
(TTIP), Salpetersäure
oder anderem Agens zur Verhinderung von Agglomeration, Isopropylalkohol
oder anderem Agens zur Homogenisierung und Verringerung der Reaktionsrate,
und Wasser durch Hinzufügen
von TTIP zu destilliertem Wasser bei einem molaren Verhältnis von
Wasser zu Alkoxid von über
dem stöchiometrischen
Wert von 4, vorzugsweise annähernd
100, aufweisen. Ausreichend Säure,
um vorzugsweise ein pH von weniger als etwa 4 zu erreichen, wobei
ein pH von etwa 3 oder weniger und ein molares Verhältnis von
Säure/TTIP von
etwa 0,1 bis 0,6 besonders bevorzugt wind, wird dann zu dem Sol
hinzugefügt,
um zu verhindern, dass die Titantetrahydroxid-Partikel agglomerieren und
dadurch aus der Lösung
ausfallen. Kleine Mengen an Isopropylalkohol von mindestens 2 Volumen-%
(in Bezug auf das Gesamtvolumen der Lösung) vorzugsweise bis zu 10%,
können
dann als Agens zur Homogenisierung und zur Verringerung der Reaktionsrate
von TTIP und Wasser hinzugefügt werden,
was den Verlauf der Agglomeration verlangsamt. Anschließend wird
die Lösung
unter ständigem Rühren, damit
die Partikel verteilt werden und die Titantetrahydroxid-Partikel
protoniert werden, erwärmt, unterhalb
des Siedens, und üblicherweise
bei ca. 60°C
bis ca. 90°C,
für bis
zu ca. 72 h oder mehr, wobei bis zu ca. 12 h üblicherweise ausreichen, um
ein gut dispergiertes Gel zu bilden. Das Substrat wird, nachdem
es gereinigt ist, dann mit dem Gel beschichtet durch Eintauchen,
Rotationsbeschichten, Streichen, Sprühen, Strömungsbeschichten, oder eine ähnliche
Beschichtungsmethode.
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Das Reinigen des Substrats erfordert
das Entfernen im Wesentlichen aller darauf befindlichen Verunreinigungen,
d. h. Entfernen von über
ca. 95%. Das Entfernen von Verunreinigungen weist das Waschen des
Substrats mit Wasser und Detergens auf, wie z. B. ALCONOX®,
ein Phosphat-basiertes Detergens, produziert von Alconox, Inc.,
New York, New York, oder anderes verbreitetes Detergens, welches geeignet
ist, Öle,
Schmiermittel, Fette und Erden zu entfernen. Das Substrat wird dann
in eine starke Säurelösung eingetaucht,
wie z. B. CHROMERGETM, eine Chrom-Schwefelsäurelösung, hergestellt von Monostat
Corporation, New York, New York, oder eine andere Lösung, welche
geeignet ist, feste Ablagerungen zu entfernen. Üblicherweise wird das Substrat
in die Säurelösung eingetaucht,
welche erwärmt werden
kann, um das Reinigungsverfahren zu erleichtern, über eine
Zeitspanne, welche ausreicht, feste Ablagerungen zu lösen, üblicherweise
weniger als ca. 2 h. Das Substrat wird dann mit bidestilliertem Wasser,
gefolgt von Aceton, gespült
und getrocknet, vorzugsweise in einem Vakuumofen, um neue Verunreinigungen
zu verhindern.
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Die fotokatalytische Halbleiterbeschichtung kann
auf eine große
Vielzahl von Substraten aufgetragen werden, wie z. B. Glas, wie
Quarz, Kunststoff, Keramik und Metalle, u. a.. Zur Verwendung in
einem Fahrzeug oder Zimmer ist es jedoch vorzuziehen, ein Substrat
zu beschichten, welches transparent für sowohl sichtbares als auch
besonders bevorzugt UV-Licht ist. Substrate, die für sowohl
sichtbares als auch UV-Licht transparent sind, können eine duale Funktion erfüllen, als
Substrat für
den fotokatalytischen Halbleiter und als Fenster, Windschutzscheibe etc.
für Fahrzeuge.
Solch eine duale Verwendung minimiert sowohl die Größe der Einrichtung
zur Entfernung organischer Schadstoffe und ermöglicht auch die Verwendung
von natürlichem,
atmosphärischem UV.
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Nachdem es beschichtet ist, wird
das Substrat erhitzt, um das Sol zu entwässern, um die Beschichtung
chemisch und physikalisch an das Substrat zu binden und eine adhärente Keramik,
im Wesentlichen Anatas, zu bilden, d. h. vorzugsweise mehr als ca.
90% Anatas, wobei eine Beschichtung, die so wenig bis hinunter zu
60% Anatas aufweist, durchführbar,
aber viel uneffizienter ist. Das beschichtete Substrat wird auf
eine Temperatur erwärmt,
die ausreichend ist, die Beschichtung in Anatas zu verwandeln, bei
einer ausreichend niedrigen Rate, um Risse und/oder Abblättern der
Beschichtung auf Grund des Ausgasens von Wasserdampf, Alkohol oder
anderen volatilen Stoffen zu vermeiden. Üblicherweise kann das TiO2 in Anatas umgewandelt werden bei einer
Temperatur von ca. 300°C
bis ca. 600°C,
wobei ca. 300°C
bis ca. 500°C
und ca. 375°C bis
ca. 425°C
besonders bevorzugt sind.
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Im Allgemeinen ist die Erwärmung des
Sols bei einer Rate von weniger als ca. 10°C/min ausreichend, wobei eine
Rate von weniger als 5°C/min
bevorzugt und eine Rate von bis zu 3°C/min besonders bevorzugt ist.
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Die gewünschte Dicke der Beschichtung, welche
während
des Beschichtungsverfahrens angepasst werden kann, ist abhängig von
dem Ort der Beschichtung. Beim Auftragen auf eine Windschutzscheibe
beispielsweise muss die Beschichtung im Wesentlichen klar sein,
so dass die Sicht des Fahrzeugführers
nicht durch die Beschichtung beeinträchtigt wird. Üblicherweise
wird eine Dicke von bis zu ca. 1 μm
auf einem Fenster oder einer Windschutzscheibe verwendet, wobei
ca. 0,25 μm
bis ca. 3,0 μm
akzeptabel sind. Beschichtungen auf Substraten, deren Transparenz
für sichtbares
Licht nicht relevant ist, z. B. Systeme zum Entfernen organischer
Schadstoffe in Heizungs- oder Lüftungskanälen, können bis
zu oder größer als
ca. 10 μm
sein, wobei ca. 2,0 μm
bis ca. 5,0 μm
bevorzugt sind. In solchen Fällen
ist die Beschichtungsdicke ein Faktor der Oxidationsrate und möglicher
Gewichtseinschränkungen.
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Verwendung des beschichteten Substrats bei
der Oxidation organischer Schadstoffe weist auf das Aktivieren des
fotokatalytischen Halbleiters durch Beleuchtung mit Licht mit einer
Wellenlänge
in derselben Bandlücke
wie der fotokatalytische Halbleiter. Beleuchtung des fotokatalytischen
Halbleiters kann beispielsweise durch atmosphärisches UV oder die Verwendung
einer UV-Quelle
wie z. B. einer Lampe, Laser oder ähnlichen Vorrichtung mit einer
Wellenlänge
innerhalb der Bandlücke
des fotokatalytischen Halbleiters erreicht werden. Da UV unterhalb ca.
200 nm die Bildung von Ozon begünstigt,
ist für TiO2 die UV-Wellenlänge von ca. 200 nm bis ca.
400 nm bevorzugt, wobei ca. 220 nm bis ca. 360 nm bevorzugt und
ca. 300 nm bis ca. 360 nm besonders bevorzugt ist (siehe 1). Die Effizienz der Verwendung
der UV-Quelle kann durch die Verwendung einer reflektiven Einrichtung
verbessert werden, welche gestreutes UV zurück auf die Beschichtung reflektiert.
Mögliche
reflektive Einrichtungen schließen polierte
Aluminiumflächen
und jegliche verspiegelte Flächen,
u. a., ein.
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Nach Kontakt zwischen der beleuchteten
fotokatalytischen Halbleiterbeschichtung und den organischen Schadstoffen.
oxidieren Hydroxylradikale, welche durch Dissoziation von Wasser,
das aus dem Strom organischer Schadstoffe oder aus anderer Quelle
auf dem fotokatalytischen Halbleiter adsorbiert wurde, gebildet
werden, die organischen Schadstoffe bis zu Kohlendioxid, Wasser
und geringen Mengen anderer Nebenprodukte.
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Im Zeitablauf können organische Schadstoffe
und Produkte davon sich auf der Oberfläche des fotokatalytischen Halbleiters
ablagern und dadurch dessen Effizienz verringern. Dessen Regeneration wird
jedoch leicht erreicht durch Vermindern oder Beenden des Kontakts
mit dem organischen Schadstoff bei weiterer Beleuchtung des fotokatalytischen
Halbleiters für
eine ausreichende Zeitspanne, um jegliche restliche organische Schadstoffe
darauf zu oxidieren. Regeneration kann auch erreicht werden durch
Erwärmen
des fotokatalytischen Halbleiters, d. h. auf zwischen ca. 100 bis
500°C für eine Zeitspanne
von ca. 1,5 h und/oder Spülen
des fotokatalytischen Halbleiters mit einer schwach sauren Lösung; d.
h. eine Essig- und Wasserlösung.
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1 und 2, welche exemplarisch gemeint sind,
nicht einschränkend,
zeigen zwei mögliche Ausführungsformen,
welche nicht Teil der Erfindung bilden. 1 illustriert die Verwendung der vorliegenden
Erfindung in einem Auto 9, wo UV-Licht von natürlichen
Quellen 11 und von einer UV-Lampe 1 sowohl direkt
als auch indirekt durch Verwendung einer reflektiven Oberfläche 3,
eine TiO2-Beschichtung 7 beleuchten,
welche sich auf der inneren Fläche
der Windschutzscheibe 5 befindet. Die beleuchtete TiO2-Beschichtung 7 oxidiert organische
Schadstoffe, welche auf der Windschutzscheibe 5 kondensiert sind,
wie z. B. Phthalate, Brandhemmer und Öle aus den Polsterungen und
dem Armaturenbrett, und Schwefelwasserstoff, Methyl-Ethylketon,
1,3-Butadien, Toluol und Aceton, welche von von externen Quellen
in das Auto durch das Belüftungssystem und/oder
die Fenster gesogen werden.
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In 2 werden
organische Schadstoffe in einem Zimmer 21, die auf der
inneren Fläche
eines Fensters 23 kondensiert sind, durch eine darauf befindliche
TiO2-Beschichtung 25 oxidiert.
UV von natürlichen
Quellen 31 und von einer UV-Lampe 27 beleuchten
und aktivieren damit die TiO2-Beschichtung 25 mit
Hilfe einer reflektiven Oberfläche 29,
so dass das TiO2 die organischen Schadstoffe
darauf oxidiert.
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Gemäß der Erfindung werden organische Schadstoffe
von geschlossenen Umgebungen entfernt, wie z. B. innerhalb von Fahrzeugen,
Luftfahrzeugen, Raumfahrzeugen und Unterseebooten, durch Verwenden
von deren Belüftungssystem.
Zum Beispiel können
Substrate, wie z. B. Laufschaufeln in Käfiggebläsen, innerhalb des Belüftungssystems
mit dem fotokatalytischen Halbleiter beschichtet werden. Die Beschichtung
kann dann durch eine UV-Quelle beleuchtet werden, die innerhalb
des Systems ähnlich
lokalisiert ist. In einer solchen Ausführungsform würden die
Schaufeln Luft durch das Gebläse
bewegen, die Beschichtung auf den Schaufeln würde Wasser und organische Schadstoffe
in der Luft adsorbieren und die organischen Schadstoffe mit Hydroxylradikalen
oxidieren, welche durch die Dissoziation von Wassermolekülen auf
der beleuchteten fotokatalytischen Halbleiterbeschichtung gebildet
werden.
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Das folgende Beispiel verdeutlicht
die vorliegende Endung, ohne ihren weiten Umfang einzuschränken.
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Beispiel
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Das folgende Beispiel wurde verwendet,
um Glass mit einer 1 μm-Beschichtung
von TiO2 zu beschichten.
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In einem Drei-Hals-Destillationskolben
wurden 275 cm3 Wasser mit 4 cm3 Salpetersäure gemischt.
Unter starkem Rühren
wurde eine Mischung von 50 cm3 TTIP und
8 cm3 Isopropylalkohol langsam durch Verwendung
eines Tropftrichters hinzu gefügt. Mit
Hilfe eine Rückflusskühlers, welcher
jeglichen erzeugten Wasserdampf zurückhält und zurückführt, wurde die resultierende
Lösung
dann für
ca. 12 h auf 80° unter
kontinuierlichem Rühren
erwärmt,
um ein Gel zu bilden. Das abgekühlte
Gel wurde anschließend
eine Stunde lang mit Ultraschall behandelt.
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Währenddessen
wurde das Substrat mit Wasser und ALCONOX® gewaschen
und anschließend
in CHROMERGETM, Chromschwefelsäurelösung, für 2 h bei
60°C eingetaucht.
Das gereinigte Substrat wurde dann mit bidestilliertem Wasser, gefolgt
von Aceton, gespült
und in einem Vakuumofen für
eine Stunde getrocknet.
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Das gereinigte Substrat wurde anschließend dem
Gel durch Rotationsbeschichtung beschichtet und mit einer Rate von
2 bis 3°C/min
erwärmt
auf eine Temperatur von 400°C
für 1 h,
um das Gel zu einer dünnen,
durchsichtigen, adhärenten
Anataskeramik zu entwässern.
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Die Beschichtung, die unter Verwendung
des o. g. Verfahrens hergestellt wurde, wurde getestet unter Verwendung
von Tests ähnlich
der Standard-Militärspezifikation
MIL-C-675C, um ihre Beständigkeit
festzustellen. Die Beschichtung bestand sowohl den Adhäsionstest
als auch den Test des moderaten Abreibens.
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Die Vorteile der vorliegenden Endung
schließen
ein: die Fähigkeit,
UV zu verwenden, um den fotokatalytischen Halbleiter beim Entfernen
organischer Schadstoffe aus Gebäuden
und dem Inneren von Fahrzeugen zu aktivieren, der verringerte Energieverbrauch
gegenüber
Filtersystemen aus dem Stand der Technik, wie z. B. Kohlenstoffbett-Vorrichtungen,
und die Größe und Einfachheit
des Systems. Die Beschichtung der vorliegenden Erfindung ist ausreichend
adhärent,
um allem Kontakt (d. h. menschlichem Kontakt) standzuhalten, und
ausreichend optisch klar, so dass eine Beschichtung einer Windschutzscheibe
z. B. keine Verringerung der optischen Sicht durch die Windschutzscheibe
zur Folge hat; die Beschichtung ist klar.