TiO2薄膜陶瓷砖的制备及其亲水性能研究

材料的光催化活性的影响。李霞等[12]采用溶胶-凝胶工艺在普通釉面砖表面制备出均匀的TiO2涂层，并研究了热处理制度对涂层结构的影响。

本项目以钛酸丁酯-乙醇-水为体系，采用溶胶-凝胶法制备了稳定分散的纳米TiO2溶胶。然后，以普通陶瓷釉面砖为基体，采用直接涂覆的方法制备了纳米TiO2薄膜。借助多种测试方法对其进行表征，如综合热分析（TG-DSC）、X射线衍射分析（XRD）、原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微电镜（SEM）等，重点探讨了薄膜的亲水性能及其影响因素。

2实验材料及方法

本实验选用乙醇、二乙醇胺、佛山某厂釉面砖、钛酸丁酯、二乙醇胺等为材料，其中乙醇为溶剂，二乙醇胺为络合溶剂。

首先，将瓷砖切割成小块，经超声波清洗5 min后作为基体材料备用。然后，将钛酸丁酯与二乙醇胺按照2：1比例混溶，加冰醋酸调节pH制得TiO2溶胶；最后用无尘纸将TiO2溶胶直接涂覆到瓷砖表面，将涂覆好的瓷砖放入100℃烘箱中烘干，在不同温度下热处理，即可得到TiO2薄膜陶瓷砖，重复上述操作即可得到不同厚度的薄膜。

实验流程为：基体准备——制备溶胶——溶胶涂覆——烘干及热处理。

3实验结果及讨论

3.1光照条件对TiO2薄膜亲水性能的影响

TiO2薄膜陶瓷砖表面的亲水性能通过水与表面的接触角来衡量，接触较越小，薄膜对水的润湿性能越好，砖表面的亲水能力就越强。

图1为陶瓷砖表面有和无TiO2薄膜时水在表面的接触角，由图中可以看出，在无光照条件下，水与无膜的地陶瓷砖的接触角约为64.2°，而在涂覆有TiO2薄膜的陶瓷砖表面接触角则降为46.1°，这说明TiO2薄膜可以有效改善瓷砖表面的亲水性。

图2为表面涂覆有TiO2薄膜的陶瓷砖，分别在无光照、自然光照及紫外灯光照60min与水的接触角情况。其中，自然光照射时接触角约为35.6°，而紫外光照射的接触角则为15.4°。这说明紫外光照射的效果要优于自然光。这是因为紫外光的光子能量更大，数量更多，更容易形成电子-空穴对，从而吸附更多的水分子，形成更多的表面羟基，表面表现出亲水性。

图3为涂覆了TiO2薄膜的陶瓷接触角随紫外光照射时间的变化情况，由图中可以看出，当开始光照时，接触角迅速下降，当光照180 min时接触角降至最低。这是由于薄膜表面存在大量疏水的桥氧结构，而紫外光的照射使薄膜的结构很快发生变化，表现出很强的亲水性。

3.2热处理温度对TiO2薄膜亲水性的影响

图4为TiO2薄膜在不同热处理、不同紫外光照时间下的接触角变化情况。由图像可以看出，300℃以下，薄膜与水的接触角维持在50°左右；当温度达到300℃以上时，接触角随温度上升呈下降趋势，并且在600℃达到最小，随着温度继续升高，接触角随温度升高开始增加。

产生上述现象是由于TiO2的晶体结构变化，图5为不同温度下TiO2的衍射图谱，由图中可以看出，温度低于300℃时，TiO2处于非晶态，且其中的有机成分还没有完全除去，难以显示超亲水性。400℃时，开始出現锐钛矿相，且随温度升高，锐钛矿结晶度增加，因此，亲水性能也在增加。而温度上升到600℃后，开始出现金红石相，锐钛矿相含量下降，到700℃完全消失，因此温度高于600℃时接触角随温度升高而增加。

3.3 TiO2薄膜涂覆层数对亲水性能的影响

图6为热处理600℃的不同涂覆次数的样品与水接触角的关系，由图中可以看出，接触角在不同涂覆次数时相差不大，在涂覆次数为5次时达到最大，此时薄膜厚度为514 nm。

4结论

（1）TiO2薄膜可以有效改善瓷砖表面的亲水性，紫外光照射的效果要优于自然光，并且在紫外光照射180 min时接触角降至最低，这主要与光的波长和能量有关。

（2）TiO2薄膜的接触角随着热处理温度的升高先减小后增大，并且在热处理600℃时达到最小。由XRD分析可知，600℃时金红石相与锐钛矿相两相共存，从而使薄膜表现出良好的亲水性。

（3）接触角在不同涂覆次数时相差不大，在涂覆五次时接触角最小，约为3°，此时厚度约为514 nm。

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