بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، لایههای TiO2 با استفاده از دو سل متفاوت دیاکسیدتیتانیوم و به روش افشانه داغ بر زیرلایه شیشه ساخته شدند. همچنین به منظور بهینهسازی خاصیت خودتمیزشوندگی اقدام به ساخت سل SiO2 و انباشت دولایهای TiO2/SiO2 روی شیشه کردیم. نتایج آنالیز فوتوکاتالیستی نمونههای دولایهای به دست آمده از هر دو سل TiO2 تحت نور ماورای بنفش، تجزیه کامل آلودگی را نشان دادند در صورتی که نمونههای تکلایهای قادر به تجزیه کامل آلودگی نبودند. نتایج آبدوستی لایهها نشان داد ایجاد لایه بافر زاویه اولیه تماس را در نمونههای دولایهای کاهش داده و نرخ آبدوستی را بهبود داده است. بررسی تصاویر میکروسکوپ نیروی اتمی نشان داد که مورفولوژی سطح تأثیر قابل ملاحظهای در خاصیت آبدوستی لایه نازک دیاکسیدتیتانیوم دارد.
مقدمه
امروزه از شیشه به عنوان یکی از پرکاربردترین مواد در صنعت استفاده میشود که مهمترین موارد کاربرد آن در نمای ساختمانها،
وسایل نقلیه، ساخت پروژکتورها و غیره است. در عمل تمیز کردن سطوح مصالح ساختمانی مانند شیشه و کاشی با مشکلات متعددی
از قبیل مصرف مقادیر زیاد انرژی و مواد شوینده و به تبع آن هزینههای زیاد همراه است. در سال 2001، شیشههای پیلکینگتون اولین دسته از پوششهای خودتمیزشونده بودند که به صورت
تجاری مورد استفاده قرار گرفتند. پوشش نانومتری دی-اکسیدتیتانیوم بر سطح شیشه با دو سازوکار فوتوکاتالیستی و آب-
دوستی باعث ایجاد خاصیت خودتمیزشوندگی میگردد. شیشه
سودالایم یکی از معروفترین شیشههایی است که در مقیاس صنعتی استفاده میشود. در مواد تشکیل دهنده شیشه اکسیدسدیم - Na2O -
وجود دارد که مقدار این ماده در شیشه سودالایم به نسبت شیشه-
های دیگر بیشتر است. طی تحقیقات صورت گرفته نفوذ یونهای سدیم به داخل لایه TiO2 طی عملیات حرارتی، خواص دی-
اکسیدتیتانیوم را کاهش میدهد. اثرات نفوذ یون سدیم در داخل
لایهنازک دیاکسیدتیتانیوم - ضخامت لایه کمتر از - 300nm در
مقایسه با لایههای ضخیمتر - کمتر از - 1200nm بارزتر است و
شامل: الف - یون سدیم در داخل لایه TiO2 میتواند به عنوان
مراکز بازترکیب الکترون-حفره عمل کند [1]از. آنجا که فعالیّت
فوتوکاتالیستی به واسطه ایجاد زوج الکترون - حفره صورت می-
گیرد، طول عمر آنها نقش حیاتی در واکنشهای اکسایش و
کاهش دارد. ب - افزایش دمای تشکیل ساختار آناتیس 1]و.[2 ج -
تشکیل ساختارهایی مانند Na2OxTiO2 میدهد .[1] د - جذب CO2 موجود در هوا و افزایش کربن موجود در لایه .[1] ه - ایجاد
فاز بروکایت .[2]
روشهای مختلفی به منظور جلوگیری از این اثرات مضر گزارش
شده است شامل: بهبوددهی زیرلایه با اسید هیدروکلریک، بهبوددهی لایههای دیاکسیدتیتانیوم با اسیدهیدروکلریک [3] و
ایجاد لایه بافر SiO2 بین زیرلایه و لایه .[4] TiO2 روشی که در صنعت به کار گرفته میشود استفاده از لایه بافر است. لایه نازک
SiO2 پوشش ضد بازتاب است و خواص عالی در مقاومت به
خوردگی و مقاومت به اکسیداسیون دارد.
انجام آزمایش
در این پژوهش نمونههای تک لایهای TiO2/Glass و دولایهای TiO2/SiO2/Glass ساخته شدند. ابتدا به ساخت سل SiO2 - جدول - 1 و به دست آوردن میزان سل بهینه و شرایط لایه نشانی مناسب جهت ایجاد آن بر زیرلایه شیشه پرداختیم. مهمترین عامل چسبندگی لایه SiO2 به شیشه بود که با افزایش دمای لایه نشانی و کاهش فاصله نازل تا زیرلایه حاصل شد. برای ساخت پوشش دولایهای بر زیرلایه شیشه، ابتدا سل SiO2 به روش افشانه داغ روی زیرلایه شیشه که به دمای 400 درجه سانتیگراد رسیده است اسپری میکنیم پس از اینکه لایه سرد شد و به دمای اتاق رسید آن را در داخل کوره با نرخ 5 درجه بر دقیقه تا دمای 500 درجه سانتیگراد به مدت نیم ساعت بازپخت میکنیم. پس از سرد شدن لایه و تکمیل لایه SiO2 روی شیشه، لایه را تا دمای 400 درجه سانتیگراد گرم کرده و سل TiO2 را روی آن اسپری میکنیم. سپس
بازپخت نهایی لایه را در 4 مرحله انجام میدهیم الف - گرم کردن
تا دمای 300 درجه سانتیگراد با نرخ 20 درجه بر دقیقه ب -
بازپخت در دمای 300 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت ج - گرم کردن تا دمای 450 درجه سانتیگراد با نرخ 10 درجه بر دقیقه و د - بازپخت در دمای 450 درجه به مدت 1 ساعت. برای بررسی اثر
لایه بافر از دو نوع سل متفاوت TiO2 استفاده نمودیم. سل اول
- Tt - از تتراکلریدتیتانیوم - TiCl4 - به عنوان پیشماده حاوی Ti و
از الکل به عنوان حلال جهت تولید آلکوکسید مورد نیاز برای
هیدرولیز و تهیه TiO2 استفاده نمودیم، سل دوم - Tc - سل پایدار
با ساختارکریستالی آناتیس بود که به صورت آماده تهیه شد. به منظور بررسی اثر ضخامت لایه در جلوگیری از نفوذ ناخالصیها،
لایهها با سل Tt را با 2 ضخامت مختلف لایهنشانی کردیم. برای
تمیزکردن سطح زیرلایه، ابتدا زیرلایه با موادشوینده رقیق شسته
شد سپس در دستگاه فراصوت به مدت 15 دقیقه در الکل و 15 دقیقه در استون قرار داده شد.
نتایج
پس از ساخت سل SiO2، مقداری از آن را به صورت پودر درآورده و آنالیز FTIR انجام دادیم. طیف حاصل نشان دهنده عبور مولکولی است و اثر مولکولی نمونه را نشان میدهد. طیف حاصل در شکل - 1 - نشان داده شده است.
چندین پیک مشخص در محدوده 400 cm-1 تا 4000 cm-1 در
شکل وجود دارد. شکل - 1 - قله جذبی شدیدی را در1990 cm-1
در طیف عبوری نشان میدهد. مطابق با مرجع [5] مربوط به
ارتعاشات نامتقارن Si-O-Si است که حضور شبکه سیلیکا را نشان میدهد.
شکل :1 آنالیز FTIR نمونه پودر دیاکسیدسیلیسیم
برای بررسی خاصیت فوتوکاتالیستی، لایهها را با روش غوطه وری
به محلول 0/02 مولار اسید استئاریک آغشته نموده و توسط
آزمایش زاویهسنجی تجزیه آن را مشاهده کردیم. θ0 زاویه قطره
آب با سطح قبل از آلودگی و θ زاویه قطره آب بعد از آلودگی
است. نتایج در شکل 2 نشان داده شده است.
مطابق شکل 2 تک لایه SiO2 و زیرلایه شیشه در مدت زمان تابش تحت ماورای بنفش قادر به تجزیه آلودگی نمیباشند. همان طور که نتایج نشان میدهد نمونههایی که دارای لایه بافر هستند
Tc/S/G - و Tt2/S/G و - Tt1/S/G در طی تابش توانستند آلودگی را به طور کامل تجزیه کنند. در لایههای بدون بافر که ضخامتی کمتر
از 300nm داشتند تجزیه کامل آلودگی مشاهده نشد تنها لایه
Tt2/G که ضخامتی برابر با 800 نانومتر داشت این امر مشاهده
شد. همچنین در نمونههای دارای لایه بافر سرعت تجزیه آلودگی افزایش یافته است.
برای بررسی مورفولوژی سطح و اندازهگیری زبری لایهها آنالیز
میکروسکوپ نیروی اتمی - AFM - گرفته شد. اندازه دانه میانگین
و زبری سطح با استفاده از نرمافزار NOVA بدست آمده است. با
مقایسه اندازه دانه میانگین در نمونههای دولایهای و تک لایهای هر
دو نمونه سل TiO2 مشخص است که اندازه دانه میانگین در نمونههای دارای لایه بافر کاهش یافته است بنابراین مساحت سطح
ویژه افزایش مییابد و درنتیجه نرخ تجزیه آلودگی نیز افزایش می-
یابد .[6]
شکل:3 نمودار زبری میانگین و اندازه دانه میانگین لایهها
میتوان گفت لایه بافر با تغییر مورفولوژی سطح لایه دی-
اکسیدتیتانیوم تأثیر به سزایی در افزایش فوتوکاتالیستی لایه TiO2
داشته است. همچنین اندازه دانه میانگین نمونه Tt در مقایسه با نمونه Tc کوچکتر است و همین عامل باعث عملکرد بهتر در تجزیه آلودگی شده است. با افزایش ضخامت لایه دیاکسیدتیتانیوم زبری افزایش یافته است.
شکل:4 تصاویر AFM نمونه تک لایه - Tt1/G - در سمت چپ و نمونه دولایه - Tt1/S/G - در سمت راست
خاصیت آبدوستی نمونهها با استفاده از آزمایش زاوبه سنجی قطره
شکل :2 بررسی خاصیت فوتوکاتالیستی لایهها آب انجام شد.آزمایش تحت تابش نور ماورای بنفش با شدّت
