一种用于在管腔内壁喷涂TiO2纳米涂层的装置

摘要

本发明公开一种用于在管腔内壁喷涂TiO2纳米涂层的装置，包括介质阻挡放电等离子体发生器、钛源、电动机、高压电源，其特征是介质阻挡放电等离子体发生器的介质为可塑形的中空电介质管，并根据需镀膜管腔的管径及弯曲程度进行设计。等离子体发生器可伸入管腔内部并激发产生高电子密度的荆棘状低温等离子体，使得钛源与工作气体充分作用并喷涂于管腔内壁，得到具有自清洁功能的二氧化钛纳米涂层。使用本装置喷涂TiO2纳米涂层，克服了传统方法只能在平面基底上镀膜的缺点。此外，该装置能够高效镀膜，操作简单、成本低，同时臭氧浓度极低，避免了对基底材料的腐蚀和对环境的污染。

说明书

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种用于在管腔内壁喷涂TiO₂纳米涂层的装置。

背景技术

二氧化钛(TiO₂)是一种备受关注的光催化材料，具有优良的化学稳定性和催化活性。 TiO₂纳米涂层在环境污染治理、光催化自清洁、太阳能电池等领域有着重要的应用前景，已 成为国内外竞相研究的热点之一。TiO₂具有3种晶型，其中锐钛矿晶型的二氧化钛具有光催 化自清洁能力。锐钛矿相TiO₂在紫外光辐照下能够产生电子-空穴对，再与吸附在TiO₂材料 表面的H₂O和O₂发生氧化还原反应生成羟基自由基，羟基自由基活性很高，可分解有机污 染物，实现表面自清洁。

制备光催化TiO₂涂层的方法很多，主要有溶胶凝胶法、水热合成法、涂敷法、电泳合成 法、阳极氧化法、阴极电沉积法、磁控溅射法、固相合成法、等离子体气相沉积法等。传统 方法主要有以下不足：(1)限制基底材料的形状。传统方法只能在平面基底上镀膜，无法伸 入管腔基底材料内部。在管腔内壁喷涂二氧化钛膜具有广阔的应用前景，而传统方法无法实 现；(2)传统低温等离子体发生器，电子密度较低(约为10¹⁰～10¹³/cm³)，而且会产生大 量臭氧，臭氧具有毒性，接触高浓度的臭氧会使人出现头疼及呼吸器官局部麻痹等症状，甚 至会引发永久性心脏障碍；此外，臭氧对大多数材料都具有腐蚀性，例如，铝、锌、铅与臭 氧接触会被强烈氧化，聚氯乙烯塑料接触臭氧会导致疏松、开裂和穿孔。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术制备纳米TiO₂薄膜存在的不足，提供一种用于在管 腔内壁喷涂TiO₂纳米涂层的装置。

本发明的技术方案如下：

一种用于在管腔内壁喷涂TiO₂纳米涂层的装置，包括介质阻挡放电等离子体发生器、钛 源、电动机、高压电源，介质阻挡放电等离子体发生器的介质为可塑形的中空电介质管，并 可根据需镀膜管腔的管径及弯曲程度进行设计。中空电介质管可塑造为V形、S形等多种形 状，以适应不同形状的管腔材料，并伸入管腔内部在其内壁进行二氧化钛薄膜的喷涂。

具体步骤如下：

将等离子体发生器3伸入管腔1内部，使用氮气或氩气作为载气携带钛源与工作气体混 合并通入进气口4，高压极和地极接通交流电源，在接通电源后，等离子体射流6经微孔阵 列2喷出。由于在等离子体发生器侧壁设有微孔阵列2，等离子体射流6可呈荆棘状均匀得 喷向四周，并在管腔内壁得到二氧化钛纳米涂层；当待镀膜管腔为圆柱状时，在镀膜的同时 接通电动机5的电源，电动机5驱动等离子体发生器3在管腔1内旋转，进一步提高镀膜的 均匀性。

低温等离子体发生器放电电压为3～15KV，电流0.5～4mA，工作气体可选自空气、氮气、 氧气、氦气、氩气和氖气中任意一种或多种，气流流速为10～40L/min；钛源可选自四氯化钛 或四异丙醇钛，流速为10～50sccm。

低温等离子体射流温度不高于100℃，等离子体电子密度不低于10¹⁵/cm³，本发明对许多 耐热性较差的管腔材料仍然适用。

本发明在管腔内壁喷涂的TiO₂薄膜为锐钛矿晶型，具有光催化自清洁能力。

本发明的效果和益处是提供一种用于在管腔内壁喷涂TiO₂纳米涂层的装置，克服了传统 方法只能在平面基底上镀膜的缺点。其不仅可以伸入管腔内部喷涂TiO₂纳米涂层，而且对管 腔的弯曲程度没有限制。同时，该装置臭氧浓度极低，小于0.1ppm，对材料无腐蚀，对环境 无污染。

附图说明

图1为在圆柱状管腔内壁喷涂TiO₂示意图。图中：1圆柱状管腔，2低温等离子体微孔 阵列，3中空结构的介质阻挡放电等离子体发生器，4进气口，5电动机，6荆棘状等离子体；

图2为在V形管腔内壁喷涂TiO₂示意图。图中：7中空结构的介质阻挡放电等离子体发 生器，8V形管腔，9进气口；

图3为在S形管腔内壁喷涂TiO₂示意图。图中：10中空结构的介质阻挡放电等离子体 发生器，11S形管腔，12进气口；

图4为实施例1所喷涂TiO₂纳米涂层的X射线衍射图谱；

图5为实施例1-3和对比例1的接触角测试结果。图中：(a)实施例1，(b)实施例2 (c)实施例3，(d)对比例1。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明做进一步说明，以便更好地理解本发明，但本发明并不局限 于此。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、 材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1：向大气压低温等离子体发生器的进气口4中通入氩气和氧气(氧气体积分数 为20％)，流速40L/min。接通等离子体高压电源，放电电压10KV，放电电流1mA，激发 产生荆棘状等离子体射流6。使用氮气作为载气将四氯化钛引入进气口4，气流流速为40 sccm。将低温等离子体发生器3伸入圆柱状石英管腔1内部(图1)，并开动电动机5驱动 等离子体发生器3旋转。喷涂10分钟后，在圆柱状石英管腔内表面得到TiO₂薄膜。

在上述条件下所获得的是锐钛矿相的纳米晶TiO₂薄膜(图4)。

将上述喷涂得到的TiO₂纳米涂层，依据光催化自清洁材料性能测试方法(GB/T 23764-2009)进行测试。使用提拉法以60cm/min的上升速度在纳米涂层表面涂覆油酸正庚烷 溶液(油酸：正庚烷＝1:199)，随后使用紫外灯照射样品表面，光照强度1mW/cm²。接触角 测试结果如附图5(a)所示，6小时后，样品接触角降为5°，表明所喷涂TiO₂纳米涂层具 有良好的自清洁效果。

实施例2：实施例2与实施例1的不同之处在于，待镀膜管腔为V形的铝管，等离子体 介质为V形聚四氟乙烯管(图2)。

将上述喷涂得到的TiO₂纳米涂层，依据光催化自清洁材料性能测试方法(GB/T 23764-2009)进行测试。使用提拉法以60cm/min的上升速度在纳米涂层表面涂覆油酸正庚烷 溶液(油酸：正庚烷＝1:199)，干燥后使用紫外灯照射样品表面，光照强度1mW/cm²。接触 角测试结果如附图5(b)所示，6小时后，样品接触角降为5°，表明所喷涂TiO₂纳米涂层 具有良好的自清洁效果。

实施例3：实施例3与实施例1的不同之处在于，待镀膜管腔为S形的PVC管，等离子 体介质为S形聚四氟乙烯管(图3)。

将上述喷涂得到的TiO₂纳米涂层，依据光催化自清洁材料性能测试方法(GB/T 23764-2009)进行测试。使用提拉法以60cm/min的上升速度在纳米涂层表面涂覆油酸正庚烷 溶液(油酸：正庚烷＝1:199)，干燥后使用紫外灯照射样品表面，光照强度1mW/cm²。接触 角测试结果如附图5(c)所示，6小时后，样品接触角降为5°，表明所喷涂TiO₂纳米涂层 具有良好的自清洁效果。

对比例1：使用圆柱状石英管腔，依据光催化自清洁材料性能测试方法(GB/T23764-2009) 进行测试。使用提拉法以60cm/min的上升速度在纳米涂层表面涂覆油酸正庚烷溶液(油酸： 正庚烷＝1:199)，干燥后使用紫外光照射样品表面，光照强度1mW/cm²。接触角测试结果如 附图5(d)所示，6小时内样品接触角无明显变化，表明石英管腔无光催化自清洁能力。