СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТЕКОЛ С ПОКРЫТИЯМИ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ТИТАНА
METHOD OF PRODUCING GLASS WITH TITANIUM DIOXIDE BASED COATING

1. Объект техники
Изобретение относится к стекольной промышленности и может быть использовано для получения фотокаталитически активного и солнцезащитного покрытия на основе диоксида титана.
2. Уровень техники
Стекла с тонкопленочными покрытиями на основе диоксида титана используются в качестве высокопрозрачных солнцезащитных покрытий, а в последнее время - в качестве фотокаталитически активных покрытий, придающих стеклу такое свойство, как способность к самоочищению путем окисления органической грязи на поверхности стекла.
Фотокаталитическая активность пленок диоксида титана возникает вследствие фотоэлектрической генерации в покрытии пары электрон-дырка, когда покрытие освещают световым излучением определенной длиной волны и энергией не менее 3,2 эВ. Пара электрон-дырка - достаточно подвижные образования и, двигаясь в частице полупроводника, выходят частично на поверхность покрытия, образуя во влажном воздухе на поверхности оксида чрезвычайно реакционно-способные радикалы, которые обладают окислительными свойствами и окисляют органические загрязнения до углекислого газа и воды, что способствует очищению поверхности стекла.
2
Установлено, что на получение TiO покрытий с фотокаталитическим эффектом влияют такие факторы, как температура нанесения покрытия (500-700°C), степень кристалличности пленки.
Покрытия могут наноситься с использованием различных технологий, таких как пиролитические методы, способы химического осаждения пленкообразующих растворов, паровой фазы, золь-гель метод, магнетронное напыление в вакууме.
Помимо фотокаталитических свойств пленочное покрытие должно быть адгезионнопрочным, твердым и коррозионно-стойким, так как устанавливается в остеклении пленкой наружу. Покрытия наносят однослойные, многослойные. В многослойных покрытиях первый к стеклу слой является блокирующим, предотвращающим диффузию ионов натрия в покрытие и его помутнение.
2
2
2
Так, в патенте РФ №2269495, МПК COЗ C 17/245 предлагается получать прочное самоочищающееся покрытие на стекле путем контактирования поверхности горячего стекла с пленкообразующими реагентами, содержащими хлорид титана, источник кислорода и предшественник - соединения олова или кремния. В соответствии с данным способом на поверхности стекла наносят 2-слойное покрытие. 1-й к стеклу слой состоит из SnO или SiO и является блокирующим слоем, предотвращающим диффузию ионов Na из стекла в пленочное покрытие. 2-й слой - TiO покрытие.
2
2
2
Недостатками данного способа является то, что реагенты, из которых образуются оксидные покрытия, являются экологически небезопасными и требуют специального оборудования для нанесения пленок и удаления газообразных продуктов реакции из зоны нанесения покрытия. Кроме того, последовательное нанесение 2-го функционального слоя на предварительно нанесенный подслой SiO или SnOможет вызвать некоторое снижение температуры в зоне пленкообразования и формирование покрытия TiO с меньшей степенью кристалличности.
2
2
2
2
Известен способ осаждения покрытия на основе диоксида титана по патенту РФ №2351688, МПК C03 C 17/245, C23C 16/40, в соответствии с которым нагретая поверхность стекла (610-720°C) контактирует с органическим соединением титана и органическим соединением - поставщиком кислорода для формирования TiO покрытия в предпочтительном варианте непосредственно на ленте стекла. Это позволяет формировать плотное покрытие TiO толщиной 10-40 нм, которое предотвращает диффузию ионов Na в функциональный слой за счет плотности покрытия. Отличительным свойством TiO пленок, сформированных в процессе разложения органических соединений титана, называют также его кристаллическую структуру, что и способствует повышению каталитической активности данных покрытий. Недостатком предлагаемого способа является наличие остаточного углерода в покрытии TiO, образующегося при термолизе органических соединений титана на ленте стекла и ухудшающего внешний вид стекол.
+3
+3
2
4
9
4
3
3
4
2
2
2
Известен способ получения самоочищающегося стекла с пленочным покрытием Fe - TiO, получаемым золь-гель способом из растворов органических производных титана - Ti(OCH), содержащих FeCl. Для формирования фотокаталитически активного покрытия предлагается нанесение 9-ти слоев покрытия, состоящего из частиц FeO и TiO. Наилучшая фотокаталитическая активность была получена при молярном соотношении Fe:TiO=0,005. Недостатком данного способа является многоцикличность процесса (Lu An-Xian, Lin Na Xue, Tan Chang-you. Self-cleaning glass coated with Fe - Ti0 thin film. // J. Cent. S. Univ. Technol. - 2004. - 11. - №2. - C.124-127).
При использовании вакуумных способов получения фотокаталитически активных покрытий для повышения их кристалличности и формирования более плотных покрытий часто используют дополнительный термонагрев полученных пленочных стекол.
2
2
Наиболее близким к предполагаемому изобретению является вакуумный способ нанесения TiO покрытия (Tavares C.J., Viera J., Rebounta L., Hungerford G., Coutinho, Teixeira V., Cameiro J.O., Fernndes A.J. Reactive sputtering deposition of photocatalytic TiO thin films on glass substrates. // Materials Science and Engineering - 2007. - B138. - С.139-143).
Покрытия получают методом реактивно-катодного нанесения с использованием мишени из высокочистого титана в атмосфере аргона/кислорода. Температура подложки стекла во время нанесения составляет ~200° С. Полученные таким образом пленки имели толщину около 500 нм, были аморфными и имели низкую фотокаталитическую активность.
2
Для повышения каталитической активности стекла, с нанесенными вакуумными покрытиями, подвергали нагреву в течение 2 часов. В процессе нагрева происходит формирование кристаллической структуры, что способствует увеличению фотоактивности поверхности тонких пленок ТiO.
2
Недостатком указанного метода является низкая скорость реактивного напыления диоксидов титана вакуумными методами и длительность термообработки пленок TiO.
3. Раскрытие изобретения
2
2
Технической задачей предполагаемого изобретения является разработка способа получения покрытий на основе ТiO с улучшенными функциональными и эксплуатационными свойствами путем формирования плотной кристаллической пленки TiO, содержащей примесные ионы.
2
Поставленная задача достигается путем нагрева и окисления предварительно нанесенных на стекло вакуумным способом промежуточного слоя или слоев элементов ряда: Ni, Co, Fe, Cr, Sb, Sn, V, Mn, Cu, W, In, Nb, Zn, N, Si и титаносодержащего слоя в воздушной среде при температуре 500-700°С, преимущественно 570-650°С, что способствует диффузии примесных ионов указанных элементов из промежуточного слоя или слоев в титансодержащий слой и позволяет усилить функциональные и эксплуатационные свойства ТiO покрытия.
2
2
2
+4
Преимуществами заявляемого способа перед прототипом являются следующие. Использование исходных стекол с металлическими вакуумными покрытиями обеспечивает более технологический и быстрый процесс их получения по сравнению с получением оксидных слоев в процессе вакуумного напыления. Кроме того, высокотемпературный нагрев и одновременно окисление функционального титанового или титансодержащего слоя и промежуточных слоев в воздушной среде создают благоприятные условия для формирования TiO покрытий с плотной кристаллической структурой, содержащих за счет диффузии примесные ионы, распределенные в пленке. Плотная кристаллическая структура пленки, как установлено, способствует формированию адгезионнопрочных покрытий с высокими оптическими и фотокаталитическими характеристиками. Введение примесных ионов способствует усилению их функциональных свойств. Так, при введении в состав TiO пленочного покрытия таких примесных ионов, как ионы Ni, Co, Fe, Cr, Sb, Sn, V, Mn, Cu, W, In, Nb, Zn, N, Si, можно регулировать светотехнические и электрические характеристики стекол. Введение примесного атома азота согласно применяемому в практике полупроводников принципу контролируемой валентности должно способствовать увеличению концентрации свободных электронов в ТOпокрытии дополнительно к свободным электронам, возникающим в процессе фотокатализа и, соответственно, увеличению его фотокаталитической активности (Соловьев С.П., Царицын И.А., Воробьева О.В., Замаев Г.П. Специальные строительные стекла. - М.: Изд-во литературы по строительству, 1971. - С.85-86). Введение примесных ионов с меньшей валентностью, чем Ti, увеличивает дырочную проводимость и также способствует повышению концентрации носителей заряда.
Поставщиками примесных ионов Ni, Co, Fe, Cr, V, Mn, Cu, W, In, Nb, Sb, Sn, Zn, N, Si являются напыляемые вакуумным способом в качестве подслоя металлы, сплавы и другие соединения необходимых элементов. Поставщиками азота - нитриды металлов, напыляемые в качестве подслоя. Например, олова, кремния. Кроме того, после дополнительной термообработки и окисления подслой на основе производных Sn, Si может выполнять также функции блокирующего слоя.
2
В технологическом плане были отработаны режимы нагрева и охлаждения таким образом, чтобы они обеспечивали формирование оптически однородных покрытий TiO без отслаивания, нарушения их целостности, а также обладающих солнцезащитными, фотокаталитическими свойствами и высокими эксплуатационными характеристиками по сравнению с исходными стеклами по адгезионной прочности, коррозионной устойчивости, микротвердости, на основании которых были выбраны режимы высокотемпературной закалки для термообработки исходных стекол при следующих параметрах (таблица 1):
Таблица 1
Наименование параметра
Величина
Время нагрева стекла, с
195
200
205
210
Температура верхних нагревателей, °C
705
-
-
-
Температура нижних нагревателей, °C
765
-
-
-
Давление воздушного потока, кПа
2,7
-
-
-
Высота форсунок, мм
22
24
26
28
Скорость перемещения заготовки, мс
0,7
-
-
-
Время охлаждения заготовки, с.
102
110
115
120
Давление конвекционного теплового потока, МПа
0,33
-
-
-
Температура стекла на выходе из установки, °С
40
-
-
-
Для нанесения исходных вакуумных покрытий были использованы вакуумные методы, предпочтительно методы, обеспечивающие формирование достаточно плотных слоев. Для предотвращения отслаивания, нарушения целостности покрытия необходимо нанесение двух-трехслойных покрытий, в предпочтительном варианте - двухслойных вакуумных слоев при толщине 30-200 нм, предпочтительно - 30-100 нм. Для нанесения покрытий используются металлы и сплавы металлов. Покрытия напыляют в инертной и/или реакционной газовой среде.
В качестве исходных стекол может быть использовано высококачественное бесцветное флоат-стекло или флоат-стекло, окрашенное в массе, которое придает конечным изделиям необходимый цветовой оттенок и требуемые оптические характеристики.
2
Стекла с TiO покрытиями, получаемые по заявляемому способу, являются закаленными, что соответствует требованиям, предъявляемым к безопасному варианту остекления зданий и сооружений.
4. Осуществление изобретения
Для нанесения покрытия была использована линия вакуумного напыления фирмы AIRCO (США).
После напыления полученные образцы стекол с пленочными покрытиями были подвергнуты термической обработке на промышленной линии горизонтальной воздухоструйной закалки в воздушной среде с интервалом времени нагрева 195-210 с. Высота форсунок менялась от 22 до 28 мм. Время охлаждения заготовок составляло от 102 с до 120 с, что соответствует заявляемым параметрам (таблица 1).
В основе процесса получения стекол с покрытием лежит метод возбуждения газовой плазмы планарного магнетрона, под действием которой происходит выбивание молекул материала мишени. Свободные молекулы осаждаются на поверхности стекла в виде оксидов, нитридов или в виде материала мишени. Покрытие с заданными оптическими характеристиками достигаются изменением скорости движения стекла относительно магнетронов, мощностями, прикладываемыми к магнетронам, выбором рабочего газа, выбором материала мишеней, последовательностью нанесения материалов.
Технологический процесс нанесения покрытий включает следующие этапы:
- входной контроль исходного стекла;
- раскрой стекла;
- подготовка деионизованной воды;
- контроль качества деионизованной воды;
- мойка, сушка сжатым воздухом и нанесение покрытия;
- приемосдаточный контроль стекла с покрытием.
В качестве исходного было взято бесцветное флоат-стекло размерами 300×400×5 мм в количестве 30 штук.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример №1
Для сопоставления было нанесено титановое вакуумное покрытие, не содержащее примесных ионов, в среде аргона при следующих параметрах напыления (таблица 2):
Таблица 2
Скорость
100 см/мин
Рабочее давление
2 мк
Зона
I
II
III
Газ
-
-
Ar
Соотношение газов
-
-
100%
Номер катода
1
2
3
4
5
Материал мишени
Титан марки ВТ1-00
Титан марки ВТ1-00
*Ток (А)
-
-
-
70.0
70.0
*Мощность (кВт)
-
-
-
34.0
34.0
Максимальное напряжение (В)
-
-
-
650
650
Пример №2
На стекло было нанесено 2-слойное вакуумное покрытие хромоникелевого сплава и титана в инертной среде аргона при следующих параметрах напыления (таблица 3):
Таблица 3
Скорость
140 см/мин
Рабочее давление
3 мк
Зона
I
II
III
Газ
-
Ar
Ar
Соотношение газов
-
100%
100%
Номер катода
1
2
3
4
5
Материал мишени
Сплав хромо-никелевый Х20Н80
Сплав хромо-никелевый Х20Н80
Титан марки ВТ1-00
Титан марки ВТ1-00
*Ток(А)
-
3.0
3.0
82.0
82.0
*Мощность (кВт)
-
1.0
1.0
40.0
40.0
Максимальное напряжение (В)
-
500
500
650
650
Пример №3
На стекло было нанесено 2-слойное вакуумное покрытие: олова - (в среде азота) и титана - (в инертной среде аргона) при следующих параметрах напыления (таблица 4):
Таблица 4
Скорость
100 см/мин
Рабочее давление
1,5 мк
Зона
I
II
III
Газ
N<sub>2</sub>
-
Ar
Соотношение газов
100%
-
100%
Номер катода
1
2
3
4
5
Материал мишени
Олово ОВЧ 000
Олово ОВЧ 000
-
Титан марки ВТ1-00
Титан марки ВТ1-00
*Ток(А)
71.0
71.0
-
49.0
49.0
*Мощность (кВт)
30.0
30.0
-
22.0
22.0
Максимальное напряжение (В)
500
500
-
650
650
Для подтверждения указанного технического результата был проведен комплекс исследований по стандартным методикам, полученных в соответствии с примерами 1-3 экспериментальных образцов. Визуальные и микроскопические исследования внешнего вида покрытия, целостности и наличия микродефектов в покрытии. Микроскопические исследования проводили на поляризационном микроскопе МИН-8 при увеличении 17,5х.
Спектрофотометрические замеры проводили на приборе «Specord М40» фирмы «Carl Zeiss» (Jena), диапазон измерений 0,38-0,78 мкм; определение коррозионной устойчивости - в гидростате - камера Г-4; стойкость к механическому истиранию - по методике Европейского стандарта pr EN 1096-2; толщину слоев покрытий исходных и термообработанных стекол - на эллипсометрическом комплексе «Spectroskan» и лазерном эллипсометре ЛЭМ-3М; анализ состава пленок до и после термической обработки стекла - при помощи сканирующего электронного микроскопа Philips XL30ESEM, оснащенного приставкой EDAX Pegasus, а также на установке рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), текстуру пленочных покрытий - на атомно-силовом микроскопе марки SOLVER Р 47/K/jhkjdf.
Фотокаталитическая активность образцов была определена микроскопически по исчезновению при солнечном воздействии на образцы предварительно нанесенной на них пленки стеариновой кислоты. Исследования были проведены в сопоставлении со стеклом «Пилкингтон-Актив». Время эксперимента - 38 дней, температура воздуха - около 30°C.
Микротвердость была определена на приборе ПМГ-3 при нестандартных нагрузках от 2 до 20 г.
Эллипсометрическими измерениями было показано, что у покрытий исследуемых образцов происходит изменение толщины пленок.
Визуальные и микроскопические исследования экспериментальных образцов №№1-3 показали отсутствие в них микроотслоений.
По внешнему виду образцы №№1, 3 - высокопрозрачные с желтоватым оттенком. Образец №2 - высокопрозрачный с нейтральным оттенком.
2
Результаты химического анализа РФЭС поверхностных слоев исходных и экспериментальных образцов стекол со стороны покрытия показали, что при термической обработке и окислении покрытий в анализируемом поверхностном слое происходит переход титана в оксидную форму, а в составе поверхностного слоя образца №2 присутствуют примесные ионы Ni и Cr, диффундирующие из промежуточного подслоя, то есть изменяя состав подслоя можно вводить различные примесные ионы в состав TiO покрытия и таким образом влиять на функциональные свойства пленок.
Выявлено, что после термической обработки образца №3 ионы Sn, N присутствует в составе функционального покрытия. Ионы азота - в виде включений в узлах решетки диоксида титана (твердый раствор замещения).
На РФЭС спектрах покрытий идентифицированы рефлексы Ti, относящиеся к конфигурации Ti в составе оксида, и интенсивные рефлексы кислорода в области высоких энергий, что указывает на интенсивное вхождение кислорода в состав покрытия, уплотнение его структуры и увеличение прочности связи Ti-О.
Исследованиями поверхности образцов №№1-3 на атомно-силовом микроскопе было показано, что покрытия имеют плотную мелкозернистую структуру, что должно способствовать усилению фотокаталитических свойств стекла.
Результаты исследования эксплуатационных и функциональных свойств экспериментальных стекол представлены в таблице 5.
Таблица 5
Параметры
Величины, экспериментальные стекла
1
2
3
Толщина пленки, нм
40
60
70
Отражение в видимой области, %
20
20
20
Светопропускание, %
70
69
70
Устойчивость на истирание (500 циклов) ΔТ, %
4
3
2
Коррозионная устойчивость, сутки
>40
>40
>40
Микротвердость, ГПа
3,4
3,6
4,2
Смачиваемость водой, cosθ
0,91
0,91
0,94
Фотокаталитическая активность, дни
27
24
20
Для стекла «Пилкингтон-Актив» фотокаталитическая активность составляла 20 дней.
2
Таким образом, заявляемый способ позволяет получать покрытия диоксида титана, включающего примесные ионы, с плотной кристаллической структурой и более высокими функциональными и эксплуатационными характеристиками по сравнению с TiO покрытиями, не содержащими примесные ионы.
Приведенные в примерах 1-3 варианты осуществления изобретения не ограничивают объем притязаний, определенный формулой и описанием изобретения.