Самоочищающийся лист остекления

РЕФЕРАТ

Полезная модель относится к самоочищающемуся листу остекления, содержащему стеклянную основу, имеющую гидрофильное фотокаталитически активное покрытие на поверхности основы, а также к составному элементу остекления, содержащему такой лист и второй лист остекления с ориентацией, противоположной самоочищающемуся листу остекления.

(Фиг.2)

2420-152967RU/030

САМООЧИЩАЮЩИЙСЯ ЛИСТ ОСТЕКЛЕНИЯ

ОПИСАНИЕ

Настоящая полезная модель относится к самоочищающимся листам остекления, к составным элементам остекления или ламинатам, содержащим самоочищающиеся листы остекления, и к окнам и фасадным облицовкам, содержащим самоочищающиеся листы остекления.

Самоочищающиеся листы остекления имеют гидрофильную поверхность. Дождь или другая вода, которая контактирует с гидрофильной поверхностью, растекается по поверхности и смывает с нее грязь. Целесообразно остеклять окна самоочищающимися листами остекления, потому что они требуют меньше чистки, чем обычные окна. Самоочищающиеся листы остекления могут быть из пластика, но обыкновенно они являются стеклянными листами. Самоочищающаяся поверхность обычно имеет гидрофильное покрытие на листе остекления. Покрытие может, например, быть из диоксида кремния или из оксида металла.

Особенно успешным видом самоочищающегося листа остекления является лист, гидрофильное покрытие которого фотокаталитически активно. Фотокаталитическая активность возникает при фотогенерации в полупроводнике пары дырка-электрон, когда полупроводник освещают светом специальной частоты. Пара дырка-электрон может образовываться на солнечном свету и может реагировать во влажном воздухе с образованием гидрокси- и перокси-радикалов на поверхности полупроводника. Радикалы окисляют органическую грязь на поверхности. Таким образом, фотокаталитически активные покрытия при освещении стремятся разрушить органическую грязь на поверхности. Они также склонны сохранять свои гидрофильные свойства благодаря активному очищению поверхности как следствие освещения. Фотокаталитически активные покрытия могут содержать полупроводник с подходящей шириной запрещенной зоны, например, оксид титана.

Фотокаталитические покрытия из оксида титана на стекле раскрыты в патентах EP 0 901 991 A2, WO 97/07069, WO 97/10186, WO 98/06675, WO 98/41480, WO 00/75087, в сообщении 735 187-го заседания Электрохимического общества (Reno, NV, 95-1, p. 1102) и в журнале New Scientist magazine (26 августа 1995, с. 19).

Для увеличения эффективности свойств самоочищения, было бы выгодным сохранять гидрофильную природу поверхностей на уровне выше достигнутого в настоящее время. Для фотокаталитически активного покрытия это должно повлечь увеличение фотокаталитической активности поверхности.

В соответствии с этим первый аспект настоящей полезной модели касается самоочищающегося листа остекления, включающего окрашенную стеклянную основу, имеющую гидрофильное покрытие на поверхности основы.

Гидрофильное покрытие предпочтительно является фотокаталитически активным покрытием.

Оказалось, что повышение температуры основы приводит к усилению активности покрытия, что приводит к улучшению самоочищающихся свойств покрытия.

Средства нагрева могут содержать активный нагреватель, например, нагреватель, приводящийся в действие электричеством. Подходящие средства включают такие средства, которые имеют на поверхности самоочищающегося листа остекления электропроводящие покрытия или тонкие провода, которые будут использоваться как нагревательные элементы, контактирующие с самоочищающимся листом остекления.

Однако, предпочтительно средства нагрева содержат пассивные средства нагрева, более предпочтительно, средства, использующие энергию падающего излучения (например, солнечного света) для повышения температуры основы выше температуры основы без средств нагрева. Это выгодно, так как устраняет необходимость в отдельной подаче энергии и эффективно с точки зрения стоимости и воздействия на окружающую среду. Средство нагрева может содержать теплоотражающее покрытие на другой поверхности основы или теплопоглощающее покрытие на одной поверхности основы, но более предпочтительно средство нагрева содержит окрашенную основу, в частности, окрашенную стеклянную основу. Таким образом, в предпочтительном выполнении этот аспект полезной модели предлагает самоочищающийся лист остекления, содержащий окрашенную стеклянную основу, имеющую гидрофильное покрытие на одной поверхности основы. Гидрофильные покрытия обычно имеют угол смачивания со статической водой 40° или ниже, предпочтительно 25° или ниже. Гидрофильное покрытие предпочтительно является фотокаталитически активным покрытием. Предпочтительно, коэффициент поглощения прямого солнечного излучения основы 0,15 или выше. Более предпочтительно, однако, чтобы коэффициент поглощения прямого солнечного излучения основы был 0,2 или выше, 0,25 или выше, 0,3 или выше, 0,35 или выше, или 0,4 или выше. Основа может быть из пластика (например, из поликарбоната), но предпочтительно основа является стеклянной, в частности, основой из флоат-стекла. Окрашенные стеклянные основы могут быть сделаны с добавлением красителей к базовому составу стекла. Такие красители включают оксид железа, который может быть добавлен к базовому составу стекла в количестве от 0,1 до 0,9 весовых процентов, предпочтительно от 0,4 до 0,9 весовых процентов (Fe₂О ₃).

Самоочищающиеся листы остекления могут использоваться в составных элементах остекления, содержащих самоочищающийся лист остекления с ориентацией, противоположной второму листу остекления. В этом случае составной элемент остекления может сам содержать средства нагрева. Средства нагрева могут содержать, например, средства нагрева или, дополнительно или альтернативно, второй лист остекления в составном элементе остекления может содержать средства нагрева, например теплоотражающее покрытие. Таким образом, второй аспект настоящей полезной модели касается составного элемента остекления, состоящего из самоочищающегося листа остекления, второго листа остекления, с ориентацией, противоположной самоочищающемуся листу остекления. Предпочтительно, средство нагрева в этом аспекте полезной модели содержит теплоотражающее покрытие на поверхности второго листа остекления.

Самоочищающиеся листы остекления могут также входить в состав ламинатов (в частности, многослойного стекла). Самоочищающиеся листы остекления, составные элементы остекления и ламинаты, как они описаны выше, могут являться частью окон зданий или транспортных средств. Самоочищающиеся стеклянные листы, составные элементы остекления и ламинаты, как они описаны выше, могут также применяться в фасадных облицовках зданий.

Самоочищающийся лист остекления может быть использован для окон, где имеется устройство для снижения воздушного потока, установленное для снижения потока воздуха через окно. Это эффективно, так как устройства для снижения воздушного потока снижают прохождение воздуха через окно и тем самым сокращают конвекцию, остужающую окно (поддерживая более высокую температуру и, следовательно, более высокую активность самоочищающегося листа остекления). Устройство для снижения воздушного потока содержит по крайней мере один экран или по крайней мере один ветровой щиток.

Далее варианты осуществления полезной модели будут описаны посредством примеров со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фигура 1 график скорости реакции фотокаталитически активного покрытия из оксида титана на стекле как функция температуры.

Фигура 2 схематически показан в разрезе (и не в масштабе) самоочищающийся лист остекления согласно настоящей полезной модели.

Фигура 3 схематически показан в разрезе (и не в масштабе) составной элемент остекления, содержащий самоочищающийся лист остекления.

Фигура 4 схематически показан в разрезе (и не в масштабе) окно, содержащее самоочищающийся элемент остекления в конструкции, имеющей ветровые щитки.

Данные для фигуры 1 были получены с использованием основы из прозрачного флоат-стекла, на которую нанесено покрытие, имеющее прослойку из кварца, блокирующую щелочи, и фотокаталитически активное покрытие из оксида титана, нанесенное на слой кварца. Слои из кварца и оксида титана были нанесены путем химического осаждения из паровой фазы на поверхность стекла в процессе производства флоат-стекла; покрытие из кварца - из заранее приготовленной газовой смеси, содержащей силан, этилен и кислород, слой оксида титана - из заранее приготовленной газовой смеси, содержащей хлорид титана и этилацетат (обычно как описано в патенте WO 00/75087).

Для измерения фотокаталитической активности стекла с покрытием, на фотокаталитически активную поверхность наносили пленки стеариновой кислоты, используя маточный раствор стеариновой кислоты концентрацией 1×10 ^-2 моль дм^-3 в метаноле и нанося из пипетки по 3×10^-2 см ³ на покрытую TiO₂ поверхность предметного стекла. Затем это вращали при скорость 1000 об/мин в течение 2 мин на устройстве для центрифужного нанесения компании Electronic Microsystems Ltd, после чего обдували потоком воздуха примерно 30 мин для обеспечения полного удаления метанола. Фотоактивность пленок определяли измерением характеристического интегрального коэффициента пропускания C-H инфракрасных валентных колебаний стеариновой кислоты в диапазоне от 2700 см^-1 до 3000 см^-1 как функции времени облучения, используя инфракрасный Фурье-спектрометр 1725 компании Perkin Elmer (ИФС). Литературные данные, основанные на коэффициенте общего пропускания для гомологов, имеющих известную площадь на молекулу (таких, как арахиновая кислота (CH₃ (CH₂)₁₈CO ₂H)), дают значение 3,17×10¹⁵ молекул стеариновой кислоты·см^-2 на каждую измеренную единицу погл. см^-1 (как обсуждается в Y. Paz, Z. Luo, L. Razenberg, A. Heller, J. Mater. Res., 1995, 10, 2842.). На этой основе рассчитывались поверхностные концентрации стеариновой кислоты.

Облучение проводили, используя фотохимический реактор, включающий полуцилиндрический элемент облучения, содержащий шесть ламп теплового излучения мощностью 8 Вт (Coast-Air; длина волны излучения (max)=355-360 нм; длина 28,7 см), установленных напротив полуцилиндрического алюминиевого рефлектора. Для определения эффекта температуры, стеклянные образцы, имеющие покрытие, устанавливались на термостатированную ячейку, и температуру меняли в пределах от 14 до 53°C (287 и 327 K). На фигуре 1 показана скорость фотоокисления стеариновой кислоты как функция температуры. Из этих результатов ясно, что с увеличением температуры скорость реакции увеличивается.

На фигуре 2 показан самоочищающийся лист остекления 2, содержащий основу из темно-зеленого окрашенного флоат-стекла 4, имеющую двухслойное покрытие 6 на одной поверхности. Основа из флоат-стекла 4 имеет как базовый состав известково-силикатное стекло с приблизительно 0,9 весовыми процентами окиси железа как красителя, как описано ниже в Таблицах 1 и 2. Верхний слой 8 покрытия 6 является фотокаталитически активным слоем из оксида титана. Нижний слой 10 покрытия 6 является слоем из кварца, который действует как слой, блокирующий щелочи, для предотвращения или уменьшения миграции ионов щелочного металла в верхний слой 8 покрытия 6, что может снизить его фотокаталитическую активность. Когда лист остекления подвергается излучению лучистой энергии (например, солнечному свету), основа из окрашенного флоат-стекла 4 поглощает часть этой энергии, и температура листа остекления 2 повышается. Повышение температуры имеет эффект усиления самоочищающихся свойств поверхности 12 листа остекления, имеющей покрытие, путем усиления фотокаталитической активности фотокаталитически активного слоя 8. Повышение температуры также может сделать поверхность более гидрофильной.

На фигуре 3 показан двойной элемент остекления 14, состоящий из самоочищающегося листа остекления 16 и второго листа остекления 18, установленного с противоположной к нему ориентацией. Самоочищающийся лист остекления 16 и второй лист остекления 18 разделены прокладкой 20, чтобы оставить воздушный зазор 22 для улучшения изоляции элемента. Самоочищающийся лист остекления 16 похож на лист, показанный на фигуре 2, содержа основу из флоат-стекла 24, имеющую двухслойное покрытие на одной поверхности. Верхний слой 26 покрытия является фотокаталитически активным слоем из оксида титана, а нижний слой 28 является слоем из кварца, который действует как слой, блокирующий щелочь. Поверхность с покрытием 30 самоочищающегося листа остекления 16 расположена так, чтобы, когда двойной элемент остекления 14 размещен в конструкции, поверхность, имеющая покрытие, оказывалась снаружи. Второй лист остекления 18 содержит темно-зеленую основу из окрашенного флоат-стекла 32, имеющую на одной поверхности теплоотражающее покрытие 34, нанесенное с помощью пиролиза. Теплоотражающее покрытие содержит подслой из оксикарбида кремния и допированный фтором слой оксида олова (толщиной около 300 нм). Альтернативно, теплоотражающий слой может содержать напыленное покрытие, содержащее один или более тонких слоев серебра и просветляющие слои.

В действии, лучистая энергия (например, солнечный свет) будет проходить через двойной элемент остекления 14 и будет отражаться теплоотражающим покрытием 34 в направлении самоочищающегося листа остекления 16, увеличивая, таким образом, его температуру. Темно-зеленая стеклянная основа 32 второго листа остекления 18 также будет влиять на увеличение температуры самоочищающегося листа остекления 16, поглощая лучистую энергию, поглощенная энергия, испускаемая снова, также будет отражаться теплоотражающим покрытием 34 в направлении самоочищающегося листа остекления 16.

На фигуре 4 показано окно 40, конструкция которого содержит самоочищающийся лист остекления 42. Окно 40 устанавливается в раму 44. Угловые ветровые щитки 48 закреплены в раме 44 и выступают во внешнюю часть 46 конструкции. Ветровые щитки 48 расположены так и имеют такую форму, чтобы отклонять компоненты ветра W, которые движутся по существу параллельно поверхности окна 40. Результатом такого отклонения является то, что конвективное охлаждение окна 40 снижается, что приводит к большему повышению температуры при заданной интенсивности лучистой энергии, падающей на окно. В качестве альтернативы ветровым щиткам могут использоваться экраны для замедления ветра или других воздушных потоков через окно.

Далее полезная модель иллюстрируется следующими примерами, которые относятся к самоочищающимся листам остекления, содержащим фотокаталитически активные покрытия, нанесенные на стеклянные основы. Стеклянные основы состоят из базового состава, имеющего компоненты в приблизительном диапазоне пропорций, указанном в Таблице 1, основы окрашены добавлением красителей в приблизительном количестве, описанном в Таблице 2. Обычно красители добавляют сверх базового состава, в этом случае состав перенормируют. Количества указаны в весовых процентах, могут присутствовать также малые количества других компонентов. Количество ионов железа (Fe ²⁺) измеряют в терминах оптических процентов. Стеклянные основы могут быть сделаны по способам, хорошо известным в области производства стекла, и прозрачные и окрашенные стеклянные основы (со свойствами, идентичными или похожими на свойства стеклянных основ, описанных здесь) могут быть приобретены как обычные коммерческие продукты.

Окрашенные стекла содержат окись железа в количестве (измеренном как весовые проценты Fe₂O ₃) в интервале от 0,4 до 0,9 (но могут иметь количество и в более широком диапазоне, например, от 0,1 до 0,9), и ионы железа в количестве от приблизительно 20 до 30 опт.%.

Оптические свойства пропускания в видимой части спектра, пропущенный цвет (L*, a*, b*, источник света D65), коэффициенты отражения и поглощения прямого солнечного излучение света для образцов толщиной 6 мм прозрачного и окрашенного флоат-стекла, имеющих состав компонентов в интервале, описанном в Таблицах 1 и 2, приведены ниже в Таблице 3. Величины коэффициентов пропускания в видимой части спектра, отражения и поглощения прямого солнечного излучения были рассчитаны в соответствие со стандартом ISO 9050. Величины для солнечного света были рассчитаны, используя массу воздуха 2.

Оптические свойства стекла изменяются с толщиной стеклянного образца. Коэффициент поглощения прямого солнечного излучения для светло-зеленого окрашенного стекла показан в Таблице 4 как функция толщины.

Фотокаталитически активные покрытия (нанесенные, как описано в WO 00/75087), включают двухслойное покрытие: нижний слой из диоксида кремния и фотокаталитически активный слой оксида титана (в форме анатаза). Нижний слой диоксида кремния может быть нанесен, заставляя газовую смесь силана, кислорода, этилена и азота (например, при отношении потоков 1:2:6:0,13) вступать в контакт и течь параллельно стеклянной поверхности в направлении движения стекла при температуре стекла около 670°C. Толщина покрытия из диоксида кремния может, например, составлять от 25 до 40 нм. Фотокаталитически активный слой из оксида титана может быть нанесен, объединяя в одну газовую смесь газовые потоки, содержащие четыреххлористый титан в текущем азоте как газе-носителе, этилацетат в текущем азоте как газе-носителе и массовый поток азота, и затем заставляя эту газовую смесь контактировать и течь над стеклянной поверхностью при температуре стекла около 640°C. Толщина слоя оксида титана может быть, например, в интервале от 10 до 20 нм. Фотокаталитически активные покрытия могут быть сделаны из самых различных соединений металлов. Соединения, которые предлагались как полезные, включают оксиды титана, железа, серебра, меди, вольфрама, цинка, оксиды цинк/олово и титанаты стронция.

Могут быть использованы и другие методы нанесения фотокаталитически активных покрытий. Фотокаталитически активные покрытия из оксида титана могут наноситься химическим осаждением из газовой фазы (ХОГФ), используя другие источники титана, например, алкоксиды титана (например, этоксид титана или пропоксид титана), золь-гелевые методы (например, осаждение погружением, обтеканием или вращением, используя алкоксидные источники в спиртах), напылением (включая активное напыление, используя металлический титан или оксидную мишень в субстехиометрическом отношении) или другими способами нанесения. Когда покрытия нанесены, их можно обрабатывать далее (например, для увеличения фотокаталитической активности покрытия), например, теплообработкой. Покрытие может содержать покрывающие слои, отличные от фотокаталитически активного покрытия, чтобы изменить, например, гидрофильные, оптические или другие свойства покрытия или чтобы защитить покрытие (например, блокируя уход ионов щелочных металлов с основы, если основа содержит подвижные ионы щелочных металлов).

В следующих примерах рассчитана температура в центре самоочищающихся листов остекления, имеющих разного рода средства нагрева для разных условий (смотри стандарты Международной организации по стандартизации ISO 9050 и/или ISO 9845). Обычные используемы условия связаны с экспозицией листов остекления в условиях ISO и в летних условиях ASHRAE (American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers - Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха). Эти условия описаны ниже в Таблице 5. Погрешность в расчетах температуры составляет около ±1°C.

Примеры 1-5

Примеры 1-5 относятся к одинарным листам остекления, в которых толщина стеклянной основы равна 6 мм, а фотокаталитически активное покрытие находится на внешней поверхности (т.е., к источнику излучения). Основы имеют разную окраску. Температуры листов остекления описаны в Таблице 6 для условий ISO и летних условий ASHRAE.

Примеры 6-10

Примеры 6-10 относятся к двойным элементам остекления, где каждая из двух (стеклянных) основ имеет толщину 6 мм, и между ними имеется воздушный зазор в 12,7 мм. В каждом элементе самоочищающийся лист остекления ориентирован так, чтобы фотокаталитически активное покрытие находилось на внешней поверхности (т.е., к источнику излучения). Второй лист остекления прозрачен. Самоочищающиеся основы остекления имеют разные цвета. Температуры самоочищающихся листов остекления описаны в Таблице 7 для условий ISO и летних условий ASHRAE.

Примеры 11-15

Примеры 11-15 относятся к самоочищающимся листам остекления, имеющим темно-зеленую стеклянную основу, как в Примере 5, причем стеклянная основа имеет различную толщину (от 6 мм до 1 мм). Температуры самоочищающихся листов остекления описаны в Таблице 8 для условий ISO и летних условий ASHRAE, приведен также коэффициент поглощения прямого солнечного излучения (определенный на стороне, имеющей покрытие).

Примеры 16-33

Примеры 16-33 в Таблицах 9 и 10 показывают влияние изменения скорости ветра на температуру самоочищающихся листов остекления на прозрачных (Примеры 16-24) или темно-зеленых (Примеры 17-33) стеклянных основах в двойных элементах остекления. Второй лист остекления в каждом элементе является прозрачным стеклом толщиной 6 мм, воздушный зазор 12,7 мм. Другие условия, использованные для расчета температуры, соответствуют условиям ISO или летним условиям ASHRAE.

1. Самоочищающийся лист остекления, содержащий окрашенную стеклянную основу, имеющую гидрофильное фотокаталитически активное покрытие на поверхности основы.

2. Самоочищающийся лист остекления по п.1, в котором коэффициент теплопоглощения окрашенной стеклянной основой прямого солнечного излучения составляет 0,15 или выше.

3. Составной элемент остекления, содержащий самоочищающийся лист остекления по п.1 или 2 и второй лист остекления с ориентацией, противоположной самоочищающемуся листу остекления.

4. Составной элемент остекления по п.3, в котором второй лист остекления имеет теплоотражающее покрытие на одной поверхности.