|
Получение функциональных пленокна основе TIO2
Автор: Дороганова Елена,10 кл., МБОУ СОШ №39 г. Белгорода, руководитель: Князева М. В
Современная строительная индустрия представляет собой сложную систему, состоящую из взаимосвязанных технологий производства строительных материалов и конструкций, что и обеспечивает высокий уровень её использования в самых разнообразных сферах: строительстве, медицине, машиностроении, оптике и др.
Последние годы отмечены быстро растущим спросом на новый вид продукции – высокочистый нанодиоксид титана, который обладает уникальными фотокаталитическими свойствами и имеет широкие возможности применения, например, в солнечных батареях, в космической отрасли и производстве специальных пластмасс для защиты от ультрафиолетового излучения, при изготовлении самоочищающихся стекол, фотокатализаторов, электрохромных дисплеев.
Актуальность работы заключается в том, что, несмотря на достаточно развитые технологии получения диоксида титана, до сих пор в полной мере не изучены зависимости активности фотокатализатора от кристаллической модификации, от свойства поверхности, размера частиц, от условий их осаждения и др., поэтому исследования в этой области продолжаются.
Цель работы: определение оптимальных условий получения плёнок на основе TiO2
Гипотеза: определение оптимальных режимов напыления покрытий диоксида титана позволит получить покрытия с одновременно высокой фотокаталитической активностью и максимально возможной степенью смачиваемости.
Объект исследования: получение функциональных плёнок.
Предмет исследования: оптимальные режимы напыления покрытий диоксида титана.
Задачи:
1. Провести литературный анализ процессов фотокаталитического использования диоксида титана.
2. Провести литературный поиск методов получения диоксида титана для указанных выше целей.
3.Исследовать температурно – временные режимы нанесения функциональных плёнок на основе диоксида титана.
4.Произвести оценку экспериментальных образцов на предмет фотокаталитической активности и степени смачиваемости.
5.Обобщить полученные результаты и сделать вывод.
Пленки диоксида титана наносились на образцы стекла методом магнетронного распыления. Варьировалась доля кислорода в плазме. Среди методов синтеза покрытий этот метод обладает наибольшим потенциалом, т.к. высокая степень ионизации плазмы, обеспечивает требуемый уровень получения потока атомов, перенос атомов к поверхности изделия, послойный рост покрытия на поверхности изделия требуемого для построения наноплёнок.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные плёнки на основе нанопорошка TiO2 методом магнетронного распыления могут быть использованы для производства самоочищающихся стекол при остеклении зданий.
Предварительно обезжиренные образцы листового стекла помещались в вакуум-плазменную установку Unicoat 200. Эксперимент проводился по режиму: напряжение 420–520 В; сила тока 3,3 А; общее давление – 0,22 Па; время напыления – 30 мин. Часть образцов термообрабатывалась на воздухе. Варьировалась доля кислорода в плазме от 0 до 25 % с шагом 5 %; (табл. 1).
Таблица 1. Режимы термообработки и обозначение образцов
Была проведена оценка фотокаталитической активности и степени смачиваемости плёнок диоксида титана синтезированных при различных режимах напыления. Фотокаталитическая активность покрытий оценивалась в соответствии с ISO 10678:2010 по относительной убыли концентрации индикатора – метиленового синего. В стаканы помещались образцы, куда приливалось по 30 мл водного раствора индикатора с концентрацией 2 мкмоль/л. Далее стаканы герметично закрывались и выдерживались в темноте в течение 12 ч для адсорбционного насыщения поверхности. После выдержки производилось фотометрирование проб раствора на спектрофотометре СФ-56. Затем стаканы, герметично закрытые УФ– прозрачной полиэтиленовой пленкой, облучались УФ- светом с помощью ультрафиолетовой лампы с электрической мощ¬ностью 18 Вт, располагаемой на расстоянии 75 мм от поверхности образца. Максимум излучения лампы соответствовал длине волны 375 нм.
Для оценки степени смачиваемости использовалась методика ISO 27448:2009, которая основана на согласованности между уровнем загрязнения поверхности, изменяющимся в процессе УФ–облучения, и краевым углом смачивания водой.
Результаты исследования
С помощью электронного микроскопа MIRA 3 была изучена структура полученных пленок на основе диоксида титана. Установлено, что толщина пленки составляет до 1000 нм, а толщина синтезированных кристаллов оксида титана составляет 60-100 нм.
Результаты определения оценки смачиваемости (estθ) в зависимости от режима вакуум-плазменного напыления и условий термообработки приведены на рис. 2.
Из рисунка видно, что с ростом температуры термообработки наблюдается закономерное улучшение смачиваемости, причем более существенное, чем при повышении доли O2 в плазме.
Наиболее интересной особенностью является наличие «полуострова», соответствующего образцам 4/400 и 3/500, высокая смачиваемость которых, по-видимому, имеет различную природу.
Установление причин различной способности к смачиванию по зависимостям этого свойства затруднительно из-за влияния нескольких параметров. Например, к лучшему растеканию может приводить усиление в процессе кристаллизации шероховатости; повышение доли супергидрофильной фазы (т.е. интенсивно формирующей «ковер» из групп ОН); уменьшение на фотокаталитически активной поверхности количества загрязняющих веществ; развитие на поверхности сети межзеренных границ, играющих роль капилляров.
Фотокаталитическая активность покрытий оценивалась по относительной убыли концентрации индикаторного вещества. Принцип методики состоит в том, что индикаторное вещество (метиленовый синий) разлагается в водном растворе в присутствии фотокаталитически активной поверхности и УФ облучении в диапазоне 320-400 нм.
На зависимости фотокаталитической активности от условий синтеза покрытий (рис. 3) выделяется 4 максимума, которые соответствуют образцам 3/500, 1/500, 2/0 и 6/500.
Для образцов 3/500 и 6/500, наиболее вероятной причиной, повышенной фотокаталитической активности является формирование фазы анатаза, а причиной «провала» в диапазоне 300-400оС и 20-25 об. % (образцы 1/300, 1/400, 2/300, 2/400) видимо является образование соединений TiO2, которые не обладают фотокаталитической активностью.
Заключение и выводы.
В результате выполнения исследовательской работы определено, что покрытия диоксида титана одновременно с высокой фотокаталитической активностью и смачиваемостью возможно синтезировать при содержании О2 в плазме рабочей камеры вакуум-плазменной установки 15% и последующей их термообработкой в диапазоне температур 400-500 о С.
Источники информации в литературе и Интернете:
1.Кнунянц, И.Л. Химия. Большой энциклопедический словарь / И. Л. Кнунянц.
Большая Российская энциклопедия, 1998. –79с.
2.Рабинович, В. А. Краткий химический справочник/ В. А. Рабинович, 3Я.Хавин.-Л.:Химия,1977.-105с. 3.Пармон, В.Н. Фотокатализ: Вопросы терминологии / В.Н. Пармон, К.И. Замараев. – Новосибирск.: Наука, 1991. -106с. – ISDN
4.Хазин, Л.Г. Двуокись титана/Л.Г. Хазин. – М.: ЦНИНЦветмета, 1960. –320с.-ISDN
5.Хороших, В.М. Пленки диоксида титана для фотокатолиза и медицины / В.М. Хороших, В.А. Белоус // Физическая инженерия поверхности. – 2009. –№ 3. – C. 223–238.6.Юнг, Л.Н. Анодные окисные пленки/ Л. Н. Юнг – Л.: Энергия, 1967. – 232 с.7.Иванов, М.В. Получение покрытий диоксида титана анодным окислением/М.В. Иванов, К.М. Горбунова // Современные методы нанесения гальванических и химических покрытий: материалы семинара. -М.: 1979.- 147-150с.
См. также
Путеводитель по выбору оборудования для учебно-исследовательских работ
|
Библиотека исследовательских работ обучающихся 
