一种潮化瓶透明抗菌薄膜及其制备方法与流程

1.本发明属于功能薄膜技术领域，具体涉及一种潮化瓶透明抗菌薄膜及其制备方法。


背景技术：

2.氧疗是一种常见的医学临床治疗方案，潮化瓶是氧疗的必要装置，氧疗患者需要长期的氧气支持，氧疗设备内若出现细菌污染会造成病人的肺部感染等，因此保持氧疗设备的无菌环境非常重要。潮化瓶内通常装有蒸馏水，蒸馏水需要在灭菌环境下定期更换、潮化瓶也需要定期消毒和更换来防止细菌污染。这就为居家患者的使用带来了不便。
3.氧化钛目前已被广泛应用于卫浴、建筑玻璃、家居装潢材料领域，其禁带宽度在3.2ev左右，属于宽禁带半导体，可以在紫外光激发的条件下生成电子和空穴，发挥强的氧化还原能力，但太阳光中的紫外线含量不足光线的5％，将氧化钛薄膜材料的激发光移至可见光段，可以提高光能的利用率。为了提高氧疗潮化瓶的使用便利性，利用氧化钛薄膜对潮化瓶壁改性是一种可行的策略。
4.公开号为cn108623184a的中国专利文献公开了一种自清洁玻璃涂层的制备方法，包括：(1)制备二氧化钛溶胶：将b、zr、ce元素掺杂入二氧化钛溶胶中；(2)将掺杂的二氧化钛溶胶涂覆在玻璃表面以生成二氧化钛涂层；(3)加热以固化玻璃表面的二氧化钛涂层。该发明通过溶胶凝胶法将杂质b，zr，ce等掺入氧化钛晶格中，达到利用太阳光中的可见光的目的。该发明方法能够赋予玻璃表面高透光率，同时增加光催化效率。
5.公开号为cn107140850a的中国专利文献公开了一种镀膜抗菌钢化玻璃及其制备方法，该镀膜抗菌钢化玻璃包括玻璃基片及设置于玻璃基片表面的抗菌膜层，所述抗菌膜层为过渡膜层与银掺杂复合膜层的复合，所述银掺杂复合膜层为银-二氧化硅-二氧化钛复合膜层、银-二氧化硅复合膜层或银-二氧化钛复合膜层；所述银掺杂复合膜层中的二氧化钛为锐钛矿与金红石复合相，所述过渡膜层设置于玻璃基片与银掺杂复合膜层之间。该发明中镀膜抗菌钢化玻璃抗菌功能优异、强度高。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种潮化瓶透明抗菌薄膜，该薄膜具有高折射率元素掺杂氧化钛薄膜与低折射率非金属氧化物薄膜交替设置的多层结构，其可见光的利用率高、具有优异的抗菌杀菌性能、能够防止细菌污染，且制备方法简单，易于大规模生产。
7.具体采用的技术方案如下：
8.一种潮化瓶透明抗菌薄膜，包括潮化瓶壁内涂层和潮化瓶壁外涂层；
9.所述的潮化瓶壁内涂层为元素掺杂氧化钛薄膜；
10.所述的潮化瓶壁外涂层具有多层结构，包括交替设置的元素掺杂氧化钛薄膜和非金属化合物薄膜，交替设置的一层所述元素掺杂氧化钛薄膜和一层所述非金属化合物薄膜为一周期；每周期中，非金属化合物薄膜设置于元素掺杂氧化钛薄膜的外表面；所述交替设
置的周期为1-4；
11.所述的非金属化合物薄膜折射率低于元素掺杂氧化钛薄膜，选自氧化物薄膜或氮化物薄膜；
12.所述的元素掺杂氧化钛薄膜中掺杂的元素为氮、硅、锶、镧、镍、铁中的至少一种。
13.优选的，所述交替设置的周期为2-4；多层交替可以提高透光率，并保留潮化瓶的原色，对潮化瓶体颜色的影响较小。
14.不计潮化瓶壁的厚度，所述的透明抗菌薄膜的总厚度为30-100nm。
15.一层所述元素掺杂氧化钛薄膜的厚度为10-30nm，一层所述非金属化合物薄膜的厚度为10-30nm。元素掺杂氧化钛薄膜与非金属化合物薄膜的厚度比约为1:1，薄膜的厚度过大会影响涂层与潮化瓶壁的结合力。
16.本发明通过高价态元素掺杂的方式使氧化钛薄膜材料的激发光移至可见光段，以提高光能的利用率，并利用交替设置的元素掺杂氧化钛薄膜和非金属化合物薄膜这一结构减小反射光的干涉，增大透射光的干涉，进而增大透光率，提高光能的利用率，进而提高杀菌效果。
17.优选的，所述的潮化瓶壁外涂层在可见光波段的透光率为70-99％，进一步优选为94-99％。
18.优选的，所述的氧化物薄膜为氧化硅薄膜，所述的氮化物薄膜为氮化硅薄膜；所述的元素掺杂氧化钛薄膜为氮掺杂氧化钛薄膜或锶掺杂氧化钛薄膜；上述原料价格低廉、环保、易于获取，且作用效果好。
19.本发明还提供了所述的潮化瓶透明抗菌薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：
20.(1)利用溶胶凝胶法或雾化喷涂法在洁净的潮化瓶内壁和外壁上分别沉积一层元素掺杂氧化钛薄膜，再进行交联固化；
21.(2)利用溶胶凝胶法或雾化喷涂法在步骤(1)交联固化后的潮化瓶外表面沉积一层非金属化合物薄膜，再进行交联固化，得到所述的潮化瓶透明抗菌薄膜。
22.优选的，在步骤(2)交联固化后的潮化瓶外表面上，利用溶胶凝胶法或雾化喷涂法交替沉积元素掺杂氧化钛薄膜和非金属化合物薄膜直至达到所需周期数，得到所述的潮化瓶透明抗菌薄膜；其中，每次进行沉积元素掺杂氧化钛薄膜或非金属化合物薄膜后，都辅以交联固化处理。
23.优选的，溶胶凝胶法的操作过程为：室温下，将潮化瓶浸没到溶胶中，浸没时间为3-10s，以速度70-100mm/min提拉直至潮化瓶脱离溶胶；雾化喷涂法的操作过程为：室温下，利用孔径为0.3-0.5的喷枪将溶胶喷涂至潮化瓶上，喷枪压力为5-6mpa，出液量为50-150ml/min。
24.其中，制备元素掺杂氧化钛薄膜的溶胶粘度为1-40cp，包括质量百分比为100：1-5的钛源和掺杂元素前驱体；所述的钛源为钛酸丁酯、四氯化钛、乙酰乙酸氧钛中的至少一种；所述的掺杂元素前驱体为尿素、硅酸锶、硝酸镧、氯化镍、硝酸铁中的至少一种；
25.制备非金属化合物薄膜的溶胶为粘度为1-40cp的硅源溶液，所述的硅源为正硅酸乙酯、二甲基二氯硅烷、四羟基硅烷中的至少一种；
26.优选的，交联固化的温度为50-100℃。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
28.(1)本发明通过高价态离子掺杂使氧化钛薄膜的激发波长由紫外段移至可见光段，提高其抗菌杀菌性能；再通过高折射率元素掺杂氧化钛薄膜与低折射率非金属氧化物薄膜交替设置的多层结构来提高透光率，增大可见光的利用率，从而提高潮化瓶的自抗菌性能，防止细菌污染。
29.(2)本发明中潮化瓶透明抗菌薄膜对潮化瓶本体颜色的影响小，几乎没有色差，且潮化瓶壁外涂层的透光率可达98％。
30.(3)本发明中潮化瓶透明抗菌薄膜制备方法简单、条件温和、易于大规模生产。
附图说明
31.图1为实施例1制备的潮化瓶壁外涂层(sio2/tio
x
ny薄膜)截面的tem图。
32.图2为实施例2中制备的潮化瓶壁外涂层的透光率。
33.图3为实施例4中带有所述透明抗菌薄膜的潮化瓶与对比例1中潮化瓶的抗菌性能对比图。
具体实施方式
34.下面结合附图与实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。
35.实施例1
36.(1)选用潮化瓶为基材，依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗5分钟，确保表面干净无污染，然后将洁净的潮化瓶浸没在质量比为100：3的钛酸丁酯与尿素配制的溶胶，粘度约为20cp，然后以80mm/min的速度缓慢向上移动，直至整个潮化瓶脱离溶胶，然后放在干燥箱中80℃烘干30分钟，得到内壁和外壁上分别沉积了氮掺杂氧化钛薄膜的潮化瓶；
37.(2)将步骤(1)得到的潮化瓶的外壁浸入到正硅酸乙酯溶胶中，粘度约15cp，以80mm/min的速度提拉至整个潮化瓶移出溶胶，在80℃下干燥中30分钟交联固化得到外壁上沉积了一层氮掺杂氧化钛薄膜和一层氧化硅薄膜的潮化瓶；
38.(3)将步骤(2)得到的潮化瓶的外壁浸入到步骤(1)的溶胶中，以相同的速度提拉至整个潮化瓶移出溶胶并在同样的温度下干燥交联固化沉积氮掺杂氧化钛薄膜，干燥完毕后，重复步骤(2)中沉积非金属化合物薄膜的步骤再沉积一层氧化硅薄膜，制备得到所述的潮化瓶透明抗菌薄膜。
39.所述的潮化瓶透明抗菌薄膜包括潮化瓶壁内涂层和潮化瓶壁外涂层，潮化瓶壁内涂层为tio
x
ny薄膜，潮化瓶壁外涂层具有多层结构，包括两周期交替设置的tio
x
ny薄膜和sio2薄膜，每周期中，sio2薄膜的折射率低于tio
x
ny薄膜，sio2薄膜设置于tio
x
ny薄膜的外表面。
40.本实施例中潮化瓶壁外涂层的tem图如图1所示，从上往下第一层为tio
x
ny薄膜，第二层为sio2薄膜，第三层为tio
x
ny薄膜，第四层为sio2薄膜，其中单层tio
x
ny薄膜和单层sio2薄膜的厚度均为20nm附近。该潮化瓶壁外涂层的透光率约为94％。
41.实施例2
42.(1)选用潮化瓶为基材，依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗5分钟，确保表面干净无污染，然后将洁净的潮化瓶浸没在质量比为100：4的四氯化钛与硅酸锶配制的溶胶，粘
度约为20cp，然后以100mm/min的速度缓慢向上移动，直至整个潮化瓶脱离溶胶，然后放在干燥箱中60℃烘干40分钟，得到内壁和外壁上分别沉积了锶掺杂氧化钛薄膜的潮化瓶；
43.(2)将步骤(1)得到的潮化瓶的外壁浸入到二甲基二氯硅烷溶胶中，粘度约为25cp，以100mm/min的速度提拉至整个潮化瓶移出溶胶，在60℃下干燥中40分钟交联固化得到沉积了一层锶掺杂氧化钛薄膜和一层氧化硅薄膜的潮化瓶；
44.(3)将步骤(2)得到的潮化瓶的外壁浸入到步骤(1)的溶胶中，以相同的速度提拉至整个潮化瓶移出溶胶并在同样的温度下干燥交联固化沉积锶掺杂氧化钛薄膜，干燥完毕后，重复步骤(2)中沉积非金属化合物薄膜的步骤再沉积一层氧化硅薄膜；重复上述步骤直至外涂层达到周期数3，得到所述的潮化瓶透明抗菌薄膜。
45.所述的潮化瓶透明抗菌薄膜包括潮化瓶壁内涂层和潮化瓶壁外涂层，潮化瓶壁内涂层为sr
x
ti
1-x
o2膜，潮化瓶壁外涂层具有多层结构，包括三个周期交替设置的sr
x
ti
1-x
o2薄膜和sio2薄膜，每周期中，sio2薄膜的折射率低于sr
x
ti
1-x
o2薄膜，sio2薄膜设置于sr
x
ti
1-x
o2薄膜的外表面。
46.本实施例中，潮化瓶壁外涂层的透光率如图2所示，平均透光率在97％左右，相比于实施例1中的透光率提高了约3个百分点。
47.实施例3
48.(1)选用潮化瓶为基材，依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗5分钟，确保表面干净无污染，然后在洁净的潮化瓶内外表面喷涂质量比为100：5的钛酸丁酯与尿素配制的溶胶，粘度为20cp左右；利用雾化喷涂法沉积氮掺杂氧化钛薄膜，具体参数为：喷枪喷嘴的孔径为0.3mm，喷涂压力为6mpa，出液量控制在50ml/min，喷涂距离为25cm，喷涂完毕后放在干燥箱中70℃烘干交联固化30分钟，得到内壁和外壁上分别沉积了氮掺杂氧化钛薄膜的潮化瓶；
49.(2)在步骤(1)得到的潮化瓶的外壁继续喷涂四羟基硅烷溶胶，粘度约30cp左右，喷涂参数和步骤(1)相同，在70℃下干燥中30分钟交联固化得到沉积了一层氮掺杂氧化钛薄膜和一层氧化硅薄膜的潮化瓶；
50.(3)在步骤(2)得到的潮化瓶外壁继续喷涂步骤(1)中的溶胶，在同样的温度下干燥交联固化沉积氮掺杂氧化钛薄膜，干燥完毕后，重复步骤(2)中沉积氧化硅薄膜的步骤再沉积一层氧化硅薄膜；重复上述步骤直至外涂层达到周期数4，得到所述的潮化瓶透明抗菌薄膜。
51.所述的潮化瓶透明抗菌薄膜包括潮化瓶壁内涂层和潮化瓶壁外涂层，潮化瓶壁内涂层为tio
x
ny薄膜，潮化瓶壁外涂层具有多层结构，包括四个周期交替设置的tio
x
ny薄膜和sio2薄膜，每周期中，sio2薄膜的折射率低于tio
x
ny薄膜，sio2薄膜设置于tio
x
ny薄膜的外表面。
52.本实施例中，潮化瓶壁外涂层的可见光平均透光率为98.4％，相比于实施例2中的透光率提高了约1.4个百分点。
53.实施例4
54.(1)选用潮化瓶为基材，依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗5分钟，确保表面干净无污染，然后在洁净的潮化瓶内外表面喷涂质量比为100：3的乙酰乙酸氧钛与硝酸镧配制的溶胶，粘度为30cp，利用雾化喷涂法沉积氮掺杂氧化钛薄膜，具体参数为：喷枪喷嘴的
孔径为0.5mm，喷涂压力为6mpa，出液量控制在70ml/min，喷涂距离为25cm，喷涂完毕后放在干燥箱中70℃烘干30分钟，得到内壁和外壁上分别沉积了镧掺杂氧化钛薄膜的潮化瓶；
55.(2)在步骤(1)得到的潮化瓶的外壁继续喷涂正硅酸乙酯溶胶，粘度约15cp左右，喷涂参数和步骤(1)相同，在70℃下干燥中30分钟交联固化得到沉积了一层镧掺杂氧化钛薄膜和一层氧化硅薄膜的潮化瓶；
56.(3)在步骤(2)得到的潮化瓶外壁继续喷涂步骤(1)中的溶胶，在同样的温度下干燥交联固化沉积镧掺杂氧化钛薄膜，干燥完毕后，重复步骤(2)中沉积氧化硅薄膜的步骤再沉积一层氧化硅薄膜；重复上述步骤直至外涂层达到周期数4，得到所述的潮化瓶透明抗菌薄膜。
57.所述的潮化瓶透明抗菌薄膜包括潮化瓶壁内涂层和潮化瓶壁外涂层，潮化瓶壁内涂层为la
x
ti
1-x
o2薄膜，潮化瓶壁外涂层具有多层结构，包括四个周期交替设置的la
x
ti
1-x
o2薄膜和sio2薄膜；每周期中，sio2薄膜的折射率低于la
x
ti
1-x
o2薄膜，sio2薄膜设置于la
x
ti
1-x
o2薄膜的外表面。
58.本实施例中，潮化瓶壁外涂层的可见光平均透光率为98.5％，带有所述透明抗菌薄膜的潮化瓶的抗菌性能如图3所示，可见该涂层的抗菌性能优异。
59.对比例1
60.选用潮化瓶为基材，依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗5分钟，确保表面干净无污染，然后在洁净的潮化瓶内外表面喷涂质量比为100：3的乙酰乙酸氧钛与硝酸镧配制的溶胶，粘度为30cp，利用雾化喷涂法沉积氮掺杂氧化钛薄膜，具体参数为：喷枪喷嘴的孔径为0.5mm，喷涂压力为6mpa，出液量控制在70ml/min，喷涂距离为25cm，喷涂完毕后放在干燥箱中70℃烘干30分钟，得到内壁和外壁上分别沉积了镧掺杂氧化钛薄膜的潮化瓶。
61.本发明中潮化瓶壁外涂层的可见光平均透光率为68％，带有上述步骤制得涂层的潮化瓶的抗菌性能如图3所示，该涂层抗菌性能明显低于所述的潮化瓶透明抗菌薄膜。
62.以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述的仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。