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  开发纳米银钛健康玻璃

进入二十一世纪,中国铁路迎来了划时代的变革,铁路客车的几次大提速及200Km高速动车组的开发对客车车窗玻璃提出了更高要求。同时,旅客生存环境也要求舒适、环保,确保旅客身心健康。纳米科技已成为一个国际竞相争夺的科技战略制高点,纳米银钛健康玻璃以其隔热节能、防紫外线、光能自洁、抗菌抑菌、净化空气、防雾除臭等诸多性能可充分满足铁路客车高速化发展需求。一场以应用纳米技术节约能源、资源,保护生态环境,实现可持续发展为目标的新的工业革命正在兴起。必将对铁路客车车窗玻璃及建筑民用玻璃产生深远的影响。
    一、单位现状
    唐山华达金明玻璃制品有限责任公司(简称金明公司)是唐山机车车辆厂华达总公司的下属企业。主要生产机车车辆配件、铁路用机客车中空玻璃、成型玻璃制品及民用建筑各型中空玻璃。金明公司成立于2003年7月,企业性质为股份制有限责任公司。金明公司引进济南德佳中空玻璃生产线,并于2003年8月通过了编号为WT20030837的检验,产品符合18045-2000国家标准,成为唐山首家生产槽铝式中空玻璃的厂家。
    经过两年多的经营,依靠灵活的经营机制,发挥技术、设备资源优势,取得了长足的发展,开创了良好的局面,与秦皇岛耀华集团、河南许波集团、江阴玻璃厂、辽中玻璃厂等十几个玻璃企业建立了合作关系,年生产各型铁路客车中空玻璃及高档玻璃2万多平米,成为唐山地区最大的玻璃深加工企业。
    二、纳米银钛健康玻璃的研发现状 
    1、我国玻璃生产现状
    近年来我国玻璃产量飞速增长,已建成300多家大、中、小型平板玻璃企业,全国浮法玻璃生产线100多条,总产量超过2亿重量箱,位居世界第一。玻璃品种上普通玻璃多,特种玻璃少。
玻璃行业是个规模效益和产品结构优势二者缺一不可的行业。虽然中国已成为世界玻璃生产大国,但还不是玻璃生产强国。我国近几年浮法玻璃质量虽有长足进步,但优等品仍十分短缺。众多浮法线与国外发达国家相比,在工艺技术等各项指标方面存在一定的差距。
    2、铁路行业现状
    根据近几年我国平板玻璃行业经济运行情况分析和国家有关部委发布的市场供求信息表明:我国玻璃行业处于供大于求、价格下化、效益下降的态势,年过剩量约在28%左右。供大于求的主要原因是:近年来平板玻璃生产能力增长过快,年形成1500万重量箱过剩生产能力;圆片玻璃产品结构不够合理,优质浮法玻璃的比重只占总量的12%左右,远不能满足市场对高档优质浮法玻璃的需求;用途单一、功能性差、不能激发起玻璃市场的消费欲望;普通玻璃在长时间风吹雨打之后,表面的污渍影响外观和视野。铁路客车运行时,表面积累灰尘、杂物,直接影响露可的外景观测。
    3、环境背景
    世界卫生组织估计,每三个员工可能就有一个人长期在会使他们生病的场所中工作。据上海专家估计,在写字楼工作人员中因为建筑物患病的约占25%左右,北京市有关部分曾经在全市抽查了6座新建的高档写字楼,对室内空气质量办公环境恶化进行检测,结果令人震惊,室内空气中的有害气体氨超标率达到了80.56%,臭氧的超标率达到了50%,甲醛的超标率达到了42.11%。而对于铁路客车而言,由于车体为密封结构,车型内空气流动性差,有害物质含量较高,空气质量较低,直接影响旅客的身心健康。
    三、纳米银钛健康玻璃的材料分析
    1、纳米银
    银是贵金属,纳米银市利用纳米技术将纯度99%以上的白银进行纳米化处理,使其活化,产生比普通银高出200倍以上的杀菌力,从而抑杀金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌、真菌、霉菌等40多种致病菌。
    (1)纳米银的结构
    纳米银系材料是由数个或多个单质银原子或银系化合物分子通过在介质中特定的反应形成的超细微粒,这些微粒具有单质银和银化合物所不具备的小尺寸、高活性、高表面积等特性。纳米银粒径很小,需要在电子显微镜下观察。对纳米颗粒而言,尺寸变小,其比表面积将显著增加,化学活性也更强。
    (2)纳米银的抗菌性能
    中科院、医科院、军科院、北京大学等权威机构检测认定,纳米银微粒对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、白色念珠菌等数十种致病微生物都有强烈的抑制和灭杀作用。国际著名检测机构瑞典SGS实验室对纳米银(爱杰特)进行了抗菌试验,结果显示,40ppm的纳米银,作用2分钟,对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿脓杆菌的灭杀率在99.9%以上。
    (3)纳米银的安全性
    根据美国毒物与疾病等基础及美国公共卫生局委托一家公司所做的研究,至今还没有外用银引起毒性反应或影响各系统功能以及发育和遗传毒性的报道。元素分析,证实它和食品一样安全,以5000mg/Kg的纳米银经口给予小鼠,小鼠体重及全身指标无异常反应,人体皮肤接触试验的结果为阴性。
     2、纳米二氧化钛
    钛是一种耐腐蚀性优异、量轻、质坚的金属,质量介于铁、铝之间,强度与碳钢略同。单位重量强度比约为铁的二倍,铝的六倍。耐酸性比铁高,在海洋中耐蚀性仅次于白金。与其它金属比较,导电性及导热性比较低,熔点在一般金属中最高达1668度,热传导率为铜的4.4%。
    金属名称    熔点    密度    电气传导率    热传导率
      钛        1668    4.51       3.1          4.4
      铝        660     2.70       64.0         52.7
      铁        1535    7.85       18.0         15.7
    不锈钢      1400    8.03       2.4          4.2
      铜        1083    8.93       100          10.0
    二氧化钛具有三种晶型:锐钛矿型、金红石型、板钛矿型。金红石型钛白用于涂料、绘具、印刷油墨、医药品、化妆品与食品等,钛黄用于涂料、印刷油墨、水泥等。板钛矿型不常用。锐钛矿型二氧化钛具有很多优越性,其特点是:不发生光腐蚀,耐酸碱性好,化学性质稳定,对生物无毒性,来源丰富,是目前最理性的光催化材料。
    纳米级(5—20nm)锐钛矿型二氧化钛,具有较大的光催化活性,在日光、自然光或紫外线照射下,生成化学活性超强的自由基分解污染物、降解有机物、抑杀细菌。
锐钛矿型纳米二氧化钛指标值
序号    指标              指标值
1       外观              白色粉末
2       二氧化钛含量(%   >99.5
3       平均粒径(nm)    <20
4       比表面积(m2/g)  >120
5       表观察度          <0.30
6       水悬浮液PH值      7—8(未处理型)
7       干燥失重(%)    <0.50
8       灼烧失重(%)    <1.0
    四、纳米银钛健康玻璃的作用机理
    1、亲水作用
    纳米银钛健康玻璃表面纳米二氧化钛薄膜具有超亲水性。在通常情况下,将水滴在纳米二氧化钛薄膜,薄膜与水有较大的接触角,在紫外光照射下,水的接触角减小,甚至达到0度(即水滴完全浸润纳米二氧化钛薄膜表面),显示了博膜的亲水性。
    2、自洁作用
    纳米银钛健康玻璃表面纳米二氧化钛薄膜在阳光紫外线的催化下反应,把落在玻璃上的灰尘等有机物分解,使其不能与玻璃结合 而浮于纳米二氧化钛薄膜的表面,下雨时于水自动冲洗掉污物,达到自洁效果。
    3、分解作用
    纳米银钛健康玻璃薄膜中纳米二氧化钛的电子结构为一满价电带和空的导电带,在电场作用下,产生负氧离子和氢氧自由基。当有机物质(碳氢化合物)和部分无机物接触到纳米二氧化钛薄膜表面时,便会分别被负氧离子和氢氧自由基吸附和氧化分解,最终分解为CO2和水。利用这种反应可有效分解室内的细菌、病毒、甲醛、苯、氨等有害物,达到净化空气的目的。
    4、抑菌作用
    纳米银钛健康玻璃纳米二氧化钛薄膜的超氧化能力(氢氧自由基),可以破坏病毒的细胞膜,使其细胞质流失死亡:凝固细菌的蛋白质,使其使去活性从而达到捕捉、杀灭空气中的浮游细菌。纳米二氧化钛薄膜中掺杂纳米银离子,提高了协同作用力。纳米银离子与细菌接触反应后,造成微生物固有成分破坏或产生功能障碍。当微量的纳米银离子到达微生物细胞膜时,因后者代负电荷,依靠库仑引力,使两者牢固吸附,纳米银离子穿透细胞壁进入细胞内,并于琉基反应,使蛋白质凝固,导致细胞死亡。当菌体失去活性后,纳米银离子又会从菌体中游离出来,重复进行杀菌,抗菌效果持久。 
    五、纳米银钛健康玻璃的功能效果
    1、光能自洁
    纳米银钛健康玻璃的表面纳米二氧化钛薄膜与油污接触时,因为其表面有超亲水性,污物不易在表面附着,从而使得表面长期具有防污自清洁效果,同时纳米二氧化钛的光催化氧化作用也能降解掉一部分有机物。纳米银钛健康玻璃利用这两种特性使得油污、灰尘不能和玻璃表面牢固的结合,不易在表面聚集而使玻璃较易清洁。
    2、隔热节能防紫外线
    纳米银钛健康玻璃表面的纳米二氧化钛薄膜厚度为0.3—0.5微米,在近紫外线和近红外波段具有较低的通过率,而在可见区又有很高的透过率,透过率可达75%—80%,这是门窗玻璃的最理想光谱。由于纳米二氧化钛的紫外线吸收特性,纳米银钛健康玻璃可有效阻隔阳光中的紫外线辐射。
    3、抗菌抑菌
    纳米银钛健康玻璃借助纳米二氧化钛的超强氧化能力和纳米银离子超强杀菌能力破坏空气中的细菌,抑制病毒的活性,有效除去游浮于空气中的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、白色念珠菌、绿脓杆菌。
    4、净化空气
    纳米银钛健康玻璃在光的催化作用下,能连续不断的分解甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨气等有毒有害气体,同时释放负氧离子,有效的净化空气,减少污染,改善生活和工作环境。
    5、防雾除臭
    纳米银钛健康玻璃防雾方面因纳米二氧化钛薄膜表面可以将物质表面与水接触角降低,因此玻璃表面不会有雾气形成造成视线模糊。纳米银钛健康玻璃对各种臭味物质有强力氧化消除作用,强力分解臭源,除臭功能持久有效。
    六、纳米银钛健康玻璃的覆膜工艺
    纳米银钛健康玻璃属于深加工项目。质量关键是覆膜用纳米银钛母液。制备纳米银钛母液的关键是光催化剂的选择,选用纳米二氧化钛做为纳米银钛健康玻璃的光催化剂有其必然性。产品质量具有可靠的保障。
纳米银钛健康玻璃覆膜工艺一般有两种方式:自动化生产线覆膜,人工控制机械覆膜。
    七、铁路客车对纳米银钛健康玻璃的应用
    采用纳米银钛健康玻璃的铁路客车,玻璃表面形成无色、无毒、无味、光滑透明的分子级纳米保护层,防止玻璃磨损及酸雨烟雾污渍侵蚀,并使以被侵蚀的玻璃表面得到修复。当铁路客车车速达到60Km/小时以上时,可以保持清晰视野,灰尘污渍难以附着,不会在玻璃上形成水膜,玻璃表面也不会因细小沙尘产生划痕。
同时,超强的防紫外线功能可以确保旅客皮肤不受伤害,抗菌抑菌、净化空气、防雾除臭可确保良好的旅客生存环境。
    八、我单位投资纳米银钛健康玻璃的经济分析
    根据我厂现有条件,亦先采用人工控制机械覆膜,设备投资为1万元左右,覆膜纳米母料成本单位平米为10元左右。生产场地可把原生产厂房向西扩出7-8米,修建生产区域,重新整修交通道,初步预算资金为18-20万元。产品运用于铁路客车中空玻璃,采取中空玻璃两外侧面单面覆膜。按年生产2万平米计算,年可创产值400万元,增加50多万元利润。
    在取得一定规模后,引进自动化生产线覆膜(需投资30多万元),谋求公司的发展,实现“依靠铁路谋生存,走出铁路求发展”的经营目标。积极开拓民用建筑市场,在唐山地区取得一定规模效益的同时,逐步占领北京、天津的周边城市市场。
    铁路客车有了纳米银钛健康玻璃这一保障,充分适应于铁路客车高速运行的要求,提高了旅客乘坐的舒适性及安全性,必将对铁路事业带来深远的影响。同时,纳米银钛健康玻璃的问世,改变了玻璃的性能,玻璃市场竞争已不再是同类性能产品质量优与劣的差异,而是不同性能产品本质上的差别。采用纳米技术改造传统产业,促进产品更新换代,这是玻璃产业的飞跃,必将带来巨大的经济效益和社会效益。

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