El vidrio autolimpiante es un tipo específico de vidrio con una superficie que se mantiene libre de suciedad y mugre.
El campo de los recubrimientos autolimpiantes sobre vidrio se divide en dos categorías: hidrófobos e hidrófilos . Estos dos tipos de recubrimientos se limpian a sí mismos mediante la acción del agua, los primeros mediante gotas rodantes y los segundos mediante láminas de agua que arrastran la suciedad. Los recubrimientos hidrófilos a base de titania (dióxido de titanio), sin embargo, tienen una propiedad adicional: pueden descomponer químicamente la suciedad absorbida por la luz solar.
Los requisitos para una superficie hidrofóbica autolimpiante son un ángulo de contacto con el agua estático muy alto θ, la condición que se cita a menudo es θ>160°, y un ángulo de deslizamiento muy bajo, es decir, el ángulo de inclinación mínimo necesario para que una gota se deslice fuera de la superficie. [1]
Se conocen varias técnicas para el modelado de superficies hidrófobas mediante el uso de polímeros moldeados y ceras , por métodos de procesamiento físico como el grabado iónico y la compresión de perlas de polímero, y por métodos químicos como el desbaste químico-plasmático, que pueden dar como resultado recubrimientos ultrahidrófobos. [2] Si bien estas superficies son autolimpiantes eficaces, sufren una serie de inconvenientes que hasta ahora han impedido su aplicación generalizada. El procesamiento por lotes de un material hidrófobo es una técnica costosa y que requiere mucho tiempo, y los recubrimientos producidos suelen ser turbios, lo que impide las aplicaciones en lentes y ventanas, y materiales frágiles. La segunda clase de superficies autolimpiantes son las superficies hidrófilas que no dependen únicamente del flujo de agua para eliminar la suciedad. Estos recubrimientos descomponen químicamente la suciedad cuando se exponen a la luz, un proceso conocido como fotocatálisis . A pesar de la comercialización de un recubrimiento autolimpiante hidrófilo en varios productos, el campo está lejos de estar maduro; En la literatura primaria se publican periódicamente investigaciones sobre los mecanismos fundamentales de autolimpieza y caracterizaciones de nuevos recubrimientos.
El primer vidrio autolimpiable se basaba en una fina capa de titanio [3] . La capa se puede aplicar mediante un recubrimiento por centrifugación de un precursor quelado con organotitanato (por ejemplo, iso-tetrapropóxido de titanio quelado con acetilacetona), seguido de un tratamiento térmico a temperaturas elevadas para quemar los residuos orgánicos y formar la fase anatasa. En ese caso, el sodio podría difundirse desde el vidrio hacia el dióxido de titanio naciente, provocando una degradación del efecto hidrófilo/catalítico [4] a menos que se tomen medidas preventivas. El vidrio se limpia a sí mismo en dos etapas. La etapa " fotocatalítica " del proceso descompone la suciedad orgánica del vidrio utilizando luz ultravioleta y hace que el vidrio sea superhidrófilo (normalmente el vidrio es hidrófobo ). Durante la siguiente etapa "superhidrófila", la lluvia arrastra la suciedad, sin dejar casi ninguna raya, porque el agua se extiende uniformemente sobre las superficies superhidrófilas [5] .
En 2001, Pilkington Glass anunció el desarrollo de las primeras ventanas autolimpiantes, Pilkington Activ™, y en los meses siguientes varias otras importantes empresas de vidrio lanzaron productos similares. Como resultado, el acristalamiento es quizás la mayor aplicación comercial de los recubrimientos autolimpiantes hasta la fecha. Todas estas ventanas están recubiertas con una fina capa transparente de dióxido de titanio . Este recubrimiento actúa para limpiar la ventana en dos etapas, utilizando dos propiedades distintas: fotocatálisis e hidrofilicidad . A la luz del sol, la fotocatálisis hace que el recubrimiento descomponga químicamente la suciedad orgánica adsorbida en la ventana. Cuando el vidrio está mojado por la lluvia u otra agua, la hidrofilicidad reduce los ángulos de contacto a valores muy bajos, lo que hace que el agua forme una capa fina en lugar de gotitas, y esta capa arrastra la suciedad.
El dióxido de titanio se ha convertido en el material de elección para ventanas autolimpiantes y superficies autolimpiantes hidrófilas en general, debido a sus favorables propiedades físicas y químicas. [ cita requerida ] El dióxido de titanio no solo es altamente eficiente para fotocatalizar la suciedad en la luz solar y alcanzar el estado superhidrófilo, sino que también es no tóxico, químicamente inerte en ausencia de luz, económico, relativamente fácil de manipular y depositar en películas delgadas y es un producto químico doméstico establecido que se utiliza como pigmento en cosméticos y pinturas y como aditivo alimentario. [6]
La fase anatasa metaestable se considera generalmente la más fotocatalítica entre las estructuras polimórficas del titanio, posiblemente como resultado de un área de superficie específica típicamente más alta. [7] Además, la irradiación ultravioleta crea vacantes de oxígeno superficiales en los sitios de puente, lo que resulta en la conversión de sitios Ti 4+ relevantes a sitios Ti 3+ que son favorables para la adsorción de agua disociativa. [8] Estos defectos presumiblemente influyen en la afinidad al agua quimisorbida de sus sitios circundantes, formando dominios hidrófilos, mientras que el resto de la superficie permanece oleófila. Los dominios hidrófilos son áreas donde se adsorbe agua disociativa, asociadas con vacantes de oxígeno que se fotogeneran preferentemente a lo largo de la dirección [001] del plano (110); la misma dirección en la que se alinean los sitios de puente de oxígeno. [9]
Otras posibles áreas de aplicación son los monitores de ordenador y las pantallas de PDA , donde las huellas dactilares no son deseables. [10]
El vidrio a base de dióxido de titanio no puede descomponer depósitos espesos no transparentes, como pintura o silicona , huellas dactilares impermeables o sangrado después de la intemperie, o polvo de estuco producido durante la construcción. [11]
Desde 2001, el comité TC24 "Recubrimientos sobre vidrio" de la Comisión Internacional del Vidrio ha estado intentando establecer métodos de prueba para la evaluación de recubrimientos autolimpiantes fotocatalíticos sobre vidrio. [12]