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本科毕业论文（设计）题目：玻璃外墙自动清洁机器人（验证机）学院：物理与电子科学学院专业：电子信息科学与技术诚信承诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文《玻璃外墙自动清洁机器人（验证机）》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。
承诺人（签名）：2013 年 4 月20 日玻璃外墙自动清洁机器人（验证机）摘要：本文主要介绍了玻璃外墙自动清洁机器人的设计背景、设计思路、制作过程、工作原理、验证过程以及使用方向。
由于限于实验室条件以及对设计思路可行性的不确定性，所以决定先做一个验证机，即验证方案的可行性和对后期产品的设计提供方案。
玻璃外墙机器人在制造过程中主要使用了以下器件和材料，方管铝合金，自攻螺丝钉，铝板，DC5V步进电机，超大吸盘，微型抽气机，8mm丝杆，5mm空气导管，无线模块，5V直流电源模块，74HC595以及单片机。
玻璃外墙机器人主要是由铝合金搭建主框架，这样可以在不降低机器人强度的情况下减轻重量。
机器人铝合金结合部以铝片加自攻螺丝钉加固，运动部分使用8mm丝杆加齿轮以控制运动，动力则采用DC5V步进电机的转动带动机器人运转，在工作时，以微型抽气机抽出超大吸盘内的空气以使机器人吸在玻璃墙幕上，整个机器人使用51单片机来控制驱动，使用74HC595对单片机的I/O口进行扩展，机器人用220V交流电转5V直流电源模块供电，以确保步进电机能达到额定电流，提供强劲的动力，再用无线模块控制机器人的状态，使得机器人稳定有序的工作。
可以适合全玻璃结构的建筑体以及建筑中部分的玻璃墙面的清洁工作，它可以在无人干预的情况下完成指定玻璃墙面的清洁，替代传统的人工室外清理,。
使用玻璃外墙自动清洁机器人可以最大化的降低人的危险和劳动强度，提高工作效率，降低成本。
它还具有越障功能，对于有起伏有其他装饰材料的玻璃墙幕同样适合，同时它还能转弯，不光能垂直上下，还能向左向右移动真正做到清洁无死角。
什么是纳米自清洁玻璃普通玻璃与水的接触解为30-40度，所以玻璃很容易形成水珠，并且水珠不易滑落，在水珠干燥过程中，又极容易吸咐空气中的灰尘，干燥后形成水痕，天长日久，形成污垢，形成污染。
纳米高透自洁玻璃触角为1-5度，水与纳米二氧化钛薄膜超强亲和，超强亲和力远大于一般灰尘和污垢与玻璃的亲和力，从而，形成非常均一，均匀的水膜将玻璃表面灰尘，污垢浮起，并随着重力水膜很快滑落玻璃，同时，带走玻璃表面灰尘和大部份污垢，玻璃表面不留水痕，玻璃表面洁净如新，自清洁能力超强。
目前市场上一般采用CVD（化学气相沉积）方式制作的自清洁玻璃，接触角为17度，亲水性一般，携带灰尘和污垢的能力较弱，自清洁能力弱。
一、应用领域：1，建筑玻璃：建筑幕墙玻璃，建筑门窗玻璃，建筑装饰玻璃。
2，防雾玻璃系列：浴室防雾玻璃，装饰防雾玻璃。
二、产品描述：纳米自清洁玻璃是一种易于清洁维护的功能性中性色纳米镀膜玻璃。
1、无机污渍的清洁：通过天然降水的自然冲刷或者人工水定期喷淋，即可保证玻璃洁净始终如一。
2、有机污渍的清洁：通过光催化作用，纳米自清洁薄膜，可以有效分解覆着在玻璃表面的有机沉淀物。
3、替代传统玻璃清洁方式的优势：免除人工清洗，和建筑吊篮清洗具有五大优势：第一：节省清洗费用，使得清洁玻璃成为一劳永逸。
第二：降低人工清洗使用的清洗剂带来的对玻璃结构的腐蚀和破坏。
第三：降低高空清洗作业带来的安全风险。
第四：解决非立面建筑墙面，屋面的清洗难题，完美展现现代建筑艺术风格。
第五：先进清洗方式，真实体现环保价值。
三、基本性能1、自清洁的纳米超亲水功能：经过处理的玻璃表面具有超亲水性能。
该特性可以使水分完整均匀地在玻璃表面铺展开来，同时，完全地浸润玻璃和污染物，最终通过水的重力将附着于玻璃上的污染物携带走。
从而达到自清洁效果，并保持玻璃的长期清洁。
而普通玻璃则会在表面上形成水珠，粘附灰尘，2、分解有机物的光催化功能：在阳光或紫外光的照射下，自清洁纳米薄膜材料对有机物会具有强烈的分解作用，而对无机物不会发生任何作用。
《自清洁玻璃》“浙江制造”标准编制说明1 项目背景随着现代社会的快速发展进步，能源消耗逐年快速递增，工业用煤和汽车尾气，导致大气中粉尘颗粒严重超标。
大气中粉尘颗粒形成气溶胶，颗粒做不规则布朗运动并发生碰撞，碰撞颗粒之间由于静电吸引发生团聚，在重力或静电的作用下，吸附和附着在建筑物的表面而影响建筑物表观清洁度，尤其对玻璃建筑幕墙影响尤甚。
传统解决建筑玻璃幕墙表面灰尘的方法是通过蜘蛛人高空作业，对玻璃进行清洗，但该方法存在以下缺点：①清洗成本高，目前市场上人工清洗价格约为20元/平米，并且清洗成本随劳务成本的逐年增加而提高；②清洗难度大，尤其是对高层玻璃的清洗，存在高空作业危险性；③水资源浪费严重；④玻璃自身不洁净，用水清洗过程中，玻璃表面残留水珠，导致后期产生污渍，引起二次污染。
自洁玻璃是指普通玻璃在经过通过特殊的物理或化学方法处理，在其表面产生独特的物理性能，从而使玻璃不再通过传统的人工擦洗方法而达到清洁效果的玻璃。
普通玻璃与水的接触角为30-40度，玻璃表面很容易形成水珠，并且水珠不易滑落，在水珠干燥过程中，极易吸咐空气中的灰尘形成水痕，天长日久，形成污垢。
纳米自洁玻璃在玻璃表面形成特殊纳米涂层，使得玻璃与水的接触角仅为1-3度，二者的超强亲和力远大于一般污垢与玻璃的亲和力，从而形成非常均匀的水膜带走玻璃表面灰尘和污垢，玻璃表面不留水痕，洁净如新。
制造团体标准《自清洁玻璃》一旦实施，将在指导企业生产、产品检测，维护社会各方利益、提高市场产品的可靠性、推动行业健康有序发展方面起到重要的积极作用。
2 项目来源由浙江鼎昇新材料科技股份有限公司。
向浙江省品牌建设联合会提出立项申请，经省品牌联论证通过并印发了《关于2019年第二批“浙江制造”标准制订计划的通知》（浙品联[2019]8号），项目名称：《自清洁玻璃》。
3 标准制定工作概况3.1 标准制定相关单位及人员3.1.1本标准牵头组织制订单位：杭州方信企业管理有限公司。
二氧化钛自清洁原理“哇，这玻璃怎么这么干净呀？”我和小伙伴们在公园里玩耍，看到旁边的玻璃亭子一尘不染，都惊讶极了。
嘿，你们知道吗？这干净的玻璃背后可有着神奇的秘密呢，那就是二氧化钛自清洁原理。
先来说说这二氧化钛自清洁的结构吧。
它就像一个小小的魔法精灵，有几个关键部件呢。
首先就是二氧化钛啦，这可是主角。
它就像一个勤劳的小卫士，守护着各种物品的干净整洁。
那它有啥功能呢？它能让脏东西没办法在物体表面停留，超级厉害呢！就好像一个强大的盾牌，把灰尘、污渍都挡在外面。
再讲讲这神奇的原理是咋工作的吧。
二氧化钛在阳光的照射下，就会变得活力满满。
它就像一个小太阳，吸收着阳光的能量。
然后呢，它会把这些能量变成一种神奇的力量，把脏东西分解掉。
哎呀，这就像一场魔法大战，二氧化钛这个小魔法师把污渍这个大坏蛋打得落花流水。
比如说，有一滴水落在涂有二氧化钛的物体表面，这水滴就像是一个小侦探，它会带着二氧化钛的魔法力量，把周围的脏东西都找出来，然后一起消灭掉。
这是不是超级酷呀？那这二氧化钛自清洁都能用在啥地方呢？那可多啦！就说我们家的窗户吧，以前妈妈总是要费力地擦窗户，累得腰酸背痛。
现在有了二氧化钛自清洁的窗户，就不用那么麻烦啦。
窗户就像一个自动清洁的小天使，自己就能把灰尘和污渍赶走。
还有公园里的那些长椅呀，如果也涂上二氧化钛，那我们坐上去就不用担心弄脏衣服啦。
长椅就像一个贴心的好朋友，总是给我们一个干净舒适的地方休息。
还有汽车的挡风玻璃，如果也有二氧化钛自清洁功能，那爸爸开车的时候就看得更清楚啦，也更安全。
汽车的挡风玻璃就像一个勇敢的卫士，为我们挡住风雨，还能保持自己的干净整洁。
想象一下，如果整个世界都用上了二氧化钛自清洁技术，那该多好呀！街道会变得干干净净，就像刚刚被水洗过一样。
房子也会永远保持漂亮的颜色，不会被灰尘和污渍弄脏。
我们的生活也会变得更加美好，更加舒适。
我觉得这二氧化钛自清洁技术真的是太神奇啦！它就像一个魔法棒，给我们的生活带来了很多便利。
涂料的自清洁特性与应用研究在当今社会，涂料作为一种广泛应用于建筑、工业、交通等领域的材料，其性能和功能不断得到拓展和创新。
其中，自清洁涂料因其独特的特性和广泛的应用前景，受到了越来越多的关注和研究。
自清洁涂料是一种具有特殊表面性能的涂料，能够在自然环境中自动去除表面的污垢、灰尘、污染物等，保持表面的清洁和光洁。
这种特性使得自清洁涂料在许多领域具有重要的应用价值。
一、自清洁涂料的原理自清洁涂料的自清洁原理主要包括两个方面：一是超疏水/超亲水特性，二是光催化作用。
超疏水特性是指涂料表面具有极低的表面能，水在其表面形成球状，容易滚落并带走表面的污垢。
这种超疏水表面通常是通过特殊的表面结构和化学组成来实现的。
例如，表面具有微纳结构的粗糙度，同时涂层中含有低表面能的物质，如氟碳化合物、硅氧烷等。
超亲水特性则是指涂料表面能够迅速吸收水分，使水分在表面形成均匀的水膜，将污垢溶解并冲走。
这种超亲水表面通常是通过在涂层中引入亲水基团或纳米粒子来实现的。
光催化作用是另一种常见的自清洁原理。
常见的光催化剂如二氧化钛（TiO₂），在紫外线或可见光的照射下，能够产生强氧化性的自由基，将有机污染物分解为无害物质。
这种光催化自清洁涂料不仅能够去除表面的污垢，还能够降解空气中的有害气体。
二、自清洁涂料的类型根据自清洁原理的不同，自清洁涂料主要可以分为以下几种类型：1、超疏水自清洁涂料这类涂料主要利用超疏水特性实现自清洁。
其在建筑外墙、玻璃幕墙、汽车表面等领域有广泛应用。
例如，建筑外墙上的超疏水涂料可以减少雨水的残留，防止污垢和藻类的附着，保持建筑物外观的清洁和美观。
2、超亲水自清洁涂料超亲水自清洁涂料在玻璃、陶瓷等表面有较好的应用。
如自清洁玻璃，能够在雨水的冲刷下迅速清洁表面，提高玻璃的透明度和采光效果。
3、光催化自清洁涂料光催化自清洁涂料由于其能够同时去除表面污垢和降解空气中的污染物，在室内外环境净化方面具有很大的潜力。
例如，在医院、学校等公共场所的墙面涂料中使用光催化自清洁涂料，可以有效减少细菌和病毒的传播，改善室内空气质量。
第37卷第9期2009年9月化 工 新 型 材 料NEWCHEMICALMATERIALSVol137No19
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基金项目:上海市科委纳米专项资助项目(0352nm064),东华大学科学技术发展基金资助作者简介:段琼娟(1985-),女,研究生,研究方向:纳米材料及纳米复合材料。
自清洁玻璃的研究进展段琼娟 王 彪 王华平(东华大学材料学院,上海201620)摘 要 分别论述了超亲水和超疏水自清洁玻璃的主要制备方法及各种方法的优缺点,详细阐述了自清洁玻璃的最近研究进展,并对其今后的研究方向进行了展望。关键词 自清洁玻璃,氧化钛,超亲水
Researchprogressoftheself2cleaningglassDuanQiongjuan WangBiao WangHuaping(CollegeofMaterialScienceandEngineering,DonghuaUniversity,Shanghai201620)Abstract
Inrecentyears,studiesonself2cleaningglasshaveattractedconsiderableattention.Thepreparingmeth2
odsandthelatestresearchworksofself2cleaningglasshadreviewed.Thefurtherdevelopmentoftheself2cleaningglasshadalsodiscussedindetail.Keywords
self2cleaningglass,TiO2,super2hydrophilicity
所谓自清洁玻璃,是指普通玻璃在经过特殊的物理或化学方法处理后,其表面产生独特的物理化学特性,从而使玻璃不再通过传统的人工擦洗方法而在自然雨水的冲刷下达到清洁一新的状态。自清洁玻璃按亲水性分类可分为超亲水性自清洁玻璃和超疏水性自清洁玻璃。1 超亲水性自清洁玻璃具有超亲水性的自清洁玻璃从材质方面看来一般都是无机材料组成的膜,如:TiO2、SnO2等。但目前已经投入使用和研究开发的自清洁玻璃的表面功能膜材料主要是TiO2以及TiO2与其他金属、金属氧化物或其他元素掺杂的复合物。超亲水性自清洁玻璃的自清洁功能表现为两方面:一是靠其表面对水的亲和性,使水的液滴在玻璃材料表面上的接触角趋于零。当水接触到玻璃材料时,迅速在其表面铺展,形成均匀的水膜,表现出超亲水的性质,通过均匀水膜的重力下落带走污渍,通过该方式将可以去处大部分有机或无机污渍。二是光催化分解有机物的能力,TiO2在紫外光或可见光照射下,当照射光子的能量大于或者等于其能带宽度的时候,介带中的电子被激发,越过价带进入导带,在导带和价带上形成电子-空穴对,电子、空穴具有不同的活性,分别与吸附在TiO2表面的有机物质发生氧化还原反应,生成水和CO2,从而达到降解有机物的目的。目前工业化生产的制备超亲水性自清洁玻璃的方法主要包括了化学气相沉积法(CVD)、溶胶2凝胶高温烧结法(Sol2Gel)和磁控溅射法,下面对这三种方法分别进行介绍:111 化学气相沉积法化学气相沉积法是最早进行研究和在生产线上使用的自清洁玻璃制备方法[1],目前国际上有影响的几条自清洁玻璃
生产线都用这种方法进行生产。英国的Pilkington公司、美国的PPG公司、法国圣戈班集团、日本旭硝子公司和中国耀华公司都采用这种方法生产自清洁玻璃。化学气相沉积法实质上是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质或气体供给基板,借助气相反应,在基片表面上反应生成薄膜的方法。按反应方式,它分为两种形式:一种是热分解反应沉积,利用化合物受热分解的性质,在基片表面得到TiO2固态膜。另一种是化学反应沉积,通过两种或两种以上气体物质在加热的基片表面进行化学反应而沉积成TiO2固态膜。
2002年英国Pilkington公司利用CVD技术沉积制造出了世界第一块应用型自清洁玻璃,并已推广应用。2002年,古巴哈瓦那大学的Zumeta和西班牙巴塞罗那大学Ayllon[2]等合作研究了以微波活化沉积化学法在导电ITO涂层上制备纳米TiO2薄膜。2003年,英国Pilkington公司的Sanderson
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等人发表文章,论述了他们的研究工作,即采用APCVD方法制备了TiO2自清洁玻璃。国内的专利方面,目前有张敬畅[3]、吴兴惠[4]等申请了使用CVD法制备TiO2自清洁玻璃的专利。 化学气相沉积法的优点有以下两点:一是制备的膜纯度高,致密性好,容易形成良好的结晶材料。在沉积反应过程中,通过改变或调整参加化学反应的组成,就能方便地控制沉积物的成分和特征,制得各种不同的功能的薄膜和材料。二是一旦工艺控制参数确定,可以规模化连续生产,工艺上易于化工新型材料第37卷控制,产品质量稳定。但化学气相沉积法也有个缺点,设备要求高,成本高,导致生产成本高。112 溶胶2凝胶高温烧结法溶胶2凝胶高温烧结法是目前已经产业化和自清洁效果(尤其是光催化效果)最为有效的自清洁玻璃生产的方法。该
方法从溶液出发,经过溶液的溶胶化、凝胶化后,在低温条件下制备出纳米薄膜,然后对玻璃进行镀膜与钢化得到自清洁玻璃。一般采用溶胶2凝胶法制备纳米TiO2膜的顺序为:先由含钛化合物溶液制备TiO2溶胶,然后将溶胶涂布于玻璃表面,在玻璃表面TiO2的溶胶经过自然挥发或热处理进行凝胶,并在玻璃表面固化成型。一般溶胶2凝胶法得到的纳米TiO2都是锐钛型,所以其光催化效率最高。而经过干燥或钢化处理的玻璃膜由于其中有机物的气化挥发使膜表面呈多孔状态,光催化效率更好。1995年美国的Paz和Lou[526]制备了玻璃上的光氧化自
清洁透明TiO2膜,研究发现用溶胶2凝胶法在钠钙玻璃和石英上可得到具有光催化活性并且透过率很高的膜。1999年,
余家国等[729]采用溶胶凝胶法对有关自清洁玻璃的制备、表征、改性等进行了大量的研究,并有大量相关研究论文发表。2000年,日本soda公司Shigemichi与日本东京大学先进科学技术中心ToshiyaWatanabe等[10]合作采用溶胶2凝胶法在钠钙玻璃上制备纳米TiO2膜,并对纳米TiO2膜光催化活性和光致超亲水性进行了细致的研究。2003年,任达森[11]采用溶胶2凝胶法制备了SiO2/TiO2镀膜玻璃,并研究其光催化性能。2004年,土耳其伊斯坦布尔科技大学SamED等[12]研究了用
溶胶2凝胶法在钠钙玻璃上制备TiO2自清洁玻璃,并对纳米TiO2表面粗糙度、膜厚度、膜层数对光催化活性的影响等进
行了研究。侯梅芳等[13]用溶胶2凝胶法制备了掺Nd3+的TiO2光催化薄膜。从公布的专利方面来看,制备自清洁玻璃的方法为溶胶2凝胶法的有曾妙庄[14]、赵修建[15]、周永文[16]、王玉震[17]、仁达森[18]等。 溶胶2凝胶烧结法作为一种自清洁玻璃的制备方法,其优点是:低温也可以得到自清洁玻璃,通过调整原料溶液的组成、PH值、反应温度和干燥时间等因素可以容易调整材料的微孔径大小及分布和结晶体在材料内的排列状况,得到理想的膜材料。但是,溶胶2凝胶烧结法在规模化生产中可能出现涂布不均的情况,而且凝胶的制备的热处理参数的控制对凝胶的性质影响太大。113 磁控溅射法磁控溅射法是薄膜物理气相沉积(PVD)的一种方法,是与化学气相沉积相联系又截然不同的一类薄膜沉积技术。在环状磁场控制下的辉光放电条件下,利用气体放电产生的正离子,在电场作用下加速成为高能粒子,撞击固体膜层材料的表面,进行能量和动量交换后,膜层材料的原子或分子在轰击下离开表面并沿着一定的方向溅射向衬底,从而实现在衬底上薄膜的沉积。1999年,董昊[19]等采用直流磁控溅射方法制备TiO2玻
璃并研究了其光催化性能。2003年,Okada[20]等以导电玻璃为衬底,用直流磁控溅射法,以金属Ti为靶电极,在O
2(
13%
Ar)的气氛中沉积了纯TiO2薄膜,最后用离子轰击表面得到
N掺杂的TiO2薄膜。2004年,德国Zywitzki[21]等研究脉冲
磁控溅射法沉积制备纳米TiO2晶体膜的结构与性能关系,发现脉冲形式对TiO2结构有一定影响。Torres等[22]利用直流磁控溅射,通过控制Ar、O2、N2比例制备N掺杂的TiO2薄膜,并研究了它在水解液中的光催化活性。国内专利方面,使用磁控溅射法制备TiO2玻璃的有王浩[23]、唐振方[24]、杨锡良[25]等。磁控溅射是一种新型、低温溅射镀膜方法,得到的膜层纯度高,膜厚可控,重复性好,而且膜层与基片的的附着力强。但是该方法还不适于大量生产,该法镀膜效率低,而且膜厚达不到要求的光催化效果。
2 超疏水性自清洁玻璃通常,有机自清洁玻璃都是超疏水的,利用超疏水技术使得玻璃表面产生超疏水和超疏油的特殊表面,使处在玻璃表面的水无法吸附在玻璃表面而变为球状水珠滚走,亲水性污渍和亲油性污渍无法粘附于玻璃表面,从而保证了玻璃的自清洁。疏水自清洁玻璃大多模仿荷叶的自清洁效果,在玻璃表面镀一层疏水膜制备而成的。这种疏水膜可以是超疏水的有机高分子氟化物、硅化物和其他高分子膜,也可以是具有一定粗糙度的无机金属氧化物膜。2001年德国Reihs等[26]用有机高分子材料制备出一种具
有光性能的持久性憎水自清洁镀膜玻璃,其亲水角大于150°,
滚动角小于10°,并研究了表面膜结构对表面润湿性、光散射和化学老化等因素的影响。专利方面,陆明业等[27]申请了疏水玻璃的专利,通过沉积膜技术在玻璃表面镀纳米材料疏水膜。但是由于疏水玻璃的时效性差,无法保证玻璃产品作为耐用消费品的长期使用寿命,从而无法保证真正意义上的自清洁效果,目前该问题还有待解决。
3 自清洁玻璃的应用领域及今后发展方向自清洁玻璃的研发和制备对发展新的生态建筑材料和环境协调型材料,保护环境和实现可持续发展具有重要意义,这类新型功能材料的使用面极广,具有广阔的发展和应用前景,
可广泛应用在与人们生活环境相关的玻璃和玻璃制品上。其在紫外光照射下能够降解有机物,具有杀菌的效果,可以用于医院手术仪器、厨房玻璃等;其超亲水性使空气中的水蒸气不会凝结在玻璃表面,可以用于汽车挡风玻璃及后视镜,浴室镜子,眼睛镜片,仪器仪表玻璃等;其自清洁性能使其广泛用于玻璃幕墙、门窗玻璃、天窗玻璃、家电玻璃、灯具灯罩玻璃等。但是,目前自清洁玻璃的产业化受到了一些技术上的制约:其在可见光下的光催化效率太低、TiO2膜的大面积制备技术也不够成熟,此外,自清洁玻璃自清洁性能的持久性还有待提高。许多研究机构也在对解决这些技术问题进行研究,今后的自清洁玻璃将会朝着更高光催化效率,更稳定的自清洁性能方向发展。同时,自清洁玻璃的应用领域还可以不断的拓宽,如空气净化、污水处理、光催化反应器和太阳能电池组件等。
