Titanium oxide thin films for self-cleaning and anti-fog glasses

The present thesis examine the deposition processes of TiO2 thin films by PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) as self-cleaning and anti-fog treatment for glass, in order to describe the state of the art of this technology and its applications. The most important aspects of Titanium dioxide deposited films are wettabily and hydrophobicity, and the ability of self-cleaning with a photocatalytic degradation induced by UV light. In everyday life, these properties can be appreciated on window and automotive glasses, where the easy cleaning and dirt removal are fundamental for safety and hygiene. Then, some important aspects of PECVD are analyzed, focusing on characteristics that can modify film thickness, homogeneity and chemical structure, like hydrogen presence, or more practical parameters like temperature and deposition time. Modifications of further properties like mechanical (hardness and elastic modulus) or hydrophilicity are also shown. The thesis examine in detail the main industrial product in commerce, the Pilkington ActivTM, and some studies are reported concerning the behaviour against atmospheric agents and pollution; thanks to its photocatalytic degradation properties, it takes hygiene advantages in food industry; an appliance case has been reported. Last chapter presents the case study of a polymer TiO2 coating, in particular the deposition onto a Plexiglas substrate, in order to obtain similar characteristics and advantages of the usual glass coated products.

Questa tesi è dedicata allo studio del processo di deposizione di film sottili di ossido di titanio mediante PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), con l’intento di definire lo stato dell’arte di questa tecnologia, segnatamente con riguardo all’uso. Vengono introdotte anche la teoria e gli aspetti puramente scientifici dei rivestimenti in TiO2; in particolare, alcune tra le maggiori peculiarità che ne caratterizzano l’utilizzo sono le proprietà antiriflesso e l’idrofilia con liquidi e particelle solide. Sebbene siano in uso da decenni pigmenti e vernici per un trattamento brillante e di schermatura contro la radiazione solare, l’aspetto principale che viene considerato nel presente lavoro è il comportamento dello strato superficiale riguardo le capacità di reagire con i liquidi in termini di bagnabilità. Un esempio che arriva dal mondo comune sono i vetri, per uso civile e/o industriale, per i quali è sempre desiderato un comportamento idrofobico. Tale ragione è principalmente dovuta alle esigenze di pulizia (che per grandi superfici vetrate possono risultare lunghe e onerose, soprattutto se installate in zone difficilmente accessibili senza l’uso di scale o altri artefatti), e quindi indirettamente dalle capacità di sporco, inquinamento e pioggia di rimanere aggrappate alla superficie. Viene fornita una trattazione dei principali aspetti della tecnica PECVD, focalizzando alcuni aspetti che durante il processo di deposizione possono modificare e/o alterare lo spessore, l’omogeneità o la composizione chimica del rivestimento in ossido di Titanio, quali la presenza di idrogeno. Tale trattazione si estende agli aspetti prettamente pratici, quali tempo e temperatura di deposizione, e la loro influenza sulle proprietà meccaniche e sulle capacità idrofobiche. Nel particolare, per le proprietà idrofobiche e di fotocatalisi, viene approfondito il ruolo dell’esposizione alla luce solare ed ultravioletta, per determinarne il comportamento durante delle normali applicazioni di uso comune e per mostrarne le capacità autopulenti e di igiene. Nel dettaglio viene mostrato il più famoso prodotto industriale oggi in commercio, il Pilkington ActivTM, e vengono riportati alcuni studi di applicabilità e sul comportamento contro agenti esterni ed inquinamento atmosferico; per via della natura dei rivestimenti in TiO2 a degradare lo sporco grazie all’assorbimento di luce ultravioletta, viene dedicata una sezione per l’utilizzo igienico nel campo alimentare, dove tale comportamento può essere vantaggiosamente sfruttato per l’abbattimento degli inquinanti in aggiunta alle usuali tecniche e procedure di pulizia e sterilizzazione. L’ultimo capitolo presenta un caso di applicazione ai rivestimenti in Ossido di Titanio su polimeri, proponendo uno studio di caratterizzazione del Plexiglas per ottenere effetti pratici e vantaggi analoghi alla normale tecnologia applicata su vetro.