納米二氧化鈦的應用

納米二氧化鈦的應用

二氧化鈦通常被稱為鈦粉，是重要的有機活性劑之一。作為一種重要的無機功能材料，納米二氧化鈦具有廣闊的應用領域。但是由于納米二氧化鈦粒子的比表面積很大,而且配位嚴重不足,從而表現(xiàn)出極強的表面活性,使其很容易團聚在一起,從而形成帶有若干弱連接界面的尺寸較大的團聚體,影響實際應用效果。未經(jīng)表面處理的納米TiO2顆粒表面還具有親水性,不能很好地分散在有機基質中,這大大降低了超細顆粒的實際應用效果;同時在有機高分子樹脂中難以均勻分散,界面上會出現(xiàn)空隙,當空氣中的水分進入空隙中就會引起界面高聚物的降解、脆化,導致材料性能下降。為了提高納米二氧化鈦顆粒的應用性能,對二氧化鈦進行表面改性是非常有必要的。1二氧化鈦表面處理方法1.1納米ti2的表面處理無機表面處理就是在TiO2漿料中添加無機物處理劑,并使其金屬離子以氧化物或氫氧化物的形式沉積在TiO2顆粒表面。由于二氧化鈦本身有很強的光化學活性,在陽光,特別是紫外線照射下易發(fā)生失活、黃變、粉化等現(xiàn)象,影響其使用性能。在其表面包覆一層無機物后,猶如形成了一道屏障,不僅能克服上述缺點,而且能提高產品的應用性能,改善其分散性和表面活性,提高抗粉化性、保色性、耐候性和光化學穩(wěn)定性。目前常用的二氧化鈦表面無機包覆劑主要包括水合Al2O3,SiO2和Fe2O3等。以無機表面處理劑對納米TiO2粉體進行表面處理后,顆粒的團聚粒徑變小,在水中的分散性提高。在納米TiO2表面包覆一層ZnO或水合ZnO,制得的納米TiO2產品用于UV光吸收劑,具有良好的可見光透明性和屏蔽長波段紫外線的能力。這使它在粉底霜、唇膏和護膚品等化妝品中獲得了廣泛的應用。Al2O3包覆二氧化鈦的基本方法是在二氧化鈦的漿液中,加入可溶性的鋁鹽(如硫酸鋁、偏鋁酸鈉),在均勻攪拌下用酸或堿中和至pH9～10,使鋁在二氧化鈦顆粒表面以氫氧化鋁沉淀析出,包覆的三氧化二鋁約有50%～70%是以AlOOH形式存在,其余以無定形水凝膠的形式存在。孫秀果等探討了SiO2包覆納米二氧化鈦,結果表明改性后的粉體在水溶液中的分散性得到了明顯改善,親油性增加。只采用一種金屬化合物或氫氧化物作包覆劑,對二氧化鈦的改性效果是有限的?？梢圆捎没旌习布夹g?；旌习彩侵冈谕凰嵝曰驂A性條件下,用中和法同時將兩種以上包覆劑沉積到二氧化鈦顆粒表面。例如,單獨采用鋁,其保光性與抗粉化性不如鋁、硅共同包膜的效果好。經(jīng)過這種處理的產品應用于油漆中,能保證油漆抗粉化不褪色;應用于造紙中,能保障紙張不透明;應用于平光漆中,使平光漆有很高的遮蓋力。1.2非極性化合物納米二氧化鈦有機改性主要是改變它的表面性能。有機改性劑和鈦白表面的連接方式有兩種:物理吸附和化學吸附。物理吸附是因為表面活性劑分子一般由親水的極性基團和親油的非極性基團兩部分組成,當它與TiO2納米微粒接觸時,它的極性基團便被吸附在TiO2表面,讓非極性基團展露在外,與有機介質親和,從而使外界面張力降低,促使有機介質滲入聚集在一起的顆粒中,而將空隙中的空氣排斥,使TiO2顆粒相互分離,達到分散的效果。另一種方式是化學吸附,即改性劑與TiO2表面的羥基反應而連接起來,使TiO2粒子表面由親水性轉變?yōu)橛H油性,改善無機粉體與有機介質的親和性。其中最常用的方法有偶聯(lián)劑法、表面活性劑法和聚合物包覆法等。1.2.1表面處理的應用偶聯(lián)劑與二氧化鈦表面羥基發(fā)生作用,經(jīng)偶聯(lián)反應在二氧化鈦表面引入有機化的功能薄膜。常用的偶聯(lián)劑有硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸偶聯(lián)劑等。何厚康等選用5種不同種類的偶聯(lián)劑對納米二氧化鈦粒子進行了表面修飾,并對處理效果進行了表征。結果表明,不同種類、不同處理量的偶聯(lián)劑對納米二氧化鈦粉體的表面處理均有一定效果,且乳酸鈦鹽偶聯(lián)劑處理的效果尤佳。姚超等利用硅烷偶聯(lián)劑(KH-570)對表面包覆氧化硅的金紅石相納米TiO2進行了有機表面改性。結果表明,KH-570以化學鍵合的方式結合在納米TiO2的表面,并形成了有機包覆層。潤濕性實驗顯示,經(jīng)KH-570表面改性的納米TiO2具有疏水性。力學性能實驗表明,經(jīng)KH-570表面改性的納米TiO2能同時提高復合材料的強度和韌性。經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑處理的產品,應用于涂料中極大地提高了各種高聚物抗靜電性以及因疏水而排除了涂料組成的吸潮性。該產品主要是用于工程高聚物、聚氨酯涂料等領域中。陳均志等用自制鋁鋯有機金屬偶聯(lián)劑對二氧化鈦進行表面改性,在超微二氧化鈦粉體表面接枝上了鋁鋯有機基團,改性后的超微二氧化鈦粉體分散性得到改善,潤濕性也得到提高,可應用于橡膠和合成纖維的著色以及印刷油墨等領域中。1.2.2面活性劑的復配對二氧化鈦進行表面改性,主要是陽離子、陰離子和非離子表面活性劑在二氧化鈦表面改性中的應用。陽離子表面活性劑在水中離解出表面活性陽離子,陽離子表面活性劑的親水基團帶正電荷,由于靜電引力的作用,在基質表面形成了親水基朝內、非極性基團朝外的排列。陰離子表面活性劑在實際應用中使用更多。李曉娥等以鈦酸鋯偶聯(lián)劑、有機硅烷、十二烷基苯磺酸鈉、月桂酸鈉為表面處理劑,通過對改性效果的分析,篩選出最佳表面處理劑為月桂酸鈉,并得出最佳改性工藝條件。余江濤等以陰離子表面活性劑改性二氧化鈦,其表面由親水性變?yōu)橛H油性。綜合各方面的指標,陰離子表面活性劑的復配體系改性效果比單一表面活性劑好。1.2.3納米粒子的制備制備聚合物包覆法是通過在粒子表面包覆聚合物分子層,而產生了一種空間位阻斥力,從而減小了粒子間的范德華力的方法。這種方法與其他方法相比,更有利于提高在有機介質中的分散穩(wěn)定性,增強無機顆粒與聚合物基體之間的相容性,防止外界環(huán)境與納米粒子之間的作用,并能改變納米粒子的光學、磁學、熱學、電學等性能,使其滿足多種特殊需求,因而具有較高的應用價值。采用的都是先用偶聯(lián)劑、表面活性劑、聚合物等進行預處理,降低其表面活性,然后在二氧化鈦表面進行聚合物包覆改性。李國輝等利用偶聯(lián)劑對納米二氧化鈦顆粒預處理后,進行甲基丙烯酸甲酯的聚合改性,研究了聚合改性物質的結構和改性后納米二氧化鈦的分散性能。甲基丙烯酸甲酯與其反應生成聚甲基丙烯酸甲酯并均勻包覆于納米二氧化鈦顆粒的表面。通過聚合改性后的納米二氧化鈦顆粒在甲苯中具有良好的分散性能。崔永鋒等采用膠體化學方法制備表面包覆修飾的二氧化鈦納米微粒及微粒溶膠,并對二氧化鈦納米微粒溶膠的光吸收性質進行了研究。經(jīng)過表面包覆的二氧化鈦納米粒子的晶化行為和相變明顯不同于沒有表面包覆改性的樣品。表面包覆雖然不能降低相變的起始溫度,但由于它能有效抑制晶粒長大,因而可以使相變結束的溫度提前。而且表面包覆改性可以使二氧化鈦納米粒子的光吸收邊出現(xiàn)較大幅度的紅移。2納米二氧化鈦薄膜的制備研究1)實驗表明,用表面改性劑改性后的納米二氧化鈦溶膠的穩(wěn)定性有很大程度提高。在改性過程中,改性劑分子通過與納米二氧化鈦表面的羥基反應,接在納米二氧化鈦微粒表面,并將其包圍,形成芯殼結構。當微粒相互靠近時,殼層相互接觸被壓縮,殼層可能采取的構型數(shù)減少,構型熵降低,引起自由能增加,產生斥力勢能,阻止微粒相互接觸。同時,改性劑的用量和pH對體系也有影響。2)二氧化鈦薄膜被認為比其懸浮液更具有實際應用前景,因為薄膜不需要再回收。但是它的不利方面是表面積不如粉末大,光催化性受到限制。在研究中氧化硅的添加有效地提高了納米二氧化鈦顆粒的熱穩(wěn)定性,使它具有比較高的比表面積及較小的粒徑。氧化硅改性的納米二氧化鈦具有更好的光催化活性,而且隨氧化硅添加量的增加,納米二氧化鈦的光催化活性有所提高。3)用化學法制備納米二氧化鈦后再進行表面改性處理,其優(yōu)點是表面改性不會對顆粒的晶型和制備過程產生影響;缺點是納米粉體的比表面積大、表面能高,改性前很難將其分散成單個顆粒。為了改善納米二氧化鈦顆粒表面的潤濕性和分散性,可以采用有機物改性方法;為了提高納米二氧化鈦顆粒的耐久性和化學穩(wěn)定性,也可以采用無機物包裹的方法。4)選擇合適的改性劑,拓寬納米TiO2光吸收波長范圍,充分利用太陽能,發(fā)揮納米TiO