納米TiO2/ACF復(fù)合物制備的影響因素*

李學(xué)佳 傅海洪 季 濤

(南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，南通，226007)

在保持納米TiO2光催化劑及ACF(活性碳纖維)各自優(yōu)點(diǎn)的前提下，將納米TiO2光催化劑負(fù)載到ACF上，可以使復(fù)合物具有吸附、光催化雙重特性。納米TiO2/ACF復(fù)合材料在紫外光的照射下具有高效的光催化效果，可以用來分解有毒氣體(如甲醛、苯、氧化氮等)，殺死其表面接觸的細(xì)菌。該材料在空氣凈化和殺菌抑菌方面有著重要的應(yīng)用，因此相關(guān)的研究工作也頗有意義［1-2］。

本文通過溶膠—凝膠法制備出納米TiO2/ACF復(fù)合物，計(jì)算復(fù)合物的制得率，并采用正交試驗(yàn)法研究浸泡溫度、浸泡時(shí)間及涂層次數(shù)對(duì)復(fù)合物制備的影響。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及過程

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

本試驗(yàn)用的ACF是黏膠基活性碳纖維氈，其比表面積為1 300 m2/g，厚度為2.5 mm(江蘇蘇通碳纖維有限公司提供);鈦酸四正丁酯(分子式C16H36O4Ti，分子量340.36，化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);乙酰丙酮(分子式C5H8O2，分子量100.12，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

試驗(yàn)用設(shè)備主要有78-1型磁力加熱攪拌器(金壇市科析儀器有限公司);Y801A型恒溫烘箱(常州紡織儀器廠);HH-S型恒溫水浴鍋(金壇市恒豐儀器廠)。

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 ACF 的預(yù)處理

將活性碳纖維氈剪成一定大小的方形試樣，用清水對(duì)試樣進(jìn)行多次洗滌，以除去纖維中的雜質(zhì)和散纖維;然后將試樣置于100℃恒溫烘箱中烘干;最后再將烘干后的纖維氈用無水乙醇進(jìn)行二次清洗并干燥，以除去其中可能含有的不溶于水的雜質(zhì)。

1.2.2 TiO2溶膠的制備

首先用量筒量取20 mL無水乙醇置于錐形瓶中，放在磁力攪拌器上;然后用滴定管取2 mL鈦酸四正丁酯，以1～2滴/s的速度滴加到20 mL無水乙醇中，再以相同操作取0.5 mL乙酰丙酮加入其中;混合液使用磁力攪拌器攪拌10 min，形成溶液A。用量筒量取7 mL無水乙醇置于另一錐形瓶中，再取1 mL蒸餾水加入其中形成溶液B。最后將溶液A以1～2滴/s的速度緩慢滴加到溶液B中，得到TiO2溶膠，使用磁力攪拌器攪拌24 h待用［3］。

1.2.3 TiO2/ACF 的復(fù)合

用離心管取5 mL配好的TiO2溶膠，放在設(shè)置一定溫度(20～40℃)的恒溫水浴鍋中;將在恒溫烘箱中烘干至恒重的活性碳纖維氈取出，稱其質(zhì)量并記錄數(shù)值(復(fù)合前質(zhì)量);然后將活性碳纖維氈放入離心管中浸泡一定時(shí)間(5～25 min)，取出浸泡好的纖維氈置于100℃恒溫烘箱中烘干10 min，完成第一次涂層。用離心管重新取5 mL TiO2溶膠，將完成第一次涂層的纖維氈放入其中浸泡，然后烘干，完成第二次涂層。重復(fù)以上操作可進(jìn)行不同涂層次數(shù)的試驗(yàn)。將完成全部試驗(yàn)操作后的纖維氈置于100℃恒溫烘箱中烘干至恒重，稱其質(zhì)量并記錄數(shù)值(復(fù)合后質(zhì)量)。

試驗(yàn)中均是保持兩個(gè)試驗(yàn)條件不變(如浸泡時(shí)間、浸泡溫度)，只改變一個(gè)試驗(yàn)條件(如涂層次數(shù))得出的結(jié)果，每組試驗(yàn)有兩個(gè)平行樣，最后取平均值［4-8］。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

通過單因素試驗(yàn)，確定浸泡溫度應(yīng)控制在30℃以內(nèi)，浸泡時(shí)間應(yīng)控制在5～15 min內(nèi)，涂層次數(shù)應(yīng)控制在3次以內(nèi)。設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)因子水平如表1所示［9］。

表1 因子水平編碼表

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及討論

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

按照上述試驗(yàn)步驟對(duì)正交試驗(yàn)方案中的各組數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，并計(jì)算制得率。

正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

TiO2/ACF復(fù)合物試驗(yàn)極差分析見表3，其中Ki(i=1，2，3)為各因素下相同水平的指標(biāo)之和，ki為平均值，極差R為相同因素不同水平的指標(biāo)平均值中最大值與最小值之差，即R=kmaxkmin。

表2 優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果記錄

表3 復(fù)合物制得率極差分析表

由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知因素與指標(biāo)間的變化規(guī)律如下：

浸泡溫度由20℃增加到30℃，復(fù)合物制得率逐漸下降;浸泡時(shí)間由5 min增加到15 min，復(fù)合物制得率也逐漸下降;涂層次數(shù)由1次增加到3次，復(fù)合物制得率逐漸提高。

一個(gè)因素的極差說明了該因素在試驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響的大小，極差越大，說明該因素對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響越大，反之則越小。因此，各因素對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響的大小順序?yàn)椋篊(涂層次數(shù))＞B(浸泡時(shí)間)＞A(浸泡溫度)。

3.2 討論

3.2.1 涂層次數(shù)的影響

第一次涂層后，負(fù)載量很大，以后隨著涂層次數(shù)的增加，負(fù)載量逐漸緩慢地增加，但涂層超過3次后，負(fù)載量開始略微下降。這可能是因?yàn)榛钚蕴祭w維為多孔結(jié)構(gòu)，表面較為粗糙。因此，第一次涂層時(shí)較容易負(fù)載，以后涂層時(shí)是在第一次所形成涂層的基礎(chǔ)上涂覆，負(fù)載到一定量后負(fù)載量不再增加。所以涂層次數(shù)應(yīng)控制在3次以內(nèi)。

3.2.2 浸泡時(shí)間的影響

當(dāng)浸泡時(shí)間為5 min時(shí)，復(fù)合物制得率最高，在5～15 min內(nèi)，復(fù)合物制得率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì);超過15 min后，復(fù)合物制得率趨于穩(wěn)定。所以浸泡時(shí)間應(yīng)控制在15 min之內(nèi)。

3.2.3 浸泡溫度的影響

當(dāng)浸泡溫度為20℃時(shí)，復(fù)合物制得率最高。由于ACF的吸附包括物理吸附和化學(xué)吸附，化學(xué)吸附需要較高的活化能，并與溫度有關(guān)，必須確定最低溫度;物理吸附則恰恰相反，在低溫條件下十分有效，因此理論上，吸附的反應(yīng)溫度相對(duì)較低的情況下效果更好。所以浸泡溫度應(yīng)控制在30℃以內(nèi)。

3.2.4 最優(yōu)方案的選擇

各因素的最優(yōu)水平分別為：浸泡溫度的第1水平，浸泡時(shí)間的第1水平，涂層次數(shù)的第3水平。由此得到最優(yōu)方案組合為A1B1C3，即浸泡溫度為20℃，浸泡時(shí)間為5 min，涂層次數(shù)為3次。

由表2可以看出，A1B1C3這種組合在試驗(yàn)中并未做到，只做了比較接近的A1B1C1、A1B3C3和A3B1C3三種組合。這種情況在正交試驗(yàn)中是經(jīng)常出現(xiàn)的，這是因?yàn)槿齻€(gè)3水平因素的全部水平組合共有27種，而我們只做了其中的9種組合。

通過分析可估算最優(yōu)條件下制得率的值為61.34%［9］。

試驗(yàn)中，采用優(yōu)化參數(shù)，即浸泡溫度為20℃、浸泡時(shí)間為5 min、涂層次數(shù)為3次進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，計(jì)算出的制得率在63%左右。

4 結(jié)語

通過試驗(yàn)及對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析可知，涂層次數(shù)對(duì)復(fù)合制備的影響最大，而浸泡溫度的影響最小。當(dāng)浸泡溫度為20℃、浸泡時(shí)間為5 min、涂層次數(shù)為3次時(shí)，復(fù)合效果比較好，復(fù)合物制得率可達(dá)63%左右。

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