改性納米二氧化鈦光催化涂料性能研究

孫 麗

(北京交通大學(xué)海濱學(xué)院 ，河北 黃驊 061199)

改性納米二氧化鈦光催化涂料性能研究

孫 麗

(北京交通大學(xué)海濱學(xué)院 ，河北 黃驊 061199)

對(duì)納米二氧化鈦的三種改性技術(shù)：有機(jī)改性、無(wú)機(jī)改性、復(fù)合改性進(jìn)行分析，并了解其特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，再結(jié)合納米二氧化鈦光催化涂料在性能上具有的抗菌性、光學(xué)效應(yīng)優(yōu)秀、耐老化性和環(huán)保性等優(yōu)勢(shì)，探究了改性納米二氧化鈦光催化涂料的應(yīng)用情況。

表面改性 光催化 納米二氧化鈦 涂料

1 納米二氧化鈦的改性技術(shù)

1.1 有機(jī)改性

二氧化鈦有機(jī)改性是使表面吸附有機(jī)物，而改變表面物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。其最常用的有機(jī)改性技術(shù)有：活性劑技術(shù)、偶聯(lián)劑技術(shù)與聚合物包裹技術(shù)?；钚詣┘夹g(shù)是采用物理方法進(jìn)行改性，方法最簡(jiǎn)潔，但穩(wěn)定性最差。偶聯(lián)劑技術(shù)通過(guò)偶聯(lián)劑和二氧化鈦表面的羥基產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，鍵入有機(jī)物，使二氧化鈦表面的性質(zhì)發(fā)生變化。聚合物包裹技術(shù)是通過(guò)聚合反應(yīng)或是物理作用將聚合物包裹，降低二氧化鈦粒子間的范德華力。在使用聚合物包裹技術(shù)改性二氧化鈦前，一般通過(guò)活性劑技術(shù)或偶聯(lián)劑技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，之后在進(jìn)行聚合物包裹。相比前兩種方法，這種方法二氧化鈦粒子的穩(wěn)定性更高，與聚合物的相容性也更好，還能使二氧化鈦密度降低。

1.2 無(wú)機(jī)改性

二氧化鈦的無(wú)機(jī)改性是通過(guò)在離子表面包裹保護(hù)膜，提高其穩(wěn)定性和耐候性的方法。比較常見(jiàn)的包膜方法有鐵包膜、鋁包膜和硅包膜等。鐵包膜通過(guò)攪拌把FeCl3溶液與含有二氧化鈦的溶液充分混合，再通過(guò)滲透法，去除生成的HCl，得到比較穩(wěn)定的溶膠，與FeO(OH)、Fe(OH)Cl2或表面的羥基等鍵合，形成表面的包裹膜。在功能上，鐵包膜可以降低二氧化鈦的光化學(xué)活性。鋁包膜是將濃硫酸溶液加入到二氧化鈦的酸性溶液中，再加入堿或者氨水，使其反應(yīng)后產(chǎn)生氧化鋁水合物，再經(jīng)過(guò)沉淀的方法，對(duì)二氧化鈦的顆粒進(jìn)行均勻包裹。硅包膜是把水玻璃添加到含有二氧化鈦的漿液中，再加入適當(dāng)?shù)乃徇M(jìn)行中和，使硅酸在二氧化鈦顆粒表面進(jìn)行沉淀包裹。無(wú)機(jī)改性會(huì)受到酸堿度、反應(yīng)時(shí)間、溫度、濃度和后續(xù)處理工序等因素影響[2]。

1.3 復(fù)合改性

為增強(qiáng)二氧化鈦的包膜效果，往往會(huì)使用兩種以上的包膜機(jī)進(jìn)行復(fù)合式包膜。復(fù)合包膜的具體方式分為無(wú)機(jī)復(fù)合式、有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合式。無(wú)機(jī)復(fù)合式的技術(shù)方法有硅鋅復(fù)合技術(shù)、硅鋁復(fù)合技術(shù)、硅鋯復(fù)合技術(shù)等。以硅鋅復(fù)合技術(shù)為例，把鋅與硅的化合物質(zhì)，包裹到納米二氧化鈦表面，使產(chǎn)品可以同時(shí)擁有單獨(dú)使用鋅和單獨(dú)使用硅進(jìn)行包裹的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，同時(shí)使用多種不同的包膜劑進(jìn)行復(fù)核包裹時(shí)，每種包膜劑的比例不同，對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生的效果也存在差異。另外，包膜的順序也會(huì)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生影響。進(jìn)行硅鋁包膜時(shí)，先包鋁后包硅，能使產(chǎn)品耐候性增強(qiáng)，先包硅后包鋁，則可以提升產(chǎn)品的耐水性。

2 改性納米二氧化鈦光催化涂料性能上的優(yōu)點(diǎn)

2.1 抗菌性

納米二氧化鈦能夠通過(guò)光催化將細(xì)菌分解，從而起到抗菌的功效。納米二氧化鈦通過(guò)光催化殺菌具備兩個(gè)生化機(jī)制。第一種機(jī)制，二氧化鈦與細(xì)胞在紫外線的刺激下直接發(fā)生反應(yīng)，就是利用光生空穴與光生電子，對(duì)細(xì)胞構(gòu)成成分、細(xì)胞膜、細(xì)胞壁直接產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而殺死細(xì)胞。第二種機(jī)制，是通過(guò)紫外光催化二氧化鈦與細(xì)胞間接發(fā)生反應(yīng)。是光生空穴與光生電子在水中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生HO2和OH等活性氧，再和細(xì)胞膜、細(xì)胞壁及細(xì)胞的構(gòu)成成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。將實(shí)驗(yàn)室自制的抗菌納米二氧化鈦，加入到苯丙乳液中，制作成抗菌涂料。經(jīng)過(guò)表面處理后，在乳液中均勻分布，即可充分發(fā)揮二氧化鈦的殺菌效果。這種抗菌涂料對(duì)大腸桿菌、枯草芽孢、金黃色葡萄球菌殺菌率超過(guò)99%，并且具有徹底的殺菌性和長(zhǎng)效的保持性。納米二氧化鈦不僅能分解病原菌，還可以將細(xì)菌排除的毒素分解。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在玻璃上涂抹納米二氧化鈦薄層，光照3 h后具有殺死大腸桿菌的效果，毒素的含量也被控制在5%之下。納米二氧化鈦涂料沒(méi)有異味，對(duì)人體無(wú)毒無(wú)害，可用于醫(yī)院的病房與手術(shù)室等房間的墻壁，起到殺菌的效果[3]。

2.2 光學(xué)效應(yīng)

納米二氧化鈦的光學(xué)效應(yīng)會(huì)隨著粒子直徑的變化發(fā)生改變。金紅石型二氧化鈦，擁有獨(dú)特的隨角異色效應(yīng)，觀察角度不同，看到的顏色也不同。把它應(yīng)用在汽車表面，可以是汽車具有豐富發(fā)色彩效果，適合當(dāng)前流線型車身的需要[4]。

2.3 耐老化性

納米二氧化鈦具有屏蔽紫外線的功能。因此，以其制成的涂料，具有良好的力學(xué)性能以及耐紫外老化的能力。如在清漆中添加0.5%～4%的二氧化鈦能夠有效改善木材在光照后發(fā)生變黑的現(xiàn)象。把經(jīng)過(guò)有機(jī)-無(wú)機(jī)包膜改性后的金紅石二氧化鈦添加到涂料中發(fā)現(xiàn)，在添加量為1.0%～3.0%時(shí)，涂料的附著力從五級(jí)變成一級(jí)；抗沖擊力從20kg/cm2提升到60kg/cm2；韌性從5nm提升到1nm；抗老化的時(shí)間更是從500h提升到2000h。粉末涂料的粉化性與耐候性限制了涂料的使用范圍。把金紅石型二氧化鈦用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行處理后，再應(yīng)用到改性聚酯/異氰尿酸二縮水甘油酯粉末涂料中，使納米二氧化鈦改性粉末涂料的抗沖擊力、附著力得到明顯提升，并且涂層具有良好的抗老化性能[5]。

2.4 環(huán)保性

目前我國(guó)的環(huán)境問(wèn)題十分尖銳，大氣污染嚴(yán)重。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，將納米二氧化鈦應(yīng)用到大氣環(huán)保涂料，可通過(guò)光催化產(chǎn)生活性氧，結(jié)合自然界的降雨將大氣中的氮氧化物和硫化物轉(zhuǎn)化成HNO3和H2SO4除掉，對(duì)大氣中的氮化物具有良好的凈化效果，降解率較高，在陽(yáng)光下可以達(dá)到97%，并還能降解硫化物、多環(huán)芳烴、醛類等其他大氣污染物。在隧道內(nèi)的照明燈罩上涂抹二氧化鈦光催化涂料，可以去除機(jī)動(dòng)車排放的氮化物、積碳、油及揚(yáng)塵等隧道空氣污染，涂抹后的燈罩能在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持清潔，在連續(xù)使用122d后依然有效。在室內(nèi)裝修時(shí)，尤其是新房裝修會(huì)產(chǎn)生大量的甲醛、VOC等有害氣體，通過(guò)使用納米二氧化鈦涂料進(jìn)行紫外光催化發(fā)現(xiàn)，可以有效分解甲醛。因此，將納米二氧化鈦光催化涂料應(yīng)用于室內(nèi)裝修，也具有極好的環(huán)保效果。

3 結(jié) 論

我國(guó)對(duì)改性二氧化鈦的研究起步較晚，所掌握的技術(shù)不夠充分，也導(dǎo)致了對(duì)改性納米二氧化鈦光催化涂料性能方面的研究不夠充分，影響了其的正常使用。改性納米二氧化鈦光催化涂料具有抗菌性、光學(xué)效應(yīng)優(yōu)秀、耐老化性和環(huán)保性等優(yōu)勢(shì)。本次研究，對(duì)改性納米二氧化鈦技術(shù)進(jìn)行了分析與論述，結(jié)合其性能優(yōu)勢(shì)，對(duì)其的廣泛應(yīng)用具有良好的信心。希望通過(guò)本次論述，能提高對(duì)各界對(duì)改性納米二氧化鈦光催化涂料的關(guān)注，在研究、生產(chǎn)、應(yīng)用等方面得到加強(qiáng)，促進(jìn)我國(guó)涂料行業(yè)的發(fā)展。

[1] 吳樹新，劉長(zhǎng)虹.鈀錫改性納米二氧化鈦光催化還原二氧化碳的研究[J].天然氣化工(C1化學(xué)與化工)，2011，03:26～29.

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[3] 譚昌會(huì)，肖建斌，黃海煥 等.鋁改性納米二氧化鈦的制備及其光催化性能[J].巢湖學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，03:44～-48+58.

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StudyonthePropertiesofModifiedNanoTitaniumDioxidePhotocatalyticCoating

Sun Li

(Haibin College，Beijing Jiaotong University，Hebei Huanghua 061199)

Three kinds of modification of nano titanium dioxide: organic modification, inorganic modification and composite modification were analyzed. and the characteristics and application were studied. Combined with nano TiO2 photocatalytic antibacterial coatings, the optical effect, age resistance and environmental protection were excellent with advantages in performance. The application of modified nano titanium dioxide photocatalytic coating was researched.

surface modification photocatalysis nanometer titanium dioxide coating

10.16597/j.cnki.issn.1002-154x.2017.03.002

2017-02-12

北京交通大學(xué)海濱學(xué)院院級(jí)教科研項(xiàng)目(HBCK15004)；滄州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(151105002)

孫麗(1981～)，女，碩士，講師，主要從事應(yīng)用化學(xué)及催化技術(shù)研究。