溶膠 -凝膠法制備 KH-570改性納米二氧化鈦及其表征

蔡阿滿,葉超賢,3,李紅強,高瓊芝,2,曾幸榮,盧慶源

(1.華南理工大學材料科學與工程學院,廣東廣州 510640;2.華南農業大學理學院;3.廣東省科學技術廳)

溶膠 -凝膠法制備 KH-570改性納米二氧化鈦及其表征

蔡阿滿1,葉超賢1,3,李紅強1,高瓊芝1,2,曾幸榮1,盧慶源1

(1.華南理工大學材料科學與工程學院,廣東廣州 510640;2.華南農業大學理學院;3.廣東省科學技術廳)

以鈦酸丁酯 (TBOT)為前驅物,鹽酸為催化劑,γ -甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷 (KH-570)為改性劑,采用溶膠 -凝膠法原位制備了 KH-570改性的納米二氧化鈦,研究了 KH-570用量對納米二氧化鈦表面改性效果的影響,并采用紅外光譜 (FT-IR)、X射線衍射 (XRD)、粒徑分析等手段對納米二氧化鈦進行了表征。結果表明:KH-570接枝到納米二氧化鈦表面,納米二氧化鈦為銳鈦礦型;隨著 KH-570用量的增大,接枝率先上升然后稍有下降,當 KH-570用量為 TBOT質量的 14.57%時,接枝率達到 25.6%;與未加 KH-570制備的二氧化鈦相比,KH-570改性納米 TiO2的平均粒徑減小且分布變窄,親油性得到明顯提高。

溶膠 -凝膠法;納米二氧化鈦;親油性

納米二氧化鈦在汽車工業、化妝品、廢水處理、空氣凈化等領域具有廣泛的應用前景[1-4]。但是,由于納米二氧化鈦的比表面積大、表面能高,處于非熱力學穩定態,顆粒相互聯結成鏈狀,鏈狀結構彼此又以氫鍵相互作用,因此極易發生團聚,而且其表面存在大量羥基而呈現親水性,在有機介質中難以均勻分散,從而成為納米二氧化鈦應用的瓶頸[5]。目前,有文獻報道采用醇、硅烷偶聯劑、胺、脂肪酸和有機硅化合物等對 TiO2進行改性以提高其與有機物的相容性[6-7],但是該類文獻通常是采用市售的納米 TiO2進行改性,且其工藝步驟較為繁雜。筆者在采用溶膠 -凝膠法制備納米 T iO2的同時,將硅烷偶聯劑作為改性劑,對其進行原位改性,并采用紅外光譜 (FT-IR)、X射線衍射 (XRD)、粒徑分析等手段對納米二氧化鈦的結構及改性效果進行表征。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

鈦酸丁酯 (TBOT),分析純;無水乙醇 (E tOH),分析純;濃鹽酸,HCl質量分數為 36%～38%,分析純;γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷 (KH-570),化學純。

1.2 KH-570改性納米 T iO2的制備

按照一定配比稱取定量去離子水、鹽酸和無水乙醇,混合均勻后,在室溫下將其緩慢滴加到裝有定量鈦酸丁酯和無水乙醇混合液的反應器中。滴完后攪拌 0.5 h,再逐滴加入定量的 KH-570,攪拌24 h。然后升溫至 80℃反應 1.5 h,結束反應,制得納米TiO2溶膠。將溶膠干燥并用乙醇離心洗滌3次,再次干燥,即得 KH-570改性的納米 TiO2粉末。

1.3 測試與表征

采用 XD-2型 X射線衍射儀,Nicolet 760型紅外光譜儀、Mastersizer 2000E型激光粒度儀對納米二氧化鈦進行表征。

接枝率測試參考文獻 [8]:稱取質量為m0的TiO2樣品置于質量為m1的瓷坩堝中,再置于馬弗爐中于 600℃加熱 4 h,然后于室溫下靜置 5 min,稱量其質量為m2,T iO2的接枝率計算公式為:接枝率=(m0+m1-m2)/m0×100%。

親油性:將 2～4 mL改性前后納米 T iO2溶膠分別加入裝有 10 mL水和 5 m L甲苯的試管中,劇烈震蕩后靜置 24 h,拍攝數碼照片,觀察其狀態[9]。

2 結果與討論

2.1 FT-IR分析

圖1為改性前后納米 TiO2FT-IR譜圖,a為未改性;b為改性,KH-570加入量 (KH-570占鈦酸丁酯的質量分數,下同)為 14.57%。由圖 1看出:a和 b在 400～700 cm-1處均出現了Ti—O的伸縮振動吸收峰,在 1 633 cm-1處均出現了 H2O中—OH的彎曲振動吸收峰[7]。與 a相比,b中1 403 cm-1處為 Ti—OH彎曲振動峰,在1 459 cm-1和 1 433 cm-1處分別出現的 CH2和 CH3的振動吸收峰,以及在2 800～3 000 cm-1處出現的次甲基雙肩吸收峰[10],表明 KH-570成功接枝到納米 T iO2表面。在1 725 cm-1處出現了羰基特征峰,說明在溶膠 -凝膠法制備過程中,KH-570首先發生水解反應,然后脫水縮合形成低聚物,這種低聚物繼而與納米TiO2表面的羥基發生脫水反應產生部分共價鍵,從而將偶聯劑包覆在 T iO2表面,使TiO2表面親油性提高。1 000～1 120 cm-1處的峰為 Si—O—Si特征峰 ,表明部分硅烷偶聯劑 KH-570水解生成—OH后,相互之間發生縮合,形成低聚物。

圖1 改性前后納米 T iO2的 FT-I R譜圖

2.2 XRD分析和粒徑分析

圖2為 KH-570不同用量所得納米 TiO2XRD譜圖。由圖 2看出:不同用量的 KH-570改性的納米 TiO2在 2θ為 25.28°處均有最高的峰值,說明納米 T iO2呈銳鈦礦型[11];KH-570用量對二氧化鈦晶型以及晶化程度并沒有產生明顯的影響。

圖3為不同 KH-570用量所得納米二氧化鈦的粒徑分布。由圖 3可知:未加 KH-570所制備的二氧化鈦,其平均粒徑為 17.2 nm;隨著 KH-570用量的增加,納米二氧化鈦的平均粒徑明顯減小,均小于 10 nm,而且粒徑分布變窄。這主要是因為,當KH-570用量適當時,可以較好地分散到納米 TiO2粒子間,并通過化學鍵接枝到二氧化鈦表面,從而實現對二氧化鈦的表面改性,使其有機化[12],這樣就可以減弱二氧化鈦粒子表面羥基之間的相互縮聚作用,使二氧化鈦粒子的尺寸明顯降低。

圖2 KH-570不同用量所得納米二氧化鈦 XRD譜圖

圖 3 KH-570不同用量所得納米二氧化鈦粒徑分布

2.3 接枝率

圖4為不同 KH-570用量對接枝率的影響。從圖 4可以看出:隨著 KH-570用量的增加,接枝率迅速增大,當其用量為 14.57%時,接枝率達到最大值 25.6%;當 KH-570用量繼續增加時,接枝率有小幅下降。這主要是因為,當 KH-570用量增加時,其與納米二氧化鈦接觸的幾率也隨之上升,接枝到二氧化鈦表面的分子數量也增加,因而接枝率也會隨之增大;但是,當 KH-570用量過大時,由于空間位阻效應,納米 T iO2表面的鈦羥基不可能完全參與反應,另外 KH-570水解生成的硅氧烷負離子會進攻與納米 T iO2鍵合的 KH-570分子中的原子,從而導致接枝率下降[13]。

圖4 KH-570用量對接枝率的影響

2.4 親油性

圖5為改性

前后納米二氧化鈦溶膠分散于水 -甲苯體系中的數碼照片 (a為未改性納米二氧化鈦;b為改性納米二氧化鈦)。由圖 5可見:未改性二氧化鈦試管中,中上層清液為甲苯,下層為水與二氧化鈦共混物;加入 14.57%KH-570改性的二氧化鈦試管中,上層半透明液體為甲苯及部分分散于其中的二氧化鈦,下層為水相,中間白色絮狀的過渡層為二氧化鈦。這表明納米二氧化鈦經 KH-570改性后,其在有機相中的相容性得到改善,親油性提高。至于圖 5b中的過渡層,可能是由于部分納米二氧化鈦經 KH-570有機改性后,雖然親油性提高,但TiO2自身所帶的羥基還賦予了其一定的親水性,所以就存在于甲苯相與水相之間。總體來看,經KH-570改性后,納米 T iO2的親油性得到了明顯改善。

圖5 納米二氧化鈦溶膠分散于水 -甲苯體系中的數碼照片

3 結論

1)以鈦酸丁酯為前驅物,鹽酸為催化劑,KH-570為改性劑,采用溶膠 -凝膠法可以原位制備KH-570改性的納米二氧化鈦,與未改性二氧化鈦相比,其親油性得到明顯改善,從而達到表面改性的目的。2)KH-570改性的納米二氧化鈦呈銳鈦礦型,硅烷偶聯劑用量對二氧化鈦晶型以及晶化程度并沒有明顯的影響。3)隨著 KH-570用量的增加,納米二氧化鈦的接枝率先增加然后稍有減少,當KH-570用量為 14.57%時,接枝率達到 25.6%;采用 KH-570對二氧化鈦原位改性后,其平均粒徑減小且分布明顯變窄。

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Preparation and characterization of nano-sized KH-570 modified titan ium dioxide by sol-gelmethod

CaiAman1,Ye Chaoxian1,3,Li Hongqiang1,Gao Qiongzhi1,2,Zeng Xingrong1,Lu Qingyuan1
(1.School of M aterials Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou510640,China;2.School of Science,South China Agricultural University;3.Department of Science and Technology of Guangdong Province)

Nano-sized KH-570 modified titanium dioxide(nano-T iO2)was in stiu prepared by sol-gelmethod,using butyl titanate(TBOT)asprecursor,hydrochloric acid as catalyst andγ-methacryloxypropyl trimethoxy silane(KH-570)asmodifying agent.Effects of the amount of KH-570 on surface modification of nano-TiO2were studied.Nano-TiO2was characterized by FT-I R,XRD,and particle size analyzer ect..Results showed that KH-570 was grafted onto the surface of nano-TiO2particleswith anatase form;with the increase of amount of KH-570,grafting rate raised firstly and then reduced a little bit;when mass fraction of KH-570 to TBOT was 14.57%,grafting rate reached 25.6%;compared with unmodified nano-TiO2,average particle size of KH-570 modified nano-TiO2decreased,its size distribution became narrow,and lipophilicitywas improved apparently.

sol-gelmethod;nano-sized titanium dioxide;lipophilicity

TQ134.11

A

1006-4990(2010)03-0034-03

2009-09-30

蔡阿滿 (1985— ),女,碩士研究生,主要從事納米復合材料的研究。

聯 系 人:曾幸榮

聯系方式:psxrzeng@scut.edu.cn