有機硅／二氧化鈦復合材料的制備及抗紫外線性能分析

單小紅，趙春麗

（新疆大學藝術設計學院，新疆 烏魯木齊830046）

0 前言

太陽光線中的紫外線（UV）是對人體有益的，可促進維生素D的合成，促進骨骼組織發育，有利于身體健康。但同時，地球表面也充滿著過多的有害紫外線輻射。現代科學研究已經證明，過度的曝曬和過多的受紫外線輻射是有害的［1］。因此，自20世紀90年代初以來，國外對材料屏蔽紫外線的功能展開了研究，許多抗紫外線材料相繼開發上市［2］。

有機硅彈性體在醫療設備中應用廣泛，由于其長期的穩定性、生物相容性以及高的氣體滲透性而作為連接體。有機硅彈性體作為連接體，應用在瘢痕瘤和瘢痕肥大的治療中，有減少瘢痕的紅色能力。此外，它是非擴散性的，治療作用顯著而沒有任何明顯的副作用。疤痕對抗紫外線輻射的能力更小，將傷疤尤其是新傷疤暴露在UV下，會影響治療耐久性。因為UV能增加黑色素，從而使傷疤加黑。有機硅彈性體高度的透明性有助于太陽光照射到皮膚上［3］，因此，本文的目的是開發含有二氧化鈦（具有紫外線衰減作用）的有機硅彈性體薄片材料，乳液形式的二氧化鈦可以混合在有機硅彈性體中，保持有機彈性復合材料的透明性。

所謂的防紫外線是在纖維或材料中添加抗紫外線添加劑或在材料的表面涂覆抗紫外線劑，以阻礙紫外線直接與皮膚接觸［4］。在纖維和材料中添加的屏蔽紫外線的物質主要有兩大類：一類是起反射紫外線作用的物質，稱為紫外線屏蔽劑，通常選用一些金屬氧化物的粉體，如二氧化鈦等［5］；另一類是指對紫外光有強烈的選擇性吸收、并能進行能量轉換而減少其透過量的物質，稱為紫外線吸收劑，通常是一些無機材料和一些有機化合物，吸收劑在吸收紫外線的能量后，轉變為活性異構體，隨之以光和熱的形式釋放這些能量恢復原分子結構［6］。

本文在有機硅彈性體中添加不同含量的二氧化鈦，制備有機硅／二氧化鈦復合材料，并通過紫外線光譜掃描儀測試復合材料的抗紫外線效果。

1 實驗部分

1．1 主要原料

四丁基直鈦酸酯，NDZ－105，南京曙光硅烷化工有限公司；

乙酰丙酮，億昌化工有限公司；

棕櫚葉油，廣州和博香料有限公司；

有機硅彈性體，浙江創基有機硅材料有限公司。

1．2 主要設備及儀器

掃描電子顯微鏡，JSM－6610A，日本島津公司；

紫外線光譜掃描儀，UV754N，上海圣科儀器設備有限公司；

拉伸強力測試機，揚州道純試驗機械廠。

1．3 樣品制備

將四丁基直鈦酸酯、乙酰丙酮和水混合反應，得到白色或黃色的透明溶液。三者的摩爾比值為1／1．5／1和1／2．5／1。再將溶液與棕櫚葉油混合，體積比為1／5，得到二氧化鈦乳液，并加熱直到有泡的氣體消失；

有機硅彈性體／二氧化鈦復合材料的制備：將二氧化鈦乳液和有機硅彈性體混合，二氧化鈦乳液的含量為0．05%～0．10%，攪拌混合液，可以得到單一的產品。為了去除混合反應中的氣泡，可以用氣體吸收器。然后，將混合液倒入不銹鋼的模具里，在150℃下壓制成型，可以得到有機硅／二氧化鈦復合材料薄片，厚度為0．8 mm。

1．4 性能測試與結構表征

采用掃描電子顯微鏡觀察復合材料的表面結構，表面附著金色涂層；

采用紫外線光譜掃描儀分光儀記錄復合材料在200～800 nm波長下的紫外線照射情況；

采用拉伸強力測試機按照ASTMD412測試復合材料的彈性性能，將樣品剪切成啞鈴形，拉伸速率為500 mm／min。

2 結果與討論

2．1 SEM分析

從圖1可以看出，在有機硅／二氧化鈦復合材料中有二氧化鈦顆粒的存在，顆粒大小為400～600 nm。

圖1 有機硅／二氧化鈦復合材料的SEM照片Fig．1 SEMmicrograph for silicone／titaniumdioxide composites

2．2 紫外分析

圖2 有機硅／二氧化鈦復合材料的紫外線透射率Fig．2 Ultraviolet transmittance of silicone／titaniumdioxide composites

從圖2可以看出，二氧化鈦的數量和形狀會影響復合材料的紫外線穿透性。隨著復合材料中二氧化鈦含量的增加，紫外線的穿透能力下降。由于二氧化鈦對紫外線的吸收性能，復合材料中紫外線的穿透能力遠遠低于純有機硅的穿透能力。2 8 0 nm的UV紫外線（280～315 nm）在復合材料中的透射率低于1%。320 nm的UV紫外線（315～400 nm）在復合材料中的透射率為0．02%～4%，400 nm的UV紫外線在復合材料中的透射率為2%～43%。760 nm可見光（400～760 nm）在純有機硅中的透射率為88%，在不同摩爾比（1／1．5／1和1／2．5／1）復合材料中的透射率分別為20%～62%和63%～80%。從摩爾比為1／1．5／1溶液中得到的復合材料顯示出更高的紫外線吸收性能。原因是因為更高的乙酰酯含量抑制了水解和四丁基直鈦酸酯的反應濃度。因此，添加1 mol醋酸酯有助于二氧化鈦顆粒的形成，能更好地阻止紫外線的透過。

2．3 彈性性能分析

從表1可以看出，二氧化鈦乳液的存在增加了有機硅彈性體的最大應力，但減小了彈性強力和模量。這是因為乳液中二氧化鈦溶膠的存在，增加了基體的柔軟性，因此模量減小，應力增加。

表1 有機硅／二氧化鈦復合材料的彈性性能Tab．1 Elastic properties of silicone／titaniumdioxide composites

3 結論

（1）有機硅彈性體／二氧化鈦復合材料具有良好的抗紫外線和避免可見光照射性能。但二氧化鈦溶液摩爾比為1／1．5／1時，復合材料的紫外線透射性比摩爾比為1／2．5／1下制備復合材料的透射性要小，但都遠小于純有機硅彈性體；

（2）有機硅彈性體／二氧化鈦復合材料展現了更低的彈性強力和模量，但二氧化鈦溶液摩爾比為1／1．5／1時制備的復合材料更低；

（3）制備的有機硅／二氧化鈦復合材料可被用作有機硅的連接體，在治療傷疤的過程中可有效抵抗紫外線。

［1］ 吳大城，杜仲良，高緒珊．納米纖維［M］．北京：化學工業出版社，2003：15－17．

［2］ 劉吉平，田 軍．紡織科學中的納米技術［M］．北京：中國紡織出版社，2003：2－3．

［3］ W Sanchez，N Hynard，J Evans，et al．The Identification of Mobile Species from Silicone Gels Used in Burns Scar Remediation［J］．Silicon Chem，2003，2（1／2）：1－10．

［4］ 萬 震，劉 篙，李克讓．防紫外線織物的最新研究進展［J］．印染，2001，21（1）：42－44．Zhen Wan，Gao Liu，Kerang Li．Latest Research on Ultraviolet Protective Fabric［J］．Dyeing and Finishing，2001，21（1）：42－44．

［5］ 汪亞輝．ZnO，TiO2，ZnO／TiO2復合粉體的制備及紫外－可見吸收性能的研究［D］．大連：大連交通大學材料學院，2009．

［6］ Jiangpeng Zou，Long Jiang．Studies on UV－stability of Poly（MMA－co－M12－co－BPMA）／TiO2Composite Particles Prepared by Ultrasonically Initiated Emulsion Polymerization［J］．Polymers for Advanced Technologies，2010，21（8）：598－605．