納米TiO2/ACF復合物制備的影響因素*

李學佳 傅海洪 季 濤

(南通大學紡織服裝學院，南通，226007)

在保持納米TiO2光催化劑及ACF(活性碳纖維)各自優點的前提下，將納米TiO2光催化劑負載到ACF上，可以使復合物具有吸附、光催化雙重特性。納米TiO2/ACF復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菌。該材料在空氣凈化和殺菌抑菌方面有著重要的應用，因此相關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復合物，計算復合物的制得率，并采用正交試驗法研究浸泡溫度、浸泡時間及涂層次數對復合物制備的影響。

1 試驗準備及過程

1.1 試驗材料及設備

本試驗用的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，化學純，國藥集團化學試劑有限公司);乙酰丙酮(分子式C5H8O2，分子量100.12，分析純，國藥集團化學試劑有限公司)。

試驗用設備主要有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 試驗過程

1.2.1 ACF 的預處理

將活性碳纖維氈剪成一定大小的方形試樣，用清水對試樣進行多次洗滌，以除去纖維中的雜質和散纖維;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。

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 的復合

用離心管取5 mL配好的TiO2溶膠，放在設置一定溫度(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，稱其質量并記錄數值(復合前質量);然后將活性碳纖維氈放入離心管中浸泡一定時間(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。重復以上操作可進行不同涂層次數的試驗。將完成全部試驗操作后的纖維氈置于100℃恒溫烘箱中烘干至恒重，稱其質量并記錄數值(復合后質量)。

試驗中均是保持兩個試驗條件不變(如浸泡時間、浸泡溫度)，只改變一個試驗條件(如涂層次數)得出的結果，每組試驗有兩個平行樣，最后取平均值［4-8］。

2 試驗方案設計

通過單因素試驗，確定浸泡溫度應控制在30℃以內，浸泡時間應控制在5～15 min內，涂層次數應控制在3次以內。設計正交試驗因子水平如表1所示［9］。

表1 因子水平編碼表

3 試驗數據處理及討論

3.1 試驗數據處理

按照上述試驗步驟對正交試驗方案中的各組數據進行試驗，并計算制得率。

正交試驗結果見表2。

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

表2 優化試驗結果記錄

表3 復合物制得率極差分析表

由以上試驗數據可知因素與指標間的變化規律如下：

浸泡溫度由20℃增加到30℃，復合物制得率逐漸下降;浸泡時間由5 min增加到15 min，復合物制得率也逐漸下降;涂層次數由1次增加到3次，復合物制得率逐漸提高。

一個因素的極差說明了該因素在試驗范圍內對目標函數影響的大小，極差越大，說明該因素對目標函數的影響越大，反之則越小。因此，各因素對目標函數影響的大小順序為：C(涂層次數)＞B(浸泡時間)＞A(浸泡溫度)。

3.2 討論

3.2.1 涂層次數的影響

第一次涂層后，負載量很大，以后隨著涂層次數的增加，負載量逐漸緩慢地增加，但涂層超過3次后，負載量開始略微下降。這可能是因為活性碳纖維為多孔結構，表面較為粗糙。因此，第一次涂層時較容易負載，以后涂層時是在第一次所形成涂層的基礎上涂覆，負載到一定量后負載量不再增加。所以涂層次數應控制在3次以內。

3.2.2 浸泡時間的影響

當浸泡時間為5 min時，復合物制得率最高，在5～15 min內，復合物制得率呈現先下降后上升的趨勢;超過15 min后，復合物制得率趨于穩定。所以浸泡時間應控制在15 min之內。

3.2.3 浸泡溫度的影響

當浸泡溫度為20℃時，復合物制得率最高。由于ACF的吸附包括物理吸附和化學吸附，化學吸附需要較高的活化能，并與溫度有關，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，吸附的反應溫度相對較低的情況下效果更好。所以浸泡溫度應控制在30℃以內。

3.2.4 最優方案的選擇

各因素的最優水平分別為：浸泡溫度的第1水平，浸泡時間的第1水平，涂層次數的第3水平。由此得到最優方案組合為A1B1C3，即浸泡溫度為20℃，浸泡時間為5 min，涂層次數為3次。

由表2可以看出，A1B1C3這種組合在試驗中并未做到，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中是經常出現的，這是因為三個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條件下制得率的值為61.34%［9］。

試驗中，采用優化參數，即浸泡溫度為20℃、浸泡時間為5 min、涂層次數為3次進行了驗證試驗，計算出的制得率在63%左右。

4 結語

通過試驗及對數據的處理分析可知，涂層次數對復合制備的影響最大，而浸泡溫度的影響最小。當浸泡溫度為20℃、浸泡時間為5 min、涂層次數為3次時，復合效果比較好，復合物制得率可達63%左右。

［1］谷林茂，孫巧麗.納米TiO2的制備、作用機理及其應用研究［J］.云南大學學報，2009，31(2)：473-478.

［2］王星敏，傅敏，張桂支，等.TiO2/ACF光催化膜制備及其降解活性研究［J］.西南師范大學學報，2008，33(4)：93-96.

［3］尹荔松，周歧發，唐新桂，等.溶膠—凝膠法制備納米TiO2的膠凝過程機理研究［J］.功能材料，1999，30(4)：407-409.

［4］許德平，黃正宏，王永剛，等.活性碳纖維布擔載納米TiO2的三種方法［J］.碳素技術，2004，23(5)：12-16.

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［7］李垚，陳善佳，劉玉麗，等.納米TiO2負載方法概述［J］.廣州化工，2010，38(3)：10-14.

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［9］張成軍.試驗設計與數據處理［M］.北京：化學工業出版社，2009.