改性納米二氧化鈦光催化涂料性能研究

孫 麗

(北京交通大學海濱學院 ，河北 黃驊 061199)

改性納米二氧化鈦光催化涂料性能研究

孫 麗

(北京交通大學海濱學院 ，河北 黃驊 061199)

對納米二氧化鈦的三種改性技術：有機改性、無機改性、復合改性進行分析，并了解其特點和應用范圍，再結合納米二氧化鈦光催化涂料在性能上具有的抗菌性、光學效應優秀、耐老化性和環保性等優勢，探究了改性納米二氧化鈦光催化涂料的應用情況。

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

1.1 有機改性

二氧化鈦有機改性是使表面吸附有機物，而改變表面物理性質和化學性質。其最常用的有機改性技術有：活性劑技術、偶聯劑技術與聚合物包裹技術。活性劑技術是采用物理方法進行改性，方法最簡潔，但穩定性最差。偶聯劑技術通過偶聯劑和二氧化鈦表面的羥基產生化學反應，鍵入有機物，使二氧化鈦表面的性質發生變化。聚合物包裹技術是通過聚合反應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改性二氧化鈦前，一般通過活性劑技術或偶聯劑技術進行預處理，之后在進行聚合物包裹。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 無機改性

二氧化鈦的無機改性是通過在離子表面包裹保護膜，提高其穩定性和耐候性的方法。比較常見的包膜方法有鐵包膜、鋁包膜和硅包膜等。鐵包膜通過攪拌把FeCl3溶液與含有二氧化鈦的溶液充分混合，再通過滲透法，去除生成的HCl，得到比較穩定的溶膠，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，使其反應后產生氧化鋁水合物，再經過沉淀的方法，對二氧化鈦的顆粒進行均勻包裹。硅包膜是把水玻璃添加到含有二氧化鈦的漿液中，再加入適當的酸進行中和，使硅酸在二氧化鈦顆粒表面進行沉淀包裹。無機改性會受到酸堿度、反應時間、溫度、濃度和后續處理工序等因素影響[2]。

1.3 復合改性

為增強二氧化鈦的包膜效果，往往會使用兩種以上的包膜機進行復合式包膜。復合包膜的具體方式分為無機復合式、有機-無機復合式。無機復合式的技術方法有硅鋅復合技術、硅鋁復合技術、硅鋯復合技術等。以硅鋅復合技術為例，把鋅與硅的化合物質，包裹到納米二氧化鈦表面，使產品可以同時擁有單獨使用鋅和單獨使用硅進行包裹的優點。經過相關的實驗研究發現，同時使用多種不同的包膜劑進行復核包裹時，每種包膜劑的比例不同，對產品產生的效果也存在差異。另外，包膜的順序也會對產品產生影響。進行硅鋁包膜時，先包鋁后包硅，能使產品耐候性增強，先包硅后包鋁，則可以提升產品的耐水性。

2 改性納米二氧化鈦光催化涂料性能上的優點

2.1 抗菌性

納米二氧化鈦能夠通過光催化將細菌分解，從而起到抗菌的功效。納米二氧化鈦通過光催化殺菌具備兩個生化機制。第一種機制，二氧化鈦與細胞在紫外線的刺激下直接發生反應，就是利用光生空穴與光生電子，對細胞構成成分、細胞膜、細胞壁直接產生化學反應，從而殺死細胞。第二種機制，是通過紫外光催化二氧化鈦與細胞間接發生反應。是光生空穴與光生電子在水中發生化學反應，產生HO2和OH等活性氧，再和細胞膜、細胞壁及細胞的構成成分發生化學反應。將實驗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。經過表面處理后，在乳液中均勻分布，即可充分發揮二氧化鈦的殺菌效果。這種抗菌涂料對大腸桿菌、枯草芽孢、金黃色葡萄球菌殺菌率超過99%，并且具有徹底的殺菌性和長效的保持性。納米二氧化鈦不僅能分解病原菌，還可以將細菌排除的毒素分解。通過實驗發現，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有異味，對人體無毒無害，可用于醫院的病房與手術室等房間的墻壁，起到殺菌的效果[3]。

2.2 光學效應

納米二氧化鈦的光學效應會隨著粒子直徑的變化發生改變。金紅石型二氧化鈦，擁有獨特的隨角異色效應，觀察角度不同，看到的顏色也不同。把它應用在汽車表面，可以是汽車具有豐富發色彩效果，適合當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生變黑的現象。把經過有機-無機包膜改性后的金紅石二氧化鈦添加到涂料中發現，在添加量為1.0%～3.0%時，涂料的附著力從五級變成一級；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劑進行處理后，再應用到改性聚酯/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 環保性

目前我國的環境問題十分尖銳，大氣污染嚴重。經研究發現，將納米二氧化鈦應用到大氣環保涂料，可通過光催化產生活性氧，結合自然界的降雨將大氣中的氮氧化物和硫化物轉化成HNO3和H2SO4除掉，對大氣中的氮化物具有良好的凈化效果，降解率較高，在陽光下可以達到97%，并還能降解硫化物、多環芳烴、醛類等其他大氣污染物。在隧道內的照明燈罩上涂抹二氧化鈦光催化涂料，可以去除機動車排放的氮化物、積碳、油及揚塵等隧道空氣污染，涂抹后的燈罩能在長時間內保持清潔，在連續使用122d后依然有效。在室內裝修時，尤其是新房裝修會產生大量的甲醛、VOC等有害氣體，通過使用納米二氧化鈦涂料進行紫外光催化發現，可以有效分解甲醛。因此，將納米二氧化鈦光催化涂料應用于室內裝修，也具有極好的環保效果。

3 結 論

我國對改性二氧化鈦的研究起步較晚，所掌握的技術不夠充分，也導致了對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、光學效應優秀、耐老化性和環保性等優勢。本次研究，對改性納米二氧化鈦技術進行了分析與論述，結合其性能優勢，對其的廣泛應用具有良好的信心。希望通過本次論述，能提高對各界對改性納米二氧化鈦光催化涂料的關注，在研究、生產、應用等方面得到加強，促進我國涂料行業的發展。

[1] 吳樹新，劉長虹.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化學與化工)，2011，03:26～29.

[2] 蔡麗玲，朱杰，沈潔.加氫改性二氧化鈦的可見光光催化性能研究[J].浙江化工，2014，04:25～28+33.

[3] 譚昌會，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].巢湖學院學報，2014，03:44～-48+58.

[4] 張文剛，鄒雨芯，孫國慶 等.二氧化鈦瀝青混合料光催化性能影響因素研究[J].武漢理工大學學報，2012，03:38～41+50.

[5] 胥利先，孫繼紅，馬重芳 等.納米改性涂料的研究進展[J].化工進展，2005，04:341～349.

[6] 施恩斌，朱華，陳曉龍.硅藻土負載改性納米二氧化鈦制備硅藻泥及其性能研究[J].新型建筑材料，2014，12:84～88.

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

北京交通大學海濱學院院級教科研項目(HBCK15004)；滄州市科技計劃項目(151105002)

孫麗(1981～)，女，碩士，講師，主要從事應用化學及催化技術研究。