【化工】納米二氧化钛分散性及在功能紙上的研究進展


  目前,我國納米二氧化钛(TiO2)的制備技術己相當成熟。二氧化钛制備方法有很多,主要有硫酸法、氯化法、四氯化钛液相水解法、四氯化钛氫氧焰法(火焰氣相沈積法)和钛醇鹽水解法等。其中工業上常用的是硫酸法和氯化法。

  對二氧化钛的研究大多都停留在耐候性、光催化性能、複合材料等的研究上,對納米TiO2在特種紙上的研究較匮乏。另外,納米TiO2不易在非極性介質中分散,在極性介質中易凝聚直接影響到了納米二氧化钛自身優異性能的發揮。因此亟需解決納米二氧化钛分散性問題。

  1納米TiO2的特性

  1.1殺菌功能

  納米級二氧化钛具有高光活性,運用到了強光殺菌技術[1-3]。實驗證明,以0.1mg/cm3濃度的銳钛型納米TiO2可徹底地殺死惡性海拉細胞,而且隨著超氧化物歧化酶(SOD)添加量的增多,TiO2光催化殺死癌細胞的效率也提高[4]。對枯草杆菌黑色變種芽孢、綠膿杆菌、大腸杆菌、沙門氏菌、牙枝菌和曲黴的殺滅率均達到98%以上。

  1.2防紫外線功能

  納米TiO2既能吸收紫外線,又能反射、散射紫外線,還能透過可見光,是性能優越、極有發展前途的物理屏蔽型的紫外線防護劑。納米二氧化钛由于粒徑小,活性大,既能反射、散射紫外線,又能吸收紫外線,從而對紫外線有更強的阻隔能力。與同樣劑量的一些有機紫外線防護劑相比,納米二氧化钛在紫外區的吸收峰更高,不像有機紫外線防護劑那樣只單一對UVA或UVB有吸收,更重要的是它還是廣譜屏蔽劑[5]。二氧化钛可以吸收能量高于420nm的紫外而以激發二氧化钛晶體結構中內層電子的躍遷。利用納米TiO2的透明性和紫外線吸收能力還可用作食品包裝膜、油墨、塗料、紡織制品和塑料填充劑,可以替代有機紫外線吸收劑,用于塗料中可提高塗料耐老化能力。

  1.3自清潔功能

  納米TiO2具有很強的"超親水性",在它的表面不易形成水珠,而且納米TiO2在可見光照射下可以對碳氫化合物作用。利用這樣一個效應可以在玻璃、陶瓷和瓷磚的表面塗上一層納米TiO2薄層,利用氧化钛的光催化反應就可以把吸附在氧化钛表面的有機汙染物分解爲CO2和O2,同剩余的無機物一起可被雨水沖刷幹淨,從而實現自清潔功能。日本已有在實驗室研制成功自潔瓷磚,這種新521av大香蕉的表面上有一薄層納米TiO2薄膜,任何粘汙在表面上的物質,包括油汙、細菌在光的照射下,由于納米TiO2的催化作用,可以使這些碳氫化合物進一步氧化變成氣體或者很容易被擦掉的物質。納米TiO2光催化作用使得高層建築的玻璃、廚房易粘油汙的瓷磚、汽車後視鏡及前窗玻璃的保潔都可以輕松地進行。

  2納米TiO2的分散性能

  2.1納米TiO2分散機理

  胡傑等[6]發現在納米二氧化钛的水分散體系中,主要是範德華力、靜電排斥作用力、因吸附層而産生的位阻效應等。另外,納米二氧化钛的分散機理還可以從雙電子層理論解釋。雙電子層理論是指微粒的內部稱爲微粒核一般帶負電荷形成一個負離子層,其外部由于電性吸引而形成一個正離子層(反離子層包括非活動性離子層和擴散層),合稱爲雙電層。該理論一般情況下是依靠調節PH值或是加入電解質,使粒子表面産生電荷,以增大雙電層厚度和顆粒表面的電位值,使顆粒之間産生排斥力,從而實現顆粒的分散性。

  2.2pH值對納米TiO2分散性的影響

  二氧化钛在水溶液中由于pH值得不同,可以带正电、负电或是电中性。当pH值较低的时候,纳米TiO2表面形成TiO2- OH2+,导致粒子表面带正电荷;当pH值处于中间值时,粒子表面形成Ti-OH键,此时粒子呈电中性,纳米TiO2的分散性能最差;当pH值较高的时候,粒子表面形成OH-O-键,使粒子表面带负电荷,此时pH值越大,粒子表面的负电荷越多,双电层的厚度越厚,粒子间的斥力位能越大,粒子分散效果越好[7]。郭文录等[8]人认为在纳米二氧化钛水分散体系稳定性的研究中认为,pH=10时分散效果为最佳状态。

  2.3電解質對納米TiO2分散性的影響

  納米二氧化钛的分散性與電解質有關。納米二氧化钛在純水作爲分散劑時,分布不均勻是由于粒子間靜電吸引而導致的。而研究表明當有機溶劑作分散劑的水溶液中,納米二氧化钛分散性較好。任夕娟等[9]通過實驗證明電解質離子價越高,凝集作用越強,及少量電解質也會使分散液凝集。因此在平時的使用、保存中應避免無機鹽的混入和附著。

  2.4表面活性劑對納米TiO2分散性的影響

  高分子類表面活性劑可以通過氫鍵、範德華力、靜電吸引力可納米二氧化钛産生吸附。例如分子鏈較長的(聚丙烯酰胺PAM、聚甲基丙烯酸PMAA等)可以提供空間位阻屏蔽,從而阻礙納米二氧化钛顆粒的團聚。但是加入高分子表面活性劑的量需要嚴格把控,否則會適得其反。

  複配型表面活性劑對二氧化钛分散性效果較好。離子型表面活性劑和非離子型表面活性劑在溶液中混合已形成膠團,非離子表面活性劑分子插入膠團後,使得原有的離子型表面活性劑的“離子頭”間的電性排斥力減弱,使得混合溶液中的CMC下降[10]。

  2.5分散設備對納米TiO2分散性的影響

  納米二氧化钛具有半導體性質,並且具有高穩定性、高透明性、高活性等優異的特性。在目前工業研究應用中會大量使用到納米二氧化钛,作爲新興納米材料,提其分散性是非常有必要的。不同的分散設備,對其分散也會呈現出不同程度的效果。目前,常用的分散設備有:超聲振蕩分散儀、電動攪拌儀、直立式攪拌磨[11]。

  3納米TiO2在制漿造紙中的應用

  3.1功能紙制備中的應用

  日本早前開發出一種添加納米二氧化钛的功能紙,該521av大香蕉具有光催化功能,可用于包裝用紙和室內裝潢用壁紙。該類功能紙可以有效吸收甲醛、苯、氨氣等有害氣體。河北麥森钛白粉有限公司開發了高耐候、耐磨的裝飾原紙,對用于裝飾原紙的填料進行了改進,改進後的填料521av大香蕉兼具有機/無機三維互穿網絡結構,既具有無機的剛性很耐磨性,大幅度提高了紙張的綜合性能。將納米二氧化钛用在一般紙品上,例如衛生紙,食品包裝紙等還具有殺菌的功效[12-13]。

  3.2造紙濕部中的應用

  造紙濕部其化學實質是一種表面與膠體化學。造紙濕部配料中許多組份結構都非常小,因此引入特殊的納米級組分,可以在很大程度上提高其抄紙效果[14]。

  納米二氧化钛在造紙濕部中做助留助濾劑,具有良好的助留助濾劑效果。其次,由于其優異的性能,還可以高效抑制DCS有害物質對白水的汙染破壞。

  3.3廢紙脫墨中的應用

  造紙工業中二次纖維中油墨粒子對紙的影響非常大。脫墨的方法有浮選和洗滌兩種,工業上多用前者,因爲其對大粒子油墨的脫去更有效。由于納米二氧化钛具有正電性和大比表面積,對二次纖維中油墨粒子具有高效的浮選作用。在浮選過程中加入納米二氧化钛還可以一定程度去除廢紙漿中的膠黏物。

  3.4造紙廢水處理中的應用

  制漿造紙廢水主要包括蒸煮廢液、洗漿廢水、抄紙廢水等。這些廢液中主要含大量木質素以及各種酚類有機化合物。而光催化氧化可以處理造紙廢水,還可以降解木素和酚類物質,完全消除毒性。同時對于造紙廢水中有毒且難被生物降解的有機物也有很好的降解作用。利用納米二氧化钛處理造紙廢水,可以使其達到標准排放量,極大程度減少對環境的汙染。

  展望

  納米二氧化钛是一種優異的無機精細化工材料。影響納米二氧化钛分散性的因素很多,諸如表面活性劑、pH值、電解質等等,需要我們去做進一步的探索,將納米二氧化钛的利用率達到最佳。目前,我國大力倡導綠色可持續發展,納米二氧化钛以其殺菌消毒、高效自潔、光催化能、廢水處理等功能在制漿造紙以及功能紙的應用和發展中具有廣闊的前景。


来源: 钛白杂志

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