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摘要
纳米二氧化钛不仅具有小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、介电限域效应和宏观量子隧道效应,还具有光催化效应。在用量较少的情况下,即可改善醋丙乳液涂料的强度、附着力、光泽度和透明性等。本实验采用羧甲基纤维素钠包覆法,对纳米二氧化钛表面进行改性,将改性纳米二氧化钛加入到乙酸乙烯酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸和甲基丙烯酸甲酯制备醋丙乳液原料中,合成出纳米TiO2/醋丙复合乳液。通过对乳液固含量、稳定性、红外光谱图等性能的测试,分析单体用量、乳化剂用量、引发剂用量、改性纳米TiO2等因素对乳液性能影响。
关键词纳米TiO2;醋丙乳液;原位聚合;复合乳
1绪论
1.1纳米二氧化钛
1.1.1纳米二氧化钛的性质
纳米二氧化钛是金红石型白色疏松粉末,纳米粒子具有小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、介电限域效应和宏观量子隧道效应。纳米二氧化钛屏蔽紫外线作用强,有良好的分散性和耐候性。可用于化妆品、功能纤维、塑料、涂料、油漆等领域,作为紫外线屏蔽剂,防止紫外线的侵害。也可用于高档汽车面漆,具有随角异色效应。纳米二氧化钛具有光催化活性,殷竟洲[1]通过凝胶-溶胶法制备的二氧化钛薄膜有很好的光催化性能。由于纳米二氧化钛独特的性能,其制备和应用具有广泛的研究。
1.1.2纳米二氧化钛的制备
目前制备二氧化钛的制备方法可归纳为物理法和化学法。化学法分为气相法、液相法和固相法。[2-5]
气相法气相法包括物理气相沉积法和化学气相沉积法。物理气相沉积法优点是产物的纯度高、晶型结构好、粒度可控,但是对设备和技术水平要求高。化学气相沉积法制备的二氧化钛纯度高、分散性好、团聚少、表面活性大。
化学气相沉积法制备二氧化钛的主要方法有:
TiCl4气相氢火焰水解法:
TiCl4(g)+2H2(g)+O2(g)→TiO2(g)+4HCl(g)
TiCl4气相氧化法:
TiCl4(g)+O2(g)→TiO2(s)+Cl2(g)
钛醇盐气相分解法:
nTi(OC4H9R)4(g)→nTiO2(s)+2nH2O(g)+4nC4H8(g)
钛醇盐气相水解法:
Ti(OR)4(g)+4H2O(g)→Ti(OH)4(s)+4ROH(g)
Ti(OH)4(s)→TiO2.H2O(s)+H2O(g)
TiO2.H2O(s)→TiO2(s)+H2O(g)
激光法:制备纳米粉体的激光源有连续激光和脉冲激光。纳米粉体的制备方法分为:激光诱导化学气相沉积法和蒸发/冷凝法。
液相法液相法具有合成温度低、设备简单、易操作、成本低等优点,是目前实验室和工业上广泛使用的制备二氧化钛的方法。液相法主要包括:水热法、溶胶-凝胶法、沉积法。
水热法
水热过程是指在高温高压下水溶液或水蒸气等流体中所进行的有关化学反应的总称,水热法制备的粉体晶粒完整、晶粒粒径小且分布均匀、无团聚,可以制备出直接使用无需后处理的纳米二氧化钛晶体,但是该方法对设备要求高。
溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛的方法是以钛醇盐为原料,将钛醇盐溶于有机溶剂中,加入蒸馏水或酸溶液使醇盐水解,形成溶胶,溶胶凝化处理得到凝胶,再经干燥和焙烧,即得微细二氧化钛粉体。溶胶-凝胶法的特点是,制备的二氧化钛颗粒细、纯度高、化学均匀性好、反应温度低、设备简单,但原料昂贵、颗粒容易团聚。工艺流程如图1-1所示。
酞酸丁酯抑制剂
酞酸丁酯
抑制剂
加入总醇量2/3的醇
缓慢滴加
1/3的醇+水
搅拌
搅拌
滴加盐酸
测pH
真空干燥
研磨、焙烧
混合液
均匀混合液
均匀混合液
黄色晶体
白色纳米TiO2粉末
沉积法
反应机理:
H2N-CO-NH2→NH4OH+CO2↑
4NH4OH+Ti(SO4)2→Ti(OH)4↓+2(NH4)2SO4
Ti(OH)4→TiO2+H2O
沉积法制备纳米二氧化钛工艺简单,容易工业化生产,但是二氧化钛粒度不易控制,容易引入杂质。
固相法固相法制备纳米二氧化钛是根据固态物料热分解进行的,包括热解法、反应法和氧化还原法。常用的偏钛酸热解法制备的纳米二氧化钛工艺简单,但是制备的粒径分布范围较宽。
1.1.3纳米二氧化钛的表面改性
纳米粒子等纳米体容易发生团聚,因此在制成纳米颗粒之后必须采取措施对纳米粒子进行有效分散和保护。纳米粒子团聚的原因[6]有几个方面,首先纳米粒子具有很高的比表面积。其次,在溶剂介质中,纳米小颗粒在做布朗运动时彼此经常发生碰撞,由于吸引作用链接在一起,形成二次颗粒,二次颗粒仍会与其他颗粒发生碰撞,进而形成更大的团具体,直至大道无法运动而沉降下来。另外,悬浮在溶液中的微粒普遍受范德华力的作用,很容易发生团聚。纳米粒子团聚过程如图1-2所示。克服团聚的通常做法是对纳米粒子进行表面改性。有机/无机纳米复合材料的性质取决于组分的性质、与组分之间的形态和界面性质。单纯的纳米粒子不易分散
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