文章详情

纳米二氧化钛

气相法纳米二氧化钛的功能、应用、应用技巧及应用前景

纳米级二氧化钛物理性质为细小微粒,粒径为21纳米左右,产品外观为白色疏松粉末。具有抗线、抗菌、自洁净、抗老化性能,可用于化妆品、功能纤维、塑料、油墨、涂料、油漆、精细陶瓷等领域。

纳米级二氧化钛主要有两种结晶形态:锐钛型(Anatase)和金红石型(Rutile)。金红石型二氧化钛比锐钛型二氧化钛稳定而致密,有较高的硬度、密度、介电常数及折射率,其遮盖力和着色力也较高。而锐钛型二氧化钛在可见光短波部分的反射率比金红石型二氧化钛高,带蓝色色调,并且对紫外线的吸收能力比金红石型低,光催化活性比金红石型高。在一定条件下,锐钛型二氧化钛可转化为金红石型二氧化钛。

 

纳米二氧化钛功能

纳米级二氧化钛具有很好的光学性质,在汽车工业及诸多领域都显示出美好的发展前景。纳米二氧化钛还具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性,且完全可以与食品接触,所以被广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天工业中、锂电池中。

 

杀菌功能

在光线中紫外线的作用下长久杀菌。实验证明,以0.1mg/cm3浓度的锐钛型纳米级二氧化钛可彻底地杀死恶性海拉细胞,而且随着超氧化物歧化酶(SOD)添加量的增多,纳米级二氧化钛光催化杀死癌细胞的效率也提高。对枯草杆菌黑色变种芽孢、绿脓杆菌、大肠杆菌、金色葡萄球菌、沙门氏菌、牙枝菌和曲霉的杀灭率均达到98%以上;用纳米级二氧化钛光催化氧化深度处理自来水,可大大减少水中的细菌数,饮用后无致突变作用,达到安全饮用水的标准;在涂料中添加纳米级二氧化钛可以制造出杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料,应用于医院病房、手术室及家庭卫生间等细菌密集、易繁殖的场所,可净化空气、防止感染、除臭除味。能够有效杀灭等等有害细菌。

 

防紫外线功能

纳米级二氧化钛既能吸收紫外线,又能反射、散射紫外线,还能透过可见光,是性能优越、极有发展前途的物理屏蔽型的紫外线防护剂。

纳米级二氧化钛的抗紫外线机理:

按照波长的不同,紫外线分为短波区190280 nm、中波区280320 nm、长波区320400nm。短波区紫外线能量蕞高,但在经过离臭氧层时被阻挡,因此,对人体伤害的一般是中波区和长波区紫外线。

纳米级二氧化钛的强抗紫外线能力是由于其具有高折光性和高光活性。其抗紫外线能力及其机理与其粒径有关:当粒径较大时,对紫外线的阻隔是以反射、散射为主,且对中波区和长波区紫外线均有效。防晒机理是简单的遮盖,属一般的物理防晒,防晒能力较弱;随着粒径的减小,光线能透过纳米二氧化钛的粒子面,对长波区紫外线的反射、散射性不明显,而对中波区紫外线的吸收性明显增强。其防晒机理是吸收紫外线,主要吸收中波区紫外线。由此可见,纳米二氧化钛对不同波长紫外线的防晒机理不一样,对长波区紫外线的阻隔以散射为主,对中波区紫外线的阻隔以吸收为主。纳米二氧化钛在不同波长区均表现出优异的吸收性能,与其他有机防晒剂相比,纳米二氧化钛具有无毒、性能稳定、效果好等特点。日本资生堂应用10-100nm的纳米二氧化钛作为防晒成分添加于口红、面霜中,其防晒因子可大SPF11-19

纳米级二氧化钛由于粒径小,活性大,既能反射、散射紫外线,又能吸收紫外线,从而对紫外线有更强的阻隔能力。与同样剂量的一些有机紫外线防护剂相比,纳米二氧化钛在紫外区的吸收峰更高,更可贵的是它还是广谱屏蔽剂,不象有机紫外线防护剂那样只单一对UVAUVB有吸收。它还能透过可见光,加入到化妆品使用时皮肤白度自然,不象颜料级二氧化钛,不能透过可见光,造成使用者脸上出现不自然的苍白颜色。

利用纳米二氧化钛的透明性和紫外线吸收能力还可用作食品包装膜、油墨、涂料、纺织制品和塑料填充剂,可以替代有机紫外线吸收剂,用于涂料中可提高涂料耐老化能力。

 

光催化功能

研究结果发现,在日光或灯光中紫外线的作用下使纳米二氧化钛激活并生成具有高催化活性的游离基,能产生很强的光氧化及还原能力,可催化、光解附着于物体表面的各种甲醛等有机物及部分无机物。能够起到净化室内空气的功能。

 

防雾及自清洁功能

纳米级二氧化钛薄膜在光照下具有超亲水性和超长久性,因此其具有防雾功能。如在汽车后视镜上涂覆一层纳米二氧化钛薄膜,即使空气中的水分或者水蒸气凝结,冷凝水也不会形成单个水滴,而是形成水膜均匀地铺展在表面,所以表面不会发生光散射的雾。当有雨水冲过,在表面附着的雨水也会迅速扩散成为均匀的水膜,这样就不会形成分散视线的水滴,使得后视镜表面保持原有的光亮,提高行车的安全性。

纳米二氧化钛具有很强的“超亲水性”,在它的表面不易形成水珠,而且纳米二氧化钛在可见光照射下可以对碳氢化合物作用。利用这样一个效应可以在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂上一层纳米二氧化钛薄层,利用氧化钛的光催化反应就可以把吸附在氧化钛表面的有机污染物分解为CO2O2,同剩余的无机物一起可被雨水冲刷干净,从而实现自清洁功能。日本东京已有人在实验室研制成功自洁瓷砖,这种新产品的表面上有一薄层纳米二氧化钛,任何粘污在表面上的物质,包括油污、细菌在光的照射下,由于纳米二氧化钛的催化作用,可以使这些碳氢化合物物质进一步氧化变成气体或者很容易被擦掉的物质。纳米二氧化钛光催化作用使得高层建筑的玻璃、厨房容易粘污的瓷砖、汽车后视镜及前窗玻璃的保洁都可很容易地进行。

 

其它功能

纳米级二氧化钛对某些塑料、氟里昂及表面活性剂SDBS也具有很好的降解效果。还有人发现,纳米二氧化钛对有害气体也具有吸收功能,如含纳米二氧化钛的烯烃聚合物纤维涂在含磷酸钙的陶瓷上可持续长期地吸收不同酸碱性气体。鉴于以上功能,纳米二氧化钛具有非常广阔的前景。对它的研究和利用会给人们的生活带来巨大改变。

 

纳米二氧化钛在各领域的应用

纳米级二氧化钛在气体净化中应用 

环境有害气体可分为室内有害气体和大气污染气体。室内有害气体主要有装饰材料等放出的甲醛及生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢及氨气等。纳米二氧化钛通过光催化作用可将吸附于其表面的这些物质分解氧化,从而使空气中这些物质的浓度降低,减轻或消除环境不适感。大气污染气体,主要是由汽车尾气与工业废气等带来的氮氧化物和硫氧化合物。利用纳米二氧化钛的催化作用将这些气体氧化成蒸汽压低的硫酸和硝酸,在降雨过程中除去,从而达到降低大气污染的目的。在居室、办公室窗玻璃、陶瓷等建材表面涂敷纳米二氧化钛光催化薄膜或在房间内安放纳米级二氧化钛光催化设备,均可有效地降解污染物,净化室内空气。 

利用纳米二氧化钛开发出来的一种抗剥离光催化薄板,可利用太阳光有效去除空气中的氮氧化物(NOX)气体,而且薄板表面生成的HN03可由雨水冲洗掉,保证了催化剂活性的稳定。

 

纳米二氧化钛在污水处理中应用

1、处理有机污水:工业污水和生活污水中含有大量的有机污染物,尤其是工业污水中含有大量的有毒、有害的有机物质,这些污染物用生物处理技术很难消除。许多学者对水中有机污染物光催化分解进行了系统的研究,结果表明以纳米级气相法二氧化钛为光催化剂,在光照的条件下,可使水中的烃类、卤代物、羧酸等发生氧化还原反应,并逐步降解,蕞终完全氧化为环境友好的CO2H2O等无害物质。 

2、处理无机污水: 除有机物外许多无机物在纳米二氧化钛表面也具有光学活性,例如无机污水中的Cr6+接触到纳米二氧化钛催化剂表面时,能够捕获表面的光生电子而发生还原反应,使高价有毒的Cr6+降解为毒性较低或无毒的Cr3+,从而起到净化污水的作用;一些重金属离子如Pt4+Hg2+Au3+等,在催化剂表面也能够捕获电子而发生还原沉淀反应,可回收污水的无机重金属离子。 

纳米二氧化钛在防雾、自清洁产品的应用 

纳米级二氧化钛薄膜在光照下具有超亲水性和超长久性,因此其具有防雾功能。如在汽车后视镜上涂覆一层氧化钛薄膜,即使空气中的水分或者水蒸气凝结,冷凝水也不会形成单个水滴,而是形成水膜均匀地铺展在表面,所以表面不会发生光散射的雾。当有雨水冲过,在表面附着的雨水也会迅速扩散成为均匀的水膜,这样就不会形成分散视线的水滴,使得后视镜表面保持原有的光亮,提高行车的安全性。

 

纳米二氧化钛在抗菌除臭 产品中应用

抗菌是指纳米二氧化钛在光照下对环境中微生物的抑制或杀灭作用。纳米二氧化钛光催化剂对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等具有很强的杀菌能力。当细菌吸附于由纳米二氧化钛涂敷的光催化陶瓷表面时,纳米二氧化钛被紫外光激发后产生的活性超氧离子自由基(·O2-)和羟基自由基(·OH)能穿透细菌的细胞壁,破坏细胞膜质,进入菌体,阻止成膜物质的传输,阻断其呼吸系统和电子传输系统,从而有效地杀灭细菌,并抑制细菌分解有机物产生臭味物质(H2SSO2、硫醇等)。因此,纳米二氧化钛能净化空气,具有除臭功能。 

 

纳米二氧化钛用在纺织上可以替代PVA

在纤维纺织成纱的过程中,为了减少经纱断头必须上浆。中国从上世纪五六十年代开始使用的浆料PVA为高分子化合物,在自然环境中很难降解。因此在欧洲部分国家被列为“不洁浆料”,已经被明令禁止使用。欧盟对PVA的限制,也将是中国棉纺织品出口绿色贸易壁垒的关注重点。开发绿色环保浆料,取代难降解的PVA是国内纺织行业一直寻求的“破壁”目标。纳米二氧化钛用在纺织浆料里面,通过与淀粉的完美结合,提高纱线的综合织造性能,减少PVA的用量,煮浆时间短,降低了浆料成本,提高浆纱效益,也解决了PVA浆料不易退浆、环境污染等诸多问题。纳米二氧化钛在纱线里主要是替代PVA,起到贴顺毛羽,填补缺口,润滑的作用。

 

纳米二氧化钛在高档汽车漆中的应用

将纳米级二氧化钛与铝粉混合颜料或纳米二氧化钛包覆的云母珠光颜料添加于涂料中,其涂层能产生神秘而富有变幻的随角异色效应,主要是因为当入射光射到纳米二氧化钛粒子时,由于粒径小,蓝色光会发生较强散射,结果除掉蓝色光的绿色光和红色光(呈黄相)被铝片反射成为正反射光,即散射光为蓝相强的光,反射光为黄相强的光(金色),随观察角度的不同可见不同色相。纳米二氧化钛还赋予了涂膜金属光泽效应、珠光效应、闪光效应和增色效应,使得我们看到的汽车表面好像是珍珠片在闪闪发光,给人以深度感与层次感。这就是变色汽车的奥秘所在,纳米科技作为高新技术正在改变着我们的生活!

 

纳米二氧化钛在化妆品中的应用

任何二氧化钛都具有一定的吸收紫外线功能,及优异的化学稳定性、热稳定性、无毒性等性能。超细二氧化钛由于粒径更小(呈透明状)、活性更大,因此吸收紫外线的能力更强,此外,如消色力、遮盖力、清晰的色调、较低的磨蚀性和良好的易分散性,决定了二氧化钛是化装品中应用蕞广的无机原料。二氧化钛在化妆品行业世界年消费量80年代估计在3500t4000t,目前估计在5000t以上10000t以下。根据其在化妆品中的功能不同,可选用不同品质的二氧化钛。

利用钛白的白度和不透明度这两种性能,可使化妆品的颜色范围很宽广,钛白作为一种白色添加剂时,主要用锐钛型钛白,但考虑到遮盖力和耐晒时,还是应采用金红石型钛白为好。

化妆品用的钛白,纯度要求高,对有害杂质的含量要求甚严。例如:欧共体食品添加剂法规(它适用于化妆品) 规定,化妆品用钛白的酸溶性物< 0.35%,As<5×10-6,Pb< 20×10-6,Sb< 100×10-6,Cu< 100×10-6,Cr< 100×10-6,Zn< 50×10-6,BaSO4< 5×10-6,(Sb+ Cu+ Cr+Zn+ BaSO4< 200×10-6,Hg检测不出来。

美国食品药物管理局(FDA)的食品、药物和化妆品等条例规定,用作化妆品的二氧化钛,作为分散助剂的SiO4/Ai2O3总量,不能超过2%Pb<10×10-6,As<1×10-6,Sb< 2×10-6,Hg< 1×10-6。另外,在105℃下干燥3h后于800℃下灼烧减量不大于 0.5%。水溶物含量不能大于0.3%,在105℃下干燥后3h后的二氧化钛含量,不少于99.0%,平均粒径小于1μm

纳米二氧化钛,呈透明状,因此在阻挡紫外线、透过可见光以及安全性方面具有一般化妆品原料所不具备的许多优良特性和功能。纳米二氧化钛既能散射紫外线(波长200nm400nm),又能吸收紫外线,故其屏蔽紫外线的能力极强,可作为优良的防晒剂,用于制造防晒系列化妆品。由于纳米二氧化钛呈透明状,可用来制造透明的护肤霜,这种护肤霜膏体细腻,具有自然肌肤感觉,目前在日本等国非常流行,日本每年作为防晒剂用于化妆品的原料,就需要纳米二氧化钛一千吨。

 

纳米二氧化钛可作为锂电池、太阳能电池原料

纳米二氧化钛添加到锂电池里:

⒈纳米二氧化钛具有极好的高倍率性能和循环稳定性,快速充放电性能和较高的容量,脱嵌锂可逆性好等特点,在锂电池领域具有很好的应用前景。

1)纳米二氧化钛能有效降低锂电池的容量衰减,增加锂电池稳定性,提高电化学性能。

2)提高电池材料的首次放电比容量。

3)降低了LiCoO2在充放电过程中的极化,使材料具有更高的放电电压及更平稳的放电效果。

4)适量的纳米二氧化钛可以疏松状存在,降低了粒子间应力及循环过程中所造成的结构和体积的微小应变,增加电池的稳定性。

⒉在化学能太阳能电池中,纳米二氧化钛晶体具有光电转换率高、能很大提高太阳电池的能量转换率、成本廉价、工艺简单及性能稳定的特点。其光电效率稳定在10%以上,制作成本仅为硅太阳电池的1/51/10.寿命能达到20年以上。

⒊在镍镉电池中,纳米二氧化钛具有良好的导电性、宽温度工作范围的特点。

纳米二氧化钛应用于抗菌剂

当前,纳米二氧化钛以其优异的抗菌性能成为开发研究的热点之一。纳米二氧化钛广泛应用于抗菌水处理装置、食品包装、卫生日用品(抗菌地砖、抗菌陶瓷卫生设施等)、化妆品、纺织品、抗菌性餐具和切菜板、抗菌地毯、新房装修及新家具除有害气体以及建筑用抗菌砂浆、抗菌涂料和抗菌不锈钢板、铝板等制作的电冰箱、医用敷料及医用设备等耐用的消费品。

大多数抗菌是有机物质,它们广泛用于食品、洗涤剂、纺织品及化妆品中。但它们存在着耐热性差、易挥发、易分解产生有害物、安全性较差等缺点。为此人们积极开发研究了一些无机抗菌剂,纳米二氧化钛就是其中之一。由于抗菌剂在产品中需达到一定的用量,故选择抗菌剂必须遵循下列原则:

⑴对人体是安全无毒的,对皮肤没有刺激性;

⑵抗菌能力强,抗菌范围广;

⑶无臭味、怪味,外观颜色要浅,气味要小;

⑷热稳定性要好,高温下不变色、不分解、不挥发、不变质等;

⑸价格便宜,来源容易等。

纳米二氧化钛为无机成分,无毒、无味、无刺激性,热稳定性与耐热性好,不燃烧,且自身为白色,完全符合上述原则。

 

纳米二氧化钛应用技巧

1)在纳米TiO2中加入有机染料敏化剂或过渡金属元素,可以增大利用光波长范围。

2)将纳米TiO2附着在活性炭上,其催化性能将大大提高。

3)在纳米TiO2中加入亲水型气相二氧化硅,其催化性能也可得到提高。

 

纳米二氧化钛的应用前景

纳米二氧化钛是具有屏蔽紫外线功能和产生颜色效应的一种透明物质。由于它透明性和防紫外线功能的高度统一,使得它一经问世,便在防晒护肤、塑料薄膜制品、木器保护、透明耐用面漆、精细陶瓷等多方面获得了广泛应用。特别是在80年代末期,这种能产生诱人的“随角异色”效应的效应颜料被成功地用于豪华型上等轿车面漆之后,引起了世界范围的普遍关注,发达国家如美、日、欧等国对此研究工作十分活跃,相继投入了大量人力、物力,并制订了长远规划,在国际市场竞争激烈迄今,他们已取得许多令人惊异的成果,并已形成高技术纳米材料产业,生产这种附加值极高的高功能精细无机材料,收到良好的经济效益和社会效益,纳米氧化物材料也正成为中国产业界关注的热点。

随着纳米材料研究的深入,纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注,这意味着纳米材料的研究已可以按照人们的意愿设计、组装、创造新的体系,更有目的地使该体系具有人们所希望的特性,技术上的飞跃,为纳米材料的应用进一步打开市场的大门,在广泛的领域形成了一大批高技术产品。如信息与通讯方面的磁性存储器、光学存储器、液晶显示、光学方面的功能性薄膜;电子方面的原件开发,能源方面的太阳能电源,热敏绝缘体,测量与控制技术方面的传感器;陶瓷方面的结构陶瓷,功能陶瓷以及其他方面的抗老化橡胶、功能油漆、光催化降解剂、保洁抗菌材料、超高磁能衡土水磁体等。在纳米材料的市场增长中,o-3维结构技术,超精度加工技术,超薄膜生产技术,横向结构技术所制造的产品蕞具市场增长潜力。

有关研究还表明,在今后10年中,纳米材料的市场应用开发的速度还会加快,因为工业国家纳米材料领域的专利自1993年以来一直以每年20%以上的速度递增。资料表明,西方工业国家在纳米材料及相关领域的科研经费投入每年达75亿美元左右。国际上在此领域竞争日趋激烈。

粤公网安备 44010602004212号