二氧化鈦納米復(fù)合涂料的制備及性能研究.pdf

1、本文以提高TiO2納米粉體的光催化活性和解決其在水性涂料中的分散性為目的，開發(fā)出具有礦化環(huán)境污染物和抑菌殺菌功能的新型環(huán)境功能涂料，為室內(nèi)空氣污染治理提供了一種安全、高效、經(jīng)濟、綠色的新技術(shù)和新產(chǎn)品。
　　針對環(huán)境功能涂料制備過程中 TiO2納米顆粒在水性涂料中極易團聚，分散性差，涂料易老化、粉化，耐候性差等問題，以提高分散穩(wěn)定性和增強耐候性為目的，本文采用溶膠-凝膠法，以銳鈦礦型納米TiO2粉體為載體，Na2SiO3為包覆劑，H

2、2SO4為中和劑，首次在室溫條件下成功地制備了分散性良好的TiO2/SiO2納米粉體。通過實驗優(yōu)化確定最佳工藝條件為：分散劑5027用量為2％(wt，5027/H2O)；分散液pH值為9.5左右；中和時間為2h；包覆溫度可控制為23℃或80℃；Na2SiO3用量6%(wt，SiO2/TiO2)；陳化液pH值為9.0左右。采用XRD、XRF、TEM、BET比表面分析對樣品進行了表征，并以亞甲基藍(MB)溶液的光催化脫色率和COD去除率為指

3、標評價了光催化活性。結(jié)果表明，在TiO2納米顆粒表面包覆一層多孔非晶態(tài)水合二氧化硅納米膜，可以顯著提高水分散性，有效控制光催化活性，進而提高涂料的抗老化性和耐候性。研究表明，中和時間對包硅效率影響較大，適當增加中和時間有利于提高包硅效率；低溫包覆，成膜相對疏松，改性粉體的光催化活性相對較高；高溫包覆，成膜相對致密，改性粉體的光催化活性相對較低。
　　為進一步提高納米TiO2的光能利用率和量子化效率，本文系統(tǒng)開展了納米TiO2稀土金

4、屬離子摻雜改性工藝及相關(guān)基礎(chǔ)研究。利用酸催化的溶膠-凝膠法制備了純TiO2和系列RE3+(RE= Yb、Gd、Pr)摻雜的TiO2納米粉體。以亞甲基藍溶液的光催化脫色率為評價指標，考察了稀土離子摻雜量和焙燒溫度對TiO2納米粉體的光催化活性的影響。采用XRD、BET、XPS、DRS和SPS等技術(shù)對樣品進行了表征，探討了不同稀土離子摻雜對TiO2納米粒子的光催化活性的影響機制。研究結(jié)果表明，稀土離子摻雜可以顯著提高TiO2納米粒子的光催化

5、活性。本文制備的純的、鐿摻雜的、釓摻雜的和鐠摻雜的TiO2納米粉體的光催化活性依次為：Gd3+/TiO2>Pr3+/TiO2>Yb3+/TiO2>TiO2，它們對MB溶液的光催化脫色率依次為60%、56.39%、54.94%和40.31%。進一步研究表明，鐿摻雜可有效抑制光生e-/h+的復(fù)合，增加納米粒子表面羥基含量，增大比表面積，并可增強樣品表面的光吸收能力；釓摻雜可有效抑制TiO2由銳鈦礦向金紅石的相變，減小晶粒尺寸，增大納米粒子的

6、比表面積；鐠摻雜可促進光生e-/h+的分離，抑制TiO2由銳鈦礦向金紅石的相變，可增大納米粒子的比表面積、增加表面羥基和吸附氧的含量和增強粉體表面的光吸收能力等。
　　在稀土離子單獨摻雜改性研究的基礎(chǔ)上，本文首次系統(tǒng)開展了鋅鐿雙組分共摻雜改性工藝及相關(guān)基礎(chǔ)研究。結(jié)果表明，鋅鐿共摻雜TiO2納米粉體對MB溶液的光催化脫色率達到74.59%，明顯高于未摻雜的、鋅或鐿單獨摻雜的TiO2納米粉體的光催化活性，鋅鐿共摻雜對TiO2光催化活性

7、的提高產(chǎn)生了協(xié)同增效的作用。進一步研究表明，鋅鐿共摻雜優(yōu)化了TiO2納米粒子的相結(jié)構(gòu)；能夠依據(jù)不同的作用機制促進光生e-/h+的分離，從而提高了量子化效率；增強了光生e-/h+的氧化還原能力；改善了樣品的表面織構(gòu)特性；增強了樣品的吸光性能。
　　本文采取兩段式納米復(fù)合涂料制備工藝，分別將TiO2/SiO2納米粉體和鋅鐿共摻雜TiO2納米粉體應(yīng)用于苯丙乳液中制備出新型環(huán)境凈化功能納米復(fù)合涂料。通過實驗確定了最佳的制備工藝條件：研磨分

8、散0.5h；分散液pH值為8.0左右；用2%聚丙烯酸銨分散TiO2/SiO2納米粉體；用1%分散劑3275分散鋅鐿共摻雜TiO2納米粉體；TiO2/SiO2納米粉體的添加量為5%；鋅鐿共摻雜TiO2納米粉體的添加量可以根據(jù)對涂料耐候性的具體要求確定為1%或2%。改性TiO2粉體在涂層中的分散性較好。納米復(fù)合涂料的耐水性、耐堿性和耐洗刷性均達到國家一等品指標。抗老化性要求較高的涂料應(yīng)選擇TiO2/SiO2納米粉體，其添加量在5%左右；抗老

9、化性要求較低的涂料應(yīng)選擇鋅鐿共摻雜TiO2納米粉體，其添加量在1～2%。
　　采用本文研制的TiO2納米復(fù)合涂料開展了對空氣中VOCs降解效能及抗菌性能研究。結(jié)果表明，TiO2/SiO2納米復(fù)合涂料能夠有效去除空氣中的苯。當苯的初始濃度較低時，苯在涂料表面的光催化降解反應(yīng)符合一級反應(yīng)動力學規(guī)律。鋅鐿共摻雜TiO2納米復(fù)合涂料能夠有效去除空氣中的甲醛，當甲醛的初始濃度為178.26mg/m3時，反應(yīng)156h后，涂料對甲醛的光催化降解