毕设万叶辉

纳米二氧化钛的制备及其在涂料中的应用万叶辉（陕理工材料学院（系）高分子材料与工程专业高分子072班，陕西汉中 723003）指导老师：蒋鹏[摘要] 纳米二氧化钛作为一种新型的高性能材料,近年来受到了国内外研究人员的关注,并在相当广泛的领域中得到应用。

本文研究了用溶胶一凝胶法制备二氧化钛溶胶的过程以及纳米二氧化钛在涂料中的隔热透明性能。

以钛酸丁酯为前驱物，无水乙醇为溶剂，分析了不同的反应条件对凝胶时间的影响。

通过实验得到了制备透明稳定的凝胶条件为：反应温度在20～40℃范围内；pH值为2～5；反应物的配比为：醇／钛酸丁酯(摩尔比)为10，水／钛酸丁酯(摩尔比)为3～4，冰醋酸／钛酸丁酯(摩尔比)为1。

将纳米二氧化钛添加到丙烯酸树脂类混合涂料中，通过差热法隔热测试，表明其隔热性能能够达到0.5-0.9℃的温差，且透明性能良好。

[关键词] 溶胶凝胶法；二氧化钛；凝胶条件；涂料Nano TiO2 preparation and applicationsin coatingsWan Yehui（Grade07,Class02,Major polymer materialsand engineering，materials institute Dept.，Shaanxi Universityof Technology，Hanzhong 723003，Shaanxi）Tutor: Jiang PengAbstract：Nano TiO2as a new high performance materials at home and abroad in recent years, researchers by the attention, and in quite widely applied in the field. This paper studies using sol-gel gel legal process of TiO2 sol prepared of nano TiO2in coatings and heat insulation transparent performance. With butyl acetate titanate for precursors, anhydrous ethanol solvent, analyzes different reaction conditions on the gel time influence. Through the experiment got the preparation of transparent condition is stable gel reaction temperature in 20~40℃ range; pH value of 2 ~ 5; the ratio of reactants for: alcohol/batio3 (mole ratio), butyl acetate 10, water/batio3 than butyl acetate (Moore) for 3 ~ 4, glacial acetic acid/batio3 (mole ratio), butyl acetate 1.Will nano-TiO2added to the acrylic resin mixed coating of differential thermal insulation, through testing, show that its insulation performance of temperature difference to reach 0.5-0.9 ℃ , and have good transparent performance.Key words：sol-gel method; Titanium dioxide; gel conditions; coating目录中文摘要Abstract1 引言 (1)1.1 纳米TiO2的基本结构 (1)1.2 纳米TiO2的分类 (1)1.3 纳米TiO2的性质 (1)1.3.1 光学性质 (2)1.3.2 半导体性能 (2)1.3.3 表面性质 (2)1.4 研究现状 (2)1.5 发展前景 (2)1.6 发展趋势 (3)2 纳米TiO2的功能及用途 (3)2.1 杀菌功能 (3)2.2 防紫外线功能 (3)2.3 对氟里昂的降解功能 (3)2.4 自清洁功能 (4)2.5 对有机废水的处理功能 (4)2.5.1 光催化机理 (4)2.5.2 处理染料废水 (5)2.5.3 处理农业废水 (5)2.5.4 处理含表面活性剂的废水 (5)2.5.2 处理含油废水 (5)2.5.2 处理造纸废水 (5)2.6 在空气净化方面的应用 (5)2.7 在涂料中的应用 (5)2.7.1 金属闪光面漆 (6)2.7.2 粉末涂料 (6)2.7.3 抗菌防霉内墙涂料 (6)2.7.4 透明隔热涂料 (6)2.8 其它功能及用途 (6)3 纳米TiO2的制备方法 (7)3.1 等离子体法 (7)3.2 水解法 (7)3.3 热合成法 (8)3.4 溶胶-凝胶法 (8)3.5 溅射法 (8)3.6 微乳液法 (8)3.7 化学气相沉积法 (9)3.8 均匀沉淀法 (9)3.9 共沉淀法 (9)4 纳米TiO2的溶胶凝胶法制备和粉体测试原理 (10)4.1 纳米TiO2的溶胶凝胶法制备原理 (10)4.2 TiO2的SEM分析原理 (10)4.3 TiO2的XRD分析原理 (11)4.4 TiO2 的红外光谱分析原理 (11)4.5 TiO2的沉降法粒度分析原理 (12)5 纳米TiO2的溶胶凝胶法制备和涂料的制备 (12)5.1 实验药品和仪器 (12)5.1.1 实验药品 (12)5.1.2 实验仪器 (12)5.2 溶胶凝胶法制备纳米TiO2实验操作 (12)5.3 凝胶因素分析 (13)5.3.1 加水量对凝胶时间的影响 (13)5.3.2 抑制剂(冰醋酸)加入量对凝胶时间的影响 (13)5.3.3 pH值对凝胶时间的影响 (13)5.3.4 溶剂量对凝胶时间的影响 (14)5.3.5 反应温度对凝胶时间的影响 (14)6 纳米TiO2粉体测试和在涂料中性能测试 (14)6.1 TiO2粉体测试 (14)6.1.1 TiO2粉体的SEM分析 (14)6.1.2 TiO2的红外光谱分析 (15)6.1.3 TiO2的沉降法粒度分析 (17)6.2 纳米TiO2在涂料中的测试 (17)6.2.1 隔热性 (17)6.2.2 透明性 (18)7 结论 (19)参考文献 (20)致谢 (21)附录英文资料及译文1 引言1.1 纳米TiO2的基本结构自从1972年Fujishima和Honda[1]发表了关于氧化钛电极上光分解水的论文以来，二氧化钛（TiO2）越来越受到人们更多的关注。

二氧化钛是金属钛的一种氧化物，其分子式是Ti02。

根据其晶型，主要可分为板钛矿型、锐钛型（Anatase）（简称A型）和金红石型（Rutile）（简称R型）[2]，如图1.1所示。

其中锐钛矿型Ti02属于四方晶系，其晶格参数α0=37.85nm，Co=95.14nm[3]。

图1.2为两种晶型单元结构图[4]，锐钛矿型Ti02的单元结构中钛原子处于钛氧八面体的中心，其周围的六个氧原子都位于八面体的棱角处，有四个共棱边，也就是说，锐钛矿型的单一晶格有四个Ti02分子[5]。

锐钛型Ti02的八面体呈明显的斜方晶型畸变，Ti-0键距离均很小且不等长，分别为1.937×10-10m和1.964×10-10m，这种不平衡使TiO2分子极性很强，强极性使TiO2表面易吸附水分子使水分子极化而形成表面羧基[6]。

图1.1 二氧化钛晶型示意图图1.2 纳米TiO2的两种晶型单元结构图1.2 纳米TiO2的分类(1)按照晶型主要可分为:金红石型纳米钛白粉和锐钛型纳米钛白粉。

(2)按照其表面特性可分为:亲水性纳米钛白粉和亲油性纳米钛白粉。

(3)按照外观来分：有粉体和液体之分，粉体一般都是白色，液体有白色和半透明状。

1.3 纳米TiO2的性质金红石型TiO2比锐钛型TiO2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TiO2在可见光短波部分的反射率比金红石型TiO2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[7]。

在一定条件下，锐钛型TiO2可转化为金红石型TiO2。

纳米TiO2拥有纳米粒子特有的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，具有极强的紫外线屏蔽能力和高表面活性。

由于颗粒尺寸的细微化，纳米TiO2拥有纳米粒子特有的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，具有极强的紫外线屏蔽能力和高表面活性。

与常规材料相比，纳米级TiO2粉体具有以下特性：（1）比表面大；（2）磁性强；（3）光吸收性能好，且吸收紫外线的能力强；（4）表面活性大；（5）分散性好，所制悬浮液稳定；（6）热导性好；（7）可塑性强等[8]。

1.3.1光学性质纳米TiO2晶体的光学性质服从瑞利（Rayleigh）光散射理论，能透过可见光及散射波长更短的紫外光，表明这种粒子具有透明性和散射紫外线的能力，普通TiO2具有一定的吸收紫外线的能力。

纳米TiO2粒径很小，因而活性较大，吸收紫外线的能力很强。

由于TiO2纳米粒子既能散射又能吸收紫外线，故它具有很强的紫外线屏蔽性。

1.3.2半导体性能由于存在着显著的量子尺寸效应，纳米TiO2具有特殊的光物理和光化学性质。

当粒子尺寸与其激子玻尔半径相近时，随着粒子尺寸的减小，半导体粒子的有效带隙增加，其相应的吸收光谱与荧光光谱发生蓝移，从而在能带中形成一系列分立的能级。

近年来对纳米TiO2的研究表明，纳米粒子的光催化活性明显优于相应的体相材料。

1.3.3表面性质[9]表面超亲水性：目前的研究认为，在光照条件下，TiO2表面的超亲水性起因于其表面结构的变化；在紫外光照射下，Ti02价带电子被激发到导带，电子和空穴向Ti02表面迁移，在表面生成电子空穴对，电子与Ti4+反应，空穴则与表面桥氧离子反应，分别形成正三价的钛离子和氧空位。

此时，空气中的水解离吸附在氧空位中，成为化学吸附水(表面羟基)，化学吸附水可迸一步吸附空气中的水分，形成物理吸附层。

表面羟基：相对于其它颜料的金属氧化物，Ti02中Ti-O键的极性较大，表面吸附的水因极化发生解离，容易形成羟基。