电子纸用二氧化钛颗粒的表面改性研究VIP

指导教师：杨春莉,电子纸用二氧化钛颗粒的表面改性研究,班级：11级印刷工程二班 学生：苏红霞 学号：2011110830672,哈尔滨商业大学论文答辩,答辩提纲,第一部分 课题研究的目的和意义 第二部分 实验部分 第三部分 结果分析与讨论 第四部分 结论,研究的目的及意义,电子纸利用电泳颗粒的双稳性实现显示功能，是一种超薄、柔软的电子显示器，电泳颗粒直接影响电子墨水的对比度、图像灰度、响应时间等质量问题。本文研究的TiO2颗粒存在的密度大、在有机溶剂分散性比较差以及电泳性能不理想等缺陷，因此选用PVA改性TiO2颗粒，主要使PVA吸附在TiO2颗粒表面，在颗粒表面形成一层分子膜以阻碍颗粒间的相互接触，从而达到增大颗粒带电量和改善颗粒分散性的目的；选用乙烯基三-甲氧基乙氧基硅作为改性剂，TiO2颗粒和偶联剂发生反应，生成-Si-O-键，使硅烷偶联剂接枝到TiO2颗粒表面，增加其与有机溶剂的亲和性；两种改性剂都可以提高TiO2颗粒与有机溶剂的亲和性，增加其悬浮稳定性，同时使TiO2颗粒与有机溶剂的密度更匹配。,电子纸的实用技术,图1,图2,实验部分,表1 实验中所用的仪器,表2-2 实验中所用的化学试剂,表2 实验所用试剂,实验仪器,图3 制备装置,图4 电热鼓风干燥箱,图5 电子天平,图6 通风厨,图7 二氧化钛颗粒制备的流程示意图,图8 溶胶,图9 凝胶,图10 （b）刚煅烧结束的金红石型TiO2颗粒,图11研磨之后的TiO2颗粒,图10 （a）刚煅烧结束的锐钛矿型TiO2颗粒,实验结果与分析,XRD分析,图12（a）改性前TiO2颗粒的XRD图,改性前TiO2颗粒的XRD图，XRD图在2值分别为25.29，37.80，48.12，41.37，53.92，55.17，62.72处的衍射峰分别对应着锐钛矿相结构中(101)、(004)、(200)、(105 and 211)、（204）晶面的衍射，为锐钛矿相的特征衍射峰，说明本实验用溶胶凝胶法于500下煅烧3小时制备所得的TiO2颗粒晶型为锐钛矿相晶型，各衍射峰强度均很尖锐，说明本实验制备的锐钛矿相晶型TiO2颗粒的晶型非常纯净。,XRD图在2值分别为27.49，36.16，39.18，41.37，44.03，54.34，56.66，62.67，64.11，69.03，69.86处的衍射峰分别对应着金红石相结构中(110)、(101)、(200)、(111)、(210)、(211)、(220)、(002 and 310)、(301)、(112)晶面的衍射，为金红石相的特征衍射峰，说明本实验用溶胶凝胶法于900下煅烧2.5个小时制备所得的TiO2颗粒晶型为金红石相晶型，各衍射峰强度均很尖锐，说明本实验制备的金红石相晶型TiO2颗粒的晶型非常纯净。,图12（b）改性前TiO2颗粒的XRD图,图12（b）PVA改性的金红石型TiO2颗粒光谱图,PVA改性金红石型TiO2颗粒的FTIR表征,图12（a）未改性的金红石型TiO2颗粒光谱图,改性之后新出现的1442cm-1处峰归属于PVA中CH3-和-CH2-的变形振动峰，2921cm-1处峰归属于改性剂PVA中CH3-和-CH2-的伸缩振动峰，由此可以证明改性剂PVA成功吸附在TiO2颗粒的表面上。,图12（a）、（b）分别为PVA改性前后金红石型TiO2颗粒的红外光谱图，从图（a）中可以看出521cm-1处吸收峰归属于TiO2颗粒的Ti-O-Ti的骨架伸缩振动峰；而从（b）图可知，新出现的1442cm-1处峰归属于PVA中CH3-和-CH2-的变形振动峰，1636cm-1处吸收峰为TiO2颗粒表面羟基振动峰，2921cm-1处峰归属于改性剂PVA中CH3-和-CH2-的伸缩振动峰，3428cm-1处峰归属于TiO2颗粒吸附水的伸缩振动峰，由此可以证明改性剂PVA成功吸附在TiO2颗粒的表面上。,分散性能的表征,h,未改性的金红石型TiO2颗粒在无水乙醇中的团聚严重，PVA改性后的金红石型TiO2颗粒分散性稳定性有所提高，相对于改性前的TiO2颗粒分布更均匀。原因是：金红石型TiO2颗粒分散到PVA水溶液中，使PVA吸附在TiO2颗粒表面，在颗粒表面形成一层分子膜以阻碍颗粒间的相互接触，空间位阻增大，可能也存在静电作用，因此，有效的改善了TiO2颗粒的分散稳定性。,a,b,图13 光学显微镜图（a为未改性的金红石型TiO2颗粒，b为PVA改性的金红石型TiO2颗粒，2000倍下，无水乙醇),沉降行为表征,图14 不同条件下PVA改性锐钛矿TiO2纳米颗粒3h的沉降情况（左：70下搅拌并用乙醇洗涤；中：90下搅拌并用乙醇洗涤；右：90下搅拌但不使用乙醇洗涤）,从上图可以看出在90下搅拌而且不使用乙醇洗涤的条件下锐钛矿型TiO2纳米颗粒沉降速度最慢，锐钛矿型TiO2纳米颗粒的悬浮稳定性最好。PVA的溶解度为90，所以在溶解度以上反应效果会更加的理想；PVA对TiO2颗粒的改性机理是：TiO2颗粒分散到PVA水溶液中，通过加热、搅拌，使PVA吸附在TiO2颗粒，这种方法结合不牢固，易于脱离，因此使用无水乙醇多次洗涤，会把聚乙烯醇洗掉，反而影响改性效果。,上图观察得出：PVA改性的金红石型TiO2颗粒在四氯乙烯中的分散稳定性得到提高，其中未改性的金红石型TiO2颗粒3小时后完全沉降，改性后的金红石型TiO2颗粒稳定的分散在溶剂中。其原因为：PVA吸附在TiO2颗粒表面，降低TiO2颗粒的表面能，增大颗粒带电量和改善颗粒分散性，因此存在的一定的静电作用，同时也增加了空间位阻，从而增加了悬浮稳定性。,a,b,图15 未改性金红石型TiO2颗粒和PVA改性金红石型TiO2颗粒沉降情况（a为0小时，b为3小时）,硅烷改性后的锐钛矿型TiO2颗粒的FTIR表征,图16（a）未改性的锐钛矿型TiO2颗粒光谱图,图16（b）硅烷改性的锐钛矿型TiO2颗粒光谱,改性后新出现的1053 cm-1处吸收峰为Si-O-Si的振动吸收峰，2927cm-1处峰归属于改性剂硅烷中CH3-和-CH2-的伸缩振动峰，由此可以证明改性剂硅烷成功接枝在TiO2颗粒的表面上。,图15（a）、（b）为硅烷改性前后锐钛矿型TiO2颗粒的红外光谱图，从图（a）中可以看出476cm-1处吸收峰归属于TiO2颗粒的Ti-O-Ti的骨架伸缩振动峰，1624cm-1处吸收峰为TiO2颗粒表面羟基的振动峰，3412cm-1处吸收峰归属于TiO2颗粒吸附水的伸缩振动峰；而从（b）图可看出，472cm-1处吸收峰归属于TiO2颗粒的Ti-O-Ti的骨架伸缩振动峰，1627cm-1处吸收峰为TiO2颗粒表面羟基的振动峰，3421cm-1处吸收峰归属于TiO2颗粒吸附水的伸缩振动峰；而新出现的1053 cm-1处吸收峰为Si-O-Si的振动吸收峰，2927cm-1处峰归属于改性剂硅烷中CH3-和-CH2-的伸缩振动峰，由此可以证明改性剂硅烷成功接枝在TiO2颗粒的表面上。,分散性能行为表征,改性的锐钛矿型二氧化钛在无水乙醇中的团聚严重，硅烷改性后的锐钛矿型二氧化钛分散性稳定性更好，相对于改性前的TiO2颗粒分布更均匀。原因是：锐钛矿型TiO2颗粒和偶联剂发生了反应，生成-Si-O-键，使硅烷偶联剂接枝到TiO2纳米颗粒表面，增加其与有机溶剂的亲和性，增加其分散稳定性，同时使TiO2颗粒与有机溶剂的密度更匹配。,a,b,图16 光学显微镜图（a为未改性的锐钛矿型TiO2颗粒，b为硅烷改性的锐钛矿型TiO2颗粒，2000倍下，无水乙醇),沉降行为表征,a,b,图17 未改性锐钛矿型TiO2颗粒和硅烷改性锐钛矿型TiO2颗粒沉降情况（a为0小时，b为6小时）,上图观察得出：硅烷改性的锐钛矿型TiO2颗粒在四氯乙烯中的分散稳定性得到提高，其中未改性的锐钛矿型TiO2颗粒6小时后完全沉降，改性后的锐钛矿型TiO2颗粒稳定的分散在溶剂。这是因为使硅烷偶联剂接枝到TiO2颗粒表面，增加其与有机溶剂的亲和性和分散稳定性，有效的提高了TiO2颗粒的悬浮稳定性。,结 论,（1）XRD表明在500和900下分别煅烧，可以得到锐钛矿型和金红石型的TiO2颗粒； （2）分析PVA改性的金红石型TiO2颗粒傅里叶红外光谱图中，1442cm-1处峰归属于PVA上CH3-和-CH2-的变形振动峰，2921cm-1处峰归属于改性剂PVA中CH3-和-CH2-的伸缩振动峰，这些吸收峰都是改性剂PVA的特征吸收峰，这说明PVA成功的吸附在TiO2表面； （3）分析乙烯基3-甲氧基乙氧基硅烷改性的锐钛矿型TiO2颗粒傅里叶红外光谱图中，1053 cm-1