光催化抗菌功能陶瓷介绍PPT.ppt

光催化 tio2 抗菌功能陶瓷 主讲人 李喜林10809030515 目录 一 前言二 国内外纳米抗菌材料的发展状况三 纳米抗菌材料在陶瓷方面的应用四 纳米抗菌剂五 tio2纳米粒子的光催化六 存在问题与展望 一 前言 研发抗菌材料的必要性随着科学技术的不断发展 人们对环境质量的要求不断提高 创建舒适 安全的生存环境已成为人们的迫切愿望 但由于工业的发展 人口的增多 使环境污染加重 而环境污染破坏了我们周围微生物的生态平衡 使人类的健康受到严重威胁 因此研制与开发各种具有抗菌和杀菌功的材料是十分必要的 前言 抗菌材料的发展与使用抗菌材料的关键使用各类抗菌剂及其抗菌材料的关键是 必须根据材料自身的性能特性和应用的目标产品 及其使用场合的不同予以设计 这需要学科交叉 跨学科和跨行业的技术协作 二 国内外纳米抗菌材料的发展状况 在日本 各种光触媒材料已经被人们所接受 应用范围也由厨房 浴室的抗菌陶瓷 面砖等扩大到了医院 电器行业甚至是食品加工厂等 同时各类保洁材料不断被研制出来并很快得到应用 我国光触媒材料的研制和应用也很活跃 随着科学技术的发展 随着抗菌保洁功能陶瓷材料性能的不断改善和加强 光触媒功能陶瓷材料必将成为人们生活的一部分 现代抗菌材料的应用在80年代起始于日本 欧美等发达国家 1983年日本品川燃料公司首先推出无机抗菌剂的工业化产品 1984年钟纺公司也推出自己的抗菌剂 日本东陶公司所属的日本瓷砖工业公司 1993年开发出光催化抗菌陶瓷 1998年达到月产抗菌瓷砖4 5万平方米 年产量可达到54万平方米 1996年 在日本发生的全国范围内的病源性大肠菌o一157感染事件 曾一度引起全世界的恐慌 因此 日本掀起了 抗菌热 不仅在医院 公共场所和住宅 连生活用品和生产工具逐步采用抗菌材料 目前 日本抗菌剂的年销售量超过了210亿日元 生产厂总计100家以上 抗菌制品销售量达500亿日元以上 人均消费水平大大高于欧美 国内外纳米抗菌材料的发展状况 国内外纳米抗菌材料的发展状况 抗菌材料在中国的发展我国开展抗菌材料研究的时间与国际上基本同步 始于上世纪80年代初 但在早期投入的经费不多 研究进展不快 产业化成果不明显 上世纪90年代中期 中科院化学研究所开始研究抗茵塑料及无机抗菌剂 并与海尔集团合作研究开发在家用电器产品上的应用技术 成功地推出系列家电产品 如抗菌冰箱 抗菌洗衣机 抗菌冷柜 抗菌电话 抗菌手机等 极大地推动了市场的需求 起到了抗菌材料产业化的龙头作用 三 纳米抗菌材料在陶瓷方面的应用 抗菌性陶瓷制品是将抗菌效果好 安全可靠的无机抗菌剂加入到陶瓷釉料中 经施釉和烧结后使之在陶瓷制品表面的釉层中均匀分散并长期存在 即可制得表面抗菌卫生陶瓷 经反复多次清洗后 其抗菌效果始终不变 利用此种技术 瓷砖和陶瓷洁具都可实现表面抗菌化 具有良好的抗菌性能和抗菌耐久性 而且其它特性如耐酸碱腐蚀 耐磨性等也与普通陶瓷无异 日本东陶公司研制成功了一种能自动杀菌的瓷砖和陶瓷脸盆 可以帮助住院病人免受细菌感染 另外 该公司还成功开发了一种集装饰与净化功能于一体的自洁内墙砖 目前已投放市场 由于抗菌陶瓷具有许多优异功能 而且用途广泛 因此国内陶瓷行业的科研人员也开始重视抗菌制品的研究开发 深圳清华大学研究院纳米材料应用实验室开发出高性能的抗菌陶瓷 特点是在陶瓷釉料中掺入纳米银等无机抗菌剂烧制而成 通过银离子和其它抗菌成分的缓释溶出起到抑制微生物生长繁殖的作用 纳米抗菌材料在陶瓷方面的应用 四 纳米抗菌剂 纳米抗菌消毒剂的特性以及杀菌机制 纳米光催化型抗菌剂 纳米银系抗菌剂 纳米银系抗菌 纳米载银无机抗菌剂是银离子和纳米级无机化合物载体的复合体 其利用纳米载体微粒表面含有许多纳米级微孔的特殊结构特征 采用离子交换的方法 将银离子固定在沸石 硅胶 膨润土等疏松多孔的纳米载体材料的微孔中获得的 制得的纳米载银无机抗菌剂在抗菌功能持久 耐高温 不易分解 安全卫生及广谱性等方面有了极大改善 其性能大大优于传统抗菌剂 纳米银系抗菌 机理微量银离子接触微生物细胞膜时 因后者带负电 靠库仑引力 可使银离子牢固吸附于细胞壁表面 此时细菌有某些生理功能被破坏 当银离子聚集量达到一定限度后 会穿透细胞壁进人细胞内部 滞留在胞浆膜上 抑制了胞浆膜内酶的活性 当酶蛋白沉淀或失去活性 能量和呼吸代谢被迫终止或中断时 病菌的生长和繁殖便得到抑制 氧化钛系抗菌 纳米ti02经光催化产生的空穴和形成于表面的活性氧类能与细菌细胞或细胞内的组成成分进行生化反应 使细菌单元失活而导致细胞死亡 并且使细菌死亡后产生的内毒素分解日本最近开发出用于ti涂覆的抗菌陶瓷 在光照下可完全杀死其表面的细菌 最近福州大学也研制出坚固的掺杂ti02膜的陶瓷材料 对大肠杆菌和空气中的浮游菌具有稳定的杀灭作用和抑制细菌生长的能力 五 tio2纳米粒子的光催化 5 1什么是光催化光催化特性是半导体具有的独特性能之一 光照射下把光能转化为化学能 促进化合物的合成或降解的过程称为光催化 光催化的具体过程半导体材料中电子分布的特征是在它的导带和价带之间有带隙存在 许多化合物半导体的价带是满的 导带是空的 当它们受到光照时 只要光子能量超过半导体的带隙能 时 就能使电子从价带跃迁到导带 从而产生导带电子和价带空穴 这类导带电子有很强的还原力而价带空穴则有很强的氧化力 只要能够抑制或延缓电子 空穴的复合过程 就有可能利用这类光生载流子来氧化或还原半导体表面上的吸附物 光催化的具体过程 5 2氧化钛 tio2 光触媒的形成机理 所谓光触媒功能陶瓷材料指的是经受太阳光或照射光 荧光灯等 照射时 能够由空气中的氧或水分而形成活性氧的物质 这种光触媒因为具有能将所有有机物质氧化分解的能力 所以利用光触媒涂层能够赋予材料以 抗菌 防污 和 脱臭 等各种特殊功能 氧化钛 tio2 光触媒功能陶瓷材料是人们研究最早的抗菌功能陶瓷材料 tio2作为一种半导体光催化材料 由充满电子的价带 传导电子的导带和不能存在电子的禁带构成 当光照射到tio2上时 即产生带负电的电子 e 和带正电的空穴 h 该电子具有强还原 2 能力 电子与空气中的氧反应生成具有很强氧化能力的氧负离子 o2 e o2 o2 而空穴具有氧化 2 能力 与光催化剂表面的微量水分反应 生成氢氧根负离子 oh h h2o ho h 由于o2 oh 具有强氧化能力 因而 具有很好的消毒杀菌功能 5 3氧化钛功能陶瓷材料特殊功能 抗菌保洁陶瓷的自洁 去污功能在陶瓷 面砖等表面敷盖一层tio2材料 当陶瓷等被油污染时 其表面的tio2在光照射下 tio2发生电离而产生带负电的电子 e 和带正电的空穴 h 依其反应机理 它们具有很强的还原或氧化能力 能与陶瓷表面极微量的水及氧反应生成oh 和o2 tio2光催化剂的超亲水能力 使之在水与不同材料接触时 开始产生的接触角在数十度以上 当经过紫外线照射后 接触角会迅速变小 最后达到零度 呈现出超亲水性能 水会自动呈 夹劈 状插入接触角很大的油污与陶瓷中间 在外部风力 水淋冲力等外力作用下 油污会自动从陶瓷表面剥离下来 因而 达到自洁 去污的功效 5 4抗菌特点 效果迅速 作用明显光催化反应有很强的灭菌作用 它对大肠杆菌等的灭菌速度要比其他无机灭菌剂如银等快得多 我们知道 细菌的生长与繁殖需要有机营养物质 而光催化产生的活性羟基能分解这些有机营养物 抑制细菌增强和发育 从而在很大程度上减少了细菌数量 达到抗菌和的目的 而金属离子担载型的无机类抗菌材料一般不具有分解有机营养物的功能 5 5氧化钛 tio2 抗菌陶瓷薄膜的主要制备方法 5 6影响光催化抗菌材料性能的因素 对无机抗菌膜而言 其成膜方法 膜厚 光强度等都可影响到其抗菌性能 此外 粉末悬浮液存在一最佳的抗菌浓度 5 6影响光催化抗菌材料性能的因素 5 6 1成膜方法的影响相比较而言 采用溶胶 凝胶浸涂法成膜的材料具有更大的抗菌活性 而由热溶胶成膜法得到的膜活性最低 这主要由于各种成膜法所得薄膜材料中的晶粒大小 有效反应表面积 晶格缺陷 表面活性态等各不相同 从而表现了不同的反应活性 影响光催化抗菌材料性能的因素 5 6 2膜厚和粉末浓度的影响在玻璃衬底表面溶胶 凝胶浸涂法制膜过程中 改变浸涂次数 1 2 5 10 可得到厚度不同的光催化膜 其抗菌性能显示 黑光灯光照条件下 5次浸涂的膜比2次和1次浸涂膜具有更大的光催化活性 这主要是由于随着膜厚的增加 光催化反应表面积增大 对光的吸收能力增强 光催化活性提高 但10次浸涂膜与5次浸涂膜相比 两者的抗菌性能基本上没有什么差异 这是由于膜厚的过分增大 表面凝聚加著 在烧结过程中晶粒粒径增大 薄膜中有效粒子表面积相对减少的缘故 影响光催化抗菌材料性能的因素 5 6 3光照强度的影响光照强度的增加 的光催化抗菌效应增大 这是由于随着光照强度的增大 光催化反应生成的活性氧类浓度增加 而杀菌效率是与生成的活性氧类的浓度成正比的 5 7研究重点 如何提高tio2的光催化活性抗菌性能来自其光催化活性 因此 提高的光催化活性即提高了其抗菌性能 如增大其表面反应面积 制备纳米粉体和薄膜 表面改性 离子掺杂 制备二元复合半导体 提高其对反应物的吸附性等 研究重点 如加入银离子或铜离子后的作用敷层中的银离子 ag 或铜离子 cu2 使tio2光催化反应更容易进行 进而使ag 或cu2 能牢固地敷盖在tio2表面上 当紫外光照射时 ag 离子或cu2 离子被还原 能在材料的表面上析出具有很强抗菌 杀菌能力的ag或cu 5 8氧化钛光触媒材料进展 日本神户钢铁公司开发研制了氧化钛光触媒功能材料 sparkt 这种材料在波长小于380nm的紫外线照射下具有很强的有机分解效果 sparkt 具有能分解空气中的污染物质 特别是甲醛和乙醛等功能 达到分解消除 该材料还能够分解水中的污染物 当水受到以碱性藏红为主的各种染色色素浸染后 只要经过紫外线照射 色素即刻分解 使色消失 这一分解过程不会产生有害物质 十分安全清洁 对于净化环境具有重要意义 氧化钛光触媒功能陶瓷材料进展 张金龙等利用离子注入法研究了v离子对光催化性能的影响 结果表明v离子掺杂使在可见光区域具有光催化活性 太阳光照射下具有较高的光催化活性ohnot提出了非金属阳离子掺杂制备复合材料的新思路 成功制备出掺杂可见光下具有较强光催化活性的复合材料 六 存在问题与展望 氧化钛剂抗菌陶瓷适于建筑卫生陶瓷高温烧成 但烧成温度越高 抗菌性越低 因此要做抗菌率较高的内墙砖比较容易 地板次之 卫生陶瓷最难 氧化钛抗菌陶瓷存在薄膜与坯体结合不紧密