超级陶瓷纸的制备与性能研究（稀有金属材料与工程论文）

超级陶瓷纸的制备与性能研究 稀有金属材料与工程论文超级陶瓷纸的制备与性能研究 稀有金属材料与工程论文 第36卷增刊3xx年9月稀有金属材料与工程RARE METALM RIAI S ANDENG1NEERING Vo1 36 Supp1 3Septemberxx 超级陶瓷纸的制备与性能研究薛涛 王伟 金志浩 西安交通大学金属材料强度国家重点实验室 陕西 西安710049 摘要采用溶胶 凝胶技术对陶瓷纸张进行 同时对纳米材料的抗菌性进行了研究和 探讨 并通过涂层 浸轧等方式制备出具有阻燃 拒水性能及抗菌防臭性 能的超级陶瓷纸 试验表明 采用凝胶 溶胶技术制备的有机 无机相结合的陶瓷纸 具有很强的力学性能 拒水性能和阻燃性能 此外 采用纳米材料 的陶瓷纸对大肠杆菌 金黄色葡萄球菌和白色念珠菌具有极高的抑 制作用 可广泛应于食品包装纸及保鲜纸等 关键词陶瓷纸 阻燃 溶胶 凝胶 拒水 抗菌中图法分类号TG146 4A1002 185X xx 3 324 041引言造纸术是中国古代的四大发明之一 对人类 社会的发展起着重要的作用 纸张是由木材或植物纤维等可循环 可再生的天然原料制成 它制作方便 成本低廉 应用面极广 在日常生活 文化教育 工 业包装 电子通讯 建筑等领域中是不可缺少的材料 但是 由于存在不耐水 易燃 强度低 易撕裂 易发霉 腐烂等 缺点 使其应用范围受到限制 采用溶胶一凝胶 Sol Ge1 法涂敷纸张 使构成纸张的纤维表面均匀涂敷一层溶胶 溶胶 中的羟基 一OH 既可与纤维素的羟基 一OH 进行醚化反应 又可发 生自身缩聚反应 6 这样纤维素纤维通过硅氧等化学键结合在一起 既保持了纸张纤维 的显微结构特征 可再生性质和易加工性 又提高了纸张的力学性 能 并赋予其难燃 疏水 高强等优异性能 使纸张性质发生根本 变化 克服了纸张的种种缺点 纳米材料最大的优点除了它本身的优良特性外 就是它的 绿色 性 即对环境无污染 它完全符合抗菌陶瓷纸的制备条件J有 1 与人接触 特别是对过敏性体质的人和婴儿 无过敏反应和无刺 激性 2 无臭味 3 抑菌效果好且能承受加热等加工条件 4 与其他试剂的配伍性好 5 加工后无色变现象 6 耐久性好 采用纳米材料光催化性能对普通纸张进行处理 大大提高了纸张的 抑菌效果 运用这种有机一无机结合的方式 同时引入纳米材料的复配 使原 来不耐水 易燃 易撕裂且易发霉 腐烂的普通纸张变成耐水 难 燃 不易撕裂且又抗菌防臭的超级陶瓷纸变成了现实 这种陶瓷纸在建筑业 生物 农业 医疗和保鲜包装材料等领域具 有广泛的应用前景 同时 利用这种含有si键和Ti键的陶瓷纸经过炭化后进行碳热还原 反应 可以制成具有高强高韧的层状多孔的SiC和TiC陶瓷材料 9 H 此外 通过仿生设计 融合金属 陶瓷和高分子材料三类材料 将 高刚性 高强度的骨架 陶瓷材料 与高柔性和塑性的基体材料复合 实现仿人体和动物肢体的新型复合材料 2实验2 1试样制备硅溶胶的前驱体为正硅酸乙酯 在碱性条件下水 解得到 纳米TiO2以土温一80为分散剂 在高剪切乳化机下乳化30min 制备 好的工作液呈乳白色 将纸张样品经过多次浸渍 烘干处理 得到不同增重的试样 阻燃 处理后就制各了高强度 耐水 阻燃的超级陶瓷纸样品 2 2性能测试与表征用s 2700型扫描电子显微镜观察陶瓷纸的微观 结构 用SANS CMT5104A型电子万能试验机测定试样的拉伸强度 试样制成哑铃型 标准试样 总长9cm 拉伸断裂区长20mm 宽10mm 导角圆弧半径为 15一mm 压头运动速度为1mm min 用TIO0型电子天平以重量法测 定试样吸水性的变化 对于阻燃性能采用直观的火焰点燃法来进行 测定 抗菌测试依据收到初稿日期xx 04 收到修改稿日期xx 08 11基金项目国家自然科学基金资助项 目 50572084 作者简介薛涛 男 1979年生 博士研究生 西安交通 大学材料科学与工程学院 陕西西安710049 电话02982674924增刊 3薛涛等超级陶瓷纸的制备与性能研究 325 gb15979 xx 一次性使用卫生用品卫生标准进行 实验温度为 20 2 3结果与讨论图1为普通纸张及陶瓷纸的扫描电镜照片 从上图中可以清楚的看出直径约10um的纤维交错纠缠排列 纤维间 有较大的空隙 纸张在经过处理后 硅溶胶及纳米TiO填充在纤维与纤维之间的空隙 中 有的均匀吸附在纤维表面 既保持了纸张纤维的显微结构特征 可再生性质和易加工性 又提 高了纸张的力学性能 图1普通纸张和陶瓷纸的SEM照片Fig 1SEM photographsof conventionalpaper a and ceramicpaper b 3 1陶瓷纸的拉伸强度分析随着硅溶胶的浸渍量的 增加 陶瓷纸的抗拉伸强度明显变大 其变化曲线如图2所示 SiO2M assGrain 图2拉伸强度与硅溶胶增重的关系曲线Fig 2The relativecurves ofstrength and increasing silicon sol拉伸强度随增重的变化曲线可以分为3部分在ab段拉伸随着增重 线形变化 斜率接近一个固定值 bc段是一段曲线 斜率变化逐渐 减小 即增重量对抗拉伸强度的贡献率逐渐减小 cd段几乎是一条 直线质量的增加对抗拉伸强度没有大地影响 对于此曲线的特点 可以认为ab段抗拉伸强度的增加主要是由化学 键合引起的 即硅溶胶的颗粒半径较小 与纤维素上的活性羟基发 生缩合而引起的抗拉伸强度的增加 cd段是由于硅溶胶颗粒较大 活性降低而不能与羟基发生缩合作用 仅仅只是物理堆积在纤维的缝隙中 因此 对抗拉伸强度不产生 大地影响 bc段处于从化学作用向物理作用的过渡阶段 两种作用机理都在起 作用 3 2陶瓷纸的吸水性分析吸水率与SiO增重量的关系如图3所示 随着SiO质量的增加 试样的吸水性显著下降 未经处理的试样中 裸露的纤维表面存在大量的亲水性基团一OH 因此吸水性很强 随着溶胶浸渍量的增多 消耗的羟基也越来越多 从而使其吸水性 逐渐减弱 在陶瓷纸的微观结构中 纤维素与硅溶胶的结合方式有两种一种是 以化学键的方式连接 另一种是以分子间力的作用方式结合在一起 结合理论分析可知 硅溶胶的颗粒小时外表面的羟基具有较高的活 性 它随着颗粒之间的聚合硅羟基的活性降低 因此 可认为小颗粒的硅溶胶外表面上硅羟基与纤维素上的活性羟 基发生缩合反应 当硅溶胶的颗粒长到一定程度时就不会与纤维素 发生反应更多的是依靠分子间的极性吸附而填充在纤维素的孔道结 构中 由于硅溶胶的包覆 填充使得纸张中的纤维素的极性和孔道 减小所以陶瓷纸的吸水性降低 麦 叠sio2mass grain 图3吸水率与硅溶胶增重的关系曲线fig 3111e relativechives ofsopping ratioandincreasingsiliconsol3 3抗菌性能的测定抗菌测试依据g b15979 xx 一次性使用卫生用日 i 2 326 稀有金属材料与工程第36卷品 卫生标准进行 实验温度为 20士2 结果表明 经过处理后的陶瓷纸可以达到良好的抗菌效果 对金黄 色葡萄球菌 大肠杆菌和白色念珠菌具有较强的抑菌效果 其结果 见表1 表1陶瓷纸的抗菌效果测试Table1The Anti bactira performanceof ceramicpaper Notepositive parisonbacteria is3 41 104cfu patch no bacteriaof negativeparison3 4抗菌性能理论分析陶瓷纸的抑菌过程可以这样 来解释 见图4 当纳米TiO2在水和空气体系中 在阳光尤其是在紫外线的照射下 一个具有t 大小能量 或超过该半导体带间隙能量 的光子照射到纳 米TiO2半导体时 能够自行分解出自由移动的带负电荷的电子 e一 和带正电的空穴 h TiO2 光 ho TiO2 e h当存在合适的俘获剂或表面缺陷时 电子和空穴的重新复合得到 抑制 在他们复合之前 就会在催化剂表面发生氧化一还原反应 价带空穴是良好的氧化剂 导带电子是良好的还原剂 大多数光催化氧化反应是直接或间接利用空穴的氧化能力 光催化半导体中 空穴具有更大的反应活性 是携带量子的重要部 分 一般与表面吸附的H2O或OH 离子反应形成具有强氧化性的羟基 自由基 h H2O HO H OH h一一HO 电子与表面吸附的氧分子反应 分子氧不仅参与还原 反应 还是表面羟基自由基的另一个重要 具体反应如下e一 O2 O2 02 H20 OOH OH 2OOH O2 H202H202 e一一一HO H2O在上面的式子中 产生了非常活泼的 羟基自由基 HO 超氧离子自由基 02 这些都是氧化性很强的活泼自由基 能够将各种有机物氧化分解 为CO2和H2O等无机小分子 总之 采用溶胶 凝胶法及纳米材料在纸张纤维间进行涂覆 使纤 维之间的结合力大大增强 既保持了纸张纤维的显微结构特征 可再生性质和易加工性 又提 高了纸张的力学性能 并赋予其难燃 疏水 高强度以及抗菌除臭 等优异性能 C02H2O图4光催化反应机理模式Fig 4The patternof ligh catalyze Uv ultraviolet radiation Ev price electrification energy Erguide electrificationenergy h cavity 4结论1 陶瓷纸的抗拉伸强度可 达到25MPa 原始纸样的抗拉伸强度只有5 36MPa 陶瓷纸的吸水率 只有约40 左右 而未经处理的纸样的吸水率有200 左右 2 陶瓷纸的阻燃性能好 在火焰上烧只会发生局部的碳化而没有强 烈的燃烧现象产生 未经处理的纸样在遇到火苗时会发生强烈地燃 烧 3 经过处理后的陶瓷纸可以达到良好的抗菌效果 对金黄色葡萄球 菌 大肠杆菌和白色念珠菌具有较强的抑菌效果 参考文献references 1 herzog a klingner r vogt uet a1 jam ceram soc j xx 87784 2 2zollfrank c sieber h jeur ceramdc明 xx 24495 3 qian jm jin zh wang jp mawrsci eng j xx a3687l 4 cai ning 蔡宁 ma rong 荣 qiao guanjun 乔冠军 et aljournal ofinorganicmaterials 无机材料学报 j xx 增刊3薛涛等超 级陶瓷纸的制备与性能研究 327 lo 4 763 5 Qian Junmin 民 Wang Jiping 平 Jin Zhihao 浩 Journal ofInorganicMaterials 机材料学报 J xx 19 2 335 6 Yang Nanru 杨南如 Yu Guiyu 余桂郁 Bull ChineseCeram Soc 硅酸盐通报 l992 256 7 Yu Guiyu 余桂郁 Yang Nanru 杨南如 Bull ChineseCeramSoc 硅酸盐通报 JJ 1993 660 8 Zhang Lide 张立德 Mu Jimei 牟季美 Nano Materials 米材料学 M ShenyangLiaonin Science and TechnicalPress 199421 9 Hirose ZhaoB Okabe T et a1 J Mater Sci J xx 37 1613453 10 Kasai K Shibata K SaioK et a1 J PorousMat J 1997 4 4 277 11 Shibata K JPorous Mat J 1997 4 4 269 12 Zhang D Xie Q Fan Teta1 J MaterSci J xx 37 20 4457 13 Xie Q Fan T Sun BH eta1 MaterSciEng J xx A342 1 2 287 14 Suda T Kondo N OkabeTeta1 JPorous Mat J 1999 6 3 255study onpreparation andproperties ofsuper ceramic paperxue tao wang wei jin zhihao state keylaboratory formechanical behaviorofmaterials xi an jiaotonguniversity xi an710049 china abstracta newlydeveloped methodto preparesuper ceramicpaper wasintroduced inthis article super ceramicpaper withflam retardationability water repellencyand antibacterial deodorization property can be producedthrough paddingor coatingprocess different f inishings throughvarious techniquesresult indiverse performance