TiO2在高分子材料中的应用

1、 纳米TiO2在高分子材料中的应用 高分子科学与工程学院1班 陈晨 2013141431264摘要:本文主要介绍了纳米颗粒的性能，纳米TiO2的特性，聚合物基纳米复合材料，阐述了相关定义及概念。另外，从太阳能的转化、环境保护方面、功能纺织材料中的应用、在医学领域等四个方面分别介绍了纳米TiO2在高分子材料中的应用以及目前及未来纳米TiO2在高分子材料领域发展的趋势。关键词:纳米TiO2 ;复合材料;前言:高分子材料的应用范围因其较低的强度和刚度受到很大程度的限制,如果在其基体中加入第二相物质,就可以形成以聚合物为基体的”复合材料”,就可以显著提高聚合物的强度和刚度,还能使其具有某些诸如导电性,

2、感光性,耐辐射性,磁性等等。而TiO2可以作为很好的功能性第二相填料,所以近年来将纳米粒子作为一类新兴填料,应用到聚合物的填充改性,开发高性能,具有特殊功能的复合材料,不仅顺应了聚合物填充改性的发展潮流,同时也为聚合物/无机纳米粒子复合材料的发展提出了新的课题和挑战。1.纳米颗粒性能（1）小尺寸效应。当超细微粒的尺寸与光波波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,晶体的周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒颗粒表面层附近原子密度减小,导致声、光、电、磁、力学等特性呈现新的小尺寸效应。（2）表面效应。表面原子数的增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性且变

3、得极不稳定，这种活性不但引起纳米粒子表面原子输运和构形的变化，同时也引起表面电子自旋构相和电子能谱的变化。（3）量子尺寸效应。是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。（4）宏观量子隧道效应。即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。2.纳米TiO2的特性纳米TiO2是于80年代后期问世，根据生产工艺条

4、件的不同，纳米TiO2可分为金红石型、锐钛型和板钛型。其中以金红石型居多，它的耐候性、热稳定性和化学稳定性均优于锐钛型纳米TiO2。但锐钛型纳米TiO2比金红石型纳米TiO2具有更优的光催化性能，故多被用作光催化剂。且当温度高于900摄氏度时，其可由锐钛型转变为金红石型。同时纳米TiO2亦称纳米钛白粉，是一新型的无机功能材料由于其粒100nm之间,具有粒径小、比表面积大、表面活性高、分散性好等特点,表现出独特的物理化学性质,使其在环境、材料、能源、医疗和 卫生领域有着广阔的应用前景。纳米TiO2有以下几大特性:（1）光催化特性。在污水处理,空气净化,抗菌杀毒,自动无毒化材料等方面有较为广泛的应

5、用。（2）表面超双亲性。体现在防雾、防露，防污、自洁，提高水下物体的净化速度等方面。（3）表面超疏水性。可作为斥水材料且在适当时候亲水与疏水互相切换，在印刷业也有较为重要的应用。（4）紫外吸收特性。用于化妆品，合成纤维，塑料及涂料等的添加剂。（5）颜色效应。TiO2的光学效应随着粒径发生改变，能够增加金属面漆颜色的丰满度。根据纳米TiO2所拥有的这些特殊性质，人们将其与高分子材料进行复合，或者是通过对纳米TiO2改性后再复合，使得新型合成的高分子复合材料具有许多纳米TiO2的优良性质，对人们的生活以及科技的发展都产生了巨大的影响。3.聚合物基纳米复合材料聚合物基纳米复合材料是由各种纳米单元与有

6、机高分子材料以各种方式复合成型的一种新型复合材料 ,所采用的纳米单元按成分可分为金属、无机物、高分子等 ;按几何条件可分为球状、片状、柱状纳米粒子 ;按相结构可分为单相及多相 ,对多相高分子复合材料 ,只要其某一组成相至少有一维的尺寸处在纳米范围内，就可将其看成聚合物纳米复合材料。纳米材料在复合材料中的应用主要体现在以下几个方面：（1）提高复合材料的模量和拉伸强度。根据除夕、PH。T。Vollcnbcrg等人的研究表明在复合材料中加入适当的纳米粒子可显著提高复合材料的模量和拉伸强度。（2）改善复合材料的塑性。普通陶瓷只有在1000摄氏度以上，应变速率达到一定要求时才可表现出塑性。而纳米陶瓷Ti

7、O2在室温下即可发生塑性形变，因而纳米陶瓷能提供一种具有耐高温性、高强度、又具有优良塑性和韧性的填料材料。（3）获得具有特异功能的复合材料。将某种具有特殊性能的纳米粒子加入到聚合物基体中，就可能获得具有该项功能的纳米复合材料。4. 纳米TiO2在高分子材料中的应用(1)纳米TiO2在太阳能的转化方面的应用例如，近年来对PANI/TiO2纳米复合材料的发光性能研究。导电聚合物/无机半导体纳米复合材料以其良好的良好的综合性能和灵活的功能结构设计成为材料科学研究的热点之一。研究发现，聚苯胺（PANI），聚噻吩和聚吡咯等导电高分子聚合物修饰纳TiO2，可降低TiO2的禁带宽度，提高纳米TiO2的可见光

8、催化活性，同时导电聚合物优良的导电性能还能降低光生电子-空穴的复合率提高光催化量子效率，提高紫外光下的光催化活性。在共轭聚合物中，PANI因其合成方法比较简单,原料易得,环境稳定性好,具有较好的导电性能和光学性能,常被用来作为二次电池的电极材料,电致变色材料等,被认为是最有实际应用价值的导电聚合物之一。而TiO2包覆在TiO2表面,形成分散均匀的纳米复合粒子,直径约20-30nm，并且PANI/TiO2纳米复合材料有一定程度的晶化。在复合材料中，TiO2和聚苯胺分子链之间存在强的相互作用，并对复合材料的热稳定性起催化作用，TiO2的含量对复合材料的导电性能也有一定影响。（2）纳米TiO2在环境

9、保护方面的应用绝大多数有机污染物，光催化技术均可将其有效降解。对于无机污染物，光催化降解也有十分广泛的应用，比如，NO-2，S-2，CN-，NO3-，SO2等无机污染物可吸附于光催化剂表面，被光氧化为N2，CO2等无毒害的物质。在已成功应用的实例中，纳米TiO2粒子能够将空气中的SO2、H2S、NO等气体以及建筑材料以至屋内家具所释放的有害气体(如甲醛、苯系物等)吸附在光催化剂的表面，进而进行分解转化。粉末状TiO2有易团聚、难以回收等缺点，而二氧化钛薄膜则不易团聚，可以重复利用；但TiO2薄膜起光催化作用的只有表面那一层TiO2，因而降低了TiO2的利用率和光催化效率，而多孔TiO2薄膜由于

10、具有孔道结构能够使污染物与基底上的TiO2充分接触，有利于提高TiO2的利用率，改善其光催化性能。因此，当前的研究热点是多孔TiO2薄膜。由于纳米TiO2薄膜具有超亲水性，因此可以在玻璃、镜面、建筑材料等表面涂上一层TiO2的涂层，当这些材料表面吸附了空气中的有机和无机污染物，TiO2的光催化性能就可以把吸附在其表面的污染物分解成CO2和H2O，被雨水冲刷干净。这是一个自清洁的过程。有研究表明，在室内光和日光灯照射下，也能激发纳米TiO2的光催化活性。所以，这种光催化新技术也给日常的生活环境维护带来了新的应用开发热潮。例如，近年来对纳米TiO2/聚丙烯酸酯复合材料的研究。对于纳米TiO2/聚丙

11、烯酸酯复合材料,大部分的研究主要集中在涂料应用领域.许秋颖等研究了纳米TiO2对丙烯酸树脂涂膜抗菌性能的影响,添加了纳米TiO2的涂膜,在自然光照24h后，对大肠杆菌的杀菌率可达半分之84。张玲华等用纳米TiO2成功制备了耐候耐污性优异的丙烯酸纳米复合外墙乳漆胶。高基伟等研究了纳米TiO2的掺杂比为百分之2 时改性涂料的耐洗刷性提高到原始涂料的7倍以上，硬度提高一个等级。（3）纳米TiO2在功能纺织材料中的应用 TiO2在纺织品中的抗紫外线性能、抗菌性能、抗静电性能、消光性能、抗老化性能、自清洁性能和隔热性能等。此外，还列举了TiO2在纺织品中的一些新应用，如提高免烫织物的强力、红外吸收增强织

12、物保暖性能以及对聚丙烯/尼龙6复合材料的增容作用。随着纺织工业的发展和人民生活水平的日益提高，人们对纺织品质量的要求越来越高，对环保和功能性的要求也日益重视，传统的纺织品已不能满足现代产业用、服用和装饰用的最新要求。现代纺织品的方向发展已朝向多元化和功能化。纳米TiO2因具有价廉无毒、粒径小、比表面积大、磁性强、催化性高、吸收性能好，吸收紫外线能力强，表面活性大、热导性好、分散性好、稳定性好等优点而倍受关注。纳米TiO2作为抗紫外吸收剂已广泛应用到涤纶等合成纤维织物、天然纤维棉织物及复合材料中。鲍进跃等利用纳米TiO2对涤纶长丝织物进行整理，整理织物抗紫外吸收性能较好，耐洗性较好，且对织物的刚

13、柔性、透气性和强力影响较小。SEM扫描结果显示纳米TiO2颗粒在织物表面呈现局部分散和团聚的不均匀状态。针对纳米TiO2易团聚的问题，邓桦等采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2溶胶，整理棉织物具有优异的抗紫外性能耐洗性优异，断裂强力和透气性基本不受影响。天津工业大学的张丽等以钛酸丁酯和乙醇为原料，采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2，获得了优异的抗紫外效果。赵金安等利用熔体共混方式制备了纳米TiO2/聚丙烯复合材料，结果发现：TiO2含量越高，紫外光的屏蔽效果越好，纳米TiO2对聚丙烯有结晶成核作用，球晶尺寸明显减小，且复合材料力学性能良好。（4）纳米TiO2在医学领域的应用针对手术电刀普遍存在容易产生焦痂等缺陷，通过改进镀膜技术，在多功能手术解剖器上蒸镀TiO2薄膜材料。经过临床应用，镀有TiO2薄膜材料的手术刀能显著减少焦痂的产生，高效止血，提高了手术效率。TiO2薄膜材料优势明显。相比于传统不粘材料，TiO2薄膜材料具有两项独特的优势：一是只需吸附微量的血液，就可达到瞬间止血等效果，更便于缝合