电子纸用二氧化钛颗粒的表面改性的研究-课件

指导教师：

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：学号：哈尔滨商业大学论文答辩指导教师：电子纸用二氧化钛颗粒的表面改性研究班级：11级印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

第四部分结论答辩提纲第一部分课题研究的目的和意义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β-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。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，是一电子纸的实用技术

图1图2电子纸的实用技术实验部分表1实验中所用的仪器仪器名称仪器型号生产厂家多功能搅拌器HJ-5常州国华仪器有限公司电子天平JY502上海浦春计量仪器有限公司电热鼓风干燥箱WGL天津市泰斯特仪器有限公司通风橱大连赛博斯特通风橱大连赛博斯特实验室装备有限公司实验部分表1实验中所用的仪器仪器名称仪器型号生产厂家多功表2-2实验中所用的化学试剂试剂名称分子式分子量化学性质生产厂家钛酸四丁酯C16H36O4Ti340.32化学纯上海展云化工有限公司冰醋酸C2H4O260分析纯天津市瑞金特化学品有限公司PVA[C2H4O]n44.05分析纯天津市天力化学试剂有限公司氢氧化钠NaOH40分析纯天津市凯通化学试剂有限公司无水乙醇CH3CH2OH46.07分析纯天津市天力化学试剂有限公司去离子水H2O18

订购乙烯基三β-甲氧基乙氧基硅烷C11H24O6Si280.4分析纯东京化成工业株式会社表2实验所用试剂表2-2实验中所用的化学试剂试剂名称分子式分子量化学性质生实验仪器

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静置搅拌

溶液A去离子水醋酸无水乙醇

溶液B钛酸四丁酯无水乙醇滴加

溶胶

凝胶干燥

黄色颗粒研磨煅烧

TiO2纳米颗粒图7二氧化钛颗粒制备的流程示意图静置搅拌溶液A去离子水醋酸无水乙醇溶液B钛酸图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颗粒图8溶胶图9凝胶图10（b）刚煅烧结束的金红石型T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2θ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)、(105and211)、（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。实验结果与分析XRD分析图12（a）改性前TiO2颗粒的XRXRD图在2θ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)、(002and310)、(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XRD图在2θ值分别为27.49°，36.16°，39.18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（b）PVA改性的金红石型TiO2颗粒光谱图PVA改性图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。图12（a）、（b）分别为PVA改性前后金红石型TiO2颗粒分散性能的表征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。ab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)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。沉降行为表征图14不同条件下PVA改性锐钛矿TiO2纳米颗上图观察得出：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。ab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）上图观察得出：PVA改性的金红石型TiO2颗粒在四氯乙烯中的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1053cm-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。硅烷改性后的锐钛矿型TiO2颗粒的FTIR表征图16（a）未图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1053cm-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。ab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)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沉降行为表征ab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。沉降行为表征ab图17未改性锐钛矿型TiO2颗粒和硅烷改性结论（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3β-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，1053cm-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，这些吸收峰都是改性剂乙烯基3β-甲氧基乙氧基硅烷的特征吸收峰，这说明乙烯基3β-甲氧基乙氧基硅烷成功的键接在TiO2表面；（4）光学显微镜分析观察，电泳颗粒的分散稳定性提高；（5）结合分散稳定性和沉降行为的情况:改性后的TiO2颗粒的悬浮稳定性提高。结论（1）XRD表明在500℃和900℃下分别煅烧，可以得

感谢各位老师

电子纸用二氧化钛颗粒的表面改性的研究-课件指导教师：

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：学号：哈尔滨商业大学论文答辩指导教师：电子纸用二氧化钛颗粒的表面改性研究班级：11级印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

第四部分结论答辩提纲第一部分课题研究的目的和意义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β-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。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，是一电子纸的实用技术

图1图2电子纸的实用技术实验部分表1实验中所用的仪器仪器名称仪器型号生产厂家多功能搅拌器HJ-5常州国华仪器有限公司电子天平JY502上海浦春计量仪器有限公司电热鼓风干燥箱WGL天津市泰斯特仪器有限公司通风橱大连赛博斯特通风橱大连赛博斯特实验室装备有限公司实验部分表1实验中所用的仪器仪器名称仪器型号生产厂家多功表2-2实验中所用的化学试剂试剂名称分子式分子量化学性质生产厂家钛酸四丁酯C16H36O4Ti340.32化学纯上海展云化工有限公司冰醋酸C2H4O260分析纯天津市瑞金特化学品有限公司PVA[C2H4O]n44.05分析纯天津市天力化学试剂有限公司氢氧化钠NaOH40分析纯天津市凯通化学试剂有限公司无水乙醇CH3CH2OH46.07分析纯天津市天力化学试剂有限公司去离子水H2O18

订购乙烯基三β-甲氧基乙氧基硅烷C11H24O6Si280.4分析纯东京化成工业株式会社表2实验所用试剂表2-2实验中所用的化学试剂试剂名称分子式分子量化学性质生实验仪器

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静置搅拌

溶液A去离子水醋酸无水乙醇

溶液B钛酸四丁酯无水乙醇滴加

溶胶

凝胶干燥

黄色颗粒研磨煅烧

TiO2纳米颗粒图7二氧化钛颗粒制备的流程示意图静置搅拌溶液A去离子水醋酸无水乙醇溶液B钛酸图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颗粒图8溶胶图9凝胶图10（b）刚煅烧结束的金红石型T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2θ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)、(105and211)、（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。实验结果与分析XRD分析图12（a）改性前TiO2颗粒的XRXRD图在2θ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)、(002and310)、(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XRD图在2θ值分别为27.49°，36.16°，39.18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（b）PVA改性的金红石型TiO2颗粒光谱图PVA改性图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。图12（a）、（b）分别为PVA改性前后金红石型TiO2颗粒分散性能的表征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。ab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)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。沉降行为表征图14不同条件下PVA改性锐钛矿TiO2纳米颗上图观察得出：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。ab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）上图观察得出：PVA改性的金红石型TiO2颗粒在四氯乙烯中的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1053cm-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。硅烷改性后的锐钛矿型TiO2颗粒的FTIR表征图16（a）未图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1053cm-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颗粒的红外分散性能行为表