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纳米二氧化钛制备工艺和应用
2017年11月02日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:3569
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纳米材料是指颗粒尺寸为10-9m量级的超细微粒。此类材料因尺寸很小,在此尺度下性能发生突变,不同于常规尺度(如米甚至毫米量级),出现了特殊的性能,如表面效应、体积效应、量子尺寸效应、量子隧道效应等[1],因此,纳米材料一般拥有特殊的电、光、磁、敏感性等特殊性质。纳米二氧化钛除具有纳米材料的共性之外,还具有化学性质稳定、无毒、成本低、催化活性高等特性,已成为各国研究的热点之一。

 

1、纳米二氧化钛的结构及性能

结构决定性能,纳米二氧化钛的特性与其结构密不可分。研究发现,晶体二氧化钛因Ti-O6八面体结构单元中的连接方式差异,形成了正方晶系板钛矿型、斜方晶系锐钛矿型和正方晶系红石型这三种晶体形状。在自然界中分布最广(性质最稳定)、用途较多的属于金红石型,另外两种晶型则少见。板钛矿型和锐钛矿型均属于不稳定相,可以在一定的温度与压力条件下,发生不可逆的放热反应,转变为金红石型。

 


纳米二氧化钛的微观形貌

 

2、纳米二氧化钛的制备工艺

目前,纳米二氧化钛的制备工艺按物理性质分,主要有固相法、气相法和液相法。

 

固相法顾名思义,就是利用机械力将其研磨成小尺寸,包括高能球磨法、机械粉碎法等,此类方法制造时会引起粉尘到处飞散,存在安全隐患,因此一般很少采用。

 

高能球磨机

 

气相法利用气体分子较小、化学反应时速度更快的优势进行生产,主要有低压气体蒸发法、活性氢-熔融金属反应法、溅射法、流动液面上真空蒸发法、钛醇盐气相水解法、TiCl4高温气相水解法、钛醇盐气相分解法和TiCl4气相氧化法等,气相法的特点是:粒度细、化学活性高、单分散性好可见光透射性好、吸收紫外线的能力强等。缺点是反应时温度很高,对物料的瞬时混合均匀性及设备的要求很高,目前处于小试阶段。

 

气相氧化法制备纳米二氧化钛

 

液相法表明:反应在液相中进行,包括水热法、水解法、沉淀法、溶胶-凝胶法[2]、微乳液法、胶溶法等。特点是:成本低、原料无毒、无危险性、常温反应、工艺简单易控、可大规模生产、质量稳定等。

 

溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛

 

3、纳米二氧化钛的应用

纳米二氧化钛有很强的吸收紫外线能力、奇特的颜色反应、良好的热稳定性、化学稳定性和较好的光学、力学以及电学各个方面的特性,其中锐钛矿有较高催化效率,金红石型结构稳定有比较强的覆盖力、着色力和紫外吸收能力。因此其催化剂载体、紫外吸收剂、高效光敏催化剂、护肤品防晒、塑料薄膜制品、水处理、精细陶瓷等多种领域具有广泛的应用。

 

1)功能建材

因纳米二氧化钛具有较高的催化活性,在光催化作用下可抗菌、除臭、分解空气/水中的有机污染物,同时可以重复利用,此特点在功能建材领域的应用前景巨大,由纳米二氧化钛制成的家具、涂料等对室内空气净化(除甲醛、硫化氢等有毒气体)具有绿色、无污染、节能的特点,是新时代绿色净化的佼佼者。同时,纳米二氧化钛材料还具有超亲水性,即在纳米二氧化钛材料表面不易形成水珠,可应用于玻璃、陶瓷等表面进行防雾,应用于瓷砖表面还可实现自清洁功能。


 

 

2)传感器

研究表明,二氧化钛可对汽车尾气中的氧含量进行检测,利用此特性可对汽车发动机的效率进行评估,在4S店中的检测、汽车制造厂中新产品的研发及验收等领域具有巨大的作用及潜力。

 


典型TiO2基气体传感器的元件及其传感过程

 

3)电池

纳米二氧化钛增强电池后,可拥有快速充放电、高容量、稳定性高等特点,具有很好的应用前景。同时因纳米二氧化钛具有光电转换率高,可大大提高太阳能电池[3]的转换效率,相同条件下在电池中储存的能量大大提高。

 

纳米二氧化钛锂电池

 

4)化妆品

爱美是每个人的天性,美白是每个亚洲女性的共同爱好,但大部分美白产品中添加剂均对人体有不同程度的副作用,且美白效果不甚明显。而纳米二氧化钛的美白效果非常好,还可以反射紫外线,是紫外线的天然屏蔽产品,同时纳米二氧化钛对人体无毒,因此在化妆品领域具有极大的发展前途。

 

化妆品中纳米二氧化钛的作用机理

 

5)生物材料

纳米二氧化钛对人体无毒,经纳米二氧化钛增强的生物医学材料[4-5],如假肢等,可有效替代残疾人的受伤部位。同时还可应用于医学中的癌症治疗。

 

 

纳米二氧化钛/PEEK生物活性复合骨代替材料

 

纳米二氧化钛捕获癌细胞

 

6)3D打印

以前3D打印技术所制作的产品都是惰性的,目前有科学家将纳米二氧化钛掺入到3D打印的聚合物中,打印出来的物品具有了化学活性,这一独特性让纳米二氧化钛在3D打印领域表现除了巨大的发展潜力,让3D打印技术上升了一个维度。

 

纳米二氧化钛在3D打印技术中的应用

 

作者:Avlon


参考文献

[1] 黄振峰. 浅谈纳米二氧化钛[J].科技创新导报,2010,18(6):136.

[2] 王勇. 纳米TiO2的制备工艺研究[J].化工新型材料,2016:(4):199-201.

[3] 张敏. 改性纳米TiO2的制备及其在染料敏化太阳能电池中的性能研究[D].青岛科技大学,2016.

[4] Wu X, Liu X. Nano-Tio2/PEEK bioactive composite as a bone substitute material: in vitro and in vivo studies[J]. Int J Nanomed. 2012;7:1215-1225.

[5] 马翔宇,王东. 开放性骨折修复:创面感染、植入物选择及预后评价[J].极速5分快三组织工程研究,2015,19(26):4258-4264.


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