納米二氧化鈦制備工藝和應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間 | 2017-11-02 14:27 分類 | 粉體加工技術(shù) 點(diǎn)擊量 | 6243

涂料納米材料二氧化鈦

導(dǎo)讀：

納米材料是指顆粒尺寸為10^-9m量級的超細(xì)微粒。此類材料因尺寸很小，在此尺度下性能發(fā)生突變，不同于常規(guī)尺度（如米甚至毫米量級），出現(xiàn)了特殊的性能，如表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)等^[1]，因此，納米材料一般擁有特殊的電、光、磁、敏感性等特殊性質(zhì)。納米二氧化鈦除具有納米材料的共性之外，還具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無毒、成本低、催化活性高等特性，已成為各國研究的熱點(diǎn)之一。

1、納米二氧化鈦的結(jié)構(gòu)及性能

結(jié)構(gòu)決定性能，納米二氧化鈦的特性與其結(jié)構(gòu)密不可分。研究發(fā)現(xiàn)，晶體二氧化鈦因Ti-O₆八面體結(jié)構(gòu)單元中的連接方式差異，形成了正方晶系板鈦礦型、斜方晶系銳鈦礦型和正方晶系紅石型這三種晶體形狀。在自然界中分布最廣（性質(zhì)最穩(wěn)定）、用途較多的屬于金紅石型，另外兩種晶型則少見。板鈦礦型和銳鈦礦型均屬于不穩(wěn)定相，可以在一定的溫度與壓力條件下，發(fā)生不可逆的放熱反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石型。

納米二氧化鈦的微觀形貌

2、納米二氧化鈦的制備工藝

目前，納米二氧化鈦的制備工藝按物理性質(zhì)分，主要有固相法、氣相法和液相法。

固相法顧名思義，就是利用機(jī)械力將其研磨成小尺寸，包括高能球磨法、機(jī)械粉碎法等，此類方法制造時(shí)會引起粉塵到處飛散，存在安全隱患，因此一般很少采用。

高能球磨機(jī)

氣相法利用氣體分子較小、化學(xué)反應(yīng)時(shí)速度更快的優(yōu)勢進(jìn)行生產(chǎn)，主要有低壓氣體蒸發(fā)法、活性氫-熔融金屬反應(yīng)法、濺射法、流動液面上真空蒸發(fā)法、鈦醇鹽氣相水解法、TiCl₄高溫氣相水解法、鈦醇鹽氣相分解法和TiCl₄氣相氧化法等，氣相法的特點(diǎn)是：粒度細(xì)、化學(xué)活性高、單分散性好可見光透射性好、吸收紫外線的能力強(qiáng)等。缺點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)溫度很高，對物料的瞬時(shí)混合均勻性及設(shè)備的要求很高，目前處于小試階段。

氣相氧化法制備納米二氧化鈦

液相法表明：反應(yīng)在液相中進(jìn)行，包括水熱法、水解法、沉淀法、溶膠-凝膠法^[2]、微乳液法、膠溶法等。特點(diǎn)是：成本低、原料無毒、無危險(xiǎn)性、常溫反應(yīng)、工藝簡單易控、可大規(guī)模生產(chǎn)、質(zhì)量穩(wěn)定等。

溶膠-凝膠法制備納米二氧化鈦

3、納米二氧化鈦的應(yīng)用

納米二氧化鈦有很強(qiáng)的吸收紫外線能力、奇特的顏色反應(yīng)、良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和較好的光學(xué)、力學(xué)以及電學(xué)各個(gè)方面的特性，其中銳鈦礦有較高催化效率，金紅石型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有比較強(qiáng)的覆蓋力、著色力和紫外吸收能力。因此其催化劑載體、紫外吸收劑、高效光敏催化劑、護(hù)膚品防曬、塑料薄膜制品、水處理、精細(xì)陶瓷等多種領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

（1）功能建材

因納米二氧化鈦具有較高的催化活性，在光催化作用下可抗菌、除臭、分解空氣/水中的有機(jī)污染物，同時(shí)可以重復(fù)利用，此特點(diǎn)在功能建材領(lǐng)域的應(yīng)用前景巨大，由納米二氧化鈦制成的家具、涂料等對室內(nèi)空氣凈化（除甲醛、硫化氫等有毒氣體）具有綠色、無污染、節(jié)能的特點(diǎn)，是新時(shí)代綠色凈化的佼佼者。同時(shí)，納米二氧化鈦材料還具有超親水性，即在納米二氧化鈦材料表面不易形成水珠，可應(yīng)用于玻璃、陶瓷等表面進(jìn)行防霧，應(yīng)用于瓷磚表面還可實(shí)現(xiàn)自清潔功能。

（2）傳感器

研究表明，二氧化鈦可對汽車尾氣中的氧含量進(jìn)行檢測，利用此特性可對汽車發(fā)動機(jī)的效率進(jìn)行評估，在4S店中的檢測、汽車制造廠中新產(chǎn)品的研發(fā)及驗(yàn)收等領(lǐng)域具有巨大的作用及潛力。

典型TiO2基氣體傳感器的元件及其傳感過程

（3）電池

納米二氧化鈦增強(qiáng)電池后，可擁有快速充放電、高容量、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。同時(shí)因納米二氧化鈦具有光電轉(zhuǎn)換率高，可大大提高太陽能電池^[3]的轉(zhuǎn)換效率，相同條件下在電池中儲存的能量大大提高。

納米二氧化鈦鋰電池

（4）化妝品

愛美是每個(gè)人的天性，美白是每個(gè)亞洲女性的共同愛好，但大部分美白產(chǎn)品中添加劑均對人體有不同程度的副作用，且美白效果不甚明顯。而納米二氧化鈦的美白效果非常好，還可以反射紫外線，是紫外線的天然屏蔽產(chǎn)品，同時(shí)納米二氧化鈦對人體無毒，因此在化妝品領(lǐng)域具有極大的發(fā)展前途。

化妝品中納米二氧化鈦的作用機(jī)理

（5）生物材料

納米二氧化鈦對人體無毒，經(jīng)納米二氧化鈦增強(qiáng)的生物醫(yī)學(xué)材料^[4-5]，如假肢等，可有效替代殘疾人的受傷部位。同時(shí)還可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中的癌癥治療。

納米二氧化鈦/PEEK生物活性復(fù)合骨代替材料

納米二氧化鈦捕獲癌細(xì)胞

（6）3D打印

以前3D打印技術(shù)所制作的產(chǎn)品都是惰性的，目前有科學(xué)家將納米二氧化鈦摻入到3D打印的聚合物中，打印出來的物品具有了化學(xué)活性，這一獨(dú)特性讓納米二氧化鈦在3D打印領(lǐng)域表現(xiàn)除了巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?D打印技術(shù)上升了一個(gè)維度。