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纳米二氧化钛的功能及用途

          纳米TiO2具有十分宝贵的光学性质,在汽车工业及诸多领域都显示出美好的发展前景。纳米二氧化钛还具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性,且完全可以与食品接触,所以被广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天工业中。
1.
杀菌功能
在紫外线作用下,以0.1mg/cm3浓度的超细TiO2可彻底地杀死恶性海拉细胞,而且随着超氧化物歧化酶(SOD)添加量的增多,TiO2光催化杀死癌细胞的效率也提高;用TiO2光催化氧化深度处理自来水,可大大减少水中的细菌数,饮用后无致突变作用,达到安全饮用水的标准。在涂料中添加纳米二氧化钛(同VK-TG01)可以制造出杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料,可应用于医院病房、手术室及家庭卫生间等细菌密集、易繁殖的场所,可有效杀死大肠杆菌、黄色葡萄糖菌等有害细菌,防止感染。因此,纳米纳米二氧化钛(同VK-TG01)能净化空气,具有除臭功能。
1
)纳米二氧化钛(同VK-TG01)抗菌特点:
1 对人体安全无毒,对皮肤无刺激性。
2
抗菌能力强,抗菌范围广。
3
无臭味、怪味,气味小。
4
耐水洗,储存期长。
5
热稳定性好,高温下不变色,不分解,不挥发,不变质。
6
即时性好,纳米二氧化钛抗菌剂仅需1h就能发挥效果,而其他银系抗菌剂效果则需约24h
7
纳米二氧化钛(同VK-TG01)是一种永久性维持抗菌效果的抗菌剂。
8
具有很好的安全性,科用于食品添加剂等,与皮肤接触无不良影响。
2
)纳米二氧化钛(同VK-TG01)的抗菌原理:
纳米二氧化钛(同VK-TG01)在光催化作用下使细菌分解而达到抗菌效果的。由于纳米二氧化钛的电子结构特点为一个满 TiO2的价带和一个空的导带,在水和空气的体系中,纳米二氧化钛在阳光尤其是在紫外线的照射下,当电子能量达到或超过其带隙能时,电子就可从价带激发到导带,同时在价带产生相应的空穴,即生成电子、空穴对,在电场的作用下,电子与空穴发生分离,迁移到粒子表面的不同位置,发生一系列反应 :
TiO2 + hν e
—— + h
H2O + h
—— •OH+ H
O2 +e
—— O2 •
O
2 •+ H —— HO2•
2HO2• —— O2 + H2O2
H2O2 +O
2 • —— •OH+OH +O2
吸附溶解在 TiO2 表面的氧俘获电子形成O2 •, 生成的超氧化物阴离子自由基与多数有机物反应(氧化),同时能与细菌内的有机物反应,生成 CO2 H2O;而空穴则将吸附在 TiO2 表面的 OH H2O氧化成•OH,•OH 有很强的氧化能力,攻击有机物的不饱和键或抽取 H原子产生新自由基,激发链式反应,最终致使细菌分解。
TiO2
的杀菌作用在于它的量子尺寸效应,虽然钛白粉(普通 TiO2)也有光催化作用,也能够产生电子、空穴对,但其到达材料表面的时间在微秒级以上,极易发生复合,很难发挥抗菌效果,而达到纳米级分散程度的 TiO2,受光激发的电子、空穴从体内迁移到表面,只需纳秒、皮秒、甚至飞秒的时间,光生电子与空穴的复合则在纳秒量级,能很快迁移到表面,攻击细菌有机体,起到相应的抗菌作用。
纳米二氧化钛(同VK-TG01)具有很高的表面活性,抗菌能力强,产品易于分散。经试验表明,纳米二氧化钛(同VK-TG01)对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌和曲霉菌等具有很强的杀菌能力,已广泛应用于纺织、陶瓷橡胶、医药等领域的抗菌产品,深受广大用户的欢迎。
3
)国内外对纳米二氧化钛抗菌性的研究及应用实例
○1
农田抗菌剂:日本开发了一种新型无菌杀菌剂。其主要成分为纳米二氧化硅(同VK-SP30)、纳米二氧化钛(同VK-TG01)和银、铜等离子,可用于土壤中,对所有的细菌都有很强的抗菌性。改杀菌剂是陶瓷类微量混合金属离子,并在含有相同离子的催化剂作用下,具有使土壤中的氧活化之功能,该功能能持续时间长达2-5年。
○2
卫生陶瓷洁具:陶瓷的烧结温度很高,故只能添加高温下稳定的无菌抗菌剂。日本最近开发出的用纳米二氧化硅包覆的抗菌陶瓷用品。其制造工艺是先将纳米二氧化钛(同VK-TG01)加水制成浆料涂在陶瓷表面上,高温烧结即得到1微米厚的光催化纳米二氧化钛(同VK-TG01)薄膜产品。在光照射下,就能完全杀死其表面的细菌。微量在微弱光下也有抗菌性,可在纳米二氧化钛浆料中加银、铜等离子化合物。这种陶瓷的持久性、耐酸和耐碱行好,是医药、宾馆、家庭浴缸、地砖、卫生设施等抗菌除臭的理想陶瓷。
○3
水处理:美国德克萨斯大学研究人员利用纳米二氧化钛(同VK-TG01)和太阳光进行灭菌。他们将大肠杆菌和纳米二氧化钛(同VK-TG01)混合液在大于380nm的光线照射下,发现大肠杆菌被迅速杀死。这种技术有可能成为目前用氯化方法水处理的代用技术。
○4
新型抗菌荧光灯:日本制作新开发了具有抗菌作用的信息荧光灯,并于1997年商品化。这种灯寿命长,节能,应用前景广阔。该等表面涂布了光催化杀菌剂纳米二氧化钛(同VK-TG01),能分解等表面的油渍、空气中的菌类异臭等。清扫胜利,且具有防止灯光发暗的效果。
○5
抗菌纤维:抗菌纤维和除臭纤维是信息的功能纤维,这些是将纳米二氧化钛、纳米二氧化硅(VK-SP30)、纳米氧化锌(VK-JS03)等微粉掺入天然、人工聚合物或长丝中,再纺制出各种抗菌和除臭纤维。抗菌纤维具有优良的保健功能。
○6
抗菌建材和抗菌涂料:据报道,抗菌钛可杀死周围的菌类,具有抗菌、防锈、分解异臭、防污、减少二氧化氮含量等功能。不仅能将房间内新建材、粘结剂等产生的甲醛、吸烟产生的乙醛、家庭灰尘等产生的甲硫醇等有机异臭在紫外线照射下分解而消除掉,还能分解油分和有机物的表面污染。对油膜带3日照射就可以明显减少,5日照射就不留痕迹。对有机染料经3日照射,颜色就可消退。利用这种性能,可将抗菌钛用作外壁和内墙装饰材料。
在建筑物的屋顶和外墙上、医院手术室的手术台和墙壁上常附着细菌如果涂刷光催化纳米二氧化钛涂层或墙砖,在阳光或室内弱光照射下,细菌能很快消灭。而且,经雨水冲刷科随时把氧化分解后的污垢物冲刷掉。
○7
杀灭口腔微生物:纳米二氧化钛能杀灭S.MutansAHT(血清型),还能杀灭仓鼠属链球菌SH-6、鼠属链球菌FA-1和黏性放线菌ATCC-19246。研究表明,纳米二氧化钛(同VK-TG01)粒度越细、分散性越好、比表面积越大,杀菌效果越好。
2.2
防紫外线功能

纳米氧化钛(同VK-T25)既能吸收紫外线,又能反射、散射紫外线,还能透过可见光,是性能优越、极有发展前途的物理屏蔽型的紫外线防护剂。
纳米氧化钛(同VK-T25)的抗紫外线机理:
按照波长的不同,紫外线分为短波区190280 nm、中波区280320 nm、长波区320400nm。短波区紫外线能量最高,但在经过离臭氧层时被阻挡,因此,对人体伤害的一般是中波区和长波区紫外线。
纳米氧化钛(同VK-T25)的强抗紫外线能力是由于其具有高折光性和高光活性。其抗紫外线能力及其机理与其粒径有关:当粒径较大时,对紫外线的阻隔是以反射、散射为主,且对中波区和长波区紫外线均有效。防晒机理是简单的遮盖,属一般的物理防晒,防晒能力较弱;随着粒径的减小,光线能透过纳米二氧化钛(同VK-T25)的粒子面,对长波区紫外线的反射、散射性不明显,而对中波区紫外线的吸收性明显增强。其防晒机理是吸收紫外线,主要吸收中波区紫外线。
由此可见, 纳米氧化钛(同VK-T25)对不同波长紫外线的防晒机理不一样,对长波区紫外线的阻隔以散射为主,对中波区紫外线的阻隔以吸收为主。
纳米氧化钛(同VK-T25)在不同波长区均表现出优异的吸收性能,与其他有机防晒剂相比,纳米二氧化钛(同VK-T25)具有无毒、性能稳定、效果好等特点。日本资生堂应用10-100nm的纳米二氧化钛(同VK-T25)作为防晒成分添加于口红、面霜中,其防晒因子可大SPF11-19
纳米二氧化钛(同VK-T25)由于粒径小,活性大,既能反射、散射紫外线,又能吸收紫外线,从而对紫外线有更强的阻隔能力。与同样剂量的一些有机紫外线防护剂相比,纳米氧化钛(同VK-T25)在紫外区的吸收峰更高,更可贵的是它还是广谱屏蔽剂,不象有机紫外线防护剂那样只单一对UVAUVB有吸收。它还能透过可见光,加入到化妆品使用时皮肤白度自然,不象颜料级TiO2,不能透过可见光,造成使用者脸上出现不自然的苍白颜色。
利用纳米TiO2的透明性和紫外线吸收能力还可用作食品包装膜、油墨、涂料、纺织制品和塑料填充剂,可以替代有机紫外线吸收剂,用于涂料中可提高涂料耐老化能力。
2.3
光催化功能
纳米二氧化钛采用液相法制备出的二氧化钛具有粒子团聚少、化学活性高,粒径分布窄、形貌均一等特性,具有很强的光催化性能,已广泛应用于环保中。
1)气体净化
环境有害气体可分为室内有害气体和大气污染气体。室内有害气体主要有装饰材料等放出的甲醛及生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢及氨气等。纳米二氧化钛(同VK-TG01)通过光催化作用可将吸附于其表面的这些物质分解氧化,从而使空气中这些物质的浓度降低,减轻或消除环境不适感。
另外,TiO2在光照下对环境中微生物的抑制或杀灭作用,因此,纳米二氧化钛(同VK-TG01)能净化空气,具有除臭功能。
2)对有机废水的处理,效果十分理想。
纳米二氧化钛(同VK-TG01复合材料对有机废水的处理,效果十分理想。以TiO2为光催化剂,在光照的条件下,可使水中的烃类、卤代物、羧酸等发生氧化-还原反应,并逐步降解,最终完全氧化为环境友好的CO2H2O等无害物质。杭州万景新材料有限公司采用新型纳米二氧化钛载银复合催化剂,对印染和精炼废水生化处理后的出水进行深度处理,光照120min后,印染和精炼废水的CODcr去除率分别为75.3%83.4%。经研究表明,在太阳光照射下用多孔纳米TiO2薄膜处理水溶液中的敌敌畏有很好的效果。除此之外,纳米二氧化钛(同VK-TG01)还可有效地用于含CN—的工业废水的光催化降解。
3)处理无机污水
除有机物外,许多无机物在TiO2表面也具有光学活性,例如无机污水中的Cr6+接触到TiO2催化剂表面时,能够捕获表面的光生电子而发生还原反应,使高价有毒的Cr6+降解为毒性较低或无毒的Cr3+,从而起到净化污水的作用;一些重金属离子如Pt4+Hg2+Au3+等,在催化剂表面也能够捕获电子而发生还原沉淀反应,可回收污水的无机重金属离子。

2.4
防雾及自清洁功能
TiO2薄膜在光照下具有超亲水性和超永久性,因此其具有防雾功能。如在汽车后视镜上涂覆一层氧化钛薄膜,即使空气中的水分或者水蒸气凝结,冷凝水也不会形成单个水滴,而是形成水膜均匀地铺展在表面,所以表面不会发生光散射的雾。当有雨水冲过,在表面附着的雨水也会迅速扩散成为均匀的水膜,这样就不会形成分散视线的水滴,使得后视镜表面保持原有的光亮,提高行车的安全性。
纳米二氧化钛(同VK-TG01)具有很强的超亲水性,在它的表面不易形成水珠,而且纳米二氧化钛(同VK-TG01)在可见光照射下可以对碳氢化合物作用。利用这样一个效应可以在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂上一层纳米TiO2薄层,利用氧化钛的光催化反应就可以把吸附在氧化钛表面的有机污染物分解为CO2O2,同剩余的无机物一起可被雨水冲刷干净,从而实现自清洁功能。日本东京已有人在实验室研制成功自洁瓷砖,这种新产品的表面上有一薄层纳米二氧化钛(同VK-TG01),任何粘污在表面上的物质,包括油污、细菌在光的照射下,由于纳米二氧化钛(同VK-TG01)的催化作用,可以使这些碳氢化合物物质进一步氧化变成气体或者很容易被擦掉的物质。纳米TiO2光催化作用使得高层建筑的玻璃、厨房容易粘污的瓷砖、汽车后视镜及前窗玻璃的保洁都可很容易地进行。
2.5
纳米二氧化钛可作为锂电池、太阳能电池原料
纳米二氧化钛(VK-T30D)添加到锂电池里,可提高锂电池容量及循环稳定性,特别是循环时放电电压平台的稳定性,可有效提高电池在多次充放电过程中的电化学稳定性和热稳定性,电池在使用过程中更稳定、更耐用。
2.6
纳米二氧化钛(同VK-T25F)用在纺织上可以替代PVA
在纤维纺织成纱的过程中,为了减少经纱断头必须上浆。我国从上世纪五六十年代开始使用的浆料PVA为高分子化合物,在自然环境中很难降解。因此在欧洲部分国家被列为不洁浆料,已经被明令禁止使用。欧盟对PVA的限制,也将是我国棉纺织品出口绿色贸易壁垒的关注重点。开发绿色环保浆料,取代难降解的PVA是国内纺织行业一直寻求的破壁目标。
纳米二氧化钛(VK-T25F)用在纺织浆料里面,通过与淀粉的完美结合,提高纱线的综合织造性能,减少PVA的用量,煮浆时间短,降低了浆料成本,提高浆纱效益,也解决了PVA浆料不易退浆、环境污染等诸多问题。纳米二氧化钛纳米二氧化钛(VK-T25F)在纱线里主要是替代PVA,起到贴顺毛羽,填补缺口,润滑的作用。
2.7.
其它功能
纳米二氧化钛对某些塑料、氟里昂及表面活性剂SDBS也具有很好的降解效果。
还有人发现,TiO2对有害气体也具有吸收功能,如含TiO2的烯烃聚合物纤维涂在含磷酸钙的陶瓷上可持续长期地吸收不同酸碱性气体。
鉴于以上功能,纳米二氧化钛具有非常广阔的前景。对它的研究和利用会给人们的生活带来巨大改变。