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纳米二氧化钛的性质及应用进展
纳米二氧化钛的性质及应用进展
牙膏工业2006年第3期
纳米二氧化钛的性质及应用进展
李志军王红英
（深圳职业技术学院工业中心518055）
摘要:
纳米二氧化钛微粒具有大的比表面积,其表面原子数,表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加,由于其尺寸的
细微化,表现出独特的物理和化学特性,导致纳米二氧化钛微粒的热,光,敏感特性和表面稳定性等方面不同于常规粒子,这
就使其在环境,信息,材料,能源,医疗与卫生等领域有着广阔的应用前景.综述了纳米二氧化钛的性质,并介绍了近年来纳
米二氧化钛的应用研究发展动态.
关键词:
纳米粉体二氧化钛性质应用
纳米微粒是指颗粒尺寸在I—lOOnm的超细微
粒.由于纳米微粒具有了量子尺寸效应,小尺寸效
应,表面效应和量子隧道效应,因而展现出许多特有
的性质,在催化,滤光,光吸收,医药,磁介质及新材
料等方面具有广阔的应用前景.纳米二氧化钛因其
具有粒径小,比表面积大,磁性强,光催化,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,所制悬浮液稳定等优点,因此倍受关注,制备
和开发纳米二氧化钛成为国内外科技界研究的热
点….本文将介绍纳米二氧化钛的一些基本性质
及其主要的应用研究进展.
1纳米TiO的基本结构
二氧化钛是金属钛的一种氧化物,其分子式是
TiO.根据其晶型,可分为板钛矿型,锐钛矿型和金
红石型三种.其中锐钛矿型TiO属于四方晶系,其
晶格参数仅0=37.85nm,C0=95.14nm.图1为
两种晶型单元结构图.锐钛矿型TiO的单元结
构中钛原子处于钛氧八面体的中心,其周围的6个
氧原子都位于八面体的棱角处,有4个共棱边,也就
是说,锐钛矿型的单一晶格有4个TiO分子.锐
钛型TiO的八面体呈明显的斜方晶型畸变,Ti—O
键距离均很小且不等长,分别为I.937×10.m和
1.964×10.11'1,这种不平衡使TiO分子极性很强,
强极性使TiO表面易吸附水分子,使水分子极化而
形成表面羟基.
这种表面羟基的特殊结合使其表面改性成为可
●Ti
oO
金红石型
（a）（b）
图1TiO2的两种晶型单元结构图[.】
能,它可作为广义碱与改性剂结合,从而完成对
TiO2的表面改性.
2纳米TiO的表面性质
2.1表面超亲水性
目前的研究认为,在光照条件下,TiO表面的
超亲水性起因于其表面结构的变化.在紫外光照射
下,TiO价带电子被激发到导带,电子和空穴向
TiO表面迁移,在表面生成电子空穴对,电子与
Ti反应,空穴则与表面桥氧离子反应,分别形成正
三价的钛离子和氧空位.此时,空气中的水解离吸
附在氧空位中,成为化学吸附水（表面羟基）,化学
吸附水可进一步吸附空气中的水分,形成物理吸附
层.
2.2表面羟基
相对于其它颜料的金属氧化物,TiO中Ti—O
健的极性较大,表面吸附的水因极化发生解离,容易
形成羟基.这种表面羟基可提高TiO作为吸附剂
及各种载体的性能,为表面改性提供方便.
-
2006年第3期牙膏工业49
及各种载体的性能,为表面改性提供方便.
2.3表面酸碱性
二氧化钛（俗称钛白）用于涂料时,其表面酸碱
性与涂料介质密切相关.在改性时常加入AJ,Si,zn
等氧化物,Al或Si的氧化物单独存在时无明显的酸
碱性,但与TiO:
复合,则呈现强酸性,可以制备固体
超酸.因此,加入其它金属氧化物改性时,可以形成
新的酸碱点.MoO.一TiO:
表面有较强的酸性,而
ZnO:
一TiO:
表现出明显的碱性.
2.4表面电性
钛白在干粉状态通常带有静电荷,钛白颗粒在
液态（尤其是极性的）介质中因表面带有电荷就会
吸附相反的电荷而形成扩散双电层,使颗粒有效直
径增加.当颗粒彼此接近时,因异性电荷而相斥,有
利于分散体系的稳定.经A1:
0.包膜的钛白表面具
有正电荷,而用SiO:
处理的钛白带负电荷.经硅铝
复合包膜的钛白,当重量比AJ:
0./SiO:
>1时,带正
电荷,当重量比A1:
0./SiO:
<1时,带负电荷.调整
Al:
0./SiO:
的重量比比例,可改变钛白在不同介质
中的分散性.
3纳米TiO2的应用
纳米二氧化钛是一种重要的无机材料,被广泛
应用于涂料,化汝品,抗菌剂,污水处理等方面.下
面介绍纳米二氧化钛的几种主要用途.
3.1光化学作用
当二氧化钛受到彼长小于387.5nm的紫外光
的照射时,价带上的电子跃迁到导带,激发电离出电
子的同时产生正电性的空穴,形成电子一空穴对,与
吸附溶解在其表面的氧气和水反应.分布在表面的
空穴将OH一和H:
0氧化成HO自由基.HO自由基
的氧化能力是在水体中存住的氧化剂中最强的,能
氧化大部分的有机污染物和无机污染物,而且对反
应物几乎无选择性,在光催化氧化中起着决定性的
作用.二氧化钛表面电子具有高的还原性,可以去
除水体中的金属离子.生成的原子氧和氢氧自由基
使有机物被氧化,分解,最终分解为CO:
H:
0和无
机物.其反应过程如下（其中,h代表正电性的空
穴,e一为光激发电子,?
OH是氢氧根自由基,OH一
为氢氧根离子,?
O是带负电的氧原子自由基,
HO:
?
是反应中间体）:
TiO2三h++e-
（1）
h+H20?
OH+H
（2）
h+OH一?
OH（3）
e-+0:
一.o三Ho:
.（4）
2HO2?
H202+02（5）
H202+.O?
OH+OH一+02（6）
Organ（有机物）+?
OH+02CO2+H20+
其他产物（7）
M"（金属离子）+ne一一M.（金属离子）（8）
图2是纳米二氧化钛光催化机理示意图.
导带
Ee
『嗡
图2纳米二氧化钛光催化机理示意图【
3.2污水处理
利用纳米TiO:
的光催化性质来处理废水和改善
环境是一种行之有效的方法.Matthews等人曾对水
中34种有机污染物光催化分解进行了系统的研究,
结果表明光催化氧化法可将水中的烃类,卤代物,羧
酸,表面活性剂,染料,含氮有机物,有机磷杀虫剂等
较快地完全氧化为CO:
和H:
0等无害物质.光催
化降解技术具有常温常压下就可进行,能彻底破坏有
机物,没有二次污染且费用不太高等优点.
3.3气体净化
随着工业的发展和人民生活水平的不断提高,
环境污染问题已日趋严重,有害气体净化同样受到
人们的重视.近年来逐渐发展起来的纳米TiO:
光
催化降解技术为这一问题的解决提供了良好的途
径.环境有害气体可分为两个方面:
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酵气,硫化氢,
氨气等,这些气体在百万分之几时就能使人产生不
适感.TiO:
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
50牙膏工业2006年第3期
降低,减轻或消除环境不适感.大气污染气体主
要指由汽车尾气与工业废气等带来的氮氧化物和硫
氧化物,利用纳米TiO:
的光催化作用可将这些气体
氧化,形成蒸气压低的硝酸或硫酸.这些硝酸或硫
酸可在降雨过程中除去,从而达到降低大气污染的
目的.
3.4抗茵除臭
抗菌是指TiO:
在光照下对环境中微生物的抑
制或杀灭作用.在人们的居住环境中存在着各种有
害微生物,对人类生活产生不良影响.家居环境中
的一些潮湿的场合如厨房,卫生间等,微生物容易繁
殖,导致空气菌浓和物品表面菌浓增大,对人的健康
产生威胁.利用纳米TiO的光催化性可充分抑制
或杀灭环境中的有害微生物,使环境微生物对人的
危害降低….
空气中的恶臭气体主要有含硫化物（如Hs,
sO,硫醇,硫醚等）,含氮化合物（如胺类,酰胺等）,
卤素及衍生物（如cl,卤代烃等）.近年来采用二
氧化钛光催化剂和其他吸附剂组成的混合物除臭已
得到实际应用.气体吸附剂吸附的这些臭气经扩散
与二氧化钛接触,二氧化钛将气体氧化分解后既不
降低吸附剂的吸附活性,又解决二氧化钛对臭气吸
附性较差的缺点,大大提高了臭气的光降解效率.
3.5在涂料行业的应用
将纳米TiO与闪光铝粉或云母钦珠光颜料拼
配使用制成的涂料具有随角异色效应,作为金属闪
光面漆涂装在小汽车上,将产生富丽雅致的效果.
这是纳米TiO最重要,最有前途的应用领域之一.
美,日等国的福特,克劳斯勒,丰田,马自达等汽车公
司上世纪80年代开始应用于轿车工业,到上世纪
90年代,世界上已有l1种含纳米TiO的金属闪光
面漆被用于轿车工业,今后还会有更大的发展u引.
经研究发现¨,金红石型纳米二氧化钛用于金属闪
光面漆时,既能产生随角异色效应,也能提高漆膜的
柔韧性和附着力等力学性能;金红石型纳米二氧化
钛用于含环氧基丙烯酸型粉末涂料,具有增强,增韧
效果,使漆膜光泽的力学性能提高很多,达到汽车涂
料国际要求,获得应用普通钛白所得不到的性能;锐
钛型纳米二氧化钛用于丙烯酸型抗菌内墙涂料,具
有很强的杀菌效果,而且力学性能优异,具有广阔的
发展前景.
3.6在化妆品方面的应用
纳米TiO:
具有很强的散射和吸收紫外线的能
力.尤其是对人体有害的中长波紫外线UVA,UVB
（320—400nm,290—320nm）的吸收能力很强,效果
比有机紫外吸收剂强得多,并且可透过可见光,无毒
无味,无刺激性,广泛用于化妆品.纳米TiO紫外
屏蔽能力与粒径大小有关,粒径越小,紫外线透过率
越小,抗紫外能力越强.对于化妆品的TiO含量而
言,粒径越小,可见光透过率越大,可使皮肤白度显
得自然.平均粒径为10nm的TiO:
分散在水中,几
乎是无色透明的.但添加的颗粒粒径不是越小越
好,否则汗汁会将毛孔堵死,不利于身体健康.而粒
径太大,紫外吸收又会偏离这一波段.因此最好在
纳米TiO颗粒表面包覆一层对人体无害的高聚物.
粒子浓度对光散射有较大的影响,伴随粒子浓度增
大,粒子的光散射效率下降,适当提高TiO的用量,
可使化妆品的防晒系数增大,最理想的用量为5%
20%.
除以上应用之外,纳米二氧化钛还可被应用在
光学增益体系中,制成一种具有极高发光纯度等奇
特光学现象被称为"激光涂料"的新型发光材
料¨;纳米二氧化钛还具有湿敏,气敏功能,如它对
一
氧化碳,氢气极为敏感,可用于传感器的制造¨.
最新的研究表明,用钠离子掺杂的纳米二氧化钛分
别对双马来酰亚胺,马来酰亚胺的液相聚合反应具
有明显的催化作用,而且反应后剩余在聚合物中的
纳米二氧化钛对聚合产物多项力学性能的改善还可
起到较为理想的促进作用Ⅲ.
参考文献
l张立德,牟季美.纳米材料和纳米结构[M].北京:
科学出
版社,2001
2uylShi,ChunzhongLi,AipingChen.et"a1.Morphologicalstrue?
tureofnanometerTiO2一Al203compositepowderssynthesizedinhigh
temperatm-egasmediumsreactor.ChemicalEngineering.1ouna1.2001,
（84）:
405～411
3范崇政,肖建平,丁建伟.纳米Tio2的制备与光催化反应研
究进展.科学通报,2001,46（4）:
256～273
4黄华林.锑自在钛白生产中应用探讨.无机盐工业,1997,
3:
31～33
2006年第3期牙夤=【.业
生物基表面活性剂的应用
王杰聂荣春徐初阳
（安徽理工大学材料系安徽淮南232001）
摘要:
简要概述生物基表面活性剂烷基糖苷的物理性能和溶解性,表面活性,安
全性和生物降解等性能,重点介绍其作为表面活性剂在衣用洗涤剂,餐具洗涤剂,化妆
品,食品工业,生物化工和农药增效剂等方面的应用,同时指出烷基糖苷可进一步衍生
化,从而拓宽其应用领域.
关键词:
生物基表面活性剂;烷基糖苷L化剂;聚氨酯
烷基糖苷（APG）是近几年迅速发展起来的新
一
代绿色表面活性剂,兼有普通非离子和阴离子表
面活性剂的优点,高表面活性,非常优良的生态学和
毒理学性质以及出众的物理化学性质和配伍性能,
尤其是它的毒性,与皮肤的相容性及其生物降解性
都给许多化学品的配制带来了新概念….因此,特
别适用于与人体皮肤接触的洗涤用品和个人护理用
品.此外,在食品工业,生物化工和农用化学品等方
面可作功能性助剂.
1烷基糖苷的特性
1.1物理性能和溶解性
纯烷基糖苷为白色粉末,实际产品为奶油色或
淡黄色.极易吸水,在水中有一定的溶解度,故市场
上的商品一般配成50%的水溶液.烷基糖苷也较
易溶于常用有机溶剂,在酸碱性溶液中呈现出优良
的相容性,稳定性和表面活性,尤其在无机成分较高
的活性溶剂中J.
烷基糖苷的物理性质与脂肪醇的碳链长度,碳
链的正构或异构,糖的种类以及聚合度密切相关,其
熔点随产品分子中碳链的增长而升高,甚至有的高
烷基糖苷还没融化时就开始分解了,说明烷基糖苷
受热易分解和变色.
1.2表面活性
5蒋子铎,刘安华.高级氧化过程的研究与进展,现代化工,
1991,5（5）:
14—18
6张淑霞,李建保,张波,TiO2颗粒表面无机包覆的研究进展.
化学通报,2001,
（2）:
71-74
7常红,王京刚,纳米二氧化钛在环保领域中的应用.矿冶
2002,I1（4）:
73—74
8Haradakenji,HisanagaTeruaki,eta1.Photoeatalyticactivityof
nanometerTiO2thinfilmsprev,~lbythesol—gelmetho1.Wa—terRes.
1990.24（I1）:
1415—1417
8Hlt..y~aKenji,HisanagaTeruaki,eta1.Photocatalytlcactivityof
nanometerTiO2thinfilmspreparedbythesol—gelmethod.Wa—terRes.
1990.24（I1）:
1415—1417
9姚建年,陈萍,藤岛昭.电解沉积成膜法制备氧化钼变色薄
膜的研究.感光科学与光化学,1996,（3）:
224-225
10JiaguoYu,XiujianZhao.Effectofsubstratesonthephoto—c.atu—
lytlcaclivityofnsIiometerTIO2thinfilmsMaterialsResearchBulletin.
2000,（35）:
1293—1301
IIWenyuYe,TiefengCheng,QingYe,etalh叩aHmand仃ib0l0gi—
ealprope—iesoftetrafluo~caeidmodifiedTi02nanopartidesaslubri?
canadditives,MaterialsScienceandE一neering.20（B,（359）:
82—85
12杨宗志,国外超细透明二氧化钛的生产,钒钛,1994（4）:
45—52
13李大成,周大利,等.纳米TiO2的应用.四川有色金属
.2002.4:
14—16
14许秀艳,付国柱,等.纳米TiO2在涂料中的应用.全面腐蚀
控制.2002,15
（2）:
8
15LawandyNM,BalachandranRM,ComesASL,eta1.Lasers*c—
tioninstronglyscatteringmedia.Nature.1994（368）:
436
16包定华,顾蒙爽,邝安祥,等.S0l—gel法合成TiO2纳米粉球
和薄膜.无机材料,1996,I1（3）:
453
17WangX,ChenD,blaW,eta1.polymerizationofbismaleimide
andmaleimidecatalyzedbynanoerystaUinetitania.JApp]PolymSei.
1999.71:
665
（收稿日期:
2oo6年8月8日）
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