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納米TiO2改性內墻乳膠漆的性能,對經納米TiO2 改性的內墻丙烯酸乳膠漆進行了TEM 表征和紫外2可見光譜分析
2019年07月22日    閱讀量:96    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

納米TiO2 作為20 世紀80 年代發展起來的主要納米材料之一, 不僅具有優異的顏料特性———高遮蓋力、高消色力、高光澤度、高白度和強的耐侯性外,還具有特殊的力學、光、電、磁功能;更具有高透明性、紫外線吸收能力以及光催化活性、“隨角異色效應”[1 ] 。因此,納米TiO2 復合乳膠漆的研究和市場前景非常巨大。國內外在納米TiO2 復合涂料的研究中,常用的納米TiO2 晶型有銳鈦礦型和金紅石型兩種中國建材網cnprofit.com


銳鈦礦型的光活性比金紅石型高,原因是銳鈦型的能帶隙為3.2eV ,較金紅石型的能帶隙高0.2 eV[1 ] 。將銳鈦礦型納米TiO2 用作內墻乳膠漆中的填料時,有效的紫外線作用區域為λ< 380 nm ,室內熒光燈表面的輻射量為0.2 mW ·cm- 2 ,所以在明亮的室內也有光催化效果。本工作分析和探討了納米TiO2在乳膠漆中的分散,考察了其對紫外線的屏蔽性能及光催化空氣、抗菌解毒等方面的性能。


1  實驗部分

1. 1  主要原料及儀器

銳鈦礦型納米TiO2 ,由青島科技大學納米研究所提供;丙烯酸乳膠漆,青島大洋涂料提供。

J EM22000EX 透射電子顯微鏡,日本電子公司;

Cary 500 UV2Vis2NIR Spect rop hotometer ,美國VARIAN 公司。


1. 2  實驗方法

納米TiO2 改性內墻丙烯酸乳膠漆的制備:稱取適量銳鈦礦型納米TiO2 粉末制成水懸浮液(采用去離子水) ,同時添加適量的陰離子型表面活性劑,以保持顆粒的懸浮穩定性;經超聲波預分散30 min ,將分散好的漿料添加至丙烯酸乳膠漆中,使TiO2 的質量分數為0.7 % ,制成納米TiO2 改性丙烯酸內墻乳膠漆。


2  結果與討論

2. 1  納米TiO2在內墻乳膠漆中的分散

將改性乳膠漆試樣適當稀釋,超聲分散30min 后,用J EM22000EX 透射電子顯微鏡進行分散性能分析。圖1 是經納米TiO2 改性的內墻乳膠漆的TEM 照片。

納米TiO2改性內墻乳膠漆的性能,對經納米TiO2 改性的內墻丙烯酸乳膠漆進行了TEM 表征和紫外2可見光譜分析 中國建材網,cnprofit.com

圖1  改性內墻乳膠漆的TEM照片


由圖1 可見,納米TiO2 在乳膠漆中沒有團聚現象,具有良好的分散性。改性乳膠漆中,呈良好分散狀態的納米TiO2 與乳膠漆之間相互填充、共同包覆著顏填料成膜。納米TiO2 所具有的表面活性與超強吸附能力能夠改善乳膠漆的粘結性能,使無機材料與有機聚合物較容易地結合在一起而成為具有優異性能的復合材料[2 ] 。


2. 2  對紫外線的屏蔽性能

陽光中的紫外線是造成乳膠漆老化的重要因素。紫外線波長介于200 ~ 400 nm 之間,分為UVA、UVB、UVC 三個區段, UVC ( 200 ~ 275nm) 可被同溫層的臭氧吸收, 到不了地面。而UVB(280~320 nm) 、UVA (320~400 nm) 能作用于各種材料表面及內部,造成材料老化。


紫外線的波長越短,能量越強,對乳膠漆的耐久性危害也就越大。雖然內墻乳膠漆的老化現象較之外墻乳膠漆要輕緩許多,但當室內有較強烈光線影響及照明作用時對內墻乳膠漆的老化作用仍不能忽視。經納米TiO2 改性的乳膠漆可以散射紫外線,但不反射可見光。對紫外光的屏蔽效果見圖2 。

納米TiO2改性內墻乳膠漆的性能,對經納米TiO2 改性的內墻丙烯酸乳膠漆進行了TEM 表征和紫外2可見光譜分析 中國建材網,cnprofit.com

圖2  改性內墻乳膠漆的UV2Vis 光譜分析


由圖2 可見,經納米TiO2 改性的丙烯酸酯內墻乳膠漆對UVB、UVC 區段的紫外線有很好的屏蔽性能,而又能很好地透過可見光。這是由于納米TiO2是n 型寬帶隙半導體,其電子結構由充滿電子的價電子帶(O2p ) 和沒有電子的空軌道形成的導帶( Ti3d ) 構成,存在禁帶間隙。


當一能量大于或等于禁止帶間隙的光子(波長小于400 nm的紫外光) 入射到TiO2 粒子上時,比禁止帶間隙能量大的光子被吸收,價電子帶的電子躍遷至導帶,而使TiO2 具有強烈吸收紫外線的能力[ 4 ] 。納米TiO2除具備吸收紫外線的功能外,還具有很強的散射紫外線能力。


紫外線本質上是電磁波,當紫外線作用到介質中的納米TiO2 粒子時,由于納米TiO2 粒子尺寸小于紫外線的波長,納米TiO2粒子中的電子被迫振動(其振動頻率與入射光波的頻率相同) ,成為二次波源,向各個方向發射電磁波,這就是紫外光的散射。


2. 3  光催化凈化空氣性能

納米TiO2 在吸收能量高于其禁帶寬度的短波光輻射后,產生電子躍遷,價帶電子被激發到導帶,形成空穴2電子對,并將能量傳遞給周圍的介質,由此可誘發光催化反應,具有光催化能力[5 ] 。圖3 顯示了納米TiO2和經納米TiO2 改性的乳膠漆對波長小于400 nm 的光輻射的吸收情況。


在紫外光的有效作用下,納米TiO2 光催化劑對有機物有很強的降解作用,能與空氣中的甲醛、氨氣、苯等有害氣體發生反應,將它們轉化為無毒化合物,對環境空氣起到極好的凈化作用,并能避免二次污染的發生。由圖2 、圖3 可見,經納米TiO2 改性的乳膠漆對紫外光具有優良的吸收性能,結合納米TiO2 的光催化性能,此種改性乳膠漆對甲醛等多種有毒有害氣體必具一定的凈化效果,具體性能指標有待進一步實驗論證。

納米TiO2改性內墻乳膠漆的性能,對經納米TiO2 改性的內墻丙烯酸乳膠漆進行了TEM 表征和紫外2可見光譜分析 中國建材網,cnprofit.com

圖3  納米TiO2和納米TiO2改性內墻乳膠漆的UV2Vis 光學特性


2. 4  抗菌耐污性能

納米TiO2微粒尺寸小,比表面積大,表面原子數多,表面能高,表面原子嚴重配位不足,因此具有很強的表面活性與超強吸附能力[ 2 ] ,這使得納米粒子無論是對于促使物質腐敗的氧原子、氧自由基,還是產生其他異味的烷烴類分子等,均具有極強的抓俘能力,從而具有防腐抗菌功能。納米TiO2的抗菌機理是:在可見光照射下,激發的電子同吸附在涂層表面上的氧產生活性氧(即O2 - ) ,同時失去電子。


帶正電的空穴氧化羥基( - OH) 生成羥基自由基(OH ·) ,O2 - 和OH ·具有很強的氧化性能[6 ] ,能很容易破壞細菌的細胞膜,使細胞質中的活性酶被破壞掉,導致細菌死亡,并能降解由細菌釋放出的復合物。實踐證明,納米TiO2 改性內墻乳膠漆96 h后的抑菌效率可達到70.5 %, 細菌總數為522cf u ·m- 3 (青島大洋涂料提供數據) 。


2. 5  納米改性乳膠漆的其它性能指標

納米TiO2尺寸小,比表面積大,因而與基體的接觸面積也很大。當乳膠漆材料受到沖擊時,會產生比一般填料更多的微開裂,吸收更多的沖擊能,從而阻止和鈍化裂紋的進一步擴展,使高分子基建涂料的韌性和強度得到很大的提高,而提高了涂膜的耐洗刷性能;同時由于它改善了組分的流動性,縮短了成膜固化時間[2 ] 。改性乳膠漆的其它性能指標見表1 。

納米TiO2改性內墻乳膠漆的性能,對經納米TiO2 改性的內墻丙烯酸乳膠漆進行了TEM 表征和紫外2可見光譜分析 中國建材網,cnprofit.com

表1  改性內墻乳膠漆的其它性能指標


3  結 論

納米TiO2 (添加質量分數為0.7 %) 在乳膠漆中具良好的分散效果,經納米TiO2 改性的內墻丙烯酸乳膠漆在對紫外線的屏蔽效果、凈化空氣、抗菌解毒、除臭自潔等方面都具有高于普通內墻乳膠漆的優越性能。本文所討論的納米TiO2 改性內墻丙烯酸乳膠漆的光催化凈化空氣及抗菌性能有待進一步深入研究。


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