纳米TiO2合成、表面处理及其防团聚研究

论文摘要

纳米TiO2是一种新型无机功能材料，广泛应用于随角异色汽车面漆、防晒化妆品、染料敏化太阳能电池、光催化等领域。纳米TiO2的应用领域和使用效果与其微结构、表面性质和团聚状态有关。本文研究了不同物相、粒径和形貌的纳米TiO2合成方法和过程机理。对金红石相纳米TiO2进行了无机和有机表面处理以提高其光稳定性和分散性。并研究了湿法制备纳米TiO2的防团聚方法。主要研究内容和成果概括如下： 1 根据LTDRP原理，用改进胶溶法在较温和的条件合成了金红石相纳米TiO2，改变了必须经过高温煅烧锐钛矿才能制备金红石的传统工艺。利用过量TiCl4的水解来提供胶溶所需酸，省去了通常胶溶法中洗涤和加酸（盐酸或硝酸）工序，节约了成本。研究了中和方式、中和温度、晶化温度、晶化时间、升温速率、NaOH浓度、n（NaOH）：n（TiCl4）和添加剂对纳米TiO2物相的影响，并讨论了纳米TiO2的形成机理。 2 水热法合成了不同物相、形貌和大小的纳米TiO2。结果表明，纳米TiO2的微结构不仅与水热条件有关，还与前驱体的生成条件有关。当前驱体为无定型结构时，pHinitial是决定TiO2物相、粒径和形貌的主要因素。当pHinitial=9.00～12.00时，200℃下水热反应24h，合成了纯板钛矿相TiO2。XRD和TEM结果表明，板钛矿相TiO2颗粒是由多个纳米微晶组成的聚集体。pHinitial的增大导致无定型TiO2转化成板钛矿相所需的水热温度升高，水热时间变长；同时，所形成的板钛矿相TiO2晶粒尺寸和颗粒粒径也较大。实验中首次发现乙二醇和丙三醇的存在会改变TiO2粉体的物相和形貌。当Vglycol：Vwater≤1：1或Vpropanetriol：Vwater≤1：3时，产物为板钛矿相；当Vglycol：Vwater≥2：1或Vpropanetriol：Vwater≥1：1时，TiO2粉体为锐钛矿相。随着丙三醇含量的增加，粒径逐渐变小。 3 首次在超声场中，通过硅酸钠水解生成的无定型氧化硅对金红石相纳米TiO2进行表面包覆。利用红外光谱、X射线光电子能谱、X射线衍射和透射电镜对所得样品进行了表征，并对纳米TiO2的光稳定性和分散性进行了评价。红外光谱和X射线光电子能谱表明，氧化硅以化学键合的方式沉积在纳米TiO2的表面，在包覆层和纳米TiO2颗粒之间的界面上形成了Ti-O-Si键。TEM照片、表面元素分析和光稳定性实验显示，超声场和适当的热处理有助于提高包覆层的均匀性和致密性。SiO2的表面包覆提高了纳米TiO2的紫外线屏蔽能力和可见光透明性。随着氧化硅含量的增加，纳米TiO2的光稳定性逐渐提高；当m（SiO2）：m（TiO2）大于1：5时，纳米TiO2

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 2的制备方法'>1.1 纳米TiO₂的制备方法
• 1.1.1 气相法
• 4氢氧火焰水解法'>1.1.1.1 TiCl₄氢氧火焰水解法
• 4气相氧化法'>1.1.1.2 TiCl₄气相氧化法
• 1.1.1.3 钛醇盐气相氧化法
• 1.1.1.4 钛醇盐气相水解法
• 1.1.1.5 钛醇盐气相热解法
• 1.1.1.6 气相法小结
• 1.1.2 液相法
• 1.1.2.1 加碱沉淀法
• 1.1.2.2 加热水解法
• 1.1.2.3 溶胶-凝胶法
• 1.1.2.3.1 钛醇盐水解法
• 1.1.2.3.2 胶溶法
• 1.1.2.4 水热合成法
• 1.1.2.5 微乳法
• 1.1.2.6 液相法小结
• 1.1.3 固相法
• 2的表面处理'>1.2 纳米TiO₂的表面处理
• 2的无机表面处理'>1.2.1 纳米TiO₂的无机表面处理
• 1.2.1.1 单组分表面处理
• 1.2.1.2 双组分表面处理
• 1.2.1.3 多组分表面处理
• 1.2.1.4 无机离子表面掺杂处理
• 1.2.1.5 气相无机表面处理
• 2的有机表面处理'>1.2.2 纳米TiP₂的有机表面处理
• 1.2.2.1 表面活性剂处理
• 1.2.2.2 偶联剂处理
• 1.2.3 表面处理小结
• 1.3 本文的研究内容
• 2的低温合成'>第二章 纳米TiO₂的低温合成
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 试剂与仪器
• 2.1.2 实验方法
• 2.1.2.1 碱中和
• 2.1.2.2 晶化和后处理
• 2.1.2.3 物相组成和晶粒尺寸的计算
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 中和温度的影响
• 2.2.2 晶化温度的影响
• 2.2.3 晶化时间的影响
• 2.2.4 NaOH浓度的影响
• 2.2.5 升温速率的影响
• 4）的影响'>2.2.6 n（NaOH）：n（TiCl₄）的影响
• 2.2.7 中和方式的影响
• 2.2.8 硅酸盐的影响
• 4^2-的影响'>2.2.9 SO₄^2-的影响
• 2.2.10 低温晶化机理的探讨
• 2.3 本章小结
• 2的水热合成及其形成机理的研究'>第三章 板钛矿相TiO₂的水热合成及其形成机理的研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 试剂与仪器
• 3.1.2 实验方法
• 2前驱体的制备'>3.1.2.1 TiO₂前驱体的制备
• 3.1.2.2 水热反应
• 3.2 结果与讨论
• 2物相和形貌的影响'>3.2.1 pH值对纳米TiO₂物相和形貌的影响
• 3.2.1.1 XRD分析
• 3.2.1.2 Raman光谱分析
• 3.2.1.3 TEM分析
• 2物相和形貌的影响'>3.2.2 水热温度对纳米TiO₂物相和形貌的影响
• 3.2.2.1 XRD分析
• 3.2.2.2 TEM分析
• 2物相和形貌的影响'>3.2.3 水热时间对纳米TiO₂物相和形貌的影响
• 3.2.3.1 XRD分析
• 3.2.3.2 TEM分析
• 2物相和形貌的影响'>3.2.4 中和方式和中和温度对纳米TiO₂物相和形貌的影响
• 3.2.4.1 XRD分析
• 3.2.4.2 TEM分析
• 2物相和形貌的影响'>3.2.5 醇类对纳米TiO₂物相和形貌的影响
• 2物相的影响'>3.2.5.1 一元醇对纳米TiO₂物相的影响
• 2物相的影响'>3.2.5.2 多元醇对纳米TiO₂物相的影响
• 2形貌的影响'>3.2.5.3 多元醇对纳米TiO₂形貌的影响
• 3.2.6 板钛矿热稳定性的研究
• 2水热生成机理的探讨'>3.3 TiO₂水热生成机理的探讨
• 3.3.1 水热条件下晶粒的三种形成机制
• initial对产物晶相和晶粒尺寸影响的分析'>3.3.2 pH_initial对产物晶相和晶粒尺寸影响的分析
• 3.3.3 板钛矿晶粒形成机理的分析
• 3.4 本章小结
• 2的水热生长'>第四章 金红石相和混晶相纳米TiO₂的水热生长
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 试剂与仪器
• 4.1.2 实验方法
• 4.2 结果与讨论
• 2的表征'>4.2.1 水热反应前纳米TiO₂的表征
• 2微结构的影响'>4.2.2 水热反应条件对金红石相纳米TiO₂微结构的影响
• 4.2.2.1 pH值的影响
• 4.2.2.2 水热反应温度的影响
• 4.2.2.3 水热反应时间的影响
• 2相转化和晶粒尺寸的影响'>4.2.3 pH值对混晶相纳米TiO₂相转化和晶粒尺寸的影响
• 4.3 本章小结
• 2表面包覆氧化硅的研究'>第五章 超声场中纳米TiO₂表面包覆氧化硅的研究
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 试剂与仪器
• 5.1.2 实验方法
• 2光稳定性的测定'>5.1.3 纳米TiO₂光稳定性的测定
• 5.2 结果与讨论
• 2表面键合状态的分析'>5.2.1 氧化硅在纳米TiO₂表面键合状态的分析
• 5.2.1.1 红外光谱分析
• 5.2.1.2 XPS分析
• 5.2.2 Zeta电位分析
• 5.2.3 TEM分析
• 2的TEM分析'>5.2.3.1 包覆前后纳米TiO₂的TEM分析
• 2的TEM分析'>5.2.3.2 不同煅烧温度下所得纳米TiO₂的TEM分析
• 2含量纳米TiO₂的TEM分析'>5.2.3.3 不同SiO₂含量纳米TiO₂的TEM分析
• 5.2.3.4 超声场的影响
• 5.2.4 XRD分析
• 2含量纳米TiO₂的XRD分析'>5.2.4.1 不同SiO₂含量纳米TiO₂的XRD分析
• 2的XRD分析'>5.2.4.2 不同煅烧温度下所得纳米TiO₂的XRD分析
• 2的XRD分析'>5.2.4.3 不同煅烧时间下所得纳米TiO₂的XRD分析
• 5.2.5 比表面积和孔分布分析
• 2含量的影响'>5.2.5.1 SiO₂含量的影响
• 5.2.5.2 超声场的影响
• 5.2.5.3 热处理的影响
• 5.2.6 光稳定性实验
• 2含量的影响'>5.2.6.1 SiO₂含量的影响
• 5.2.6.2 煅烧温度的影响
• 5.2.6.3 煅烧时间的影响
• 5.2.7 分散性分析
• 5.3 本章小结
• 2的表面包覆和掺杂的研究'>第六章 氧化铝对纳米TiO₂的表面包覆和掺杂的研究
• 6.1 实验部分
• 6.1.1 试剂与仪器
• 6.1.2 实验方法
• 6.2 结果与讨论
• 2的表面包覆'>6.2.1 氧化铝对纳米TiO₂的表面包覆
• 6.2.1.1 XRD分析
• 6.2.1.2 XPS分析
• 6.2.1.3 Zeta电位分析
• 6.2.1.4 包覆层均匀性的研究
• 2比表面积和光稳定性的影响'>6.2.1.5 包覆量对纳米TiO₂比表面积和光稳定性的影响
• 2的掺杂'>6.2.2 氧化铝对纳米TiO₂的掺杂
• 2光稳定性的影响'>6.2.2.1 煅烧温度和氧化铝含量对纳米TiO₂光稳定性的影响
• 6.2.2.2 XPS分析
• 2微结构的影响'>6.2.2.3 氧化铝含量对纳米TiO₂微结构的影响
• 6.2.2.3.1 TEM和EDS分析
• 6.2.2.3.2 XRD分析
• 6.2.2.3.3 比表面积和孔分布的分析
• 2晶粒尺寸和生长活化能的影响'>6.2.2.4 煅烧温度对纳米TiO₂晶粒尺寸和生长活化能的影响
• 6.3 本章小结
• 2有机表面改性的研究'>第七章 硬脂酸对纳米TiO₂有机表面改性的研究
• 7.1 实验部分
• 7.1.1 试剂与仪器
• 7.1.2 实验方法
• 7.2 结果与讨论
• 7.2.1 红外光谱分析
• 7.2.2 XPS分析
• 7.2.3 热分析
• 7.2.4 XRD分析
• 7.2.5 TEM分析
• 7.2.6 分散性分析
• 7.3 本章小结
• 2有机表面改性的研究'>第八章 硅烷偶联剂对纳米TiO₂有机表面改性的研究
• 8.1 实验部分
• 8.1.1 试剂与仪器
• 8.1.2 实验方法
• 8.2 结果与讨论
• 8.2.1 红外光谱分析
• 8.2.2 XPS分析
• 8.2.3 热分析
• 8.2.4 TEM分析
• 8.2.5 润湿性实验
• 8.2.6 分散性实验
• 2填充聚丙烯的力学性能实验'>8.2.7 纳米TiO₂填充聚丙烯的力学性能实验
• 2复合材料的抗紫外性能实验'>8.2.8 PP/纳米TiO₂复合材料的抗紫外性能实验
• 8.3 本章小结
• 2团聚现象的研究'>第九章 减轻纳米TiO₂团聚现象的研究
• 9.1 实验部分
• 9.1.1 试剂与仪器
• 9.1.2 实验方法
• 9.2 结果与讨论
• 9.2.1 XRD分析
• 9.2.2 TEM分析
• 9.2.3 粒度分布分析
• 9.2.4 比表面积分析
• 9.2.5 分散性实验
• 9.2.6 光稳定性实验
• 9.3 防团聚机理分析
• 9.3.1 红外分析
• 9.3.2 XPS分析
• 9.3.3 热分析
• 2粉体团聚程度的影响'>9.3.4 pH值对纳米TiO₂粉体团聚程度的影响
• 9.3.5 松装密度分析
• 9.4 本章小结
• 全文结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文、成果鉴定、专利
• 致谢