溶胶-凝胶法制备负载型TiO2微球及复合薄膜

摘要

TiO2做为一种宽禁带的半导体材料，被广泛应用于精细陶瓷、建筑涂料、纺织、催化材料等领域.因此展开对纳米TiO2的制备、性质，结构及应用方面的研究，开拓易于工业化、对于物理方法更廉价的纳米TiO2化学制备方法，对制备具有不同形态的新型纳米TiO2以及优化纳米TiO2材料的各种性能有着巨大的指导意义。
　　 本文基于TiO2纳米晶的低温生长技术，分别合成了表面粗糙度可调的大粒径锐钛矿型TiO2微球和锐钛矿型TiO2溶胶，并通过将硅烷偶联剂KH560和TiO2复合，制备出KH560/TiO2有机无机复合薄膜。利用X-Ray衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、粒度分析(FAM)、接触角等测试手段研究了TiO2的结晶性能、微观结构、亲水性能等。本论文的主要研究工作包括以下几个方面：
　　 1，TiO2微球的低温制备研究
　　 通过溶胶-凝胶法和后续水处理工艺的调控，在无模板的条件下，成功地制备出了TiO2微球，该微球形貌规则，且表面粗糙度可调，平均球径在700nm左右。随着水解温度的升高，制备出的TiO2微球球径增大，形貌趋于规则，球形度提高，表面粗糙度增大。随着水解温度的升高，颗粒的平均粒径增大，有锐钛矿纳米晶形成。在低温水解时，经过500℃热处理后TiO2微球晶粒尺寸小，表面光滑，更有利于颗粒的结晶形核与长大；纳米晶的形成有利于锐钛矿相向金红石相的转变。
　　 2、KH560/TiO2复合薄膜的制备研究
　　 (1)TiO2溶胶的低温制备研究
　　 在常温下以钛酸丁酯Ti(OC4H9)4为先驱体，乙醇为溶剂，浓盐酸为催化剂，通过钛酸丁酯在过量水中水解缩聚后得到了TiO2溶胶，并讨论了pH、加水量、热处理温度、水解温度，溶剂种类、催化剂种类的改变对TiO2溶胶形貌结构、晶相、结晶强度及晶粒尺寸的影响。
　　 在酸性条件下，采用溶胶凝胶法在常温条件下制备了锐钛矿型TiO2纳米晶溶胶，在pH=1～7、加水量100～400、水解温度20℃～80℃的条件下均能得到结晶度高的锐钛矿相溶胶。
　　 各实验条件对ZiO2溶胶的影响可归结为以下几点：pH在1～3范围内，锐钛矿纳米晶开始形成；加水量在100～400范围内，均能得到锐钛矿相TiO2溶胶；TiO2溶胶锐钛矿相向金红石相的晶型转变温度在500～600℃；水解温度的升高将出现板钛矿相；催化剂和溶剂的种类可改变TiO2溶胶的形貌和结构；使用浓盐酸作催化剂，得到的是纯锐钛矿相TiO2溶胶，浓硝酸作催化剂，得到的是锐钛矿相和板钛矿相的混合TiO2溶胶。
　　 (2)KH560/TiO2复合薄膜的亲水性能研究
　　 采用溶胶-凝胶法，在TiO2溶胶制备基础上，将KH560和二氧化钛进行复合，得到分散稳定的二氧化钛基复合溶胶，通过提拉成膜的方法制备KH560/TiO2有机无机复合薄膜。通过考察钛酸丁酯与KH560摩尔比及加水量两个因素对KH560/TiO2复合薄膜形貌和润湿性的影响得出以下结论：随着钛酸丁酯浓度的增加，KH560/TiO2复合薄膜表面的TiO2颗粒增多，表面粗糙度加大，薄膜的亲水性提高。随着加水量的增加，KH560/TiO2复合薄膜表面的TiO2颗粒减少，薄膜表面趋于光滑平整，薄膜的接触角增大，薄膜由亲水型转为憎水型。