高分子材料改性用金红石型纳米TiO2的制备及表征

摘要

金红石型纳米TiO2作为一种性能优异的无机紫外光屏蔽剂和吸收剂,不仅能散射进入材料内部的紫外光,而且还可通过电子跃迁有效吸收紫外光能量,在高分子材料的耐紫外光老化改性领域已获得广泛应用。然而,纳米TiO2颗粒表面易吸收大量羟基而显亲水性,导致其与大多数高分子材料相容性差,容易产生聚集和分相。因此,为提高纳米TiO2在高分子材料中的分散性,纳米TiO2的表面修饰已成为该领域研究的重点。本文针对当前纳米TiO2粉体先分散再修饰工艺存在的分散及修饰效果不佳的问题,提出在低温下制备金红石型纳米TiO2,并在其制备过程后期引入有机表面改性剂进行表面修饰,确保金红石型纳米TiO2制备和修饰的连续进行,从而减少传统纳米粉体修饰前的预分散过程,实现对纳米TiO2一次粒子的表面修饰,提高纳米TiO2在聚丙烯高分子材料中的分散性(高分子材料改性)。本文的主要内容包括以下几个方面:
　　 (1)金红石型纳米TiO2的低温制备
　　 采用钛酸四丁酯在硝酸溶液中水解制备金红石型纳米TiO2,考察了反应体系含水率、水解体系硝酸浓度、反应温度、反应时间等因素对TiO2晶型结构的影响,并对自制TiO2与市售TiO2产品(帝国化工MT-500B)结构与紫外光吸收性能进行了对比研究。结果表明:水与钛酸四丁酯的摩尔比为35,当硝酸浓度为4 mol/L,反应温度为45℃,反应时间为5 h时,可制得纯金红石型纳米TiO2晶粒,其晶粒尺寸在70～100 nm范围内;与市售产品相比,自制TiO2晶粒的表面活性羟基数量较多,紫外光吸收性能与市售产品相当。
　　 (2)金红石型纳米TiO2的表面修饰
　　 采用硅烷A-151作为表面修饰剂,在金红石型纳米TiO2颗粒制备过程的后期将表面修饰剂引入,考察了表面修饰剂的合理用量,并对修饰后TiO2颗粒的微观结构及宏观性能进行表征。结果表明:硅烷A-151水解产物与TiO2表面羟基聚合形成Si-O-Ti化学键合,当A-151与TiO2摩尔比为0.15:1时,A-151水解产物在TiO2表面的接枝数量趋于饱和,此时TiO2与水接触角达144°,在非极性溶剂(二甲苯)中的分散稳定性获得大幅提高,且仍保持较高的紫外光吸收性能。
　　 (3)聚丙烯塑料耐紫外光老化改性
　　 采用混炼工艺将自制TiO2与聚丙烯塑料制成复合材料,并压制成薄膜样品,在自制装置上进行加速老化。考察了TiO2在聚丙烯塑料中的分散性,并采用羰基指数表征复合材料薄膜样品耐紫外光老化性能。结果表明:经表面修饰后TiO2颗粒在聚丙烯塑料中的分散性大幅改善,TiO2掺量为2wt％时,聚丙烯塑料耐紫外光老化性能最佳。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 高分子材料紫外光老化原理

1.2 高分子材料耐紫外光老化改性方法

1.2.1 自由基捕获剂

1.2.2 激发态猝灭剂

1.2.3 紫外光吸收剂

1.2.4 光屏蔽剂

1.3 金红石型纳米TiO2改性高分子材料研究

1.3.1 耐紫外光老化机理

1.3.2 研究现状

1.4 金红石型纳米TiO2的表面修饰

1.4.1 纳米TiO2表面修饰研究现状

1.4.2 存在的问题及拟解决途径

1.5 金红石型纳米TiO2的低温制备方法

1.5.1 液相沉淀法

1.5.2 胶溶法

1.5.3 溶胶-凝胶法

1.6 本课题研究方案

1.6.1 立题依据

1.6.2 研究内容

1.6.3 研究方法

第二章 实验原料和表征方法

2.1 实验原料及选用

2.2 测试和表征

2.2.1 X射线衍射分析

2.2.2 热重分析

2.2.3 碳元素含量测试

2.2.4 扫描电镜表征

2.2.5 高分辨透射电镜表征

2.2.6 红外吸收光谱测试

2.2.7 紫外-可见光谱测试

2.2.8 X光电子能谱分析

2.2.9 接触角测试

2.2.10 沉降性能表征

2.2.11 TiO2/聚丙烯混炼参数测试

2.2.12 耐紫外光老化性能表征

第三章 金红石型纳米TiO2的低温制备及表征

3.1 样品制备

3.2 测试表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 金红石型纳米TiO2制备影响因素分析

3.3.2 不同反应条件对TiO2晶型的影响

3.3.3 金红石型纳米TiO2结构性能表征

3.4 本章小结

第四章 金红石型纳米TiO2表面修饰研究

4.1 微乳液法修饰纳米TiO2

4.1.1 样品制备

4.1.2 测试表征

4.1.3 结果与讨论

4.2 直接共混法修饰纳米TiO2

4.2.1 样品制备

4.2.2 测试与表征

4.2.3 结果与讨论

4.3 本章小结

第五章 纳米TiO2改性聚丙烯塑料的制备及表征

5.1 样品制备

5.2 测试表征

5.3 结果与讨论

5.3.1 TiO2/聚丙烯复合材料制备工艺

5.3.2 TiO2在复合材料中的分散性

5.3.3 TiO2/聚丙烯复合材料耐紫外光老化性能

5.4 本章小结

第六章 全文总结

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间发表的论文