CN102660153A - 一种纳米二氧化钛的改性方法 - Google Patents

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王超
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本发明涉及一种纳米二氧化钛的改性方法，主要是在纳米二氧化钛粒子表面引入官能团，从而改善纳米二氧化钛的分散性、耐候性和自清洁性，属于粉末材料加工技术领域。本发明所述的硅烷偶联剂KH-550改性的纳米二氧化钛有益效果主要体现在：（1）所述硅烷偶联剂KH-550改性的纳米二氧化钛在有机溶剂中的分散性得到提高，从而提高其耐候性和抗紫外线性能等；（2）原料廉价、普通，工艺简单、成本低，利于工业化生产。

Description

一种纳米二氧化钛的改性方法
技术领域
本发明涉及一种纳米二氧化钛的改性方法，主要是在纳米二氧化钛粒子表面引入官能团，从而改善纳米二氧化钛的分散性、耐候性和自清洁性，属于粉末材料加工技术领域。
背景技术
由于纳米二氧化钛具有良好的抗紫外线性能、良好的耐候性、耐化学腐蚀性、耐热性、光催化性、热稳定性、对人体无害等特征，被广泛应用于颜料如涂料、橡胶、塑料、造纸等行业，同时还作为光催化剂、光电电池、紫外线屏蔽剂等被广泛应用；未经表面处理的纳米二氧化钛表面一般被极性基团（如-OH）所包覆，所以纳米二氧化钛容易因极性吸附或吸湿而产生团聚，成为带有若干弱连接界面的尺寸较大的团聚体，并且难以分散于有机溶剂中，从而使其在工业上的应用受到了很大的限制；因此对纳米二氧化钛进行表面修饰，提高其在溶剂中的分散性、减少二次团聚是非常重要的，我国纳米二氧化钛产量虽然大但是产品质量不高，与国外一些知名企业的产品差距较大。所以研发出一种生产高品质纳米二氧化钛的方法是十分必要的。
发明内容
为解决纳米二氧化钛颗粒的团聚问题，提高其分散性、耐候性、抗紫外线性能等，本发明提供了一种硅烷偶联剂改性的纳米二氧化钛及其制备方法。
硅烷偶联剂KH-550改性纳米二氧化钛的反应过程如下图1；该反应过程分为四步，第一步是KH-550中与Si相连的3个水解基团与水反应，生成硅醇；第二步是硅醇之间脱水缩合成Si-OH的低聚硅氧烷；第三步是低聚硅氧烷的Si-OH与纳米二氧化钛粉体表面上的OH反应，形成氢键；第四步是加热的过程中产生脱水及固化，达到与纳米二氧化钛粉体形成牢固的共价键结合。
目前文献报道的硅烷偶联剂KH-550加入方法是直接加入，或水解加入，而本发明的实验表明，在偏碱性的条件下可加速硅烷偶联剂KH-550的水解，减少反应时间，提高改性效果；改性后，硅烷偶联剂KH-550牢固的键合在纳米二氧化钛粉体表面，KH-550的加入能有效改善纳米二氧化钛填料在聚合物中的润湿性和分散性，本专利提供了较为合适的pH值范围和改性时间。
为达到发明目的本发明采用的技术方案是：一种纳米二氧化钛的改性方法，其特征在于经过下列步骤制得：
A、将纳米二氧化钛粉末加入乙醇溶液中，配置成质量浓度为1-5%的乙醇溶液，超声振荡使得纳米二氧化钛粉末在乙醇溶液中混合均匀；
B、按二氧化钛质量的0.5-3%，取硅烷偶联剂KH-550加入去离子水中，配置成质量浓度为1-5%的水溶液，调节pH值至8-11，超声振荡使得硅烷偶联剂KH-550在去离子水中预水解；
C、将步骤B所得的水溶液加入步骤A所得的乙醇溶液中，搅拌均匀，在80℃下超声振荡2-4h；
D、对C中所得混合浆料按常规进行乙醇洗、水洗、抽滤、烘干、研磨后，得到表面改性的纳米二氧化钛产品。
本发明所述的硅烷偶联剂KH-550改性的纳米二氧化钛有益效果主要体现在：（1）所述硅烷偶联剂KH-550改性的纳米二氧化钛在有机溶剂中的分散性得到提高，从而提高其耐候性和抗紫外线性能等；（2）原料廉价、普通，工艺简单、成本低，利于工业化生产。
附图说明
图1是硅烷偶联剂KH-550改性纳米二氧化钛的反应过程原理图；
y为- CH2CH2CH2NH2，是非水解基团；X为-OC2H5，是可水解基团；
图2是傅立叶变换红外光谱仪测得硅烷偶联剂KH-550改性的纳米二氧化钛粉末红外谱图；（a）未改性的纳米二氧化钛；（b）硅烷偶联剂KH-550改性的纳米二氧化钛；
图3是用透射电子显微镜观察纳米粒子的形貌图；（a）为未改性纳米二氧化钛的TEM图，（b）为硅烷偶联剂KH-550改性纳米二氧化钛的TEM图。
具体实施方式
下面结合具体方式对本发明进行进一步描述：
实施例1
本发明所提供的表面改性的纳米二氧化钛，经下列步骤制得：
A、将纳米二氧化钛粉末加入乙醇溶液中，配置成质量浓度为5%的乙醇溶液，超声振荡使得纳米二氧化钛粉末在乙醇溶液中混合均匀；
B、按二氧化钛质量的0.5%，取硅烷偶联剂KH-550加入去离子水中，配置成质量浓度为1%的水溶液，调节pH值至8，超声振荡使得硅烷偶联剂KH-550在去离子水中预水解；
C、将B所得的水溶液加入A所得的溶液中，搅拌均匀，在80℃下超声振荡4h；
D、对C中所得混合浆料按常规进行乙醇洗、水洗、抽滤、烘干、研磨后，得到表面改性的纳米二氧化钛产品。
实施例2
本发明所提供的表面改性的纳米二氧化钛，经下列步骤制得：
A、将纳米二氧化钛粉末加入乙醇溶液中，配置成质量浓度为4%的乙醇溶液，超声振荡使得纳米二氧化钛粉末在乙醇溶液中混合均匀；
B、按二氧化钛质量的1%，取硅烷偶联剂KH-550加入去离子水中，配置成质量浓度为2%的水溶液，调节pH值至9，超声振荡使得硅烷偶联剂KH-550在去离子水中预水解；
C、将步骤B所得的水溶液加入步骤A所得的乙醇溶液中，搅拌均匀，在80℃下超声振荡4h；
D、对步骤C中所得混合浆料按常规进行乙醇洗、水洗、抽滤、烘干、研磨后，得到表面改性的纳米二氧化钛产品。
实施例3
A、将纳米二氧化钛粉末加入乙醇溶液中，配置成质量浓度为3%的乙醇溶液，超声振荡使得纳米二氧化钛粉末在乙醇溶液中混合均匀；
B、按二氧化钛质量的2%，取硅烷偶联剂KH-550加入去离子水中，配置成质量浓度为3%的水溶液，调节pH值至10，超声振荡使得硅烷偶联剂KH-550在去离子水中预水解；
C、将步骤B所得的水溶液加入步骤A所得的乙醇溶液中，搅拌均匀，在80℃下超声振荡3h；
D、对步骤C中所得混合浆料按常规进行乙醇洗、水洗、抽滤、烘干、研磨后，得到表面改性的纳米二氧化钛产品。
实施例4
A、将纳米二氧化钛粉末加入乙醇溶液中，配置成质量浓度为2%的乙醇溶液，超声振荡使得纳米二氧化钛粉末在乙醇溶液中混合均匀；
B、按二氧化钛质量的3%，取硅烷偶联剂KH-550加入去离子水中，配置成质量浓度为4%的水溶液，调节pH值至11，超声振荡使得硅烷偶联剂KH-550在去离子水中预水解；
C、将步骤B所得的水溶液加入步骤A所得的乙醇溶液中，搅拌均匀，在80℃下超声振荡2h；
D、对步骤C中所得混合浆料按常规进行乙醇洗、水洗、抽滤、烘干、研磨后，得到表面改性的纳米二氧化钛产品。
对所制备的硅烷偶联剂KH-550改性的纳米二氧化钛粒子经傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）、透射电子显微镜（TEM）观察纳米粒子表面的官能团吸收峰、及其在有机溶剂中的分散和形貌。
（1）FT-IR分析
傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）测得硅烷偶联剂KH-550改性的纳米二氧化钛粉末红外谱图，分析其官能团的吸收峰；图2分别为未改性的纳米二氧化钛（a）和硅烷偶联剂KH-550改性的纳米二氧化钛（b）的红外谱图，（b）中2846.64cm-1和2921.31cm-1处可以看到明显的亚甲基振动峰，说明硅烷偶联剂KH-550已经键合到纳米二氧化钛粒子表面。
（2）TEM观察
将改性后的纳米二氧化钛粉末分散于无水乙醇中，用透射电子显微镜观察纳米粒子的形貌；图3中（a）为未改性纳米二氧化钛的TEM图，（b）为硅烷偶联剂KH-550改性纳米二氧化钛的TEM图；从图中可明显看出，改性后的纳米二氧化钛粒子分散较好，无明显聚集现象，说明改性后的纳米二氧化钛粒子能较好的分散于有机溶剂中，有效降低了纳米粒子的软团聚现象。

Claims (1)

1.一种纳米二氧化钛的改性方法，其特征在于经过下列步骤制得：
A、将纳米二氧化钛粉末加入乙醇溶液中，配置成质量浓度为1-5%的乙醇溶液，超声振荡使得纳米二氧化钛粉末在乙醇溶液中混合均匀；
B、按二氧化钛质量的0.5-3%，取硅烷偶联剂KH-550加入去离子水中，配置成质量浓度为1-5%的水溶液，调节pH值至8-11，超声振荡使得硅烷偶联剂KH-550在去离子水中预水解；
C、将步骤B所得的水溶液加入步骤A所得的乙醇溶液中，搅拌均匀，在80℃下超声振荡2-4h；
D、对C中所得混合浆料按常规进行乙醇洗、水洗、抽滤、烘干、研磨后，得到表面改性的纳米二氧化钛产品。
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