CN103665961B - 汽爆包覆改性纳米二氧化钛的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽爆包覆改性纳米二氧化钛的制备方法，属于纳米材料改性技术。该方法包括以下步骤：（一）利用蒸汽爆破机对纳米二氧化钛进行汽爆处理，处理后的纳米二氧化钛过滤、烘干；（二）将水玻璃配制成浓度为10%～18%的水玻璃氢氧化钠碱性溶液；（三）将步骤（一）所得纳米二氧化钛配制成质量百分比为3%～8%的悬浮液，加入适量分散剂，超声振荡20min～40min，然后滴加过量的水玻璃氢氧化钠碱性溶液，再滴加酸液使混合浆料pH值保持在8～9；（四）对混合浆料进行过滤、洗涤、烘干、研磨，得到改性纳米二氧化硅产品。与现有技术相比，本发明的汽爆包覆改性纳米二氧化钛的制备方法具有操作简单、无机硅溶胶包覆效果好等特点，具有很好的推广应用价值。

Description

汽爆包覆改性纳米二氧化钛的制备方法
技术领域
 本发明涉及一种纳米材料改性技术，具体地说是一种汽爆包覆改性纳米二氧化钛的制备方法。
背景技术
由于纳米二氧化钛是一种附加值很高的精细无机材料，具备良好的耐候性、耐化学腐蚀性、抗紫外线能力强、耐热性、光催化性等特点，被广泛应用于汽车面漆、涂料、感光材料、光催化剂、化妆品及电子材料等。但由于纳米二氧化钛在制备和应用过程中极易发生团聚，使其优异的性能得不到充分的发挥。因此对纳米二氧化钛进行表面整饰，提高其在溶剂中的分散性、减少絮聚是非常重要的，我国纳米二氧化钛产量虽然很大但是分散性达不到要求，与国外一些企业的产品差距还是比较大，因此研发出一款分散性较好的纳米二氧化钛是十分重要的。
二氧化钛纳米粒子表面含有羟基，极易吸附空气中的水分，呈现亲水性质，从而不易分散在有机相中，导致二氧化钛粒子与有机物之间存在严重的相分离现象。因此，在制备二氧化钛/聚合物纳米复合材料时，先要对纳米二氧化钛粒子进行表面改性，其目的就是降低纳米二氧化钛的表面能，改善二氧化钛的表面性质，降低粒子的表面极性。
蒸汽爆破主要是利用高温高压水蒸气处理纤维原料，并通过瞬间泄压过程实现原料的组分分离和结构变化。在蒸汽爆破过程中，水蒸气渗入纤维空隙中并与纤维素分子链上的部分羟基形成氢键。同时高温、高压、含水的条件又会加剧对纤维素内部氢键的破坏。瞬间泄压爆破使纤维内各空隙间的水蒸气瞬间排除到空气中，打断了纤维素内的氢键。分子内氢键断裂同时纤维素被急速冷却到室温，使得纤维素超分子结构被“冻结”，只有少部分的氢键重组。
发明内容
本发明的技术任务是针对上述现有技术的不足，提供一种操作简单、无机硅溶胶包覆效果好的汽爆包覆改性纳米二氧化钛的制备方法。
本发明的技术任务是按以下方式实现的：汽爆包覆改性纳米二氧化钛的制备方法，包括以下步骤：
（一）利用蒸汽爆破机对纳米二氧化钛进行汽爆处理，处理后的纳米二氧化钛过滤、烘干；
（二）将水玻璃配制成质量百分比为10%～18%的水玻璃氢氧化钠碱性溶液；
（三）将步骤（一）所得纳米二氧化钛配制成质量百分比为3%～8%的悬浮液，加入适量分散剂，超声振荡20min～40min，然后滴加过量的步骤（二）所得水玻璃氢氧化钠碱性溶液，再滴加酸液使混合浆料pH值保持在8～9；
（四）对步骤（三）中得到的混合浆料进行过滤、洗涤、烘干、研磨，得到改性纳米二氧化硅产品。
利用蒸汽爆破机对纳米二氧化钛进行汽爆处理时，压力维持时间优选为15～30s，蒸汽爆破压力为0.4～1.2MPa。
步骤（二）中配制碱性溶液时，优选pH为10～12的氢氧化钠为溶剂。
所述分散剂优选为磷酸盐分散剂，如正磷酸盐、二聚偏磷酸盐（六元环）和四聚偏磷酸盐（八元环）等。
步骤（三）中所述酸液优选为无机酸，如稀硫酸、盐酸或磷酸等。
本发明改性纳米二氧化钛的制备方法与现有技术相比具有以下突出的有益效果：
（一）                   利用蒸汽爆破机对纳米二氧化钛进行处理，一方面，使二氧化钛表面的氢基破坏从而提高纳米二氧化钛的分散性；另外，在高压蒸汽释放时，渗入二氧化钛内部的热蒸汽分子以气流的方式从较封闭的空隙中高速瞬间释放出来，热蒸汽的高速瞬间流动，使二氧化钛发生一定程度上的机械断裂，这种断裂不仅表现为分子中的键断裂，还表现为无定型区的破坏和部分结晶区的破坏。可以有效地提高改性效果，减少反应时间；
（二）                   在汽爆的基础上包覆一层无机物，可以提高二氧化钛的抗粉化性、保色性、耐候性和光化学稳定性；
（三）                   实验表明，改性后纳米二氧化钛的粒径变小，能有效的改善纳米二氧化钛填料在聚合物中的润湿性和分散性。
具体实施方式
以具体实施例、试验例对本发明的汽爆包覆改性纳米二氧化钛的制备方法作以下详细地说明。
实施例一
制备步骤：
（1）将30g纳米二氧化钛放入蒸汽爆破机中，使蒸汽爆破压力为0.6MPa，压力维持25s。将经汽爆处理的纳米二氧化钛过滤、烘干。
（2）以pH为10～12的氢氧化钠为溶剂，将水玻璃配制成质量百分比为12%的水玻璃氢氧化钠碱性溶液。
（3）把步骤（1）得到的纳米二氧化钛配制成质量百分比为3%的悬浮液，以（NaPO3）6作为分散剂，超声振荡30min，然后滴加过量的步骤（2）得到的水玻璃氢氧化钠碱性溶液，再滴加稀H2SO4溶液使混合装料pH值保持在8～9。
（4）对（3）中得到的混合浆料进行过滤、洗涤、烘干、研磨，得到汽爆包覆改性纳米二氧化钛产品。
实施例二
制备步骤：
（1）将30g纳米二氧化钛放入蒸汽爆破机中，使蒸汽爆破压力为0.8MPa，压力维持25s。将经汽爆处理的纳米二氧化钛过滤、烘干。
（2）将水玻璃配制成质量百分比为14%的水玻璃氢氧化钠碱性溶液。
（3）把步骤（1）得到的纳米二氧化钛配制成质量百分比为5%的悬浮液，以（NaPO3）6作为分散剂，超声振荡35min，然后滴加过量的步骤（2）得到的水玻璃氢氧化钠碱性溶液，再滴加稀H2SO4溶液使混合装料pH值保持在8～9。
（4）对（3）中得到的混合浆料进行过滤、洗涤、烘干、研磨，得到汽爆包覆改性纳米二氧化钛产品。
实施例三
制备步骤：
（1）将30g纳米二氧化钛放入蒸汽爆破机中，使蒸汽爆破压力为1MPa，压力维持25s。将经汽爆处理的纳米二氧化钛过滤、烘干。
（2）将水玻璃配制成质量百分比为16%的水玻璃氢氧化钠碱性溶液。
（3）把步骤（1）得到的纳米二氧化钛配制成质量百分比为6%的悬浮液，以（NaPO3）6作为分散剂，超声振荡25min，然后滴加过量的步骤（2）得到的水玻璃氢氧化钠碱性溶液，再滴加稀H2SO4溶液使混合装料pH值保持在8～9。
（4）对（3）中得到的混合浆料进行过滤、洗涤、烘干、研磨，得到汽爆包覆改性纳米二氧化钛产品。
试验例一
分散性能的检测
将实施例一、二、三所得汽爆包覆改性纳米二氧化钛与德国DECOSA公司的锐钛矿型纳米二氧化钛（代号P25）分散在不同溶剂中，采用美国Delsa 440SX Zeta Potential Analyzer(Beckman Coulter)进行纳米颗粒的尺寸和表面性质的测量和分析。
如表1所知，纳米二氧化钛在有机溶剂中的分散比水中的好。实施例中经过汽爆包覆改性的纳米二氧化钛在水中和有机溶剂中的分散性都比国外产品P25效果好。
表1  P25及改性二氧化钛在不同溶剂中颗粒的大小 
溶剂 去离子水 丙酮 乙醇 乙二醇 丁醇
P25 632 225～300 214～300 78～137 45～88
存放2周后 ＞3000 1266～2160 ＞3000 ＞3000 1520
实施例一改性纳米二氧化钛 500 186～250 200～250 60～112 38～78
存放2周后 960～1300 820～1260 900～1650 640～1120 980～1300
实施例二改性纳米二氧化钛 480 180～240 200～240 60～100 38～70
存放2周后 900～1200 800～1200 800～1500 600～1100 900～1200
实施例三改性纳米二氧化钛 470 175～240 1800～2300 60～100 38～68
存放2周后 850～1200 750～1200 800～1400 600～1000 880～1200
试验例二
比表面积的测定：
采用气体吸附法测定比表面积是基于BET多层吸附理论，即在液氮温度下待测固体对N2发生多层吸附。采用Gemin2360型比表面积分析仪（美国Micromeritics仪器公司）进行测定。
如表2所示，经改性的纳米二氧化钛比表面积明显增加。
表2 比表面积
样品 P25 实施例1产品 实施例2产品 实施例3产品
比表面积/m2/g 80～200 130～260 146～268 140～270

Claims (5)

1.汽爆包覆改性纳米二氧化钛的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（一）利用蒸汽爆破机对纳米二氧化钛进行汽爆处理，处理后的纳米二氧化钛过滤、烘干，
汽爆处理时，压力维持时间15～30s，蒸汽爆破压力为0.4～1.2MPa；
（二）将水玻璃配制成质量百分比为10%～18%的水玻璃氢氧化钠碱性溶液；
（三）将步骤（一）所得纳米二氧化钛配制成质量百分比为3%～8%的悬浮液，加入适量分散剂，超声振荡20min～40min，然后滴加过量的步骤（二）所得水玻璃氢氧化钠碱性溶液，再滴加酸液使混合浆料pH值保持在8～9；
（四）对步骤（三）中得到的混合浆料进行过滤、洗涤、烘干、研磨，得到改性纳米二氧化钛产品。
2.根据权利要求1所述的汽爆包覆改性纳米二氧化钛的制备方法，其特征在于：步骤（二）中配制碱性溶液时，以pH为10～12的氢氧化钠为溶剂。
3.根据权利要求1所述的汽爆包覆改性纳米二氧化钛的制备方法，其特征在于：步骤（三）中，所述分散剂为磷酸盐分散剂。
4.根据权利要求1所述的汽爆包覆改性纳米二氧化钛的制备方法，其特征在于：步骤（三）中所述酸液为无机酸。
5.根据权利要求4所述的汽爆包覆改性纳米二氧化钛的制备方法，其特征在于：所述无机酸为稀硫酸、盐酸或磷酸。
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