CN1450123A - 一种纳米结构二氧化钛光催化涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米结构二氧化钛光催化涂层的制备方法，涉及化工、环境和材料加工领域，以含钛的有机盐、无机盐、纳米粉末、纳米非晶无定形钛化合物为原料，采用液体热喷涂法，在基体上制备纳米结构TiO2光催化涂层。按本发明制备的TiO2涂层具有优越的光催化性能。其工艺简单、生产成本低廉、可控性好、对基体影响小。本发明的实施将有效简化纳米结构二氧化钛光催化涂层的制备工艺，降低其制造成本，尤其是在制备纳米结构涂层时实现了一次性成形，可以不需纳米结构粉末原料。在液体热喷涂中，基体的温度可以控制在100℃以下，对基体的性能没有不良影响。应用本发明将为纳米结构二氧化钛在各领域进一步推广应用产生有益的促进作用。
Description
一、所属技术领域
本发明涉及化工、环境和材料加工领域的一种涂层的制备方法，特别涉及一种采用液体喷涂法制备纳米结构二氧化钛涂层的方法。
二、背景技术
与普通二氧化钛相比，纳米结构二氧化钛在光、电、化学催化等方面的性能具有显著的改善和提高。因此，纳米结构二氧化钛在工业、民用、环保等领域有广泛的应用前景。
现有的纳米结构二氧化钛粉末制备方法有气相沉积法、溶胶—凝胶法、喷雾热解法、纳米粉末烧结法等。喷雾热解法需要有一个大体积的密闭高温腔室，气相沉积法对密闭室压力、气体成分和温度的要求比较严格。纳米结构二氧化钛涂层一般是通过其粉末的固定化来实现，比如用涂覆、烧结、纳米粉末热喷涂等方法，都需要以纳米结构二氧化钛粉末为原料，这就使涂层制备过程复杂，制造成本很高。涂覆法的涂层中二氧化钛易被粘结剂覆盖且有机粘结剂易老化。纳米粉末烧结法制备涂层时的高温烧结过程会降低基体的某些性能。总之，这些方法目前尚存在工艺条件苛刻、设备复杂、投资大、成本高等缺点。
三、发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种新的工艺简单、生产成本低廉、可控性好、对基体影响小的纳米结构二氧化钛光催化涂层的制备方法。
本发明的技术思路是采用液体喷涂法，喷涂所用的材料为液体原料，是用含有元素钛的化合物配制成的溶液或胶体或悬浊液或悬浮液。在喷涂过程中，液体由喷枪的喷嘴雾化成细小的雾滴后进入高温高速焰流，经过雾滴中的溶剂的挥发和燃烧及溶质的析出和分解等一系列物理、化学反应后形成二氧化钛，使这些二氧化钛直接沉积在基体表面即可形成纳米结构二氧化钛光催化涂层。
本发明是通过下述方案实现的：
一种纳米结构二氧化钛光催化涂层的制备方法，其特征在于，将含有元素钛的化合物配制成原料液体，采用液体喷涂，在基体上制备纳米结构TiO2光催化涂层；按以下步骤制备：
1)将含钛的化合物与溶剂配制成溶液或胶体或悬浊液或悬浮液，其中含钛化合物的含量为1～75％；
2)对待喷涂的基体表面进行预处理；
3)以配制好的液体为原料，由喷枪的喷嘴雾化成细小的雾滴后进入高温高速焰流，经过一系列物理、化学反应后形成二氧化钛，使这些二氧化钛直接沉积在基体表面，即可形成纳米结构二氧化钛光催化涂层。
本发明的其它一些特点是：
所述的含钛的化合物，可以是钛的氧化物颗粒；可以是有机盐例如钛酸丁酯、钛酸异丙酯、钛酸丙酯、钛酸乙酯，还可以是TiO2纳米晶体粉末、非晶的无定形TiO2颗粒。
所述的含钛的化合物，以含钛为主兼含有其它金属元素，这些金属元素是铝、铁、铜、铬、锌、钒、锰、硅、钴、银、镉、锆、钨中的一种或两种或两种以上，其添加比例在0～45％范围内。
所述的溶剂可以是无机溶剂，可以是有机溶剂，也可以是有机溶剂和无机溶剂混合形成的混合溶剂。
所述的预处理包括除油、去锈、喷砂、抛光、打底层中的一种或几种。
所述液体喷涂的距离为5cm～20cm，即将基体放置于喷涂焰流5cm～20cm处，使二氧化钛沉积在基体上形成纳米结构二氧化钛涂层。
所述基体可以进行预热，预热至少可以起到提高涂层结合强度的作用，预热时，预热温度可在150℃～1300℃范围内。也可以在不预热的自然状态；。
前述的本发明的实施所提到的液体喷涂方法中，必须有一个独立的热源作为液体喷涂的热源，可以是等离子、火焰，液体原料被加入到这个独立的热源中。本发明的方法可以进一步简化为液体原料自燃烧方式的喷涂方法，以含有能够燃烧的溶剂的单一溶剂或混合溶剂配制液体原料，液体原料雾化后形成细小雾滴，雾滴形成的蒸汽和液滴与氧气发生燃烧反应作为喷涂热源，形成的氧化钛沉积在基体上形成纳米结构二氧化钛光催化涂层。
本发明的实施将有效简化纳米结构二氧化钛光催化涂层的制备工艺，降低其制造成本，尤其是在制备纳米结构涂层时实现了一次性成形，可以不需纳米结构粉末原料。在液体热喷涂中，基体的温度可以控制在100℃以下，所以对基体的性能没有不良影响。本发明制备出的纳米结构二氧化钛光催化涂层有十分优越的光催化性能。本发明的应用将为纳米结构二氧化钛在各领域的进一步推广应用产生有益的促进作用。
四、附图说明
图1为采用液体火焰喷涂系统实施本发明的示意图。
图2为采用液体等离子喷涂系统实施本发明的示意图。
图3为本发明以液体原料燃烧作为热源的方法的系统示意图。
图4为液体原料燃烧作为热源的液体热喷涂枪的结构示意图。
图5为纳米结构二氧化钛光催化涂层断面形貌图。
图6为纳米结构二氧化钛光催化涂层内纳米颗粒的形貌图。
图7为采用本发明制备的纳米结构二氧化钛光催化涂层降解水中苯酚的性能。
图8为采用本发明制备的纳米结构二氧化钛光催化涂层降解气体中乙醛的性能。
五、具体实施方式
下面结合附图对实施例做进一步的说明，但本发明不局限于实施例所给出的实施方式或实施效果。
实施例1：参见图1。图1为实施本发明的液体火焰喷涂系统示意图。喷涂枪为轴向送液式火焰喷枪。采用丙烷作为燃气，压力为0.1MPa，流量为7.34L/min；氧气作为雾化气和助燃气，压力分别为0.5、0.3MPa，流量分别为42.9、42.0L/min；液体采用钛酸丁酯的无水乙醇溶液，浓度为20％。喷涂涂层时喷涂距离为150mm。
实施例2：参见图2。图2为实施本发明的液体等离子喷涂系统示意图。喷涂枪为等离子喷枪，液体雾化喷嘴将液体雾化成细小的液滴。氩气压力为0.8MPa，流量为77.5L/min；氢气压力为0.5MPa，流量为4.23L/min；电流为400A，电压50V。喷涂涂层时喷涂距离80mm。液体采用钛酸丁酯的乙醇溶液，浓度为10％。
实施例3：参见图3。按照传统的思路，喷涂系统的热源为火焰、电弧、等离子等形式的热源，是专门施加的热源，尽管液体原料中的可燃成分在焰流中发生燃烧，但是不是作为热源使用的，而是一种附带发生的一种现象。图3所示的液体热喷涂系统中，直接以原料液体既作为燃料又作为喷涂原料，这种实施方案更加简单。液体经过雾化喷嘴雾化成细小的液滴，液体中的可燃性成分在助燃气氧气的作用下燃烧提供喷涂所必需的能量，将液体中的溶质物质加热，同时液体中的溶质在热作用下发生变化，变成二氧化钛，沉积在基体上形成本发明所述的纳米结构二氧化钛光催化涂层。
实施例4：参见图4。图4是本发明实施涉及的一种液体原料燃烧作为热源的喷涂枪的结构示意图。这种方式省去了专门的热源发生装置与热源能量供应。液体原料从中间的管道被送入，周围的雾化气体将液体原料雾化成细小的小液滴，液体原料中的可燃成分在助燃气作用下燃烧产生高温焰流，所形成的氧化钛沉积在基体上形成纳米结构TiO2光催化涂层。其中的雾化气可以是氧气或空气或氮气或惰性气体，助燃气体是氧气或空气，雾化气和助燃气液可以是同一种气体。进一步说，本实施例可以进一步简化，图4中的助燃气体管道可以省略，助燃气和雾化气同时从图4所示的雾化气出口通过，此时，原来的雾化气管道是雾化气和助燃气的公用管道。
实施例5：参见图5，图6。所得纳米结构二氧化钛涂层的典型断面结构如图5所示，用透射电镜对纳米结构二氧化钛涂层中的颗粒分析的典型结果如图6所示，可以看到，粉末粒径约为5～30nm，X射线衍射分析可以证实该涂层晶粒尺寸约为几十纳米。
实施例6：参见图7。图7为采用本发明制备的纳米结构二氧化钛光催化涂层降解水中苯酚的性能。按照本发明的技术方案，采用钛酸丁酯乙醇溶液为原料，采用液料火焰喷涂方法制备了纳米结构二氧化钛光催化涂层，浓度为50ppm的100ml苯酚水溶液，其中添加了过氧水氧化剂250ppm，在主波长360nm的紫外光照射下，25cm2涂层在10分钟内能够将苯酚降解90％，光催化性能非常优越。
实施例7：参见图8。图8为采用本发明制备的纳米结构二氧化钛光催化涂层降解气体中乙醛的性能。按照本发明的技术方案，采用钛酸丁酯乙醇溶液为原料，采用液料火焰喷涂方法制备了纳米结构二氧化钛光催化涂层，乙醛浓度为5000～20000ppm的100ml气体，在主波长274nm的紫外光照射下，25cm2涂层在30分钟内能够将苯酚降解90％以上，经400℃热处理的涂层，可在60分钟内将乙醛全部降解，光催化性能非常优越。
Claims (7)
1.一种纳米结构二氧化钛光催化涂层的制备方法，其特征在于，将含有元素钛的化合物配制成原料液体，采用液体喷涂，在基体上制备纳米结构TiO2光催化涂层；按以下步骤制备：
1)将含钛的化合物与溶剂配制成溶液或胶体或悬浊液或悬浮液，其中含钛化合物的含量为1～75％；
2)对待喷涂的基体表面进行预处理；
3)以配制好的液体为原料，由喷枪的喷嘴雾化成细小的雾滴后进入高温高速焰流，经过一系列物理、化学反应后形成二氧化钛，使这些二氧化钛直接沉积在基体表面，即可形成纳米结构二氧化钛光催化涂层。
2.根据权利要求1所述的纳米结构二氧化钛光催化涂层的制备方法，其特征在于，所述的含钛的化合物，可以是钛的氧化物颗粒；可以是有机盐例如钛酸丁酯、钛酸异丙酯、钛酸丙酯、钛酸乙酯，还可以是TiO2纳米晶体粉末、非晶的无定形TiO2颗粒。
3.根据权利要求1或2所述的纳米结构二氧化钛光催化涂层的制备方法，其特征在于，所述的含钛的化合物，以含钛为主兼含有其它金属元素，这些金属元素是铝、铁、铜、铬、锌、钒、锰、硅、钴、银、镉、锆、钨中的一种或两种或两种以上，其添加比例在0～45％范围内。
4.根据权利要求1所述的纳米结构二氧化钛光催化涂层的制备方法，其特征在于，所述的溶剂可以是无机溶剂，可以是有机溶剂，也可以是有机溶剂和无机溶剂混合形成的混合溶剂。
5.根据权利要求1所述的纳米结构二氧化钛光催化涂层的制备方法，其特征在于，所述的预处理包括除油、去锈、喷砂、抛光、打底层中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的纳米结构二氧化钛光催化涂层的制备方法，其特征在于，所述液体喷涂的距离为5cm～20cm，即将基体放置于喷涂焰流5cm～20cm处，使二氧化钛沉积在基体上形成纳米结构二氧化钛涂层。
7.根据权利要求1所述的纳米结构二氧化钛光催化涂层的制备方法，其特征在于，所述基体可以进行预热，也可以在不预热的自然状态；预热时，预热温度可在150℃～1300℃范围内。
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