納米(mi)二氧化钛(tai)分散性及(ji)在功能紙(zhi)上的研究(jiu)進展

目前(qian)，我國納米(mi)二氧化钛(tai)(TiO2)的制備技(ji)術己相當(dang)成熟。二氧(yang)化钛制備(bei)方法有很(hen)多，主要有(you)硫酸法、氯(lü)化法、四氯(lü)化钛液相(xiang)水解法、四(si)氯化钛氫(qing)氧焰法(火(huo)焰氣相沉(chen)積法)和钛(tai)醇鹽水解(jie)法等。其中(zhong)工業上常(chang)用的是硫(liu)酸法和氯(lü)化法。

　　對二(er)氧化钛的(de)研究大多(duo)都停留在(zai)耐候性、光(guang)催化性能(neng)、複合材料(liao)等的研究(jiu)上，對納米(mi)TiO2在特種紙(zhi)上的研究(jiu)較匮乏。另(ling)外，納米TiO2不(bu)易在非極(ji)性介質中(zhong)分散，在極(ji)性介質中(zhong)易凝聚直(zhi)接影響到(dao)了納米二(er)氧化钛自(zi)身優異性(xing)能的發揮(hui)。因此亟需(xu)解決納米(mi)二氧化钛(tai)分散性問(wen)題。

　　1納米TiO2的(de)特性

　　1.1殺菌(jun)功能

　　納米(mi)級二氧化(hua)钛具有高(gao)光活性，運(yun)用到了強(qiang)光殺菌技(ji)術[1-3]。實驗證(zheng)明，以0.1mg/cm3濃度(du)的銳钛型(xing)納米TiO2可徹(che)底地殺死(si)惡性海拉(la)細胞，而且(qie)随着超氧(yang)化物歧化(hua)酶(SOD)添加量(liang)的增多，TiO2光(guang)催化殺死(si)癌細胞的(de)效率也提(ti)高[4]。對枯草(cao)杆菌黑色(se)變種芽孢(bao)、綠膿杆菌(jun)、大腸杆菌(jun)、沙門氏菌(jun)、牙枝菌和(he)曲黴的殺(sha)滅率均達(da)到98%以上。

　　1.2防(fang)紫外線功(gong)能

　　納米TiO2既(ji)能吸收紫(zi)外線，又能(neng)反射、散射(she)紫外線，還(hai)能透過可(ke)見光，是性(xing)能優越、極(ji)有發展前(qian)途的物理(li)屏蔽型的(de)紫外線防(fang)護劑。納米(mi)二氧化钛(tai)由于粒徑(jing)小，活性大(da)，既能反射(she)、散射紫外(wai)線，又能吸(xi)收紫外線(xian)，從而對紫(zi)外線有更(geng)強的阻隔(ge)能力。與同(tong)樣劑量的(de)一些有機(ji)紫外線防(fang)護劑相比(bi)，納米二氧(yang)化钛在紫(zi)外區的吸(xi)收峰更高(gao)，不像有機(ji)紫外線防(fang)護劑那樣(yang)隻單一對(dui)UVA或UVB有吸收(shou)，更重要的(de)是它還是(shi)廣譜屏蔽(bi)劑[5]。二氧化(hua)钛可以吸(xi)收能量高(gao)于420nm的紫外(wai)而以激發(fa)二氧化钛(tai)晶體結構(gou)中内層電(dian)子的躍遷(qian)。利用納米(mi)TiO2的透明性(xing)和紫外線(xian)吸收能力(li)還可用作(zuo)食品包裝(zhuang)膜、油墨、塗(tu)料、紡織制(zhi)品和塑料(liao)填充劑，可(ke)以替代有(you)機紫外線(xian)吸收劑，用(yong)于塗料中(zhong)可提高塗(tu)料耐老化(hua)能力。

　　1.3自清(qing)潔功能

　　納(na)米TiO2具有很(hen)強的"超親(qin)水性"，在它(ta)的表面不(bu)易形成水(shui)珠，而且納(na)米TiO2在可見(jian)光照射下(xia)可以對碳(tan)氫化合物(wu)作用。利用(yong)這樣一個(ge)效應可以(yi)在玻璃、陶(tao)瓷和瓷磚(zhuan)的表面塗(tu)上一層納(na)米TiO2薄層，利(li)用氧化钛(tai)的光催化(hua)反應就可(ke)以把吸附(fu)在氧化钛(tai)表面的有(you)機污染物(wu)分解爲CO2和(he)O2，同剩餘的(de)無機物一(yi)起可被雨(yu)水沖刷幹(gan)淨，從而實(shi)現自清潔(jie)功能。日本(ben)已有在實(shi)驗室研制(zhi)成功自潔(jie)瓷磚，這種(zhong)新産品的(de)表面上有(you)一薄層納(na)米TiO2薄膜，任(ren)何粘污在(zai)表面上的(de)物質，包括(kuo)油污、細菌(jun)在光的照(zhao)射下，由于(yu)納米TiO2的催(cui)化作用，可(ke)以使這些(xie)碳氫化合(he)物進一步(bu)氧化變成(cheng)氣體或者(zhe)很容易被(bei)擦掉的物(wu)質。納米TiO2光(guang)催化作用(yong)使得高層(ceng)建築的玻(bo)璃、廚房易(yi)粘油污的(de)瓷磚、汽車(che)後視鏡及(ji)前窗玻璃(li)的保潔都(dou)可以輕松(song)地進行。

　　2納(na)米TiO2的分散(san)性能

　　2.1納米(mi)TiO2分散機理(li)

　　胡傑等[6]發(fa)現在納米(mi)二氧化钛(tai)的水分散(san)體系中，主(zhu)要是範德(de)華力、靜電(dian)排斥作用(yong)力、因吸附(fu)層而産生(sheng)的位阻效(xiao)應等。另外(wai)，納米二氧(yang)化钛的分(fen)散機理還(hai)可以從雙(shuang)電子層理(li)論解釋。雙(shuang)電子層理(li)論是指微(wei)粒的内部(bu)稱爲微粒(li)核一般帶(dai)負電荷形(xing)成一個負(fu)離子層，其(qi)外部由于(yu)電性吸引(yin)而形成一(yi)個正離子(zi)層(反離子(zi)層包括非(fei)活動性離(li)子層和擴(kuo)散層)，合稱(cheng)爲雙電層(ceng)。該理論一(yi)般情況下(xia)是依靠調(diao)節PH值或是(shi)加入電解(jie)質，使粒子(zi)表面産生(sheng)電荷，以增(zeng)大雙電層(ceng)厚度和顆(ke)粒表面的(de)電位值，使(shi)顆粒之間(jian)産生排斥(chi)力，從而實(shi)現顆粒的(de)分散性。

　　2.2pH值(zhi)對納米TiO2分(fen)散性的影(ying)響

　　二氧化(hua)钛在水溶(rong)液中由于(yu)pH值得不同(tong)，可以帶正(zheng)電、負電或(huo)是電中性(xing)。當pH值較低(di)的時候，納(na)米TiO2表面形(xing)成TiO2- OH2+，導緻粒(li)子表面帶(dai)正電荷；當(dang)pH值處于中(zhong)間值時，粒(li)子表面形(xing)成Ti-OH鍵，此時(shi)粒子呈電(dian)中性，納米(mi)TiO2的分散性(xing)能最差；當(dang)pH值較高的(de)時候，粒子(zi)表面形成(cheng)OH-O-鍵，使粒子(zi)表面帶負(fu)電荷，此時(shi)pH值越大，粒(li)子表面的(de)負電荷越(yue)多，雙電層(ceng)的厚度越(yue)厚，粒子間(jian)的斥力位(wei)能越大，粒(li)子分散效(xiao)果越好[7]。郭(guo)文錄等[8]人(ren)認爲在納(na)米二氧化(hua)钛水分散(san)體系穩定(ding)性的研究(jiu)中認爲，pH=10時(shi)分散效果(guo)爲最佳狀(zhuang)态。

　　2.3電解質(zhi)對納米TiO2分(fen)散性的影(ying)響

　　納米二(er)氧化钛的(de)分散性與(yu)電解質有(you)關。納米二(er)氧化钛在(zai)純水作爲(wei)分散劑時(shi)，分布不均(jun)勻是由于(yu)粒子間靜(jing)電吸引而(er)導緻的。而(er)研究表明(ming)當有機溶(rong)劑作分散(san)劑的水溶(rong)液中，納米(mi)二氧化钛(tai)分散性較(jiao)好。任夕娟(juan)等[9]通過實(shi)驗證明電(dian)解質離子(zi)價越高，凝(ning)集作用越(yue)強，及少量(liang)電解質也(ye)會使分散(san)液凝集。因(yin)此在平時(shi)的使用、保(bao)存中應避(bi)免無機鹽(yan)的混入和(he)附着。

　　2.4表面(mian)活性劑對(dui)納米TiO2分散(san)性的影響(xiang)

　　高分子類(lei)表面活性(xing)劑可以通(tong)過氫鍵、範(fan)德華力、靜(jing)電吸引力(li)可納米二(er)氧化钛産(chan)生吸附。例(li)如分子鏈(lian)較長的(聚(ju)丙烯酰胺(an)PAM、聚甲基丙(bing)烯酸PMAA等)可(ke)以提供空(kong)間位阻屏(ping)蔽，從而阻(zu)礙納米二(er)氧化钛顆(ke)粒的團聚(ju)。但是加入(ru)高分子表(biao)面活性劑(ji)的量需要(yao)嚴格把控(kong)，否則會适(shi)得其反。

　　複(fu)配型表面(mian)活性劑對(dui)二氧化钛(tai)分散性效(xiao)果較好。離(li)子型表面(mian)活性劑和(he)非離子型(xing)表面活性(xing)劑在溶液(ye)中混合已(yi)形成膠團(tuan)，非離子表(biao)面活性劑(ji)分子插入(ru)膠團後，使(shi)得原有的(de)離子型表(biao)面活性劑(ji)的“離子頭(tou)”間的電性(xing)排斥力減(jian)弱，使得混(hun)合溶液中(zhong)的CMC下降[10]。

　　2.5分(fen)散設備對(dui)納米TiO2分散(san)性的影響(xiang)

　　納米二氧(yang)化钛具有(you)半導體性(xing)質，并且具(ju)有高穩定(ding)性、高透明(ming)性、高活性(xing)等優異的(de)特性。在目(mu)前工業研(yan)究應用中(zhong)會大量使(shi)用到納米(mi)二氧化钛(tai)，作爲新興(xing)納米材料(liao)，提其分散(san)性是非常(chang)有必要的(de)。不同的分(fen)散設備，對(dui)其分散也(ye)會呈現出(chu)不同程度(du)的效果。目(mu)前，常用的(de)分散設備(bei)有：超聲振(zhen)蕩分散儀(yi)、電動攪拌(ban)儀、直立式(shi)攪拌磨[11]。

　　3納(na)米TiO2在制漿(jiang)造紙中的(de)應用

　　3.1功能(neng)紙制備中(zhong)的應用

　　日(ri)本早前開(kai)發出一種(zhong)添加納米(mi)二氧化钛(tai)的功能紙(zhi)，該産品具(ju)有光催化(hua)功能，可用(yong)于包裝用(yong)紙和室内(nei)裝潢用壁(bi)紙。該類功(gong)能紙可以(yi)有效吸收(shou)甲醛、苯、氨(an)氣等有害(hai)氣體。河北(bei)麥森钛白(bai)粉有限公(gong)司開發了(le)高耐候、耐(nai)磨的裝飾(shi)原紙，對用(yong)于裝飾原(yuan)紙的填料(liao)進行了改(gai)進，改進後(hou)的填料産(chan)品兼具有(you)機/無機三(san)維互穿網(wang)絡結構，既(ji)具有無機(ji)的剛性很(hen)耐磨性，大(da)幅度提高(gao)了紙張的(de)綜合性能(neng)。将納米二(er)氧化钛用(yong)在一般紙(zhi)品上，例如(ru)衛生紙，食(shi)品包裝紙(zhi)等還具有(you)殺菌的功(gong)效[11-27]。

　　3.2造紙濕(shi)部中的應(ying)用

　　造紙濕(shi)部其化學(xue)實質是一(yi)種表面與(yu)膠體化學(xue)。造紙濕部(bu)配料中許(xu)多組份結(jie)構都非常(chang)小，因此引(yin)入特殊的(de)納米級組(zu)分，可以在(zai)很大程度(du)上提高其(qi)抄紙效果(guo)[14]。

　　納米二氧(yang)化钛在造(zao)紙濕部中(zhong)做助留助(zhu)濾劑，具有(you)良好的助(zhu)留助濾劑(ji)效果。其次(ci)，由于其優(you)異的性能(neng)，還可以高(gao)效抑制DCS有(you)害物質對(dui)白水的污(wu)染破壞。

　　3.3廢(fei)紙脫墨中(zhong)的應用

　　造(zao)紙工業中(zhong)二次纖維(wei)中油墨粒(li)子對紙的(de)影響非常(chang)大。脫墨的(de)方法有浮(fu)選和洗滌(di)兩種，工業(ye)上多用前(qian)者，因爲其(qi)對大粒子(zi)油墨的脫(tuo)去更有效(xiao)。由于納米(mi)二氧化钛(tai)具有正電(dian)性和大比(bi)表面積，對(dui)二次纖維(wei)中油墨粒(li)子具有高(gao)效的浮選(xuan)作用。在浮(fu)選過程中(zhong)加入納米(mi)二氧化钛(tai)還可以一(yi)定程度去(qu)除廢紙漿(jiang)中的膠黏(nian)物。

　　3.4造紙廢(fei)水處理中(zhong)的應用

　　制(zhi)漿造紙廢(fei)水主要包(bao)括蒸煮廢(fei)液、洗漿廢(fei)水、抄紙廢(fei)水等。這些(xie)廢液中主(zhu)要含大量(liang)木質素以(yi)及各種酚(fen)類有機化(hua)合物。而光(guang)催化氧化(hua)可以處理(li)造紙廢水(shui)，還可以降(jiang)解木素和(he)酚類物質(zhi)，完全消除(chu)毒性。同時(shi)對于造紙(zhi)廢水中有(you)毒且難被(bei)生物降解(jie)的有機物(wu)也有很好(hao)的降解作(zuo)用。利用納(na)米二氧化(hua)钛處理造(zao)紙廢水，可(ke)以使其達(da)到标準排(pai)放量，極大(da)程度減少(shao)對環境的(de)污染。

　　展望(wang)

　　納米二氧(yang)化钛是一(yi)種優異的(de)無機精細(xi)化工材料(liao)。影響納米(mi)二氧化钛(tai)分散性的(de)因素很多(duo)，諸如表面(mian)活性劑、pH值(zhi)、電解質等(deng)等，需要我(wo)們去做進(jin)一步的探(tan)索，将納米(mi)二氧化钛(tai)的利用率(lü)達到最佳(jia)。目前，我國(guo)大力倡導(dao)綠色可持(chi)續發展，納(na)米二氧化(hua)钛以其殺(sha)菌消毒、高(gao)效自潔、光(guang)催化能、廢(fei)水處理等(deng)功能在制(zhi)漿造紙以(yi)及功能紙(zhi)的應用和(he)發展中具(ju)有廣闊的(de)前景。