納米二氧化鈦的制備及其應(yīng)用探究

邢慧晉

（攀鋼集團(tuán)研究院有限公司，四川 攀枝花 617000）

納米二氧化鈦價格低廉，資源豐富，透明性良好，磁性、熱導(dǎo)性較強(qiáng)，熔點、紫外線吸收性低，具有較為良好的抗菌作用，是新型光催化無極功能材料，使用期間不會有自身損耗出現(xiàn)，故而得到了廣泛應(yīng)用。本文探討了納米二氧化鈦的多種制備方法及其在各個領(lǐng)域之中的應(yīng)用。

1 納米二氧化鈦制備方法

1.1 氣相法

1.1.1 氣相水解法

氣象水解法的原理為：將四氯化鈦氣體導(dǎo)入700℃～1000℃的高溫氫氧焰中，通過高溫水解進(jìn)行納米二氧化鈦的制備，或是將鈦醇鹽水解反應(yīng)朝著氣相反應(yīng)中轉(zhuǎn)移。該工藝通常能夠產(chǎn)生金紅石與銳鈦礦的混合型粉體晶型，具有較高的自動化程度和較短的生產(chǎn)過程。然而，因該工藝期間存在較高溫度，加之生成的氯化氫會嚴(yán)重腐蝕設(shè)備，有著較高的設(shè)備材質(zhì)要求，故而在工業(yè)化生產(chǎn)中未能得到廣泛應(yīng)用。

1.1.2 鈦醇鹽氣相分解法

該方法在原料鈦醇鹽的加熱氣化之后，將氦氣、氮氣或氧氣作為載氣，預(yù)熱鈦醇鹽蒸汽后朝著熱分解爐導(dǎo)入，通過熱分解反應(yīng)可完成納米二氧化鈦粒子的制備。該工藝具有較快的反應(yīng)速度，可連續(xù)生產(chǎn)，然而在設(shè)備型式、材質(zhì)及加熱方面仍需再次改進(jìn)，且原料價格也頗為昂貴。

1.1.3 等離子體化學(xué)合成法

該方法是在等離子體產(chǎn)生的超高溫的運(yùn)用下將氣體反應(yīng)激發(fā)，并在等離子體高溫區(qū)與周邊環(huán)境龐大的溫度梯度的運(yùn)用下，借助急冷作用完成納米微粒制備的方法[1]。在反應(yīng)熱等離子體的運(yùn)用下可得到球形外觀、顆粒分布均勻、分散性較好的納米二氧化鈦粒子，粒徑處于20～200nm范圍內(nèi)。該方法無雜質(zhì)引入，可得到多種活性組分，納米粒子具有較高的純度。

1.2 液相法

1.2.1 微乳液法

依托表面活性劑的作用，水溶液在油相中高度分散，形成透明熱力學(xué)穩(wěn)定體系。在兩種不互溶溶劑的運(yùn)用下，依托表面活性劑作用可推動均勻乳液的形成。該方法設(shè)備簡單、操作容易、無需加熱，能夠得到可控、易于純化、粒徑小、分布均勻的產(chǎn)品，但是卻存在難以制備穩(wěn)定的微乳液體系這一弊端。

1.2.2 沉淀法

該方法是將OH-等沉淀劑加入可溶性鹽溶液中，使溶液在一定溫度下發(fā)生水解，完成不溶性水合氧化物或氫氧化物的生成，在抽濾、洗滌、烘干、焙燒工藝完成之后，可完成納米粒子的制備。該方法成本相對偏低，但是工藝路線較長，易有雜質(zhì)引入，且粒徑分布較廣。

1.2.3 水熱法

該方法是在密閉反應(yīng)釜中，將水當(dāng)作反應(yīng)介質(zhì)，依托一定溫度、壓力，溶解難溶或不溶物質(zhì)并重結(jié)晶，持續(xù)一段時間的恒溫，并在洗滌、干燥之后可將納米粉體制得。該方法能夠直接將結(jié)晶良好、分散性佳、純度高的納米粉體得到，同時能夠控制顆粒大小[2]。

2 納米二氧化鈦的應(yīng)用

2.1 環(huán)境廢水處理

納米二氧化鈦材料在產(chǎn)生自紫外光照射下的表面羥基強(qiáng)氧化能力的作用下，可對各類復(fù)雜有機(jī)物進(jìn)行分解、降解。借助二氧化碳實施光催化氧化處理，能夠?qū)⒎栏瘎⒊輨⑾礈靹⒂袡C(jī)磷、鹵代物、有機(jī)氯、含氮有機(jī)物、燃料、羥酸、烴類和表面活性劑等日常生活有害物質(zhì)朝著無毒CO2、H2O、HCl等產(chǎn)物轉(zhuǎn)化。因此，在各類廢水中均勻分散納米二氧化鈦粉或是在載體上固定納米二氧化鈦光催化劑，都能對水體中各類有害物質(zhì)進(jìn)行有效凈化，推動水體凈化目的的實現(xiàn)。

2.2 化妝品中的應(yīng)用

納米二氧化鈦不但可將紫外線吸收，還可反射、散射。相關(guān)研究結(jié)果顯示，納米二氧化鈦在阻隔長波區(qū)紫外線時，主要是以散射進(jìn)行的，而阻隔中波區(qū)紫外線則是通過吸收。因此，將二氧化碳添加至化妝品中，對粒徑有著一定要求。通常情況下，紫外線屏蔽的粒徑應(yīng)以10～60nm為佳，但是還需對其分散性、透明性等性能予以考慮。

納米二氧化鈦不但能將紫外光屏蔽，同時也具備無毒性、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點，在化妝品中添加納米二氧化鈦，可發(fā)揮一定的防曬作用，且不會刺激皮膚。因此，化妝品領(lǐng)域中，納米二氧化鈦憑借其優(yōu)勢成為了運(yùn)用最廣、前景最好的無機(jī)原料。

2.3 塑料中的應(yīng)用

日常生活中，廚房用品、食品包裝袋等塑料制品的運(yùn)用十分廣泛，但是這類物品滋生細(xì)菌的可能性極高，故而必須對此類材料嚴(yán)格落實抗菌殺毒加工[3]。納米二氧化鈦在太陽光特別是紫外光照射下，會有光催化反應(yīng)產(chǎn)生，可將有機(jī)物分解，達(dá)到抗菌殺毒的效果。因此，在塑料制品中添加納米二氧化鈦，可實現(xiàn)表面自潔、抗菌殺毒的作用。

納米二氧化鈦能透過可見光將紫外光屏蔽，若是將納米二氧化鈦添加在塑料食品包裝材料中，不但可透過透明塑料對食品直接觀察，同時也能避免食品變質(zhì)過早。此外，加入納米二氧化鈦也不會導(dǎo)致塑料出現(xiàn)變色、材料老化。加之納米二氧化鈦無毒，熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性較高，因此使用十分安全。屬于理想型的抗菌塑料添加料。

2.4 城市生活垃圾處理

垃圾堆放場內(nèi)的有機(jī)污染物十分多，必須實施無害化處理。但是，一般生物法處理技術(shù)卻難以有效降解個別污染物。而在納米二氧化鈦催化技術(shù)的實施下，降解期間其表面會有水體最強(qiáng)氧化能力的氫氧根自由基產(chǎn)生，對反應(yīng)物基本無選擇性。因此，該技術(shù)優(yōu)勢十分顯著。如將紫外線殺菌燈當(dāng)作光源，在二氧化碳膜固定相、銳鈦型二氧化碳粉末懸浮相等處理方式的運(yùn)用下，以實驗水體為對象實施光催化氧化試驗。通過結(jié)果可知，在垃圾填埋場滲濾液中采用光催化氧化技術(shù)進(jìn)行深度處理，可行性極高。加之該技術(shù)可將一般生物處理無法分解的色素、COD等氧化，能促使處理水質(zhì)與國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)相符合。

2.5 醫(yī)療衛(wèi)生保健中的應(yīng)用

納米二氧化鈦作為新型抗菌材料之一，備受關(guān)注。根據(jù)納米二氧化鈦催化劑的抗菌試驗結(jié)果得知，含量為1.0mg/L、pH為5.0的納米二氧化鈦溶液，持續(xù)60min的超聲波作用，可實現(xiàn)高達(dá)95%的大腸桿菌滅殺率，持續(xù)75min作用后幾乎能夠達(dá)到100%的大腸桿菌滅殺率。銀、銅等常用抗菌材料，盡管能夠滅殺菌類細(xì)胞，然而細(xì)菌死后卻會有些許有毒成分釋放出來，如內(nèi)毒素等危害人體的物質(zhì)[4]。而在納米二氧化鈦光催化劑的運(yùn)用下，不但能將細(xì)菌有效滅殺，同時還可將細(xì)胞中釋放出的毒素有效降解。

2.6 涂料中的應(yīng)用

將納米材料加入涂料之中，可使涂膜抗腐蝕性能、機(jī)械強(qiáng)度、耐候性、附著力及耐光性等性能得到顯著提升。而添加至涂料中后的納米二氧化鈦，不但能將自身清除有害氣體、自潔殺菌、防紫外等能力發(fā)揮，同時也能進(jìn)一步提升涂料自身的防水耐酸性等性質(zhì)。

二氧化碳混合鋁粉顏料等片狀顏料之后，能夠?qū)⒇S富、美麗的色彩賦予涂層，在豪華轎車閃光面漆中十分適用。納米二氧化鈦可進(jìn)行自潔、除污、殺菌的抗菌防污涂料的制造，在細(xì)菌秘籍且易繁殖的內(nèi)墻涂飾中適用。同時，由于納米二氧化鈦是具備半導(dǎo)體性質(zhì)的粒子，在樹脂中加入后能夠形成具有較好靜電屏蔽作用的涂層，可在家用電器上涂覆。此外，納米二氧化鈦還可進(jìn)行隱身涂料的制作，在隱形飛機(jī)、軍艦等國防工業(yè)中十分適用。

3 結(jié)語

有關(guān)納米二氧化鈦的研究方面，我國盡管起步較晚，然而相關(guān)工作人員卻將其制備、應(yīng)用作為了重要研究項目，不斷深入的研究，所的成果十分顯著。日益發(fā)展的科技技術(shù)水平下，納米二氧化鈦制備工藝也必然能更為完善，其在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活中憑借自身優(yōu)勢也必然能夠發(fā)揮顯著的作用，推動經(jīng)濟(jì)與社會效益的提升。