纳米二氧化钛改性涂料及其甲醛降解效果研究

2017-08-16张宁

河南建材 2017年4期

关键词：金红石二氧化钛粉体

张宁

吉林大学化学学院（130000）

纳米二氧化钛改性涂料及其甲醛降解效果研究

张宁

吉林大学化学学院（130000）

采用溶胶凝胶制备纳米二氧化钛粉体，利用X－射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对纳米二氧化钛进行表征，表明在500℃下合成的锐钛型纳米二氧化钛的颗粒分布均匀、粒径较小。利用制备的纳米二氧化钛对涂料进行改性，研究了涂料对甲醛降解性能，结果表明：在室温30℃，利用紫外灯照射180 min，纳米二氧化钛改性的涂料能使甲醛降解率达到90.1%，具有良好的光催化性能。

纳米二氧化钛；光催化涂料；甲醛；降解

随着人们对于室内装修的要求提高，出现了各种各样的新型装修材料，同时高档家具和化纤地毯等产品在家庭中大量使用，使得室内甲醛浓度偏高，对人体健康造成严重危害，如何有效消除室内的甲醛引起人们的广泛关注[1－3]。本研究利用溶胶凝胶方法在不同温度下制备了纳米二氧化钛粉体，利用制备的纳米二氧化钛对涂料进行改性，研究了涂料对甲醛的降解性能。

1 试验

1.1 试验原料

钛酸四丁酯,氨水，无水乙醇，聚乙二醇（PEG），柠檬酸，甲醛，蒸馏水，自制。某品牌商品涂料。

1.2 试验仪器

恒温水浴，干燥箱，箱式马弗炉，722型光栅分光光度计，SGY-1型多功能光化学反应仪，电磁加热搅拌器，瓷舟，烧杯等；用日本理学D/MAX-Ⅲ型X射线衍射仪、TEM型透射电镜对二氧化钛粉体进行表征。

1.3 纳米TiO2及光催化涂料的制备

首先将20 ml的钛酸四丁酯溶解到100 mL无水乙醇中，搅拌条件下加入10 mLPEG分散剂，65℃水浴加热搅拌，大约搅拌3 h后形成透明的淡黄色溶胶；将合成的凝胶放在干燥箱内100℃下烘干24 h，形成干凝胶；将干凝胶磨细，放到瓷舟内，转移到马弗炉内在不同温度下即500℃，600℃,700℃和800℃反应4 h,得到不同的样品，待用。

参照文献的方法,将合成的纳米二氧化钛(3 g、5 g，8 g和10 g)分别加入到200 g涂料的乳液分散体系中，搅拌均匀，即制得含有不同纳米二氧化钛含量的光催化改性涂料。在400 mm×400 mm的无纺布上，将光催化涂料进行均匀涂覆，然后在避光通风处自然进行晾干，再将其放置到密闭反应器中央，备用。

1.4 光催化效率测试

将光催化涂料涂敷的无纺布悬挂在密闭的反应容器中，将一定量的甲醛气体充填到容器中，使其浓度达到1 mg/m3(是GB/T 1883—2002《室内空气质量标准》要求中室内甲醛浓度的10倍)，打开风扇使容器内气体混合均匀，再用紫外灯进行照射，每隔30 min取1次样，取7次，根据GB/T 18204.26—2000《公共场所空气中甲醛的测定方法》中酚试剂分光光度法测定样品中的甲醛，按式（1）计算得出其降解率η。

式中C0和C分别为溶液的初始浓度和降解后的浓度。随着反应时间的不同，依上式可得出催化剂对甲醛的降解情况和降解率。

2 结果与讨论

2.1 不同温度下合成的TiO2的XRD及SEM分析

因为TiO2的晶型直接影响到TiO2的光催化性能，所以研究不同合成温度对TiO2晶型转变的影响十分重要。TiO2有板钛矿、金红石和锐钛矿三种晶型，板钛矿是钛铁矿在风化等过程中生成的特殊形态，是一种不稳定结构，现在应用较多的是金红石型和锐钛型，锐钛型TiO2在可见光短波范围部分的折射率比金红石型高，带蓝色色调，并且对O2的吸收能力比金红石型强，光催化氧化活性比金红石型高。在本实验中，选取以未掺WO3的TiO2作为考察对象，将TiO2的前驱体——干凝胶，分别在500℃，600℃，700℃和800℃下进行煅烧，保温时间为4 h，合成产物的XRD分析见图1。从图可以看出，TiO2于500℃时煅烧所得产物为锐钛型，600℃开始出现金红石相，700℃为二者混合晶型，800℃完全转化为金红石型。因此，使用溶胶凝胶法合成TiO2时，为了得到锐钛型的TiO2，其合成温度应控制500℃左右为宜。

图1 不同温度下合成产物TiO2的XRD分析

图2给出了不同温度下（500℃，600℃，700℃和800℃）合成的纳米TiO2颗粒的TEM照片，由图可知，所得产物为纳米微粒随着温度的升高其粒径增大，500℃下合成的粒径平均尺寸在40～50 nm；而800℃合成的TiO2颗粒已经严重团聚。纳米级的TiO2颗粒其比表面积较大，进而可提高其光催化活性，在500℃下合成的颗粒分布均匀、细小粒径小，因此实验选取500℃下合成的粉体进行光催化性能研究。

图2 不同温度下合成产物TiO2的SEM分析

2.2 纳米TiO2光催化涂料降解甲醛的影响因素

2.2.1 纳米TiO2负载量对光催化涂料甲醛降解率的影响

图3为在无纺布上涂敷不同负载量的纳米TiO2对光催化涂料甲醛降解率的影响。由图3可看出，无纺布上涂敷不同纳米二氧化钛的涂料对于甲醛有明显的光催化降解作用，90 min之前，甲醛降解速率较快；而120 min之后，甲醛降解率均逐渐趋于稳定，降解曲线趋于平缓，降解率变化已不明显。原因是初始阶段甲醛浓度较高，与光催化剂的表面活性点接触的几率高，反应速度快；经过120 min光催化降解后，甲醛浓度变低，与催化剂表面活性位接触的几率减小，因此光催化反应的降解效率减慢，曲线趋于平缓。从图3中还可看出，负载5 g纳米二氧化钛纳米粉体经过180 min后可使甲醛浓度降低90.1%，达到了较好的甲醛降解效果，另外，从节约成本的角度考虑，选择掺量为5 g纳米二氧化钛纳米粉体的涂料较为经济合理。

图3 不同负载量对光催化涂料甲醛降解率的影响

2.2.2 温度及湿度对光催化涂料甲醛降解率的影响

图4为在取样时间为120 min条件下温度对涂料甲醛降解率的影响。由图4可以看出，适当提升温度有益于甲醛的光催化降解，降解率随着温度的升高，含二氧化钛涂料对甲醛的降解率也逐渐提高，这是由于温度的升高会引起分子运动速率加快，进而甲醛分子与催化剂表面的碰撞次数增多，从而加速甲醛分子的降解。当温度继续上升到25℃以上后，光的波长对甲醛分子降解起主导作用，温度对甲醛分子降解率的影响趋于平稳，表明温度对涂料降解甲醛效率的影响是较为有限。