二氧化钛/蒙脱石体系的调湿机理分析

2020-11-06熊毕华郭高丽

化工管理 2020年23期

关键词：二氧化钛复合体蒙脱石

熊毕华郭高丽

(1.北辰地产集团武汉城市中心，湖北武汉 430070；2.湖北工业大学工程技术学院，湖北武汉 430070)

0 引言

环境友好材料是一类具有环境修复、环境净化、环境替代和环境协调等功能的材料。美丽社会的建设、科技的发展、生活品质的提高也驱动着环境友好材料在日常生活中的运用日益增多。分析研究这些具有生态效应的材料的功能机理便有着重要的现实意义。

二氧化钛/蒙脱石体系是一种复合型环境友好材料，兼具环境净化(抗菌、消等)和环境协调(调节湿度)功能，可以应用于建筑室内装修材料。

1 吸湿的理论基础

在一个两相体系中，流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄，此现象称为吸附；被吸附于界面的物质在一定条件下离开界面重新进入体相的过程，称之为脱附[1]。脱附是吸附的逆过程。

根据吸附质与吸附剂表面分子间结合力的性质，吸附可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附也称为范德华吸附，它是吸附质和吸附剂以分子间作用力为主的吸附。物理吸附的特点是结合力较弱、吸附速度快、吸附热小、吸附无选择性、容易脱附。化学吸附则是指吸附剂与吸附质之间发生化学作用，生成化学键引起的吸附，在吸附过程中不仅有引力，还有化学键的力。化学吸附常是不可逆的，吸附热也通常较大。物理吸附和化学吸附并不是孤立的，二者往往相伴发生。

吸湿材料吸附水分子通常有两种模式：

(1)毛细管凝聚作用，Kelvin 方程可以解释这种现象，当水分子在孔中凝聚时会在孔道表面形成一层膜，该吸附膜起到成核的作用；

(2)固体表面吸附，分为物理吸附和化学吸附，其中物理吸附是多分子层吸附，即被吸附了的分子会发生再吸附现象，吸附等温线符合BET 方程，而化学吸附是单分子层吸附，只有直接与固体表面接触的分子才可能被吸附，吸附等温线符合Langmuir 方程[2]。

2 二氧化钛/蒙脱石体系的吸湿模式

如前所述，二氧化钛/蒙脱石复合体系的吸湿是毛细管凝聚和表面吸附两种作用的共同结果。复合体系内部微孔或中孔结构壁上主要发生毛细管凝聚，吸附的水分子过凝聚作用形成液滴填充整个孔洞，见图1 中A 处所示；而在复合体外表面以及内部大孔道壁面上，一部分发生化学吸附，单层水分子铺满吸附剂的表面，一部分发生物理吸附，吸附剂表面附近一定的空间内存在有吸附力场，吸附质分子进入吸附力场就会被吸附，由于体系外表面或大孔道壁面有一定的空间范围，首先被吸附的水分子层会再次吸附与之接触的水分子而形成多层吸附。吸附力的大小随吸附层从内到外而逐渐降低，多层分子形态上则呈现为堆积形，见图1 中B, C 两处所示。

图1 吸湿模式示意图

2.1 体系表面的物理调湿

材料表面物理吸湿是通过范德华力的作用。范德华力是一种把分子聚积在一起的作用力。分子在凝聚时，如果周围的空间准许，被吸附的分子总是尽可能的吸引其他分子。由于范德华力是存在于中性分子或原子之间的一种弱碱性的电性吸引力，它比化学键弱得多，故脱附也很容易。

二氧化钛/蒙脱石对水分子的吸附过程为吸湿，水分子与其脱附的过程为放湿。由于物理吸附是可逆的，在环境蒸汽压或空气湿度变化时，已经建立的吸湿、放湿平衡被打破并再次达到新的平衡，便形成了调湿作用。材料的调湿能力与其比表面积正相关，相同环境下，材料的比表面积越大，则吸湿量越大，调湿能力也越强。

2.2 体系表面的化学调湿

蒙脱石属2:1 型层状矿物，其单位晶胞由两片顶角朝里的Si-O 四面体中夹一片Al-O(OH)或Mg-O(OH)八面体形成结构层，四面体与八面体由共用氧原子连接，晶胞之间由层氧相连[3]。

当Si, O, Al 离子暴露在内外表面时，Si-O 键和Al-O 键发生断裂，产生悬键，带正负电荷[4]，如图2 所示。

图2 蒙脱石表面极性

在自然光照或闭光条件下，空气中的水分子与复合体接触时，蒙脱石的表面会产生羟基化反应而形成化学吸附水，如式(2-1)所示：这里，＞SiOH, ＞AlOH 表示蒙脱石的表面位。

如果试验过程中辅以紫外光照射，水分子与复合体接触时，二氧化钛表面也会发生羟基化反应而形成化学吸附水，如图3 所示。

图3 二氧化钛表面化学吸附水的形成过程[5]

这种吸附可解释为二氧化钛的光致超亲水性原理[6]：在紫外光的照射下，二氧化钛价带电子被激发到导带，其表面即会形成电子-空穴对。电子与Ti4+发生反应形成Ti3+，空穴则与桥氧离子O2-发生反应形成氧空位。当空气中的水分子与氧空位接触时，会离解成表面羟基而吸附在氧空位上，结合成为化学吸附水层，使得二氧化钛表面形成亲水性，进一步的吸附和堆积水分子成为物理吸附水层。

当停止光照，二氧化钛表面的亲水性能会逐渐消失，回复到原状，一部分水分子解吸并返回空气中。