二氧化钛的原理及制备

纳米二氧化钛的制备方法和应用

摘要：阐述了纳米二氧化钛的制备方法，并对其不同特性的应用领域做了详细介绍。主要介绍了纳米二氧化钛在化妆品、涂料、光催化防雾自洁等方面的应用。关键字：纳米二氧化钛气相法物相法化妆品中的应用抗菌塑料

1、前言

纳米材料是任何至少有一个维度的尺寸在纳米尺度，约为1~100nm。它的尺寸大于原子簇小雨通常的微粉。当小粒子尺寸进入纳米量级是，其本身就具有了尺寸效应、量子效应、界面效应、库伦堵塞与量子隧穿等特性。成为未来材料发展的热点。纳米二氧化钛是尤其重要的一种，它有着粒径小、磁性强、光催化、表面活性大、比表面积大等特性，晶体具有防紫外线、可见光透过、颜色效应和光催化等特性。所以纳米二氧化钛被广泛应用光催化、环境保护、化妆品、陶瓷、建筑、涂料等多个领域。因此纳米二氧化钛的发展有着很大的前景，成为材料领域重要的研究课题。

2、纳米二氧化钛的制备方法

纳米二氧化钛的制备方法可分为气相法和液相法。本文介绍几种常用的方法。

2·1 气相法

气相法是直接利用气体或者通过各种手段将物质变为气体，是之在气体状态下发生物理变化或者化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米粒子的方法。此类反应大多是在高温下瞬时完成的，对反应器的构型、设备的材质、加热及进料方式等均有很高的要求。气相法主要有TiCl4气相氧化法、真空蒸发—冷凝法、四氯化钛氢氧火焰法、气体颜料燃烧法。

2.1.1 四氯化钛气相氧化法

此法多是以四氯化钛为原料，以氧气为氧源，以氮气为载气，在高温条件下四氯化钛和氧气发生反应生成纳米二氧化钛。其反应式如下:

TiCl4(g)+O2(g) =TiO2(s)+2Cl2(g)

可利用气相氧化法制备出金红石型二氧化钛。研究发现氧气预热温度越高,分布越窄、微粒粒径越小,随着晶型转化促进剂浓度增加粒径尺寸减小,随停留时间延长、晶型转化促进剂的增加，金红石相含量增大。这种方法的自动化程度高，但有二氧化钛粒子遇冷壁结疤的问题没能很好解决.

2.1.2 真空蒸发- 冷凝法

此法是在真空反应器中通入惰性气体，并保持一定的压力,然后对蒸发物质进行真空加热蒸发, 蒸汽被液氮冷凝成超细微粒。此法可以制备出高纯度的纳米二氧化钛，通过改变压力和温度可以制备不同尺寸的纳米粒子。

2.1.3 四氯化钛氢氧火焰法

此法是将四氯化钛气体通入到氢氧焰中,气相水解生成纳米二氧化钛粒子。

TiCl4(g)+2H2(g)+O2(g)=TiO2(s)+4HCl(g)

四氯化钛氢氧火焰法制得的纳米二氧化钛粒子晶型为金红石和锐钛矿的混合型,产品纯度高分散性好,但此法对温度要求高,同时反应生成的氯化氢对反应器有一定的腐蚀。

2.1.4 气体燃料燃烧法

气体燃料燃烧法是将一氧化碳燃烧合成纳米二氧化钛的技术，把计量的O2

和 CO 在燃烧器内充分燃烧，产生高温富氧气流与高温四氯化钛蒸气快速混合，反应产生二氧化钛；反应气体经过夹套冷却后，由袋滤器收集产物颗粒。采用CO 气体燃烧合成纳米二氧化钛技术,利用四氯化钛气相氧化合成粒度小于100nm 纯金红石或锐钛型和金红石型混合相的二氧化钛,在反应物中加入氯化铝作为晶型转化剂时,金红石含量增大。

2·2 液相法

2.2.1 溶胶—凝胶法

其制备工艺为以钛醇盐或钛的无机盐为原料，经水解机缩囊反应得到溶液，再进一步凝聚得到凝胶经过干燥得到二氧化钛。溶胶- 凝胶法是被广泛采用的一种制备纳米二氧化钛的方法。该法制得的纳米二氧化钛纯度高，煅烧温度低, 副反应少，反应易控制，工艺操作简单。但原料成本较高，凝胶颗粒之间烧结性差，干燥时收缩大，易造成纳米二氧化钛颗粒间的团聚与颗粒分布不均匀。

2.2.2 TiCl4水解法

TiCl4水解法是将TiCl4稀释到一定浓度，在加入少量稀硫酸溶液作为添加剂以抑制TiCl4溶液的水解，然后在磁力搅拌条件下沸腾回流，可得到锐钛矿型纳米二氧化钛。以Ticl4为前驱体制备TiO2微粉的方法有气相水解法、火焰水解法和激光热解法。用此类方法制备时，原料易得、价廉，但均系高温反应过程，对设备材质的耐腐蚀性要求很高，制备技术难度较大。

2.2.3 均匀沉淀法

均匀沉淀法是利用某种化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢均匀地释放出来，加入的沉淀剂不是立刻与沉淀组分发生反应，而是通过化学反应使沉淀剂在整个溶液中缓慢生成。该法的特点是：以生成沉淀剂的速度来控制过饱和度，从而控制离子的生成速度，制得的产品颗粒致密、均匀、便于过滤洗涤，是目前工业化前景较好的一种方法。

以上各种方法各有利弊，现今的有些制备方法多停留在实验室阶段，还未真正投入到产业化生产中，对于成本低、污染小、操作简单、粉体粒径分布窄、分散度高的工艺和有效的表面活性剂是一个需要不断研究和探究的问题。

3、纳米二氧化钛的应用方向

3·1 在化妆品工业的应用

纳米二氧化钛由于粒径小, 活性大, 既能反射、散射紫外线, 又能吸收紫外线, 从而对紫外线有更强的阻隔能力。纳米二氧化钛具有较强的吸吮紫外线功能，及优异的化学稳定性，无毒性等性能。超细二氧化钛由于其粒径更小，吸吮紫外线能力更强，此外，如消色力、遮盖力、清晰的色调、较低的磨蚀性、良好的易分散性，使得纳米二氧化钛是在化妆品中应用最广的无机原料，起到了消色防晒作用，利用钛白的白度与不透明度这两种性能，可是化妆品的颜色范围很宽广。由于纳米二氧化钛呈透明状，可用来制造透明的护肤霜。因此纳米二氧化钛具有一般化妆品原料所不具有的许多优良特性和功能。二氧化钛由于具有高折光性和高光活性,一直被作为一种主要的防晒剂。纳米二氧化钛因有着更为优越的性能而被广泛重视, 被用于新型、优质防晒化妆品的研究和开发, 逐步显示其特殊的优越性和广阔的应用前景。

3·2 纳米二氧化钛在抗菌塑料中的应用

纳米二氧化钛抗菌塑料具有广谱抑菌、抗菌、防腐、高效、长效稳定和安全等功能。所以其在日常生活中得到广泛应用。在空气和水体系中，尤其是在紫外线照射下，能够自行分解出自由移动的带负电的电子和带正电的空穴，与细菌内的有机物反应，从而在短时间内就能清除恶臭和油污，以纳米二氧化钛为主体，在以无机式有机物对纳米二氧化钛进行表面精蚀，再将纳米填料与树脂共混，制成纳米二氧化钛抗菌塑料，用纳米二氧化钛粉体与塑料混合挤塑成型，通过紫外线照射形成抗菌塑料，而普通颗粒状的无机填料一般难以非常均匀与聚合物树脂互溶分散，达不到应用的效果。

3·3 纳米二氧化钛在建筑外墙涂料中的应用

由于纳米TiO2抗老化剂粒径小，表面原子数多、表面能高、比表面积大，因此具有很强的吸附能力与表面活性，添加在涂料中的纳米抗老化剂易于乳液中的阴离子起键合作用，从而提高基体与涂膜之间的结合强度，增加附着力。纳米TiO2抗老化剂具有特殊的光学特性，添加在涂料中可以达到屏蔽紫外线作用，提高涂料耐老化性能，从而有效延长涂层的使用寿命。由于纳米Ti02抗老化剂改性涂料形成的涂膜表面张力较小，使涂层呈现一定的斥水性；又纳米材料的粒径小，在涂膜固化过程中可迅速补充到聚合物的微缝中，使涂膜的连续性得以提高，这样就大大改善了涂层的涂膜耐沾污性和耐洗刷性。

3·4 纳米二氧化钛在光催化中的应用

利用纳米二氧化钛的光活性，在光照下能产生具有了强氧化性的空穴—电子对，能使废水中的污染物含量降低，达到除污水作用。此外，对于染料有较好的吸性，可用于染料废水处理，还可用于气体净化中，可利用纳米二氧化钛的光催化氧化效应，将空气中汽车尾气和工厂废气等危害人类健康的空气污染气体氧化成无毒式基本无毒的化合物，在随降雨落到地面。同时，利用光催化效应可将建材表面的污垢分解为水和二氧化碳，用水即可将其清洗干净，无需擦洗，并且这种清洗可长其保持，可用于防雾及自清洁涂层中。

4、结语

纳米二氧化钛具有十分宝贵的特性，并在汽车工业、抗紫外材料、纺织、光催化解污、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天工业、硅电池都有极广泛的应用。近几年，科学家们逐渐转向了纳米二氧化钛复合材料的研究，用这种复合材料来克服纳米二氧化钛的不足，虽然其制备还没有产业化，目前并不能很广泛的应用于生活，但随着科技不断发展，设备和理论的技术水平不断提高，纳米二氧化钛将在不久的一天，走进人们的生活且无处不在。

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