纳米二氧化钛简介

纳米二氧化钛

一、简介

纳米二氧化钛是金红石型白色疏松粉末，屏蔽紫外线作用强，有良好的分散性和耐候性。可用于化妆品、功能纤维、塑料、涂料、油漆等领域，作为紫外线屏蔽剂，防止紫外

线的侵害。也可用于高档汽车面漆，具有随角异色效应。

纳米级二氧化钛，亦称钛白粉。物理性质为细小微粒，直径在100纳米以下，产品外

观为白色疏松粉末。具有抗线、抗菌、自洁净、抗老化性能，可用于化妆品、功能纤维、

塑料、油墨、涂料、油漆、精细陶瓷等领域。

纳米二氧化钛主要有两种结晶形态：锐钛型（Anatase）和金红石型（Rutile）。金

红石型二氧化钛比锐钛型二氧化钛稳定而致密，有较高的硬度、密度、介电常数及折射率，其遮盖力和着色力也较高。而锐钛型二氧化钛在可见光短波部分的反射率比金红石型二氧

化钛高，带蓝色色调，并且对紫外线的吸收能力比金红石型低，光催化活性比金红石型高。在一定条件下，锐钛型二氧化钛可转化为金红石型二氧化钛。

二、分类

1.按照晶型可分为:金红石型纳米钛白粉和锐钛型纳米钛白粉。

2.按照其表面特性可分为：亲水性纳米钛白粉和亲油性纳米钛白粉。

3.按照外观来分：有粉体和液体之分，粉体一般都是白色，液体有白色和半透明状。

三、功能

纳米TiO2具有十分宝贵的光学性质，在汽车工业及诸多领域都显示出美好的发展前景。纳米TiO2还具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，且完全可以与食品接触，所以被广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天工业中、锂电池中。

1.、杀菌功能

在光线中紫外线的作用下长久杀菌。实验证明，以0.1mg/cm3浓度的锐钛型纳米TiO2可彻底地杀死恶性海拉细胞，而且随着超氧化物歧化酶（SOD）添加量的增多，TiO2光催

化杀死癌细胞的效率也提高。对枯草杆菌黑色变种芽孢、绿脓杆菌、大肠杆菌、金色葡萄

球菌、沙门氏菌、牙枝菌和曲霉的杀灭率均达到98%以上；用TiO2光催化氧化深度处理自

来水，可大大减少水中的细菌数，饮用后无致突变作用，达到安全饮用水的标准；在涂料

中添加纳米TiO2可以制造出杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料，应用于医院病房、手术室及家庭卫生间等细菌密集、易繁殖的场所，可净化空气、防止感染、除臭除味。能

够有效杀灭等等有害细菌。

2、防紫外线功能

纳米TiO2既能吸收紫外线，又能反射、散射紫外线，还能透过可见光，是性能优越、极有发展前途的物理屏蔽型的紫外线防护剂。

纳米二氧化钛的抗紫外线机理：

按照波长的不同，紫外线分为短波区190～280 nm、中波区280～320 nm、长波区320～400nm。短波区紫外线能量最高，但在经过离臭氧层时被阻挡，因此，对人体伤害的

一般是中波区和长波区紫外线。

纳米二氧化钛的强抗紫外线能力是由于其具有高折光性和高光活性。其抗紫外线能力

及其机理与其粒径有关：当粒径较大时，对紫外线的阻隔是以反射、散射为主，且对中波

区和长波区紫外线均有效。防晒机理是简单的遮盖，属一般的物理防晒，防晒能力较弱；

随着粒径的减小，光线能透过纳米二氧化钛的粒子面，对长波区紫外线的反射、散射性不

明显，而对中波区紫外线的吸收性明显增强。其防晒机理是吸收紫外线，主要吸收中波区

紫外线。

由此可见，纳米二氧化钛对不同波长紫外线的防晒机理不一样，对长波区紫外线的阻

隔以散射为主，对中波区紫外线的阻隔以吸收为主。

纳米二氧化钛在不同波长区均表现出优异的吸收性能，与其他有机防晒剂相比，纳米

二氧化钛具有无毒、性能稳定、效果好等特点。日本资生堂应用10-100nm的纳米二氧化钛作为防晒成分添加于口红、面霜中，其防晒因子可大S PF11-19。

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。与同样剂量的一些有机紫外线防护剂相比，VK-T02 纳米二氧化钛在紫外区的吸收峰更高，更可贵的是它还是广谱屏蔽剂，不象有机紫外线防护剂那样

只单一对UVA或UVB有吸收。它还能透过可见光，加入到化妆品使用时皮肤白度自然，不

象颜料级TiO2，不能透过可见光，造成使用者脸上出现不自然的苍白颜色。

利用纳米TiO2的透明性和紫外线吸收能力还可用作食品包装膜、油墨、涂料、纺织

制品和塑料填充剂，可以替代有机紫外线吸收剂，用于涂料中可提高涂料耐老化能力。

3、光催化功能

研究结果发现，在日光或灯光中紫外线的作用下使Ti02激活并生成具有高催化活性

的游离基，能产生很强的光氧化及还原能力，可催化、光解附着于物体表面的各种甲醛等

有机物及部分无机物。能够起到净化室内空气的功能。

4、防雾及自清洁功能

TiO2薄膜在光照下具有超亲水性和超永久性，因此其具有防雾功能。如在汽车后视镜上涂覆一层氧化钛薄膜，即使空气中的水分或者水蒸气凝结，冷凝水也不会形成单个水滴，而是形成水膜均匀地铺展在表面，所以表面不会发生光散射的雾。当有雨水冲过，在表面

附着的雨水也会迅速扩散成为均匀的水膜，这样就不会形成分散视线的水滴，使得后视镜

表面保持原有的光亮，提高行车的安全性。

纳米TiO2具有很强的“超亲水性”，在它的表面不易形成水珠，而且纳米TiO2在可

见光照射下可以对碳氢化合物作用。利用这样一个效应可以在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂

上一层纳米TiO2薄层，利用氧化钛的光催化反应就可以把吸附在氧化钛表面的有机污染物分解为CO2和O2，同剩余的无机物一起可被雨水冲刷干净，从而实现自清洁功能。日本

东京已有人在实验室研制成功自洁瓷砖，这种新产品的表面上有一薄层纳米TiO2，任何粘

污在表面上的物质，包括油污、细菌在光的照射下，由于纳米TiO2的催化作用，可以使这些碳氢化合物物质进一步氧化变成气体或者很容易被擦掉的物质。纳米TiO2光催化作用使得高层建筑的玻璃、厨房容易粘污的瓷砖、汽车后视镜及前窗玻璃的保洁都可很容易地进行。

5、纳米二氧化钛可作为锂电池、太阳能电池原料

纳米二氧化钛(TA18）添加到锂电池里：

⒈纳米二氧化钛具有极好的高倍率性能和循环稳定性，快速充放电性能和较高的容量，脱嵌锂可逆性好等特点，在锂电池领域具有很好的应用前景。

1）纳米二氧化钛能有效降低锂电池的容量衰减，增加锂电池稳定性，提高电化学性能。

2）提高电池材料的首次放电比容量。

3）降低了LiCoO2在充放电过程中的极化，使材料具有更高的放电电压及更平稳的放

电效果。

4）适量的纳米二氧化钛可以疏松状存在，降低了粒子间应力及循环过程中所造成的

结构和体积的微小应变，增加电池的稳定性。

⒉在化学能太阳能电池中，纳米二氧化钛晶体具有光电转换率高、能很大提高太阳电

池的能量转换率、成本廉价、工艺简单及性能稳定的特点。其光电效率稳定在10%以上，

制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到20年以上。

⒊在镍镉电池中，纳米二氧化钛具有良好的导电性、宽温度工作范围的特点。

6 、纳米二氧化钛用在纺织上可以替代PVA

在纤维纺织成纱的过程中，为了减少经纱断头必须上浆。中国从上世纪五六十年代开

始使用的浆料PVA为高分子化合物，在自然环境中很难降解。因此在欧洲部分国家被列为“不洁浆料”，已经被明令禁止使用。欧盟对PVA的限制，也将是中国棉纺织品出口绿色

贸易壁垒的关注重点。开发绿色环保浆料，取代难降解的PVA是国内纺织行业一直寻求的“破壁”目标。

纳米二氧化钛T25F用在纺织浆料里面，通过与淀粉的完美结合，提高纱线的综合织

造性能，减少PVA的用量，煮浆时间短，降低了浆料成本，提高浆纱效益，也解决了PVA

浆料不易退浆、环境污染等诸多问题。纳米二氧化钛在纱线里主要是替代PVA，起到贴顺

毛羽填补缺口，润滑的作用。

7、纳米二氧化钛在高档汽车漆中的应用

将纳米级二氧化钛(T20Q)与铝粉混合颜料或纳米二氧化钛包覆的云母珠光颜料添加于

涂料中，其涂层能产生神秘而富有变幻的随角异色效应，主要是因为当入射光射到纳米二

氧化钛粒子时，由于粒径小，蓝色光会发生较强散射，结果除掉蓝色光的绿色光和红色光(呈黄相)被铝片反射成为正反射光，即散射光为蓝相强的光，反射光为黄相强的光(金色)，随观察角度的不同可见不同色相。粒径为几十纳米二氧化钛T20Q微晶还赋予了涂膜金属光泽效应、珠光效应、闪光效应和增色效应，使得我们看到的汽车表面好像是珍珠片在闪闪

发光，给人以深度感与层次感。

这就是变色汽车的奥秘所在，纳米科技作为高新技术正在改变着我们的生活！

8、其它功能

纳米二氧化钛对某些塑料、氟里昂及表面活性剂SDBS也具有很好的降解效果。

还有人发现，TiO2对有害气体也具有吸收功能，如含TiO2的烯烃聚合物纤维涂在含

磷酸钙的陶瓷上可持续长期地吸收不同酸碱性气体。

鉴于以上功能，纳米二氧化钛具有非常广阔的前景。对它的研究和利用会给人们的生

活带来巨大改变。

四、应用

1、化妆品

任何二氧化钛都具有一定的吸收紫外线功能，及优异的化学稳定性、热稳定性、无毒

性等性能。超细二氧化钛由于粒径更小（呈透明状）、活性更大，因此吸收紫外线的能力

更强，此外，如消色力、遮盖力、清晰的色调、较低的磨蚀性和良好的易分散性，决定了

二氧化钛是化装品中应用最广的无机原料。二氧化钛在化妆品行业世界年消费量80年代估计在3500t—4000t，目前估计在5000t以上10000t以下。根据其在化妆品中的功能不同，可选用不同品质的二氧化钛。

利用钛白的白度和不透明度这两种性能，可使化妆品的颜色范围很宽广，钛白作为一

种白色添加剂时，主要用锐钛型钛白，但考虑到遮盖力和耐晒时，还是应采用金红石型钛

白为好。

化妆品用的钛白，纯度要求高，对有害杂质的含量要求甚严。例如：欧共体食品添加

剂法规（它适用于化妆品）规定，化妆品用钛白的酸溶性物< 0.35%,As<5×10-6,Pb<

20×10-6,Sb< 100×10-6,Cu< 100×10-6,Cr< 100×10-6,Zn< 50×10-6,BaSO4< 5×10-6，（Sb+ Cu+ Cr+Zn+ BaSO4）< 200×10-6,Hg检测不出来。

美国食品药物管理局（FDA）的食品、药物和化妆品等条例规定，用作化妆品的二氧

化钛，作为分散助剂的SiO4和/或Ai2O3总量，不能超过2%，Pb<10×10-6,As<1×10-

6,Sb< 2×10-6,Hg< 1×10-6。另外，在105℃下干燥3h后于800℃下灼烧减量不大于

0.5%。水溶物含量不能大于0.3%，在105℃下干燥后3h后的二氧化钛含量，不少于99.0%，平均粒径小于1μm。

纳米二氧化钛，呈透明状，因此在阻挡紫外线、透过可见光以及安全性方面具有一般

化妆品原料所不具备的许多优良特性和功能。

纳米二氧化钛既能散射紫外线（波长200nm—400nm），又能吸收紫外线，故其屏蔽紫外线的能力极强，可作为优良的防晒剂，用于制造防晒系列化妆品。

由于纳米二氧化钛呈透明状，可用来制造透明的护肤霜，这种护肤霜膏体细腻，具有

自然肌肤感觉，目前在日本等国非常流行，日本每年作为防晒剂用于化妆品的原料，就需

要纳米TiO2一千吨。

2、抗菌剂

当前，纳米TiO2以其优异的抗菌性能成为开发研究的热点之一。纳米TiO2广泛应用

于抗菌水处理装置、食品包装、卫生日用品（抗菌地砖、抗菌陶瓷卫生设施等）、化妆品、纺织品、抗菌性餐具和切菜板、抗菌地毯、新房装修及新家具除有害气体以及建筑用抗菌

砂浆、抗菌涂料和抗菌不锈钢板、铝板等制作的电冰箱、医用敷料及医用设备等耐用的消

费品。

大多数抗菌是有机物质，它们广泛用于食品、洗涤剂、纺织品及化妆品中。但它们存

在着耐热性差、易挥发、易分解产生有害物、安全性较差等缺点。为此人们积极开发研究

了一些无机抗菌剂，超微细TiO2就是其中之一。由于抗菌剂在产品中需达到一定的用量，故选择抗菌剂必须遵循下列原则：

⑴对人体是安全无毒的，对皮肤没有刺激性；

⑵抗菌能力强，抗菌范围广；

⑶无臭味、怪味，外观颜色要浅，气味要小；

⑷热稳定性要好，高温下不变色、不分解、不挥发、不变质等；

⑸价格便宜，来源容易等。

超微细TiO2为无机成分，无毒、无味、无刺激性，热稳定性与耐热性好，不燃烧，

且自身为白色，完全符合上述原则。

五、前景

纳米二氧化钛是具有屏蔽紫外线功能和产生颜色效应的一种透明物质。由于它透明性

和防紫外线功能的高度统一，使得它一经问世，便在防晒护肤、塑料薄膜制品、木器保护、透明耐用面漆、精细陶瓷等多方面获得了广泛应用。特别是在80年代末期，这种能产生诱人的“随角异色”效应的效应颜料被成功地用于豪华型高级轿车面漆之后，引起了世界范

围的普遍关注，发达国家如美、日、欧等国对此研究工作十分活跃，相继投入了大量人力、物力，并制订了长远规划，在国际市场竞争激烈迄今，他们已取得许多令人惊异的成果，

并已形成高技术纳米材料产业，生产这种附加值极高的高功能精细无机材料，收到良好的

经济效益和社会效益，纳米氧化物材料也正成为中国产业界关注的热点。

随着纳米材料研究的深入，纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来

越受到人们的关注，这意味着纳米材料的研究已可以按照人们的意愿设计、组装、创造新

的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性，技术上的飞跃，为纳米材料的应用

进一步打开市场的大门，在广泛的领域形成了一大批高技术产品。如信息与通讯方面的磁

性存储器、光学存储器、液晶显示、光学方面的功能性薄膜；电子方面的原件开发，能源

方面的太阳能电源，热敏绝缘体，测量与控制技术方面的传感器；陶瓷方面的结构陶瓷，

功能陶瓷以及其他方面的抗老化橡胶、功能油漆、光催化降解剂、保洁抗菌材料、超高磁

能衡土水磁体等。在纳米材料的市场增长中，o维-3维结构技术，超精度加工技术，超薄

膜生产技术，横向结构技术所制造的产品最具市场增长潜力。

有关研究还表明，在今后10年中，纳米材料的市场应用开发的速度还会加快，因为

工业国家纳米材料领域的专利自1993年以来一直以每年20%以上的速度递增。资料表明，

西方工业国家在纳米材料及相关领域的科研经费投入每年达75亿美元左右。国际上在此领域竞争日趋激烈。

五、制备方法

目前，制备纳米TiO2的方法很多，基本上可归纳为物理法和化学法。物理法又称为

机械粉碎法，对粉碎设备要求很高；化学法又可分为气相法（CVD）、液相法和固相法。

1、气相法

物理气相沉积法（PVD）是利用电弧、高频或等离子体等高稳热源将原料加热，使之

气化或形成等离子体，然后骤冷使之凝聚成纳米粒子。其中以真空蒸发法最为常用。粒子

的粒径大小及分布可以通过改变气体压力和加热温度进行控制。该法同时可采用于单一氧

化物、复合氧化物、碳化物以及金属粉的制备。

化学气相沉积法（CVD）利用挥发性金属化合物的蒸气通过化学反应生成所需化合物，该法制备的纳米TiO2粒度细，化学活性高，粒子呈球形，单分散性好，可见光透过性好，吸收屏蔽紫外线能力强。该过程易于放大，实现连续化生产，但一次性投资大，同时需要

解决粉体的收集和存放问题。

CVD法又可分为气相氧化法、气相合成法、气相热解法和气相氢火焰法。

气相氢火焰法：是通过四氯化钛氢火焰燃烧得到，反应方式如下：

TiCl4+2H2+O2 =TiO2+4HCl

气相法纳米二氧化钛作用机理

气相法纳米二氧化钛具有大的比表面积,表面原子数、表面能和表面张力随着粒径的

下降急剧增加,小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于常规粒子。由于TiO2电子结构所具有的特点，使其受光时生成化学活泼性很强的超氧化物阴离子自由基和氢氧自由基，攻击有机物，达到降解有机污染物的作用。当遇到细菌时，直接攻击细菌的细胞，致使细菌细胞内的有

机物降解，以此杀灭细菌，并使之分解。气相法纳米二氧化钛不仅能影响细菌繁殖力，而

且能破坏细菌的细胞膜结构，达到彻底降解细菌，防止内毒素引起的二次污染，纳米二氧

化钛属于非溶出型材料，在降解有机污染物和杀灭菌的同时，自身不分解、不溶出，光催

化作用持久，并具有持久的杀菌、降解污染物效果

气相法纳米二氧化钛产品应用特性

1、对入射可见光基本无散射作用，具有很强的屏蔽紫外线能力和优异的透明性，作

为一种新型材料已广泛应用于化妆品、涂料、油漆等产品中。

2、用于塑料、橡胶和功能纤维产品，它能提高产品的抗老化能力、抗粉化能力、耐

候性和产品的强度，同时保持产品的颜色光泽，延长产品的使用期

3、用于油墨、涂料、纺织，能很好的提高其粘附力、抗老化、耐擦洗性能

4、用于造纸工业中，能提高易打印性和不渗透性

5、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，广泛应用与防晒化妆品

6、光稳定性好、无毒无害，光电转化率高，是光电太阳能转换电最普遍使用的材料

气相法纳米二氧化钛应用技巧

（1）在气相法纳米二氧化钛中加入有机染料敏化剂或过渡金属元素，可以增大利用

光波长范围。

（2）将气相法纳米二氧化钛附着在活性炭上，其催化性能将大大提高。

（3）在气相法纳米二氧化钛中加入亲水型气相二氧化硅，其催化性能也可得到提高。

2、液相法

液相法是选择可溶于水或有机溶剂的金属盐类，使其溶解，并以离子或分子状态混合

均匀，再选择一种合适的沉淀剂或采用蒸法、结晶、升华、水解等过程，将金属离子均匀

沉积或结晶出来，再经脱水或热分解制得粉体。它又可分为胶溶法、溶胶-凝胶法和沉积法。其中沉积法又可分为直接沉积法和均匀沉积法。

1、溶胶法

加酸使其形成溶胶，经表面活性剂处理，得到浆状胶粒，热处理得到纳米TiO2粒子。

2、溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法（简称S—G法），是以有机或无机盐为原料，在有机介质中进行水解、

缩聚反应，使溶液经溶胶-凝胶化过程得到凝胶，凝胶经加热（或冷冻）干燥、锻烧得到产品。该法得到的粉末均匀，分散性好，纯度高，煅烧温度低，反应易控制，副反应少，工

艺操作简单，但原料成本较高。

3、沉淀法

A、直接沉淀法

其反应机量为：

Ti0SO4+2NH3·H2O → Ti0(OH)2↓ + (NH4）2 SO4

Ti0(OH)2 → Ti02(s)+H2O

该法操作简单易行，产品成本较低，对设备、技术要求不太苛刻，但沉淀洗涤困难，

产品中易引入杂质，而且粒子分布较宽。

B、均匀沉淀法

均匀沉淀法是利用某一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，

在该法中，加入沉液剂（如尿素），不立刻与被沉淀物质发生反应，而是通过化学反应使

沉淀剂在整个溶液中缓慢生成。该法得到的产品颗粒均匀、致密，便于过滤洗涤，是目前

工业化看好的一种方法。

3、固相结合

固相法合成纳米TiO2是利用固态物料热分解或固-固反应进行的。它包括氧化还原法、热解法和反应法。在此介绍常用的偏钛酸热解法制备纳米TiO2。该法制得的纳米 TiO2 粒

径分布较宽，工艺简单，操作易行，可批量生成。

6、毒性

美国科学家综合研究后得出结论，在日常生活中随处可见的二氧化钛（TiO2）纳米粒子，会造成小鼠全身性遗传损伤。该发现再次引起了对纳米粒子安全性的关注。相关研究

成果发表在近期的《癌症研究》杂志上。

过去，二氧化钛纳米粒子被视为是无毒的，因为它们不会激起化学反应。但美国加州

大学洛杉矶分校强森综合癌症研究中心病理学、放射肿瘤学和环境卫生科学教授罗伯

特·席斯特尔的研究表明，二氧化钛纳米粒子一旦进入体内，会在不同器官中累积，导致

单链和双链DNA断裂，并造成染色体损伤以及炎症，从而增加患上癌症的风险。

研究人员给实验小鼠的饮用水中加入了二氧化钛纳米粒子，在饮用这种水后的第五天，小鼠体内便呈现出遗传损伤。

席斯特尔指出，钛本身具有化学惰性，但当粒子变得越来越小后，反过来其表面相应

会变得越来越大，粒子表面与环境间相互作用，会引发氧化应激反应。这些粒子太小，可

以到达身体的任何部位，甚至可以穿过细胞，并干扰亚细胞机制，而身体却没有办法来消

除它们。

这是一种新型的毒性机制，亦是一种物理化学反应。“可能某些自发性癌症就与暴露

在这些粒子之中有关。”席斯特尔说，“对于这些纳米粒子，有些人会比其他人更敏感。

我认为人们对这些纳米粒子的毒性研究还不充分。”

席斯特尔称，研究首次显示了纳米粒子具有如此效果。他说：“这是第一个关于二氧

化钛纳米粒子引发的遗传毒性的全面研究，这种遗传毒性可能由与发炎或氧化应激相关的

次级机制引发的。目前这些纳米颗粒的应用在逐渐扩大，此类发现引起了对于其潜在健康

危害的关注。”

席斯特尔指出，二氧化钛纳米粒子的制造是一个庞大的产业，年产量大约200万吨。

不仅在油漆、化妆品、防晒油和维生素中含有这种粒子，在牙膏、食用色素、营养品以及

其他数百种个人护理产品中都可以找到它的身影。席斯特尔建议人们使用乳液防晒油，因

为纳米粒子不能通过皮肤，而喷雾防晒产品可能被吸入体内，使得纳米粒子在肺部聚积。

接下来，席斯特尔和他的小组将继续研究，分析有DNA修复缺陷的老鼠暴露在这种纳

米粒子环境下的状况，希望能找到一种方法来预测哪些人会对这类纳米粒子特别敏感。