一种提高纳米TiO2疏水性和分散稳定性的改性方法与流程

本发明涉及一种提高纳米tio2疏水性和分散稳定性的改性方法，属于纳米功能材料改性技术领域。

背景技术：

纳米tio2是近年来发展较快的一种附加值很高的功能性精细无机材料，因其具有粒径小，比表面积大，磁性强，光催化、吸收性能好，吸收紫外线能力强，表面活性大，热导性好，分散性好，以及良好的耐候性、耐化学腐蚀性等优势，被广泛应用于感光材料、光催化剂、化妆品、食品包装材料、陶瓷添加剂、橡胶、塑料、皮革鞣制、高级轿车涂料等领域。但由于纳米级粒子的表面能高，容易发生团聚，形成一次粒子，在有机相中具有难以浸润和分散稳定性差等缺点，因此为了改善与有机体系的相容性及其在有机体系的分散稳定性，润湿性，降低固体表面能，必须对其进行表面改性。

纳米tio2的表面改性方法可以分为物理方法和化学方法两大类，其中物理方法主要分为机械力分散法、超声波分散法以及高能处理法等。在实际生产中应用较多的改性方法是化学方法，利用一定的化学物质，通过一定的工艺方法，使其与纳米tio2表面上的羟基发生反应，消除或减少表面醇羟基的量，接枝或包覆其他化学物质，使产品由亲水变为疏水，以达到改变表面性质的目的。但该种处理方法的工艺较复杂，控制过程困难，成本较高，难以实现工业化生产。

技术实现要素：

本发明克服了上述现有技术的不足，提供了一种提高纳米tio2疏水性和分散稳定性的改性方法。该方法将改性剂n-辛基三甲氧基硅烷或者十二烷基三甲氧基硅烷的水溶液，加入到纳米tio2的乙醇熔液中，搅拌、震荡、烘干、研磨制得改性后的纳米tio2。改性后的纳米tio2表面能得到明显降低，呈现出疏水性能，且分散稳定性大幅提高。本方法工艺简单、易于操作、成本低、生产效率高，容易实现工业化生产。

本发明的技术方案是：一种提高纳米tio2疏水性和分散稳定性的改性方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)将纳米tio2加入乙醇中制备成乙醇溶液，超声震荡，混合均匀；

(2)取改性剂n-辛基三甲氧基硅烷或者十二烷基三甲氧基硅烷，加水得到水溶液，超声震荡，使改性剂在水中预水解；

(3)将步骤(2)所得的水溶液加入步骤(1)所得的乙醇溶液中，60℃-90℃下搅拌、超声震荡得到改性的混合浆料；

(4)对(3)中所得的混合浆料，乙醇洗，水洗，烘干，研磨，得到改性纳米tio2。

进一步地，所述步骤(1)乙醇溶液质量浓度为8-12％，优选10％。

进一步地，所述步骤(2)的n-辛基三甲氧基硅烷或者十二烷基三甲氧基硅烷用量为纳米tio2质量的6-8％，优选7％，所配置成的水溶液质量浓度为4-6％，优选5％。

进一步地，n-辛基三甲氧基硅烷的改性效果更佳，作为优选方案。

进一步地，所述步骤(3)优选在80℃下超声震荡。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明利用有机化合物进行改性，选取n-辛基三甲氧基硅烷试剂(辛烷基)和十二烷基三甲氧基硅烷(十二烷基)两种改性剂，温度为80℃时改性剂与纳米tio2反应最完全，粒子间壁垒增加，抑制了粒子的凝聚现象。改性后纳米粒子间的压力较大，密度也在增加，用水测试时水滴不会透过小缝隙与粒子相结合，而是被挡在表面，从而提高了疏水性，拓宽了光吸收波长范围，提高了光催化性能。

2、本发明通过试验发现，在降低固体表面能、提高疏水性能及分散稳定性方面，n-辛基三甲氧基硅烷相比十二烷基三甲氧基硅烷的改性效果更明显，为最佳的改性试剂。本发明对改性温度为常温、60℃、70℃、80℃、90℃时的改性纳米tio2的性能进行对比，从试验结果来看，温度为80℃时改性剂与纳米tio2反应最完全，产品的效果最好，而常温下进行改性，改性效果差。

3、本发明改性后的纳米tio2不仅分散性好、疏水性好、与有机物的相容性好，还能提高tio2的耐腐蚀性和稳定性。本发明方法工艺简单、易于操作、成本低、生产效率高。

附图说明

图1为未改性纳米tio2接触角图片；从左向右依次加热温度为60℃、70℃、80℃、90℃时的纳米tio2，表观接触角ca依次为48.62°、79.61°、84.81°和58.71°；

图2为改性后纳米tio2(n-辛基三甲氧基硅烷)接触角图片；从左向右依次为改性温度为60℃、70℃、80℃、90℃时得到的改性纳米tio2，表观接触角ca依次为108.11°、107.86°、121.89°和111.64°；

图3为未改性纳米tio2和改进后纳米tio2(n-辛基三甲氧基硅烷)的接触角点线图；

图4为未改性纳米tio2和改进后纳米tio2(n-辛基三甲氧基硅烷和十二烷基三甲氧基硅烷)固体表面能点线图。

具体实施方式

下面将结合具体实例对本发明进一步详细说明，但不限于本发明的保护范围。

改性后的纳米tio2由以下几种原料制备而成：金红石型纳米tio2粉末(20nm)，无水乙醇试剂，n-辛基三甲氧基硅烷试剂和十二烷基三甲氧基硅烷试剂，去离子水，液体石蜡。

实施例1：

(1)将100g金红石型tio2粉末加入无水乙醇中制备成质量浓度为10％的乙醇溶液，超声震荡10分钟，使得在乙醇溶液中混合均匀；

(2)取7gn-辛基三甲氧基硅烷，配置成质量浓度为5％的水溶液，超声震荡20分钟，使得n-辛基三甲氧基硅烷在去离子水中预水解；

(3)将(2)所得的水溶液加入(1)所得的乙醇溶液中，搅拌均匀，分别在60、70、80和90℃下磁力搅拌1小时，超声震荡1小时，得到不同的改性纳米tio2用于后续的试验，同时以常温下改性作为对比；

(4)对(3)中所得的混合浆料，进行乙醇洗、水洗、烘干和研磨，得到改性纳米tio2。

实施例2

(1)将100g金红石型tio2粉末加入无水乙醇中制备成质量浓度为10％的乙醇溶液，超声震荡10分钟，使得在乙醇溶液中混合均匀；

(2)取7g十二烷基三甲氧基硅烷，配置成质量浓度为5％的水溶液，超声震荡20分钟，使得十二烷基三甲氧基硅烷在去离子水中预水解；

(3)将(2)所得的水溶液加入(1)所得的乙醇溶液中，搅拌均匀，分别在60、70、80和90℃下磁力搅拌1小时，超声震荡1小时，得到不同的改性纳米tio2用于后续的试验，同时以常温下改性作为对比；

(4)对(3)中所得的混合浆料，进行乙醇洗、水洗、烘干和研磨，得到改性纳米tio2。

对照组：(未改性纳米tio2)

(1)将100g金红石型tio2粉末加入无水乙醇中制备成质量浓度为10％的乙醇溶液，超声震荡10分钟，使得在乙醇溶液中混合均匀；

(2)将140g去离子水加入(1)所得的乙醇溶液中，搅拌均匀，分别在常温、60、70、80和90℃下磁力搅拌1小时，超声震荡1小时；

(3)对(2)中所得的混合浆料，进行乙醇洗、水洗、烘干和研磨，得到未改性纳米tio2。

以下结合测试数据来说明产品效果

1.分散性测试：称取0.2g未改性及改性后的纳米tio2样品加入液体石蜡中，混合成质量浓度为1％的溶液，超声振荡30分钟，获得稳定悬浮液，装入比色管(外贴刻度)，竖直放置在试管架上，观测不同改性温度(常温、60℃、70℃、80℃、90℃)改性的纳米二氧化钛的沉降高度和沉降体积，记录沉降时间。试验结果如下表1所示。从表1可以看出：纳米二氧化钛经过改性以后，其沉降时间明显延长，其中采用n-辛基三甲氧基硅烷改性的效果最佳，其最终沉降时间为未改性的2-4倍，说明纳米二氧化钛经过改性后分散稳定性大幅提高。同时从试验结果可以看出：温度为80℃时改性剂与纳米tio2反应最完全，改性效果最好。

表1各温度沉降时间(分散性测试)

2.润湿性测试：取一定量未改性及改性后的纳米tio2颗粒进行压片，压成光滑的圆片之后，采取接触角的方式，测试水在压片表面的接触角，以此作为润湿性的评判标准，其中，如果接触角小于90°，则为亲水性的，反之为疏水性。实验过程中采样方式有两种，动态采样和静态采样，水滴处于稳定状态时通常采用静态采样，多次测试取其平均值，记录不同改性温度(常温、60℃、70℃、80℃、90℃)改性的纳米二氧化钛的接触角，并计算其固体表面能。

接触角的试验结果如图1-3所示。从图1-3可以看出：未改性纳米tio2在不同温度下的接触角均小于85°，改性以后，其改性温度在60℃-90℃下的接触角均大于107°，经过改性以后明显提高了纳米tio2的疏水性。

固体表面能的计算结果如图4和表2所示。从图4和表2可以看出：纳米二氧化钛经过改性以后，其固体表面能明显降低，其中采用n-辛基三甲氧基硅烷改性的效果最佳，温度为80℃时改性剂与纳米tio2反应最完全，改性效果最好。

表2各温度下固体表面能

试验结果表明：本实例改性后的纳米tio2表面能得到明显降低，呈现出疏水性能，且分散稳定性大幅提高。