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高分散纳米TiO2的低温制备、生长控制及在棉制品上的应用

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摘要

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 纳米TiO2的结构和性能

1.2.1 纳米TiO2的结构

1.2.2 纳米TiO2光催化机理

1.2.3 屏蔽紫外线性能

1.2.4 双亲性

1.3 提高TiO2光催化性能的方法

1.3.1 金属离子掺杂

1.3.2 表面贵金属沉积

1.3.3 非金属掺杂

1.3.4 纳米TiO2的复合改性

1.4 纳米TiO2的制备方法进展

1.4.1 水热合成法

1.4.2 水解法

1.4.3 溶胶-凝胶法

1.4.4 沉淀法

1.4.5 一维TiO2纳米材料的制备

1.5 纳米技术在纺织品上的应用

1.5.1 抗紫外线整理

1.5.2 抗菌整理

1.5.3 抗静电整理

1.5.4 自清洁整理

1.5.5 空气净化纺织品

1.6 本论文研究意义及内容

参考文献

第二章 纳米TiO2水溶胶的低温制备与结晶方式研究

2.1 引言

2.2 实验

2.2.1 实验试剂及仪器

2.2.2 纳米TiO2水溶胶低温制备方法

2.2.3 测试和表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 溶胶-凝胶法反应机理和特点

2.3.2 水量对低温制备TiO2结晶的影响

2.3.3 反应体系pH值对纳米TiO2低温结晶及光催化性能的影响

2.3.4 反应原料滴加顺序对纳米TiO2低温结晶及光催化性能影响

2.3.5 结晶热处理方式对纳米TiO2的晶型及光催化性能的影响

2.4 本章小结

参考文献

第三章 掺杂金属或非金属离子与纳米TiO2水溶胶的协同效应

3.1 引言

3.2 实验

3.2.1 实验材料与仪器

3.2.2 纳米TiO2水溶胶低温制备方法

3.2.3 锐钛型纳米TiO2的金属掺杂

3.2.4 锐钛型纳米TiO2的非金属掺杂

3.2.5 测试和表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 铁离子掺杂TiO2的结构和对光催化性能的影响

3.3.2 银离子掺杂TiO2的结构和对光催化性能的影响

3.3.3 纳米TiO2的非金属掺杂

3.4 本章小结

参考文献

第四章 纳米TiO2/ZnO复合体系的制备及其光催化性能

4.1 引言

4.2 实验

4.2.1 实验材料与仪器

4.2.2 纳米ZnO的制备

4.2.3 纳米TiO2-ZnO复合粉体的制备

4.2.4 TiO2溶胶和TiO2/ZnO复合溶胶整理棉织物

4.2.5 纳米TiO2-ZnO复合物的性能测试与表征

4.3 结果与讨论

4.3.1 纳米TiO2-ZnO复合粉体的结构表征

4.3.2 纳米TiO2/ZnO复合粉体的光催化性能研究

4.3.3 纳米TiO2/ZnO复合溶胶处理棉织物后在模拟太阳光下的自清洁性能

4.4 本章小结

参考文献

第五章 低温制备的纳米TiO2生长控制及多功能整理工艺研究

5.1 引言

5.2 实验

5.2.1 实验材料及仪器

5.2.2 织物的功能整理工艺

5.2.3 织物性能表征和测试

5.3 结果与讨论

5.3.1 棉织物表面纳米TiO2晶型分析

5.3.2 棉织物表面纳米TiO2形貌分析

5.3.3 汽蒸处理对棉织物结构和性能的影响

5.3.4 棉织物多功能整理效果

5.3.5 提高纳米TiO2与棉织物耐久性结合的方式研究

5.3.6 连续评价织物光催化性能的在线检测系统的研制

5.4 本章小结

参考文献

第六章 结论

致谢

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摘要

由于纳米TiO2粉体粒径小、比表面大、表面能高以及特殊的表面结构,使其生长不易控制,且容易团聚,在水相或其他介质中分散不稳定。同时,一般制备的TiO2需要采用300℃以上的高温处理,才能获得结晶良好的粉体或薄膜,而这对于柔性纺织品而言是无法承受的。
  为了控制纳米TiO2的生长,使其能均匀分散,不易团聚,且使纳米TiO2应用于柔性纺织品时无需高温处理,也能获得结晶良好的粉体或薄膜,并能在纺织品上实现纳米粒子与纤维的坚牢结合,本文对纳米TiO2的低温制备和结晶、热晶化处理方式、掺杂改性及其在纺织品上复合多功能整理工艺、光催化性能评价方法等方面进行较深入的研究。主要研究内容和创新性成果如下
  一、纳米TiO2水溶胶的低温制备与结晶方式研究
  利用溶胶-凝胶法在过量水体系条件下低温制备了锐钛矿型TiO2水溶胶,并创新性地应用汽蒸热晶化处理方式对TiO2溶胶进行低温结晶,获得了晶型完整、高结晶度和高催化活性的纳米TiO2粉体或薄膜。同时分析和探讨了水量、pH值、反应物的滴加顺序和热晶化方式等对纳米TiO2低温结晶的影响。结果表明:当钛酸四丁酯与水的摩尔比超过1∶100,在100~120℃水汽蒸体系中处理TiO2溶胶后,能使钛酸四丁酯水解得更彻底,所制得的粉体晶型更完善,结晶度高,粒径小且光催化性能好。这种低温汽蒸热晶化处理的方法无须经过高温烧结,可应用于不耐高温的纺织材料上,从而拓宽了纳米TiO2的应用领域。
  二、掺杂金属或非金属离子与纳米TiO2水溶胶的协同效应
  通过掺杂金属和非金属离子到低温制备的纳米TiO2的晶格中或负载到TiO2表面上,可在TiO2中引入缺陷或改变结晶度,使掺杂后的TiO2禁带宽度变窄,影响光生电子与光生空穴的复合,并在可见光条件下也可激发其产生光催化能力,拓宽TiO2的光响应范围。以铁、银、氮和碳等为掺杂元素,通过溶胶-凝胶一步法直接掺杂离子制备掺杂纳米TiO2,并利用它们之间的协同效应来提高TiO2的光催化活性。与未掺杂的TiO2相比,掺杂TiO2在可见光下对亚甲基蓝有很好的降解效果,且掺杂TiO2的光催化活性主要取决于掺杂离子的特性和浓度。将掺杂后的纳米TiO2处理到织物上,可赋予其较好的抗紫外线和抗菌效果。
  三、纳米TiO2/ZnO复合体系的制备及对其光催化性能的影响
  利用纳米ZnO对纳米TiO2表面进行修饰,采用直接混合法和分步沉淀法制备摩尔比为9∶1的TiO2/ZnO复合粉体,比较不同方法制备的纳米复合物的结构与性能差异,分析其对紫外光、紫外-可见光及可见光下的光催化活性和自清洁性能的影响。在纳米TiO2中复合一定量的ZnO,可以使Zn2+作为电子接受体,加强了对电子的争夺,抑制了复合物表面电子-空穴对的复合,从而能导致复合物的表面产生更多的O2-和·OH,使其去除有机物的能力得到了明显的提高。研究结果显示:纳米TiO2/ZnO复合物紫外吸收边带发生了红移,且带隙能减少,使其在可见光下也可以被激发产生光催化活性。同时,利用TiO2/ZnO复合物对织物进行自清洁整理,可赋予织物在太阳光下也具有良好的光催化自清洁性能。
  四、低温制备的纳米TiO2生长控制及多功能整理工艺
  将低温制备的纳米TiO2溶胶应用于棉制品上,分析各种整理工艺对其生长控制和分散均匀性的影响,使处理后的棉织物能具有良好的抗紫外线、抗菌、自清洁和降解VOC等性能。研究表明:采用新型的汽蒸处理方式,在无分散剂存在的情况下,能控制TiO2的生长和水解反应,使其粒子在棉织物上均匀分散,不易团聚,结晶强度高于传统的焙烘和水热整理工艺,且与纤维结合有一定的坚牢度,对织物的理化性能也无明显的影响,并可防止纤维可能产生的裂化现象。
  同时,采用等离子技术对棉纤维表面进行预处理,使纤维表面能产生如C=O,-COOH,CH2-OH等功能性基团,从而可有效地改善纤维与整理剂TiO2的结合牢度,进一步提高织物的耐洗性,并赋予织物持久复合多功能性。
  本文还自主建立了在线检测VOC测试舱,研究利用特殊的传感器、基本评价装置、数据编程、在线检测仪表等组成的织物光催化性能在线VOC检测系统。这个系统可对经纳米TiO2处理后的功能棉织物降解总有机挥发物(TVOC)的性能进行实时监测,且数据可靠,周期短。与传统的采用气相色谱等检测方法相比,检测数据表现为连续测试与记录,速度是传统方法的十几倍,且能定性和定量地进行监测。

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