金耀峰, 劉雷艮, 王 薇, 陸 鑫
(1. 常熟理工學(xué)院 紡織服裝與設(shè)計(jì)學(xué)院, 江蘇 常熟 215500; 2. 江蘇省高校新型功能材料重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 常熟 215500; 3. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215021)
二氧化鈦有3種晶型,分別為金紅石、銳鈦礦和板鈦礦,其中金紅石是熱力學(xué)最穩(wěn)定的晶型。金紅石型納米TiO2的光折射率是銳鈦礦型的1.2倍,因此具有良好的光散射效果;因其無(wú)毒無(wú)害,且在紫外區(qū)表現(xiàn)出優(yōu)異的紫外線屏蔽功能,而被廣泛用于織物的紫外線屏蔽劑以及各種抗紫外線產(chǎn)品[1-3]。目前制備納米二氧化鈦的方法有水解法、溶膠-凝膠法、水熱法、氣相法和沉淀法。其中大部分方法都需要經(jīng)過(guò)高溫固相反應(yīng)使銳鈦礦轉(zhuǎn)化為金紅石,這樣易造成納米TiO2的硬團(tuán)聚,影響后續(xù)的使用。目前已有較多研究在低溫下制備金紅石型納米TiO2:Li等[4]在75 ℃和強(qiáng)酸的條件下通過(guò)改變TiCl4的用量制備出了不同形貌的金石型納米TiO2;周忠誠(chéng)等[5]以TiCl4為原料,在70 ℃下液相水解,經(jīng)過(guò)24 h 的陳化得到了金紅石型含量達(dá)到99.24%的納米二氧化鈦。但現(xiàn)有在低溫下制備的金紅石型納米TiO2,均需要消耗大量的酸以及長(zhǎng)時(shí)間的陳化。
納米纖維素是一種天然的高分子聚合物,不僅具有聚合物鏈的纖維素的特征,還具有納米顆粒的性質(zhì)。納米纖維素表面大量的—OH,可與無(wú)機(jī)粒子表面的—OH形成氫鍵作用,誘導(dǎo)無(wú)機(jī)粒子在低溫條件下異質(zhì)成核和生長(zhǎng),并發(fā)育成結(jié)晶完善的晶體[6-8]。因此,利用納米纖維素為模板可在低溫下誘導(dǎo)制備納米TiO2,條件溫和且無(wú)需高溫煅燒。
本文以TiCl4為鈦源,利用納米纖維素表面大量的羥基來(lái)誘導(dǎo)金紅石型納米TiO2在低溫環(huán)境下結(jié)晶,并通過(guò)正交試驗(yàn)研究了不同的反應(yīng)條件對(duì)制備純金紅石型納米TiO2的影響,以期為金紅石型納米TiO2的制備以及織物紫外線屏蔽劑的選擇提供一定的理論參考。
四氯化鈦(TiCl4,分析純,98%),上海麥克林生化科技有限公司;納米纖維素懸浮液(NCC,固含量為2.22%),以微晶纖維素(MCC)為原料,通過(guò)酸水解法制備得到;去離子水,實(shí)驗(yàn)室自備;平紋機(jī)織棉織物,面密度為151 g/m2;緯平針棉織物,面密度為194 g/m2。
儀器:RET control-visc型加熱磁力攪拌器,德國(guó)IKA公司;3-18KS通用型臺(tái)式高速冷凍離心機(jī),德國(guó)SIGMA公司;DZF-6020-T型臺(tái)式真空干燥箱,上海丙林電子科技有限公司;K-Alpha 型X射線光電子能譜儀,美國(guó)TFS公司;S-8100型掃描電子顯微鏡,日本株式會(huì)社日立高新技術(shù)公司;TECNAI G2 F20場(chǎng)發(fā)射投射電子顯微鏡,美國(guó)FEI公司;Zetasizer Nano S型激光粒度儀,英國(guó)Malvern公司;X′ Pert-Pro MPD型X射線衍射儀,荷蘭帕納科公司;TG-209-FI 型熱重-差熱分析儀,德國(guó)耐馳公司。KQ-2200DV 型數(shù)控超聲波洗滌器,昆山市超聲儀器有限公司;UV-1000F紡織品抗紫外線因子測(cè)試儀,美國(guó)Labsphere公司。
以微晶纖維素(MCC)為原料,采用酸水解法制備得到了固含量為2.22%的納米纖維素(NCC)[9]。然后,稱取NCC分散液4.55 g于100 mL的去離子水中,超聲分散30 min,控制水浴溫度,在磁力攪拌條件下,緩慢滴入一定量的TiCl4,反應(yīng)一定時(shí)間。反應(yīng)結(jié)束后,將懸濁液高速離心,洗滌數(shù)次后放入真空干燥箱中,于50 ℃下烘干,最后研磨得到固體粉末狀樣品。金紅石相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過(guò)下式計(jì)算[10]:
式中:WR金紅石TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;IR為金紅石相(110)晶面衍射峰強(qiáng)度;IA為銳鈦礦相(101)晶面對(duì)應(yīng)的衍射峰強(qiáng)度。
1.3.1 溫 度
保持NCC分散液(4.55 g)、去離子水(100 mL)、 反應(yīng)時(shí)間(4 h)和TiCl4用量(1 mL)不變,選擇不同的反應(yīng)溫度(25、40、50、60、70 ℃)進(jìn)行試驗(yàn),得到不同反應(yīng)溫度下的納米TiO2,反應(yīng)結(jié)束后將樣品離心、洗滌、干燥、研磨,樣品編號(hào)為1-1、1-2、1-3、1-4、 1-5。用公式計(jì)算出金紅石納米TiO2的含量。
1.3.2 時(shí) 間
保持NCC分散液(4.55 g)、去離子水(100 mL)、 反應(yīng)溫度(40 ℃)和TiCl4用量(1 mL)不變,選擇不同的反應(yīng)時(shí)間(0.5、1、4、7、24 h)進(jìn)行試驗(yàn),得到不同反應(yīng)時(shí)間下的納米TiO2,反應(yīng)結(jié)束后將樣品離心、洗滌、干燥、研磨,樣品編號(hào)為2-1、2-2、2-3、2-4、2-5。用公式計(jì)算出金紅石納米TiO2的含量。
1.3.3 TiCl4用量
保持NCC分散液(4.55 g)、去離子水(100 mL)、 反應(yīng)溫度(40 ℃)和反應(yīng)時(shí)間(4 h)不變,選擇不同的TiCl4用量(0.5、1、2、3、4 mL)進(jìn)行試驗(yàn),得到不同TiCl4用量下的納米TiO2,反應(yīng)結(jié)束后將樣品離心、洗滌、干燥、研磨。用公式計(jì)算出金紅石納米TiO2的含量。
通過(guò)設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)考察反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和四氯化鈦使用量對(duì)金紅石納米TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響,通過(guò)極差分析得到各影響因素的主次順序,選取每組單因素的最優(yōu)水平,得到最佳試驗(yàn)方案,為純金紅石納米TiO2的制備提供工藝改進(jìn)方案。
1.5.1 晶型分析及金紅石納米TiO2含量的測(cè)定
采用X射線衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試分析,掃描范圍5°~80°,掃描速率為5(°)/min。
1.5.2 表面形貌觀察及粒徑表征
采用Nano Measurer軟件選取SEM照片上的200個(gè)樣品,得到樣品的粒徑分布曲線。
1.5.3 熱力學(xué)表征
采用熱重分析儀分析測(cè)試樣品熱穩(wěn)定性,以氮?dú)庾鳛楸Wo(hù)氣體,設(shè)置升溫范圍25~800 ℃, 升溫速率為10 ℃/min
1.5.4 表面元素表征
采用X射線光電子能譜儀測(cè)試分析金紅石型納米TiO2的元素組成。全譜掃描:通能為160 eV;窄譜掃描:通能為40 eV。
選取2 g/L的金紅石納米TiO2水分散液,超聲分散30 min,采用二浸二軋的工藝將整理液分別整理到平紋機(jī)織棉織物和緯平針棉織物上。按照GB/T 18830—2009《紡織品 防紫外線性能的評(píng)定》,采用 Labsphere UV-1000F 紡織品抗紫外線因子測(cè)試儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試波長(zhǎng)間隔為 5 nm,紫外線輻射波長(zhǎng)為290~450 nm。
2.1.1 反應(yīng)溫度
其人剛直,所糾察彈劾之人,不論身份貴賤,一概按律論處,因而不為周遭大臣所喜,被陷害帶兵討賊。周處雖知此戰(zhàn)必?cái)?,卻也悍不畏死,仗劍出征,最終以身殉國(guó),被追封為平西將軍。西戎校尉閻瓚上詩(shī)說(shuō):“周處全臣節(jié),美名不能已。身雖遭覆沒(méi),載名為良史。”
圖1示出不同反應(yīng)溫度下樣品的衍射峰??煽闯?,晶體衍射峰2θ處對(duì)應(yīng)的d值均與金紅石相JCPDS 65-0191和銳鈦礦相JCPDS 21-1272所對(duì)應(yīng)的d值所吻合[11],其中:R110、R101、R111、R211、R220、R002、R301和R112分別對(duì)應(yīng)金紅石相;A101、A004、A200和A204分別對(duì)應(yīng)的是銳鈦礦相,說(shuō)明產(chǎn)物中只存在這2種晶相。1-1號(hào)樣品在27.4°處對(duì)應(yīng)的是金紅石相的最強(qiáng)衍射峰,其余衍射峰也分別與金紅石相一一對(duì)應(yīng),因此1-1號(hào)樣品為金紅石相。1-5號(hào)樣品在25.5°處對(duì)應(yīng)的是銳鈦礦相的最強(qiáng)衍射峰,其余衍射峰也分別與銳鈦礦相一一對(duì)應(yīng),因此1-5號(hào)樣品為銳鈦礦相。而1-2~1-4號(hào)樣品則對(duì)應(yīng)了金紅石和銳鈦礦2種衍射峰,說(shuō)明1-2~1-4樣品出現(xiàn)了混晶相的情況。
圖1 不同反應(yīng)溫度下樣品的XRD圖
表1示出不同反應(yīng)溫度下樣品中金紅石納米TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。可知,隨反應(yīng)溫度的上升,有利于形成銳鈦礦相,當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃時(shí),納米TiO2樣品中均為銳鈦礦相。這是因?yàn)楫?dāng)體系的反應(yīng)溫度較低時(shí),納米TiO2初級(jí)粒子生長(zhǎng)較慢,在納米纖維素誘導(dǎo)下有利于聚集結(jié)晶成為金紅石型晶核,再進(jìn)一步反應(yīng)便可得到金紅石納米TiO2。
表1 不同反應(yīng)溫度下樣品中金紅石納米TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)
納米纖維素分子中每個(gè)葡萄糖單元含有3個(gè)極性羥基,同時(shí)具備高比表面積和超強(qiáng)的吸附能力。在制備過(guò)程中,鈦前驅(qū)體水溶液中的Ti4+離子會(huì)與納米纖維素溶液中的羥基形成配位鍵,經(jīng)水解反應(yīng)后生成Ti(OH)4,與納米纖維素形成分子內(nèi)和分子間的氫鍵。進(jìn)一步水解后,氧化鈦和纖維素聚合物基質(zhì)沉淀,最終得到了附著在納米纖維素上納米TiO2[12-13]。隨著反應(yīng)溫度的升高會(huì)導(dǎo)致銳鈦礦相初級(jí)粒子的生產(chǎn)速率大于溶解速率,從而生長(zhǎng)成銳鈦礦相晶核,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,最終形成了銳鈦礦相納米TiO2[14-15],溫度較低的情況下有利于金紅石納米TiO2的制備。因此,選擇25 ℃為最佳反應(yīng)溫度。
2.1.2 反應(yīng)時(shí)間
圖2示出不同反應(yīng)時(shí)間下樣品的衍射峰??梢钥闯觯?-1號(hào)樣品是純銳鈦礦相,2-2、2-3和2-5號(hào)是混晶相,2-4號(hào)是純金紅石納米TiO2。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),有利于形成金紅石相。從0.5~7 h的時(shí)間納米TiO2體系中產(chǎn)生了從純銳鈦礦相—混晶相—金紅石相的轉(zhuǎn)變。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到7 h時(shí),納米TiO2樣品中為純金紅石相,這是因?yàn)榻鸺t石相對(duì)于銳鈦礦相具有更高的熱力學(xué)穩(wěn)定性,因而反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),有利于晶體發(fā)育得更加完善,晶型也逐漸向熱力學(xué)穩(wěn)定性更高的金紅石相轉(zhuǎn)變。但經(jīng)過(guò)24 h的反應(yīng),體系內(nèi)金紅石型的含量減少了,這可能是一部分初級(jí)粒子在反應(yīng)過(guò)程中被周圍環(huán)境所吞噬溶解導(dǎo)致最終沒(méi)有成功轉(zhuǎn)變成純金紅石相[7],結(jié)果見(jiàn)表2所示。因此,選擇7 h為最佳反應(yīng)時(shí)間。
圖2 不同反應(yīng)時(shí)間下樣品的XRD圖
表2 不用反應(yīng)時(shí)間下樣品中金紅石納米TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)
2.1.3 TiCl4用量
圖3示出不同TiCl4用量下樣品的XRD圖,可以看出隨著TiCl4用量的增加,樣品從混晶相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石相,當(dāng)用量達(dá)到3和4 mL時(shí),銳鈦礦相完全消失。從表3中的計(jì)算數(shù)據(jù)也可以看出這一趨勢(shì)。有研究表明,銳鈦礦相對(duì)于金紅石相在所有溫度和壓力條件下都是優(yōu)先生成的亞穩(wěn)態(tài)相,且3種TiO2晶體的基本結(jié)構(gòu)單元均為TiO6八面體,但排列方式和連接方式不同[16]。強(qiáng)酸性介質(zhì)可以促進(jìn)相變以及加速晶核的生長(zhǎng)發(fā)育[17],使得TiO6八面體發(fā)生結(jié)構(gòu)重組,從而使體系內(nèi)的亞穩(wěn)態(tài)相轉(zhuǎn)變更穩(wěn)定的金紅石相。而當(dāng)體系內(nèi)TiCl4濃度增加時(shí),反應(yīng)生成的HCl也不斷增加,從而為反應(yīng)體系提供了強(qiáng)酸環(huán)境,更有利于金紅石納米TiO2的形成,結(jié)果見(jiàn)表3所示。因此,選擇3 mL為最佳TiCl4用量。
圖3 不同TiCl4用量下樣品的XRD圖
表3 不同TiCl4用量下樣品中金紅石納米TiO2的含量
以單因素試驗(yàn)選取的反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和TiCl4用量(以A、B、C表示)3個(gè)因素為自變量,以金紅石納米TiO2的含量為指標(biāo),進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn),表4示出正交試驗(yàn)結(jié)果。從表中的極差分析可以看出,對(duì)金紅石型納米TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響因素從大到小的順序分別是反應(yīng)溫度、TiCl4、反應(yīng)時(shí)間。因此可以得出,制備金紅石型納米TiO2的最優(yōu)組合為A1B1C3,即反應(yīng)溫度為25 ℃,反應(yīng)時(shí)間為1 h,TiCl4用量為3 mL,選擇此最優(yōu)組合制備純金紅石納米TiO2。
表4 正交試驗(yàn)與結(jié)果
圖4中4-2~4-5號(hào)樣品分別對(duì)應(yīng)的是正交試驗(yàn)中2~5號(hào)樣品,4-1號(hào)樣品是在最佳工藝條件下制備得到的金紅石納米TiO2,晶體衍射峰2θ處對(duì)應(yīng)的d值均與金紅石相JCPDS 65-0191所對(duì)應(yīng),且4-1號(hào)樣品在27.4°對(duì)應(yīng)的衍射峰比其它樣品對(duì)應(yīng)的衍射峰要尖銳一些,說(shuō)明最佳工藝條件更有利于得到結(jié)晶度好的金紅石納米TiO2。
圖4 最佳工藝條件和不同反應(yīng)條件下金紅石納米TiO2的XRD圖
圖5示出樣品的SEM圖像。由圖5(a)可以看出,用NCC誘導(dǎo)制備得到的金紅石納米TiO2的分散性較好,可以觀察到大量均勻分布的納米顆粒,這表明此合成方法適于大規(guī)模制備納米晶體。通過(guò)
圖5(b)的放大圖可以發(fā)現(xiàn),金紅石納米TiO2呈“刺球狀”結(jié)晶在NCC的晶須上,尺寸約100~200 nm 之間。圖5(c)和(d)是樣品的TEM圖像,根據(jù)圖5(c)可以觀察到,此“刺球狀”結(jié)構(gòu)是TiO2納米棒從中心徑向生長(zhǎng)聚集得到的。這些結(jié)構(gòu)分散協(xié)調(diào),具有明顯的幾何對(duì)稱性。從圖5(d)可以看到是一些長(zhǎng)為100~200 nm,寬為10~15 nm 的納米針在NCC上的結(jié)晶,這可能是并未發(fā)育完全的刺球狀聚集體,可見(jiàn)這些刺球狀聚集體并不是一開(kāi)始就形成的,TiO2晶體首先發(fā)育成納米針,經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的反應(yīng)和攪拌使得這些納米針不斷碰撞和聚集,逐漸形成了“刺球狀”結(jié)構(gòu),減小了晶體的表面能[4,7]。
圖5 樣品的形貌圖
圖6分別示出圖5(a)中所選取200個(gè)樣品的粒徑分布曲線和累積粒度分布曲線圖。由曲線a可知,這200個(gè)樣品的粒徑大小大致分布在50~300 nm, 且其中大部分樣品的粒徑都集中在100~200 nm, 可見(jiàn)金紅石納米TiO2的尺寸分布較為均勻。由曲線b可以看到,樣品金紅石納米TiO2在100 nm處的累積粒度分布幾乎為零,在250 nm過(guò)后基本則趨近于100%,幾乎所有樣品的尺寸都小于250 nm,從而進(jìn)一步證明所制備的金紅石納米TiO2的尺寸集中分布在100~250 nm。
圖6 樣品的粒徑分布圖
為考察所制備金紅石納米TiO2的熱穩(wěn)定性,研究了金紅石納米TiO2的TG和DTG曲線,結(jié)果如圖7所示??梢钥闯觯苽涞慕鸺t石納米TiO2的失重主要經(jīng)歷了140 ℃以下、140~300 ℃和300~460 ℃ 3個(gè)階段。第一階段的失重是NCC的初級(jí)氧化、游離水分及結(jié)合水的蒸發(fā),其中結(jié)合水占主要部分,這是由于NCC 表面裸露的—OH對(duì)水分子的大量吸附。第二階段的熱失重是NCC的氧化分解和碳化,因?yàn)?40 ℃左右是游離纖維素開(kāi)始氧化分解的溫度。隨著溫度的升高,到300~460 ℃階段的熱失重是NCC的進(jìn)一步氧化分解和碳化以及與納米TiO2結(jié)合相互作用的纖維素的氧化分解。460 ℃之后,樣品的相對(duì)質(zhì)量趨于穩(wěn)定。從TG曲線的分析結(jié)果可以看出NCC和金紅石納米TiO2之間存在穩(wěn)定的化學(xué)鍵。另一方面,從DTG圖可以看到,樣品最終的質(zhì)量損失率為80.1%,剩余成分主要是金紅石型納米TiO2以及極少的NCC殘留物。從樣品的熱重曲線的分析結(jié)果可以進(jìn)一步看出金紅石納米TiO2成功結(jié)晶于NCC上,且NCC和金紅石納米TiO2之間存在穩(wěn)定的化學(xué)鍵。
圖7 金紅石納米TiO2的TG和DTG曲線
圖8示出金紅石納米TiO2的XPS譜圖??煽闯?,在低能端出現(xiàn)了Ti,O,C 3種元素,各峰均都與TiO2以及纖維素的元素峰對(duì)應(yīng),表明表面樣品中的主要成分是TiO2。C 1 s譜圖中峰值(A) 288.4 eV、(B) 286.1 eV、(C) 284.3 eV處分別對(duì)應(yīng)C—O鍵、C—OH鍵和C—C鍵,碳氧極性鍵的存在有助于納米TiO2在NCC表面的成核。O 1 s譜圖中(D) 531.5 eV和(E) 529.3 eV處的峰分別對(duì)應(yīng)Ti—OH鍵和Ti—O—Ti鍵,表明NCC和TiO2之間存在化學(xué)鍵合。樣品Ti 2p譜圖見(jiàn)圖(d)所示,其光電子峰是一個(gè)雙峰,(F) 458.7 eV和(G) 464.6 eV處分別對(duì)應(yīng)Ti 2p3/2和Ti 2p1/2軌道的電子躍遷。因此,XPS結(jié)果也證實(shí)了在室溫下NCC成功誘導(dǎo)制備了結(jié)晶性的TiO2。
圖8 金紅石納米TiO2的XPS圖譜
根據(jù)GB/T 18830—2009《紡織品 防紫外線性能的評(píng)定》規(guī)定,紡織品樣品UPF值>40,T(UVA)AV<5%時(shí),可稱為“防紫外線產(chǎn)品”。未經(jīng)處理的平紋棉機(jī)織物和緯平針棉織物原布的UPF值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于40,達(dá)不到抗紫外線的目的,而經(jīng)過(guò)金紅石納米TiO2處理過(guò)后,平紋機(jī)織棉織物和緯平針棉織物的UPF值分別達(dá)到了56.53和49.78,且UVA的透過(guò)率僅為3.28和4.40,均達(dá)到了防紫外線產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn),結(jié)果見(jiàn)表5所示。可見(jiàn),用此方法制備的金紅石納米TiO2具有優(yōu)異的紫外線屏蔽性能。
表5 金紅石納米TiO2的紫外線屏蔽性能
本文以納米纖維素為模板,在室溫下短時(shí)間內(nèi)制備了尺寸分布均勻、結(jié)晶度高的“刺球狀”金紅石納米TiO2。通過(guò)對(duì)金紅石納米TiO2的晶型結(jié)構(gòu)、表面形貌、熱穩(wěn)定性能、表面元素和紫外線屏蔽性能的分析,得出了以下結(jié)論。
1)納米纖維素表面大量的羥基可以與無(wú)機(jī)粒子之間形成氫鍵作用,在低溫下便可有效促進(jìn)納米TiO2在其表面晶須上異質(zhì)成核生長(zhǎng),并發(fā)育為結(jié)晶完善的晶體。
2)通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化,得到金紅石納米TiO2的最優(yōu)制備工藝:反應(yīng)溫度為25 ℃,反應(yīng)時(shí)間為1 h,TiCl4用量為3 mL。在最優(yōu)工藝條件下制備得到的金紅石納米TiO2呈“刺球狀”,結(jié)晶度好。
3)制備得到的金紅石納米TiO2具有良好的紫外線屏蔽性能,經(jīng)整理過(guò)后的棉織物其抗紫外線性能得到了顯著提高,達(dá)到了防紫外線產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。