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表面改性TiO_2光催化作用及对PVC塑料性能影响

【摘要】: 锐钛矿型TiO_2在可见光下一般没有催化活性,只有对其进行改性,降低其禁带宽度或用光敏剂进行光敏化,才能使TiO_2具有可见光催化效果。 本文首次以聚乙烯醇(PVA)和Ti(OH)_4为原料,采用水热法制备工艺,得到了对甲基橙(MO)具有优良可见光催化降解活性、对聚氯乙烯(PVC)塑料具有明显抗菌效果的降解聚乙烯醇(D-PVA)负载TiO_2可见光催化剂(TiO_2/D-PVA)。借助XRD、BET、SEM、TGA、XPS、EPR、UV-vis等分析表征手段,对TiO_2/D-PVA的晶体结构、表面组成、亲油性能和其对甲基橙的可见光催化降解性能进行了系统研究;进一步采用熔融共混法制备得到了TiO_2/D-PVA改性的抗菌PVC塑料,考察了TiO_2/D-PVA对PVC塑料的力学性能、加工流变性能和抗菌性能的影响规律。 研究表明,水热法生成的TiO_2作为路易斯酸催化剂,使PVA失水降解,生成具有共轭C=C结构的D-PVA,并负载在TiO_2粒子表面;由于D-PVA和TiO_2的相互作用,使TiO_2/D-PVA具有较好的可见光催化活性,并能有效地降解甲基橙。研究还表明,TiO_2/D-PVA中TiO_2的晶型均为锐钛矿型,D-PVA负载在TiO_2的表面,没有进入TiO_2的晶格,对TiO_2的晶型无影响;此外,D-PVA能有效抑制TiO_2晶体成长和颗粒团聚,TiO_2/D-PVA比纯TiO_2具有更小的晶体尺寸和更大的BET比表面积。PVA的掺杂量、水热反应温度和水热反应时间都明显地影响TiO_2/D-PVA的晶粒大小、比表面积和光催化活性。随着PVA的掺杂量增加、水热反应温度升高和水热反应时间延长,TiO_2/D-PVA的可见光催化活性呈现先升高而后降低的变化规律;当水热反应温度为180℃、水热反应时间为6h、PVA对TiO_2的质量比为1:10时,制备得到的TiO_2/D-PVA可见光催化活性最高,在可见光连续照射40h后,其对甲基橙降解率达到84%,降解效果为P25的9.2倍。TiO_2/D-PVA对甲基橙的可见光催化降解反应符合一级反应动力学规律,动力学方程为:ln(C_0/C_t)=0.0461t。 在上述研究基础上,还进一步考察了TiO_2/D-PVA对PVC塑料的加工流变性能影响,发现其使PVC塑料非牛顿指数降低;由于TiO_2/D-PVA颗粒较大,使PVC塑料的拉伸强度和断裂伸长率也下降。研究还表明,TiO_2/D-PVA改性PVC塑料具有一定的可见光催化抗菌作用,当TiO_2/D-PVA加入量为8phr时,TiO_2/D-PVA-PVC塑料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别达到76.3%和71.4%。 论文还进一步采用硅烷偶联剂KH-560对载银纳米二氧化钛(TiO_2/Ag~+)粒子进行表面改性,并制备得到了TiO_2/Ag~+-PVC抗菌塑料;考察了改性TiO_2/Ag~+粒子对PVC塑料力学性能、加工流变性能、抗紫外光老化性能和抗菌性能的影响规律。研究发现,KH-560可在TiO_2/Ag~+粒子表面接枝,从而有效降低TiO_2/Ag~+粒子的表面张力,提高其与PVC树脂的相容性,并抑制TiO_2/Ag~+粒子的团聚,有利于其在PVC塑料中分散。TiO_2/Ag~+粒子亲油化度和分散稳定性分析研究表明,KH-560加入量、反应时间和反应温度均明显影响KH-560在TiO_2/Ag~+粒子表面接枝改性效果,当KH-560添加量为TiO_2/Ag~+粒子质量的8%、反应时间为5h、反应温度为78.5℃时,改性效果最好。改性TiO_2/Ag~+粒子能够同时提高PVC塑料的拉伸强度和断裂伸长率,而且随着TiO_2/Ag~+粒子添加量增加,拉伸强度和断裂伸长率呈现先提高后降低的变化趋势。由于改性TiO_2/Ag~+粒子的加入,削弱了PVC分子间的作用力,对PVC塑料起了内润滑作用,使其加工流动性变好。同时发现,表面改性TiO_2/Ag~+能够吸收紫外光,使之转变为热量而散失,从而提高了PVC塑料的抗紫外光老化性能。当改性TiO_2/Ag~+添加量为1phr时,对应的PVC塑料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抗菌率都能达到90%;当添加量为4phr时,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抗菌率则都能达到99%。这些研究表明,可见光催化剂TiO_2/D-PVA和纳米TiO_2/Ag~+具有较好的应用前景。

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