《TiO2 表面包覆SiO2 和Al2O3 的机理和结构分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《TiO2 表面包覆SiO2 和Al2O3 的机理和结构分析（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、研 究 简 报 TiO 2 表 面 包 覆 SiO 2 和 A l2O 3 的 机 理 和 结 构 分 析崔 爱 莉 王 亭 杰 金 涌 肖 帅 刚 盖 旭 东(清 华 大 学 化 工 系 , 北 京 , 100084)关 键 词 二 氧 化 钛 , 包 覆 , 二 氧 化 硅 , 三 氧 化 铝分 类 号 O 612. 4收 稿 日 期 : 1997212216. 联 系 人 : 金 涌 . 第 一 作 者 : 崔 爱 莉 , 女 , 36 岁 , 博 士 研 究 生 .在 二 氧 化 钛 的 表 面 上 包 覆 一 层 保 护 膜 , 使 二 氧 化 钛 的 表 面 和 周 围 介 质 之
2、 间 产 生 屏 障 , 从而 降 低 二 氧 化 钛 的 光 化 学 活 性 , 有 利 于 提 高 二 氧 化 钛 的 分 散 性 、 耐 光 性 、 耐 候 性 和 抗 粉 化 性 .影 响 颗 粒 包 膜 均 匀 性 和 致 密 性 的 主 要 因 素 是 颗 粒 的 分 散 、 加 料 方 式 、 溶 液 的 酸 度 和 陈 化 时 间等 . 包 膜 的 均 匀 性 和 致 密 性 直 接 影 响 钛 白 粉 的 各 项 性 能 指 标 .我 国 高 档 钛 白 粉 一 直 靠 国 外 进 口 , 因 而 研 究 二 氧 化 钛 表 面 处 理 对 提 高 钛 白 粉 的 质 量 和
3、 应用 具 有 重 要 的 意 义 . 本 文 报 道 了 二 氧 化 钛 表 面 包 硅 和 包 铝 膜 的 机 理 和 包 膜 的 表 面 结 构 研 究 结果 .1 实 验 部 分 1. 1 包 膜 实 验 向 含 有 20% 30% 的 二 氧 化 钛 浆 液 中 加 入 分 散 剂 , 调 节 溶 液 pH = 915 进 行预 分 散 . 在 85 90 条 件 下 , 控 制 SiO 2 与 T iO 2 的 质 量 比 为 2% 3% , 用 硅 酸 钠 调 溶 液 的pH = 815, 陈 化 2 h, 完 成 包 硅 膜 . 在 此 基 础 上 , 维 持 温 度 在 70
4、 , pH = 815, 加 入 硫 酸 铝 和稀 氢 氧 化 钠 , 硫 酸 铝 的 化 学 计 量 控 制 在 A l2O 3 T iO 2= 3% (质 量 分 数 ) , 用 硫 酸 铝 调 浆 液 的 pH至 710, 陈 化 4 h, 水 洗 至 无 SO 2-4 , 过 滤 , 100 干 燥 , 得 到 硅 铝 二 元 包 膜 的 二 氧 化 钛 .1. 2 T iO 2 的 F电 位 的 测 定 用 美 国 B rookhaven 公 司 的 Zeta p lu s 电 位 仪 对 T iO 2 进 行 测定 1 . 结 果 见 图 1. 由 图 1 可 以 看 出 , pH
5、 = 10 左 右 F电 位 值 最 大 , 表 明 此 时 排 斥 力 最 大 , 有 利于 T iO 2 的 单 分 散 .1. 3 样 品 表 征 把 表 面 包 膜 的 T iO 2 用 H 2900 高 分 辨 透 射 电 镜 进 行 形 貌 分 析 , 结 果 见 图 2.用 美 国 PE 公 司 PH I25300 ESCA 型 X 光 电 子 能 谱 仪 微 区 扫 描 进 行 表 面 成 分 分 析 , 结 果 见 表1.Table 1 Elemen t con ten ts(% ) on the surface of coated and uncoated TiO 2 pa
6、rticlesE lem ent A l Si T i OU ncoated 0 0 23. 42 76. 58Coated 10. 76 22. 37 2. 31 64. 562 包 膜 机 理 分 析2. 1 二 氧 化 钛 的 单 分 散 二 氧 化 钛 粒 子 直 径 通 常 在 0. 2 0. 4 Lm 左 右 . 由 于 粒 子 较 小 , 粒子 本 身 呈 严 重 的 凝 聚 状 态 . 为 了 提 高 包 膜 质 量 , 必 须 首 先 把 T iO 2 分 散 成 单 颗 粒 状 态 , 这 样 才能 在 每 个 T iO 2 粒 子 表 面 包 覆 一 层 硅 铝 膜 .
7、如 果 分 散 不 好 , 将 在 二 氧 化 钛 粒 子 的 团 聚 体 上 包覆 一 层 硅 铝 膜 , 从 而 严 重 影 响 产 品 的 性 能 .由 于 颗 粒 表 面 带 有 电 荷 , 溶 液 中 一 些 带 反 号 电 荷 的 离 子 靠 库 仑 引 力 紧 密 吸 附 在 颗 粒 表 面构 成 吸 附 层 , 形 成 双 电 层 , 由 此 产 生 Zeta 电 位 (F电 位 ). F电 位 越 大 , 由 颗 粒 的 双 电 层 产 生 的V o l. 19 高 等 学 校 化 学 学 报 N o. 111 9 9 8 年 11 月 CH EM ICAL JOU RNAL
8、 O F CH IN ESE UN IV ERS IT IES 1727 1729斥 力 越 大 , 越 有 利 于 颗 粒 分 散 , 当 颗 粒 的 F电 位 等 于 0 时 (即 等 电 点 ) , 颗 粒 之 间 的 库 仑 排 斥力 将 完 全 消 失 . 当 库 仑 排 斥 力 远 小 于 范 德 华 力 时 , 颗 粒 将 发 生 团 聚 . T iO 2 的 F电 位 如 图 1 所示 . 从 图 1 可 见 , 等 电 点 pH = 316, 而 pH = 10 时 F电 位 最 大 (F= 4318 mV ). 当 pH 较 低 时 , F电 位 较 小 , 不 利 于 分
9、 散 , T iO 2 本 身 呈 严 重 的 凝 聚 状 态 而 不 利 于 包 膜 . 所 以 , 进 行 T iO 2 单 分 散的 最 佳 条 件 是 pH = 9 10 (包 覆 T iO 2 颗 粒 的 电 镜 图 象 见 图 2).F ig. 1 The pH dependence of F-poten tials of TiO 2 F ig. 2 The TEM image of coated TiO 2 particles2. 2 硅 酸 聚 合 速 度 的 影 响 包 硅 的 方 法 是 在 分 散 的 T iO 2 浆 液 中 加 入 硅 酸 钠 和 稀 硫 酸 溶 液
10、,硅 酸 钠 水 解 成 硅 酸 , 包 覆 在 T iO 2 表 面 , 形 成 致 密 膜 . 水 解 过 程 中 , 涉 及 到 成 核 包 覆 和 成 膜 包覆 的 竞 争 . 一 旦 溶 液 中 局 部 H + 浓 度 过 高 , 硅 酸 形 成 过 快 , 将 导 致 活 性 硅 酸 的 自 身 成 核 , 沉 积在 T iO 2 表 面 , 造 成 成 核 包 覆 . 但 如 果 控 制 硅 酸 的 形 成 速 度 , 则 可 在 T iO 2 表 面 形 成 均 匀 致 密的 SiO 2 膜 .在 全 部 pH 范 围 内 , 硅 酸 溶 液 胶 凝 时 间 和 pH 的 半
11、对 数 关 系 呈 现 出 一 条 完 整 的 “ N ” 型 曲F ig. 3 The relation sh ip of gellingtime with pH线 , 如 图 3 所 示 .不 同 复 杂 度 的 硅 酸 胶 凝 时 间 随 pH 的 变 化 情 况 不 一致 2 , 当 硅 酸 钠 的 模 数 为 3, 酸 化 剂 为 硫 酸 时 , pH 3 或pH = 9 10 时 , 硅 酸 胶 凝 速 度 最 慢 , pH = 6 8 时 , 硅 酸 胶凝 速 度 最 快 , 这 就 为 形 成 均 匀 致 密 膜 从 理 论 上 指 明 了 方向 . 即 在 “ N ” 型 曲
12、 线 最 高 点 附 近 对 应 的 pH 范 围 内 包 膜 ,可 望 得 到 薄 厚 基 本 均 匀 的 连 续 致 密 膜 . 而 在 曲 线 低 点 附 近对 应 的 pH 范 围 内 包 膜 , 由 于 硅 酸 聚 合 速 度 过 快 , 不 利 于逐 渐 沉 积 到 T iO 2 粒 子 表 面 形 成 成 膜 包 覆 , 而 生 成 许 多 小球 形 的 SiO 2 粒 子 , 从 而 产 生 成 核 包 覆 .3 包 覆 界 面 的 结 构 分 析对 未 包 膜 和 已 包 膜 的 二 氧 化 钛 进 行 了 XPS 测 定 . XPS 能 够 测 定 表 面 层 中 相 对
13、含 量 在011% 以 上 的 各 个 元 素 的 种 类 和 相 对 含 量 . 每 个 元 素 都 有 自 己 的 XPS 特 征 峰 , 并 构 成 各 个 元素 固 有 的 能 谱 图 . 在 谱 图 上 所 指 出 的 光 电 子 结 合 能 有 时 偏 离 元 素 在 正 常 原 子 状 态 的 数 值 , 形成 化 学 位 移 . 产 生 化 学 位 移 的 主 要 原 因 是 周 围 化 学 环 境 的 改 变 . 化 学 位 移 现 象 可 以 用 原 子 的静 电 模 型 来 解 释 . 原 子 中 的 内 层 电 子 主 要 受 原 子 核 强 烈 的 库 仑 作 用 ,
14、 使 电 子 在 原 子 内 具 有 一定 的 结 合 能 , 同 时 内 层 电 子 又 受 到 外 层 电 子 的 屏 蔽 作 用 , 因 此 , 当 外 层 电 子 密 度 减 小 的 时 候 ,屏 蔽 作 用 将 减 弱 , 内 层 结 合 能 增 加 , 反 之 , 结 合 能 将 减 小 .未 包 膜 的 T iO 2 只 有 T i 峰 , 而 包 膜 的 T iO 2 中 除 了 有 较 弱 的 T i 峰 外 , 还 有 Si 峰 和 A l 峰 ,并 且 Si 峰 和 A l 峰 比 T i 峰 强 . 从 表 面 原 子 成 分 分 析 结 果 (如 表 1) 也 可 以
15、 看 出 , 表 面 主 要 元 素是 Si 和 A l, 少 量 的 T i 是 由 于 包 覆 不 完 全 而 产 生 的 .8271 高 等 学 校 化 学 学 报 V o l. 19从 T i 元 素 谱 图 可 以 看 出 , 未 包 膜 的 T i 的 2p 轨 道 的 电 子 结 合 能 为 461 eV , 而 包 膜 后 的T i 的 2p 轨 道 的 电 子 结 合 能 为 462 eV , 比 未 包 膜 的 升 高 1 eV , 并 且 包 膜 比 未 包 膜 的 峰 复 杂 ,出 现 了 一 些 肩 峰 . 从 实 验 结 果 可 以 推 测 : Si 和 A l 以
16、 化 学 键 结 合 于 T iO 2 表 面 , 形 成 了Si- O - T i键 , 而 Si 的 电 负 性 比 T i 的 大 , T i 周 围 的 电 子 密 度 减 小 , 屏 蔽 效 应 减 小 , 电 子 结 合能 有 所 增 加 .参 考 文 献1 ZHOU Zu2Kang (周 祖 康 ) , GU T i2Ren (顾 惕 人 ) , M A J i2M ing (马 季 铭 ). P relim inary Co llo id Chem istry (胶 体 化 学 基础 ). Beijing: Beijing U niversity P ress, 19872 L IU H ua (刘 华 ) , HU W en2Q i(胡 文 启 ). P roduction and A pp lication
