納米氧化鈦是一種物質，其具有十分寶貴的光學性質，在汽車工業及諸多領域都顯示出美好的發展前景。
基本介紹
- 中文名：納米氧化鈦
- 外文名：TiO2
- 性質：十分寶貴的光學性質
- 功能：殺菌功能
- 特點：抗菌能力強，抗菌範圍廣
- 顏色：白色
納米二氧化鈦還具有很高的化學穩定性、熱穩定性、無毒性、超親水性、非遷移性，且完全可以與食品接觸，所以被廣泛套用於抗紫外材料、紡織、光催化觸媒、自潔玻璃、防曬霜、塗料、油墨、食品包裝材料、造紙工業、航天工業中。
1.殺菌功能
在紫外線作用下，以0.1mg/cm3濃度的超細TiO2可徹底地殺死惡性海拉細胞，而且隨著超氧化物歧化酶（SOD）添加量的增多，TiO2光催化殺死癌細胞的效率也提高；用TiO2光催化氧化深度處理自來水，可大大減少水中的細菌數，飲用後無致突變作用，達到安全飲用水的標準。在塗料中添加納米二氧化鈦可以製造出殺菌、防污、除臭、自潔的抗菌防污塗料，可套用於醫院病房、手術室及家庭衛生間等細菌密集、易繁殖的場所，可有效殺死大腸桿菌、黃色葡萄糖菌等有害細菌，防止感染。因此，納米納米二氧化鈦能淨化空氣，具有除臭功能。
1）納米二氧化鈦（同TG01）抗菌特點：
1 對人體安全無毒，對皮膚無刺激性。
2 抗菌能力強，抗菌範圍廣。
3 無臭味、怪味，氣味小。
4耐水洗，儲存期長。
5熱穩定性好，高溫下不變色，不分解，不揮發，不變質。
6即時性好，納米二氧化鈦抗菌劑僅需1h就能發揮效果，而其他銀系抗菌劑效果則需約24h。
7納米二氧化鈦是一種永久性維持抗菌效果的抗菌劑。
8具有很好的安全性，科用於食品添加劑等，與皮膚接觸無不良影響。
2）納米二氧化鈦的抗菌原理：
納米二氧化鈦在光催化作用下使細菌分解而達到抗菌效果的。由於納米二氧化鈦的電子結構特點為一個滿 TiO2的價帶和一個空的導帶 ,在水和空氣的體系中 , 納米二氧化鈦在陽光尤其是在紫外線的照射下 ,當電子能量達到或超過其帶隙能時 ,電子就可從價帶激發到導帶 ,同時在價帶產生相應的空穴 ,即生成電子、空穴對 ,在電場的作用下 ,電子與空穴發生分離 ,遷移到粒子表面的不同位置 ,發生一系列反應 :
TiO2 + hν e —— + h
H2O + h—— ·OH+ H
O2 +e—— O2 ·
O2 ·+ H—— HO2·
2HO2· —— O2 + H2O2
H2O2 +O2 · —— ·OH+OH +O2
吸附溶解在 TiO2 表面的氧俘獲電子形成O2 ·, 生成的超氧化物陰離子自由基與多數有機物反應(氧化) ,同時能與細菌內的有機物反應 ,生成 CO2和 H2O;而空穴則將吸附在 TiO2 表面的 OH 和H2O氧化成·OH,·OH 有很強的氧化能力 ,攻擊有機物的不飽和鍵或抽取 H原子產生新自由基 ,激發鏈式反應 ,最終致使細菌分解。
TiO2 的殺菌作用在於它的量子尺寸效應 ,雖然鈦白粉(普通 TiO2)也有光催化作用 ,也能夠產生電子、空穴對 ,但其到達材料表面的時間在微秒級以上 ,極易發生複合 ,很難發揮抗菌效果，而達到納米級分散程度的 TiO2 ,受光激發的電子、空穴從體內遷移到表面 ,只需納秒、皮秒、甚至飛秒的時間 ,光生電子與空穴的複合則在納秒量級 ,能很快遷移到表面 ,攻擊細菌有機體 ,起到相應的抗菌作用。
納米二氧化鈦具有很高的表面活性，抗菌能力強，產品易於分散。經試驗表明，納米二氧化鈦對綠膿桿菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌和麴黴菌等具有很強的殺菌能力，已廣泛套用於紡織、陶瓷、橡膠、醫藥等領域的抗菌產品，深受廣大用戶的歡迎。
3）國內外對納米二氧化鈦抗菌性的研究及套用實例
1 農田抗菌劑：日本開發了一種新型無菌殺菌劑。其主要成分為納米二氧化矽、納米二氧化鈦和銀、銅等離子，可用於土壤中，對所有的細菌都有很強的抗菌性。改殺菌劑是陶瓷類微量混合金屬離子，並在含有相同離子的催化劑作用下，具有使土壤中的氧活化之功能，該功能能持續時間長達2-5年。
2 衛生陶瓷潔具：陶瓷的燒結溫度很高，故只能添加高溫下穩定的無菌抗菌劑。日本最近開發出的用納米二氧化矽包覆的抗菌陶瓷用品。其製造工藝是先將納米二氧化鈦加水製成漿料塗在陶瓷表面上，高溫燒結即得到1微米厚的光催化納米二氧化鈦薄膜產品。在光照射下，就能完全殺死其表面的細菌。微量在微弱光下也有抗菌性，可在納米二氧化鈦漿料中加銀、銅等離子化合物。這種陶瓷的持久性、耐酸和耐鹼行好，是醫藥、賓館、家庭浴缸、地磚、衛生設施等抗菌除臭的理想陶瓷。
3 水處理：美國德克薩斯大學研究人員利用納米二氧化鈦和太陽光進行滅菌。他們將大腸桿菌和納米二氧化鈦混合液在大於380nm的光線照射下，發現大腸桿菌被迅速殺死。這種技術有可能成為用氯化方法水處理的代用技術。
4新型抗菌螢光燈：日本製作新開發了具有抗菌作用的信息螢光燈，並於1997年商品化。這種燈壽命長，節能，套用前景廣闊。該等表面塗布了光催化殺菌劑納米二氧化鈦，能分解等表面的油漬、空氣中的菌類異臭等。清掃勝利，且具有防止燈光發暗的效果。
5抗菌纖維：抗菌纖維和除臭纖維是信息的功能纖維，這些是將納米二氧化鈦、納米二氧化矽、納米氧化鋅(JS03)等微粉摻入天然、人工聚合物或長絲中，再紡制出各種抗菌和除臭纖維。抗菌纖維具有優良的保健功能。
6 抗菌建材和抗菌塗料：據報導，抗菌鈦可殺死周圍的菌類，具有抗菌、防鏽、分解異臭、防污、減少二氧化氮含量等功能。不僅能將房間內新建材、粘結劑等產生的甲醛、吸菸產生的乙醛、家庭灰塵等產生的甲硫醇等有機異臭在紫外線照射下分解而消除掉，還能分解油分和有機物的表面污染。對油膜帶3日照射就可以明顯減少，5日照射就不留痕跡。對有機染料經3日照射，顏色就可消退。利用這種性能，可將抗菌鈦用作外壁和內牆裝飾材料。
在建築物的屋頂和外牆上、醫院手術室的手術台和牆壁上常附著細菌如果塗刷光催化納米二氧化鈦塗層或牆磚，在陽光或室內弱光照射下，細菌能很快消滅。而且，經雨水沖刷科隨時把氧化分解後的污垢物沖刷掉。
7殺滅口腔微生物：納米二氧化鈦能殺滅S.Mutans株AHT(血清型)，還能殺滅倉鼠屬鏈球菌SH-6、鼠屬鏈球菌FA-1和黏性放線菌ATCC-19246。研究表明，納米二氧化鈦粒度越細、分散性越好、比表面積越大，殺菌效果越好。
2.2防紫外線功能
納米氧化鈦（T25）既能吸收紫外線，又能反射、散射紫外線，還能透過可見光，是性能優越、極有發展前途的物理禁止型的紫外線防護劑。
納米氧化鈦的抗紫外線機理：
按照波長的不同,紫外線分為短波區190～280 nm、中波區280～320 nm、長波區320～400nm。短波區紫外線能量最高,但在經過離臭氧層時被阻擋,因此,對人體傷害的一般是中波區和長波區紫外線。
納米氧化鈦的強抗紫外線能力是由於其具有高折光性和高光活性。其抗紫外線能力及其機理與其粒徑有關:當粒徑較大時,對紫外線的阻隔是以反射、散射為主,且對中波區和長波區紫外線均有效。防曬機理是簡單的遮蓋,屬一般的物理防曬,防曬能力較弱;隨著粒徑的減小,光線能透過納米二氧化鈦的粒子面,對長波區紫外線的反射、散射性不明顯,而對中波區紫外線的吸收性明顯增強。其防曬機理是吸收紫外線,主要吸收中波區紫外線。
由此可見, 納米氧化鈦對不同波長紫外線的防曬機理不一樣,對長波區紫外線的阻隔以散射為主,對中波區紫外線的阻隔以吸收為主。
納米氧化鈦在不同波長區均表現出優異的吸收性能，與其他有機防曬劑相比，納米二氧化鈦具有無毒、性能穩定、效果好等特點。日本資生堂套用10-100nm的納米二氧化鈦作為防曬成分添加於口紅、面霜中，其防曬因子可大SPF11-19。
納米二氧化鈦由於粒徑小,活性大,既能反射、散射紫外線,又能吸收紫外線,從而對紫外線有更強的阻隔能力。與同樣劑量的一些有機紫外線防護劑相比，納米氧化鈦在紫外區的吸收峰更高，更可貴的是它還是廣譜禁止劑，不象有機紫外線防護劑那樣只單一對UVA或UVB有吸收。它還能透過可見光，加入到化妝品使用時皮膚白度自然，不象顏料級TiO2，不能透過可見光，造成使用者臉上出現不自然的蒼白顏色。
利用納米TiO2的透明性和紫外線吸收能力還可用作食品包裝膜、油墨、塗料、紡織製品和塑膠填充劑，可以替代有機紫外線吸收劑，用於塗料中可提高塗料耐老化能力。
2.3光催化功能
納米二氧化鈦採用液相法製備出的二氧化鈦具有粒子團聚少、化學活性高，粒徑分布窄、形貌均一等特性，具有很強的光催化性能，已廣泛套用於環保中。
（1）氣體淨化
環境有害氣體可分為室內有害氣體和大氣污染氣體。室內有害氣體主要有裝飾材料等放出的甲醛及生活環境中產生的甲硫醇、硫化氫及氨氣等。納米二氧化鈦通過光催化作用可將吸附於其表面的這些物質分解氧化，從而使空氣中這些物質的濃度降低，減輕或消除環境不適感。
另外，TiO2在光照下對環境中微生物的抑制或殺滅作用，因此，納米二氧化鈦能淨化空氣，具有除臭功能。
（2）對有機廢水的處理，效果十分理想。
納米二氧化鈦複合材料對有機廢水的處理，效果十分理想。以TiO2為光催化劑，在光照的條件下，可使水中的烴類、鹵代物、羧酸等發生氧化-還原反應，並逐步降解，最終完全氧化為環境友好的CO2和H2O等無害物質。採用新型納米二氧化鈦載銀複合催化劑，對印染和精煉廢水生化處理後的出水進行深度處理，光照120min後，印染和精煉廢水的CODcr去除率分別為75.3%和83.4%。經研究表明，在太陽光照射下用多孔納米TiO2薄膜處理水溶液中的敵敵畏有很好的效果。除此之外，納米二氧化鈦還可有效地用於含CN—的工業廢水的光催化降解。
（3）處理無機污水
除有機物外，許多無機物在TiO2表面也具有光學活性，例如無機污水中的Cr6+接觸到TiO2催化劑表面時，能夠捕獲表面的光生電子而發生還原反應，使高價有毒的Cr6+降解為毒性較低或無毒的Cr3+，從而起到淨化污水的作用；一些重金屬離子如Pt4+，Hg2+，Au3+等，在催化劑表面也能夠捕獲電子而發生還原沉澱反應，可回收污水的無機重金屬離子。
2.4 防霧及自清潔功能
TiO2薄膜在光照下具有超親水性和超永久性，因此其具有防霧功能。如在汽車後視鏡上塗覆一層氧化鈦薄膜，即使空氣中的水分或者水蒸氣凝結，冷凝水也不會形成單個水滴，而是形成水膜均勻地鋪展在表面，所以表面不會發生光散射的霧。當有雨水衝過，在表面附著的雨水也會迅速擴散成為均勻的水膜，這樣就不會形成分散視線的水滴，使得後視鏡表面保持原有的光亮，提高行車的安全性。
納米二氧化鈦具有很強的“超親水性”，在它的表面不易形成水珠，而且納米二氧化鈦在可見光照射下可以對碳氫化合物作用。利用這樣一個效應可以在玻璃、陶瓷和瓷磚的表面塗上一層納米TiO2薄層，利用氧化鈦的光催化反應就可以把吸附在氧化鈦表面的有機污染物分解為CO2和H2O，同剩餘的無機物一起可被雨水沖刷乾淨，從而實現自清潔功能。日本東京已有人在實驗室研製成功自潔瓷磚，這種新產品的表面上有一薄層納米二氧化鈦，任何粘污在表面上的物質，包括油污、細菌在光的照射下，由於納米二氧化鈦的催化作用，可以使這些碳氫化合物物質進一步氧化變成氣體或者很容易被擦掉的物質。納米TiO2光催化作用使得高層建築的玻璃、廚房容易粘污的瓷磚、汽車後視鏡及前窗玻璃的保潔都可很容易地進行。
2.5納米二氧化鈦可作為鋰電池、太陽能電池原料
納米二氧化鈦(T30D)添加到鋰電池裡，可提高鋰電池容量及循環穩定性,特別是循環時放電電壓平台的穩定性，可有效提高電池在多次充放電過程中的電化學穩定性和熱穩定性，電池在使用過程中更穩定、更耐用。
2.6 納米二氧化鈦（同T25F）用在紡織上可以替代PVA
在纖維紡織成紗的過程中，為了減少經紗斷頭必須上漿。我國從上世紀五六十年代開始使用的漿料PVA為高分子化合物，在自然環境中很難降解。因此在歐洲部分國家被列為“不潔漿料”，已經被明令禁止使用。歐盟對PVA的限制，也將是我國棉紡織品出口綠色貿易壁壘的關注重點。開發綠色環保漿料，取代難降解的PVA是國內紡織行業一直尋求的“破壁”目標。
納米二氧化鈦用在紡織漿料裡面，通過與澱粉的完美結合，提高紗線的綜合織造性能，減少PVA的用量，煮漿時間短，降低了漿料成本，提高漿紗效益，也解決了PVA漿料不易退漿、環境污染等諸多問題。納米二氧化鈦納米二氧化鈦在紗線里主要是替代PVA,起到貼順毛羽，填補缺口，潤滑的作用。
2.7.其它功能
納米二氧化鈦對某些塑膠、氟里昂及表面活性劑SDBS也具有很好的降解效果。
還有人發現，TiO2對有害氣體也具有吸收功能，如含TiO2的烯烴聚合物纖維塗在含磷酸鈣的陶瓷上可持續長期地吸收不同酸鹼性氣體。
鑒於以上功能，納米二氧化鈦具有非常廣闊的前景。對它的研究和利用會給人們的生活帶來巨大改變。
《新材料導報》 2010 陸曉燕 Wan Jing New Material
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