專利名稱：二氧化鈦納米粉體表面大氣壓常溫等離子體改性處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬二氧化鈦納米粉體材料的制備領(lǐng)域，特別是涉及一種二氧化鈦納米粉體表面大氣
壓常溫等離子體改性處理方法。
背景技術(shù)：
常溫、常壓等離子體化學(xué)氣相沉積、離子注入、濺射、等離子噴涂、化學(xué)聚合、陽極 氧化等技術(shù)已在航空航天、電子、機械等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。近年來這一新的表面處理 技術(shù)在納米工程技術(shù)中發(fā)揮著越來越大的作用。
常溫、常壓等離子體是指部分或全部離子化的氣體，包括電子、離子，還包括自由基 和光子等高能活性成分。常溫、常壓等離子體具有高能、高速、高活性的優(yōu)點。非平衡態(tài) 常溫、常壓等離子體中電子溫度與離子溫度間的平衡關(guān)系不成立，常溫、常壓等離子體可 兼?zhèn)涫狗肿?、原子有效激發(fā)并保存物質(zhì)基體分子不被損傷的特色；在材料表面性能改善的 同時，基體性能不受影響；通過適當(dāng)選擇形成等離子體的氣體種類和等離子體化學(xué)條件.能 夠?qū)Σ牧媳砻鎸拥幕瘜W(xué)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)進行目的性改性，而且能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)所不 能實現(xiàn)的反應(yīng)。
由于納米材料具有尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等特性，從而 在光學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等方面表現(xiàn)出不同于一般宏觀材料的顯著特征，近年來得到迅 速發(fā)展。二氧化鈦納米粉體和納米膜材料在太陽能的存儲與利用、光電轉(zhuǎn)換、光致變色及 光催化降解大氣和水中的污染物等方面具有廣泛應(yīng)用。納米銳鈦礦相Ti02因具有光催化活 性高且抗光腐蝕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、難溶無毒和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，是一種較理想的半導(dǎo)體 光催化材料。其在紫外光輻照下生成電子一空穴對，產(chǎn)生相應(yīng)的活性氧(如OH基、過氧離 子)，其氧化能力比臭氧還高，因此納米Ti02光催化材料具有白潔凈、消除環(huán)境污染物、抗
菌和除臭等多種功能。近年來，在納米二氧化鈦合成工藝不斷取得新進展的同時，對后處 理工藝的研究亦受到了重視。前期通過在納米二氧化鈦表面包覆某種化合物提高納米二氧
化鈦的應(yīng)用性能耐侯性、耐光性、分散性、表面活性等。對納米二氧化鈦表面改性已有 不少的相關(guān)報道和應(yīng)用，納米二氧化鈦的表面改性方法主要分為液相法和氣相法兩大類。 無機包覆用液相共沉淀法完成，有機物的吸附則在氣流粉碎時完成。納米二氧化鈦粉體無 論是制備還是使用過程中，均可能導(dǎo)致團聚，其中干燥和焙燒工序是造成納米二氧化鈦粒 子間硬團聚的主要工序。為減輕納米Ti02的團聚程度，中國發(fā)明專利03152887. 2首先用液相法制備水合Ti02或Ti02晶體溶膠，再加入表面活性劑，使表面活性劑吸附在納米Ti02 表面再進行熱處理。液相法雖然合成設(shè)備簡單，但工藝費時繁瑣，污染大，間歇式操作， 高溫焙燒過程極易使納米粒子間硬團聚或燒結(jié)，表面活性劑等添加劑的引入會降低產(chǎn)品的 純度。
目前在國內(nèi)外文獻中，尚未見到利用大氣壓、常溫等離子體改性的處理方法改善納米 二氧化鈦粉體表面性能的研究報導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種二氧化鈦納米粉體表面大氣壓常溫等離子體 改性處理方法，本方法為干法改性，在大氣壓和室溫、開放的環(huán)境下可一歩直接獲得二氧 化鈦納米粉體表面的改性。
本發(fā)明的二氧化鈦納米粉體表面大氣壓常溫等離子體改性處理方法如圖2 二氧化鈦納 米粉體表面等離子體改性裝置示意圖所示，首先將二氧化釹納米粉體置于等離子體處理設(shè) 備的專用傳輸裝置上，在大氣壓，開放環(huán)境下，直接將等離子體噴射到二氧化鈦納米粉體 表面，使二氧化鈦納米粉體在等離子體氛圍中運動，處理二氧化鈦納米粉體的功率為 10W-5000W，時間為0.01s-6000s，產(chǎn)生二氧化鈦納米粉體表面改性。 所述的二氧化鈦納米粉體為市售的商品。 所述的等離子體處理設(shè)備(APPJ)為市售的商品。
所述的等離子體選自氦氣、氬氣或功能性氣體中的一種或幾種，其中氦氣、氬氣摩爾比為 50%_99.99%，功能性氣體為0。 001 30%，同時流經(jīng)等離子體形成區(qū)形成等離子體氛圍。 所述的氦氣或氬氣的純度為99. 99%。
所述的功能性氣體為S02、氨氣、氧氣、氫氣、氮氣、四氟化碳、二氧化碳、甲烷CH4 , 乙垸C2服，丙垸C3H8， 丁烷C4H10 ,戊烷C5H12 ，己垸C6H14 ,庚烷C7H16 ，辛烷C8H18， 壬垸C9H20 ，癸烷C10H22，"f~一烷C11H24 ,十二烷C12H26 ,十三烷C13H28、乙烯
(C2H4)，丙烯(C3H6)， 丁烯(C4H8)，戊烯(C5H10)，己烯(C6H12)，丙二烯(C3H4)， 丁二烯(C4朋)，異戊二烯(C5H8)，己三烯(C6H8)，乙炔(C2H2)，丙炔(C3H4)， 丁炔
(C4H6)，戊炔(C5H8)，己炔(C6H10),庚炔(C7H12)，辛炔(C8H14)，壬炔(C畫), 癸炔(C10H18)，十一炔(C11H20)、四氟乙烯和硅烷、各種硅氧烷氣體、甲基丙烯酸等的 蒸汽或它們組合氣體。
所述的在噴射等離子體氛圍前提下將納米二氧化鈦表面按不同要求的需求進行表面改性。 所述的該方法改性納米二氧化,應(yīng)用于高分子材料改性、高分子復(fù)合材料改性以及纖維。在大氣壓、常溫等離子體改性的處理方法改善二氧化鈦納米粉體表面性能的體系中， 主要包括由等離子體產(chǎn)生高能活性粒子、納米二氧化鈦表面被刻蝕或激活、接枝等使納米 二氧化鈦表面產(chǎn)生同性相斥的效果。在噴射等離子體氛圍前提下形成自由基并由此引發(fā)進 一步的自由基引起的納米二氧化鈦表面與其他材料和組分在一定條件下形成自由基接枝 反應(yīng)而得到的納米二氧化鈦表面改性，以及由于等離子體引發(fā)的納米二氧化鈦表面自由基 引起的自由基聚合即等離子體引發(fā)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)。等離子體納米二氧化鈦表 面改性為干法改性，主要采用以上所述的氣體以及它們的混合氣體，利用大氣壓、常溫等 離子體設(shè)備產(chǎn)生的等離子體對納米二氧化鈦進行表面處理。等離子體表面改性方法通常一
步完成，通過調(diào)整形成等離子體的氣體組分、配比可以實現(xiàn)對不同物性材料的相容性的提 高。
用該方法改性的納米二氧化鈦可應(yīng)用于高分子材料改性、高分子復(fù)合材料改性以及 纖維中。
有益效果
(1) 本發(fā)明方法工藝可控性強，改換工藝簡單、工藝流程短，無需后處理，并且自動化 程度高，能耗低、連續(xù)運作，容易實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)且對環(huán)境的污染小；
(2) 本發(fā)明所得二氧化鈦納米顆粒表面產(chǎn)生同性相斥的效果，達到減少納米顆粒團聚的 可能性；
(3) 本發(fā)明所得二氧化鈦納米粉體內(nèi)部結(jié)構(gòu)不被破壞，其納米晶體顆粒均勻度且粒徑分 布范圍變窄，在相關(guān)材料中的分散性提高，與相應(yīng)高分子的結(jié)合性能提高。


圖1所得樣品的透射電子顯微鏡照片；
圖2二氧化鈦納米粉體表面等離子體改性裝置示意圖，l等離子體載氣(氦氣或氬氣)， 2功能性氣體，3等離子體發(fā)生控制系統(tǒng)，4等離子體發(fā)生器及噴頭，5納米粉體輸送裝置， 6裝有未表面處理納米粉體，7裝有己表面處理過納米粉體；
圖3處理樣品1號為納米二氧化鈦原粉氦等離子體處理樣品，2號為納米二氧化鈦原粉 氧等離子體處理樣品，3號為納米二氧化鈦原粉。
具體實施例方式
下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而 不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。
實施例1
取一定量商品化二氧化鈦納米粉體放在等離子體處理設(shè)備的專用傳輸裝置上。示意圖 如圖2(或加裝等離子體噴嘴的通道)，該容器或載體置于常壓\常溫等離子體噴射裝置的噴 口下方特定距離2厘米以內(nèi)(噴嘴部分通道的設(shè)計按特定要求)，納米粉體鋪放厚度按5毫米 厚度鋪放,在開啟常壓、室溫等離子體的前提下，容器或載體做特定速度的運動.實現(xiàn)納米 二氧化鈦粉體在氦氣等離子體氛圍、功率40瓦及5秒時間下得到處理。該樣品的透射電 子顯微鏡照片如圖1。由該樣品形成的水溶膠(0.5/1000納米粉/水)靜置24小時對比實驗 照片如圖3-l號樣品。
實施例2 取一定量商品化二氧化鈦納米粉體放在等離子體處理設(shè)備的專用傳輸裝置上。示意圖 如圖12(或加裝等離子體噴嘴的通道)，該容器或載體置于常壓\常溫等離子體噴射裝置的噴 口下方特定距離2厘米以內(nèi)(噴嘴部分通道的設(shè)計按特定要求),納米粉體鋪放厚度按5毫米 厚度鋪放,在開啟常壓、室溫等離子體的前提下，容器或載體做特定速度的運動.實現(xiàn)納米 二氧化鈦粉體在氧氣等離子體氛圍、功率40瓦及5秒時間下得到處理。該樣品的透射電 子顯微鏡照片如圖l 。由該樣品形成的水溶膠(0.5/1000納米粉/水)靜置24小時對比實 驗照片如圖3-2號樣品。
權(quán)利要求
1. 二氧化鈦納米粉體表面大氣壓常溫等離子體改性處理方法，包括將二氧化鈦納米粉體置于等離子體處理設(shè)備的專用傳輸裝置上，在大氣壓，開放環(huán)境下，直接將等離子體噴射到二氧化鈦納米粉體表面，使二氧化鈦納米粉體在等離子體氛圍中運動，處理二氧化鈦納米粉體的功率為10W-5000W，時間為0.01s-6000s，產(chǎn)生二氧化鈦納米粉體表面改性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化鈦納米粉體表面大氣壓常溫等離子體改性處理方法，其特 征在于所述的等離子體選自氦氣、氬氣或功能性氣體中的一種或幾種，其中氦氣、氬氣 摩爾比為50%-99.99%，功能性氣體為0。 001 30%，同時流經(jīng)等離子體形成區(qū)形成等離 子體氛圍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的二氧化鈦納米粉體表面大氣壓常溫等離子體改性處理方法，其特 征在于所述的氦氣或氬氣的純度為99.99%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的二氧化鈦納米粉體表面大氣壓常溫等離子體改性處理方法，其特 征在于所述的功能性氣體為S02、氨氣、氧氣、氫氣、氮氣、四氟化碳、二氧化碳、甲 烷CH4 ,乙烷C2H6 ,丙烷C3H8， 丁烷C4H10 ,戊烷C5H12 ,己烷C6H14 ，庚烷C7H16 , 辛烷C8H18，壬烷C9H20 ，癸烷C10H22, ~|^ —烷C11H24 ,十二烷C12H26 ,十三烷 C13H28、乙烯(C2H4)，丙烯(C3H6)， 丁烯(C4H8)，戊烯(C5H10)，己烯(C6H12)， 丙二烯(C3H4)， 丁二烯(C4H6)，異戊二烯(C5H8)，己三烯(C6H8)，乙炔(C2H2)，丙 炔(C3H4)， 丁炔(C4H6)，戊炔(C5H8)，己炔(C6H10)，庚炔(C7H12)，辛炔(C8H14)， 壬炔(C9H16),癸炔(C10H18),十一炔(C11H20)、四氟乙烯和硅烷、各種硅氧垸氣體、 丙烯酸，甲基丙烯酸的蒸汽或它們組合氣體。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于；在噴射等離子體氛圍前提 下將納米二氧化鈦表面按不同要求的需求進行表面改性。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于；該方法改性納米二氧化鈦 應(yīng)用于高分子材料改性、高分子復(fù)合材料改性以及纖維。
全文摘要
本發(fā)明涉及二氧化鈦納米粉體表面大氣壓常溫等離子體改性處理方法，包括將二氧化鈦納米粉體置于等離子體處理設(shè)備的專用傳輸裝置上，在大氣壓，開放環(huán)境下，直接將等離子體噴射到二氧化鈦納米粉體表面，使二氧化鈦納米粉體在等離子體氛圍中運動，等離子體處理二氧化鈦納米粉體的功率為10W-5000W，時間為0.01s-6000s，產(chǎn)生二氧化鈦納米粉體表面改性。本發(fā)明方法在大氣壓和常溫下可一步直接改善二氧化鈦納米粉體的表面性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和形態(tài)，工藝可控性強，改換工藝簡單、干法加工工藝對環(huán)境的污染??；發(fā)明所得二氧化鈦納米顆粒表面產(chǎn)生同性相斥的效果，達到減少納米顆粒團聚的可能性。
文檔編號D06M11/00GK101418142SQ200810202248
公開日2009年4月29日 申請日期2008年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月5日
發(fā)明者張迎晨, 謝建飛, 邱夷平, 黃婧南 申請人:東華大學(xué);中原工學(xué)院