納米TiO₂復合水處理材料及其制備方法

專利名稱：納米TiO₂復合水處理材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種納米復合水處理材料及其制備方法。
背景技術：
納米TiO2具有光催化效果，可將水中有機物降解成無機物，因此已經被廣泛應用于水處理領域。由于納米材料的在水處理過程中難以回收，所以要與其他材料進行復合后再使用。目前，納米TiO2與其他材料的復合還僅僅停留在簡單共混的水平。由于目前采用共混技術得到的納米TiO2復合水處理材料無論是納米TiO2的光催化性能、還是與納米TiO2 進行復合的其他材料的原有特性都大幅降低。而且現有階段的納米TiO2復合水處理材料的制備和研究還主要依靠實驗的摸索和經驗，并沒有一套成熟的可以保留納米TiO2及復合基體材料特性的納米TiO2復合水處理材料制備方法，導致納米TiO2復合水處理材料的設計和研制結果難以統一。

發明內容
本發明要解決目前納米TiO2復合水處理材料采用共混技術獲得，導致納米TiO2復合水處理材料的納米TiO2光催化性能，以及與納米TiO2進行復合的其他材料的原有特性都大幅降低的問題；并提供一種成熟的可以保留納米TiO2及復合基體材料特性的納米TiO2復合水處理材料制備方法。本發明納米TiO2復合水處理材料由硅氧烷聚合物和TiO2溶膠制成，TiO2負載于硅氧烷聚合物；其中，硅氧烷聚合物與TiO2溶膠的重量比為I : 0. 2 0.3。上述納米TiO2復合水處理材料的制備按以下步驟進行
一、制備TiO2溶膠；
二、按硅氧烷聚合物與TiO2溶膠I: 0.2 0.3的重量比將硅氧烷聚合物加入到TiO2 溶膠中浸潰并攪拌2小時，然后自然冷卻36h，TiO2負載于硅氧烷聚合物即得到納米TiO2復合水處理材料。本發明的納米TiO2復合水處理材料不是TiO2和硅氧烷聚合物的簡單混合，而是亞微觀的有機復合。硅氧烷聚合物本身具有一定的空隙，形成大量的光催化活性中心，同時又將TiO2負載在一定的硅氧烷聚合物材料上；而且，納米TiO2復合水處理材料在很小的尺度上存在相分離，因此本發明納米TiO2復合水處理材料的光催化性能大幅提高。本發明納米TiO2復合水處理材料的制備方法所制備的納米TiO2復合水處理材料在保持納米TiO2的光催化性能的同時，保留了硅氧烷聚合物質量輕、性能穩定、可設計性等優點。因為本發明納米TiO2復合水處理材料的制備方法可以保留納米TiO2及復合基體材料特性，所以可按預定性能設計、制備納米TiO2復合水處理材料，擺脫對材料的研究、設計、制備需要靠經驗和摸索的軌跡方法。本發明納米TiO2復合水處理材料可用于處理領域，并具有優異的處理效果。


圖I是具體實施方式
十六納米TiO2復合水處理材料的XRD圖。圖2是具體實施方式
十六制備的納米TiO2復合水處理材料的SEM電鏡掃描圖。圖3是具體實施方式
十七中TiO2溶膠與硅氧烷聚合物不同重量比值條件下的光催化水處理效果圖。
具體實施例方式本發明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式納米TiO2復合水處理材料由硅氧烷聚合物和TiO2溶膠制成，TiO2負載于硅氧烷聚合物；其中，硅氧烷聚合物與TiO2溶膠的重量比為I : O. 2
O.3。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一的不同點是硅氧烷聚合物由環氧樹脂與含氯有機硅制成；環氧樹脂與含氯有機硅的摩爾比為(9 I) (8 2)。其它與實施方式一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二的不同點是納米TiO2復合水處理材料的粒徑為1 2_。其它與實施方式一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式納米TiO2復合水處理材料由硅氧烷聚合物和TiO2溶膠制成，TiO2負載于硅氧烷聚合物；其中，硅氧烷聚合物與TiO2溶膠的重量比為I : O. 21 ; 硅氧烷聚合物由環氧樹脂與含氯有機硅制成；環氧樹脂與含氯有機硅的摩爾比為88 12。
具體實施方式
五本實施方式納米TiO2復合水處理材料由硅氧烷聚合物和TiO2溶膠制成，TiO2負載于硅氧烷聚合物；其中，硅氧烷聚合物與TiO2溶膠的重量比為I : O. 25 ; 硅氧烷聚合物由環氧樹脂與含氯有機硅制成；環氧樹脂與含氯有機硅的摩爾比為86 14。
具體實施方式
六本實施方式納米TiO2復合水處理材料由硅氧烷聚合物和TiO2溶膠制成，TiO2負載于硅氧烷聚合物；其中，硅氧烷聚合物與TiO2溶膠的重量比為I : O. 28 ; 硅氧烷聚合物由環氧樹脂與含氯有機硅制成；環氧樹脂與含氯有機硅的摩爾比為82 18。
具體實施方式
七本實施方式納米TiO2復合水處理材料由硅氧烷聚合物和TiO2溶膠制成，TiO2負載于硅氧烷聚合物；其中，硅氧烷聚合物與TiO2溶膠的重量比為I : O. 29 ; 硅氧烷聚合物由環氧樹脂與含氯有機硅制成；環氧樹脂與含氯有機硅的摩爾比為81 19。
具體實施方式
八本實施方式納米TiO2復合水處理材料由硅氧烷聚合物和TiO2溶膠制成，TiO2負載于硅氧烷聚合物；其中，硅氧烷聚合物與TiO2溶膠的重量比為I : O. 3 ; 硅氧烷聚合物由環氧樹脂與含氯有機硅制成；環氧樹脂與含氯有機硅的摩爾比為80 20。
具體實施方式
九本實施方式納米TiO2復合水處理材料的制備按以下步驟進行
一、制備TiO2溶膠；
二、按硅氧烷聚合物與TiO2溶膠I: O. 2 O. 3的重量比將硅氧烷聚合物加入到TiO2 溶膠中浸潰并攪拌2小時，然后自然冷卻36h，TiO2負載于硅氧烷聚合物即得到納米TiO2復合水處理材料。本實施方式具有制備方法簡單可行，成本低廉，易于形成產業化。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
九的不同點是步驟二中的硅氧烷聚合物由環氧樹脂與含氯有機硅制成；環氧樹脂與含氯有機硅的摩爾比為(9 I) (8
2)。其它步驟及參數與實施方式九相同。
具體實施方式
i^一 本實施方式與具體實施方式
九或十的不同點是步驟二中將硅氧烷聚合物加入TiO2溶膠中浸潰并攪拌2小時后倒入球型模具中室溫自然冷卻，即得到粒徑為f 2mm的納米TiO2復合水處理材料。其它步驟及參數與實施方式九或十相同。
具體實施方式
十二 本實施方式納米TiO2復合水處理材料的制備按以下步驟進
一、制備TiO2溶膠；
二、按硅氧烷聚合物與TiO2溶膠I: 0. 28的重量比將硅氧烷聚合物加入到TiO2溶膠中浸潰并攪拌2小時，然后自然冷卻36h，TiO2負載于硅氧烷聚合物即得到納米TiO2復合水處理材料；其中，硅氧烷聚合物由一氯三甲基硅烷(TMS)和雙酚A型環氧樹脂(EP)制成，將雙酚A型環氧樹脂(EP)和一氯三甲基硅烷(TMS)按80 20的摩爾比混合，然后在 250± 10°C條件下加熱縮合，再分水，得到硅氧烷聚合物。本實施方式納米TiO2復合水處理材料具有硅氧烷聚合物的優異物理特性，沖擊強度達到20. 2kJ/m2，拉伸強度達67. 04MPa，斷裂伸長率達11. 29%，Tg達167. 98。。。
具體實施方式
十三本實施方式納米TiO2復合水處理材料的制備按以下步驟進
一、制備TiO2溶膠；
二、按硅氧烷聚合物與TiO2溶膠I: 0. 24的重量比將硅氧烷聚合物加入到TiO2溶膠中浸潰并攪拌2小時，然后自然冷卻36h，TiO2負載于硅氧烷聚合物即得到納米TiO2復合水處理材料；
其中，硅氧烷聚合物由二甲基二氯硅烷(DMS)和雙酚A型環氧樹脂(EP)制成，將雙酚 A型環氧樹脂(EP)和二甲基二氯硅烷(DMS)按82 18的摩爾比混合，然后在250±10°C 條件下加熱縮合，再分水，得到硅氧烷聚合物。本實施方式納米TiO2復合水處理材料具有硅氧烷聚合物的優異物理特性，沖擊強度達到 20. 4kJ/m2，拉伸強度達 68. 27MPa，Tg 達 167. 98°C。
具體實施方式
十四本實施方式納米TiO2復合水處理材料的制備按以下步驟進
一、制備TiO2溶膠；
二、按硅氧烷聚合物與TiO2溶膠I: 0. 25的重量比將硅氧烷聚合物加入到TiO2溶膠中浸潰并攪拌2小時，然后自然冷卻36h，TiO2負載于硅氧烷聚合物即得到納米TiO2復合水處理材料；
其中，硅氧烷聚合物由二甲基二氯硅烷、a，(0-二氯聚二甲基硅氧烷(DPS)和雙酚A型環氧樹脂(EP)制成，將雙酚A型環氧樹脂(EP)和二甲基二氯硅烷、a，二氯聚二甲基硅氧烷按81 I 18的摩爾比混合，然后在250±10°C條件下加熱縮合，再分水，得到硅氧烷聚合物。本實施方式納米TiO2復合水處理材料具有硅氧烷聚合物的優異物理特性，沖擊強度達到31. 6kJ/m2，拉伸強度達68. 27MPa，斷裂伸長率達81. 68%，Tg達174. 50°C。
具體實施方式
十五本實施方式納米TiO2復合水處理材料的制備按以下步驟進
一、制備TiO2溶膠；
二、按硅氧烷聚合物與TiO2溶膠I: O. 25的重量比將硅氧烷聚合物加入到TiO2溶膠中浸潰并攪拌2小時，然后自然冷卻36h，TiO2負載于硅氧烷聚合物即得到納米TiO2復合水處理材料；
其中，硅氧烷聚合物由LSI和環氧樹脂E-44制成，將環氧樹脂E-44和LSI按88 : 12 的摩爾比混合，然后在250±10°C條件下加熱縮合，再分水，得到硅氧烷聚合物；
LSI由正硅酸乙酯與環氧氯丙烷制成，按(80 85) (5 20)的摩爾比將正硅酸乙酯與環氧氯丙烷混合加入溶劑中，并按硅氧烷聚合物O. 01%的重量比加入催化劑甲酸，在溫度25°C ±2條件下反應18h，即得到LSI ；
制備LSI過程中使用的溶劑為四氫呋喃、二甲苯或乙醇。本實施方式納米TiO2復合水處理材料具有硅氧烷聚合物的優異物理特性，沖擊強度達到20. lkj/m2，拉伸強度達65. 77MPa，斷裂伸長率達10. 87%，Tg達172. 45°C。
具體實施方式
十六本實施方式納米TiO2復合水處理材料的制備按以下步驟進
一、制備TiO2溶膠；
二、按硅氧烷聚合物與TiO2溶膠I: O. 24的重量比將硅氧烷聚合物加入到TiO2溶膠中浸潰并攪拌2小時，然后自然冷卻36h，TiO2負載于硅氧烷聚合物即得到納米TiO2復合水處理材料；
其中，硅氧烷聚合物由LSI和環氧樹脂E-51制成，將環氧樹脂E-51和LSI按85 15 的摩爾比混合，然后在250°C條件下加熱縮合，再分水，得到硅氧烷聚合物；
LSI由正硅酸乙酯與環氧氯丙烷制成，按82 8的摩爾比將正硅酸乙酯與環氧氯丙烷混合加入溶劑中，并按硅氧烷聚合物O. 01%的重量比加入催化劑甲酸，在溫度25°C條件下反應18h，即得到LSI ；
制備LSI過程中使用的溶劑為四氫呋喃、二甲苯或乙醇。本實施方式納米TiO2復合水處理材料具有硅氧烷聚合物的優異物理特性，沖擊強度達到22. 4kJ/m2，拉伸強度達68. 78MPa，斷裂伸長率達12. 42%，Tg達170. 32°C。本實施方式制備的納米TiO2復合水處理材料的XRD試驗
物相分析在日本理學電機D/max- IIIB型X射線衍射儀上進行。在40KV的加速電壓下， 采用CuKa靶輻射，以50/min的速度掃描，粉末樣品，收集范圍2Θ :10。-65。。本實施方式納米TiO2復合水處理材料的XRD圖如圖I所示。本實施方式制備的納米TiO2復合水處理材料的SEM電鏡掃描
采用S4700型號日立公司掃描電鏡分析儀器，并將試樣在真空10_3 10_5條件下進行鍍金處理5min，在金屬薄膜作為襯底材料對復合薄膜的表面形貌進行觀測；并對式樣進行能譜分析。圖2是本實施方式制備的納米TiO2復合水處理材料的SEM電鏡掃描圖，放大倍數是1000倍。從圖2中可以觀察到硅氧烷聚合物表面由顆粒和顆粒團聚體構成，并且具有一些尺度的孔洞，可提高光催化性能。
具體實施方式
十七本實施方式與具體實施方式
十六的不同點是步驟二中按不同的硅氧烷聚合物與TiO2溶膠重量比將硅氧烷聚合物加入到TiO2溶膠中。其它步驟及參數與實施方式十六相同。水處理效果
用哈爾濱自來水廠過濾之后的水(即濾后水)，作為被處理水樣。將納米TiO2復合水處理材料放在容器里，再將被處理水樣倒入其中，在紫外光燈的照射下，收集光催化后的水， 分析TiO2溶膠與硅氧烷聚合物不同重量比值條件下的光催化水處理效果(如圖3所示)。并在哈爾濱市水質監測中心做T0C(總有機碳含量)分析。采用TOC來評價其效果，總有機碳是用來測定有機物成分中碳的數量來表示有機物污染的指標。它包括水中溶解性和懸浮性有機物中所有有機物的總和，但與有機物的存在狀態無關。沒有復合TiO2的硅氧烷聚合物作為濾料降解TOC的降解率為20%，而TiO2溶膠與硅氧烷聚合物重量比值為0. 2 0. 3的處理效果最好，TOC降解率達到50%以上。
權利要求
1.納米TiO2復合水處理材料，其特征在于納米TiO2復合水處理材料由硅氧烷聚合物和TiO2溶膠制成，TiO2負載于硅氧烷聚合物；其中，硅氧烷聚合物與TiO2溶膠的重量比為 I O. 2 O. 3。
2.根據權利要求I所述的納米TiO2復合水處理材料，其特征在于硅氧烷聚合物由環氧樹脂與含氯有機硅制成；環氧樹脂與含氯有機硅的摩爾比為(9 : I) (8 : 2)。
3.根據權利要求2所述的納米TiO2復合水處理材料，其特征在于納米TiO2復合水處理材料的粒徑為I 2mm。
4.如權利要求I所述納米TiO2復合水處理材料的制備方法，其特征在于納米TiO2復合水處理材料的制備按以下步驟進行一、制備TiO2溶膠；二、按硅氧烷聚合物與TiO2溶膠I: O. 2 O. 3的重量比將硅氧烷聚合物加入到TiO2 溶膠中浸潰并攪拌2小時，然后自然冷卻36h，TiO2負載于硅氧烷聚合物即得到納米TiO2復合水處理材料。
5.根據權利要求4所述的納米TiO2復合水處理材料的制備方法，其特征在于步驟二中的硅氧烷聚合物由環氧樹脂與含氯有機硅制成；環氧樹脂與含氯有機硅的摩爾比為(9 I) (8 2)。
6.根據權利要求5所述的納米TiO2復合水處理材料的制備方法，其特征在于步驟二中將硅氧烷聚合物加入TiO2溶膠中浸潰并攪拌2小時后倒入球型模具中室溫自然冷卻，即得到粒徑為f 2mm的納米TiO2復合水處理材料。
全文摘要
納米TiO2復合水處理材料及其制備方法，它涉及一種納米復合水處理材料及其制備方法。它解決了解決目前納米TiO2復合水處理材料采用共混技術獲得，導致納米TiO2復合水處理材料的納米TiO2光催化性能，以及與納米TiO2進行復合的其他材料的原有特性都大幅降低的問題；并提供一種成熟的可以保留納米TiO2及復合基體材料特性的納米TiO2復合水處理材料制備方法。納米TiO2復合水處理材料由硅氧烷聚合物和TiO2溶膠液制成。制備方法一、制備TiO2溶膠；二、將硅氧烷聚合物加入到TiO2溶膠中，浸漬、攪拌、冷卻，TiO2與硅氧烷形成復合聚合物。本發明納米TiO2硅氧烷復合水處理材料可用于水的深度處理領域。
文檔編號C02F1/30GK102580710SQ201210074369
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月20日 優先權日2012年3月20日
發明者石玉明, 范國棟, 鞠春華 申請人:哈爾濱工業大學