專利名稱：一種納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化工、環(huán)境和材料加工領(lǐng)域的一種涂層的制備方法，特別涉及一種采用液體噴涂法制備納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦涂層的方法。
現(xiàn)有的納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦粉末制備方法有氣相沉積法、溶膠—凝膠法、噴霧熱解法、納米粉末燒結(jié)法等。噴霧熱解法需要有一個大體積的密閉高溫腔室，氣相沉積法對密閉室壓力、氣體成分和溫度的要求比較嚴(yán)格。納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦涂層一般是通過其粉末的固定化來實(shí)現(xiàn)，比如用涂覆、燒結(jié)、納米粉末熱噴涂等方法，都需要以納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦粉末為原料，這就使涂層制備過程復(fù)雜，制造成本很高。涂覆法的涂層中二氧化鈦易被粘結(jié)劑覆蓋且有機(jī)粘結(jié)劑易老化。納米粉末燒結(jié)法制備涂層時(shí)的高溫?zé)Y(jié)過程會降低基體的某些性能?？傊?，這些方法目前尚存在工藝條件苛刻、設(shè)備復(fù)雜、投資大、成本高等缺點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)思路是采用液體噴涂法，噴涂所用的材料為液體原料，是用含有元素鈦的化合物配制成的溶液或膠體或懸濁液或懸浮液。在噴涂過程中，液體由噴槍的噴嘴霧化成細(xì)小的霧滴后進(jìn)入高溫高速焰流，經(jīng)過霧滴中的溶劑的揮發(fā)和燃燒及溶質(zhì)的析出和分解等一系列物理、化學(xué)反應(yīng)后形成二氧化鈦，使這些二氧化鈦直接沉積在基體表面即可形成納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層。
本發(fā)明是通過下述方案實(shí)現(xiàn)的一種納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層的制備方法，其特征在于，將含有元素鈦的化合物配制成原料液體，采用液體噴涂，在基體上制備納米結(jié)構(gòu)TiO2光催化涂層；按以下步驟制備1)將含鈦的化合物與溶劑配制成溶液或膠體或懸濁液或懸浮液，其中含鈦化合物的含量為1～75％；2)對待噴涂的基體表面進(jìn)行預(yù)處理；3)以配制好的液體為原料，由噴槍的噴嘴霧化成細(xì)小的霧滴后進(jìn)入高溫高速焰流，經(jīng)過一系列物理、化學(xué)反應(yīng)后形成二氧化鈦，使這些二氧化鈦直接沉積在基體表面，即可形成納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層。
本發(fā)明的其它一些特點(diǎn)是所述的含鈦的化合物，可以是鈦的氧化物顆粒；可以是有機(jī)鹽例如鈦酸丁酯、鈦酸異丙酯、鈦酸丙酯、鈦酸乙酯，還可以是TiO2納米晶體粉末、非晶的無定形TiO2顆粒。
所述的含鈦的化合物，以含鈦為主兼含有其它金屬元素，這些金屬元素是鋁、鐵、銅、鉻、鋅、釩、錳、硅、鈷、銀、鎘、鋯、鎢中的一種或兩種或兩種以上，其添加比例在0～45％范圍內(nèi)。
所述的溶劑可以是無機(jī)溶劑，可以是有機(jī)溶劑，也可以是有機(jī)溶劑和無機(jī)溶劑混合形成的混合溶劑。
所述的預(yù)處理包括除油、去銹、噴砂、拋光、打底層中的一種或幾種。
所述液體噴涂的距離為5cm～20cm，即將基體放置于噴涂焰流5cm～20cm處，使二氧化鈦沉積在基體上形成納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦涂層。
所述基體可以進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱至少可以起到提高涂層結(jié)合強(qiáng)度的作用，預(yù)熱時(shí)，預(yù)熱溫度可在150℃～1300℃范圍內(nèi)。也可以在不預(yù)熱的自然狀態(tài)；。
前述的本發(fā)明的實(shí)施所提到的液體噴涂方法中，必須有一個獨(dú)立的熱源作為液體噴涂的熱源，可以是等離子、火焰，液體原料被加入到這個獨(dú)立的熱源中。本發(fā)明的方法可以進(jìn)一步簡化為液體原料自燃燒方式的噴涂方法，以含有能夠燃燒的溶劑的單一溶劑或混合溶劑配制液體原料，液體原料霧化后形成細(xì)小霧滴，霧滴形成的蒸汽和液滴與氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)作為噴涂熱源，形成的氧化鈦沉積在基體上形成納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層。
本發(fā)明的實(shí)施將有效簡化納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層的制備工藝，降低其制造成本，尤其是在制備納米結(jié)構(gòu)涂層時(shí)實(shí)現(xiàn)了一次性成形，可以不需納米結(jié)構(gòu)粉末原料。在液體熱噴涂中，基體的溫度可以控制在100℃以下，所以對基體的性能沒有不良影響。本發(fā)明制備出的納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層有十分優(yōu)越的光催化性能。本發(fā)明的應(yīng)用將為納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦在各領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣應(yīng)用產(chǎn)生有益的促進(jìn)作用。
圖2為采用液體等離子噴涂系統(tǒng)實(shí)施本發(fā)明的示意圖。
圖3為本發(fā)明以液體原料燃燒作為熱源的方法的系統(tǒng)示意圖。
圖4為液體原料燃燒作為熱源的液體熱噴涂槍的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層斷面形貌圖。
圖6為納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層內(nèi)納米顆粒的形貌圖。
圖7為采用本發(fā)明制備的納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層降解水中苯酚的性能。
圖8為采用本發(fā)明制備的納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層降解氣體中乙醛的性能。
實(shí)施例1參見

圖1。圖1為實(shí)施本發(fā)明的液體火焰噴涂系統(tǒng)示意圖。噴涂槍為軸向送液式火焰噴槍。采用丙烷作為燃?xì)?，壓力?.1MPa，流量為7.34L/min；氧氣作為霧化氣和助燃?xì)猓瑝毫Ψ謩e為0.5、0.3MPa，流量分別為42.9、42.0L/min；液體采用鈦酸丁酯的無水乙醇溶液，濃度為20％。噴涂涂層時(shí)噴涂距離為150mm。
實(shí)施例2參見圖2。圖2為實(shí)施本發(fā)明的液體等離子噴涂系統(tǒng)示意圖。噴涂槍為等離子噴槍，液體霧化噴嘴將液體霧化成細(xì)小的液滴。氬氣壓力為0.8MPa，流量為77.5L/min；氫氣壓力為0.5MPa，流量為4.23L/min；電流為400A，電壓50V。噴涂涂層時(shí)噴涂距離80mm。液體采用鈦酸丁酯的乙醇溶液，濃度為10％。
實(shí)施例3參見圖3。按照傳統(tǒng)的思路，噴涂系統(tǒng)的熱源為火焰、電弧、等離子等形式的熱源，是專門施加的熱源，盡管液體原料中的可燃成分在焰流中發(fā)生燃燒，但是不是作為熱源使用的，而是一種附帶發(fā)生的一種現(xiàn)象。圖3所示的液體熱噴涂系統(tǒng)中，直接以原料液體既作為燃料又作為噴涂原料，這種實(shí)施方案更加簡單。液體經(jīng)過霧化噴嘴霧化成細(xì)小的液滴，液體中的可燃性成分在助燃?xì)庋鯕獾淖饔孟氯紵峁﹪娡克匦璧哪芰?，將液體中的溶質(zhì)物質(zhì)加熱，同時(shí)液體中的溶質(zhì)在熱作用下發(fā)生變化，變成二氧化鈦，沉積在基體上形成本發(fā)明所述的納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層。
實(shí)施例4參見圖4。圖4是本發(fā)明實(shí)施涉及的一種液體原料燃燒作為熱源的噴涂槍的結(jié)構(gòu)示意圖。這種方式省去了專門的熱源發(fā)生裝置與熱源能量供應(yīng)。液體原料從中間的管道被送入，周圍的霧化氣體將液體原料霧化成細(xì)小的小液滴，液體原料中的可燃成分在助燃?xì)庾饔孟氯紵a(chǎn)生高溫焰流，所形成的氧化鈦沉積在基體上形成納米結(jié)構(gòu)TiO2光催化涂層。其中的霧化氣可以是氧氣或空氣或氮?dú)饣蚨栊詺怏w，助燃?xì)怏w是氧氣或空氣，霧化氣和助燃?xì)庖嚎梢允峭环N氣體。進(jìn)一步說，本實(shí)施例可以進(jìn)一步簡化，圖4中的助燃?xì)怏w管道可以省略，助燃?xì)夂挽F化氣同時(shí)從圖4所示的霧化氣出口通過，此時(shí)，原來的霧化氣管道是霧化氣和助燃?xì)獾墓霉艿馈?br> 實(shí)施例5參見圖5，圖6。所得納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦涂層的典型斷面結(jié)構(gòu)如圖5所示，用透射電鏡對納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦涂層中的顆粒分析的典型結(jié)果如圖6所示，可以看到，粉末粒徑約為5～30nm，X射線衍射分析可以證實(shí)該涂層晶粒尺寸約為幾十納米。
實(shí)施例6參見圖7。圖7為采用本發(fā)明制備的納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層降解水中苯酚的性能。按照本發(fā)明的技術(shù)方案，采用鈦酸丁酯乙醇溶液為原料，采用液料火焰噴涂方法制備了納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層，濃度為50ppm的100ml苯酚水溶液，其中添加了過氧水氧化劑250ppm，在主波長360nm的紫外光照射下，25cm2涂層在10分鐘內(nèi)能夠?qū)⒈椒咏到?0％，光催化性能非常優(yōu)越。
實(shí)施例7參見圖8。圖8為采用本發(fā)明制備的納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層降解氣體中乙醛的性能。按照本發(fā)明的技術(shù)方案，采用鈦酸丁酯乙醇溶液為原料，采用液料火焰噴涂方法制備了納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層，乙醛濃度為5000～20000ppm的100ml氣體，在主波長274nm的紫外光照射下，25cm2涂層在30分鐘內(nèi)能夠?qū)⒈椒咏到?0％以上，經(jīng)400℃熱處理的涂層，可在60分鐘內(nèi)將乙醛全部降解，光催化性能非常優(yōu)越。
權(quán)利要求
1.一種納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層的制備方法，其特征在于，將含有元素鈦的化合物配制成原料液體，采用液體噴涂，在基體上制備納米結(jié)構(gòu)TiO2光催化涂層；按以下步驟制備1)將含鈦的化合物與溶劑配制成溶液或膠體或懸濁液或懸浮液，其中含鈦化合物的含量為1～75％；2)對待噴涂的基體表面進(jìn)行預(yù)處理；3)以配制好的液體為原料，由噴槍的噴嘴霧化成細(xì)小的霧滴后進(jìn)入高溫高速焰流，經(jīng)過一系列物理、化學(xué)反應(yīng)后形成二氧化鈦，使這些二氧化鈦直接沉積在基體表面，即可形成納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層的制備方法，其特征在于，所述的含鈦的化合物，可以是鈦的氧化物顆粒；可以是有機(jī)鹽例如鈦酸丁酯、鈦酸異丙酯、鈦酸丙酯、鈦酸乙酯，還可以是TiO2納米晶體粉末、非晶的無定形TiO2顆粒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層的制備方法，其特征在于，所述的含鈦的化合物，以含鈦為主兼含有其它金屬元素，這些金屬元素是鋁、鐵、銅、鉻、鋅、釩、錳、硅、鈷、銀、鎘、鋯、鎢中的一種或兩種或兩種以上，其添加比例在0～45％范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層的制備方法，其特征在于，所述的溶劑可以是無機(jī)溶劑，可以是有機(jī)溶劑，也可以是有機(jī)溶劑和無機(jī)溶劑混合形成的混合溶劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層的制備方法，其特征在于，所述的預(yù)處理包括除油、去銹、噴砂、拋光、打底層中的一種或幾種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層的制備方法，其特征在于，所述液體噴涂的距離為5cm～20cm，即將基體放置于噴涂焰流5cm～20cm處，使二氧化鈦沉積在基體上形成納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦涂層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層的制備方法，其特征在于，所述基體可以進(jìn)行預(yù)熱，也可以在不預(yù)熱的自然狀態(tài)；預(yù)熱時(shí)，預(yù)熱溫度可在150℃～1300℃范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦光催化涂層的制備方法，涉及化工、環(huán)境和材料加工領(lǐng)域，以含鈦的有機(jī)鹽、無機(jī)鹽、納米粉末、納米非晶無定形鈦化合物為原料，采用液體熱噴涂法，在基體上制備納米結(jié)構(gòu)TiO
文檔編號C09C3/00GK1450123SQ0311469
公開日2003年10月22日 申請日期2003年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月28日
發(fā)明者李長久, 楊冠軍 申請人:西安交通大學(xué)