專利名稱：二氧化鈦納米管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二氧化鈦納米管(titania nanotube)及其制造方法。
背景技術(shù)：
自從碳納米管被發(fā)現(xiàn)以來，關(guān)于多種物質(zhì)制造納米管的可能性進行了探討。其結(jié)果確認了以二氧化鈦(TiO2)來制造納米管。二氧化鈦是具有光催化活性的物質(zhì)之一，納米管形狀的二氧化鈦，與其粉末相比，具有更高的光催化活性，因此被期待著有各種各樣的應(yīng)用。
作為這樣的納米管，已知直徑為5～80nm、長度為50～150nm的納米管(特開平10-152323號公報)。
但是，公報中所記載的二氧化鈦納米管，并不能滿足于作為光傳感器和氣體傳感器使用。
在這種情況下，本發(fā)明人為了開發(fā)適用于光傳感器及氣體傳感器的二氧化鈦納米管，經(jīng)過仔細探討，完成了本發(fā)明。此外，本發(fā)明人也仔細探討了二氧化鈦納米管的制造方法，使本發(fā)明得以完成。
即，本發(fā)明提供了一種二氧化鈦納米管，其長度為1μm或1μm以上。
此外，本發(fā)明提供了一種傳感器(sensor)，該傳感器具有長度為1μm或1μm以上的二氧化鈦納米管和電極，并且二氧化鈦納米管和電極相連。
進一步地，本發(fā)明提供了一種二氧化鈦納米管的制造方法。該方法包括在60℃或60℃以上的溫度將二氧化鈦粉末分散在氫氧化鈉水溶液中的步驟。
本發(fā)明中提供的二氧化鈦納米管，除了用于光傳感器、氣體傳感器以外，還可以用于金屬材料或樹脂材料的強化材料。此外，采用這種二氧化鈦納米管的本發(fā)明的傳感器可以用于監(jiān)視機械工業(yè)或化學(xué)工業(yè)的制造裝置的狀況。并且，按照本發(fā)明的制造方法，可以很容易地得到這種二氧化鈦納米管。
具體實施方案本發(fā)明的二氧化鈦納米管長度為1μm或1μm以上。從處理或加工的觀點來說，二氧化鈦納米管的長度優(yōu)選10μm或10μm以上，更優(yōu)選100μm或100μm以上。另一方面，長度的上限雖然沒有特定的限制，但通常為50mm或50mm以下，優(yōu)選10mm或10mm以下。
本發(fā)明二氧化鈦納米管的斷面通常為圓形，其直徑優(yōu)選0.1μm或0.1μm以下。直徑的下限雖然沒有特定的限制，但通常為5nm或5nm以上，優(yōu)選8nm或8nm以上。直徑小的二氧化鈦納米管用作傳感器時，因其檢測靈敏度提高，因此優(yōu)選；用作金屬材料或樹脂材料的強化材料時，因強化母材的效果提高，因此優(yōu)選。傳感器的靈敏度提高的原因，雖然尚不明確，但推測為，由于直徑變小，二氧化鈦納米管的比表面積增大，二氧化鈦表面或里面的狀態(tài)發(fā)生變化，這種影響所致。關(guān)于強化效果提高的原因，雖然也不明確，但推測為，二氧化鈦納米管之間易于相互纏繞，這種影響所致。
此外，本發(fā)明的二氧化鈦納米管，長寬比優(yōu)選100或100以上。另一方面，長寬比的上限雖然沒有特定的限制，通常約為108，優(yōu)選約10000。長寬比是指二氧化鈦長軸方向的長度L與最大寬度D(橫截面為圓形時指直徑)的比值L/D。
本發(fā)明的二氧化鈦納米管，除了用作傳感器或強化材料以外，還可以用作光催化劑、紫外線吸收遮蔽劑、防曬劑、光電池用材料、導(dǎo)電性填充物、骨填充材料等。
本發(fā)明的傳感器，具有長度為1μm或1μm以上的二氧化鈦納米管和電極(該電極的另一端與外部控制裝置相連，起到傳達二氧化鈦納米管的電學(xué)變化的作用)，并且二氧化鈦納米管和電極相連。作為傳感器的具體例子，如紫外傳感器、紅外傳感器、可見光傳感器之類的光傳感器、以及氣體傳感器等。在光傳感器中，由于二氧化鈦納米管的電學(xué)性質(zhì)(導(dǎo)電性)因光照射量而變化，所以可以通過測定該變化求出光照射量。此外，在氣體傳感器中，由于二氧化鈦納米管的電學(xué)性質(zhì)(導(dǎo)電性)因其管內(nèi)吸附特定的氣體分子而變化，所以可以通過測定該變化求出氣體濃度。
與二氧化鈦納米管相連的電極，可以使用如金、鉑或者銀的線材。
本發(fā)明二氧化鈦納米管的制造方法，包括將二氧化鈦粉末分散在氫氧化鈉水溶液中的步驟。
制造中所用的二氧化鈦粉末，可以列舉例，如金紅石型、銳鈦礦型的二氧化鈦(TiO2)。二氧化鈦粉末的平均粒徑優(yōu)選50nm或50nm以下，更優(yōu)選20nm或20nm以下，進一步優(yōu)選10nm或10nm以下。另一方面，平均粒徑的下限雖然沒有特定的限制，但通常在約3nm或3nm以上，優(yōu)選約6nm或6nm以上。此時的平均粒徑以BET比表面積徑表示，由二氧化鈦粉末的真密度(g/cm3)與其BET比表面積(m2/g)，根據(jù)下式來求出6/(BET比表面積×真密度)氫氧化鈉水溶液中氫氧化鈉的濃度通常約為1M(摩爾/升)或1M以上，優(yōu)選約3M或3M以上，更優(yōu)選約7M或7M以上；此外，通常約為15M或15M以下，優(yōu)選約13M或13M以下，更優(yōu)選約12M或12M以下。
氫氧化鈉水溶液和二氧化鈦粉末的用量比為，相對于氫氧化鈉水溶液100重量份，二氧化鈦粉末的量通常約為0.01重量份或0.01重量份以上。此外，通常約為0.1重量份或0.1重量份以下，優(yōu)選約0.04重量份或以下。
在60℃或60℃以上的溫度下進行分散。分散時的氫氧化鈉水溶液的溫度優(yōu)選約為90℃或90℃以上，更優(yōu)選約100℃或100℃以上，此外優(yōu)選約為120℃或120℃以下。分散時間通常約為1小時或1小時以上～約50小時或50小時以下。分散可以在常壓(約0.08MPa～約0.12MPa)或減壓(不足約0.08MPa)的條件下進行。
分散通?？梢酝ㄟ^攪拌或者超聲波照射進行，優(yōu)選通過攪拌進行。具體來說，分散可以通過下述方法進行將二氧化鈦粉末和氫氧化鈉水溶液加入到帶有攪拌機的容器中，攪拌容器內(nèi)的混合物的方法；將二氧化鈦粉末和氫氧化鈉水溶液混合后，采用超聲波照射該混合物的方法；或者組合應(yīng)用上述方法。
分散可以在對大氣開放的容器中進行，也可以在密閉容器中進行。在氫氧化鈉水溶液的水蒸汽分壓高的條件下進行分散時，優(yōu)選采用開放容器通過回流還原氣化水進行操作，或者采用耐壓的密閉容器。
通過分散得到的二氧化鈦，通常在冷卻到室溫后從氫氧化鈉水溶液中分離出來。分離可以通過過濾、傾析等方法進行。分離后的二氧化鈦優(yōu)選洗滌。洗滌可以按照例如下述方法進行將二氧化鈦與鹽酸、硝酸等無機酸混合，中和二氧化鈦中殘留的氫氧化鈉后，對所得漿狀物進行固液分離(濾過、傾析等)，得到的固體在水中進行再制漿(re-pulp)。
洗滌后的固體充分干燥后，也可以進一步在大氣中加熱。通過這些操作，可以提高二氧化鈦納米管的結(jié)晶性。
實施例以下通過實施例說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于這些實施例。
實施例1將10M氫氧化鈉水溶液100重量份和二氧化鈦粉末(テイカ制，金紅石型，平均粒徑10nm)0.0187重量份加入到PTFE容器中。在通過磁力攪拌器攪拌容器內(nèi)混合物的同時，加熱到110℃，并在110℃下保持20小時。
保持后，將容器內(nèi)的混合物移入離心沉降管中，通過離心沉降使固體沉降后，除去上清液。往離心沉降管中加入蒸餾水混合后，通過離心沉降使固體沉降，通過此方法洗滌固體。
將得到的固體與0.1N硝酸混合，通過離心沉降使固體沉降，除去上清液后，將該固體與蒸餾水混合，然后使固體沉降，除去上清液，反復(fù)操作直到上清液的pH值變?yōu)?，得到二氧化鈦納米管。
上述二氧化鈦納米管，通過SEM(日立制作所制，S-510型)及TEM(日立制作所制，H-9000型)進行觀察，結(jié)果表明長度為120μm，直徑為50nm，長寬比為2400。
實施例2在實施例1中，作為原料二氧化鈦粉末，采用二氧化鈦粉末(石原產(chǎn)業(yè)制，銳鈦礦型，平均粒徑6nm)，除此之外的其他操作同實施例1。得到的二氧化鈦納米管長度為120μm，直徑50nm，長寬比為2400。
比較例1在實施例1中，采用氫氧化鈣代替氫氧化鈉，除此之外的其他操作同實施例1。得到的固體為粒狀，未生成二氧化鈦納米管。
權(quán)利要求
1.一種二氧化鈦納米管，其長度為1μm或1μm以上。
2.權(quán)利要求1所述的二氧化鈦納米管，其直徑為0.1μm或0.1μm以下。
3.權(quán)利要求1或2所述的二氧化鈦納米管，其長寬比為100或100以上。
4.一種傳感器，其具有權(quán)利要求1～3中任意一項所述的二氧化鈦納米管和電極，并且二氧化鈦納米管和電極相連。
5.二氧化鈦納米管的制造方法，該方法包括在60℃或更高溫度下將二氧化鈦粉末分散在氫氧化鈉水溶液中的步驟。
6.權(quán)利要求5所述的方法，其中二氧化鈦粉末的平均粒徑為50nm或50nm以下。
7.權(quán)利要求5或6所述的方法，其中相對于氫氧化鈉水溶液100重量份，二氧化鈦粉末的量為0.01重量份～0.1重量份。
8.權(quán)利要求5～7中任意一項所述的方法，其中氫氧化鈉水溶液中氫氧化鈉的濃度為1M～15M。
9.權(quán)利要求8所述的方法，其中氫氧化鈉水溶液中氫氧化鈉的濃度為3M～13M。
10.權(quán)利要求9所述的方法，其中氫氧化鈉水溶液中氫氧化鈉的濃度為7M～12M。
11.權(quán)利要求5～10中任意一項所述的方法，其中分散在90℃～120℃的溫度下進行。
12.權(quán)利要求5～11中任意一項所述的方法，其中分散通過攪拌或超聲波照射進行。
13.權(quán)利要求12所述的方法，其中分散通過攪拌進行。
全文摘要
一種二氧化鈦納米管及其制造方法，該二氧化鈦納米管，適用于光傳感器及氣體傳感器，長度為1μm或1μm以上，優(yōu)選直徑為0.1μm或0.1μm以下，長寬比為100或100以上。
文檔編號B82B1/00GK1771199SQ20048000970
公開日2006年5月10日 申請日期2004年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月15日
發(fā)明者長谷川彰, 平尾一之 申請人:住友化學(xué)株式會社