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基本信息

項(xiàng)目名稱：
納米粉體表面親油改性技術(shù)
小類：
能源化工
簡介：
納米材料如氧化鈦、氧化鐵、氧化鋅、碳酸鈣等因表面親水而難以在油性有機(jī)介質(zhì)中穩(wěn)定存在，限制了其在催化、建材、日化等領(lǐng)域油性體系中的應(yīng)用。本技術(shù)采用低成本非離子表面活性劑對(duì)納米粉體進(jìn)行改性，表面活性劑親水基與納米材料表面羥基發(fā)生脫水縮合反應(yīng)，納米材料接上親油基而具親油性。生產(chǎn)過程簡單，成本低，適合工業(yè)化生產(chǎn)。經(jīng)金舵建材公司中試，改性TiO2摻入該公司內(nèi)墻涂料，提高了產(chǎn)品附加值。已申請(qǐng)國家發(fā)明專利。
詳細(xì)介紹：
納米氧化鈦、氧化鐵、氧化鋅、碳酸鈣等材料可被應(yīng)用于光催化、涂料、化妝品、生物醫(yī)學(xué)、顏料、磁性材料和磁性記錄材料、橡膠材料等領(lǐng)域。但是上述納米材料由于表面親水性，在油性有機(jī)介質(zhì)中難以穩(wěn)定存在，限制了其使用，因此需要對(duì)其表面進(jìn)行改性。傳統(tǒng)的納米材料表面處理的方法有無機(jī)物包覆、偶聯(lián)劑法等，但一般過程復(fù)雜或成本較高。 本作品提出了由低成本非離子表面活性劑在水醇混合溶劑中進(jìn)行改性的方法。非離子表面活性劑由一種或多種混合調(diào)配而成，其混合后的HLB值（親水親油平衡值）應(yīng)在4.1-12.7之間；在水醇混合溶劑中進(jìn)行改性目的是使表面活性劑具有更好的溶解性和改性效果。改性機(jī)理為利用表面活性劑的親水基與納米材料表面上的羥基發(fā)生脫水反應(yīng)，使納米材料接上表面活性劑的親油基團(tuán)而具有親油性,然后通過蒸發(fā)溶劑的方式得到改性納米粉體，改性后產(chǎn)品可以在有機(jī)相中穩(wěn)定均勻分散。此方法的優(yōu)點(diǎn)是改性后產(chǎn)品親油化度高，改性過程無需過濾，避免了小顆粒納米粉體的損失；原料成本低，設(shè)備簡單，操作簡便，適合于工業(yè)大批量生產(chǎn)，且可以拓寬納米材料的應(yīng)用范圍，提高產(chǎn)品附加值。經(jīng)金舵建材公司中試，改性TiO2摻入該公司內(nèi)墻涂料，明顯提高了產(chǎn)品附加值。目前該方法尚未見國內(nèi)外同類報(bào)道，已申報(bào)國家發(fā)明專利。

作品圖片

  • 納米粉體表面親油改性技術(shù)
  • 納米粉體表面親油改性技術(shù)
  • 納米粉體表面親油改性技術(shù)

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

納米材料如氧化鈦、氧化鐵、氧化鋅、碳酸鈣等因表面親水而難以在油性有機(jī)介質(zhì)中穩(wěn)定存在，限制了其在催化、建材、日化等領(lǐng)域油性體系中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的納米材料表面處理的方法有無機(jī)物包覆法、偶聯(lián)劑法等，但一般過程復(fù)雜或成本較高。 本作品基于表面活性劑親水基團(tuán)可與納米材料表面羥基發(fā)生脫水縮合反應(yīng)的性質(zhì)，以及不同表面活性劑在不同溶劑溶解度不同的現(xiàn)象，提出了混合非離子表面活性劑改性納米粉體的技術(shù)。 本作品創(chuàng)新點(diǎn)為:1.利用了表面活性劑的熔點(diǎn)與溶劑沸點(diǎn)的不同，可以通過蒸發(fā)溶劑的方式得到納米材料，避免了傳統(tǒng)改性過程需過濾而損失小顆粒納米材料的不足，最大限度地保存了納米材料的活性；2.采用了低成本的非離子表面活性劑，使表面活性劑親水基與納米粉體表面羥基發(fā)生脫水縮合反應(yīng)而使納米粉體具有親油性；3.以水醇混合溶劑為反應(yīng)介質(zhì)，不僅使表面活性劑具有更好的溶解性和改性效果，而且可以通過蒸發(fā)溶劑的方式得到改性納米粉體，無需過濾，避免了小顆粒納米粉體的損失；4.提出了混合表面活性劑改性的概念，給出了其混合HLB值的范圍。而且本作品所用原料成本低，設(shè)備簡單，操作簡便，有利于工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，且可以大大拓寬納米材料的應(yīng)用范圍，具有明顯的社會(huì)效益。 本作品技術(shù)關(guān)鍵是溶劑及混合表面活性劑的選擇及調(diào)配、各項(xiàng)比例以及溫度、時(shí)間等反應(yīng)條件的優(yōu)化。 主要技術(shù)指標(biāo)為改性后親油化度達(dá)到85%以上，溶劑回收利用率在90%以上。

科學(xué)性、先進(jìn)性

本作品利用表面活性劑的親水基與納米材料表面上的羥基發(fā)生脫水反應(yīng)，使納米材料接上表面活性劑的親油基團(tuán)而具有親油性。并提出了混合表面活性劑的適宜HLB值。與已有方法相比，科學(xué)性及先進(jìn)性在于： ①利用了具有不同HLB值的表面活性劑在不同溶劑中親水親油平衡性不同的特點(diǎn)，優(yōu)選反應(yīng)溶劑，使溶劑中的納米粉體處于一個(gè)微小的反應(yīng)器狀態(tài)，與表面活性劑進(jìn)行接枝反應(yīng)，效果更加可控； ②采用水醇混合溶液為溶劑，使調(diào)配后的混合表面活性劑具有更好的溶解性和改性效果； ③提出了適宜的HLB范圍，使改性效果更加優(yōu)化可控，改性后產(chǎn)品可以在有機(jī)相中穩(wěn)定均勻分散； ④改性過程簡單，所需生產(chǎn)設(shè)備簡單，且成本低，適合于工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

獲2011年 省“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)

作品所處階段

中試階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

技術(shù)入股或一次性轉(zhuǎn)讓

作品可展示的形式

實(shí)物、產(chǎn)品

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)在于利用了表面活性劑的熔點(diǎn)與溶劑沸點(diǎn)的不同，可以通過蒸發(fā)溶劑的方式得到納米材料，避免了傳統(tǒng)改性過程需過濾而損失小顆粒納米材料的不足，最大限度地保存了納米材料的活性，而且所用原料成本低，所需時(shí)間短，設(shè)備簡單，操作方便，改性效果好，有利于工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)。 本作品對(duì)于表面具有羥基的納米粉體如氧化鈦、氧化鋅、氧化鐵、碳酸鈣等均有效，這些材料的表面羥基都可以與表面活性劑的親水基團(tuán)發(fā)生脫水縮合反應(yīng)，因此，本作品的適應(yīng)范圍極廣，具有廣闊的應(yīng)用及推廣前景。 以納米二氧化鈦為例，目前我國納米二氧化鈦每年需求近100萬噸，實(shí)際需求的大多數(shù)都是親油性的，改性技術(shù)市場(chǎng)前景廣闊。國產(chǎn)氧化鈦產(chǎn)品在15-20萬元/噸之間，親油性納米二氧化鈦的價(jià)格在23-28萬元/噸之間。如采用本技術(shù)改性再出售，一噸生產(chǎn)成本在5000元以內(nèi)，利潤最低2萬元/噸以上，而且拓寬了其應(yīng)用范圍，銷路可以更廣。年產(chǎn)量及銷量300噸左右時(shí)，總投資大約300萬元，利潤可以達(dá)到600萬元以上。

同類課題研究水平概述

納米粉體改性方法主要是偶聯(lián)劑法和表面活性劑法。偶聯(lián)劑改性是偶聯(lián)劑與納米粉體表面發(fā)生化學(xué)偶聯(lián)反應(yīng)。通過偶聯(lián)劑的處理，納米粉體表面被有機(jī)基團(tuán)所覆蓋，具有良好的親油性能。如姚超等[1]報(bào)道利用硅烷偶聯(lián)劑KH-550表面包覆氧化硅的金紅石相納米TiO2進(jìn)行了有機(jī)表面改性。而表面活性劑改性是利用其分子兩親性使其極性基可以通過化學(xué)吸附或物理吸附吸附于固體表面，形成定向排列的吸附層，此時(shí)，表面活性劑的極性劑朝向固體，非極性基向外，從而可以改變固體表面的性質(zhì)。Arellano等[2]用丁二酸（2-乙基己基）二酯磺酸鈉（AOT）、十二烷基苯磺酸（SDBS）、十二烷基硫酸鈉（SDS）對(duì)TiO2顏料粒子進(jìn)行表面改性，結(jié)果表明TiO2粒子的改性提高了粒子在非極性介質(zhì)中的分散穩(wěn)定性和與聚合物基體的相容性。宇海銀等[3]利用水溶性羥丙基甲基纖維素（HPMC）對(duì)納米粒子進(jìn)行物理吸附處理，獲得了核為納米TiO2，外殼為HPMC的粒子，然后在已吸附HPMC的TiO2上接枝聚合甲基丙烯酸甲酯，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米粒子TiO2的表面改性。楊景花等[4]利用表面活性劑731A(二異丁烯和馬來酸的共聚物)、Tween80（失水山梨醇油酸酯，聚山梨酯–80）、Tritonx–100（特辛基酚聚氧乙烯醚）等表面活性劑對(duì)TiO2進(jìn)行了改性。專利文獻(xiàn)[5]報(bào)道了利用表面活性劑油酸鈉對(duì)納米四氧化三鐵進(jìn)行表面改性，專利文獻(xiàn)[6]報(bào)道了利用γ-（甲基丙烯酰胺）丙基三甲氧基硅烷對(duì)納米二氧化硅進(jìn)行表面改性。但是上述改性方法利用偶聯(lián)劑的成本較高，或利用表面活性劑需要過濾，喪失了活性高的小顆粒粉體。 1. 姚超，丁永紅，林西平，等. 無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，2005，21（5）：638-642. 2. Arellano ?M, Manas-Zloczower I, FekeDonald L. Powder Technology, 2009, 99(2):117-126. 3. 宇海銀，顧家山，關(guān)明云，等.高分子材料科學(xué)與工程，2004，20（5）：194~196 4. 楊景花，余剛，何耀華，等.化工進(jìn)展，2006，25（7）：803-806 5. 周興平，劉付現(xiàn)，倪似愚，等..ZL200710045998.7 6. 李耀剛，張琪，畢成，等. ZL200710171933.7
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