基本信息
- 項目名稱：
- 納米粉體表面親油改性技術
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 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介質(zhì)中穩(wěn)定存在，限制了其在催化、建材、日化等領域油性體系中的應用。本技術采用低成本非離子表面活性劑對納米粉體進行改性，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，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。已申請國家發(fā)明專利。
- 詳細介紹：
- 納米氧化鈦、氧化鐵、氧化鋅、碳酸鈣等材料可被應用于光催化、涂料、化妝品、生物醫(yī)學、顏料、磁性材料和磁性記錄材料、橡膠材料等領域。但是上述納米材料由于表面親水性，在油性有機介質(zhì)中難以穩(wěn)定存在，限制了其使用，因此需要對其表面進行改性。傳統(tǒng)的納米材料表面處理的方法有無機物包覆、偶聯(lián)劑法等，但一般過程復雜或成本較高。 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）應在4.1-12.7之間；在水醇混合溶劑中進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，使納米材料接上表面活性劑的親油基團而具有親油性,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)品可以在有機相中穩(wěn)定均勻分散。此方法的優(yōu)點是改性后產(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)外同類報道，已申報國家發(fā)明專利。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 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介質(zhì)中穩(wěn)定存在，限制了其在催化、建材、日化等領域油性體系中的應用。傳統(tǒng)的納米材料表面處理的方法有無機物包覆法、偶聯(lián)劑法等，但一般過程復雜或成本較高。 本作品基于表面活性劑親水基團可與納米材料表面羥基發(fā)生脫水縮合反應的性質(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。 本作品創(chuàng)新點為:1.利用了表面活性劑的熔點與溶劑沸點的不同，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)生脫水縮合反應而使納米粉體具有親油性；3.以水醇混合溶劑為反應介質(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用范圍，具有明顯的社會效益。 本作品技術關鍵是溶劑及混合表面活性劑的選擇及調(diào)配、各項比例以及溫度、時間等反應條件的優(yōu)化。 主要技術指標為改性后親油化度達到85%以上，溶劑回收利用率在90%以上。
科學性、先進性
- 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，使納米材料接上表面活性劑的親油基團而具有親油性。并提出了混合表面活性劑的適宜HLB值。與已有方法相比，科學性及先進性在于： 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，優(yōu)選反應溶劑，使溶劑中的納米粉體處于一個微小的反應器狀態(tài)，與表面活性劑進行接枝反應，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)品可以在有機相中穩(wěn)定均勻分散； ④改性過程簡單，所需生產(chǎn)設備簡單，且成本低，適合于工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 獲2011年 省“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽一等獎
作品所處階段
- 中試階段
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 技術入股或一次性轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 技術特點及優(yōu)勢在于利用了表面活性劑的熔點與溶劑沸點的不同，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，所需時間短，設備簡單，操作方便，改性效果好，有利于工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)。 本作品對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發(fā)生脫水縮合反應，因此，本作品的適應范圍極廣，具有廣闊的應用及推廣前景。 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，實際需求的大多數(shù)都是親油性的，改性技術市場前景廣闊。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格在23-28萬元/噸之間。如采用本技術改性再出售，一噸生產(chǎn)成本在5000元以內(nèi)，利潤最低2萬元/噸以上，而且拓寬了其應用范圍，銷路可以更廣。年產(chǎn)量及銷量300噸左右時，總投資大約300萬元，利潤可以達到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)生化學偶聯(lián)反應。通過偶聯(lián)劑的處理，納米粉體表面被有機基團所覆蓋，具有良好的親油性能。如姚超等[1]報道利用硅烷偶聯(lián)劑KH-550表面包覆氧化硅的金紅石相納米TiO2進行了有機表面改性。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，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TiO2顏料粒子進行表面改性，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）對納米粒子進行物理吸附處理，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，實現(xiàn)對納米粒子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TiO2進行了改性。專利文獻[5]報道了利用表面活性劑油酸鈉對納米四氧化三鐵進行表面改性，專利文獻[6]報道了利用γ-（甲基丙烯酰胺）丙基三甲氧基硅烷對納米二氧化硅進行表面改性。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. 無機化學學報，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，關明云，等.高分子材料科學與工程，2004，20（5）：194~196 4. 楊景花，余剛，何耀華，等.化工進展，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
