亲水性纳米抗菌自清洁复合涂料的制备及性能研究

【摘要】：随着全球人口的不断增加、气温变暖以及环境污染,病原微生物随时随地侵袭着人们,这引起人们对工作和生活环境卫生状况的日益重视。不仅是细菌病毒对身体的威胁,玻璃雾化现象以及表面粘附的灰尘、油污等微粒会影响镜面成像的能见度或玻璃的透光率,也给人们生活带来不便；同时由于日常消毒和清洁不足,也成为细菌和微生物繁殖的场所。研究具有抗菌、防霉、自洁、防雾等用途的多功能材料成为人们生活的必需。 本文以表面活性剂改性水性聚氨酯为基料,纳米TiO2为光催化剂,采用共混与化学偶联技术制备了亲水性PU/TiO2纳米复合涂料,复合涂料经涂膜制备具有光催化活性的PU/TiO2复合膜。最佳制备工艺为：PU：H20=2：1,TiO2用量为0.25%-0.5%,SDS用量为0.5%-1%,硅烷偶联剂用量为0.5%-1%,采用乙酸乙酯或95%乙醇溶液稀释,超声时间10-15min,常温下流延制膜。采用红外光谱和紫外光谱表征了复合膜的结构特性,结果表明,在合成复合涂料的过程中,表面活性剂、Ti02与水性聚氨酯之间通过氢键结合,与Ti02粉体相比较,结合过程中的介电限域效应和偶极效应导致复合膜光吸收带红移到可见光区,而量子尺寸效应作用很小,这使得复合膜在可见光下的光催化活性成为可能。 以大肠杆菌(Ecoli)、白色念珠球菌(C. albicans)、黑曲霉菌(A.niger)等微生物为对象,考察了PU/TiO2复合膜的抗菌性能。结果表明,复合膜对细菌、酵母菌和霉菌都有较好的抗菌活性。在Ti02含量0.25%-0.5%,可见光下照射2h,对E.coli和C. albicans的杀菌率达80%以上,8h后接近100%；对A.niger的杀菌率8h达到70%。而空白玻璃和纯PU膜对三种微生物几乎没有杀菌效果。这证明了紫外吸收光谱的分析结果。长期抗菌实验还表明该复合膜具有持续的光谱抗菌性能,3个月后8h抗菌率仍为99%。 初步研究了PU/TiO2复合膜的自清洁防雾性能。结果表明,表面亲水性使复合膜具有很好的防雾性能,5min内可在复合膜表面形成面积大于95%的透明水膜。复合膜对表面附着灰尘的自清洁效果较好,在水流冲过的区域灰尘完全被带走,未留下痕迹；在紫外光照射条件下6h,复合膜对日落黄的降解率接近100%,对甲基橙和亚甲蓝的降解率分别为23%和21%。机械性能研究发现,复合膜耐高低温、有机溶剂和酸碱较好,耐擦拭性达300次以上,在玻璃上的附着力为2级。 【关键词】：水性聚氨酯 纳米TiO_2 光催化 抗菌 自清洁防雾
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TQ630.6
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 引言12-13
• 1.2 抗菌防霉剂13-14
• 1.2.1 抗菌防霉剂的主要种类13-14
• 1.2.2 抗菌防霉剂的使用方法14
• 1.3 抗菌材料的研究、生产及应用状况14-16
• 1.3.1 国外抗菌材料研制、生产及应用状况14-15
• 1.3.2 我国抗菌材料生产应用及其市场发展状况15-16
• 1.4 自清洁防雾材料16-18
• 1.4.1 亲水性自清洁防雾材料16-18
• 1.4.1.1 SiO_2自清洁防雾玻璃17
• 1.4.1.2 TiO_2自清洁防雾玻璃17-18
• 1.4.2 自清洁防雾材料的研究进展及存在的问题18
• 1.5 纳米抗菌自清洁复合涂料(膜)的制备和研究现状18-25
• 1.5.1 纳米TiO_219-20
• 1.5.1.1 物理化学性质19
• 1.5.1.2 纳米TiO_2光催化原理19-20
• 1.5.1.3 二氧化钛光催化剂在涂料改性中的应用20
• 1.5.2 水性聚氨酯(WATERBOREN POLYURETHANE)20-21
• 1.5.3 纳米抗菌自清洁复合涂料(膜)的制备方法21-23
• 1.5.4 纳米抗菌自清洁复合涂料(膜)的研究进展及存在问题23-25
• 1.6 本论文的研究目的及内容25-26
• 第二章 亲水性纳米抗菌自清洁复合涂料(膜)的制备与表征26-42
• 2.1 引言26
• 2.2 材料与方法26-28
• 2.2.1 实验试剂及仪器26
• 2.2.2 实验方法26-28
• 2.2.2.1 纳米复合涂料(膜)的制备26-27
• 2.2.2.2 纳米复合膜的耐水性和附着力研究27
• 2.2.2.3 纳米TiO_2的分散性能研究27
• 2.2.2.4 硅烷偶联剂在复合涂料制备中的应用研究27-28
• 2.2.2.5 纳米复合涂膜光学性能测定和表征28
• 2.2.2.6 附着力测定方法28
• 2.2.2.7 耐擦拭性能测定方法28
• 2.3 实验结果与讨论28-40
• 2.3.1 亲水性PU/TiO_2复合涂膜的成膜特点28
• 2.3.2 亲水性PU/TiO_2复合涂膜制备工艺28-35
• 2.3.2.1 聚氨酯浓度对成膜的影响28-29
• 2.3.2.2 聚氨酯浓度对纳米TiO_2分散性的影响29-30
• 2.3.2.3 聚氨酯浓度对涂膜附着力和耐水性的影响30
• 2.3.2.4 分散剂对复合涂膜性能的影响30-31
• 2.3.2.5 表面活性剂对复合涂膜性能的影响31-32
• 2.3.2.6 pH对纳米TiO_2在水中分散性的影响32-33
• 2.3.2.7 硅烷偶联剂在偶联法制备纳米复合涂料中的应用33-35
• 2.3.3 亲水性PU/TiO_2纳米复合涂膜的表征35-37
• 2.3.3.1 亲水性PU/TiO_2纳米复合涂膜的红外光谱表征35-36
• 2.3.3.2 亲水性PU/TiO_2纳米复合涂膜的紫外光谱表征36-37
• 2.3.4 PU/TiO_2复合膜机械性能研究37-40
• 2.3.4.1 PU/TiO_2复合膜耐高低温性能37
• 2.3.4.2 PU/TiO_2复合膜耐有机溶剂、酸碱性能37-38
• 2.3.4.3 PU/TiO_2复合膜的附着性能38-39
• 2.3.4.4 PU/TiO_2复合膜耐擦拭性能39-40
• 2.4 小结40-42
• 第三章 纳米抗菌自清洁复合涂料(膜)抗菌防霉性能研究42-56
• 3.1 引言42
• 3.2 实验部分42-43
• 3.2.1 试剂与仪器42
• 3.2.2 实验方法42-43
• 3.2.2.1 亲水性纳米抗菌自清洁涂料(膜)的制备42
• 3.2.2.2 纳米抗菌复合膜的杀菌防霉实验42-43
• 3.3 实验结果与讨论43-54
• 3.3.1 空白玻璃的抗菌防霉效果研究43-45
• 3.3.2 可见光下不同品牌纳米TiO_2对复合膜杀菌性能的影响45
• 3.3.3 可见光下纳米TiO_2用量对复合膜杀菌性能的影响45-46
• 3.3.4 光照条件对PU/TiO_2复合膜杀菌率的影响46-48
• 3.3.5 光照条件对空白膜杀菌率的影响48
• 3.3.6 可见光下温度对PU/TiO_2复合膜杀菌率的影响48-49
• 3.3.7 杀菌时间对PU/TiO_2复合膜杀菌影响的实物图49
• 3.3.8 可见光下PU/TiO_2复合膜抗菌与防霉性能的比较49-50
• 3.3.9 抗菌防霉长效性实验50-52
• 3.3.10 复合膜放置时间对短时杀菌防霉效果的影响52-54
• 3.4 小结54-56
• 第四章 纳米抗菌自清洁复合涂料(膜)自清洁防雾性能研究56-68
• 4.1 引言56
• 4.2 材料与方法56-57
• 4.2.1 实验试剂及实验仪器56
• 4.2.2 实验方法56-57
• 4.2.2.1 防雾性能测试方法56
• 4.2.2.2 自清洁性能测定方法56-57
• 4.2.2.3 降解有机物性能测定方法57
• 4.3 实验结果与讨论57-67
• 4.3.1 PU/TiO_2复合膜防雾性能的研究57-62
• 4.3.1.1 复合膜表面亲水性的提高57-60
• 4.3.1.2 表面活性剂改性前后复合膜表面亲水性的变化60
• 4.3.1.3 定性与定量的防雾实验60-62
• 4.3.2 PU/TiO_2复合膜自清洁性能的研究62-67
• 4.3.2.1 复合膜对灰尘的自清洁性能研究62-64
• 4.3.2.2 复合膜对有机污染物的自清洁性能研究64-67
• 4.4 小结67-68
• 第五章 结论68-70
• 第六章 问题和建议70-72
• 参考文献72-76
• 附录76-78
• 致谢78-80
• 研究成果及发表的学术论文80-81
• 作者及导师简介81-82
• 附件82-83

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