论文总字数：19532字

摘 要

陶瓷膜因具有化学稳定性好、机械强度大、抗生物能力强以及耐高温等特点已成为膜分离技术中重要的膜材料。随着膜分离技术在生物医药领域需求的逐渐增加，膜材料的品种和性能面临着新的需求。因此，本课题采用纳米粒子掺杂于制膜溶胶中，对形成的凝胶起到增韧的作用，从而制备出高能性的陶瓷膜。但掺杂颗粒越小，与溶胶接触面积越大，越不容易分散均匀，增韧效果就差。纳米颗粒极易团聚，易于形成二次颗粒，形成软团聚和硬团聚。而未经表面处理的纳米TiO₂颗粒表面是亲水的，它在有机介质中不能很好的分散。因此提高纳米颗粒在溶胶中的分散性至关重要。本论文主要包括两方面的内容：TiO₂纳米颗粒在正丁醇饱和水溶液中的分散性研究和TiO₂小孔径超滤膜的制备。

实验主要研究了超声和加入分散剂对于TiO₂颗粒在正丁醇饱和水溶液中分散效果的影响。确定了合适的参数，结果表明恒温条件下当超声功率为300W时，三乙醇胺的质量分数为0.1%， TiO₂悬浮液颗粒平均粒径为50nm左右，和支撑体的孔径相匹配适合于掺杂到溶胶中，而且分散性和稳定性都较好有。随后将分散好的颗粒掺杂于溶胶中，通过涂膜干燥烧结进而制备出完整无开裂的TiO2小孔径超滤膜。

关键词：纳米颗粒掺杂 TiO₂颗粒 分散性 正丁醇饱和水溶液

ABSTRACT

Ceramic membranes with chemical stability due to good mechanical strength, high temperature resistant and strong biological capabilities and characteristics of membrane separation technology has become an important film material. With the gradual increase in membrane separation technology needs in the biomedical field, variety and performance of the membrane material facing new demands. Therefore, this study uses nanoparticles doped sol in film, play a role in the formation of the gel toughened to prepare the energy of the ceramic membrane. But doping particles smaller contact area with the sol, the more difficult to disperse evenly, toughening effect backward. Nanoparticles easily reunion, easy to form secondary particles, formation of soft and hard reunion reunion. The nano- TiO₂ particle surface without surface treatment is hydrophilic, it is not well dispersed in an organic medium. Therefore essential to improve the dispersibility of the nanoparticles in the sol.

This paper is based on the sol-gel method TiO2 ceramic nanofiltration, the film aims to reduce the cracking phenomenon, modified support surface defects and internal pore size distribution, improving film quality. Proposed a modified nanoparticles were prepared by sol-gel method membrane, and improve the integrity of the film from the support surface. Thereby producing high-precision nanofiltration. Research work mainly includes two aspects: preparation of the surface modification of nano- TiO2 particles and TiO2 nanofiltration.

And we studied the ultrasonic dispersing agents, impact modifiers TiO2 particles dispersed in n-butanol effect. Determine the appropriate parameters, the results show that under conditions when the thermostat when the ultrasonic power is 300W, triethanolamine mass fraction of 0.1%, mass fraction of 0.5% Tween-80, sodium dodecyl benzene sulfonate mass fraction 0.5%, TiO2 suspension has a minimum average particle size dispersion best. The study has yet to be continued suspension of the modified TiO2 particles.

The key problem to be solved by increasing the TiO2 particles in the sol dispersion, thereby increasing the strength of the gel, the gel layer is thus easy to crack during the drying process, sintering, and reduction by doping the nanoparticles within osmosis and layer by layer on a support surface modification, and thus obtain high performance TiO2 nanofiltration.

Keywords: Nanoparticle-doped; TiO2 Particles; Dispersion; N - butanol

目 录

摘 要 II

ABSTRACT III

目 录 4

第一章 文献综述 6

1.1 引言 6

1.2.1 纳米TiO₂颗粒的结构性能 7

1.2.2 纳米TiO₂颗粒表面改性的意义和方法及其机理 8

1.3 分散剂对TiO₂颗粒分散的影响 13

1.4 本课题研究的内容和意义 13

1.4.1 TiO₂纳米颗粒的分散 14

1.4.2 TiO₂小孔径超滤膜的制备 14

第二章 纳米TiO₂颗粒分散的研究 15

2.1 引言 15

2.2 实验部分 15

2.2.1 实验仪器与药品试剂 15

2.2.2 实验主要测试分析方法 16

2.3 超声对TiO₂颗粒分散的影响 16

2.4 添加分散剂对TiO₂颗粒分散的影响 18

2.4.1 三乙醇胺对TiO₂颗粒分散性的影响 18

2.4.2 吐温-80对TiO₂颗粒分散性的影响 19

2.4.3 十二烷基苯磺酸钠对TiO₂颗粒分散性的影响 20

2.5 本章小结 21

第三章 陶瓷小孔径超滤膜的制备 22

3.1 引言 22

3.2 实验部分 22

3.2.1 实验仪器与药品试剂 22

3.2.2 管式担载膜的制备 22

3.2.3 膜性能表征 23

3.3 实验方法 24

3.3.1 管式担载膜的形貌分析 24

3.3.3 管式担载膜的纯水通量表征 24

3.3.4管式担载膜的截留性能表征 25

3.4 本章小结 25

第四章 结论与展望 26

4.1 结论 26

4.2 展望 26

参考文献 28

致谢 30

第一章 文献综述

1.1 引言

纳米粉体通常是指颗粒粒度在1～100nm、介于微观粒子和宏观物体之间的微小固体颗粒^[1]。纳米粉体因其体积效应和表面效应而在磁性、催化性、光吸收、电导、硬度和熔点等方面与常规材料相比显示出特异功能，因而受到人们的极大关注。但是，由于纳米粉体粒径小、比表面积和总表面能都很大，在溶液中容易团聚，团聚的存在又将大大阻碍纳米粉体优势的充分发挥，因此研究纳米粉体的分散、稳定性将是进一步提高材料性能的前提和基础。根据分散介质不同，分散体系可以分为水性体系（水为介质)和非水性体系(以有机溶剂为介质)。纳米TiO₂粒子比表面积很大，且配位严重不足，从而表现出极强的表面活性，极易相互团聚，形成大的聚集体，从而影响实际应用效果。纳米粉体表面处理常用的方法是在水性溶液中加入有机表面活性剂等，使其有效地包覆、吸附在纳米颗粒表面。纳米粉体在水性溶剂中的分散包括润湿、分散和分散稳定三个阶段。由于范德华力和粒子间引力的作用使得TiO₂粉体粒子紧密地集结在一起形成软的聚集体，这种聚集体浸入液体介质时，以聚团的形式被润湿而拒绝分散。因此，只有当纳米TiO₂颗粒之间被充分润湿时，它才能被很好地分散开来。而阴离子表面活性剂在固—液界面上以疏水基吸附于毛细管壁上，亲水基伸入液体中，使固—液界面的界面张力大幅度降低，并且改善了固—液界面的相容性，导致缝隙处亲水性增强，有利于水性介质在独立的原生粒子或较小聚集体周围润湿。随着粒子聚集体裂缝处渗透压力的增加，再结合外界所提供的机械剪切力，即可打开纳米TiO₂聚集体，使粉体获得较好分散^[3]。在水性体系中阴离子表面活性剂对表面包覆了硅铝氧化物的纳米TiO₂有较好的润湿分散作用。但是，并非任何表面处理剂都能促进液体渗透，不同类型的表面处理剂在粒子聚集体的分散过程中所起的作用有所不同。在微细颗粒的水悬浮液中，由于颗粒表面力的作用使它们很容易团聚在一起，形成较大的团聚体。使用超声波振荡将破坏团聚体中小颗粒之间的库仑力和范德华力，分散在液体介质中的团聚体被打开，从而使小颗粒分散在液体介质中。但超声波停止后，团聚又可能重新发生，因此，要想使微粉颗粒均匀、稳定地分散在液体介质中，通常采用以下三种稳定机制:①静电稳定机制;②空间位阻稳定机制;③电空间稳定机制。超声空化时产生的局部高温、高压或强冲击波和微射流等弱化纳米粒子间的纳米作用能，可以有效地防止纳米粒子的团聚。

当TiO₂的颗粒粒径到纳米级后，会使TiO₂的应用扩大到更大的领域。但由于纳米TiO₂颗粒比表面积大、表面能较高，颗粒间的范德华引力和库仑力，表面粒子相互靠在仪器，使总表面积和表面自由能降低。纳米颗粒级极易团聚，易于形成二次颗粒，形成软团聚和硬团聚。而未经表面处理的纳米TiO₂颗粒表面是亲水的，它在有机介质中不能很好的分散^[17]。在TiO₂最终应用时，只有液-固界面上的自由能比固-固界面上的自由能低时，才能使这些团聚进一步分散。因此，需要加入一些极性较大的分散介质来增加湿润力，降低液-固界面的自由能，提高TiO₂的分散度。

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