基本信息
- 项目名称：
- 纳米粉体表面亲油改性技术
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 纳米材料如氧化钛、氧化铁、氧化锌、碳酸钙等因表面亲水而难以在油性有机介质中稳定存在，限制了其在催化、建材、日化等领域油性体系中的应用。本技术采用低成本非离子表面活性剂对纳米粉体进行改性，表面活性剂亲水基与纳米材料表面羟基发生脱水缩合反应，纳米材料接上亲油基而具亲油性。生产过程简单，成本低，适合工业化生产。经金舵建材公司中试，改性TiO2掺入该公司内墙涂料，提高了产品附加值。已申请国家发明专利。
- 详细介绍：
- 纳米氧化钛、氧化铁、氧化锌、碳酸钙等材料可被应用于光催化、涂料、化妆品、生物医学、颜料、磁性材料和磁性记录材料、橡胶材料等领域。但是上述纳米材料由于表面亲水性，在油性有机介质中难以稳定存在，限制了其使用，因此需要对其表面进行改性。传统的纳米材料表面处理的方法有无机物包覆、偶联剂法等，但一般过程复杂或成本较高。 本作品提出了由低成本非离子表面活性剂在水醇混合溶剂中进行改性的方法。非离子表面活性剂由一种或多种混合调配而成，其混合后的HLB值（亲水亲油平衡值）应在4.1-12.7之间；在水醇混合溶剂中进行改性目的是使表面活性剂具有更好的溶解性和改性效果。改性机理为利用表面活性剂的亲水基与纳米材料表面上的羟基发生脱水反应，使纳米材料接上表面活性剂的亲油基团而具有亲油性,然后通过蒸发溶剂的方式得到改性纳米粉体，改性后产品可以在有机相中稳定均匀分散。此方法的优点是改性后产品亲油化度高，改性过程无需过滤，避免了小颗粒纳米粉体的损失；原料成本低，设备简单，操作简便，适合于工业大批量生产，且可以拓宽纳米材料的应用范围，提高产品附加值。经金舵建材公司中试，改性TiO2掺入该公司内墙涂料，明显提高了产品附加值。目前该方法尚未见国内外同类报道，已申报国家发明专利。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 纳米材料如氧化钛、氧化铁、氧化锌、碳酸钙等因表面亲水而难以在油性有机介质中稳定存在，限制了其在催化、建材、日化等领域油性体系中的应用。传统的纳米材料表面处理的方法有无机物包覆法、偶联剂法等，但一般过程复杂或成本较高。 本作品基于表面活性剂亲水基团可与纳米材料表面羟基发生脱水缩合反应的性质，以及不同表面活性剂在不同溶剂溶解度不同的现象，提出了混合非离子表面活性剂改性纳米粉体的技术。 本作品创新点为:1.利用了表面活性剂的熔点与溶剂沸点的不同，可以通过蒸发溶剂的方式得到纳米材料，避免了传统改性过程需过滤而损失小颗粒纳米材料的不足，最大限度地保存了纳米材料的活性；2.采用了低成本的非离子表面活性剂，使表面活性剂亲水基与纳米粉体表面羟基发生脱水缩合反应而使纳米粉体具有亲油性；3.以水醇混合溶剂为反应介质，不仅使表面活性剂具有更好的溶解性和改性效果，而且可以通过蒸发溶剂的方式得到改性纳米粉体，无需过滤，避免了小颗粒纳米粉体的损失；4.提出了混合表面活性剂改性的概念，给出了其混合HLB值的范围。而且本作品所用原料成本低，设备简单，操作简便，有利于工业规模化生产，且可以大大拓宽纳米材料的应用范围，具有明显的社会效益。 本作品技术关键是溶剂及混合表面活性剂的选择及调配、各项比例以及温度、时间等反应条件的优化。 主要技术指标为改性后亲油化度达到85%以上，溶剂回收利用率在90%以上。
科学性、先进性
- 本作品利用表面活性剂的亲水基与纳米材料表面上的羟基发生脱水反应，使纳米材料接上表面活性剂的亲油基团而具有亲油性。并提出了混合表面活性剂的适宜HLB值。与已有方法相比，科学性及先进性在于： ①利用了具有不同HLB值的表面活性剂在不同溶剂中亲水亲油平衡性不同的特点，优选反应溶剂，使溶剂中的纳米粉体处于一个微小的反应器状态，与表面活性剂进行接枝反应，效果更加可控； ②采用水醇混合溶液为溶剂，使调配后的混合表面活性剂具有更好的溶解性和改性效果； ③提出了适宜的HLB范围，使改性效果更加优化可控，改性后产品可以在有机相中稳定均匀分散； ④改性过程简单，所需生产设备简单，且成本低，适合于工业规模化生产。
获奖情况及鉴定结果
- 获2011年 省“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 技术入股或一次性转让
作品可展示的形式
- 实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点及优势在于利用了表面活性剂的熔点与溶剂沸点的不同，可以通过蒸发溶剂的方式得到纳米材料，避免了传统改性过程需过滤而损失小颗粒纳米材料的不足，最大限度地保存了纳米材料的活性，而且所用原料成本低，所需时间短，设备简单，操作方便，改性效果好，有利于工业规模化生产。 本作品对于表面具有羟基的纳米粉体如氧化钛、氧化锌、氧化铁、碳酸钙等均有效，这些材料的表面羟基都可以与表面活性剂的亲水基团发生脱水缩合反应，因此，本作品的适应范围极广，具有广阔的应用及推广前景。 以纳米二氧化钛为例，目前我国纳米二氧化钛每年需求近100万吨，实际需求的大多数都是亲油性的，改性技术市场前景广阔。国产氧化钛产品在15-20万元/吨之间，亲油性纳米二氧化钛的价格在23-28万元/吨之间。如采用本技术改性再出售，一吨生产成本在5000元以内，利润最低2万元/吨以上，而且拓宽了其应用范围，销路可以更广。年产量及销量300吨左右时，总投资大约300万元，利润可以达到600万元以上。
同类课题研究水平概述
- 纳米粉体改性方法主要是偶联剂法和表面活性剂法。偶联剂改性是偶联剂与纳米粉体表面发生化学偶联反应。通过偶联剂的处理，纳米粉体表面被有机基团所覆盖，具有良好的亲油性能。如姚超等[1]报道利用硅烷偶联剂KH-550表面包覆氧化硅的金红石相纳米TiO2进行了有机表面改性。而表面活性剂改性是利用其分子两亲性使其极性基可以通过化学吸附或物理吸附吸附于固体表面，形成定向排列的吸附层，此时，表面活性剂的极性剂朝向固体，非极性基向外，从而可以改变固体表面的性质。Arellano等[2]用丁二酸（2-乙基己基）二酯磺酸钠（AOT）、十二烷基苯磺酸（SDBS）、十二烷基硫酸钠（SDS）对TiO2颜料粒子进行表面改性，结果表明TiO2粒子的改性提高了粒子在非极性介质中的分散稳定性和与聚合物基体的相容性。宇海银等[3]利用水溶性羟丙基甲基纤维素（HPMC）对纳米粒子进行物理吸附处理，获得了核为纳米TiO2，外壳为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，实现对纳米粒子TiO2的表面改性。杨景花等[4]利用表面活性剂731A(二异丁烯和马来酸的共聚物)、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）等表面活性剂对TiO2进行了改性。专利文献[5]报道了利用表面活性剂油酸钠对纳米四氧化三铁进行表面改性，专利文献[6]报道了利用γ-（甲基丙烯酰胺）丙基三甲氧基硅烷对纳米二氧化硅进行表面改性。但是上述改性方法利用偶联剂的成本较高，或利用表面活性剂需要过滤，丧失了活性高的小颗粒粉体。 1. 姚超，丁永红，林西平，等. 无机化学学报，2005，21（5）：638-642. 2. Arellano M, Manas-Zloczower I, FekeDonald L. Powder Technology, 2009, 99(2):117-126. 3. 宇海银，顾家山，关明云，等.高分子材料科学与工程，2004，20（5）：194~196 4. 杨景花，余刚，何耀华，等.化工进展，2006，25（7）：803-806 5. 周兴平，刘付现，倪似愚，等..ZL200710045998.7 6. 李耀刚，张琪，毕成，等. ZL200710171933.7
