《纳米TiO2生物降解薄膜的拉伸强度研究毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米TiO2生物降解薄膜的拉伸强度研究毕业论文.doc（42页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、纳米TiO2生物降解薄膜的拉伸强度研究摘要随着现代化的快速发展从80年代开始社会白色污染的形式日益严峻，而由此开发出的生物降解膜在治理白色污染方面也发挥着越来越大的作用。但是作为普通的生物降解膜由于其本身易被细菌、一些有机物降解，同样造成大量的人力物力的浪费，所以也同样不适合现在社会的一个长期发展需求。为了适应这一发展形式，纳米TiO2光催化技术在降解塑料领域表现出巨大的潜力。本文从1967年被当时还是东京大学研究生的藤岛昭教授发现“ 本多藤岛效果 ”开始到如今各国研究人员致力于光催化效应的研究运用，综述了国内外纳米TiO2生物降解膜的研究进展情况。通过介绍纳米光催化技术应用于降解塑料领域的机
2、理，对今后纳米TiO2光催化生物降解膜的发展方向进行了展望。而在实验过程与结论探讨中着重对纳米TiO2生物降解膜进行了两个方面的研究：其一是添加纳米TiO2与中空纳米TiO2的不同含量到生物降解膜中对膜力学性能的影响。另一方面需要研究探讨的就是通过500W的紫外光光腐蚀处理，然后通过电镜照片分别观察添加不同含量的纳米TiO2与中空纳米TiO2生物降解膜表面均匀性、力学性能方面的状况，从而判定一个合适的TiO2添加量到生物降解膜中。关键词: 光催化；纳米TiO2；生物降解膜；紫外光照处理；拉伸强度Abstract Nowadays “white pollution” is becoming th
3、e most serious problem with the increasing diversity of manufactured plastic products. Our whole world seems to be wrapped in plastic. Almost every product we buy, most of the food we eat and many of the liquids we drink come encased in plastic. Plastic packaging provides excellent protection for th
4、e product, it is cheap to manufacture and seems to last forever. Lasting forever, however, is proving to be a major environmental problem. Another problem is that traditional plastics are manufactured from non-renewable resources oil, coal and natural gas. In an effort to overcome these shortcomings
5、, bio-degradable plastics, which can be decomposed in natural aerobic (composting) and anaerobic (landfill) environments, were come out for much more environmentally conscious and were considered as the best substitute for those normal non-degradable plastics. However, use of biodegradable plastics
6、is faced the problem especially in food packing that the plastics will be decomposed by bacteria. The photocatalysis technology of the TiO2 Nanoparticles has shown vast potentials on the area of degradable plastic. This article reviewed that the research of the TiO2-loaded biodegradable film at home
7、 and abroad. The paper introduced the photocatalysis technology of the mechanism of TiO2 used on the biodegradable films, discussed effect of the amount of loaded nanoparticles in preparing film on the tensile strength, and the change of the tensile strength of TiO2-loadded film before and after UV
8、irradiation. In conclusion, the maximum loaded amount of TiO2 nanoparticles was determined at range of 1% to 3%, and nanovoid TiO2-loaded film was proved to be superior in resisting photo-etching than general TiO2-loaded film.Keywords: photocatalysis； TiO2 nanoparticles；biodegradable film；UV irradat
9、ion； tensile strength.目 录摘 要Abstract第1章 绪论11.1 前言11.2 纳米TiO2的结构特征41.3 TiO2的光催化性能61.3.1 TiO2的光催化性能简介61.3.2 纳米TiO2的光催化机理1771.4 纳米 TiO2 光催化应用91.4.1 废水处理91.4.2 氮氧化物的降解2191.4.3 有机污染物的光解101.4.4 除臭杀菌101.4.5 表面自洁111.5 添加纳米TiO2对生物降解膜的影响26121.5.1 纳米TiO2粒径对复合材料力学性能的影响121.5.2 纳米TiO2填充量对复合材料力学性能的影响121.6 本课题的选题意义
10、与研究内容131.6.1 研究现状131.6.2 研究内容141.6.3 本实验的研究意义14第2章 含纳米粒子的生物降解膜制备162.1 中空纳米粒子的制备162.1.1 制备流程162.1.2 制备试剂与仪器172.2 生物降解膜的制备172.2.1 实验步骤182.2.2 实验药品与仪器182.2.3 实验结果182.3 二氧化钛的溶解192.3.1 实验步骤192.3.2 实验药品及仪器202.3.3 实验结果202.4 各种不同生物降解膜的制备202.4.1 实验步骤202.4.2 实验试剂及仪器212.4.3 实验结果与讨论21第3章 拉伸强度测试223.1 实验仪器223.2 实
11、验步骤233.3 结果与讨论24第4章 光腐蚀实验284.1 实验流程284.2 实验结果28第5章 结论35参考文献36致 谢38第1章 绪论1.1 前言光催化剂指的是一种在光的照射下，自身不起变化，却可以促进化学反应的物质，光催化剂是利用自然界存在的光能转换成为化学反应所需的能量，来产生催化作用，使周围之氧气及水分子激发成极具氧化力的自由负离子。几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质及部分无机物质，不仅能加速反应，亦能运用自然界的定侓，不造成资源浪费与附加污染形成。最具代表性的例子为植物的光合作用，吸收对动物有毒之二氧化碳，利用光能转化为氧气及水。 光催化剂于1967年被当时还是东京大学
12、研究生的藤岛昭教授发现。 在一次试验中对放入水中的氧化钛单结晶进行了光线照射，结果发现水被分解成了氧和氢。这一效果作为 “ 本多藤岛效果 ” （Honda-Fujishima Effect1）而闻名于世，该名称组合了藤岛教授和当时他的指导教师-东京工艺大学校长本多健一的名字。 由于是借助光的力量促进氧化分解反应，因此后来将这一现象中的氧化钛称作光触媒。这种现象相当于将光能转变为化学能，以当时正值石油危机的背景，世人对寻找新能源的期待甚为殷切，因此这一技术作为从水中提取氢的划时代方法受到了瞩目。伴随着纳米技术，光催化产品全面的研究和开发，许多产品已经成为家庭主要消费产品，现在光催化剂已经成为发达
13、国家老幼皆知的环保代名词。光催化技术是指利用不同光源照射某些物质使之具有催化反应功能的技术，能在光作用下具有催化功能的物质叫光触媒；光源主要可以是紫外光或含有紫外光的灯光、自然光和日光。目前应用最广泛的光催化剂主要是TiO2。因此，目前人们所说的催化剂是以纳米TiO2为代表的具有光催化功能的光半导体材料的总称。自l959年英国著名物理学家，诺贝尔奖获得者费因曼教授 (RPFeynman)等提出“纳米材料”的概念2，人们已制造出许多种纳米材料。由于纳米材料在磁性，催化剂，光吸收，热阻和熔点等方面与常规材料相比显示出特异性能。八十年代以后，随着人们对新型功能材料需求的增大，引起了各国对它的高度重视
14、，相继投入大量人力，财力进行研究。TiO2纳米材料作为一种重要的无机功能材料，因其具有良好的光催化性、耐腐蚀性、强紫外线屏蔽能力以及能产生奇特的颜色效应等功能，在废水处理、防晒护肤、涂料和汽车工业、传感器、功能陶瓷、光催化等领域倍受人们关注3-6。因此纳米级TiO2是目前国内外重点研究的纳米材料之一。目前，光催化的应用已进一步扩大，主要在以下五个方面： A.净化空气功能：对甲醛、苯、氨气、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等影 响人类身体健康的有害的有机物起到净化作用； B.杀菌功能：对大肠杆菌、黄色葡萄球菌等细菌具有杀菌功效。在杀菌的同 时还能分解由细菌死体上释放出的有害复合物； C.除臭功能：对
15、香烟臭、厕所臭、垃圾臭、动物臭等具有除臭功效； D.防污功能：防止油污、灰尘等产生。对浴室中的霉菌、水锈、便器的黄碱 及铁锈和涂染面褪色等现象同样具有防止其产生的功效； E.净化功能：具有水污染的净化及水中有机有害物质的净化功能，且表面具 有超亲水性，有防雾、易洗、易干的效能。目前开发出来的光催化产品主要有：光催化空气净化器，新型抗菌荧光灯，光催化涂料，抗菌保洁陶瓷等。但目前利用光催化剂来保护纺织品，木质家具等有机基质的成功应用很少，因为覆在这些产品表面或分散在这些产品中的光催化纳米TiO2在除去它们表面的细菌和对人体和环境有害的有机物的时候对这些有机基质的本身也造成很大的损伤。这便极大的限制
16、了光催化的应用。光触媒是一种新型的高科技产品，发展还不是很成熟，影响其发展的两个重要的因素：粘和技术和分散技术。1、粘和技术粘合技术是光催化的关键技术之一。黏合剂的作用是将光触媒固定在物体的表面，但现在市场上的光触媒原料中含有黏合剂的很少。粘合技术不过关，二氧化钛就容易脱落，就不可能具备长期有效性。另外，因为黏合剂都是有机物，但光触媒却会分解有机物，粘合技术不过关，二氧化钛将会将粘合剂分解掉而造成脱落。如何使黏合剂不被光触媒所分解，是黏合剂的一大技术难关。一般的黏合剂都是有比较高的黏度，以至于将黏合剂涂于某种物质上是会成为一层厚厚的膜，这样影响了本来物质的手感以及视觉。2、分散技术当物体的颗粒
17、小到一定的程度，会产生颗粒间相互吸引，重新团聚的现象，并最终产生大量的沉淀，从而影响催化功效。纳米二氧化钛颗粒尺寸小，具有极大的比表面积和表面能，表面局部电菏分布不均匀，在制备和后处理过程中容易发生粒子团聚，甚至还会导致涂料层析、沉降、结快等现象。由于纳米二氧化钛对分散技术的苛刻要求，目前市场上的光触媒原料中二氧化钛含量普遍低于1% 。要成功提高光触媒原料中二氧化钛的含量，又不能使二氧化钛凝结，就必须要依靠良好的分散技术。只要能有效的解决上述的两个问题，相信光催化技术能更广泛的应用到人们的实际生活当中去，对于日益严重的环境污染问题有所帮助。另一方面当前社会资源与环境是人类在21世纪实现可持续发
18、展所面临的重大问题，生物技术将成为解决这一问题的关键技术之一。在造成环境污染的诸多因素中，各种废弃物造成的公害已引起了社会的广泛关注。21世纪初，我国的包装材料用量很大，年用量将达到5000万吨，如果其中有30为一次性发泡塑料，那么全国每年的废弃塑料将有1500万吨以上；全国有5亿亩土地可利用地膜，目前仅有30的土地利用了地膜，再加上育苗钵和农副产品保鲜膜，这些塑料废弃物每年约有1000万吨；其它方面的废塑料约有1000万吨；这样每年全国废弃材料总量将达到3500万吨，其污染所造成的环境压力不言而喻。7如果在这些废弃材料中有30为可降解材料，那么我们的环境将会得到大大的改善，据不完全统计，我国
19、仅有100多个生产降解材料的厂家，生产能力不到10万吨，远远赶不上市场的需求。 所以发展生物降解是一项很有必要的技术。生物降解塑料在可降解塑料中最具发展前途。世界上的生物降解塑料主要是采用脂肪族聚酯或脂肪族聚酯混合淀粉制造的，脂肪族聚酯主要包括以石油为原料合成的聚己（PCL）、聚丁烯（PBS）及共聚体，还有以可再生资源为原料生产的聚乳酸、由微生物生产的聚羟基酪酸（PHB）等。生物降解塑料被分解后，成为水和二氧化碳，因此不会对环境产生危害。最近采用聚乳酸制造生物降解塑料的技术特别引人注目，美国卡基尔道聚合物公司已开始建设生产聚乳酸的工厂，到2001年底，年产14万吨的设备已投产；日本三菱树脂公司
20、正在建设年产3500吨规模可降解薄膜制造设备，到2002年扩大到年产1万吨。 从降解塑料应用领域分析，北美1989年降解塑料总销售量的88万吨中，其中用于包装达76万吨，包括包装袋类56万吨(其中垃圾袋47.5万吨，购物零售袋等8.5万吨)，饮料罐提环10.5万吨，其它包装9.5万吨（其中有卫生用无纺布5.5万吨，农业用2.5万吨），其它领域用4万吨。当时预测至2000年，包装用量达248万吨，无纺布为30万吨，农业用16万吨，其它26万吨。1989年-1994年，包装用年平均增长率为16.2%，无纺布为21.4%，农业用22.9%，其它领域为20.1%。1994年-2000年年平均增长率在包
21、装方面为7.5%，无纺布方面为12.9%，农业用14.8%，其它领域17.3%。 可见生物降解材料在当前社会被广泛运用。是顺应环境需求与经济发展的选择。因此这次的研究就是把光催化剂添加到生物降解材料中来改善生物降解性能提高薄膜的降解性质。1.2 纳米TiO2的结构特征二氧化钛是世界上最白的东西，1克二氧化钛可以把450多平方厘米的面积涂得雪白。纳米二氧化钛粒径仅为1050nm，是具有屏蔽紫外线功能和产生颜色效应的一种透明物质。TiO2有三种晶体结构，金红石、锐钛矿和板钛矿8。这些结构的共同点是，其组成结构的基本单位是TiO6八面体9（图1-1，图1-2）。这些结构的区别在于，是由TiO6八面体
22、通过共用顶点还是共边组成骨架。金红石的结构是建立在O的密堆积上，尽管它的晶体结构不是一种密堆积方式。板钦矿结构是由O密堆积而成的， Ti原子处于八面体中心位置，不同于金红石结构。而板钛矿中的TiO6八面体相对于理想的八面体也稍有变形，这一点与金红石的结构类似。图1-1构成TiO2的基本单元TiO68-的组成（1）共边方式 （2）共顶点方式图1-2 TiO6 结构单元的连接TiO2晶胞的结构取决于TiO6八面体是如何连接的。锐钛矿结构是由TiO6八面体共边组成。而金红石和板钛矿结构则是由TiO6八面体共顶点且共边组成。锐钛矿实际上可以看做是一种四面体结构，而金红石和板钛矿则是晶格稍有畸变的八面体
23、结构。金红石相TiO2物理性质的多样性主要表现为高熔点、高折射率、大介电常数和在可见光一近红外波段透过性好。常被用在小体积、高效能的特殊介电材料，红外窗口材料，光集成电路的耦合棱镜和光隔离器件等方面。金红石型在高能 （较短波长）吸收辐射能较锐钛型大，换句话说，对于金红石型钛白粉，在具有很强杀伤力的UV-波长段内（350-400nm），它对紫外线的反射率要远远低于锐钛型钛白粉，在这种情况下，它对周围的成膜物、树脂等身上所要分担的紫外光线就要少得多，那么这些有机物的使用寿命就长，这就是说，为什么通常所说的金红石型钛白粉的耐候性要比锐钛型好之原因所在。板钛矿的结构类似于金红石结构，它是由O2-阴离子
24、密堆积构成结构主体，然后Ti4+阳离子采取-ABACA-的方式密堆积。由于阴离子密堆积方式的不同，使Ti4+阳离子在金红石和锐钛矿中的填充位置也不同。在锐钛矿结构中，八面体中心位置的空缺是呈螺旋状排列，而在金红石结构中则呈直线排列。在常用的白色颜料中，二氧化钛的相对密度最小，同等质量的白色颜料中，二氧化钛的表面积最大，颜料体积最高。几种常用颜料的密度10（图1-3）。图1-3 常用颜料的相对密度由于锐钛型和板钛型二氧化钛在高温下都会转变成金红石型，因此板钛型和锐钛型二氧化钛的熔点和沸点实际上是不存在的。只有金红石型二氧化钛有熔点和沸点，金红石型二氧化钛的熔点为1850、空气中的熔点 (1830
25、土15)、富氧中的熔点1879，熔点与二氧化钛的纯度有关。金红石型二氧化钛的沸点为 (3200300)K，在此高温下二氧化钛稍有挥发性。二氧化钛的硬度按莫氏硬度10分制标度，金红石型二氧化钛为66.5，锐钛型二氧化钛为5.56.0，因此在化纤消光中为避免磨损喷丝孔而采用锐钛型。1.3 TiO2的光催化性能1.3.1 TiO2的光催化性能简介自20世纪70年代，日本东京大学的藤岛昭教授首次发现纳米TiO2的光催化特性以来11，纳米TiO2受到了国内外有关人士的广泛研究，并得以在许多方面应用，由于它的高效催化效应在光催化降解污染物、杀菌除臭、废水处理和净化大气等方面的优势，纳米TiO2更成为人们关
26、注的焦点。国外从20世纪80年代中期开始，国内从20世纪9O年代开始，在这方面的实验室研究工作已取得多项成果。国外(尤其是日本)在这方面取得了较为显著的进展，日本有不少企业开发出了光催化涂料并实现了商品生产。Kawabata K通过研究TiO2纳米生物降解薄膜的降解性能发现TiO2纳米生物降解薄膜是一种具有发展前景、容易制备、利用太阳光中的紫外线就可以降解污染物的薄膜12。而在国内研究了利用TiO2制备耐沾污性涂料13、具有抗菌功能的涂料14、净化大气环保涂料15等，取得了一定的进展，并且有具体的应用实例16。有人在路灯表面分别涂覆含有TiO2的涂料和不含TiO2的普通涂料，经一段时间观察后发
27、现，含有纳米TiO2的部分依然清洁如新，而普通涂料的表面已严重沾污，变成黑色。由此可见，利用含有TiO2的膜料作为材料内的添增剂时，不但使材料具有净化空气、杀菌、除臭的功能，还可以使材料具有自清洗、保洁功能，节省了大量的人力、物力，使各种设施长时间保持整洁如新。1.3.2 纳米TiO2的光催化机理17光催化氧化还原以n形半导体为催化剂，已研究的n型半导体包括: TiO2、CdS、WO3、Fe2O3、ZnO、SnO2等。用五氯苯酚对各种催化剂光催化氧化活性进行了比较，结果表明TiO2和ZnO的催化活性最好，CdS也具有较好的活性，但ZnO和CdS在光照射时不稳定，以至于光氧化与光腐蚀发生竞争，出
28、水中往往含有Zn2+ 和Cd2+ ，所以不使用。TiO2由于化学性质和光化学性质均十分稳定，且无毒价廉，货源充足，所以光化学氧化还原去除污染物通常以TiO2作为催化剂。通过研究了解纳米TiO2的结构特点，发现与金属粒子具有连续的能带结构不同，半导体粒子纳米TiO2具有能带结构，一般由填满电子的低能价(valence band，VB)和空的高能导带(conduction band，CB)构成，价带和导带之间存在禁带。当用能量等于或大于TiO2禁带宽带的光照射TiO2时，TiO2半导体内的电子就会被激发从价带跃迁到导带，在价带形成空穴，导带的电子是良好的还原剂，电子能和表面吸附的氧分子反应生成超氧
29、离子自由基(O22-)；而价带的空穴是良好的氧化剂，有强的得电子能力，能够和表面吸附的H2O或OH-反应形成具有强氧化性的羟基自由基(OH)，由于生成的自由基具有很强的氧化分解能力，可破坏有机物中的C-C键、C-H键、C-N键、C-O键、O-H键和N-H键，从而具有光催化降解表面有害污染物。由于纳米TiO2粒子的能带是不连续的，使得光生电子一空穴对有时间(其寿命一般为皮秒级)经由禁带向吸附在纳米TiO2表面的环境中的外来物种转移电荷，空穴可夺取纳米TiO2粒子表面吸附物质或溶剂中的电子而使其活化氧化，电子受体(在含有空气的水溶液中通常是氧)由于得到电子而被还原，均生成强氧化性自由基，进而发生氧
30、化反应。与电子相比，光生空穴具有更大的反应活性。反应机理方程式为：H2O + h+ OH +H+OH - + h+ OHO2+ e- O2-H20+O2- OOH+OH-2OOH O2+H2O2OOH +H20 +e- H2O2+ OH-H202+e- OH +OH- 18整个光催化图解过程（如图1-4）。在高能量光量子激发下进行跃迁的电子的存在状态对电子的跃迁几率影响很大。光催化反应中生成的e-h+ 从吸附分子流向催化剂。对于e-h+ 来说，其迁移速率和几率取决于最低能级导带和最高能级价带的位置以及吸附物质的氧化还原电位。在热力学上，光催化反应能够进行的条件是：受体电势低于半导体导带电势，供
31、体电势高于半导体价带电势19。 图1-4 TiO2光催化机理示意图纳米TiO2光催化剂从光催化机理上分析，一方面，物质的降解速度必然与光生载流子电子和空穴的浓度有关。而纳米级的TiO2随着粒径的减小，表面原子迅速增加，光吸收效率提高，从而增加表面光生载流子的浓度；另一方面催化反应的速率与物质在催化剂上的吸附量有关，随着晶粒尺寸的减小，比表面增大，表面键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子的配位不全导致表面活性位置增多，因而与大粒径的同种材料相比，纳米材料活性更高，有利于反应物的吸附，从而增大反应几率。201.4 纳米 TiO2 光催化应用1.4.1 废水处理 随着工业的发展，人类本来有限的水资源
32、受到日益严重的污染，清除水体中的有毒有害化学物质，如卤代烃、农药、表面活性剂等成为环保领域的一项重要工作。目前废水处理方法可分为三种类型，即分离处理、转化处理和稀释处理。分离处理只是将污染物从一相转移到另一相，不能使污染物得到彻底分解或无害化，有的方法还存在着二次污染的问题。稀释处理只是通过稀释废水来减轻水体的污染，既未把污染物分离，也不会改变污染物的化学性质。转化处理则是通过化学的或生化的作用改变污染物的化学本性，使其转化为无害的或可分离的物质，这是较理想的处理方法。但转化处理方法大多是针对排放量大、浓度较高的污染物，对于水体中浓度较低，难以转化的污染物的净化还无能为力。而近20年来逐渐发展
33、起来的光催化降解技术却为这一问题的解决提供了良好的途径。Matthews等人曾对水中34种有机污染物的光催化分解进行了系统的研究，结果表明光催化氧化法可将水中的烃类、卤代物、羟酸、表面活性剂、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂等较快的完全氧化为CO2和H2O等无害物质。光催化降解技术具有常温常压下就可进行，能彻底破坏有机物，没有二次污染且费用不太高的优点。1.4.2 氮氧化物的降解21汽车、摩托车尾气及工业废气等都会向空气中排放NOX等有毒气体。交通密集区、两旁有高大建筑物的狭窄街道、高速公路、地下停车场、隧道、都市商业区等场所NOX最容易富集。空气中较高浓度的NOX会严重影响人体的健康。可将纳米
34、二氧化钛光催化剂涂敷在建筑物、广告牌等表面，利用二氧化钛光催化剂的高氧化活性和空气中的O2可直接实现NOX的光催化氧化。这样，吸附在TiO2表面的分解产物HNO3可由雨水冲洗，不会引起光催化活性的降低。1.4.3 有机污染物的光解半导体多相光催化法是近年来日益受重视的有机污染治理新技术。纳米TiO2对卤代脂 肪烃、卤代 芳烃、有机酸类、染料、酚类、醇、酮、醛、胺、硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、杂环化合物、烃类、表面活性剂、农药等都能有效的进行光催化反应除毒、脱色、矿化，最终消除其对环境的污染，但这些研究目前仍停留在实验室研究阶段。1.4.4 除臭杀菌空气中恶臭气体主要有5类22：含硫化合物,含
35、氮化合物,卤素及其衍生物，烃类，含氧有机物。以前普遍采用活性碳去除这些臭气，随着气体在活性碳表面的富集，其吸附能力明显降低，使其应用受到限制。而利用TiO2光催化剂及其担载体吸附这些气体，经紫外光照射气体分解后，又可恢复其新鲜表面，消除了吸附限制。近年来，日本等国家采用TiO2光催化剂和气体吸附剂组成的混合型除臭吸附剂已得到实际应用23。气体吸附剂吸附的臭气经表面扩散TiO2光催化剂接触后，就会被氧化分解，既不会降低吸附剂的吸附活性，又解决了TiO2光催化剂对臭气吸附性较差的缺点，大大提高了臭气的光降解效率。微生物如细菌是由有机复合物构成，一般可利用TiO2光催化作用加以杀除，一般用的杀菌剂银
36、、铜等使细菌失去活性，但细菌被杀死后，可释放出致热和有毒的组份如内毒素。内毒素是致命物质，可引起伤寒、霍乱的疾病24. TiO2光催化剂不仅能杀死细菌，而且能同时降解由细菌释放出的有毒复合物。即TiO2光催化剂不仅能消灭细菌的生命，而且能攻击细菌的外层细胞，穿透细胞膜，破坏细菌的细胞膜结构，从而彻底的杀死细菌(如图1-5)。因此，利用纳米TiO2作抗菌材料的应用领域越来越广泛，主要包括农业、卫生陶瓷洁具、水处理、新型抗菌荧光灯、空气净化技术、纺织工业、抗菌材料和抗菌涂料等领域。图1-5纳米材料抗菌机理1.4.5 表面自洁在TiO2表面，钛原子和钛原子间通过桥氧连接，这种结构是疏水性的。在紫外光
37、照射条件下TiO2表面的氧和羟基间发生置换，在其表面形成了均匀分布的纳米尺度分离的亲水微区和亲油微区，从而使表面具有了油水双重亲和性。光照条件下，一部分桥氧脱离形成氧空位，此时，空气中的水解离吸附在氧空位中，成为化学吸附水，即在氧空位缺陷周围形成亲水微区，而表面剩余区域仍保持亲油性，这样就在表面构成了亲水性和疏水性相间的微区（约为 5030nm的结构单元），类似于二维的毛细管现象。由于水或油性液滴尺寸远远大于亲水或亲油区面积，宏观上TiO2表面表现出亲水和亲油特性。停止紫外光照射，化学吸附的羟基被空气中的氧取代，重新回到疏水性状态。将吸附性材料添加到TiO2当中，在提高其亲水性的同时，可使化学
38、吸附水到氧的置换变慢，从而延长了其超亲水性的持续时间。超亲水作用会在材料的表面产生表面水膜，使得油污不能与材料表面牢固结合，从而易于清洗。利用TiO2表面的超亲水特性可使其表面具有防污、防雾、易洗、易干的特点。在汽车挡风玻璃、后视镜表面镀上TiO2薄膜，可防止 镜面结雾。实验表明，镀有TiO2薄膜的表面与未镀TiO2薄膜的表面相比，显示出高度的自清洁效应，一旦这些表面被油污等污染，因其表面具有超亲水性，污物不易在表面附着，附着的污物在外部风力、水淋冲力、自重等作用下，会自动从TiO2表面剥离下来，阳光中的紫外线足以维持TiO2薄膜表面的亲水特性，从而使其表面具有长期的自洁去污效应。1.5 添加
39、纳米TiO2对生物降解膜的影响261.5.1 纳米TiO2粒径对复合材料力学性能的影响不同粒径的TiO2填充体系的拥有不同力学性能，彭富昌，邹建新等通过研究得出加入纳米TiO2体系的拉伸强度和缺口冲击强度明显优于加入普通TiO2 (微米级)的体系。这是由于纳米粒子的小尺寸效应、表面效应造成的。一般而言，随着微粒尺寸的减小微粒中的表面原子与总原子数之比(即比表面积)将会增加，表面积将增大，即表面原子会增多，而表面原子从化学键角度看存在很多悬键，具有极大的不饱和性，当纳米粒子添加到聚合物中，这些具有不饱和性质的表面原子就很容易同聚合物分子链段发生物理化学作用，使得粒子与基体结合更牢，当受到外力作用
40、时，粒子不易与基体脱离，能较好地传递应力，引发周围基体发生局部形变，增加耗散冲击能；同时因为应力点均匀地相互作用，基体内产生很多微变形压，也吸收大量的能量，这二者的作用使复合材料的整体力学性能提高。作为普通TiO2 填充的体系，由于填充颗粒粒径较大，易形成复合材料内部缺陷，所以不利于复合材料性能的改善。1.5.2 纳米TiO2填充量对复合材料力学性能的影响有研究表明27随着TiO2含量的增加，复合材料的两大主要力学性能指标(拉伸强度，冲击强度)最终都呈下降趋势，但经过表面改性后的TiO2特别是纳米级的TiO2填充的体系，在一定填充量范围内，材料的力学性能会保持不变，甚至会呈现上升至最高点而后才
41、会下降。这是由于在较低填充量范围内时，经偶联处理的TiO2 粒子对材料的增强增韧效果显著，对材料的整体力学性能的贡献较大，随着TiO2 粒子增加到一定质量分数时，粒子间都不可避免地趋向于团聚，团聚粒子在复合材料中易成为断裂薄弱点，微裂纹(银纹)易发展成宏观开裂，从而导致复合材料的韧性和强度降低。1.6 本课题的选题意义与研究内容1.6.1 研究现状据有关部门调查，2009年我国塑料需求量为3658.82万吨，到2010年将达到3701.57万吨。其中相当一部分塑料制品，如农膜、包装制品、工业及日用垃圾等难以回收，成为 “白色”污染，给人类的生存环境造成了巨大的压力。塑料制品在自然条件下是很难降
42、解的，为解决这一难题，广大科研工作者进行了大量深入的研究和探讨。目前，降解塑料的种类主要有光降解塑料、生物降解塑料、生物双降解塑料等。这些技术的发展，在很大程度上对深入研究和开发降解塑料产生了积极的推动作用。但必须指出，这些技术并不能完全解决塑料的降解问题，制得的可降解塑料普遍存在着不能完全降解、品质差、具有不同程度的二次污染、生产工艺复杂、生产成本高等缺点，严重制约着技术的推广与应用。纳米光催化技术是纳米科技与光催化技术相结合的产物，通过光照射纳米光催化剂，把光能转化为化学能，发生一系列的氧化还原反应，从而促进塑料的降解。常见的纳米光催化剂有纳米TiO2 、纳米ZnO、纳米ZnS、纳米CdS
43、及纳米PbS等，其中以纳米TiO2的综合性能最好，应用最为广泛。纳米光催化技术是随着纳米技术的发展，在光催化技术的基础上形成的。与光催化技术相比，纳米光催化技术具有反应速度快、催化效果好、成本低等优点，使其发展更具潜力。这项技术应用于降解塑料领域，在国内外都处于起步阶段，国外的研究稍早于国内。根据纳米光催化剂分散入塑料基体中的方式不同，可以将纳米光催化降解塑料分为溶液分散型纳米光催化降解塑料、熔融分散型纳米光催化降解塑料等。在生物降解膜材料中添加其他物质必将影响其本身的生物特性，这也是生物膜添加剂一直以来都在克服的问题。而作为拉伸性能作为材料特性之一，在各种物理性研究中也是被研究人员一直所关注
44、的热点。此外纳米二氧化钛在光催化方面的应用研究，发展很快，国内外每年都有大量的文献报道，也己申请了许多专利。但目前纳米TiO2光催化降解薄膜的研究大多处于实验室研究阶段，为了达到纳米生物降解膜的实际应用和普遍推广，还需在以下方面取得突破：通过应用表面技术和材料合成技术，对催化剂进行表面修饰与改进，大幅提高并维持其催化活性，是今后的研究热点之一；研究催化剂的防毒与再生技术，尽可能地延长催化剂的寿命并能通过较为简单的方法达到催化剂的再生和重复使用； 以往的研究多集中在对单一组分的降解，但纳米薄膜的污物污染通常有多种组分，因此开发对多组分污染物都有高降解率的催化剂将是很有实用价值的； 开发多功能光催
45、化剂。TiO2光催化剂具除污、抗菌、消毒、防雾、自洁等功能，因此研制集多种功能于一身的光催化剂并拓宽其应用领域将是很有前途的一个方向；研究利用日光作为光催化的光源。太阳光谱中波长在300-387nm之间的能量有1% ，而且利用太阳能清洁、经济，因此利用太阳能是可行的25。1.6.2 研究内容本研究的主要内容及总体思路如下：制备分别为空白含二氧化钛含中空二氧化钛降解塑料薄膜。一组晾干剥膜之后通过拉伸强度测试仪进行拉伸强度试验。探究添加添加剂对薄膜拉伸强度的影响。另一组份置于光化学反应仪下进行光腐蚀实验，再测试其拉伸强度的变化。从而得出结论进行总结。1.6.3 本实验的研究意义纳米TiO2生物降解
46、膜的拉伸强度研究：由于日常生产中中的包装材料，建筑材料，农业生产塑料膜中，由于受到各种污物的污染，尤其是油性有机污染物粘附在薄膜上，不易被水冲洗干净。而通过光催化实验去研究TiO2具有明显的光催化性，而且使加入TiO2的膜稳定性能良好能催化污染物分解。另外在添加TiO2的生物降解膜中，一般其拉伸强度会因添加TiO2的浓度有所改变。为了在改进薄膜特性的同时最小范围的控制添加TiO2对薄膜的影响。所以探索一个合适浓度TiO2的生物降解膜投入到日常生活中不仅是于环境保护而且对能源开发都是和谐有益的。另一个研究意义就是将中空型纳米二氧化钛通过三氯甲烷溶液分散后和降解塑料溶液混合制得生物降解膜液，然后将
47、此溶液铺成膜。这样就以降解塑料溶液为基体，将中空型纳米二氧化钛附着在膜上，能使纳米二氧化钛中空粒子的光催化功能充分发挥，但又不改变生物降解膜的本来性能。由于薄膜中含有中空纳米二氧化钛，从而使其具有生物降解的功能，同时由于中空纳米二氧化钛的特殊结构，使得薄膜不会因为光催化而自行降解。第2章 含纳米粒子的生物降解膜制备2.1 中空纳米粒子的制备需制备的一种中空型纳米二氧化钛，它是用纳米二氧化硅将纳米二氧化钛包围在中心的球形粒子（如图2-1），有机物和无机物通过二氧化硅的网孔进入到中空层，在紫外光的照射下，由二氧化钛进行催化分解。由于中空层的存在，使光催化反应的反应场所和基体表面分离，从而保护了基体不被分解。图2-1 TEM下中空纳米TiO2电镜图2.1
