分析硅烷偶联剂对纳米TiO2改性及应用的进展

　　近年来纳米二氧化钛(TiO2)被广泛应用到各个领域，但是在研究中发现TiO2在应用中会遇到许多实际问题，比如TiO2最大的问题是在其他物质中的分散性差，而且容易团聚，降低其使用性能。为了将TiO2更好的应用在聚丙烯(PP)等材料中，科研工作者采用多种方法对纳米TiO2进行了改性，提高它在PP等材料中的分散性，进而提高它的使用性能，延长使用寿命。
　　1　TiO2的优缺点
　　TiO2具有的紫外线屏蔽和吸收作用、抗老化、光催化等性能，使其应用于化工产品可以明显地改善产品的抗紫外和抗老化性能。TiO2粒径的大小影响着TiO2抗紫外线的机理，反射、散射主要是阻隔紫外线的中长波，这时TiO2的粒径也较大。而对于长波区反射、散射不是很明显同粒径较大的TiO2比。与粒径大的TiO2比较，吸收主要是中波处，反射、散射对长波影响较小，因为TiO2的粒径比较小。
　　2　改性TiO2的方法及应用的研究进展
　　近几年来，向PP等材料里添加纳米无机物质，并制备PP等纳米复合材料已经引起了许多研究者的关注，纳米TiO2在制备与后处理、研究及应用领域等方面都取得了新的进展，但是由于纳米TiO2表面能太高，很难均匀地分散在聚合物基质中，且无法与PP等高分子材料有很好的联接，使用一段时间后会发生纳米TiO2脱离的情况。为了解决这个问题，需要对纳米TiO2的改性方法进行研究，其中最常用的是涂覆偶联剂、表面活性剂改性和聚合物改性等方法，从而改善PP等材料的抗老化性能。
　　2.1　硅烷偶联剂改性纳米TiO2
　　2.1.1　硅烷偶联剂KH-560改性纳米TiO2
　　陈宇飞等[4]将TiO2表面用KH-560进行有机化处理，纳米TiO2的表面接枝后形成化学键，接枝率为2.97%。张大兴等采用KH-560处理TiO2和SiO2，它们的亲油化度和分散状态通过亲油化度、SEM 等测试比较，结果表明，改性后的粒子分散性得到了提高。
　　2.1.2　硅烷偶联剂KH-570改性纳米TiO2
　　刘楠楠等将纳米TiO2与KH-570反应，再制备纳米TiO2粒子的核-壳型复合粒子，通过吸水率、拉伸强度和热重分析测试表明，纳米TiO2可以提高聚合物的耐水性、耐候性和拉伸强度。逯义等分别用KH-570和多种钛酸酯偶联剂与纳米TiO2反应，结果表明，TiO2能均匀分散，相容性也被改善。
　　2.1.3　其他偶联剂改性纳米TiO2
　　Zhao等利用3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APTMS)和3-异氰酸酯丙基三甲氧基硅烷(IPTMS)改性纳米TiO2。Selvin24等和Sabzi等使TiO2表面被氨基丙基三甲氧基硅烷(APS)改性。Rajajeyaganthan等分别在含水或不含水的溶剂下采用三甲氧基丙基硅烷偶联处理TiO2，结果表明，在不含水溶剂中制备的TiO2表面具有自清洁性能。Motoyuki等为了提高TiO2纳米粒子的稳定性，先用癸基三甲氧基(DTMS)和苯基三甲氧基硅烷(PTMS)然后用APTMS对TiO2改性。Carlos等使用超临界CO2的方法，将纳米TiO2用多种偶联剂将其进行改性。通过测试表明，溶液分子在颗粒之间的孔隙中能更好的扩散，具有3个官能团的硅烷比单个官能团的硅烷具有更好的热稳定性和疏水性。Bao等采用N-(2-氨基乙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷(AEAPTES)等对TiO2改性，通过离心纺丝溶胶-凝胶法合成N-Si掺杂的TiO2纤维。Shadpour等将KH-550与TiO2反应，然后再制备复合膜-聚乙烯醇(PVA)/纳米TiO2。改性纳米TiO2在PVA分散较好。PVA/TiO2纳米粒子膜能达到非常好的遮蔽紫外光作用。Pan等在脱水乙醇中通过原位表面处理的方法制备了十八烷基三甲氧基硅烷改性纳米TiO2。Tomovska等通过光引发诱导使(3-异氰基丙基)三乙氧基硅烷改性纳米TiO2。
　　2.2　偶联剂改性纳米TiO2的应用
　　2.2.1　KH-560改性纳米TiO2的应用
　　Li等[18]制备纳米复合物微球由TiO2表面被KH-560改性并接枝P(St-DVB)微球获得。Zhang等采用低温水热法使PET被KH-560带有TiO2物质改性，结果表明，没有被KH-560包覆的TiO2的纤维比被KH-560包覆的TiO2的纤维紫外线保护作用明显提高。2.2.2　KH-570改性纳米TiO2的应用Xu等将KH-570与TiO2反应，然后制备TiO2-g-PSt(聚苯乙烯)/PP复合材料，发现TiO2-g-St提高了PP的分散性。湛含辉等通过无皂乳液聚合法合成了聚丙烯酸(PAA)-g-KH-570-g-TiO2。熊丽君等用KH-570对纳米TiO2表面进行处理，再与苯乙烯共聚，制备纳米TiO2表面接枝PS的粒子。Yu等通过原位聚合的方法将苯乙烯与用KH-570改性的纳米TiO2进行反应，生了PS/TiO2纳米复合粒子，通过FT-IR、GPC、TGA表征表明，聚苯乙烯壳在改性纳米TiO2核上，并以化学键的方式包覆在其表面上，包覆率比较高。Yu等[24]将SiO2和氧化铝涂层的TiO2颗粒用KH-570进行改性，通过自由基共聚合把苯乙烯与颗粒表面具有KH-570的甲基丙烯酸酯共聚。
　　2.2.3　其他硅烷偶联剂改性纳米TiO2的应用
　　Shao等[25]采用硅烷偶联剂WD-10[CnH2n+1Si(OCH3)3 ，n=7-17]，WD-20[CH   2 CHSi(OC2H5)3 ]和WD-921[CH3Si(OCH3)3]等处理纳米TiO2，WD-20改性后纳米TiO2的分散性最好。Dominique等采用四乙氧基硅烷(TEOS)作为偶联剂改性纳米TiO2，然后改性丙烯酸涂料，在辐射下比较稳定。Sabzi等将纳米TiO2表面采用APS改性，然后将其添加到聚氨酯内。采用DMA技术和拉伸强度来测定纳米TiO2颗粒涂层的力学性能。通过紫外-可见光谱分析，来评估纳米TiO2复合涂层的吸光率、透射率。Li等采用溶胶-凝胶法和硅烷偶联剂改性纳米TiO2，通过原位本体聚合甲基丙烯酸甲酯制备TiO2/PMMA复合材料。Sun等用硅烷偶联剂改性纳米TiO2，通过反向微乳液聚合制备聚吡咯(PPy)与TiO2的纳米复合材料，UV-Vis紫外分析表明，PPy/TiO2复合材料的催化活性被提高。Mallakpour等将聚酰胺-酰亚胺(PAI)通过自由基聚合反应制备，然后将用-氨丙基三乙氧基硅烷改性的TiO2制备出PAI/TiO2复合材料。Jose等将纳米TiO2与H3C(CH2)7Si(OMe)3硅烷偶联剂反应后，通过熔融共混的方法制备TiO2/聚乙烯纳米复合材料。Islam等将TiO2与(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷反应，然后通过一种简单硫醇-内酰胺引发聚(4-乙烯基吡啶)(PVP)与TiO2的自由基聚合反应。
　　3　展望
　　(1)研究者将继续进行TiO2改性研究，寻找或合成新型的硅烷偶联剂来更好的改善TiO2自身的缺点，更好的提高TiO2在PP等复合材料中的分散性。
　　(2)研究TiO2
　　高分子改性的新途径是未来的研究方向和重点，目的是研发出性能更好、更多的新型抗紫外添加剂来提高各种类型的高分子材料的抗紫外性能。