聚硅氧烷/偶联修饰钛溶胶的接枝复合及在聚酯纤维表面的薄型负载

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利用锐钛型纳米TiO2的强大光催化作用降解有机污染物(例如印染污水)仍是当前光催化研究领域中的一个热点。但目前大部分研究工作主要着眼于提升TiO2颗粒的光催化活性,对其在实际应用中的负载和回收再利用等问题涉及较少。而要达到持续高效、反复利用的降解污水效果,必须使高催化活性的纳米TiO2以表面镶嵌的形式负载于高比表面积的易回收载体表面。因为,没有载体,TiO2颗粒易流失;TiO2被包埋在载体内,与有机污染物分子难接触;只有大的固液界面、高的TiO2裸露程度、高的负载牢度、以及污染物分子向界面快的扩散速度才能充分发挥纳米TiO2的强大光催化作用。由此,本课题设计了一种以廉价的疏松聚酯织物为基础载体、以高耐候性聚硅氧烷为粘结层、以偶联修饰锐钛型钛溶胶为光催化颗粒的纤维状光催化复合材料。为验证上述设计理念并达到高效稳定的光催化降解效果,依次讨论了钛溶胶颗粒表面的偶联修饰、聚硅氧烷与钛溶胶颗粒的接枝复合、以及钛溶胶颗粒在聚酯纤维表面聚硅氧烷薄膜浅表层的镶嵌型牢固负载。首先,以高分散性的钛溶胶/乙醇分散液为基本原料,用带双键的3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MPS)对钛溶胶颗粒表面进行偶联修饰;再经介质置换,制得MPS偶联密度和亲水/亲油性可调的活性钛溶胶/甲苯分散液。粒度分析(DLS)、元素分析和红外光谱(FTIR)分析等表明,MPS偶联修饰可有效提高钛溶胶颗粒表面的亲油性,进而改善与甲苯的相容性及在甲苯中的分散性。而对罗丹明B染料的光催化降解实验表明,MPS偶联改性对钛溶胶颗粒的光催化作用影响有限。其次,以上述偶联修饰钛溶胶为光催化颗粒,通过与含氢硅油及端乙烯基硅油的硅氢加成反应,制得聚硅氧烷/钛溶胶光催化复合膜,实现钛溶胶颗粒在聚硅氧烷薄层中的均匀牢固负载。红外光谱(FTIR)、抽提实验、扫描电镜(SEM)等分析表明,偶联修饰钛溶胶颗粒表面锚固有大量含C=C键的硅烷分子,这不仅可有效提高其与聚硅氧烷的相容性及在其中的分散均匀性,还可与硅油分子中的Si-H键发生硅氢加成反应,从而进一步提高复合膜的立体交联程度以及钛溶胶颗粒与聚硅氧烷基体膜的结合牢度。最后,以廉价易得、组织结构疏松、抗紫外老化性能较佳的聚酯织物为基础载体,通过涂覆/焙烘工艺,依次将聚硅氧烷、钛溶胶均匀完整地附着于聚酯纤维表面并交联固化,制得一种具有高效稳定光催化性能的光催化聚酯纤维。染料降解实验和扫描电镜(SEM)观察表明,钛溶胶颗粒易均匀、致密、牢固地附着于纤维表面的聚硅氧烷薄膜浅表层,这不但可赋予聚酯纤维优异的光催化降解作用,还可进一步提高聚酯纤维本身的紫外屏蔽性能和抗老化性。同时,以组织结构疏松、比表面积大的聚酯织物为基础载体,显著增大了钛溶胶颗粒与有机污染物的有效接触机会及降解效率。本基础性研究侧重在形态结构调控层面关注光催化颗粒的高比表面积有机载体表面的可控负载,所开发光催化聚酯纤维织物具有制造简单、使用方便、光催化降解效果良好等优点,所得研发成果有助于推动光催化材料在有机污染物降解中的实际应用。
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