Al3+-TiO2納米溶膠的制備及其在緩解芳綸纖維紫外光老化中的應(yīng)用研究.pdf

1、芳綸纖維是一種光敏感的高分子材料，容易在紫外線照射下發(fā)生光老化降解，而280～320 nm范圍的紫外光對芳綸纖維光降解作用最強(qiáng)。采用適當(dāng)?shù)目棺贤饫匣瘎┮宰韪暨@一波段的紫外光，將可提高芳綸纖維的使用壽命。納米TiO2對紫外光具有很強(qiáng)吸收和散射性能，是一種非常具有發(fā)展前景的新型光穩(wěn)定劑，目前研究的重點(diǎn)為制成細(xì)粉、超細(xì)粉末或水分散液（或乳液）供紡絲和后整理用。但是，在芳綸纖維紡絲過程中很難加入紫外光屏蔽劑，只能通過后整理的過程來提高其抗光老化

2、性能。另外，無機(jī)納米紫外線屏蔽劑由于具有極大的比表面積和比表面能，在介質(zhì)中不易分散，易產(chǎn)生團(tuán)聚，因此在應(yīng)用前還需要使用表面活性劑進(jìn)行表面改性。針對上述兩個(gè)問題，并結(jié)合濕化學(xué)在材料涂覆（或涂層）應(yīng)用中的特點(diǎn)，采用溶膠一凝膠法制備TiO2納米溶膠，并在芳綸纖維表面形成抗紫外光老化涂層，以緩解芳綸的紫外光老化性。此種方法解決了一定的問題，但同時(shí)也存在另一些問題，即：用金屬有機(jī)醇鹽來獲得溶膠的成本太高；銳鈦礦結(jié)構(gòu)TiO2除了具有防紫外線作用外，

3、還具有較強(qiáng)的光催化作用，會加速芳綸的老化。
　　 本課題采用金屬無機(jī)化合物為前驅(qū)制備穩(wěn)定的、防紫外效果較好且光催化作用較小的摻鋁二氧化鈦納米水溶膠，并運(yùn)用在芳綸纖維上形成具有紫外屏蔽作用及較低光降解作用的涂層來緩解芳綸纖維紫外光老化過程。
　　 論文的主要結(jié)論如下：
　　 1.以TiCl4為前驅(qū)物，選用鹽酸作膠溶劑，水為溶劑，采用溶膠-凝膠法制備出了穩(wěn)定的、透明度較高的Al3+/TiO2水溶膠。研究溶膠制備過程中

4、的主要因素與溶膠性能的關(guān)系，得出當(dāng)Al3+百分含量為0.07，在3.2 mol/L，TiCl4用量為1 ml、1.6 mol/L鹽酸溶液用量為6 ml時(shí)、用水量30 ml、膠溶3 h條件下形成的溶膠粒徑較小，顆粒分布較均勻。
　　 2.在普通玻璃上制備出粒度分布均勻的Al3+/TiO2涂層。研究溶膠制備過程中的主要因素與溶膠性能和涂層紫外吸收性的關(guān)系，得出當(dāng)Al3+含量為0.07％、3.2 mol/L TiCl4用量為1 ml、

5、1.6 mol/L鹽酸溶液用量為6 ml時(shí)，用水量30 ml，膠溶3 h形成的溶膠涂層吸收紫外線效果最好。
　　 3.X射線衍射測試結(jié)果表明，80℃熱處理1 h后，TiO2粉末100％為銳鈦礦相晶體結(jié)構(gòu)。隨溫度升高，120℃開始發(fā)現(xiàn)金紅石衍射峰的出現(xiàn)，此時(shí)粉末為銳鈦礦相與金紅石相的混晶，Al以Al2O3晶體形式存在。由此可見，在纖維上進(jìn)行Al3+/TiO2涂層時(shí)，80℃熱處理后涂層中TiO2只有銳鈦礦相。
　　 4.由于

6、Al3+的存在會引起晶格畸變和收縮，晶格缺陷能夠成為催化劑的活性中心，對光催化反應(yīng)有利。Al3+摻雜量增加，過多的晶格缺陷會成為電子-空穴復(fù)合中心，光催化活性下降。隨著Al3+摻雜量的增大，部分Al2O3使脫離TiO2顆粒表面，形成具有晶體結(jié)構(gòu)的游離Al2O3，小粒子越來越多，拓寬了Al3+/TiO2粉末光吸收范圍，對光能的利用率提高，光降解性能增加。Al質(zhì)量含量0.07％的Al3+/TiO2粉末對應(yīng)的光催化性能最小。
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7、.使用Al3+/TiO2水溶膠在芳綸纖維表面形成Al3+/TiO2涂層，采用芳綸纖維的加速光老化試驗(yàn)，對未涂層和經(jīng)Al3+/TiO2涂層纖維在光老化期間宏觀拉伸力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。老化試樣表明，涂層芳綸纖維平均拉伸強(qiáng)力和斷裂伸長率均高于未涂層芳綸纖維。-經(jīng)紫外光老化處理，未涂層芳綸纖維的紫外光老化現(xiàn)象顯著，斷裂強(qiáng)力和伸長率下降嚴(yán)重，而Al3+/TiO2涂層后紫外光對芳綸纖維拉伸性能的影響減弱，紫外光老化速度減緩。紫外照射4

8、8 h和96 h后，涂層芳綸纖維的斷裂伸長率保持率分別維持在75.4％和60.6％，而未涂層芳綸的則已經(jīng)分別下降到49.9％和26.4％；紫外照射48 h和96 h后，涂層芳綸纖維的斷裂強(qiáng)力保持率分別維持在70.1％和49.2％，而未涂層芳綸的則已經(jīng)分別下降到30.2％和14.1％。在置信度為0.95時(shí)，未涂層纖維和經(jīng)Al3+/TiO2涂層纖維加速老化相同時(shí)間后，斷裂強(qiáng)力和伸長率均值差置信區(qū)間的上限都小于零，最大置信區(qū)間分別可達(dá)到（-1

9、0.79 cN，-9.19cN）和（-1.17％，-0.97％）。-SEM表面觀察和XPS表面組成分析都表明，涂層使得芳綸纖維酰胺鍵吸收紫外光能量減少，減緩了芳綸纖維的光老化速度。-Al3+摻雜量不同的TiO2涂層及Al3+/TiO2涂層的制備條件對涂層屏蔽紫外光性能有一定影響。涂層溶膠選擇3.2 mol/L TiCl4用量1ml、1.6 mol/L鹽酸溶液用量6 ml、用水量30 ml、膠溶3 h、Al3+摻雜含量為0.07％、涂層熱