《无机材料科学基础》课程教学资源（文献资料）纳米TiO2在紫外吸收玻壳中的应用

纳米TiO2在紫外吸收玻壳中的应用一，问题提出灯具种类繁多，其用途大致相同，无论是样式别致的装饰灯还是大型公共场合用的照明灯都是采用玻壳发光的。以硼硅玻壳为代表的卤素灯、纳灯、汞灯等被广泛用在工矿、建筑、交通、服务业等各个领域中。光照时会产生紫外线，紫外线按其波长的不同，可以分为UV-A(315~400nm)、UV-B(280~315nm)、UV-C(<280nm)三种，其中UV-B对环境和人类的危害最大，人体长时间吸收UV-B会导致皮肤老化、色素沉着及皮肤癌，对环境来说，UV-B会导致生物数量减少、地表空气污染加剧。当前国内生产的玻壳其透紫外率高于65%（波长<315nm），紫外辐射强，严重影响着生态环境和人类的健康。研制开发一种透紫外率低、透光强度高的玻壳，是国内外玻璃行业需要攻克的技术难题。据报道，国外一些公司已研制出了波长<315nm时，透紫外率低于50%（国际同行业标准）的玻壳，国内尚处在研制开发阶段，技术还不成熟。研究发现：纳米TiO2、纳米ZnO、纳米SiO2等纳米无机粉体对紫外线有较强的吸收和反射能力,尤其金红石型纳米TiO2具有（1）比表面积大；（2）光吸收性好且吸收紫外线能力强；（3）表面活性大。一般粒径约25nm的金红石纳米TiO2对UVA和UVB吸收反射功能最强，是同等粒径纳米ZnO和纳米SiO2的3~6倍,并且纳米TiO2具有很高的化学稳定性、热稳定性、非迁移性、无味、无毒、无刺激性，使用很安全，因此是无机类抗紫外剂的首选，利用金红石型纳米TiO2优良的防紫1

1 纳米 TiO2 在紫外吸收玻壳中的应用 一. 问题提出 灯具种类繁多，其用途大致相同，无论是样式别致的装饰灯还是 大型公共场合用的照明灯都是采用玻壳发光的。以硼硅玻壳为代表的 卤素灯、纳灯、汞灯等被广泛用在工矿、建筑、交通、服务业等各个 领域中。光照时会产生紫外线，紫外线按其波长的不同，可以分为 UV-A(315～400nm)、UV-B(280～315nm)、UV-C(＜280nm)三种，其中 UV-B 对环境和人类的危害最大，人体长时间吸收 UV-B 会导致皮肤老 化、色素沉着及皮肤癌，对环境来说，UV-B 会导致生物数量减少、地 表空气污染加剧。当前国内生产的玻壳其透紫外率高于 65%（波长 <315nm），紫外辐射强，严重影响着生态环境和人类的健康。 研制开发一种透紫外率低、透光强度高的玻壳，是国内外玻璃行业 需要攻克的技术难题。据报道，国外一些公司已研制出了波长＜315nm 时，透紫外率低于 50%（国际同行业标准）的玻壳，国内尚处在研制开 发阶段，技术还不成熟。 研究发现：纳米 TiO2、纳米 ZnO、纳米 SiO2等纳米无机粉体对紫 外线有较强的吸收和反射能力,尤其金红石型纳米 TiO2 具有（1）比表 面积大；（2）光吸收性好且吸收紫外线能力强；（3）表面活性大。一 般粒径约25nm 的金红石纳米 TiO2对UVA 和UVB 吸收反射功能最强, 是同等粒径纳米 ZnO 和纳米 SiO2的 3~6 倍,并且纳米 TiO2具有很高的 化学稳定性、热稳定性、非迁移性、无味、无毒、无刺激性,使用很安 全,因此是无机类抗紫外剂的首选，利用金红石型纳米 TiO2优良的防紫

外功能，可以将金红石型纳米TiO2加入玻璃配合料中，降低玻壳的透紫外率。二添加纳米TiO的设计思想及配方依据依据三元Na2O-CaO-SiO2玻璃系统相图，参照经验配方制定玻壳配方组成，确定制作玻壳用原料，制备金红石型纳米TiO2，添加到玻壳配合料中，混合均匀，经高温熔融制成玻璃熔体，通过澄清、均化、冷却，最后进行玻壳成型。Cao1:1Cao-Si021134入F方石英精石英石英Na.0.S:01Ne0-2510A18Si0285Na.OT:150840SiOA图1-Na20-Ca0-SiO2系统相图三．工艺技术路线原料→粉碎→粉料→混合→配和料→高温熔制→澄清、均化→冷却-→成形→退火→加工金红石型纳米TiO2粉末2

2 外功能, 可以将金红石型纳米 TiO2 加入玻璃配合料中，降低玻壳的透 紫外率。 二. 添加纳米 TiO2的设计思想及配方依据 依据三元 Na2O-CaO-SiO2 玻璃系统相图, 参照经验配方制定玻壳配方 组成，确定制作玻壳用原料，制备金红石型纳米 TiO2，添加到玻壳配 合料中，混合均匀，经高温熔融制成玻璃熔体，通过澄清、均化、冷 却，最后进行玻壳成型。 图 1-Na2O-CaO-SiO2 系统相图 三. 工艺技术路线 原料→粉碎→粉料→混合→配和料→高温熔制→澄清、均化→冷却→ 成形→退火→加工 金红石型纳米 TiO2粉末

TiO2有锐钛矿型、金红石型和板钛矿型三种，板钛矿是钛铁矿石在风化等过程中生成的特殊形态，因其结构的不稳定性而极少使用。锐钛型的光活性比金红石型高，原因是锐钛型的禁带宽度为3.2ev，金红石型的禁带宽度为3.0ev，前者较后者高0.2ev，当纳米TiO2用作玻璃灯具中的紫外吸收剂时，锐钛矿型由于其光活性太大而不使用，金红石型TiO2因其高的吸收紫外线性能而得到使用。四.实验结果对玻壳的紫外吸收率进行测试，用紫外分光光度计测定金红石纳米TiO2的紫外屏蔽效果，其中紫外吸光度是指紫外光波范围内的平均吸光度值，晶粒尺寸是指X-衍射测定的平均晶粒大小。当晶粒尺寸控制在15~25nm范围内，金红石纳米TiOz粉体对<315nm波长范围的紫外线具有优异的吸收性能。5.04.03.0李吸2.01.00500200250300350400450波长/nm图2纳米TiO2紫外吸收图3

3 TiO2有锐钛矿型、金红石型和板钛矿型三种，板钛矿是钛铁矿石 在风化等过程中生成的特殊形态，因其结构的不稳定性而极少使用。 锐钛型的光活性比金红石型高，原因是锐钛型的禁带宽度为 3.2ev，金 红石型的禁带宽度为 3.0ev，前者较后者高 0.2ev，当纳米 TiO2用作玻 璃灯具中的紫外吸收剂时，锐钛矿型由于其光活性太大而不使用，金 红石型 TiO2因其高的吸收紫外线性能而得到使用。 四. 实验结果 对玻壳的紫外吸收率进行测试，用紫外分光光度计测定金红石纳 米 TiO2的紫外屏蔽效果，其中紫外吸光度是指紫外光波范围内的平均 吸光度值，晶粒尺寸是指 X-衍射测定的平均晶粒大小。当晶粒尺寸控 制在 15~25nm 范围内，金红石纳米 TiO2粉体对＜315nm 波长范围的紫 外线具有优异的吸收性能。 图 2 纳米 TiO2 紫外吸收图

irEtun图3纳米TiO2透射电镜照片金红石纳米TiO2的粒子形状和紫外吸收率也有直接的关系，其透射电镜照片见图2，晶粒尺寸20nm。思考题：1.玻壳基础配方选取的依据是什么？2.为什么要用金红石型纳米TiOz？3.纳米TiO2晶粒尺寸的大小对控制玻壳紫外吸收有何影响？

4 图 3 纳米 TiO2 透射电镜照片 金红石纳米 TiO2的粒子形状和紫外吸收率也有直接的关系，其透 射电镜照片见图 2，晶粒尺寸 20nm。 思考题： 1. 玻壳基础配方选取的依据是什么？ 2. 为什么要用金红石型纳米 TiO2？ 3. 纳米 TiO2晶粒尺寸的大小对控制玻壳紫外吸收有何影响？