中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶制造技术

提供了制备中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶的方法。该方法包括(1)使碱性二氧化钛溶胶与碱性胶溶剂接触以提供胶溶的碱性二氧化钛溶胶；(2)将所述胶溶的碱性二氧化钛溶胶中和；和(3)获得或收集所述中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶。所述二氧化钛溶胶在大约7.0-大约9.5的pH值范围内是稳定且透明的。所述二氧化钛溶胶可以包括具有小于大约10nm的平均粒度的二氧化钛微晶，所述微晶的至少90％呈锐钛矿形式。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶
本专利技术公开和请求保护的专利技术工艺、程序、方法、产物、结果和/或构思(下文中统称为“本专利技术公开和请求保护的专利技术构思”)总体上涉及用于在表面上施加光催化涂层的组合物。更具体地说，本专利技术公开和请求保护的专利技术构思涉及可用于在基材上提供透明光催化涂层的二氧化钛纳米颗粒的溶胶，所述光催化涂层是消除污染和/或自清洁性的并且在某些实施方案中还可能具有抗菌性能。
技术介绍
半导体材料二氧化钛的光催化性能，源自在紫外线(UV)和近UV辐射的影响下电子从价带到导带的跃迁。产生的反应性电子-空穴对迁移到二氧化钛颗粒的表面，在那里空穴将吸收的水氧化以产生反应性羟基且电子将吸收的氧还原以产生超氧化物自由基，所述两者都能够降解空气中的NOx和挥发性有机化合物(VOC)。考虑到这些性能，已经将光催化二氧化钛用于涂层(包覆和非包覆两种)等中以将污染物从空气中除去。这种涂层还具有自清洁的优势，因为表面上的污物(油脂、霉、霉菌、藻类、细菌等)也被氧化。在许多应用中，期望二氧化钛涂层是透明的以保持基材的原始外观(例如瓷砖、铺地块料、砖块、石料、医疗程序期间使用的大理石侧面手术器械、太阳能电池、天然或合成纤维的织造和非织造织物等)或其原始透明度(例如窗玻璃、汽车挡风玻璃、用于观察的手术器械等)。已经证明，二氧化钛胶体溶胶是形成这种透明和反应性涂层的有用前体材料。稳定的碱性二氧化钛溶胶可以在pH值11.30以上形成。该溶胶可以用于形成可以施加于建筑物、混凝土表面和道路上的涂层。然而，该溶胶通常有时具有强且刺激刺鼻的“铵型”气味并可能在一定条件下燃烧。因此，如果不承担投放于个人保护设备的费用和困难以及采用萃取技术以从与待处理基材相邻的区域(例如地面污物)除去残留量的溶胶的费用，则难以使用此种溶胶。另外，基材可能不利地与溶胶中存在的高pH值胶溶剂反应。希望将碱性二氧化钛溶胶中和以致该溶胶将变得几乎无味且不可燃，从而克服许多上面指出的缺陷，并允许此种溶胶用作环境友好的光活性水基表面涂料。然而，随着碱性二氧化钛溶胶的pH值减小，该胶体体系通常附聚并变得不稳定，并且可能甚至瘪塌。此种附聚是不可逆的，即，即使将溶液再调节回到高pH值，胶体稳定性仍不恢复。因此本领域中希望且长期探索提供包含呈反应性、中性且透明的光催化二氧化钛的稳定的中性溶胶。还希望此种反应性、中性且透明的光催化活性二氧化钛溶胶在延长的时期内稳定，此外还在时间期间内按比当前市售的那些更好的活度(arateofactivity)维持光活性。本领域普通技术人员熟知，产生稳定、透明且中性的TiO2溶胶是困难的(且早就是工业中寻求的)，原因在于TiO2在大约4-大约10的pH值之间絮凝的自然趋势，而这归因于在中性(或接近中性)pH值下不存在任何静电稳定化。另外，难以确定可以充当TiO2溶胶中的空间稳定剂的合适或有效的分子，这归因于TiO2极其小的粒度。因为有效的空间稳定剂一般是较大分子，所以本领域普通技术人员已经发现难以确定用于应用的合适的空间稳定剂。还希望此种反应性、中性且透明的光催化活性二氧化钛溶胶显示抗菌/抗微生物活性。进一步希望本专利技术公开和请求保护的专利技术构思提供可容易按商业规模实施的制备此类反应性、中性、稳定和透明的溶胶的新型方法。
技术实现思路
专利技术概述根据上述目的以及其它目的，已经发现，呈反应性、中性、稳定、透明的且可以安全地且以环境友好方式使用的二氧化钛溶胶可以通过按本文给出的方式中和碱性二氧化钛溶胶形成。在本专利技术请求保护和公开的专利技术构思的一个方面中，提供了制备反应性、中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶的方法，包括：(1)使含水(hydrous)二氧化钛凝胶与碱性胶溶剂(peptizingagent)反应以提供胶溶的碱性二氧化钛溶胶；(2)将所述胶溶的碱性二氧化钛溶胶中和；和(3)获得或收集所得的中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶。在本专利技术请求保护和公开的专利技术构思的另一个方面中，提供了制备反应性、中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶的方法，包括：(1)从其中具有含钛化合物的溶液沉淀含水二氧化钛以形成二氧化钛颗粒；(2)形成所述二氧化钛颗粒在液体介质中的分散体；(3)用碱性胶溶剂处理所述分散体以获得胶溶的碱性二氧化钛溶胶；(4)将所述胶溶的碱性二氧化钛溶胶中和；和(5)获得或收集所得的中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶。所述胶溶的碱性二氧化钛溶胶可以如下中和：煮沸所述胶溶的碱性二氧化钛溶胶，将过氧化氢与所述胶溶的碱性二氧化钛溶胶混合，或将酸化合物与所述胶溶的碱性二氧化钛溶胶混合。酸化合物可以包括例如，但不限于，第一酸化合物和第二酸化合物，其中第一酸化合物和第二酸化合物可以选自无机酸、有机酸或它们的组合。所得的二氧化钛溶胶在大约8.5-大约9.5的pH值范围内是反应性、稳定和透明的。稳定的胶体二氧化钛溶胶可以呈具有小于大约50nm的平均尺寸的二氧化钛颗粒形式，具有小于大约20nm，小于大约10nm或大约1nm-大约10nm的微晶，其中大部分微晶呈锐钛矿形式。在一个可选的实施方案中，微晶可以具有大约1nm-大约5nm的平均粒度。根据另一个实施方案，微晶的至少90％呈锐钛矿形式。本专利技术请求保护和公开的专利技术构思的二氧化钛在一个实施方案中是多于95wt％呈锐钛矿形式。在其它实施方案中，本专利技术请求保护和公开的专利技术构思的二氧化钛颗粒具有小于大约10nm或备选地小于5nm的平均粒度。在另一个实施方案中，本专利技术请求保护和公开的专利技术构思包括具有小于大约50nm的平均粒度的二氧化钛颗粒，其中所述溶胶是透明的且当在室温下储存时稳定至少1个月。在其它实施方案中，当在室温下储存至少2，至少3或至少4个月时，溶胶是稳定的。在又一个实施方案中，当在室温下储存至少5或至少6个月时，溶胶是稳定的。在另一个实施方案中，当在室温下储存至少1年或至少2年时，溶胶是稳定的。在另一个实施方案中，溶胶在室温下至少4周后具有小于大约100厘泊的粘度。本专利技术公开和请求保护的专利技术构思的另一个方面提供由经胶溶和中和的碱性二氧化钛溶胶形成的中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶。本专利技术公开和请求保护的专利技术构思的另一个方面提供含所述反应性经中和二氧化钛溶胶的用于在基材上在UV曝光下除去NOx的结构或组合物。本专利技术请求保护和公开的专利技术构思的溶胶与具有相似尺寸和透明度分布(transparencyprofile)的市售溶胶相比具有更长的稳定性。本专利技术公开和请求保护的专利技术构思的另一个方面提供包含所述中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶的抗菌组合物，该抗菌组合物当与细菌接触放置时杀死所述细菌的至少80％。本专利技术请求保护和公开的专利技术构思的这些及其它方面将通过参考以下详细描述和附图得到更好理解。附图简述图1是比较用不同百分率的磷酸连同乙酸处理的含DEA的碱性二氧化钛溶胶在UV辐射下的NOx降低率的图解。图2是比较用不同百分率的磷酸连同乙酸处理的含TMAOH(氢氧化四甲铵)的碱性二氧化钛溶胶在UV辐射下的NOx降低率的图解。图3是比较用不同百分率的磷酸连同乙酸处理的含DEA的碱性二氧化钛溶胶在各种光源下的NOx降低率的图解。图4是比较含TMAOH的碱性二氧化钛溶胶在各种光源下随磷酸连同乙酸的浓度变化的NOx降低率本文档来自技高网...

【技术保护点】
中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶的制备方法，包括以下步骤：(1)使含水二氧化钛凝胶与碱性胶溶剂反应以提供胶溶的碱性二氧化钛溶胶；(2)将所述胶溶的碱性二氧化钛溶胶中和；和(3)获得所述中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.11.16 US 61/560,6691.中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶的制备方法，包括以下步骤：(1)使含水二氧化钛凝胶与碱性胶溶剂反应以提供胶溶的碱性二氧化钛溶胶；和(2)用磷酸和非必要的乙酸将所述胶溶的碱性二氧化钛溶胶中和，以获得包含锐钛矿微晶的中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶。2.权利要求1的方法，其中所述碱性胶溶剂选自烷基胺、氢氧化季铵和它们的组合。3.权利要求2的方法，其中所述碱性胶溶剂按至少7wt％的量存在于所述中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶中，基于所述碱性胶溶剂和二氧化钛的总重量。4.权利要求3的方法，其中用磷酸中和所述胶溶的碱性二氧化钛溶胶。5.权利要求4的方法，其中所述中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶包含0.5-20wt％二氧化钛。6.权利要求4的方法，其中所述中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶包含30-40wt％二氧化钛。7.权利要求2的方法，其中所述碱性胶溶剂按至少18wt％的量存在于所述中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶中，基于所述碱性胶溶剂和二氧化钛的总重量。8.权利要求7的方法，其中用磷酸和乙酸的组合中和所述胶溶的碱性二氧化钛溶胶；其中磷酸与乙酸的重量比在0.8:1-1.2:1的范围内，和其中将所述磷酸和乙酸基本上同时地添加到所述胶溶的碱性二氧化钛溶胶中。9.权利要求8的方法，其中所述中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶包含0.5-20wt％二氧化钛。10.权利要求8的方法，其中所述中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶包含30-40wt％二氧化钛。11.权利要求2的方法，其中所述烷基胺是二乙胺。12.权利要求2的方法，其中所述氢氧化季铵是氢氧化四甲基铵。13.权利要求1的方法，其中所述中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶包含具有小于50nm的平均粒度的二氧化钛微晶，其至少90％呈锐钛矿形式。14.权利要求1的方法，其中所述中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶掺杂有金属，其中所述金属选自Ag、Zn、Mg、Sn、Fe、Co、Ni、Se、Ce、Cu和它们的组合。15.权利要求1的方法，其中用去离子水洗涤所述中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶以致在所得的经洗涤中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶中钙离子的浓度小于71ppm且钠离子的浓度小于13ppm，和其中滤液导电率等于或小于500μS。16.权利要求15的方法，其中所述经洗涤中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶的粘度在室温下至少4周后小于100厘泊。17.中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶的制备方法，包括：(1)从其中具有含钛化合物的溶液沉淀含水二氧化钛以形成二氧化钛颗粒；(2)形成所述二氧化钛颗粒在液体介质中的分散体；(3)用碱性胶溶剂处理所述分散体以获得胶溶的碱性二氧化钛溶胶；(4)用磷酸和乙酸的组合将所述胶溶的碱性二氧化钛溶胶中和，以获得包含0.5-20wt％锐钛矿二氧化钛的中性、稳定和透明的光催化二氧化钛溶胶。18.权利要求17的方法，其中所述含...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·E·克劳德，A·R·瓦格斯塔夫，
申请(专利权)人：水晶美国股份公司，
类型：发明
国别省市：美国;US