【互联网+】光催化应用商业计划书docx

  第*届中国“互联网+”大学生创新创业大赛 项目计划书 项目名称：互联网+光催化应用 项目所在学院：冶金与化学工程学院 指导老师：** 团队名称：节能小将 队长姓名及联系方式：**** ***** 作品所属领域： A农林、畜牧、食品及相关产业类 E材料类 B生物医药类 F机械能源类 KO√√C化工技术、环境科学类 G服务咨询类 KO√√ D电子信息类 工商注册情况： A 完成注册 B 准备注册 C 没办法注册 目录 TOC \o 1-3 \h \z \u 第一章 产品研究开发及利用价值 2 1.1 研制背景及意义 2 1.2 国内外相关研究现状 3 第二章 纳米TiO2的应用 4 2.1 总论 4 2.2 在生活各方面的应用说明 5 第三章 产品设计及理论基础 9 3.1 理论 9 3.2 设计及实验室制造 10 3.3 反馈 10 第四章 未来上市模式 11 4.1 创新理念 11 4.2 创新目标 11 绪论 纳米TiO2问世于上世纪80年代后期,由于其粒径很小、比表面积大、界面原子所占比例大而具有更为独特的性能,如:量子效应、光化学催化作用、优异的紫外屏蔽作用、超亲水性、透明无毒、奇特的颜色效应等,使其在环境治理技术,防晒化妆品,灯光照明,高级涂料,及用于汽车工业和国防领域的功能材料等方面有着广阔的应用前景。而塑料、油漆、内墙涂料等有机建材材料的老化问题已司空见惯，主要体现为颜色改变,龟裂、粉化和拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度(包括悬臂梁和简支梁) 及弯曲强度等变化。如果将纳米TiO2制造成纳米钛胶的形式，涂附在这些建筑材料表面，形成纳米钛胶薄膜，然后将这些材料放置在日光和紫外光条件下照射，探究纳米TiO2能否应用在这些建筑材料上，以减少或减缓这些建材的老化现象，延长其常规使用的寿命。本文就是建立在这样的实验基础上而撰写的。通过定期观察这些建材的外观颜色和形状变化，测定其亲水性能、光泽度和白度色差、反射率等参数的变化，定性地分析TiO2在建材方面的应用。 关键词：纳米TiO2、紫外线、光催化氧化、建材涂料 Abstract Photocatalytic surface coating applications in building materials Nano TiO2 come out in the late 80s of last century, because of its small size, surface area, large proportion of interfacial atoms have more unique properties, such as: the quantum effect, photochemical catalysis, excellent UV-shielding effect, super-hydrophilic, transparent and non-toxic, unique color effects, etc., so that the environmental control technology, sunscreen cosmetics, lighting, and advanced coatings and used in the automotive and defense fields such as functional materials has a broad application prospects. The plastic, paint, interior paint and other organic building materials, the aging problem has become commonplace, mainly for the color change, cracking, chalking and tensile strength, elongation at break, impact strength (including the cantilever and simply supported beam) and bending intensity changes. If the nano-TiO2 gel manufactured in the form of nano-titanium, coated surfaces attached to the building materials, the formation of nano-titanium plastic film, and then place these materials under the sun and ultraviolet radiation, to explore whether the application of nano-TiO2 in these construction materials on to reduce or slow the aging of these materials, extending its life. This experiment is founded on the basis of the written. Through regular observation of the appearance of these materials change color and shape to determine their hydrophilic properties, gloss and whiteness of color, reflectivity and other parameters change, the qualitative analysis of the application of TiO2 in building materials. Keywords: Nano TiO2, UV, photocatalytic oxidation, coating materials 第一章 产品研究开发及利用价值 1.1 研发背景与意义 有机建材表面在太阳光辐射下会引起不同程度的老化，使得常规使用的寿命快速缩短；同时有机建材表面长期暴露在空气中，非常容易形成污垢，不易清理。 目前解决老化与清洁问题的常规方法是：对材料本身进行改性或涂覆防护涂层。然而对材料本身进行改性不仅工程量巨大，且不具备普遍性，实用效果不佳；涂覆防护涂层性可以在某些特定的程度上延长常规使用的寿命，但是并没解决防护涂层对有机基底材料的腐蚀和无法维持有机建材表面干净的问题。本论文基于一种高稳定性、自清洁的“二氧化钛/二氧化硅/润湿流平剂”中性复合防护涂层。将该复合涂层涂覆在有机建材表面：第一、可利用复合涂层中润湿流平剂的作用，使有机建材表面从疏水性变为超亲水性，从而自清洁性能得到提高；第二、可通过二氧化钛对紫外线的吸收作用，减少有机建材受到紫外线的辐射；第三、通过二氧化硅的联结作用，保证复合二氧化钛溶液的稳定性；第四、中性的复合防护涂层可以大幅度减少对有机基底的腐蚀，延长材料的常规使用的寿命。论文的主体研究内容概括如下：1、中性二氧化钛溶液最佳制备条件的选择，比较不同条件制备下二氧化钛溶液的稳定性。2、比较涂覆复合二氧化钛/二氧化硅涂层/润湿流平剂、单一纳米二氧化钛薄膜、复合二氧化钛/二氧化硅薄膜、复合二氧化钛/润湿流平剂、空白材料样品在户外和紫外光照射下的外观、光泽度、亲水性能以及溶液结构等性质。 得出以下结论： （1）相比于其他复合涂层，二氧化钛/二氧化硅/润湿流平剂复合涂层降低紫外线对塑料表面的损害效果最好； （2）在塑料表面涂覆二氧化钛/二氧化硅/润湿流平剂复合涂层，对材料自清洁性能的提高最显著。 此方法可为塑料材料表面的防老化、自清洁提供一个新的途径。 关键词：纳米TiO2薄膜，中性，复合溶液，自清洁，稳定性 1.2 国内外相关研究现状 自清洁材料(Self-cleaning materials)是一种在自然条件下，能保持自身清洁的材料，材料本身就具有多种功能，如除臭、抗菌、抗霉、防污等。随着光催化材料制备技术逐渐趋于成熟，因此给这种新材料的研制开发创造了很好的机会。自从20世纪70年代，日本东京大学的藤岛昭[1]教授首次发现二氧化钛的光催化特性以来，二氧化钛得到了广泛的研究和应用。特别是纳米二氧化钛的活性高、稳定性高、持续作用时间长和对环境无害，最近成为新材料领域的研究热点。自洁性纳米二氧化钛不仅仅具备良好的双亲和性，且能杀灭细菌等微生物，使污物不易黏在其表面，如果附着也是和外层水膜结合，附着的污物在外部风力、水淋冲力、自重等作用下，能自动从纳米二氧化钛表面剥离下来。自然光中的紫外线足够维持纳米二氧化钛表面的亲水特性，从而使其能够保持长期的自洁去污效应[2]。目前自清洁材料中使用较为广泛的有自清洁涂料、清洁的纺织品、自清洁玻璃和自清陶瓷。从1980年代以后，一些日本公司如Tekenaka、ToTo在自清洁涂料产品的开发上进行了大量的研究，现在技术已十分成熟，而国内在这方面的研究则刚刚起步。 目前主流自清洁涂料一般分成超亲水表面和超疏水表面涂料两种，要实现自清洁这两种涂料都需要水的参与。超亲水的自清洁表面对水的最小接触角小于5°，其清洁机理是通过在材料表明产生水膜，利用水膜阻止污物与材料表面接触，同时在水的冲刷作用下，将表面污物带离，达到自清洁的效果(见图1)。超疏水表面则必须同时满足两个条件，即表面具有适当粗糙度和可覆盖低表面能物质，其清洁机理是水滴在材料表面滚动或滑动时，将材料表面的污物吸附在水滴表面，并将其带离材料表面，达到自清洁效果(见图2)。 图1 超亲水自清洁表面机理 图2 超疏水自清洁表面机理 二十一世纪初，德国推出一种新型含硅树脂的外墙涂料，称该涂料具有类似荷叶般的自清洁性能，在雨水的冲刷下，能够除掉墙面的灰尘，实现自清洁性。但现有超疏水涂层仍存在制备工艺复杂、制备面积小、力学性能差、耐油性污染物能力差等问题，缺乏实际使用价值[4]。在众多亲水性的自清洁涂料中，二氧化钛是被研究得最多、最广泛的一种。以二氧化钛为原料的自清洁涂层大致上可以分为两种：纯无机TiO2涂层和复合纳米TiO2涂层。纯无机二氧化钛涂层的制备方法特点和无机涂层的固有特性，决定了其实际应用面将受到很大限制，无法应用于户外大型物体的表面(如建筑物、桥梁、交通工具和户外设备等)。二氧化钛纳米复合涂层，是通过将预先制得的二氧化钛纳米粒子与粘结剂(如有机、无机或有机一无机杂化粘结剂)复配，在基材表面涂覆，室温或高温干燥后获得。与无机二氧化钛涂层结构不同，二氧化钛纳米复合涂层中的二氧化钛组分，是以添加剂的形式加入，均匀分布在涂层中。如罗伸宽等人用二氧化钛溶胶与硅丙乳液复合，制成亲水性自洁涂层，在复合溶液中，当二氧化钛溶胶的质量分数为10％～20％时，该涂层具有非常好的超亲水特性，该涂层经紫外光照射30～60 min，或阳光照射2～5 h后，亲水角可降低至4°左右，表面呈现自洁特性[5]。 随着材料制备技术的发展，有机复合材料因为有轻便、韧性好的结构特性，被愈来愈普遍的应用于房屋装修、排水系统、道路建设等建筑领域中。因为有机建材表面容易开裂，常常需要在其表面涂覆各种防护涂料（如二氧化钛），吸收紫外线以提高其抗老化性能。而且有机建材表面一直处在太阳（紫外线）照射下,又容易吸附空气中的粉尘，形成难以除去的污垢，使得表面难以清洁，老化现象加剧而导致性能直线下降。因此，在保证有机建材的抗老化性能的同时，提高其自清洁性能是延长常规使用的寿命，提高自身性能的保障。 欧盟第七研发框架计划(FP7)提供部分资助的欧洲NANOCLEAN研发团队，成功研制开发出创新型疏水性自清洁汽车用工程塑料技术及生产的基本工艺[6]。但是目前对于普遍适用于有机建材的自清洁涂料研究并不是太多，如果能研制出一种对有机建材具有普适性的亲水性自清洁防护涂层，可以为有机建材的自清洁与防老化研究提供一种新的思想与方向。 第二章 TiO2 的应用 2.1 总论 纳米Ti02具有广泛的应用，其性质与应用领域总结如表1。 表1纳米Ti02的性质和应用 Table 1， Properties and applications ofnano Ti02 性质 应用 力学性质 超塑性 陶瓷，塑料，农用塑料薄膜 热学性质 熔点低 精细陶瓷(电子陶瓷） 耐热性强 皮革鞣制 物理性质 导电性质 半导体性质 导电涂料，导电塑料，复印纸 磁性能高 磁记录材料（磁带） 磁学性质 颜色效应 高档轿车涂料 光电性 感光材料（静电复印） 光学性质 紫外线强吸收性 化妆品，食品包装，化学纤维 红外线反射 红外线反射膜，隐身涂层 吸附性强 除臭剂，催化剂载体 化学性质 化学活性 光催化性 催化剂（化工），农药，医药 2.2 在生活各方面的应用 光催化剂方面的应用 由于纳米Ti02的粒径小，表面分子比例高，比表面积、表面能及表面结合力大，表面活性中心多，催化效率高，且纳米Ti02对环境无二次污染，在污水净化[11]、抗菌杀菌等方面具有十分广阔的应用前景。纳米Ti02的杀菌作用是利用光催化产生的空穴和形成于表面的活性氧类与细菌细胞或细胞内的组成成分进行生化反应，使细菌头单元失活而导致细胞死亡，并且能使细菌死亡后产生的内毒素分解。实验根据结果得出：将Ti02涂覆在陶瓷、玻璃表面，经室内荧光灯的照射lh后可将其表面99％的大肠杆菌、绿脓杆菌、金色葡萄球菌等杀死。这种瓷砖若用于医院，则覆着于墙面上的细菌数和空气中的浮游菌数显而易见地下降；若用于卫生闻则可明显降低氨气浓度。此外，应用Ti02光催化方法在体外对富颈癌细胞进行杀灭试验，在光照下，对宫颈癌细胞有着非常明显的杀灭作用[12]。 利用纳米Ti02还能降解水中的卤代脂肪烃、染科、硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、杂环化合物、烃类、酚类、表面活性剂等，主要使用在于处理废水，净化空气，回收贵金属。 在化妆品方面的应用 纳米Ti02化学性质稳定、无毒、无味，吸收紫外线nm)均有屏蔽作用，且纳米Ti02自身为白色，可以随意着色，在防晒霜、粉底霜、口红、防晒摩丝等化妆品中得到普遍应用。利用Ti02配制的防晒化妆品作为紫外线屏蔽剂可保护人的肌肤免受强烈辐射，有效地降低皮肤病的发病率[13]。 在化妆品中添加的纳米Ti02，金红石型优于锐钛型，而且纳米Ti02的粒径对紫外线的吸收能力和遮盖力影响很大，一般以30—50nm粒径为最佳。在作为防晒物质的应用中，为了封闭纳米Ti02的催化活性，提高耐候性、稳定性和分散性，需要对纳米Ti02进行表面处理。用无机物(如铝、硅、锆)进行表面处理，可以封闭Ti02的光催化活性，提高耐候性与稳定性；用有机物(如月桂酸、硬脂酸等)进行Ti02表面处理，可以改进Ti02在不同介质中的分散性。 在光电转换方面的应用 将纳米Ti02制成覆盖于染料薄膜的半导体纳米Ti02多孔膜作为太阳能电池的工作电极，由染料承担吸收光和给出电荷的作用，半导体纳米Ti02多孔膜则承担支撑染料、接受激发态染料给出的电荷和传导电荷的作用，它涉及的是半导体的多数载流子，晶体缺陷可降低电子与空穴的复合几率，大幅度的提升光电转换效率和稳定能力。这种新型结构的太阳能电池工作时没有净变化，只是将太阳能转换成电能[14]，因此，该光电转换体系有利于提高太阳能的效率，具有重大的应用价值。 在调色剂方面的应用 纳米Ti02具有卓越的颜料性能、较高的折光系数和稳定的物理化学性能，是颜料、涂料、油墨和纸张最好的增白剂。当纳米Ti02与铝粉颜料或云母珠光颜料以1：1或2：1的比例拼合用于涂料体系时，所形成的涂层从不同的方向观察能看到不同的闪色。在照光区呈现出一种多黄色亮点，而在侧光区呈现蓝色相似的乳光，并能增加金属色面漆颜色的饱和度和视角闪色性。由于纳米Ti02的这一独特超群的光学性能，使它倍受汽车行业的青睐而一跃成为当代最高档次的效应颜料[6]。将纳米Ti02添加到轿车yoga金属闪光漆中，不仅能使涂层产生很好的色彩效果，而且可显著提升轿车漆的耐候性。目前，世界上己有福特(Ford)、克莱斯乐(Chrysler)、丰田(Toyota)、马自达(Mazda)等著名的汽车制造公司使用含超微细Ti02的金属轿车面漆。 本项目的创新性在于: 1、目前国内主流方法制备出的二氧化钛涂层都是偏酸性或者碱性的，如溶胶-凝胶法等，但是非中性的光催化保护层会对有机基底材料造成较大的腐蚀，使得其保护性不突出，效果不明显。

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