光催化抗菌功能材料

化 学 工 程 师 Chemical Engineer 20O5年 2月 譬 。 文章编号：11302—1l24(2o05)02—0038—02 光催化抗茵功能材料 杨秀春，李佩瑾 ． (哈尔滨理工大学 化学与环境工程学院。黑龙江 哈尔滨 150080) 摘 要：本文简要介绍了光触媒功能材料的氧化及还原机理，并介绍了银离子或铜离子的抗菌效果、 抗菌保洁陶瓷及其它几种光触媒功能材料。 关键词：抗菌；功能材料；氧化钛；光触媒；自洁玻璃；光催化 中图分类号：TQ032．4 文献标识码：A Photo—catalysis antibacterial flmclional material YANGXiu—chun，LI Pei—jin (College ofChemical＆Environmental Engineering，Harbin University Scien．and Tech．，Harbin 150080，China) A面sb ：Oxidation and deoxidization mechanism of photo—catalysis functional materials were introduced and the antibacterial efficacy of silver—ion and cupmm —i0n．the antibacterial cleanly pottery and others photo—catalysis functional materials are also introduced in this paper． Key words：antibacterial；functional material；Ti02；photo··catalyst；auto··cleaniffg glass；photo··catalysis 近年来，随着人民生活水平的不断提高，人们对 生活环境的要求越来越高，绿色建材、环保型家装材 料也越来越受到人们的重视。光触媒功能材料因而 得到了较快的发展。在日本，各种光触媒材料已经 被人们所接受，应用范围也由厨房、浴室的抗菌陶 瓷、面砖等扩大到了医院、电器行业甚至是食品加工 厂等，同时各类保洁材料不断被研制出来并很快得 到应用。我国光触媒材料的研制和应用也很活跃， 随着科学技术的发展、随着抗菌保洁功能材料性能 的不断改善和加强，光触媒功能材料必将成为人们 生活的一部分。 1 氧化钛(TiO2)光触媒的形成机理 所谓光触媒功能材料指的是经受太阳光或照射 光(荧光灯等)照射时，能够由空气中的氧或水分而 形成活性氧的物质。这种光触媒因为具有能将所有 有机物质氧化分解的能力，所以利用光触媒涂层能 够赋予材料以“抗菌”、“防污”、和“脱臭”等各种特 殊 J功能，氧化钛(Tio2)光触媒功能材料是人们研 究最早的抗菌功能材料，Ti02作为一种半导体 J光 催化材料，由充满电子的价带、传导电子的导带和不 能存在电子的禁带构成，当光照射到 Ti02上时，即 收稿 日期 -'2004—11—30 作者简介：杨秀春(1960一)，女，高级讲师，1983年毕业于黑龙江大 学化学系，毕业后一直从事中、高等学校教学工作，研究 方向：功能材料。 产生带负电的电子(e一)和带正电的空穴(h )，该电 子具有强还原 J能力，电子与空气中的氧反应生成 具有很强氧化能力的氧负离子( )： e一+O2—0 而空穴具有氧化[ ]能力，与光催化剂表面的微 量水分反应，生成氢氧根负离子(OH一)： h +H2()_一OH一+H 由于 、OH一具有强氧化能力，因而，具有很 好的消毒杀菌功能。 2 抗菌保洁陶瓷的自洁、去污功能 抗菌性陶瓷制品应具有自洁、去污的功能，在陶 瓷、面砖等表面敷盖一层 Ti02材料，当陶瓷等被油 污染时，其表面的 Ti02在光照射下，Tio2发生电离 而产生带负电的电子(e一)和带正电的空穴(h )，依 其反应机理，它们具有很强的还原或氧化能力，能与 陶瓷表面极微量的水及氧反应生成 OH一和 ，Ti02 光催化剂的超亲水能力 J，使之在水与不同材料接 触时，开始产生的接触角在数十度以上，当经过紫外 线照射后，接触角会迅速变小，最后达到零度。呈现 出超亲水性能，水会自动呈“夹劈”状插人接触角很 大的油污与陶瓷中间，在外部风力、水淋冲力等外力 作用下，油污会自动从陶瓷表面剥离下来，因而，达 到自洁、去污的功效。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2005年第 2期 杨秀春等：光催化抗茵功能材料 3 银离子或铜离子的抗菌杀菌作用 银系或铜系抗菌性陶瓷制品是将抗菌效果好、 安全可靠的银、铜等离子加入到陶瓷釉料_3 J中，经施 釉和烧结后使之在陶瓷表面的釉层均匀分散并长期 存在，敷层 中的银离子 (Ag )或铜离子 (Cu2 )，使 TiO2光催化反应更容易进行，进而使 Ag 或 Cu2 能 牢固地敷盖在 TiO2表面上，当紫外光照射时，Ag 离 子或 Cu 离子被还原，能在材料的表面上析出具有 很强抗菌 、杀菌能力的 鲰 或 Cu。 ’ 抗菌效果的评价一般是将含有已知细菌浓度的 溶液置于抗菌釉面上 ，保持一定时间后，观察溶液中 细菌的生存数。日本食品分析中心的测试_6 J结果表 明，抗菌性陶瓷制品上的细菌生存数还不到普通陶 瓷制品的 1％，这种抗菌效果能有效防止处于阴暗、 潮湿、不易清洁的卫生洁具(如大、小便器)上的细菌 的繁殖和生长 ，并能防止尿液结垢及恶臭味的产生。 抗菌性釉面砖的耐久性好，试验表明，抗菌陶瓷在酸 和碱性介质中长期浸渍后，灭菌效果没有变化，其性 能如耐酸碱、耐腐蚀，耐磨性等也与普通陶瓷无异， 见表 1。 表 1 抗菌性釉面砖的耐久性试验结果 从安全性看，银和铜很早就被用作首饰、餐具和 医药器材，抗菌性陶瓷制品中所用的银系抗菌剂，经 有关的医学试验表明也具有很高的安全性。 4 光触媒自洁玻璃 上海复旦大学研制成一种光触媒 自洁玻璃，在 光触媒自洁玻璃的表面涂敷了一层 TiO2光触媒膜， 当紫外线照射到玻璃上时，TiO2产生强大的氧化能 力，使有机灰尘的分子分解为碳酸气和水。如果将 相当于一只烟的尼古丁涂在这种玻璃上时，大约 2h 后，尼古丁便完全被清除了。在通常情况下，这种玻 璃表面污垢的分解速度快于附着速度，其使用寿命 在 lO年以上。 5 氧化钛合金光触媒功能材料 日本神户钢铁公司开发研制了氧化钛光触媒功 能材料 ，“SPARKT”这种材料在波长小于 380ran的紫 外线照射下具有很强的有机分解效果，“SPARKT”具 有能分解空气中的污染物质，特别是甲醛和乙醛等 功能，达到分解消除。该材料还能够分解水中的污 染物，当水受到以碱性藏红为主的各种染色色素浸 染后，只要经过紫外线照射，色素即刻分解，使色消 失，这一分解过程不会产生有害物质，十分安全清 洁，对于净化环境具有重要意义。 6 光触媒氧化钛涂层的不锈钢板 随着不锈钢板的耐腐蚀性和加工性能的不断提 高，对于附加各种特殊功能的涂漆不锈钢板的市场 需求 日益增多，光触媒涂漆不锈钢板的开发就是其 中的一个重要方面。 日本金属工业公司开发了两种 含光触媒的不锈钢板，一是无机涂漆不锈钢板，另一 种是有机涂漆不锈钢板。无机涂漆是用喷涂法将分 散有氧化钛粉的硅系无机涂料喷涂固定于不锈钢板 表面上，因为是完全无机涂料，故能提高向涂层中添 加氧化钛的含量，可以制造高催化活性的产品。有 机涂漆不锈钢板是用滚筒涂布法将分散有氧化钛粉 末的有机 一无机复合涂料涂敷于不锈钢的表面，这 种有机涂漆不锈钢板的制造工艺无异于传统的涂漆 不锈钢板，它对于油烟之类的有机污渍有很好的分 解效果，在抗菌性方面对于大肠杆菌和黄色葡萄球 菌 6的杀灭效果极佳 ，在防霉作用方面也显示 出优 良的效果。 7 结语 光触媒功能材料是新一代环保、抗菌、防污、防 臭材料，它所具有的特殊功能会越来越受到人们的 重视，它将适用于各种要求抗菌、防污的场合。今后 的发展方向在于进一步研制更高活性的光触媒，开 发涂层色彩和加工性能等更优 良的涂料和涂层技 术，以适应人们的需求。 参 考 文 献 [1] 钦征骑 ．新型陶瓷材料手册[M]．江苏科技出版社 ． [2] 沈君权 ．氧化钛光催化剂及其应用[J]．现代技术陶瓷。1998。 (1)． [3] 肖汉宁 ．抗菌性陶瓷材料[J]．中国陶瓷，1997。(5)． [4] 陈晓莹 ．新一代建筑卫生陶瓷一抗菌保洁陶瓷[J]．江西建材， 1998。(3)． [5] 肖汉宁，李玉平 ．纳米二氧化钛的光催化特性及应用[J]．陶瓷 学报，2001，22(3)：191—195． 『6] 田博史 ．乃三T7 叉，1996，(31)I587． 维普资讯 http://www.cqvip.com