0 % TiO - Katedra Technologii Chemicznej

TECHNOLOGIE MATERIAŁÓW
BUDOWLANYCH
dr inż. Anna Zielińska-Jurek
Katedra Technologii Chemicznej
pok. 026 Ch.A., tel. 58 347 29 37
e-mail: [email protected]
TiO2 właściwości i zastosowanie
Ditlenek
tytanu
jest
najbardziej
rozpowszechnionym i najczęściej używanym
związkiem tytanu
Tytan (Ti)
Odmiany polimorficzne TiO2: a) rutyl, b) anataz, c) brukit
Wszystkie odmiany ditlenku tytanu w naturze występują jako składnik
skał magmowych i metamorficznych, w postaci czystej są przezroczyste.
Anataz ponadto w niewielkich ilościach występuje w iłach
i piaskowcach
TiO2 właściwości i zastosowanie
Anataz
Rutyl
Ditlenek tytanu - zastosowania
• Biel tytanowa znajduje zastosowanie w
przemyśle włókien sztucznych, emalierskim,
ceramicznym, gumowym, cementowym,
bitumicznym, skórzanym, kosmetycznym,
farmaceutycznym a nawet żywnościowym
• Rozkład substancji organicznych w zanieczyszczonym powietrzu
i w ściekach
• W procesach samooczyszczania powierzchni
• Modyfikacji powierzchni
superhydrofilowe)
szklanych
oraz
• Inaktywacji bakterii – działanie antybakteryjne
• Generowanie wodoru
luster
(powierzchnie
Powierzchnie samoczyszczące oraz powierzchnie
nieulęgające zaparowaniu na bazie TiO2
• W przemyśle budowlanym (kafle kuchenne oraz łazienkowe, kafle
zewnętrzne, okna, lustra łazienkowe, gips),
• w przemyśle komunikacyjnym (ściany oraz powierzchnie lamp w
tunelach, sygnalizacja świetlna, lustra ustawione przy drogach),
• rolnictwie (szklarnie)
• w przemyśle samochodowym (szyby i lusterka samochodowe)
Pasywne systemy oczyszczania powietrza
Zaprawy lub tynki samoczyszczące
• Niewielka ilość TiO2 wprowadzona
cementowych
nadaje
właściwości
powierzchni otrzymanej struktury.
•
do materiałów
fotokatalityczne
Lotne zanieczyszczenia oraz substancje organiczne ulęgają
adsorpcji na powierzchni materiału i dyfundując poprzez pory
ulęgają adsorpcji na powierzchni nanocząstek TiO2
• Absorpcja promieniowania UV z promieniowania słonecznego
poprzez cząstki TiO2 wbudowane w strukturę materiału
prowadzi do ich fotoaktywacji i generowania rodników
hydroksylowych,
odpowiedzialnych
za
degradacje
zaadsorbowanych zanieczyszczeń
Pasywne systemy oczyszczania powietrza na
bazie TiO2
1. Minimalna energia dla TiO2, która
jest potrzebna do wzbudzenia
elektronu i w konsekwencji do
wygenerowania dziury w paśmie
walencyjnym (Eg) ma wartość około
3,2 eV, co odpowiada kwantowi
promieniowania o długości fali 388
nm. TiO2 może więc być aktywowany
w zakresie promieniowania UVA (300388 nm)
1.
2.
Powierzchnia półprzewodnika zostaje
naświetlona promieniowaniem o
długości fali równej lub niższej 388
nm.
W wyniku absorpcji fotonu elektrony
z pasma niskoenergetycznego pasma
walencyjnego są przenoszone do
wysokoenergetycznego
pasma
przewodzenia czego następstwem
jest tworzenie nośników ładunków
(dziury w paśmie walencyjnym oraz
elektrony w paśmie przewodnictwa).
3.
Nośniki ładunku mogą ulegać rekombinacji lub migrować na powierzchnię
fotokatalizatora, gdzie pod wpływem reakcji redox generowane są wolne
rodniki, które biorą udział w rozpadzie zanieczyszczeń.
4.
Rodniki hydroksylowe •OH powstają w reakcji utleniania pomiędzy dziurą
oraz H2O lub -OH . Elektron może brać udział w reakcji redukcji z
zaadsorbowanym O2(aq) generując O2•-, który następnie może generować
dodatkowo H2O2 oraz •OH.
Właściwości superhydrofilowe ditlenku tytanu
Właściwości ditlenku tytanu wykorzystywane w przypadku
powierzchni samoczyszczących wynikają z dwóch zjawisk
indukowanych światłem: pierwsze zjawisko to zdolność do
fotodegradacji substancji, natomiast drugim zjawiskiem jest
tzw. superhydrofilowość
Inspiracja z natury
Zwilżanie materiałów, kąt zwilżania
• Hydrofilowość materiału - kąt styku występujący pomiędzy wodą,
a materiałem
• Kąt styku pomiędzy wodą a substancją nieorganiczną, na przykład
pomiędzy wodą, a szkłem wynosi 20-30°.
• Kąt styku występujący pomiędzy wodą, a substancją hydrofobową
(żywicą hydrofobową taką jak żywica silikonowa lub żywica
zawierająca polimer fluorowęglowodorowy) zawiera się pomiędzy 7090° i więcej niż 90°.
• Im mniejszy kąt zwilżania, tym ciecz bardziej się rozpływa po
powierzchni ciała stałego. Kąt równy 0° oznacza całkowite zwilżanie.
Zwilżanie materiałów, superhydrofilowość
• Podczas naświetlania powierzchni TiO2 powstają pary elektron-dziura.
• W efekcie, atomy tlenu są usuwane z powierzchni TiO2, tworząc wakaty
tlenowe.
• Cząsteczki wody mogą zająć miejsca wakatów tlenowych, wytwarzając w
ten sposób zaadsorbowane grupy ·OH, które są odpowiedzialne za
właściwości hydrofilowe powierzchni.
• Im dłużej naświetlana jest powierzchnia ditlenku tytanu, tym mniejsza jest
wartość kata zwilżania dla wody.
• Po około 30 min. naświetlania lampą UV o średniej mocy, wartość kata
zwilżania zbliża sie do zera, to znaczy, że woda ma tendencje do
rozpływania sie na takiej powierzchni
Zwilżanie materiałów, superhydrofilowość
Właściwości superhydrofilowe ditlenku tytanu
• Powłoki zawierające TiO2 mają zdolności utrzymywania
właściwości hydrofilowych w nieskończoność, tak długo jak są
naświetlane.
• Wykorzystywanie idei czyszczenia przez strumień wody (okna
pokryte TiO2 mogą być czyszczone przez opady deszczu lub
spłukanie wodą).
• Dzięki właściwościom hydrofilowym,
samoczyszczących,
szkło
wykazuje
antymgielne.
oprócz
także
zdolności
zdolności
Właściwości superhydrofilowe ditlenku tytanu
• Zamglone powierzchnie luster i szkła występują wtedy, gdy wilgotne
powietrze skrapla się, w wyniku czego powstaje wiele małych
kropelek wody, które rozpraszają światło.
• Na superhydrofilowej powierzchni nie tworzą się kropelki wody, a
jednolita warstwa wody, która może tworzyć się na powierzchni, nie
rozprasza światła.
• Możliwe jest również, w zależności od wilgotności powietrza,
szybkie odparowanie, gdy warstwa wody jest wystarczająco cienka.
• Obecnie wiele modeli japońskich samochodów jest wyposażonych
w antymgielne, przeciwkroplowe, superhydrofilowe lusterka
boczne.
Właściwości samoczyszczące ditlenku tytanu
• Właściwości superhydrofilowe pomagają także w
usuwaniu
zanieczyszczeń.
Większość
ścian
zewnętrznych budynków zabrudzona jest od spalin
samochodowych, które zawierają tłuste składniki.
• Jeżeli materiały budowlane zostały pokryte
superhydrofilowymi fotokatalitycznymi powłokami,
brud na ścianach może być zmywany dzięki
opadom lub po spryskaniu wodą.
• Podatność materiału na zewnątrz budynku na
zabrudzenia jest ściśle związane z jego kątem
zwilżania wody.
• Materiał na zewnętrznych ścianach budynków jest
bardziej narażony na zabrudzenia, jeżeli jest
wysoko hydrofobowy. Dlatego, tworzywa sztuczne
są bardziej podatne na zanieczyszczenia niż płaskie
szkło lub płytki
Zajęcia praktyczne
Cel - otrzymanie powierzchni o właściwościach samoczyszczących
i ich charakterystyka. Badany będzie wpływ stężenia TiO2
i promieniowania UV na właściwości samoczyszczące.
Wykonanie krok po kroku
Krok 1
Sporządzenie mieszaniny gipsu budowlanego i TiO2 (Stężenie TiO2 0,
10, 20 i 30 % wag.) z wodą
Krok 2
Po związaniu zaprawy nanieść na przygotowane płytki 0,5 cm3 błękitu
metylowego lub kawy rozpuszczonej.
Krok 3
Należy dokumentować fotograficznie zmiany zabawienia płytek w
czasie
Podział na grupy
Światło
słoneczne
zanieczyszczenie
Światło UV
Grupa 1
0 % TiO2
barwnik
0 % TiO2
20 % TiO2
barwnik
20 % TiO2
0 % TiO2
barwnik
0 % TiO2
30 % TiO2
barwnik
30 % TiO2
0 % TiO2
barwnik
0 % TiO2
10 % TiO2
barwnik
10 % TiO2
0 % TiO2
kawa
0 % TiO2
30 % TiO2
kawa
30 % TiO2
Grupa 2
Grupa 3
Grupa 4