一、引言
納米技術(shù)是21世紀(jì)的三項(xiàng)偉大發(fā)明之一，它研究的物質(zhì)結(jié)構(gòu)尺寸在 0.1nm~100nm，納米材料的粒徑為納米級(jí),性質(zhì)非?；顫姡泻軓?qiáng)的化學(xué)反應(yīng)性。納米金屬材料在空氣中能氧化，并燃燒發(fā)光。納米材料是一類超細(xì)材料，具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等一些特殊性能。因此，成為多領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)，納米技術(shù)的進(jìn)步可以為化學(xué)、材料、物理及生物等學(xué)科提供新的發(fā)展空間。
二、納米二氧化鈦的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)
二氧化鈦，也稱為鈦白粉，化學(xué)式為TiO2，是性能優(yōu)異的白色顏料。納米二氧化鈦是無機(jī)功能材料中的重要一種，亦稱為納米鈦白粉。納米二氧化鈦，是采用特殊工藝制得的微粒細(xì)小的二氧化鈦粉末，與普通二氧化鈦相比，其化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、分散性、非遷移性、親水性、耐候性、抗菌自潔性、防紫外線等特性更為優(yōu)異，可應(yīng)用范圍更為廣泛，其在高端應(yīng)用領(lǐng)域以及特殊應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ胀ǘ趸伨哂休^強(qiáng)替代性。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)得到進(jìn)一步拓展。
納米二氧化鈦抗菌自潔功能優(yōu)異，具有抗菌能力強(qiáng)、抗菌譜廣、抗菌時(shí)效長(zhǎng)、無毒安全等特性，可用于制造抗菌纖維、抗菌防污涂料、抗菌衛(wèi)生陶瓷潔具、抗菌熒光燈等產(chǎn)品；納米二氧化鈦防紫外線性能優(yōu)良，能夠透過可見光，吸收、反射、散射紫外線，是一種物理屏蔽型紫外線防護(hù)劑，由于其白度自然，可用于生產(chǎn)防曬類化妝品，還可以制造耐光老化涂料、塑料、油墨等產(chǎn)品；除此之外，納米二氧化鈦還可以用于污水處理、氣體凈化等環(huán)保領(lǐng)域，以及自潔玻璃生產(chǎn)、太陽(yáng)能電池制造等方面。
按照晶體類型來劃分，納米二氧化鈦可以分為金紅石型納米二氧化鈦、銳鈦型納米二氧化鈦兩種，其中，金紅石型納米二氧化鈦生產(chǎn)技術(shù)壁壘較高。納米二氧化鈦生產(chǎn)技術(shù)主要包括物理氣相沉積法（PVD）、化學(xué)氣相沉積法（CVD）兩大類，其中，化學(xué)氣相沉積法可生產(chǎn)粒度更細(xì)、性能更優(yōu)的產(chǎn)品，但其設(shè)備投資金額也相對(duì)更高。工業(yè)生產(chǎn)方法主要有兩種：硫酸法和氯化法。
在光線中紫外線的作用下長(zhǎng)久殺菌。實(shí)驗(yàn)證明，以0.1mg/cm3濃度的銳鈦型納米TiO2可徹底地殺死惡性海拉細(xì)胞，而且隨著超氧化物歧化酶（SOD）添加量的增多，TiO2光催化殺死癌細(xì)胞的效率也提高。對(duì)枯草桿菌黑色變種芽孢、綠膿桿菌、大腸桿菌、金色葡萄球菌、沙門氏菌、牙枝菌和曲霉的殺滅率均達(dá)到98%以上；用TiO2光催化氧化深度處理自來水，可大大減少水中的細(xì)菌數(shù)，飲用后無致突變作用，達(dá)到安全飲用水的標(biāo)準(zhǔn)；在涂料中添加納米TiO2可以制造出殺菌、防污、除臭、自潔的抗菌防污涂料，應(yīng)用于醫(yī)院病房、手術(shù)室及家庭衛(wèi)生間等細(xì)菌密集、易繁殖的場(chǎng)所，可凈化空氣、防止感染、除臭除味。能夠有效殺滅等等有害細(xì)菌。
2、防紫外線功能納米TiO2既能吸收紫外線，又能反射、散射紫外線，還能透過可見光，是性能優(yōu)越、極有發(fā)展前途的物理屏蔽型的紫外線防護(hù)劑。
納米二氧化鈦的抗紫外線機(jī)理：
按照波長(zhǎng)的不同，紫外線分為短波區(qū)190～280nm、中波區(qū)280～320nm、長(zhǎng)波區(qū)320～400nm。短波區(qū)紫外線能量最高，但在經(jīng)過離臭氧層時(shí)被阻擋，因此，對(duì)人體傷害的一般是中波區(qū)和長(zhǎng)波區(qū)紫外線。
納米二氧化鈦的強(qiáng)抗紫外線能力是由于其具有高折光性和高光活性。其抗紫外線能力及其機(jī)理與其粒徑有關(guān)：當(dāng)粒徑較大時(shí)，對(duì)紫外線的阻隔是以反射、散射為主，且對(duì)中波區(qū)和長(zhǎng)波區(qū)紫外線均有效。防曬機(jī)理是簡(jiǎn)單的遮蓋，屬一般的物理防曬，防曬能力較弱；隨著粒徑的減小，光線能透過納米二氧化鈦的粒子面，對(duì)長(zhǎng)波區(qū)紫外線的反射、散射性不明顯，而對(duì)中波區(qū)紫外線的吸收性明顯增強(qiáng)。其防曬機(jī)理是吸收紫外線，主要吸收中波區(qū)紫外線。
由此可見，納米二氧化鈦對(duì)不同波長(zhǎng)紫外線的防曬機(jī)理不一樣，對(duì)長(zhǎng)波區(qū)紫外線的阻隔以散射為主，對(duì)中波區(qū)紫外線的阻隔以吸收為主。納米二氧化鈦在不同波長(zhǎng)區(qū)均表現(xiàn)出優(yōu)異的吸收性能，與其他有機(jī)防曬劑相比，納米二氧化鈦具有無毒、性能穩(wěn)定、效果好等特點(diǎn)。日本資生堂應(yīng)用10-100nm的納米二氧化鈦?zhàn)鳛榉罆癯煞痔砑佑诳诩t、面霜中，其防曬因子可大SPF11-19。納米二氧化鈦由于粒徑小，活性大，既能反射、散射紫外線，又能吸收紫外線，從而對(duì)紫外線有更強(qiáng)的阻隔能力。與同樣劑量的一些有機(jī)紫外線防護(hù)劑相比，VK-T02 納米二氧化鈦在紫外區(qū)的吸收峰更高，更可貴的是它還是廣譜屏蔽劑，不象有機(jī)紫外線防護(hù)劑那樣只單一對(duì)UVA或UVB有吸收。它還能透過可見光，加入到化妝品使用時(shí)皮膚白度自然，不象顏料級(jí)TiO2，不能透過可見光，造成使用者臉上出現(xiàn)不自然的蒼白顏色。
利用納米TiO2的透明性和紫外線吸收能力還可用作食品包裝膜、油墨、涂料、紡織制品和塑料填充劑，可以替代有機(jī)紫外線吸收劑，用于涂料中可提高涂料耐老化能力。
研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在日光或燈光中紫外線的作用下使Ti02激活并生成具有高催化活性的游離基，能產(chǎn)生很強(qiáng)的光氧化及還原能力，可催化、光解附著于物體表面的各種甲醛等有機(jī)物及部分無機(jī)物。能夠起到凈化室內(nèi)空氣的功能。
4、防霧及自清潔功能TiO2薄膜在光照下具有超親水性和超永久性，因此其具有防霧功能。如在汽車后視鏡上涂覆一層氧化鈦薄膜，即使空氣中的水分或者水蒸氣凝結(jié)，冷凝水也不會(huì)形成單個(gè)水滴，而是形成水膜均勻地鋪展在表面，所以表面不會(huì)發(fā)生光散射的霧。當(dāng)有雨水沖過，在表面附著的雨水也會(huì)迅速擴(kuò)散成為均勻的水膜，這樣就不會(huì)形成分散視線的水滴，使得后視鏡表面保持原有的光亮，提高行車的安全性。
納米TiO2具有很強(qiáng)的“超親水性”，在它的表面不易形成水珠，而且納米TiO2在可見光照射下可以對(duì)碳?xì)浠衔镒饔?。利用這樣一個(gè)效應(yīng)可以在玻璃、陶瓷和瓷磚的表面涂上一層納米TiO2薄層，利用氧化鈦的光催化反應(yīng)就可以把吸附在氧化鈦表面的有機(jī)污染物分解為CO2和O2，同剩余的無機(jī)物一起可被雨水沖刷干凈，從而實(shí)現(xiàn)自清潔功能。日本東京已有人在實(shí)驗(yàn)室研制成功自潔瓷磚，這種新產(chǎn)品的表面上有一薄層納米TiO2，任何粘污在表面上的物質(zhì)，包括油污、細(xì)菌在光的照射下，由于納米TiO2的催化作用，可以使這些碳?xì)浠衔镂镔|(zhì)進(jìn)一步氧化變成氣體或者很容易被擦掉的物質(zhì)。納米TiO2光催化作用使得高層建筑的玻璃、廚房容易粘污的瓷磚、汽車后視鏡及前窗玻璃的保潔都可很容易地進(jìn)行。
5、納米二氧化鈦可作為鋰電池、太陽(yáng)能電池原料納米二氧化鈦(TA18)添加到鋰電池里：
納米二氧化鈦具有極好的高倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，快速充放電性能和較高的容量，脫嵌鋰可逆性好等特點(diǎn)，在鋰電池領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
1）納米二氧化鈦能有效降低鋰電池的容量衰減，增加鋰電池穩(wěn)定性，提高電化學(xué)性能。
2）提高電池材料的首次放電比容量。
3）降低了LiCoO2在充放電過程中的極化，使材料具有更高的放電電壓及更平穩(wěn)的放電效果。
4）適量的納米二氧化鈦可以疏松狀存在，降低了粒子間應(yīng)力及循環(huán)過程中所造成的結(jié)構(gòu)和體積的微小應(yīng)變，增加電池的穩(wěn)定性。
在化學(xué)能太陽(yáng)能電池中，納米二氧化鈦晶體具有光電轉(zhuǎn)換率高、能很大提高太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換率、成本廉價(jià)、工藝簡(jiǎn)單及性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。其光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽(yáng)電池的1/5～1/10。壽命能達(dá)到20年以上。
在鎳鎘電池中，納米二氧化鈦具有良好的導(dǎo)電性、寬溫度工作范圍的特點(diǎn)。
6 、納米二氧化鈦用在紡織上可以替代PVA在纖維紡織成紗的過程中，為了減少經(jīng)紗斷頭必須上漿。中國(guó)從上世紀(jì)五六十年代開始使用的漿料PVA為高分子化合物，在自然環(huán)境中很難降解。因此在歐洲部分國(guó)家被列為“不潔漿料”，已經(jīng)被明令禁止使用。歐盟對(duì)PVA的限制，也將是中國(guó)棉紡織品出口綠色貿(mào)易壁壘的關(guān)注重點(diǎn)。開發(fā)綠色環(huán)保漿料，取代難降解的PVA是國(guó)內(nèi)紡織行業(yè)一直尋求的“破壁”目標(biāo)。
納米二氧化鈦T25F用在紡織漿料里面，通過與淀粉的完美結(jié)合，提高紗線的綜合織造性能，減少PVA的用量，煮漿時(shí)間短，降低了漿料成本，提高漿紗效益，也解決了PVA漿料不易退漿、環(huán)境污染等諸多問題。納米二氧化鈦在紗線里主要是替代PVA，起到貼順毛羽，填補(bǔ)缺口，潤(rùn)滑的作用。
7、 納米二氧化鈦在高檔汽車漆中的應(yīng)用將納米級(jí)二氧化鈦(T20Q)與鋁粉混合顏料或納米二氧化鈦包覆的云母珠光顏料添加于涂料中，其涂層能產(chǎn)生神秘而富有變幻的隨角異色效應(yīng)，主要是因?yàn)楫?dāng)入射光射到納米二氧化鈦粒子時(shí)，由于粒徑小，藍(lán)色光會(huì)發(fā)生較強(qiáng)散射，結(jié)果除掉藍(lán)色光的綠色光和紅色光(呈黃相)被鋁片反射成為正反射光，即散射光為藍(lán)相強(qiáng)的光，反射光為黃相強(qiáng)的光(金色)，隨觀察角度的不同可見不同色相。粒徑為幾十納米二氧化鈦T20Q微晶還賦予了涂膜金屬光澤效應(yīng)、珠光效應(yīng)、閃光效應(yīng)和增色效應(yīng)，使得我們看到的汽車表面好像是珍珠片在閃閃發(fā)光，給人以深度感與層次感。
8、其它功能納米二氧化鈦對(duì)某些塑料、氟里昂及表面活性劑SDBS也具有很好的降解效果。還有人發(fā)現(xiàn)，TiO2對(duì)有害氣體也具有吸收功能，如含TiO2的烯烴聚合物纖維涂在含磷酸鈣的陶瓷上可持續(xù)長(zhǎng)期地吸收不同酸堿性氣體。鑒于以上功能，納米二氧化鈦具有非常廣闊的前景。對(duì)它的研究和利用會(huì)給人們的生活帶來巨大改變。
任何二氧化鈦都具有一定的吸收紫外線功能，及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、無毒性等性能。超細(xì)二氧化鈦由于粒徑更?。ǔ释该鳡睿?、活性更大，因此吸收紫外線的能力更強(qiáng)，此外，如消色力、遮蓋力、清晰的色調(diào)、較低的磨蝕性和良好的易分散性，決定了二氧化鈦是化裝品中應(yīng)用最廣的無機(jī)原料。二氧化鈦在化妝品行業(yè)世界年消費(fèi)量80年代估計(jì)在3500t—4000t，目前估計(jì)在5000t以上10000t以下。根據(jù)其在化妝品中的功能不同，可選用不同品質(zhì)的二氧化鈦。
利用鈦白的白度和不透明度這兩種性能，可使化妝品的顏色范圍很寬廣，鈦白作為一種白色添加劑時(shí)，主要用銳鈦型鈦白，但考慮到遮蓋力和耐曬時(shí)，還是應(yīng)采用金紅石型鈦白為好。
化妝品用的鈦白，純度要求高，對(duì)有害雜質(zhì)的含量要求甚嚴(yán)。例如：歐共體食品添加劑法規(guī)（它適用于化妝品）規(guī)定，化妝品用鈦白的酸溶性物< 0.35%,As<5×10-6,Pb<20×10-6,Sb<100×10-6,Cu<100×10-6,Cr<100× 10-6,Zn<50×10-6,BaSO4<5×10-6，(Sb+Cu+Cr+Zn+BaSO4)< 200×10-6,Hg檢測(cè)不出來。
美國(guó)食品藥物管理局（FDA）的食品、藥物和化妝品等條例規(guī)定，用作化妝品的二氧化鈦，作為分散助劑的SiO4和/或Ai2O3總量，不能超過2%，Pb<10×10-6,As<1×10-6,Sb< 2×10-6,Hg< 1×10-6。另外，在105℃下干燥3h后于800℃下灼燒減量不大于 0.5%。水溶物含量不能大于0.3%，在105℃下干燥后3h后的二氧化鈦含量，不少于99.0%，平均粒徑小于1μm。
納米二氧化鈦，呈透明狀，因此在阻擋紫外線、透過可見光以及安全性方面具有一般化妝品原料所不具備的許多優(yōu)良特性和功能。
納米二氧化鈦既能散射紫外線（波長(zhǎng)200nm—400nm），又能吸收紫外線，故其屏蔽紫外線的能力極強(qiáng)，可作為優(yōu)良的防曬劑，用于制造防曬系列化妝品。
由于納米二氧化鈦呈透明狀，可用來制造透明的護(hù)膚霜，這種護(hù)膚霜膏體細(xì)膩，具有自然肌膚感覺，目前在日本等國(guó)非常流行，日本每年作為防曬劑用于化妝品的原料，就需要納米TiO2一千噸。
2、抗菌劑當(dāng)前，納米TiO2以其優(yōu)異的抗菌性能成為開發(fā)研究的熱點(diǎn)之一。納米TiO2廣泛應(yīng)用于抗菌水處理裝置、食品包裝、衛(wèi)生日用品（抗菌地磚、抗菌陶瓷衛(wèi)生設(shè)施等）、化妝品、紡織品、抗菌性餐具和切菜板、抗菌地毯、新房裝修及新家具除有害氣體以及建筑用抗菌砂漿、抗菌涂料和抗菌不銹鋼板、鋁板等制作的電冰箱、醫(yī)用敷料及醫(yī)用設(shè)備等耐用的消費(fèi)品。
大多數(shù)抗菌是有機(jī)物質(zhì)，它們廣泛用于食品、洗滌劑、紡織品及化妝品中。但它們存在著耐熱性差、易揮發(fā)、易分解產(chǎn)生有害物、安全性較差等缺點(diǎn)。為此人們積極開發(fā)研究了一些無機(jī)抗菌劑，超微細(xì)TiO2就是其中之一。由于抗菌劑在產(chǎn)品中需達(dá)到一定的用量，故選擇抗菌劑必 須遵循下列原則：
1）對(duì)人體是安全無毒的，對(duì)皮膚沒有刺激性；
2）抗菌能力強(qiáng)，抗菌范圍廣；
3）無臭味、怪味，外觀顏色要淺，氣味要小；
4）熱穩(wěn)定性要好，高溫下不變色、不分解、不揮發(fā)、不變質(zhì)等；
5）價(jià)格便宜，來源容易等。
超微細(xì)TiO2為無機(jī)成分，無毒、無味、無刺激性，熱穩(wěn)定性與耐熱性好，不燃燒，且自身為白色，完全符合上述原則。
來源：中材市協(xié)材料分會(huì)