TECHNOLOGIE MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH dr inż. Anna Zielińska-Jurek Katedra Technologii Chemicznej pok. 026 Ch.A., tel. 58 347 29 37 e-mail: annjurek@pg.gda.pl
TiO 2 właściwości i zastosowanie Ditlenek tytanu jest najbardziej rozpowszechnionym i najczęściej używanym związkiem tytanu Tytan (Ti) Odmiany polimorficzne TiO 2 : 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
TiO 2 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 szklanych oraz luster (powierzchnie superhydrofilowe) Inaktywacji bakterii działanie antybakteryjne Generowanie wodoru
Powierzchnie samoczyszczące oraz powierzchnie nieulęgające zaparowaniu na bazie TiO 2 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 TiO 2 wprowadzona do materiałów cementowych nadaje właściwości fotokatalityczne powierzchni otrzymanej struktury. Lotne zanieczyszczenia oraz substancje organiczne ulęgają adsorpcji na powierzchni materiału i dyfundując poprzez pory ulęgają adsorpcji na powierzchni nanocząstek TiO 2 Absorpcja promieniowania UV z promieniowania słonecznego poprzez cząstki TiO 2 wbudowane w strukturę materiału prowadzi do ich fotoaktywacji i generowania rodników hydroksylowych, odpowiedzialnych za degradacje zaadsorbowanych zanieczyszczeń
Pasywne systemy oczyszczania powietrza na bazie TiO 2 1. Minimalna energia dla TiO 2, 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. TiO 2 może więc być aktywowany w zakresie promieniowania UVA (300-388 nm)
1. Powierzchnia półprzewodnika zostaje naświetlona promieniowaniem o długości fali równej lub niższej 388 nm. 2. 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 H 2 O lub - OH. Elektron może brać udział w reakcji redukcji z zaadsorbowanym O 2 (aq) generując O 2 -, który następnie może generować dodatkowo H 2 O 2 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 70-90 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 TiO 2 powstają pary elektron-dziura. W efekcie, atomy tlenu są usuwane z powierzchni TiO 2, 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 TiO 2 mają zdolności utrzymywania właściwości hydrofilowych w nieskończoność, tak długo jak są naświetlane. Wykorzystywanie idei czyszczenia przez strumień wody (okna pokryte TiO 2 mogą być czyszczone przez opady deszczu lub spłukanie wodą). Dzięki właściwościom hydrofilowym, oprócz zdolności samoczyszczących, szkło wykazuje także zdolności antymgielne.
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 TiO 2 i promieniowania UV na właściwości samoczyszczące. Wykonanie krok po kroku Krok 1 Sporządzenie mieszaniny gipsu budowlanego i TiO 2 (Stężenie TiO 2 0, 10, 20 i 30 % wag.) z wodą Krok 2 Po związaniu zaprawy nanieść na przygotowane płytki 0,5 cm 3 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 % TiO 2 barwnik 0 % TiO 2 20 % TiO 2 barwnik 20 % TiO 2 Grupa 2 0 % TiO 2 barwnik 0 % TiO 2 30 % TiO 2 barwnik 30 % TiO 2 Grupa 3 0 % TiO 2 barwnik 0 % TiO 2 10 % TiO 2 barwnik 10 % TiO 2 Grupa 4 0 % TiO 2 kawa 0 % TiO 2 30 % TiO 2 kawa 30 % TiO 2