一种纳米二氧化钛高分散性双基改性方法与流程

本发明涉及光学材料制备领域，涉及一种纳米二氧化钛高分散性双基改性方法。

背景技术：

1、目前，滤光片、镜片、抗反射涂层，以及增强现实(ar)光波导方案中对高折射率光学材料的需求日趋增加。由于除极少部分设计分子外，绝大部分有机材料折射率均＜1.7，这也严重限制了光学性能的提升。因此，通过向有机材料中引入高折射率无机组分是制备折射率＞1.7光学涂层的重要技术方案。

2、在全世界范围内，使用最多的高折射率无机组分有二氧化钛、二氧化锆、氧化锌等。为满足光学涂层高透明性的特征，以上无机金属氧化物须制备粒径小于100nm甚至接近10nm的纳米粉体。由于纳米材料高表面能导致的易团聚的特性。因此，迫切需要寻求能够在各种极性、非极性溶剂中都能达到单分散状态的表面改性方法。

3、高折射率二氧化钛颗粒由于其制备简单、折射率高、价格低廉作为无机填料被广泛运用于显示电子领域中，以提高材料总体折射率。目前，工业上通常使用偶联剂和表面活性剂对二氧化钛颗粒进行修饰，使其能够均匀稳定的分散在溶剂中。随着尺寸减小，二氧化钛颗粒比表面积增加，表面活性增加使得纳米二氧化钛颗粒更容易团聚，不利于后续均一分散在材料中，也导致偶联剂或和表面活性剂分散剂的用量增加。偶联剂或表面活性剂通常在不参与聚合反应，其用量增加会导致最终高折射率材料各方面性能下降。因此，降低偶联剂和分散剂用量且保持良好的分散效果对纳米二氧化钛的运用有积极的意义。

4、实验和文献表明，使用单一偶联剂如kh570来改性粒径<20nm纳米二氧化钛通常需要其质量30％以上的偶联剂。带有长碳链的硅烷偶联剂可提供更显著的空间位阻效应，理论上可降低偶联剂的用量，但过多含量的碳链会相互缠结反而不利于纳米二氧化钛的分散。因此研究如何合理搭配偶联剂来双基改性纳米二氧化钛具有广泛的实用价值和理论意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种纳米二氧化钛高分散性双基表面改性方法，利用含长链的硅烷偶联剂和含丙烯酸的硅烷偶联剂配合改性纳米二氧化钛，可显著降低偶联剂的用量。

2、本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

3、为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种一种纳米二氧化钛高分散性双基改性方法，其特征在于，采用至少两种硅烷偶联剂来改性纳米二氧化钛，制备得到高分散性纳米二氧化钛。

4、优选的是，所述至少两种硅烷偶联剂为两种硅烷偶联剂，其中一种硅烷偶联剂为含长链的硅烷偶联剂，另一种硅烷偶联剂为含丙烯酸的硅烷偶联剂。

5、优选的是，所述含长链的硅烷偶联剂为十八烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷，十四烷基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、己基三甲氧基硅烷中的任意一种；所述含丙烯酸的硅烷偶联剂为3-(三甲氧基甲硅基)丙烯酸丙酯、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷中的任意一种。

6、优选的是，所述含长链的硅烷偶联剂的用量为纳米二氧化钛重量的1-10％，所述含丙烯酸的硅烷偶联剂的用量为纳米二氧化钛重量的1-10％。

7、优选的是，包括以下步骤：

8、步骤一、通过水热法制备晶态纳米二氧化钛；将晶态纳米二氧化钛加入预分散溶剂和去离子水中，反复超声处理和搅拌，得到预分散的二氧化钛溶剂体系；

9、步骤二、取至少两种硅烷偶联剂溶于去离子水和无水乙醇混合溶液中，保温，得到活化后的双基硅烷偶联剂溶液；

10、步骤三、将活化后的双基硅烷偶联剂溶液滴入预分散的二氧化钛溶剂体系中并密闭反应；

11、步骤四、将步骤三反应后的混合体系置于旋转蒸发设备中，旋转蒸发去除混合体系中的低沸点易挥发物质，获得目标溶液的纳米二氧化钛高分散溶液。

12、优选的是，所述步骤一中，通过水热法制备晶态纳米二氧化钛的方法为：取钛酸丁酯、无水乙醇和醋酸，将其置于容器中搅拌均匀，得到酸丁酯醇溶液；将无水乙醇水溶液滴入持续搅拌的钛酸丁酯醇溶液中，滴毕持续反应1～3小时，得到纳米二氧化钛非晶粒子混合体系，将纳米二氧化钛非晶粒子混合体系投入可密封的聚四氟乙烯内衬中，使用可承压的高压反应釜封存，放入恒温烘箱中，在130～160℃下恒温反应18～24小时，得到晶态纳米二氧化钛。

13、优选的是，所述步骤一中，所述预分散溶剂为环己酮、乙二醇单丁醚、丙二醇甲醚醋酸酯、环己烷中的任意一种；所述预分散溶剂与钛酸丁酯的质量比为3～6:7～9；所述预分散溶剂与去离子水的质量比为3～6:1.5～2.5。

14、优选的是，所述步骤二中，至少两种硅烷偶联剂为两种硅烷偶联剂，其中一种硅烷偶联剂为含长链的硅烷偶联剂，另一种硅烷偶联剂为含丙烯酸的硅烷偶联剂；所述含长链的硅烷偶联剂与含丙烯酸的硅烷偶联剂的质量比为0.015～0.035:0.03～0.2；无水乙醇与去离子水的体积比为3:6～8；保温的温度为35～38℃，时间为1～2小时。

15、优选的是，所述步骤三中，密闭反应的时间为60～120min；所述步骤四中，旋蒸蒸发在温度为40～55℃，转速70～90hz下处理15～45min。

16、本发明还提供一种如上所述的纳米二氧化钛高分散性双基改性方法得到的高分散性纳米二氧化钛，该高分散性纳米二氧化钛能够稳定地分散在各类极性、非极性溶剂中。

17、本发明至少包括以下有益效果：

18、在现有技术中，通常使用单种偶联剂其用量需达到纳米二氧化钛重量的30％以上才能行成单分散体系，本发明使用双基改性偶联剂用量≥二氧化钛重量的12％即可完成单分散改性，所述含长链的硅烷偶联剂中的硅烷端水解后与二氧化钛连接，碳链端提供空间位阻，其用量过多碳链会发生缠结；所述含丙烯酸酯偶联剂和含长链的硅烷偶联剂搭配改性纳米二氧化钛，可将偶联剂残留有机组分总用量降至二氧化钛重量的10％以下，而同样能达到单分散效果；通过调控两种偶联剂配比改性得到的纳米二氧化钛能够在各种极性、非极性溶剂中分散。同时，通过选取不同的活性官能团偶联剂能够兼容于辐射和热固化成膜方案。

19、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

技术特征：

1.一种纳米二氧化钛高分散性双基改性方法，其特征在于，采用至少两种硅烷偶联剂来改性纳米二氧化钛，制备得到高分散性纳米二氧化钛。

2.如权利要求1所述的纳米二氧化钛高分散性双基改性方法，其特征在于，所述至少两种硅烷偶联剂为两种硅烷偶联剂，其中一种硅烷偶联剂为含长链的硅烷偶联剂，另一种硅烷偶联剂为含丙烯酸的硅烷偶联剂。

3.如权利要求2所述的纳米二氧化钛高分散性双基改性方法，其特征在于，所述含长链的硅烷偶联剂为十八烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷，十四烷基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、己基三甲氧基硅烷中的任意一种；所述含丙烯酸的硅烷偶联剂为3-(三甲氧基甲硅基)丙烯酸丙酯、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷中的任意一种。

4.如权利要求2所述的纳米二氧化钛高分散性双基改性方法，其特征在于，所述含长链的硅烷偶联剂的用量为纳米二氧化钛重量的1-10％，所述含丙烯酸的硅烷偶联剂的用量为纳米二氧化钛重量的1-10％。

5.如权利要求1所述的纳米二氧化钛高分散性双基改性方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的纳米二氧化钛高分散性双基改性方法，其特征在于，所述步骤一中，通过水热法制备晶态纳米二氧化钛的方法为：取钛酸丁酯、无水乙醇和醋酸，将其置于容器中搅拌均匀，得到酸丁酯醇溶液；将无水乙醇水溶液滴入持续搅拌的钛酸丁酯醇溶液中，滴毕持续反应1～3小时，得到纳米二氧化钛非晶粒子混合体系，将纳米二氧化钛非晶粒子混合体系投入可密封的聚四氟乙烯内衬中，使用可承压的高压反应釜封存，放入恒温烘箱中，在130～160℃下恒温反应18～24小时，得到晶态纳米二氧化钛。

7.如权利要求6所述的纳米二氧化钛高分散性双基改性方法，其特征在于，所述步骤一中，所述预分散溶剂为环己酮、乙二醇单丁醚、丙二醇甲醚醋酸酯、环己烷中的任意一种；所述预分散溶剂与钛酸丁酯的质量比为3～6:7～9；所述预分散溶剂与去离子水的质量比为3～6:1.5～2.5。

8.如权利要求6所述的纳米二氧化钛高分散性双基改性方法，其特征在于，所述步骤二中，至少两种硅烷偶联剂为两种硅烷偶联剂，其中一种硅烷偶联剂为含长链的硅烷偶联剂，另一种硅烷偶联剂为含丙烯酸的硅烷偶联剂；所述含长链的硅烷偶联剂与含丙烯酸的硅烷偶联剂的质量比为0.015～0.035:0.03～0.2；无水乙醇与去离子水的体积比为3:6～8；保温的温度为35～38℃，时间为1～2小时。

9.如权利要求6所述的纳米二氧化钛高分散性双基改性方法，其特征在于，所述步骤三中，密闭反应的时间为60～120min；所述步骤四中，旋蒸蒸发在温度为40～55℃，转速70～90hz下处理15～45min。

10.一种如权利1～9任一项所述的纳米二氧化钛高分散性双基改性方法得到的高分散性纳米二氧化钛，其特征在于，该高分散性纳米二氧化钛能够稳定地分散在各类极性、非极性溶剂中。

技术总结本发明公开了一种纳米二氧化钛高分散性双基改性方法，包括：步骤一、通过水热法制备晶态纳米二氧化钛；步骤二、双基硅烷偶联剂的活化，获得双基改性硅烷改性液；步骤三、纳米二氧化钛预分散；步骤四、双基偶联剂改性纳米二氧化钛；步骤五、去除不利于分散的溶剂，获得目标溶液的纳米二氧化钛高分散液。本发明提供的一种纳米二氧化钛高分散性双基改性方法，可以显著降低偶联剂用量的同时大幅增加分散溶剂的普适性，实现在各种极性、非极性溶剂中完全分散。技术研发人员：陆聪受保护的技术使用者：四川通元新材料科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/29