Cement product improvement by TiO2 nanocomposites synthesized via surfactant-assisted method

การพัฒนาผลิตภัณฑ์ซีเมนต์ โดยใช้อนุภาคนาโนคอมโพสิตไทเทเนียมไดออกไซด์ที่สังเคราะห์ด้วยวิธีการใช้สารลดแรงตึงผิวเป็นตัวช่วย

Name: Jirayu Yuenyongsuwan

LCSH: CEMENT -- ADDITIVES

LCSH: TITANIUM DIOXIDE

LCSH: NANOCOMPOSITES (MATERIALS)

LCSH: SURFACE ACTIVE AGENTS

LCSH: PHOTOCATALYSIS

Abstract: Cement is materials used for building foundation in this era. Due to cement properties that are not good enough, the valuable production could be upgraded by adding special properties. This research has gained cement product with special function by adding TiO2 nanoparticles to apply photocatalytic reaction as self-cleaning and also to improve the mechanical properties. The study was divided into 4 main parts. Part 1: The influence of surfactant on phase-controlled synthesis of TiO2 nanoparticles was investigated by varying pH, temperature and methods. Typical anionic, cationic and nonionic surfactants (SDS, CTAB and TritonX-100) with the two methods of hydrothermal and emulsion preparation were selected. The phase composition and size of synthesized TiO2 nanoparticles were characterized by XRD and FE-SEM, respectively. The photocatalytic activity of synthesized TiO2 was investigated by methylene blue (MB) degradation. Moreover, BET was used to measure the specific surface area for more understanding of the photocatalytic performance using synthesized TiO2 catalyst. Results indicated the stability, size, and shape of surfactant micelles were the main factors to determine TiO2 phase. Anatase phase was found when the micelle was small and stable. On the other hand, rutile phase occurred when the micelle lost stability and expanded in size, leading to more TiO2 aggregation around micelle. The pure anatase and pure active site rutile {1, 1, 1} TiO2 with smaller nanoparticles exhibited more effective MB photodegradation overall, although mixed phase samples showed higher degradation per unit BET area. The greater the anatase phase formed in the mixed phase TiO2, the greater the MB degradation. The highest degradation of the mixed phase was at the optimum ratio of two phases according to the synergistic effect. From this study, photocatalytic activity was affected by all factors to consider simultaneously phase, synergistic effect of mixed phase and particle size. No one factor was deemed the most effective Part 2: To develop the special function of the TiO2-based cement materials, the effect of TiO2 on the cement hydration and photocatalytic reaction was investigated. TiO2 nanoparticles were synthesized by a surfactant-assisted, reverse micelle method to control phase, size and shape by three selected surfactants namely: sodium dodecyl sulfate (SDS), cetyl trimethylammonium bromide (CTAB) and TritonX-100. The synthesized TiO2 nanoparticles were characterized by XRD, SEM and TEM for observation of phase, size and shape. The modified microstructures of admixed cements with the different synthesized TiO2 nanoparticles incorporated were also examined by SEM. Particularly, the hydration process and photocatalytic reaction of the cement mixture were evaluated by heat flow calorimetry and methylene blue (MB) degradation, respectively. Results showed that anatase-rich and smaller size TiO2 nanoparticles provided accelerated cement hydration and the ability to degrade MB photocatalytically at the surface of admixed-TiO2 cement. Part 3: TiO2 synthesized from the second part was used as admixture in cement for preliminary test of porosity and then added in mortar and self-compacting concrete (SCC) for work ability and mechanical strength test. The porosity in cement was analysized by mercury intrusion porosimetry (MIP), whereas the flow table (workability) and compressive strength of mortar and SCC were examined following the standard test of commercial concrete. The results show that TiO2 decreased the total porosity in cement because TiO2 nanoparticles could be filled into the air void inside cement matrix. 1% TiO2 admixture could improved 10% compressive strength of mortar and SCC due to more uniform matter and higher cement density. Part 4: According to immersion of TiO2 nanoparticles inside the cement matrix leading to low photocatalyst exhibit, TiO2 nanoparticles were modified to be hydrophobic surface, helping explosion of the nanoparticles onto the cement surface during hydration. Admicellar polymerization with adapted steps was selected for this work. Fluorosurfactant (FS1620) and co-fluoropolymer (TFEA:OFPM) were used to synthesize polymer ultra-thin film coating on TiO2 particles. FT-IR, SEM and contact angle clearly confirmed that TiO2 nanoparticles were successfully modified. The optimum surfactant concentration in the system was about 0.8 CMC. From cement test, the modified TiO2 particles clearly demonstrated hydrophobic property and visibly noticed exploding TiO2 nanoparticles on cement surface, moreover the nanoparticles still activated the photocatalytic reaction of MB degradation attached on cement surface.

Abstract: ปูนซีเมนต์เป็นวัสดุพื้นฐานในการก่อสร้างในยุคปัจจุบัน เนื่องจากคุณสมบัติของมันไม่ดีพอ การเพิ่มมูลค่าของผลิตภัณฑ์สามารถเพิ่มขึ้นได้อีกโดยการเพิ่มคุณสมบัติพิเศษให้กับผลิตภัณฑ์ งานวิจัยนี้คือเป็นการเพิ่มค่าของผลิตภัณฑ์ซีเมนต์โดยการใส่อนุภาคนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ เป็นการนำปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลติก (photocatalytic reaction) มาใช้เพิ่มคุณสมบัติในการทำความสะอาดตัวเอง และยังเป็นการเพิ่มคุณสมบัติเชิงกลด้วย งานวิจัยนี้ถูกแบ่งออกได้เป็น 4 ตอนหลักดังนี้ ตอนที่ 1: ศึกษาผลกระทบของสารลดแรงตึงผิวต่อการสังเคราะห์แบบควบคุมเฟสของ อนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ โดยการทดลองมีการเปลี่ยนค่า pH อุณหภูมิ และกรรมวิธี ใช้สารลดแรงตึงผิวชนิดประลบ ประจุบวก และไม่มีประจุ ซึ่งเลือกใช้ SDS CTAB และ TritonX-100 เป็นตัวแทนเลือกใช้วิธีการสังเคราะห์สองแบบคือ ไฮโดรเทอมัล (hydrothermal) และ อิมัลชัน (emulsion) ส่วนประกอบของเฟส และขนาดของไทเทเนียมไดออกไซด์ ถูกวิเคราะห์ด้วยเครื่อง XRD และ FESEM ตามลำดับ ความสามารถในการเกิดปฏิกริยาโฟโตคะตะไลติกของอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ที่ สังเคราะห์จะถูกทดสอบโดยการสลายสารเมทิลีนบลู ยิ่งไปกว่านั้นยังทดสอบหาพื้นที่ผิวสัมผัสของอนุภาคด้วยวิธี BET สำหรับหาพื้นที่ผิวจำเพาะที่จะช่วยให้เข้าใจถึงความสามารถในการเกิดปฏิกริยาได้ดียิ่งขึ้น ผลการทดลองที่ได้แสดงให้เห็นถึงความเสถียร ขนาด และรูปร่างของไมเซลล์ (micelle) เป็นปัจจัยหลักในการกำหนดเฟสของไทเทเนียมไดออกไซด์ เฟสอนาเทส (anatase) ของไทเทียมไดออกไซด์จะเกิดขึ้นในระบบที่มีไมเซลล์ของสารลดแรงตึงผิวขนาดเล็กและมีเสถียรสูง ในทางกลับกันเฟสรูไทล์ (rutile) ของไทเทเนียมจะเกิดขึ้นในระบบที่ไมเซลสูญเสียความเสถียรและขยายขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งนำไปสู่การรวมตัวกันของอนุภาครอบไมเซลล์ อนุภาคไทเทเนียมที่มีขนาดเล็กและมีเฟสอนาเทส (anatase) บริสุทธิ์กับที่เฟสรูปไทล์ (rutile) บริสุทธิ์ที่เป็นกัมมันต์ {1,1,1} จะสามารถเกิดปฏิกริยาโฟโตคะตะไลติก ในการสลายสารเมทิลีนบลูได้ดีที่สุดในหนึ่งหน่วยพื้นที่ BET เฟสผสมอนาเทสกับรูไทล์ของไทเทเนียมในสัดส่วนที่เหมาะสมจะสามารถเกิดปฏิกริยาได้ดีขึ้น เนื่องจากเป็นผลมาจากการเสริมกัน (synergistic effect) ของทั้งสองเฟส จากผลการศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าการ เกิดปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลติก มีผลมาจากทุกปัจจัยทั้งเฟส และขนาดของอนุภาค โดยไม่สามารถระบุได้ว่าปัจจัยไหนส่งผลมากที่สุด ตอนที่ 2: การที่จะพัฒนาซีเมนต์ด้วยการผสมอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ โดยศึกษาผลของปฏิกริยาซีเมนต์ไฮเดรชัน และปฏิกริยาโฟโตคะตะไลติก อนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ที่ใช้ในส่วนนี้สังเคราะห์ด้วยวิธีการใช้รีเวิชไมเซลล์ (reverse micelle) ของสารลดแรงตึงผิวในการควบคุมเฟสขนาด และรูปร่าง จากการใช้สารลดแรงตึงผิว 3 ชนิดคือ SDS CTAB และ TritonX 100 อนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ที่สังเคราะห์ได้จะถูกวิเคราะห์เฟส รูปร่าง และ ขนาดจากเครื่อง XRD SEM และ TEM โครงสร้างระดับไมโครของปูนซีเมนต์ที่ผสมอนุภาคไทเทเนียมถูกวิเคราะห์โดย SEM โดยเฉพาะการเกิดปฏิกริยาไฮเดรชันและการเกิดปฏิกริยาโฟโตคะตะไลติก จะศึกษาโดยใช้ ฮีทโฟล แคลลอรีมิเตอร์ (Heat flow calorimetry) และการสลายสารเมทิลีนบลูตามลำกับ จากผลการทดลองแสดงให้ เห็นว่า อนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ที่มีขนาดเล็กและมีเฟสอนาเทส (anatase) มาก ได้เร่งปฏิกริยาไฮเดรชันของปูนซีเมนต์ และสามารถสลายสารออแกนิกบนพื้นผิวของปูนซีเมนต์ได้ดี ตอนที่ 3: อนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ที่สังเคราะห์ได้จากตอนที่ 2 จะถูกใช้ผสมกับปูนซีเมนต์เป็นการเริ่มต้นศึกษาเพื่อทดสอบรูปพรุน และจะนำไปผสมในมอร์ต้า และคอนกรีตชนิดไหลเข้าแบบเพื่อทดสอบความสามารถในการไหล และคุณสมบัติเชิงกล ความพรุนของซีเมนต์ถูกวิเคราะห์โดยเครื่อง MIP ส่วนมอร์ต้า และคอนกรีตไหลเข้าแบบจะทดสอบความสามารถในการไหล และการต้านแรงอัด การทดลองแสดงให้เห็นว่าอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์สามารถลดรูพรุนของปูนซีเมนต์ได้เนื่องจากอนุภาคไปอุดรูพรุนอากาศในเนื้อซีเมนต์ โดยการผสมอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ 1% สามารถเพิ่มความสามารถในการต้านแรงกดของมอร์ต้า และคอนกรีตชนิดไหลเข้าแบบเองได้ถึง 10 % เป็นไปตามเนื้อปูนที่สม่ำเสมอ และมีความหนาแน่นสูง ตอนที่ 4: เนื่องจากอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์จมอยู่ในเนื้อปูนทำให้อัตราการทำปฏิกริยาโฟโตคะตะไลติกลดลง การปรับปรุงพื้นผิวของอนุภาคไทเนียมไดออกไซด์ให้มีความไม่ชอบน้ำจะช่วยในการลอยออกไปสู่พื้นผิว การปรับปรุงพื้นผิวของอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ทำได้ด้วยวิธีแอดไมเซลลาพอลิเมอร์ไรเซชันที่มีการปรับปรุงขึ้น (adapted step admicellar polymerization) สารลดแรงตึงผิวที่มีหมู่ฟลูออโร FS1620 และ โคฟลูออโรพอลิเมอร์ (co-fluoropolymer) TFEA และ OFPM ถูกใช้ในการสังเคราะห์ฟิล์มบางเคลือบอนุภาค จากการทดลอง เครื่อง FT-IR SEM และมุมสัมผัส (contact angle) สามารถยืนยันได้ว่าอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ประสบความสำเร็จในการปรับคุณสมบัติพื้นผิว โดยที่ความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิวที่เหมาะสมที่สุดอยู่ที่ 0.8 CMC จากการทดสอบในการผสมกับซีเมนต์ อนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์แสดงคุณสมบัติความไม่ชอบน้ำอย่างชัดเจน และสามารถสังเกตด้วยตาเปล่าจากการลอยขึ้นมาบนพื้นผิว โดยอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ ยังคงสามารถในเกิดปฏิกริยาโฟโตคะตะไลติกได้บนพื้นผิวของซีเมนต์ได้

King Mongkut's University of Technology North Bangkok. Central Library

Address: BANGKOK

Email: library@kmutnb.ac.th

Name: Thirawudh Pongprayoon

Role: Dissert Advisors

Email : thirawudh.p@eng.kmutnb.ac.th, tpongprayoon@yahoo.com

Created: 2019

Modified: 2020-09-14

Issued: 2020-09-14

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Chemical Engineering

Grantor: King Mongkut's University of Technology North Bangkok

©copyrights King Mongkut's University of Technology North Bangkok

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	B17178344.pdf	11.72 MB

ใช้เวลา

0.03461 วินาที