Development of surfactant added polyvinyl alcohol and titanium dioxide composite films

Abstract

This work aims to study the effect of surfactant, thermal treatment and titanium dioxide (TiO2) particle sizes on properties of polyvinyl alcohol (PVA) and TiO2 composite films. The films were prepared via solution casting with the addition of surfactant, sodium dodecylbenzene sulfonate (SDBS) or sodium dodecyl sulfate (SDS), for improving dispersion of TiO2 in PVA matrix, and further thermally treated at 180˚C for 2 h. The ability of films in photocatalytic removal of organic substance and antimicrobial activity were studied. The dispersion of TiO2 particles observed by scanning electron microscopy (SEM) showed the improved dispersion of TiO2 both micro and nanoparticles in the PVA matrix with the addition of surfactant. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) was used to study functional groups of the molecule on the film surface, indicated interaction between PVA chains and TiO2 both micro and nanoparticles. The crystallinity of PVA studied by X-ray diffraction (XRD) increased with thermal treatment, whereas XRD pattern of TiO2 remained at the main peak of 2ɵ=25.3º. The mechanical properties of PVA/TiO2 composite films with TiO2 microparticles improved with the addition of SDBS and PVA/TiO2 composite films with TiO2 nanoparticles improved with thermal treatment. The thermal decomposition of PVA/TiO2 composites films with surfactant addition was slightly delayed after thermal treatment. The thermal treatment increased PVA crystalline in the films and also changed film color to brownish resulting in increasing absorption in the visible wavelength region. The TiO2 absorption in ultraviolet (UV) wavelength region increased according to TiO2 content as measured by ultraviolet-visible spectroscopy (UV-Vis). The photocatalysis application of PVA/TiO2 composite films were examined from removal efficiency of methylene blue (MB) under UV light. The results showed the greater MB removal efficiency of the PVA/TiO2 composite films with SDBS addition. Moreover, the thermal treatment improved MB removal efficiency of PVA/TiO2 composite films by adsorption and absorption mechanisms. The antimicrobial activity showed the same trend as photocatalytic activity as these improved with SDBS addition.

งานวิจัยนี้เป็นการศึกษาฟิล์มพอลิไวนิลแอลกฮอล์และไทเทเนียมไดออกไซด์คอมโพสิตซึ่งเตรียมด้วยวิธีการหล่อขึ้นรูปของสารละลายแขวนลอยไทเทเนียมไดออกไซด์ และโซเดียมโดเดคิวเบนซีนซัลโฟเนตหรือโซเดียมโดเดคิวซัลเฟตถูกใช้เป็นสารลดแรงตึงผิวเพื่อช่วยปรับปรุงให้อนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์กระจายตัวดีในเนื้อพอลิไวนิลแอลกฮอล์ และใช้กระบวนการทางความร้อนเพื่อปรับปรุงฟิล์มพอลิไวนิลแอลกฮอล์และไทเทเนียมไดออกไซด์คอมโพสิตเพื่อการนำไปประยุกต์ใช้งานด้านการกำจัดสารประกอบอินทรีย์ในน้ำด้วยกระบวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงและการยับยั้งแบคทีเรีย และยังศึกษาผลของขนาดอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ต่อคุณสมบัติต่างๆของฟิล์มพอลิไวนิลแอลกฮอล์ไทเทเนียมไดออกไซด์คอมโพสิต โดยการกระจายตัวของอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ศึกษาโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดพบว่าการกระจายตัวของอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ดีขึ้นด้วยการเติมสารลดแรงตึงผิวทั้งไทเทเนียมไดออกไซด์ขนาดไมครอนและขนาดนาโน เทคนิคอินฟราเรดสเปกโตรสโคปีศึกษาหมู่ฟังก์ชันของโมเลกุลบนพื้นผิวของฟิล์มพอลิไวนิลแอลกฮอล์และไทเทเนียมไดออกไซด์คอมโพสิตทั้งไทเทนียมไดออกไซด์ขนาดไมครอนและนาโนแสดงเคมีที่พื้นผิวเหมือนกัน ความเป็นผลึกของพอลิไวนิลแอลกฮอล์ศึกษาโดยใช้เทคนิควิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์พบว่าเพิ่มขึ้นจากการทำการปรับปรุงด้วยความร้อนและโครงสร้างผลึกของไทเทเนียมไดออกไซด์มีลักษะเหมือนเดิมซึ่งตำแหน่งพีคหลักของไทเทเนียมไดออกไซด์ยังปรากฏที่ตำแหน่ง 2ɵ=25.3º การศึกษาสมบัติทางกลของฟิล์มพอลิไวนิลแอลกฮอล์และไทเทเนียมไดออกไซด์คอมโพสิตโดยการทดสอบแรงดึงพบว่าอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ขนาดไมครอนพัฒนาขึ้นด้วยการเติมสารลดแรงตึงผิว แต่ขนาดนาโนพัฒนาขึ้นด้วยกระบวนการทางความร้อน จากการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงน้ำหนักของสารโดยอาศัยคุณบัติทางความร้อนร่วมกับเทคนิคสแกนวัดความร้อนเพื่อศึกษาสมบัติทางความร้อนในด้านความสเถียรทางความร้อนและอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลวของฟิล์มพบว่าการเติมไทเทเนียมไดออกไซด์เพิ่มความสเถียรภาพทางความร้อนได้เล็กน้อย แต่เมื่อเติมสารลดแรงตึงผิวเสถียรภาพทางความร้อนเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยและหลังจากการทำการปรับปรุงด้วยความร้อนพบว่าสเถียรภาพทางความร้อนของฟิล์เพิ่มมากขึ้น การทำการปรับปรุงฟิล์มด้วยความร้อนพบว่ามีผลึกของพอลิไวนิลแอลกฮอล์เพิ่มมากขึ้นและสีของฟิล์มมีการเปลี่ยนสีเป็นสีน้ำตาลคาราเมลดังนั้นพฤติกรรมการดูดกลืนแสงของฟิล์มที่ถูกประเมินด้วยเครื่องวัดการดูดกลืนแสงพบว่าช่วงความยาวคลื่นแสงที่ตามองเห็นมีการเปลี่ยนแปลงโดยดูดกลืนแสงมากขึ้น และมีการดูดกลืนแสงช่วงแสงยูวีซึ่งเป็นการดูดกลืนแสงของอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์โดยมีแนวโน้มเพิ่มสูงขึ้นตามปริมาณไทเทเนียมไดออกไซด์ที่เพิ่มสูงขึ้น และฟิล์มพอลิไวนิลแอลกฮอล์และไทเทเนียมไดออกไซด์คอมโพสิตทดสอบการประยุกต์ใช้ด้วยกระบวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงยูวีเพื่อกำจัดสารประกอบอินทรีย์ในน้ำ ซึ่งใช้เมททิลีนบลูแทนสารประกิบอินทรีย์ พบว่าการนำอนุภาคไททาเนียมไดออกไซด์มาตรึงไว้บนพอลิไวนิลแอลกฮอล์และเติมสารลดแรงตึงผิวให้ประสิทธิภาพกำจัดสารประกอบอินทรีย์ในน้ำที่ดีกว่าอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ และการปรับปรุงด้วยความร้อนพัฒนาการกำจัดสารประกอบอินทรีย์ในน้ำได้ดียิ่งขึ้น และทดสอบการยับยั้งแบคทีเรียมีแนวโน้มตามการกำจัดสารประกอบอินทรีย์ในน้ำคือกำจัดแบคทีเรียได้เพิ่มขึ้นหลังจากการเติมสารลดแรงตึงผิว