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氧化锌

发布日期:2018/7/19 15:10:24

【背景及概况】[1][2][3]

氧化锌(ZnO),俗称锌白,是锌的一种氧化物。难溶于水,可溶于酸和强碱。氧化锌是一种常用的化学添加剂,广泛地应用于塑料、硅酸盐制品、合成橡胶、润滑油、油漆涂料、 药膏、粘合剂、食品、电池、阻燃剂等产品的制作中。氧化锌的能带隙和激子束缚能较大,透明度高,有优异的常温发光性能,在半导体领域的液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管等 产品中均有应用。

此外,微颗粒的氧化锌作为一种纳米材料也开始在相关领域发挥作用。纳米氧化 锌是一种多功能性的新型无机材料,其颗粒大小约在1~100纳米。由于晶粒的细微化,其表 面电子结构和晶体结构发生变化,产生了宏观物体所不具有的表面效应、体积效应、量子尺 寸效应和宏观隧道效应以及高透明度、高分散性等特点。近年来发现它在催化、光学、磁学、力学等方面展现出许多特殊功能,使其在陶瓷、化工、电子、光学、生物、医药等许多领域有 重要的应用价值,具有普通氧化锌所无法比较的特殊性和用途。纳米氧化锌在纺织、涂料等 领域可用于紫外光遮蔽材料、抗菌剂、荧光材料、光催化材料等。由于纳米氧化锌一系列的 优异性和十分诱人的应用前景,因此研发纳米氧化锌已成为许多科技人员关注的焦点。纳米氧化锌在涂料中使用较为频繁,能够显著提高涂料的性能,但是普通纳米氧 化锌对涂料性能的提高的作用具有一定的局限度,如果打破此局限性,以继续提高涂料的性能是所要研究的重点。

【制备】[2]

纳米氧化锌在氧化锌领域应用最为广泛,纳米氧化锌的制备方法主要有化学法和物理法。

1. 化学法:化学法通过控制反应条件,使原子(或分子)成核,生长成为纳米粒子的方法。常见的制备方法有均勻沉淀法、直接沉淀法、水热合成法、溶胶-凝胶法。

1)均勻沉淀法:借助溶液中的化学反应,缓慢、均勻的释放出构晶离子,使沉淀均勻析出。均勻沉淀法加入的沉淀剂,会通过化学反应使沉淀剂在整个溶液中缓慢生成,解决外部直接加入沉淀剂所引起的沉淀剂局部不均勻问题,是目前最常用的制备方法。采用均勻沉淀法,以醋酸锌和氨水为原料,制备的纳米氧化锌呈六方晶系结构,对甲基橙表现出良好的光催化性能,降解率达到80.1 % ,拓宽了其在光催化领域的应用范围。

2)直接沉淀法:在可溶性锌盐溶液中加入沉淀剂,生成另一种不溶于水的锌盐或锌的碱式盐、氢氧化锌等,经过滤、洗涤、干燥、焙烧等得到纳米氧化锌的方法。采用直接沉淀法,通过改变反应前驱物的浓度,制备了不同形貌的氧化锌微晶,表征研究了不同形貌的氧化锌对光的吸收能力,其结果对应用氧化锌微晶降解环境污染物有指导意义。

3)水热合成法:在高温高压下,借助水溶液较强的解聚能力,制备纳米尺度颗粒的方法。采用水热合成法,以碱式碳酸锌为前驱体,制备了直径在500 nm 左右,分散均勻的纳米氧化锌棒,并研究了水合成时间、温度等对氧化锌纳米晶的影响。表征发现:纳米氧化锌的紫外发射光强度与其粒子结晶度正比关系。

4)溶胶-凝胶法:溶胶-凝胶法是以无机盐或金属醇盐为前驱体,经水解缩聚过程逐渐胶化,再经烧结处理得到纳米粉体。以醋酸锌为原料,利用溶胶-凝胶法制备出分散性良好的纳米氧化锌粉体。表征发现:所制备的纳米氧化锌粉体纯度达99 % 以上,平均粒径在30 nm 和70 nm 左右,并提出了改性剂对控制纳米氧化锌颗粒大小的作用。用二水合醋酸锌做原料,草酸为络合剂,利用溶胶-凝胶法制备出粒径在35 nm左右,纯度高、晶型良好的纳米氧化锌粉体,提出了有效控制纳米氧化锌颗粒团聚的复配原料。

5)遗态制备法:运用物理或化学方法将相关材料沉积到模板的孔中或表面,再除去模板,得到具备模板组织形貌和尺寸的纳米材料的方法。表征发现:其对丙酮和乙醇体现出良好的气敏性能。用天然棉花做模板,通过浸渍硝酸锌溶胶,并经煅烧后,制备出平均直径为5 0〜100 nm ,遗传棉花模板纤维多孔结构的氧化锌颗粒,遗态法制备的材料因复制了生物模板的微观精细多孔结构,在气敏传感器领域应用广泛。

2. 物理法:物理法是通过介质与物料之间相互打磨、冲击,制备纳米粒子的方法,常见的有机械粉碎法、深度塑性变形法等。但因物理法制备的材料纳米级别及纯度较低,故应用程度不高。

【应用】[3][4]

纳米氧化锌除了广泛应用于化工、橡胶、涂料、陶瓷、电子、纺织和医药卫生等传统工业外,还在紫外线屏蔽、光催化、导电等方面得到了应用。随着材料纳米化和功能化研究的深入,其应用领域将会得到进一步的拓宽。

1. 化妆品

纳米氧化锌因其具有无毒,无味,对皮肤无刺激性,不分解,不变质,热稳定性好,本身为白色,也可以着色等特点,应用在化妆品的防晒剂中,对皮肤有消炎、保护、防皱和预防紫外线的伤害等功能。以六水硫酸锌与碳酸铵反应,最佳工艺条件为:原料配比1∶3,洗涤剂为无水乙醇,在350℃煅烧前驱体2h,得到肤色纳米氧化锌粉末,在紫外区屏蔽性较高,有较好的推广使用价值。

2. 光催化剂

纳米氧化锌比表面积大,表面活性中心多,且其表面效应和体积效应使其具有高的催化活性和选择性。纳米氧化锌作为光催化剂可对农药、色素、三氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯及大气中的有机物进行光催化分解,使其最终氧化为CO2和H2O等无污染物质。此外,纳米氧化锌因其质量轻、厚度薄、吸波能力强等优点,而在隐身技术—雷达波吸收材料方面得以应用。还有纳米氧化锌作为无机活性剂和硫化促进剂,添加到橡胶中可提高橡胶制品的光洁度和耐磨性能,因而在橡胶行业中也得以应用。

3. 医药

纳米氧化锌对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门菌属等致病菌具有强烈的抑制或杀灭作用,并且纳米级的氧化锌作为一种新型锌源,在具有选择毒性及良好的生物相容性的同时,还具有较高的生物活性、良好的免疫调节能力和高吸收率等特点,因而愈发受到相关研究者的重视。纳米氧化锌的抗菌机制较为复杂,其抗菌作用可能是几种不同机制共同作用的结果,而以何种机制为主目前尚没有统一的结论。纳米氧化锌的抗菌机制可归结为:① 纳米粒子聚集在菌膜表面,引起菌体损伤;② 纳米粒子释放游离锌离子破坏菌体内部离子稳态,继而导致菌体死亡 ③ 纳米粒子产生ROS 氧化菌体内的有机物,达到抗菌作用,具体如图所示:

【参考文献】

[1] 张训龙.一种改性纳米氧化锌. CN201710416153.8,申请日2017-06-06

[2] 张雄斌, 贺辛亥, 程稼稷. 纳米氧化锌的制备及改性研究进展[J]. 人工晶体学报, 2017, 46(10): 2054-2057.

[3] 董乾英, 张保林, 程亮, 等. 纳米氧化锌的制备及应用研究[J]. 化工矿物与加工, 2012, 41(5): 34-38.

[4] 况慧娟, 杨林, 许恒毅, 等. 纳米氧化锌抗菌性能及机制的研究进展[D]. , 2015.