納米氧化鋅應(yīng)用分析論文

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納米氧化鋅是一種面向21世紀(jì)的新型高功能精細(xì)無機產(chǎn)品，其粒徑介于1~100納米，又稱為超微細(xì)氧化鋅。由于顆粒尺寸的細(xì)微化，比表面積急劇增加，使得納米氧化鋅產(chǎn)生了其本體塊狀材料所不具備的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等。因而，納米氧化鋅在磁、光、電、化學(xué)、物、敏感性等方面具有一般氧化鋅產(chǎn)品無法比擬的特殊性能和新用途，在橡膠、涂料、油墨、顏填料、催化劑、高檔化妝品以及醫(yī)藥等領(lǐng)域展示出廣闊的前景。本文將對本公司生產(chǎn)的納米氧化鋅從制備、性能表征、表面改性以及所開發(fā)的應(yīng)用領(lǐng)域方面進行較為詳細(xì)的介紹。

一、納米氧化鋅的制備

氧化鋅的制備方法分為三類：即直接法（亦稱美國法）、間接法（亦稱法國法）和濕化學(xué)法。目前許多市售氧化鋅多為直接法或間接法產(chǎn)品，粒度為微米級，比表面積較小，這些性質(zhì)大大制約了它們的應(yīng)用領(lǐng)域及其在制品中的性能。我公司采用濕化學(xué)法（NPP-法）制備納米級超細(xì)活性氧化鋅，可用各種含鋅物料為原料，采用酸浸浸出鋅，經(jīng)過多次凈化除去原料中的雜質(zhì)，然后沉淀獲得堿式碳酸鋅，最后焙解獲得納米氧化鋅。與以往的制備納米級超細(xì)氧化鋅工藝技術(shù)相比，該新工藝具有以下技術(shù)方面的創(chuàng)新之處：

1.平衡條件下反應(yīng)動力學(xué)原理與強化的傳熱技術(shù)結(jié)合，迅速完成堿式碳酸鋅的焙解。

2.通過工藝參數(shù)的調(diào)整，可以制備不同純度、粒度及顏色的各種型號的納米氧化鋅產(chǎn)品。

3.本工藝可以利用多種含鋅物料為原料，將其轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品。

4.典型綠色化工工藝，屬于環(huán)境友好過程。

二、納米氧化鋅的性能表征

納米級氧化鋅的突出特點在于產(chǎn)品粒子為納米級，同時具有納米材料和傳統(tǒng)氧化鋅的雙重特性。與傳統(tǒng)氧化鋅產(chǎn)品相比，其比表面積大、化學(xué)活性高，產(chǎn)品細(xì)度、化學(xué)純度和粒子形狀可以根據(jù)需要進行調(diào)整，并且具有光化學(xué)效應(yīng)和較好的遮蔽紫外線性能，其紫外線遮蔽率高達(dá)98%；同時，它還具有抗菌抑菌、祛味防酶等一系列獨特性能。

清華大學(xué)測試中心用透射電鏡對產(chǎn)品進行了分析，納米氧化鋅粒子為球形，粒徑分布均勻，平均粒徑20~30納米，所有粒子的粒徑均在50納米以下。經(jīng)ST-A表面和孔徑測定儀測試，納米氧化鋅粉體的BET比表面積在35m2/g以上。此外，通過調(diào)整制備工藝參數(shù)，還可以生產(chǎn)出棒狀納米氧化鋅。本產(chǎn)品經(jīng)院微生物所檢測鑒定，結(jié)果表明，在豐富細(xì)菌培養(yǎng)基中，加入0.5%~1%的納米氧化鋅，可有效抑制大腸桿菌的生長，抑菌率達(dá)99.9%以上。

三、納米氧化鋅的表面改性

由于納米氧化鋅具有比表面積大和比表面能大等特點，自身易團聚；另一方面，納米氧化鋅表面極性較強，在有機介質(zhì)中不易均勻分散，這就極大地限制了其納米效應(yīng)的發(fā)揮。因此對納米氧化鋅粉體進行分散和表面改性成為納米材料在基體中應(yīng)用前必要的處理手段。

所謂納米分散是指采用各種原理、方法和手段在特定的液體介質(zhì)（如水）中，將干燥納米粒子構(gòu)成的各種形態(tài)的團聚體還原成一次粒子并使其穩(wěn)定、均勻分布于介質(zhì)中的技術(shù)。納米粉體的表面改性則是在納米分散技術(shù)基礎(chǔ)上的擴展和延伸，即根據(jù)應(yīng)用場合的需要，在已分散的納米粒子表面包覆一層適當(dāng)物質(zhì)的薄膜或使納米粒子分散在某種可溶性固相載體中。經(jīng)過表面改性的納米干粉體，其吸附、潤濕、分散等一系列表面性質(zhì)都會發(fā)生變化，一般可以自動或極易分散在特定的介質(zhì)中，因此使用非常方便。一般來講，納米粒子的改性方法有三種：1.在粒子表面均勻包覆一層其他物質(zhì)的膜，從而使粒子表面性質(zhì)發(fā)生變化；2.利用電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合體（如硅烷、鈦酸酯等偶聯(lián)劑以及硬脂酸、有機硅等）作表面改性劑對納米粒子表面進行化學(xué)吸附或化學(xué)反應(yīng)；3.利用電暈放電、紫外線、等離子、放射線等高能量手段對納米粒子表面進行改性。

根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求，選擇適當(dāng)?shù)谋砻娓男詣┗虮砻娓男怨に嚕瑢{米氧化鋅進行表面改性，改善其表面性能，增加納米顆粒與基體之間的相容性，從而應(yīng)用于各種領(lǐng)域，提高產(chǎn)品的性能技術(shù)指標(biāo)。

四、納米氧化鋅的應(yīng)用

本公司從納米氧化鋅的制備伊始，就十分重視其應(yīng)用技術(shù)開發(fā)的研究。通過公司內(nèi)部科研人員的潛心研究，以及與相關(guān)科研單位的技術(shù)合作，在納米氧化鋅的應(yīng)用技術(shù)方面取得了一系列重要成果。目前產(chǎn)品的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：

1.橡膠輪胎在橡膠行業(yè)中，特別是透明橡膠制品生產(chǎn)中，納米氧化鋅是極好的硫化活性劑。由于納米氧化鋅可與橡膠分子實現(xiàn)分子水平上的結(jié)合，因而能提高膠料性能，改善成品特性。以子午線輪胎和其他橡膠制品為例，使用納米氧化鋅可顯著提高產(chǎn)品的導(dǎo)熱性能、耐磨性能、抗撕裂性能、拉伸強度等項指標(biāo)，并且其用量可節(jié)省35-50%，大大降低了產(chǎn)品成本；在加工工藝上，能延長膠料焦燒時間，對加工工藝極為有利。納米氧化鋅用于橡膠鞋、雨靴、橡膠手套等勞保制品中，可以大大延長制品的使用壽命，并可改善它們的外觀及色澤，其用于透明或有色橡膠制品中，有著碳黑等傳統(tǒng)活性劑不可替代的作用。納米氧化鋅用于氣密封膠、密封墊等制品中，對于改善產(chǎn)品的耐磨性和密封效果也有著良好的作用。目前我公司的納米氧化鋅已在國內(nèi)多家大型輪胎和橡膠制品得到良好應(yīng)用。

2.油漆涂料隨著人們對涂料的色澤、涂膜性能、環(huán)保等各方面要求的提高，納米材料在涂料行業(yè)中的應(yīng)用受到越來越廣泛的重視。目前應(yīng)用于涂料中的納米材料品種有納米二氧化鈦、納米二氧化硅、納米氧化鋅、納米碳酸鈣等，其中納米二氧化鈦和納米二氧化硅由于其昂貴的價格而限制了它們的應(yīng)用范圍和數(shù)量，納米碳酸鈣性能又比較單一，在提高涂料的防霉和抗紫外老化性能方面作用較小，因而納米氧化鋅以其優(yōu)異的性價比在涂料的應(yīng)用中占據(jù)了更大的優(yōu)勢。納米氧化鋅具有一般氧化鋅無法比擬的新性能和新用途，能使涂層具有屏蔽紫外線、吸收紅外線及殺菌防霉作用，因此它可廣泛應(yīng)用于建筑內(nèi)外墻乳液涂料及其他涂料中，同時它的增稠作用還有助于提高顏料分散的穩(wěn)定性。我公司通過與相關(guān)科研單位聯(lián)合開發(fā)，將納米氧化鋅成功應(yīng)用于水性涂料中，制作成納米氧化鋅改性涂料，經(jīng)測試表明，此改性涂料的耐沾污性、耐人工老化性、耐水耐堿性、耐洗刷性、硬度及附著力等傳統(tǒng)機械力學(xué)性能得到較大的改善。此外，納米氧化鋅改性涂料的抗菌防霉性能也在進一步研究之中。

3.化纖紡織品納米材料于化纖紡織品中有兩種途徑：一種是把納米微粒直接添加在化學(xué)纖維的初始反應(yīng)液中，采用常規(guī)的聚合反應(yīng)合成功能纖維，使納米微粒均勻分布于纖維內(nèi)部；另一種方法就是把納米微粒作為一種后整理劑配制到織物的后整理液中，通過浸軋使納米微粒吸附在纖維的表面，或者用一定的粘合劑將納米微粒涂覆到織物表面形成一種功能性的涂層，改善織物的服用性能。吉林化纖集團將我公司表面改性后的納米氧化鋅配制到粘膠纖維的噴絲液中，合成了含有納米氧化鋅微粒的粘膠纖維，該纖維經(jīng)紡紗、織造得到添加納米氧化鋅的抗紫外織物，與未添加納米氧化鋅的普通織物進行對比，抗紫外織物的UPF值（紫外線遮擋系數(shù)）為對照織物的兩倍。我公司產(chǎn)品能夠顯著提高粘膠纖維、合成纖維制品的抗紫外和抗菌功能，用于抗紫外織物、抗菌織物、遮陽傘等產(chǎn)品的生產(chǎn)。我公司開發(fā)的抗紫外用納米膠體，已由杭州天堂傘業(yè)集團有限公司在遮陽傘上試用，計量院測試表明，UPF值（紫外線遮擋系數(shù)）為50，其性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)，超過歐盟標(biāo)準(zhǔn)。

4.防曬化妝品由于地球臭氧層遭到破壞，導(dǎo)致紫外線對地球生物圈輻射量的不斷增加，過多的紫外線照射對人類健康造成的危害正在日益加重。為了抵御過量紫外線照射對人體皮膚的傷害，人們開發(fā)了多種防曬劑來保護皮膚。由于大多數(shù)有機防曬劑活性較高，對皮膚產(chǎn)生刺激性，在紫外線照射后易分解，防曬效果不長久，因而人們又開發(fā)了無機防曬劑，如納米二氧化鈦、納米氧化鋅等。研究發(fā)現(xiàn)，納米氧化鋅對紫外線的防護功能比傳統(tǒng)的納米二氧化鈦要強，對紫外線UV-A和UV-B均具有良好的防護效果，因此納米氧化鋅在化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用迅速。我公司應(yīng)用一種特殊表面處理技術(shù)生產(chǎn)的納米級氧化鋅防曬劑，它能非常有效地吸收太陽紫外線，尤其能保護人體免受UV-A和UV-B的侵害。大多數(shù)的傳統(tǒng)防曬劑能對UV-B起作用，但并不能有效抵擋波長更長的UV-A紫外線，而UV-A越來越被認(rèn)為與皮膚過早衰老以及皮膚癌有關(guān)。我公司氧化鋅平均粒徑小于50納米，它能最有效地抵抗UV-A和UV-B，是廣譜的抗紫外劑，無毒無害，是名副其實的新一代物理防曬劑。

5.其它領(lǐng)域隨著人們對納米氧化鋅性能認(rèn)識的深化，納米氧化鋅的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴大。例如，將納米氧化鋅用于陶瓷行業(yè)，可以大大降低陶瓷制品的燒結(jié)溫度，燒成品光亮如鏡，減少了生產(chǎn)工序，降低了能耗，并賦予了陶瓷制品抗菌除臭和分解有機物的自潔作用，極大地提高了產(chǎn)品質(zhì)量；納米氧化鋅由于尺寸小，比表面積大，表面的鍵態(tài)與顆粒內(nèi)部的不同，加大了反應(yīng)接觸面，提高了催化效率，是化工生產(chǎn)制備脫硫劑和化學(xué)催化劑的首選材料；納米氧化鋅也是一種很好的光催化劑，在紫外線照射下，能自行分解出自由移動的負(fù)，留下帶正電的空穴，激活空氣中的氧變?yōu)榛钚匝酰c多種有機物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，殺死病菌和病毒。此外，納米氧化鋅在傳感器、電容器、熒光材料、吸波材料、導(dǎo)電材料等諸多領(lǐng)域也展示出越來越廣闊的應(yīng)用前景。

五、結(jié)束語

納米氧化鋅的制備技術(shù)已經(jīng)取得了一些突破，在國內(nèi)形成了幾家產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)廠家。但是納米氧化鋅的表面改性技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)尚未完全成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域的開拓受到了較大的限制，并制約了該產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展。雖然我們近年來在納米氧化鋅的應(yīng)用方面取得了很大的進展，但與發(fā)達(dá)國家的應(yīng)用水平以及納米氧化鋅的潛在應(yīng)用前景相比，還有許多工作要做。如何克服納米氧化鋅表面處理技術(shù)的瓶頸，加快其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，成為諸多納米氧化鋅生產(chǎn)廠家所面臨的亟待解決的。