納米級氧化鋅
(1)用途
納米氧化鋅屬于納米級金屬氧化物，加壓下熔點(diǎn)約1800℃，常壓下1720℃升華，呈針狀或球狀結(jié)構(gòu)，是一種新型高功能精細(xì)無機(jī)產(chǎn)品，納米級氧化鋅的應(yīng)用主要分為微米級或亞微米級氧化鋅的替代市場和根據(jù)其納米特性開發(fā)的新興市場兩大類。下面介紹一些納米氧化鋅的主要用途。
1)抗菌添加劑
納米氧化鋅在陽光，尤其是在紫外線照射下，在水和空氣、氧氣中，能自行分解出自由移動的帶負(fù)電的電子(e)，同時留下帶正電的空穴(h+)。這種空穴可以激活氧和氫氧根，變?yōu)榛钚缘难鹾蜌溲醺?。這一過程傾向于如下光化學(xué)反應(yīng)：
ZnO + 光子 + H2O + O2=ZnO + 2(OH)+ O
上述反應(yīng)所生成的活性氧和氫氧根具有極強(qiáng)的化學(xué)活性，能與包括細(xì)菌中的有機(jī)物在內(nèi)的多種有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)，將其分解成無害的無機(jī)物，從而把大多數(shù)細(xì)菌、病毒殺死。納米級氧化鋅定量殺菌試驗(yàn)表明，在濃度為1%的氧化鋅懸浮液中，5min內(nèi)金黃色葡萄球菌的殺菌率為98.86%，大腸桿菌的殺菌率為99.93%。而納米氧化鋅的祛味功能則應(yīng)歸功于下面兩方面的功能。
?、俦缺砻娣e吸附 對所有的納米材料，其粒子應(yīng)小于100nm，對氧化鋅而言，它的比表面積要大于12m2/g。目前市場納米氧化鋅的比表面積都在 40m2/g以上水平，因此，表面吸附積效應(yīng)十分明顯;
?、谥泻头磻?yīng) 納米氧化鋅屬兩性化合物，對酸性物它呈堿性，反之，它又變成酸性物質(zhì)。而能揮發(fā)出各種臭味的物質(zhì)大都屬酸性物質(zhì)，一旦這種酸性物質(zhì)被吸附于氧化鋅粒子表面，便會有酸堿中和反應(yīng)發(fā)生，將其轉(zhuǎn)化為鋅鹽，失去原有異味。因此，表面吸附和中和反應(yīng)是納米氧化鋅祛味的主要機(jī)理。
針對這些特性，將納米氧化鋅添加到化妝品中，可以起到抗菌除臭的功能。在熔融紡織過程中添加納米氧化鋅和二氧化硅，可以生產(chǎn)出具有防臭、除菌功能的纖維。日本新興人化成、帝人、倉螺、鐘紡、東洋紡等公司都在生產(chǎn)這種纖維，用于制造醫(yī)用消臭敷料、繃帶、手術(shù)服、護(hù)士服、內(nèi)衣、尿布、睡衣、窗簾及衛(wèi)生間用品等。在陶瓷行業(yè)中使用納米氧化鋅，同微米級或亞微米級氧化鋅相比，不僅可以降低陶瓷制品的燒結(jié)溫度(約400～600℃)，使陶瓷制品光亮如鏡，而且給陶瓷制品賦予了抗菌除臭、分解有機(jī)物的自潔凈功能。因而納米氧化鋅在浴缸、地磚、墻磚、操作臺面等陶瓷制品領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。
在石膏中摻入納米氧化鋅及金屬過氧化物粉末后，可制得色彩鮮艷、不易褪色的石膏產(chǎn)品，有著優(yōu)異的抗菌性能，適用于建筑、裝飾材料行業(yè)。
納米氧化鋅與氫氧化鈣、硝酸銀、磷酸鹽等其他物質(zhì)配合使用，也可制成抗菌涂料。
2)防曬劑
研究表明，納米氧化鋅吸收紫外線能力強(qiáng)，對UVA(長波320～400 nm)和UVB(中波280～320 nm)均有屏蔽作用。在傳統(tǒng)化妝品市場，UVB是用納米氧化鈦來防護(hù)，UVA的防護(hù)是使用有機(jī)物，但目前新的趨勢是用納米氧化鋅替代有機(jī)物。與有機(jī)防曬劑相比，不僅無毒、無味，對皮膚無刺激性，不分解不變質(zhì)，熱穩(wěn)定性好，而且本身為白色，只需簡單著色，價格也相對便宜，因而在防曬化妝品市場倍受青睞。
利用添加納米氧化鋅纖維制成的的帳蓬、日光傘、夏裝、阿拉伯長袍等，不僅能抗菌除臭，而且具有的抗紫外線功能，起到防止過度日曬、保健皮膚、減少皮膚癌發(fā)病率的作用。
將利用納米氧化鋅制造的涂料噴涂在玻璃表面，可以使這種玻璃具有屏蔽紫外線的功能。從而在汽車玻璃、幕墻玻璃制造領(lǐng)域也得到應(yīng)用。
3) 壓電材料
自從1968年日本松下公司研制成功氧化鋅壓敏電阻以來，由于其造價低廉，制造方便，因而廣泛運(yùn)用于各個領(lǐng)域。理論研究和實(shí)踐表明，氧化鋅晶粒尺寸決定了材料的擊穿場強(qiáng)。因而納米氧化鋅具有更好的非線性性能和電涌吸收能力，可以制備超高擊場強(qiáng)的材料。作為的壓敏電阻器在電子電路等系統(tǒng)中被廣泛地用來穩(wěn)定電壓，抑制電涌及消除電火花。此外，利用納米氧化鋅制成的無機(jī)壓電薄膜，可以制成極薄的微波超聲換能器與半導(dǎo)體材料集成化。
4) 催化劑
在催化研究領(lǐng)域，人們一直在尋找新的高效催化劑。由于納米材料對催化氧化、還原和裂解反應(yīng)都具有很高的活性和選擇性，對光解水制氫和一些有機(jī)合成反應(yīng)也有明顯的光催化活性。國際上已把納米材料催化劑稱為第四代催化劑。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，表面原子配位不全等，導(dǎo)致表面的活性位置增多，形成了凸凹不平的原子臺階，加大了反應(yīng)接觸面。納米氧化鋅的光催化功能已被廣泛用于纖維、化工、環(huán)保、建材等行業(yè)。
5) 橡膠添加劑
氧化鋅是制造高速耐磨橡膠制品的原料，如飛機(jī)輪胎、子午線輪胎等，起到抗老化、抗磨擦著火、延長制品壽命等作用。橡膠工業(yè)約消耗將近50%的氧化鋅產(chǎn)量，而且氧化鋅是橡膠工業(yè)不可缺少的添加劑，長期以來只有間接法氧化鋅才能滿足該領(lǐng)域需求。用納米氧化鋅代替普通和活性氧化鋅，不僅同樣可以作為橡膠產(chǎn)品的硫化活性劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、白色橡膠的著色劑、氯丁膠的硫化劑和增強(qiáng)導(dǎo)熱性能的配合劑，而且其效果比間接法氧化鋅更強(qiáng)。
?、?納米氧化鋅的氧化鋅含量只要>95%，而間接法氧化鋅必須在99%以上，才能應(yīng)用于橡膠制品中。
② 納米氧化鋅的用量只是間接法氧化鋅的 60%～70%，從而降低了生產(chǎn)成本。表2-25為兩種氧化鋅在汽車輪胎中應(yīng)用效果的對比表。
③ 超細(xì)氧化鋅可使膠料的導(dǎo)熱性能和彈性明顯增加，耐磨性能變好，耐撕裂性能提高，當(dāng)用在透明膠制品時，產(chǎn)品的透明度會明顯提高，可使白色橡膠制品的色相由使用普通氧化鋅時的泛紅相轉(zhuǎn)為泛藍(lán)相，使產(chǎn)品外觀大大改觀。
其他應(yīng)用研究表明，納米氧化鋅在印刷膠輥的面膠膠料中作為活性劑、交聯(lián)劑代替普通氧化鋅和活性氧化鋅，結(jié)果其膠料的抗溶性比普通氧化鋅的高1個多百分點(diǎn)，在亞麻仁油中浸泡24h(室溫)，質(zhì)量變化率為0.3%(普通氧化鋅為1.6%)，該膠輥能滿足彩印及塑印要求。在邵氏硬度為85度的彩印橡塑并用膠輥膠料中，使用納米氧化鋅的膠輥的變形比使用普通氧化鋅者減少7個百分點(diǎn)，明顯改善和提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
6) 氣體傳感器 納米氧化鋅隨所處環(huán)境氣氛中氣體組分的變化，其電學(xué)性能也發(fā)生變化。利用這一特性可以用于對氣體的檢測和定量測定。已開發(fā)出新型氣體報(bào)警器和溫度計(jì)等產(chǎn)品。在制備瞬態(tài)薄膜傳感器過程中，納米氧化鋅易于噴涂，質(zhì)量易控制，便于極化與轉(zhuǎn)向，表現(xiàn)出理想的電特性和動態(tài)特性。
7) 熒光物質(zhì)與陶瓷電容器 在低壓電子射線下，納米氧化鋅可發(fā)出藍(lán)色和紅色的熒光，這是納米氧化鋅的獨(dú)特性能。
添加了納米氧化鋅等金屬氧化物的陶瓷微粉，可用作燒結(jié)制造電容器的材料，不僅可以大大降低燒結(jié)溫度，節(jié)約能源，而且制品表面微細(xì)平滑，具有高的介電常數(shù)。 8) 圖像記錄材料 納米氧化鋅根據(jù)制備條件不同，可獲得光導(dǎo)電性、半導(dǎo)體性和導(dǎo)電性等不同性質(zhì)。利用這種變異，可用作圖像記錄材料;還可利用其光導(dǎo)電性質(zhì)用于電子攝影;利用半導(dǎo)體性質(zhì)可作放電擊穿記錄紙;利用導(dǎo)電性作電熱記錄紙等。其優(yōu)點(diǎn)是無三廢公害，畫面質(zhì)量好，可高速記錄，能吸附色素進(jìn)行彩色復(fù)印，酸蝕后有親水性可用于膠片印刷。
9) 吸波材料 吸波材料是指能有效吸收入射雷達(dá)電磁波，并使其散射衰減的一類功能材料。納米氧化鋅等金屬氧化物質(zhì)量輕，厚度薄，顏色淺，吸波能力強(qiáng)，是雷達(dá)波吸收材料研究的熱點(diǎn)之一。利用納米氧化鋅制成吸波材料，在國防上具有重大意義。如制造成涂料用于隱形飛機(jī)等，可以提高武器系統(tǒng)的生存和突防能力。
10) 導(dǎo)電材料 納米氧化鋅等氧化物顆粒具有半導(dǎo)體性質(zhì)。在室溫下，其導(dǎo)電性能比常規(guī)的氧化物高。同時，納米氧化鋅為白色粉末，這樣就可以開發(fā)出白色的靜電屏蔽涂料;或與其他類似性質(zhì)的納米氧化物，如綠色的三氧化二鉻、褐色的三氧化二鐵調(diào)色，克服傳統(tǒng)炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的缺陷。日本松下公司已成功研制出這一類型產(chǎn)品，應(yīng)用于涂料、樹脂、橡膠、纖維、塑料和陶瓷中，從而使制品具有抗靜電等特殊性能。
(2)納米氧化鋅的制備方法 納米材料的制備在當(dāng)前材料科學(xué)研究中占據(jù)極為重要的位置，新的制備工藝和過程的研究對納米材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能具有重要的影響。納米氧化鋅的制造過程必須解決一些關(guān)鍵技術(shù)問題，主要有： 尺寸、形貌和分布的控制; 團(tuán)聚體的控制與分散; 表面的形態(tài)、缺陷、粗糙度、成分的控制，包括表面修飾和包裹; 化學(xué)組分和微觀結(jié)構(gòu)的均勻性控制; 純度的控制; 工藝穩(wěn)定性、質(zhì)量可重復(fù)性的控制; 納米材料的穩(wěn)定性及保存、運(yùn)輸技術(shù); 環(huán)境保護(hù)。 目前，試驗(yàn)室試驗(yàn)制備納米氧化鋅的方法主要分化學(xué)法和物理法兩大類方法，如表2-27所示。 隨著納米材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，新的制備合成工藝被不斷地提出并得到利用。德國拜爾公司(Bayer Co., Ltd.)首先向市場提供納米氧化鋅產(chǎn)品，之后又出現(xiàn)比利時的產(chǎn)品，而目前的主要供貨廠家卻來自日本和美國。表2-26列出部分國外有關(guān)廠家的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)。 年產(chǎn)3000噸納米級超細(xì)活性氧化鋅的生產(chǎn)線于1998年12月底在陜西中科(旬陽)精細(xì)化工有限公司投產(chǎn)。 目前國內(nèi)已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用的納米氧化鋅生產(chǎn)方法，主要有均勻沉淀法和熱解-氣化-冷凝法。
簡繁切換