纳米氧化锌介绍与应用

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1、纳米氧化锌介绍与应用纳米氧化锌（ZnO）粒径介于1-100 nm之间，是一种面向21世纪的新型高功能精细无机产品，表现出许多特殊的性质， 如非迁移性、荧光性、压电性、吸收和散射紫外线能力等，利用其在光、电、磁、敏感等方面的奇妙性能，可制造气体传 感器、荧光体、变阻器、紫外线遮蔽材料、图像记录材料、压电材料、压敏电阻、高效催化剂、磁性材料和塑料薄膜等。 概述中文名：纳米氧化锌英文名：Zinc oxide，nanometer别名：纳米锌白；Zinc White nanometer CAS RN. : 1314-13-2分子式：ZnO分子量：81.37形态纳米氧化锌是一种多功能性的新型无机材料，其颗

2、粒大小约在1100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。纳米氧化锌金属氧化物粉末如氧化锌、二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝及氧化镁

3、等，将这些粉末制成纳米级时，由于微粒之尺寸与 光波相当或更小时，由于尺寸效应导致使导带及价带的间隔增加，故光吸收显著增强。各种粉末对光线的遮蔽及反射效率 有不同的差异。以氧化锌及二氧化钛比较时，波长小于350纳米（UVB）时，两者遮蔽效率相近，但是在350400nm （UVA） 时，氧化锌的遮蔽效率明显高于二氧化钛。同时氧化锌（1=1.9）的折射率小于二氧化钛（n=2.6），对光的漫反射率较低， 使得纤维透明度较高且利于纺织品染整。纳米氧化锌还可用来制造远红外线反射纤维的材料，俗称远红外陶瓷粉。而这种远红外线反射功能纤维是通过吸收人 体发射出的热量，并且再向人体辐射一定波长范围的远红外线，除了

4、可使人体皮下组织中血液流量增加，促进血液循环外， 还可遮蔽红外线，减少热量损失，故此纤维较一般纤维蓄热保温。性质氧化锌是一种半导体催化剂的电子结构，在光照射下，当一个具有一定能量的光子或者具有超过这个半导体带隙能量 Eg的光子射入半导体时，一个电子从价带NB激发到导带CB，而留下了一个空穴。激发态的导带电子和价带空穴能够重新 结合消除输入的能量和热，电子在材料的表面态被捕捉，价态电子跃迁到导带，价带的空穴把周围环境中的羟基电子抢夺 过来使羟基变成自由基，作为强氧化剂而完成对有机物（或含氯）的降解，将病菌和病毒杀死。制备氧化锌的制备方法分为三类：即直接法（亦称美国法）、间接法（亦称法国法）和湿化

5、学法。目前许多市售氧化锌多 为直接法或间接法产品，粒度为微米级，比表面积较小，这些性质大大制约了它们的应用领域及其在制品中的性能。我公 司采用湿化学法（NPP-法）制备纳米级超细活性氧化锌，可用各种含锌物料为原料，采用酸浸浸出锌，经过多次净化除去 原料中的杂质，然后沉淀获得碱式碳酸锌，最后焙解获得纳米氧化锌。与以往的制备纳米级超细氧化锌工艺技术相比，该 新工艺具有以下技术方面的创新之处：1. 平衡条件下反应动力学原理与强化的传热技术结合，迅速完成碱式碳酸锌的焙解。2. 通过工艺参数的调整，可以制备不同纯度、粒度及颜色的各种型号的纳米氧化锌产品。3. 本工艺可以利用多种含锌物料为原料，将其转化为

6、高附加值产品。4. 典型绿色化工工艺，属于环境友好过程。性能表征纳米级氧化锌的突出特点在于产品粒子为纳米级，同时具有纳米材料和传统氧化锌的双重特性。与传统氧化锌产品相 比，其比表面积大、化学活性高，产品细度、化学纯度和粒子形状可以根据需要进行调整，并且具有光化学效应和较好的 遮蔽紫外线性能，其紫外线遮蔽率高达98%；同时，它还具有抗菌抑菌、祛味防酶等一系列独特性能。清华大学分析测试中心用透射电镜对产品进行了分析，纳米氧化锌粒子为球形，粒径分布均匀，平均粒径2030纳米， 所有粒子的粒径均在50纳米以下。经F-Sorb 3400比表面及孔径测定仪（北京金埃谱科技公司）测试，纳米氧化锌粉体 的BE

7、T比表面积在35m2/g以上。此外，通过调整制备工艺参数，还可以生产出棒状纳米氧化锌。本产品经中国科学院微 生物研究所检测鉴定，结果表明，在丰富细菌培养基中，加入0.5%1%的纳米氧化锌，可有效抑制大肠杆菌的生长，抑菌 率达99.9%以上。表面改性由于纳米氧化锌具有比表面积大和比表面能大等特点，自身易团聚；另一方面，纳米氧化锌表面极性较强，在有机介 质中不易均匀分散，这就极大地限制了其纳米效应的发挥。因此对纳米氧化锌粉体进行分散和表面改性成为纳米材料在基 体中应用前必要的处理手段。纳米氧化锌比表面积研究和相关数据报告中，只有采用BET方法检测出来的结果才是真实可靠的，因为国内外制定出 来的比表

8、面积测定标准都是以BET测试方法为基础的，请参考（GB.T 19587-2004）-气体吸附BET原理测定固态物质比表面 积的方法。比表面积测试有专用的比表面积测试仪，国内比较成熟的是动态氮吸附法，现有国产仪器中大多数还只能进行 直接对比法的，北京金埃谱科技有限公司的F-sorb2400比表面积分析仪是真正能够实现BET法检测功能的仪器（兼备直 接对比法），更重要的北京金埃谱科技有限公司的F-sorb2400比表面积分析仪是迄今为止国内唯一完全自动化智能化的 比表面积检测设备，其测试结果与国际一致性很高，稳定性也很好，同时减少人为误差，提高测试结果精确性。所谓纳米分散是指采用各种原理、方法和手

9、段在特定的液体介质（如水）中，将干燥纳米粒子构成的各种形态的团聚 体还原成一次粒子并使其稳定、均匀分布于介质中的技术。纳米粉体的表面改性则是在纳米分散技术基础上的扩展和延伸， 即根据应用场合的需要，在已分散的纳米粒子表面包覆一层适当物质的薄膜或使纳米粒子分散在某种可溶性固相载体中。 经过表面改性的纳米干粉体，其吸附、润湿、分散等一系列表面性质都会发生变化，一般可以自动或极易分散在特定的介 质中，因此使用非常方便。一般来讲，纳米粒子的改性方法有三种：1.在粒子表面均匀包覆一层其他物质的膜，从而使粒 子表面性质发生变化；2.利用电荷转移络合体（如硅烷、钛酸酯等偶联剂以及硬脂酸、有机硅等）作表面改性

10、剂对纳米粒 子表面进行化学吸附或化学反应；3.利用电晕放电、紫外线、等离子、放射线等高能量手段对纳米粒子表面进行改性。根据不同应用领域的要求，选择适当的表面改性剂或表面改性工艺，对纳米氧化锌进行表面改性，改善其表面性能， 增加纳米颗粒与基体之间的相容性，从而应用于各种领域，提高产品的性能技术指标。橡胶工业中的应用可以作为硫化活性剂等功能性添加剂，提高橡胶制品的光洁性、耐磨性、机械强度和抗老化性能性能指标，减少普通 氧化锌的使用量，延长使用寿命；陶瓷工业中的应用作为乳瓷釉料和助熔剂，可降低烧结温度、提高光泽度和柔韧性，有着优异的性能；国防工业中的应用纳米氧化锌具有很强的吸收红外线的能力，吸收率和

11、热容的比值大，可应用于红外线检测器和红外线传感器；纳米氧 化锌还具有质量轻、颜色浅、吸波能力强等特点，能有效的吸收雷达波，并进行衰减，应用于新型的吸波隐身材料； 纺织工业中的应用具有良好的紫外线屏蔽性和优越的抗菌、抑菌性能，添加入织物中，能赋予织物以防晒、抗菌、除臭等功能;饲料工业中的应用纳米氧化锌作为一种纳米材料，具有高效的生物学活性、吸收率高、抗氧化能力强、安全稳定等特性，是目前最理想 的锌源。在饲料中用纳米氧化锌替代高锌，既可以解决动物体对锌的需求量，也减少了对环境的污染。使用纳米氧化锌 可以起到抗菌抑菌的作用，同时改善动物生产性能；涂料、化妆品及其它应用领域金属氧化物粉末如氧化锌、二氧

12、化钛、二氧化硅、三氧化二铝及氧化镁等，将这些粉末制成纳米级时，由于微粒之尺 寸与光波相当或更小时，由于尺寸效应导致使导带及价带的间隔增加，故光吸收显著增强。各种粉末对光线的遮蔽及反射 效率有不同的差异。以氧化锌及二氧化钛比较时，波长小于350纳米（UVB）时，两者遮蔽效率相近，但是在350400nm （UVA）时，氧化锌的遮蔽效率明显高于二氧化钛。同时氧化锌（n=1.9）的折射率小于二氧化钛（n=2.6），对光的漫反 射率较低，使得纤维透明度较高且利于纺织品染整。纳米氧化锌还可用来制造远红外线反射纤维的材料，俗称远红外陶瓷粉。而这种远红外线反射功能纤维是通过吸收人 体发射出的热量，并且再向人体

13、辐射一定波长范围的远红外线，除了可使人体皮下组织中血液流量增加，促进血液循环外， 还可遮蔽红外线，减少热量损失，故此纤维较一般纤维蓄热保温。不同比表面积对橡胶性能的影响胶料的物理性能、使用性能与材料的比表面积存在着相关关系。从胶料强伸性能看，纳米氧化锌在基本不降低伸长 率的情况下，能较明显的提高胶料定伸强度。随材料比表面积的增大，这种趋势俞加明显。但更为明显的是胶料的磨耗减 量降低和压缩疲劳温升降低。由此可以看出，纳米氧化锌在比表面积达到80m2/g以上时，可表现出优良的普通氧化锌所 不具备的综合性能。比表面积在80m2/g以下的纳米氧化锌虽然也较普通氧化锌在综合性能上为优，但与80m2/g以

14、上相比， 差距还是较为明显的。纳米氧化锌对胶料硫化特性的影响纳米氧化锌对胶料硫化特性的影响较大，由于大比表面高活性，使胶料交联密度提高，这表现在硫化曲线的大扭距MH 提高，也表现在300%定伸强度的提高上。另外，硫化曲线有整体随时间后移的倾向，无论ts2、t90都较普通氧化锌延迟。 这种延迟作用随配方体系不同程度也不同，具体的机理尚待探讨。对胶料物机性能的影响纳米氧化锌对提高胶料物机综合性能是非常明显的，在强伸性能方面，300%定伸强度提高10%左右，同时扯断伸长率 基本能够保持不变。在降低磨耗减量、提高耐磨性方面优势明显，磨耗减量的降低在10%以上，这是由于纳米材料的小尺 寸效应补强胶料所致

15、，这种补强完全不同于炭黑的补强，其扯断伸长率、弹性均没有降低，从技术上讲是非常理想的。对胶料生热性能的影响普通胶料的压缩疲劳温升是48C，降低生热25%，非常明显，这对于轮胎等动态使用的橡胶制品是非常重要的。这是 由于纳米材料的小尺寸效应补强胶料使胶料变形降低所致。炭黑补强胶料虽然也能降低胶料变形，但其弹性降低，滞后损 失增大导致了生热剧增，而纳米氧化锌补强后避免了上述缺点，故其生热明显降低。纳米氧化锌有较高的弹性模量和较低的滞后损耗，这种趋势随材料的比表面积增大而愈加明显，这与生热试验的结果 非常吻合，为轮胎等动态制品提高使用寿命提供了非常好的帮助。另外需要指出的是，纳米氧化锌的这个特点在轮

16、胎胎体 胶中同样体现，但没有胎面胶这么显著，这与胎体配方本身高弹性、低滞后、低生热、炭黑填充量少、结构低有关，在胎 体配方中生热降低幅度约在10%左右。对胶料老化性能的影响纳米氧化锌胶料的抗张强度及扯断伸长率在热空气老化后的保持率要明显优于普通胶料，这可能与纳米氧化锌的小尺 寸效应增加了交联网络密度，与高分子材料实现了分子水平的结合有关。目前许多橡胶杂件厂尤其是密封件行业对纳米氧 化锌这个特点非常欢迎和重视。一些制品厂应用丰海纳米氧化锌于耐油高温胶管、高档汽车密封制品方面均开发出了各自 的新产品。对于轮胎等动态使用的制品在使用中由于热氧老化，导致材料性能下降最终导致产品破坏是必然的，提高在老化条件 下材料的性能保持率，最终延缓这种破坏，对延长制品使用寿命是非常重要的。减量使用我们知道，氧化锌作为硫化体系必用的助剂，其填充量较高，一般为5份左右，由于氧化锌比重大，填充量大，其对