纳米氧化锌的制备及其在涂料中的应用

纳米氧化锌的制备及其在涂料中的应用

尹作鼎

尹作鼎

湖北工程学院432300

摘要：以草酸锌（ZnC2O4）和碳酸氢铵（NH4HCO3）为原料，采用化学法中的直接沉淀法，在锌离子浓度为0.50mol?L-1、反应温度为45℃且反应时间为1h条件下制备出前驱体，再将其置于300℃的马弗炉中煅烧2h制备出纳米氧化锌粒子。并用透射电子显微镜（TEM）、X—射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对它的结构和形貌进行表征，其粒径大部分处在20~80nm，并且通过对比JCPDS标准卡可得知前驱体为碱式碳酸锌[ZnO5（OH）6（CO3）2]。从紫外屏蔽性、抗菌性、阻燃性、防腐性四个方面探讨了纳米氧化锌对涂料的影响。

关键词：纳米氧化锌；直接沉淀法；涂料

1绪论

1.1纳米氧化锌概述

纳米氧化锌（ZnO）作为纳米材料，其粒子直径处于1-100nm之间，它是自身具有独特性质的新型多功能产品，它在光学性、电学性、磁性、热学性、催化性等方面表现出很多独特的性质。人们利用这些特性制造出了许多与人类生活息息相关的东西，如光学传感器、荧光物体、紫外屏蔽材料、变阻器、压敏电阻、压电材料、图像存储材料、电源开关、高效催化剂和塑料薄膜等。

纳米氧化锌是一种具有多功能的新型材料，由于晶粒是纳米级，它的表面电子结构和内部结构发生变化，产生了只有纳米粒子才具有的特性，也就是小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应。除此之外它还具有比宏观物体更高的透明度和更高的分散性等特点。目前为止我们发现它在光学、电学、磁学、催化、热力学等方面展现出许多优异的性能，从而使得它在陶瓷、橡胶、电子、纺织、生物、涂料等许多行业成为无可替代的材料，它拥有大尺寸氧化锌所无法拥有的功能。纳米氧化锌具体可用于制作抗紫外光材料、抗菌添加剂、防火材料、光催化材料等等。因为纳米氧化锌自从被发现以来广受各界好评，所以受到世界上很多科研人员的追捧，导致了世界性的研究热潮。

1.2纳米氧化锌的制备方法

制备纳米氧化锌的方法主要分为三大类：物理法、化学法和综合法。物理法主要是通过机械粉碎作用制备纳米氧化锌；化学法主要是通过化学反应来合成产物，使分子甚至原子成核，控制生长，形成一定形貌和尺寸的纳米氧化锌；综合法就是把物理法和化学法相结合，取长补短，解决单一方法达不到的效果。其中化学法是现今最常用的方法。

1.3研究目的与意义

自从纳米技术诞生以来，因它的巨大应用前景而备受关注，纳米材料研究是现阶段材料研究的一个热点，迄今为止纳米氧化锌在制备技术已经取得了一些突破性的进展，在我国也有一些极具规模的生产厂家。但是由于纳米氧化锌的自身易团聚性质加上表面改性技术还没有发展完善，这样一来就导致了纳米氧化锌在应用过程中受到极大的制约，并限制了纳米氧化锌产业链的成长扩大。近年我国科学家在纳米氧化锌的应用研究上取得了颇为自豪的成绩，但是由于在时间上我国对纳米氧化锌的研究晚于那些发达国家，所以在应用方面我国与他们还存在着比较大的差距。在纳米氧化锌的表面改性技术，以及纳米氧化锌在个领域内的应用等问题上我国诸多纳米氧化锌的研究者所需要做的工作还有很多。所以，为了更好的把握氧化锌纳米材料发展方向，完善它在各领域内的发展，因此关注各个科研人员的工作进展，以此进一步完善和应用研究纳米材料，更加具有重要的作用。

2、讨论

2.1同时在反应过程中，晶核的形成速率和晶体生长速率都会随着温度改变而改变，所以晶体粒径也会随着温度的改变而改变。温度在45℃左右时，纳米氧化锌的平均粒径最小。那是因为晶核的形成速率和晶体的生长速率都与温度成正比，在温度逐渐升高的条件下，两者的速率都会提高。在25~45℃时，晶核的形成的速度比晶体生长的速度快，所以晶体的粒径会慢慢变小；而在温度大于45℃的时候，晶体的生长速度比晶核形成的速度快，所以晶体的粒径。会慢慢变大，并且在温度大于45℃的时候，晶体的生长加速度也比晶核形成的加速度快；然而在温度处于45℃的时候，晶体生长速度与晶核形成速度达到平衡，在这个条件下所形成的晶体晶粒最小且大小均匀。

2.2在反应过程中，反应时间也会影响纳米氧化锌的粒径。在反应初期，溶液的过饱和程度最大，这时在溶液中可以瞬间形成大量的晶核，晶体不易生长，随着反应继续进行到反应的中后期，溶液中各离子浓度会慢慢降低，这时晶体的生长速度会大于晶核的形成速度，晶体的生长占据主导地位，这样就导致纳米氧化锌的粒径增大。当反应完全后如果继续放置，那么长出的晶体会很轻易的发生团聚现象，这样就使得粒径更加增大。所以随着反应的推移，纳米氧化锌的粒径只会越来越大。但是在反应前期，反应刚开始沉淀物难以析出，所以产率会很低，反应后期，过饱和浓度太低，同样也会使沉淀物析出困难，也会导致产率低。所以反应时间适中最好，反应时间最好在1h左右。

3.结论

本论文通过直接沉淀法制备纳米氧化锌粒子，采用了TEM，SEM和XRD对纳米氧化锌粒子结构和外貌进行表征，并用Zeta电位分析仪进行粒径分析。同时也研究了纳米氧化锌在涂料中的应用，并得到了以下结论：

1)比较系统给出纳米氧化锌的各种常见的制备方法。包括物理法、化学法和综合法。

2）从纳米氧化锌本身所具有的特性出发，探讨了纳米氧化锌粒子在作为涂料添加剂时所发挥的作用，且从紫外屏蔽性、抗菌性、阻燃性和防腐性四个方面论述了纳米氧化锌赋予涂料的新功能。

3）本实验得出在锌离子（Zn2+）浓度为0.50mol?L-1时、反应温度为45℃、反应时间控制在1h左右可以制备出粒径优良的纳米氧化锌粒子。

4）通过前驱体的X-射线衍射图和JCPDS标准卡对比得出，前驱体为碱式碳酸锌[ZnO5（OH）6（CO3）2]。

5）从纳米氧化锌粒子的表征图来看，本实验制得的纳米氧化锌粒子粒径大部分处于20~100纳米区间，粒径分布均匀，且性能优良，稳定性高。

6）可以表明纳米氧化锌拥有良好的抗菌性，并且纳米氧化锌的浓度越高，抗菌性能越好。

参考文献：

[1]王小丹，铁绍龙.纳米氧化锌的性能及其在涂料中的中应用[J].电镀与涂饰，2005，24（3）：27-30.

[2]王小丹，铁绍龙.表面改性纳米氧化锌的制备及其性能表征[J].广州化工，2007，35（3）：32-34.

[3]竺玉书.纳米材料在涂料中的应用[J].涂料工业，2000，30（11）：41.