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【技术】纳米氧化锌粉体特性及应用浅析

日期: 2018-09-23
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纳米氧化锌粉体特性及应用浅析



一、纳米氧化锌的分子结构及特性简介

氧化锌晶体属于六方晶系纤锌矿结构,其空间结构为Zn原子按六方紧密堆积排列,每个Zn原子周围有4个氧原子,构成氧化锌四面体结构,每个四面体均有一个顶角指向C轴,如下图所示。


【技术】纳米氧化锌粉体特性及应用浅析

氧化锌晶体结构图及其结晶体显微图像



纳米氧化锌是一种多功能性精细的新型无机材料, 又称为超微细氧化锌。纳米氧化锌(粒子直径在1-100nm)是近年来已发现的一种高新技术材料。


由于颗粒尺寸的细微化, 使得纳米氧化锌产生了其本体块状材料所不具备的表面效应、小尺寸效应、量子效应和久保效应等。


纳米氧化锌与普通氧化锌相比,具有优良的光活性、电活性、烧结活性和催化活性,如无毒和非迁移性、荧光性、压电性、吸收和散射紫外线能力。这一新的物质状态,赋予了氧化锌这一古老产品在众多领域表现出巨大的应用前景。



二、纳米氧化锌主要行业应用简介

1、半导体行业

氧化锌是目前为止II-Ⅵ族半导体材料中最硬的一种,这意味着氧化锌可避免其它II-VI材料在应用于光发射器件中出现缺陷的增殖现象;


氧化锌作为UV探测器具有很低的暗电流,最大响应波长可达350 nm;


氧化锌材料在0.4-2μm的波长范围内透明,且具有压电、光电等效应,因而提供了将电学、光学及声学器件,如光源、探测器、调制器、光波导、滤波器及相关电路等进行单片集成的可能性。因此引起了很多研究人员的兴趣。


2、橡胶、塑料工业

纳米氧化锌是橡胶工业最有效的无忌活性剂和硫化促进剂。纳米氧化锌粉体的比表面积大,颗粒微小,分散性好,疏松多孔,流动性好等物理化学特性,因此,与橡胶的亲和性好,熔炼时易分散,胶料生热低,扯断变形小,弹性好,改善材料工艺性能和物理性能,用于制造高速耐磨的橡胶制品。如飞机轮胎,高级轿车用的子午线轮胎,具有防止老化,抗摩擦着火,使用寿命长等优点,大幅度提高了橡胶制品的光洁度,机械强度,耐温和耐老化性能,特别是耐磨性能。


另外,氧化锌作为橡胶制品中的硫化体系的毕用助剂,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,对其胶料密度的影响非常大,对制品使用寿命和能源消耗都不利,而使用纳米氧化锌后,其用量仅为等级氧化锌用量的30%-50%,降低了企业的生产成本,而在强伸性能,生热,老化等方面都远优于普通氧化锌。


纳米氧化锌用于塑料工业中,与聚合物材料复合后,与基体材料间有很强的结合力,不仅能提高材料的刚性和硬度,还有增强增韧效果。由于纳米氧化锌屏蔽紫外线的性质,应用后还能提高这些材料的抗紫外线性能。


3、陶瓷行业

纳米氧化锌极小的粒径,大的比表面积和高的化学性能,可以显著降低材料的烧结致密程度,节约能源,使陶瓷材料的组成结构的致密化,均匀化,改善陶瓷材料的性能,提高其使用可靠性,可以从纳米材料的结构层次上控制材料的成分和结构,有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能,


另外,由于陶瓷材料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能,如果粉料的颗粒堆积均匀,烧成收缩一直且晶粒均匀长大,那么颗粒越小,产生的缺陷越小,所制备的材料的强度就相应得越高,这就可能出现一些大颗粒材料不具备的独特性能。


4、化妆品工业

为了避免过量的紫外线照射对人体皮肤的伤害,人们开发出多种防晒护肤品。早期的防晒护肤品中多使用水杨酸、对氨基苯甲酸、肉桂酸、二苯甲酮等有机抗紫外剂。有机抗紫外剂的优点是防晒效率高,但有防晒效果不持久和刺激皮肤的缺点。


近年来又开发出纳米氧化锌、钛白粉、高岭土、滑石粉等无机抗紫外剂。纳米氧化锌吸收紫外线的能力强,对UVA和UVB均有良好的屏蔽作用。


作为无机抗紫外剂,纳米氧化锌无毒、无味,对皮肤无刺激、不分解、不变质、热稳定性好,其安全性经过美国食品医药管理局的认可,可作为防晒剂、化妆粉底和口红等的原料。


5、催化剂行业

纳米氧化锌由于尺寸小,比表面积大,表面的键态与颗粒内部的不同,加大了反应接触面,提高了催化效率,是化工生产企业制备化学催化剂和脱硫剂的首选材料;与普通氧化锌相比,纳米氧化锌具有更大的比表面积,处于表面的原子数量增加,因而暴露的催化活性中心更多,由此制成的催化剂活性更高。


纳米氧化锌用作脱硫剂是石油精制、合成氨、甲醇、有机合成和化学纤维等工业原料气(油)的净化剂,此外还可以用作型煤、炼焦和烟气的脱硫过程。


纳米氧化锌用于SO2气体的脱除也有较好的效果。纳米氧化锌脱硫剂具有使用温度宽、净化度高、寿命长B硫容量高C 等特点,脱硫反应后,气体中硫化氢含量可达到23%以下。


6、其他领域

随着人们对纳米氧化锌性能认识的深化,纳米氧化锌的应用范围在不断地扩大,例如,在传统的涂层技术中添加使用纳米氧化锌可进一步提高涂料的防护能力,使之具有防紫外线照射,耐大气侵害和抗降解,变色等功能;


将纳米氧化锌以一定比例添加到丙酸涂料中,可制的具有优良抗菌性的纳米抗菌涂料。纳米氧化锌对外界环境(如温度,光,湿气等)十分敏感,外界环境的微小改变会迅速引起其表面离子态和电子运动的变化,从而立即导致其电阻的显著变化。利用纳米氧化锌这种敏感性质制出了高敏感度的气体报警器和湿度计。


小结:纳米氧化锌已成为面向21世纪的新型高功能精细无机粉体产品,目前国内外研究人员已发展了多种方法,制备出各个形态的纳米氧化锌产品,有关纳米氧化锌的研究已取得了巨大进展,但在制备方法上仍存在成本高,工艺复杂,工业化难度大等缺点。


另外纳米氧化锌的结构和应用性能的研究还不深入,因此后续研究重点开发简单高效,易于工业化生产的方法 ;深入研究材料结构对其光,电,磁,声等性能的影响;并加强材料应用技术研究,以期在高能太阳能电池,光致发电器,气体传感器和生物传感器等终端产品中充分发挥材料的纳米尺寸效应。随着纳米氧化锌的生产工艺的改进,纳米氧化物的行业应用将会进入一个高速发展的阶段。


(粉体圈 作者:终吉)






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