超聲波對制備超細氧化鋅的影響

崔云麗，李國庭，楊 波

（河北科技大學化學與制藥工程學院，河北石家莊 050018）

超聲波對制備超細氧化鋅的影響

崔云麗，李國庭，楊 波

（河北科技大學化學與制藥工程學院，河北石家莊 050018）

采用直接沉淀法，在特定超聲頻率下制得超細氧化鋅產品。研究了3種沉淀劑通過超聲波后對制備超細氧化鋅產品的影響，經超聲制備的產品分散性好、粒度小。確定了最佳超聲時間為50 min，超聲強度為40%。通過SEM檢測可知，在最佳條件下制得的超細氧化鋅產品為類球形，晶粒內部有中空孔洞，其粒徑約為200nm。

超聲波；沉淀法；超細氧化鋅；制備

超細氧化鋅是一種新型的高功能精細無機半導體材料，由于它比普通氧化鋅的尺寸小，比表面積大，晶粒表面無序排列的原子比例大，且常存在各種缺陷結構，使得它具備了特殊性質，在磁、光、電、敏感性等方面具有一般氧化鋅產品無可比擬的特殊性能。因此，超細氧化鋅被廣泛應用于石油化工、橡膠、陶瓷、油漆、涂料、電子、紡織、醫藥、日化等行業。例如：添加超細氧化鋅的橡膠與添加普通氧化鋅的橡膠相比，其斷裂強度、抗撕強度和耐磨損性等指標都有增強［1－3］。隨著科技的迅速發展及合成新材料的迫切需要，氧化鋅粉體材料的制備正向著超細化的方向發展。

1 實驗部分

1.1 原料及儀器

氯化鋅、氫氧化鈉、氨水、碳酸氫銨均為分析純，天津市永大化學試劑廠提供。

DF－101S集熱式恒溫磁力攪拌器、恒流泵、SCIENTZ－2D超聲波細胞破碎機、真空干燥箱、馬弗爐等。

1.2 實驗原理

以氯化鋅為原料，選用氫氧化鈉、氨水、碳酸氫銨3種不同的沉淀劑，在超聲條件下制備超細氧化鋅產品。其主要反應式如下。

以氫氧化鈉作沉淀劑：

以氨水作沉淀劑：

以碳酸氫銨作沉淀劑：

1.3 實驗流程

首先將配置好的一定濃度的氯化鋅溶液倒入反應器中，然后用恒流泵將適量的沉淀劑以恒定流速加入反應器中，頂部采用超聲波細胞破碎機超聲，底部采用集熱式恒溫磁力攪拌器攪拌。反應結束后放置一定時間得到白色氫氧化鋅沉淀，取出沉淀過濾，并用去離子水多次洗滌，再用無水乙醇洗滌。取出濾餅放入真空干燥箱中干燥，得到氫氧化鋅白色粉末，最后在馬弗爐中焙燒制得產品氧化鋅［4］。其工藝流程示意圖見圖1。

圖1 制備超細氧化鋅工藝流程示意圖Fig.1 Flow chart of preparation of superfine zinc oxide

2 結果與討論

2.1 超聲波對氧化鋅合成的影響

本實驗以氯化鋅為原料，分別采用氫氧化鈉、氨水、碳酸氫銨3種沉淀劑進行反應［5］。通過大量實驗確定最佳工藝條件［6］如下：氯化鋅溶液濃度為0.8mol／L，沉淀劑質量分數（氨水體積分數）為20%，氯化鋅與沉淀劑的物質的量比為1∶2.2，溫度為55℃，反應時間為50min，煅燒溫度為800℃。同時在此制備過程中加入超聲外場，控制超聲時間為50min，超聲強度為40%，制備超細氧化鋅產品，與未超聲制備所得產品進行對比。所得超細氧化鋅產品經激光粒度儀分析結果見表1。

表1 超聲波對產品粒度的影響Tab.1 Influence of product size by ultrasonic

表1是在最佳工藝條件下，研究超聲波在不同沉淀劑作為原料時對產品粒度的影響。結果表明：所有沉淀劑超聲制備的產品粒度均比未超聲制備的產品粒度明顯減小，但以氨水為沉淀劑時，影響較為突出。所以，本實驗選取氯化鋅和氨水作為原料進行超聲時間和超聲強度對產品影響的研究。

2.2 超聲時間對氧化鋅產品粒度的影響

圖2 超聲時間對超細氧化鋅粒度的影響Fig.2 Influence of ultrasonic time on superfine particle size of zinc oxide

以氯化鋅和氨水為原料，采用2.1中的最佳工藝條件，并在制備過程中加入超聲外場，在不同超聲時間內，制得的氧化鋅產品粒度測試結果如圖2所示。

由圖2可知：氧化鋅的粒度隨超聲時間的延長先變小，繼而增大，整個超聲時間范圍內出現最小粒度點。超聲時間太短，晶核的分散不充分，生成的超細氧化鋅產品團聚減弱不明顯，粒度也較大［7］；如果超聲時間過長，在一定時間內的超聲連續作用，可使聲場區域產生溫升，致使顆粒粒度變大。經過比較得出最適宜的超聲時間為50min。

2.3 超聲強度對產品粒度的影響

以氯化鋅和氨水為原料，采用2.1中的最佳工藝條件，并在制備過程中加入超聲外場，在不同超聲強度下測定氧化鋅產品粒度，測試結果見圖3。

圖3是在超聲時間均為50min，改變超聲強度的條件下得到的結果。由圖3可知：在整個超聲強度變化范圍內，超聲強度為40%時得到的產品粒度最小；超聲強度太小，它的空化作用和機械攪拌作用不明顯，分散不充分，粒度減小較少；超聲強度太大，其能量轉變為熱能，更有利于產品顆粒成核及生長，產品粒度反而增大［8］。

2.4 在最佳超聲條件下的實驗結果

以0.8mol／L的氯化鋅溶液和20%（體積分數）的氨水為原料，反應配比取氯化鋅與氨水的物質的量比為1∶2.2，反應溫度為55℃，反應時間為50min，煅燒溫度為800℃，制備所得氧化鋅產品的SEM掃描圖見圖4a）。在同等條件下，在制備過程中加入超聲外場，控制超聲時間為50min，超聲強度為40%，所得氧化鋅產品SEM掃描圖見圖4b）。

由圖4可以看出：在超聲條件下制得的氧化鋅的晶形和粒度均有所改變；未經超聲的產品晶形為類球形，產品平均粒度約為300nm；而在超聲條件下制得的產品晶形為類球形，稍顯不規則，產品晶粒有中空孔洞，且產品粒度約為200nm，較未經超聲產品粒度減小約100nm；在超聲條件下制備的氧化鋅產品分散性較好，無團聚現象。

3 結 語

1）以氯化鋅為原料，選取不同沉淀劑制備超細氧化鋅，所得的產品粒度約為300nm；制備過程中加入超聲外場后，較相同條件下所得產品粒度明顯減小，特別是對以氯化鋅和氨水為原料制備氧化鋅的產品粒度影響較為突出。

2）以氯化鋅和氨水為原料，在超聲條件下，制備氧化鋅的最佳工藝條件如下：氯化鋅溶液濃度為0.8 mol／L，氨水的體積分數為20%，氯化鋅和氨水的物質的量比為1∶2.2，反應溫度為55℃，超聲時間為50 min，超聲強度為40%，煅燒溫度為800℃。在該條件下制備出的氧化鋅產品呈類球形，產品顆粒內部有中空孔洞，產品粒度約為200nm。

3）在制備超細氧化鋅過程中引入超聲波，不僅可以大幅度減小粒度，改善產品分散性，而且可以改變微粒結構。該方法將在超細及納米材料制備過程中有著更廣闊的應用前景。

［1］ 繆永建.超細氧化鋅制備過程中的超聲強化研究［D］.長沙：中南大學，2002.

［2］ 馬洪海，劉桂英，趙家聘，等.超細氧化鋅在9.00－2014PR輪胎中的應用［J］.輪胎工業（Tire Industry），2003，23（3）：152－156.

［3］ 王宇曉，任宇紅.超細氧化鋅的制備［J］.南昌大學學報（Journal of Nanchang University），1999，23（2）：136－139.

［4］ 馮 勛.超細氧化鋅的制備及氣敏性能研究［D］.鄭州：鄭州大學，2004.

［5］ WANG Y J，ZHANG C L，BI S W，et al.Preparation of ZnO nanoparticles using the direct precipitation method in a membrane dispersion micro－structured reactor［J］.Powder Technology，2010，202（1－3）：133－136.

［6］ ZHANG S C，LI X G.Preparation of ZnO particles by precipitation transformation method and its inherent formation mechanisms［J］.Colloids and Surfaces A，2003，226（1－3）：35－44.

［7］ 曹茂盛.超微顆粒的制備科學與技術［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1998.

［8］ 盧行芳.超聲波熱效應的應用研究［J］.浙江工貿職業技術學院學報（Journal of Zhejiang Industry ＆Trade Polytechnic），2008，8（4）：47－48.

［9］ 仇 燕，崔雪飛，李振俠.超聲波提取菜芙蓉花中葉黃素的研究［J］.河北科技大學學報（Journal of Hebei University of Science and Technology），2008，29（1）：11－14.

［10］ 閃俊杰，杜振雷，李 青，等.超聲波在化學工業中的應用［J］.河北工業科技（Hebei Journal of Industrial Science and Technology），2009，26（2）：

127－130.

Influence of ultrasonic on preparation of superfine zinc oxide

CUI Yun－li，LI Guo－ting，YANG Bo
（College of Chemical and Pharmaceutical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China）

Superfine zinc oxide particles were prepared by using direct precipitation method under a certain ultrasonic frequency.The changes of the products under ultrasonic with three different raw materials were studied.The optimum ultrasonic time is 50min and the optimum ultrasonic strength is 40%.The optimized superfine zinc oxide products are spherical like with hollow holes in the grain，and the particle diameter is about 200nm.

ultrasonic；precipitation；superfine zinc oxide；preparation

TQ132.4

A

1008－1542（2012）02－0142－04

2011－08－28；

2011－11－09；責任編輯：張士瑩

崔云麗（1984－），女，河南新鄉人，碩士研究生，主要從事無機新型粉體材料方面的研究。

李國庭教授。E－mail：ligt＠hebust.edu.cn