納米氧化鋅的制備研究

摘 要：納米材料是近年來受到關(guān)注的一個新的研究領(lǐng)域。納米氧化鋅具有常規(guī)塊體材料所不具備的光、磁、熱、敏感等特性，是一種用途十分廣泛的功能材料，主要應(yīng)用于化妝品、橡膠活性劑、催化劑和光催化劑、塑料及涂料工業(yè)、陶瓷工業(yè)等領(lǐng)域。文章研究了納米氧化鋅的制備方法。

關(guān)鍵詞：納米氧化鋅；制備；研究

前言

在林林總總的材料家庭成員中，納米復(fù)合材料已是其中一位新成員。傳統(tǒng)材料缺乏系統(tǒng)的理論支撐，納米復(fù)合材料也需要新理論來加以完善及補充。納米復(fù)合材料在這些新理論、新機理基礎(chǔ)上將發(fā)展得更完善，并向多元化及功能化方向發(fā)展。納米ZnO是一種具有特異性能且用途廣泛的特殊材料，因此材質(zhì)原因決定其超細(xì)的外型。世界各國都加大財務(wù)物力加以開發(fā)研制，這也是我國“863計劃”中的一個重點課題。用它可以生產(chǎn)各種用于特殊環(huán)境的材料，如抗菌包裝材料和抗菌塑料復(fù)合母料，可獲得可觀的經(jīng)濟效益。從納米ZnO的用途及性能，人們看到了其廣闊的經(jīng)濟利潤及市場。我國廣闊的土地上富含Zn資源，這對納米ZnO的開發(fā)利用有很利。納米ZnO粒子表面極性較高，表面沒經(jīng)過處理的納米ZnO的表面能比處理過的高出很多且很容易團聚，但與聚合物幾乎不相容，因此，實現(xiàn)納米ZnO粒子的超細(xì)微分散是得到性能優(yōu)異的納米復(fù)合材料的關(guān)鍵。表面處理即表面修飾，如此可以降低納米材料的表面極性，提高納米粒子在有機介質(zhì)中的分散能力和親和力，擴大納米材料的應(yīng)用范圍。目前，利用化學(xué)方式在納米表面添加適當(dāng)覆蓋層材料、改變納米表面形貌使其表面鈍化是納米ZnO表面修飾的主要方法。

1 制備方法

1.1 反應(yīng)機理

以七水合硫酸鋅為鋅源，以尿素為均相沉淀劑，采用均相沉淀法在微波輻射條件下制備納米ZnO，反應(yīng)機理為：

90℃時尿素發(fā)生分解：

CO（NH2）2+3H2O→2NH4OH

3Zn2++4OH-+H2O→ZnCO3·2Zn（OH）2·H2O

450℃焙燒時：

ZnCO3·2Zn（OH）2·H2O→3ZnO+CO2+2H2O

1.2 測試儀器、試劑及裝置

微波爐（格蘭仕）；磁力真空泵（上海西山泵業(yè)有限公司）；液體流量計（蘇州流量計廠）；876-1型真空干燥器（上海浦東躍欣科學(xué)儀器廠）；721分光光度計（上海第三分析儀器廠）；循環(huán)水式多用真空泵（鄭州市華科儀器廠）。

用日本日立公司的S-570 掃描電子顯微鏡和H-600 透射電子顯微鏡分析納米顆粒的形態(tài)和尺寸；用美國Nicolet 公司的FT-IR Avatar 360 紅外光譜儀分析納米顆粒的化學(xué)組成；用美國Perkin-Elmer 公司的DeltaSeries 7 熱分析系統(tǒng)分析中間產(chǎn)物。ZnSO4·7H2O，AR（上海金山區(qū)興塔美興化工廠）；尿素，AR（中國醫(yī)藥集團上海化學(xué)試劑公司）。

1.3 制備過程

實驗過程分四個步驟：（1）準(zhǔn)備好一定量的蒸餾水，將事先稱取好的適量硫酸鋅、尿素分別加入蒸餾水中，將以上蒸餾水倒入三頸燒瓶中使之充分混合后放入微波反應(yīng)器中；（2）接溫度計和冷凝管，不斷攪拌三頸燒瓶中的混合物，使之升溫，在升溫過程中尿素逐漸分析，溶液變渾濁，隨之出現(xiàn)大量白色深沉，在一定的微波輻射下，反應(yīng)一定時間后停止。（3）將三頸燒瓶放入冷水中冷卻至室溫后過濾，用pH=9的氨水和無水乙醇分別潤洗、抽濾，再經(jīng)真空干燥24h。（4）將粉末取出、研磨，放入馬弗爐，在450℃下灼燒兩小時，研磨后可得納米ZnO。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉體的SEM分析

硫酸鋅濃度0.15 mol/L[1]，溫度93℃，時間2h[1]，在不同硫酸鋅與尿素摩爾比下制備納米ZnO[2]。可見粒子形態(tài)是長條形并且隨著摩爾比的增加其長度明顯增加。

圖1（b）中的顆粒寬為30～40 nm，圖1（c）中的顆粒寬為50 nm，而圖1（a）中納米顆粒粒徑為30 nm左右，這是由微波的非熱效應(yīng)決定的。在微波爐內(nèi)存在著一個交變電磁場，在電場力作用下，CO32-會沿著電場方向排列，使晶粒優(yōu)先沿電場方向生長，可得到形狀規(guī)則的長條形納米ZnO，且隨著尿素濃度的增加，長度也明顯增加。在此反應(yīng)中，過量的CO32-還會一定程度地阻止納米ZnO 顆粒間的凝并現(xiàn)象，使細(xì)長的晶粒得以保存下來。

2.2 樣品的IR分析

納米ZnO的IR分析見圖2。由圖可知，3513.46cm-1處的吸收峰為氫鍵的O-H 伸縮振動吸收帶；1523.18cm-1處為自由水的H-O-H彎曲振動峰，表明納米ZnO容易吸水；216.77cm-1處為ZnO的特征吸收峰；1415.14cm-1處的吸收峰可能是少量的碳酸鋅。

圖2納米ZnO的IR譜圖

3 結(jié)束語

納米ZnO具有較高的表面極性，部分保留原始狀態(tài)，未經(jīng)修改的納米ZnO的表面能高，非常容易團聚，幾乎不與其他聚合物相容，由此可知，實現(xiàn)納米ZnO粒子的超細(xì)微分散是生產(chǎn)出性能優(yōu)異的納米復(fù)合材料的關(guān)鍵。

參考文獻

[1]張興法.磷石膏綜合利用產(chǎn)出的氯化鈣深加工研究[J].非金屬礦，2004，27（6）：6-7.

[2]張興法，劉守強，陳敏.用磷石膏制備硫酸銨和氯化鈣的研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，5（1）：67-71.

作者簡介：張葉柱（1968.11-），男，漢族，江蘇淮安人，專科，工程師，主要從事企業(yè)的化學(xué)工程與工藝方面的技術(shù)開發(fā)工作。