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納米氧化鋅的制備方法納米氧化鋅的制備方法
前言：納米氧化鋅是一種面向21世紀(jì)的新型高功能精細無機產(chǎn)品，其粒徑介于1~100納米，又稱為超微細氧化鋅。由于顆粒尺寸的細微化，比表面積急劇增加，使得納米氧化鋅產(chǎn)生了其本體塊狀材料所不具備的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等。因而，納米氧化鋅在磁、光、電、化學(xué)、物理學(xué)、敏感性等方面具有一般氧化鋅產(chǎn)品無法比擬的特殊性能和新用途，在橡膠、涂料、油墨、顏填料、催化劑、高檔化妝品以及醫(yī)藥等領(lǐng)域展示出廣闊的應(yīng)用前景。 納米氧化鋅的制備技術(shù) 制備納米氧化鋅的方法主要是物理法和化學(xué)法。其中,化學(xué)法是常用的方法。 Ⅰ、物理法 物理法包括機械粉碎法和深度塑性變形法。機械粉碎法是采用特殊的機械粉碎、電火花爆炸等技術(shù) ,將普通級別的氧化鋅粉碎至超細。其中張偉等人利用立式振動磨制備納米粉體 ,得到了α-Al2O3 ，ZnO、MgSiO3等超微粉 ,最細粒度達到 0. 1μm此法雖然工藝簡單 ,但卻具有能耗大,產(chǎn)品純度低 ,粒度分布不均勻 ,研磨介質(zhì)的尺寸和進料的細度影響粉碎效能等缺點。最大的不足是該法得不到1—100nm 的粉體 ,因此工業(yè)上并不常用此法;而深度塑性變形法是使原材料在凈靜壓作用下發(fā)生嚴(yán)重塑性形變 ,使材料的尺寸細化到納米量級。這種獨特的方法最初是由 Islamgaliev 等人于 1994 年初發(fā)展起來的。該法制得的氧化鋅粉體純度高，粒度可控,但對生產(chǎn)設(shè)備的要求卻很高。總的說來 ,物理法制備納米氧化鋅存在著耗能大 ,產(chǎn)品粒度不均勻,甚至達不到納米級,產(chǎn)品純度不高等缺點,工業(yè)上不常采用,發(fā)展前景也不大。 Ⅱ、化學(xué)法 化學(xué)法具有成本低 ,設(shè)備簡單 ,易放大進行工業(yè)化生產(chǎn)等特點。主要分為溶膠-凝膠法、醇鹽水解法、直接沉淀法、均勻沉淀法等。 ⑴固相法 ①碳酸鋅法 利用硫酸鋅制得前驅(qū)物碳酸鋅，在200℃烘1h，得納米氧化鋅初產(chǎn)品:經(jīng)去離子水、無水乙醇洗滌，過濾，干燥可得納米氧化鋅產(chǎn)品。 ②氫氧化鋅法 利用硝酸鋅制得前驅(qū)氫氧化鋅，在600℃保持2h，高溫?zé)岱纸獾眉{米氧化鋅。 ⑵液相法 溶膠-凝膠法 溶膠-凝膠法制備納米粉體的工作開始于 20 世紀(jì)60年代。近年來,用此法制備納米微粒、納米薄膜、納米復(fù)合材料等的報道很多。它是以金屬醇鹽Zn(OR)2為原料 ,在有機介質(zhì)中對其進行水解、縮聚反應(yīng) ,使溶液經(jīng)溶膠化得到凝膠 ,凝膠再經(jīng)干燥、煅燒成粉體的方法 。此法生產(chǎn)的產(chǎn)品粒度小、純度高、反應(yīng)溫度低(可以比傳統(tǒng)方法低 400 —500 ℃) ,過程易控制;顆粒分布均勻、團聚少、介電性能較好。但成本昂貴 ,排放物對環(huán)境有污染 ,有待改善。 醋酸鋅，檸檬酸三銨，無水乙醇，保護膠，乳化劑，蒸餾水。 以醋酸鋅為原料，檸檬酸三銨為改性劑，配置一定濃度的醋酸鋅溶液，攪拌均勻后，置于恒溫水槽中，在攪拌加熱的條件下，均勻的加入無水乙醇，2h后醋酸鋅完全溶解，生成氫氧化鋅沉淀。 水解反應(yīng): Zn(OR)2 + 2H2O →Zn(OH)2 +2ROH 縮聚反應(yīng):Zn(OH)2 →ZnO + H2 O 然后加入適量的膠溶劑氨水，氫氧化鋅沉淀消失，從而形成氫氧化鋅溶膠，靜止后變?yōu)闅溲趸\濕凝膠，將干燥后的氫氧化鋅干凝膠置于馬弗爐中煅燒之后，得到白色的納米氧化鋅粉末。 醇鹽水解法 醇鹽水解法是利用金屬醇鹽在水中快速水解,形成氫氧化物沉淀 ,沉淀再經(jīng)水洗、干燥、煅燒而得到納米粉體的方法 。該法突出的優(yōu)點是反應(yīng)條件溫和,操作簡單。缺點是反應(yīng)中易形成不均勻成核 ,且原料成本高。例如以 Zn(OC2 H5 )2 為原料 ,發(fā)生以下反應(yīng): Zn(OC2 H5 )2 +2H2 O →Zn(OH)2 +2C2 H5 OH Zn(OH)2 →ZnO + H2 O 直接沉淀法 直接沉淀法是制備納米氧化鋅廣泛采用的一種方法。其原理是在包含一種或多種離子的可溶性鹽溶液中加人沉淀劑,在一定條件下生成沉淀并使其沉淀從溶液中析出,再將陰離子除去 ,沉淀經(jīng)熱分解最終制得納米氧化鋅。其中選用不同的沉淀劑,可得到不同的沉淀產(chǎn)物。就資料報道看 ,常見的沉淀劑為氨水 、碳酸氫銨、尿素等。 以 NH3 ·H2 O作沉淀劑 : Zn2+ +2NH3 ·H2 O →Zn(OH)2 +2NH4 Zn(OH)2 →ZnO + H2 O 以碳酸氫銨作沉淀劑: 2Zn2+ + 2NH4 HCO3 →Zn2 (OH)2 CO3 +2NH4+ Zn2 (OH)2 CO3 →2ZnO + CO2 + H2 O 以尿素作沉淀劑: CO(NH2 )2 +2H2 O →CO2 +2NH3 ·H2 O 3Zn2+ + CO32 - +4OH- + H2 O →ZnCO3 ·2Zn(OH)2H2 O ZnCO3 ·2Zn(OH)2 H2 O →ZnO + CO2 + H2 O 直接沉淀法操作簡單易行 ,對設(shè)備技術(shù)要求不高 ,產(chǎn)物純度高 ,不易引人其它雜質(zhì) ,成本較低。但是 ,此方法的缺點是洗滌沉淀中的陰離子較困難 ,且生成的產(chǎn)品粒子粒徑分布較寬。因此工業(yè)上不常用。 均勻沉淀法 均勻沉淀法是利用某一化學(xué)反應(yīng)使溶液中的構(gòu)晶微粒從溶液中緩慢地、均勻地釋放出來。所加入的沉淀劑并不直接與被沉淀組分發(fā)生反應(yīng) ,而是通過化學(xué)反應(yīng)使其在整個溶液中均勻緩慢地析出。常用的均勻沉淀劑有尿素(CO(NH2 )2 )和六亞甲基四胺(C6 H12 N3 ) 。所得粉末粒徑一般為8—60nm。其中衛(wèi)志賢等人以尿素和硝酸鋅為原料制備氧化鋅。他們得出的結(jié)論是:溫度是影響產(chǎn)品粒徑的最敏感因素。溫度低,尿素水解慢,溶液中氫氧化鋅的過飽和比低,粒徑大;溫度過高,尿素產(chǎn)生縮合反應(yīng)生成縮二脲等,氫氧化鋅過飽和比低,溶液粘稠,不易干燥 ,最終產(chǎn)品顆粒較大。另外 ,反應(yīng)物的濃度及尿素與硝酸鋅的配比也影響溶液中氫氧化鋅的過飽和比。濃度越高 ,在相同的溫度下 ,氫氧化鋅的過飽和比越大。但是過高的濃度和尿素與硝酸鋅的比值 ,使產(chǎn)品的洗滌、干燥變得困難 ,反應(yīng)時間過長,也將造成后期溶液過飽和比降低 ,粒徑變大。因此他們得到的最佳工藝條件為:反應(yīng)溫度< 130 ℃、反應(yīng)時間150min、尿素與硝酸鋅的配比2.5 —4.0∶1(摩爾比) 。由此可看出,均勻沉淀法得到的微粒粒徑分布較窄 ,分散性好 ,工業(yè)化前景佳 ,是制備納米氧化鋅的理想方法。 水熱法 水熱法最初是用來研究地球礦物成因的一種手段,它是通過高壓釜中適合水熱條件下的化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)從原子、分子級的微粒構(gòu)筑和晶體生長。該法是將雙水醋酸鋅溶解在二乙烯乙二醇中 ,加熱并不斷攪拌以此得到氧化鋅 ,再經(jīng)過在室溫下冷卻 ,用離心機將水分離最終得到氧化鋅粉末。此法制備的粉體晶粒發(fā)育完整,粒徑小且分布均勻,團聚程度小,在燒結(jié)過程中活性高。但缺點是設(shè)備要求耐高壓,能量消耗也很大,因此不利于工業(yè)化生產(chǎn)。
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