納米級氧化鋅

　　(1)用途

　　納米氧化鋅屬于納米級金屬氧化物，加壓下熔點約1800℃，常壓下1720℃升華，呈針狀或球狀結(jié)構(gòu)，是一種新型高功能精細無機產(chǎn)品，納米級氧化鋅的應用主要分為微米級或亞微米級氧化鋅的替代市場和根據(jù)其納米特性開發(fā)的新興市場兩大類。下面介紹一些納米氧化鋅的主要用途。

　　1)抗菌添加劑

　　納米氧化鋅在陽光，尤其是在紫外線照射下，在水和空氣、氧氣中，能自行分解出自由移動的帶負電的電子(e)，同時留下帶正電的空穴(h+)。這種空穴可以激活氧和氫氧根，變?yōu)榛钚缘难鹾蜌溲醺?。這一過程傾向于如下光化學反應：

　　ZnO + 光子 + H2O + O2=ZnO + 2(OH)+ O

　　上述反應所生成的活性氧和氫氧根具有極強的化學活性，能與包括細菌中的有機物在內(nèi)的多種有機物發(fā)生氧化反應，將其分解成無害的無機物，從而把大多數(shù)細菌、病毒殺死。納米級氧化鋅定量殺菌試驗表明，在濃度為1%的氧化鋅懸浮液中，5min內(nèi)金黃色葡萄球菌的殺菌率為98.86%，大腸桿菌的殺菌率為99.93%。而納米氧化鋅的祛味功能則應歸功于下面兩方面的功能。

　　①比表面積吸附 對所有的納米材料，其粒子應小于100nm，對氧化鋅而言，它的比表面積要大于12m2/g。目前市場納米氧化鋅的比表面積都在 40m2/g以上水平，因此，表面吸附積效應十分明顯;

　?、谥泻头磻?納米氧化鋅屬兩性化合物，對酸性物它呈堿性，反之，它又變成酸性物質(zhì)。而能揮發(fā)出各種臭味的物質(zhì)大都屬酸性物質(zhì)，一旦這種酸性物質(zhì)被吸附于氧化鋅粒子表面，便會有酸堿中和反應發(fā)生，將其轉(zhuǎn)化為鋅鹽，失去原有異味。因此，表面吸附和中和反應是納米氧化鋅祛味的主要機理。

　　針對這些特性，將納米氧化鋅添加到化妝品中，可以起到抗菌除臭的功能。在熔融紡織過程中添加納米氧化鋅和二氧化硅，可以生產(chǎn)出具有防臭、除菌功能的纖維。日本新興人化成、帝人、倉螺、鐘紡、東洋紡等公司都在生產(chǎn)這種纖維，用于制造醫(yī)用消臭敷料、繃帶、手術服、護士服、內(nèi)衣、尿布、睡衣、窗簾及衛(wèi)生間用品等。在陶瓷行業(yè)中使用納米氧化鋅，同微米級或亞微米級氧化鋅相比，不僅可以降低陶瓷制品的燒結(jié)溫度(約400～600℃)，使陶瓷制品光亮如鏡，而且給陶瓷制品賦予了抗菌除臭、分解有機物的自潔凈功能。因而納米氧化鋅在浴缸、地磚、墻磚、操作臺面等陶瓷制品領域也得到廣泛應用。

　　在石膏中摻入納米氧化鋅及金屬過氧化物粉末后，可制得色彩鮮艷、不易褪色的石膏產(chǎn)品，有著優(yōu)異的抗菌性能，適用于建筑、裝飾材料行業(yè)。

　　納米氧化鋅與氫氧化鈣、硝酸銀、磷酸鹽等其他物質(zhì)配合使用，也可制成抗菌涂料。

　　2)防曬劑

　　研究表明，納米氧化鋅吸收紫外線能力強，對UVA(長波320～400 nm)和UVB(中波280～320 nm)均有屏蔽作用。在傳統(tǒng)化妝品市場，UVB是用納米氧化鈦來防護，UVA的防護是使用有機物，但目前新的趨勢是用納米氧化鋅替代有機物。與有機防曬劑相比，不僅無毒、無味，對皮膚無刺激性，不分解不變質(zhì)，熱穩(wěn)定性好，而且本身為白色，只需簡單著色，價格也相對便宜，因而在防曬化妝品市場倍受青睞。

　　利用添加納米氧化鋅纖維制成的的帳蓬、日光傘、夏裝、阿拉伯長袍等，不僅能抗菌除臭，而且具有的抗紫外線功能，起到防止過度日曬、保健皮膚、減少皮膚癌發(fā)病率的作用。

　　將利用納米氧化鋅制造的涂料噴涂在玻璃表面，可以使這種玻璃具有屏蔽紫外線的功能。從而在汽車玻璃、幕墻玻璃制造領域也得到應用。

　　3) 壓電材料

　　自從1968年日本松下公司研制成功氧化鋅壓敏電阻以來，由于其造價低廉，制造方便，因而廣泛運用于各個領域。理論研究和實踐表明，氧化鋅晶粒尺寸決定了材料的擊穿場強。因而納米氧化鋅具有更好的非線性性能和電涌吸收能力，可以制備超高擊場強的材料。作為的壓敏電阻器在電子電路等系統(tǒng)中被廣泛地用來穩(wěn)定電壓，抑制電涌及消除電火花。此外，利用納米氧化鋅制成的無機壓電薄膜，可以制成極薄的微波超聲換能器與半導體材料集成化。

　　4) 催化劑

　　在催化研究領域，人們一直在尋找新的高效催化劑。由于納米材料對催化氧化、還原和裂解反應都具有很高的活性和選擇性，對光解水制氫和一些有機合成反應也有明顯的光催化活性。國際上已把納米材料催化劑稱為第四代催化劑。納米氧化鋅由于尺寸小、比表面積大，表面的鍵態(tài)與顆粒內(nèi)部的不同，表面原子配位不全等，導致表面的活性位置增多，形成了凸凹不平的原子臺階，加大了反應接觸面。納米氧化鋅的光催化功能已被廣泛用于纖維、化工、環(huán)保、建材等行業(yè)。

　　5) 橡膠添加劑

　　氧化鋅是制造高速耐磨橡膠制品的原料，如飛機輪胎、子午線輪胎等，起到抗老化、抗磨擦著火、延長制品壽命等作用。橡膠工業(yè)約消耗將近50%的氧化鋅產(chǎn)量，而且氧化鋅是橡膠工業(yè)不可缺少的添加劑，長期以來只有間接法氧化鋅才能滿足該領域需求。用納米氧化鋅代替普通和活性氧化鋅，不僅同樣可以作為橡膠產(chǎn)品的硫化活性劑、補強劑、白色橡膠的著色劑、氯丁膠的硫化劑和增強導熱性能的配合劑，而且其效果比間接法氧化鋅更強。

　?、?納米氧化鋅的氧化鋅含量只要>95%，而間接法氧化鋅必須在99%以上，才能應用于橡膠制品中。

　　② 納米氧化鋅的用量只是間接法氧化鋅的 60%～70%，從而降低了生產(chǎn)成本。表2-25為兩種氧化鋅在汽車輪胎中應用效果的對比表。

　?、?超細氧化鋅可使膠料的導熱性能和彈性明顯增加，耐磨性能變好，耐撕裂性能提高，當用在透明膠制品時，產(chǎn)品的透明度會明顯提高，可使白色橡膠制品的色相由使用普通氧化鋅時的泛紅相轉(zhuǎn)為泛藍相，使產(chǎn)品外觀大大改觀。

　　其他應用研究表明，納米氧化鋅在印刷膠輥的面膠膠料中作為活性劑、交聯(lián)劑代替普通氧化鋅和活性氧化鋅，結(jié)果其膠料的抗溶性比普通氧化鋅的高1個多百分點，在亞麻仁油中浸泡24h(室溫)，質(zhì)量變化率為0.3%(普通氧化鋅為1.6%)，該膠輥能滿足彩印及塑印要求。在邵氏硬度為85度的彩印橡塑并用膠輥膠料中，使用納米氧化鋅的膠輥的變形比使用普通氧化鋅者減少7個百分點，明顯改善和提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

　　6) 氣體傳感器 納米氧化鋅隨所處環(huán)境氣氛中氣體組分的變化，其電學性能也發(fā)生變化。利用這一特性可以用于對氣體的檢測和定量測定。已開發(fā)出新型氣體報警器和溫度計等產(chǎn)品。在制備瞬態(tài)薄膜傳感器過程中，納米氧化鋅易于噴涂，質(zhì)量易控制，便于極化與轉(zhuǎn)向，表現(xiàn)出理想的電特性和動態(tài)特性。

　　7) 熒光物質(zhì)與陶瓷電容器 在低壓電子射線下，納米氧化鋅可發(fā)出藍色和紅色的熒光，這是納米氧化鋅的獨特性能。

　　添加了納米氧化鋅等金屬氧化物的陶瓷微粉，可用作燒結(jié)制造電容器的材料，不僅可以大大降低燒結(jié)溫度，節(jié)約能源，而且制品表面微細平滑，具有高的介電常數(shù)。 8) 圖像記錄材料 納米氧化鋅根據(jù)制備條件不同，可獲得光導電性、半導體性和導電性等不同性質(zhì)。利用這種變異，可用作圖像記錄材料;還可利用其光導電性質(zhì)用于電子攝影;利用半導體性質(zhì)可作放電擊穿記錄紙;利用導電性作電熱記錄紙等。其優(yōu)點是無三廢公害，畫面質(zhì)量好，可高速記錄，能吸附色素進行彩色復印，酸蝕后有親水性可用于膠片印刷。

　　9) 吸波材料 吸波材料是指能有效吸收入射雷達電磁波，并使其散射衰減的一類功能材料。納米氧化鋅等金屬氧化物質(zhì)量輕，厚度薄，顏色淺，吸波能力強，是雷達波吸收材料研究的熱點之一。利用納米氧化鋅制成吸波材料，在國防上具有重大意義。如制造成涂料用于隱形飛機等，可以提高武器系統(tǒng)的生存和突防能力。

　　10) 導電材料 納米氧化鋅等氧化物顆粒具有半導體性質(zhì)。在室溫下，其導電性能比常規(guī)的氧化物高。同時，納米氧化鋅為白色粉末，這樣就可以開發(fā)出白色的靜電屏蔽涂料;或與其他類似性質(zhì)的納米氧化物，如綠色的三氧化二鉻、褐色的三氧化二鐵調(diào)色，克服傳統(tǒng)炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的缺陷。日本松下公司已成功研制出這一類型產(chǎn)品，應用于涂料、樹脂、橡膠、纖維、塑料和陶瓷中，從而使制品具有抗靜電等特殊性能。

　　(2)納米氧化鋅的制備方法 納米材料的制備在當前材料科學研究中占據(jù)極為重要的位置，新的制備工藝和過程的研究對納米材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能具有重要的影響。納米氧化鋅的制造過程必須解決一些關鍵技術問題，主要有： 尺寸、形貌和分布的控制; 團聚體的控制與分散; 表面的形態(tài)、缺陷、粗糙度、成分的控制，包括表面修飾和包裹; 化學組分和微觀結(jié)構(gòu)的均勻性控制; 純度的控制; 工藝穩(wěn)定性、質(zhì)量可重復性的控制; 納米材料的穩(wěn)定性及保存、運輸技術; 環(huán)境保護。 目前，試驗室試驗制備納米氧化鋅的方法主要分化學法和物理法兩大類方法，如表2-27所示。 隨著納米材料科學技術的進一步發(fā)展，新的制備合成工藝被不斷地提出并得到利用。德國拜爾公司(Bayer Co., Ltd.)首先向市場提供納米氧化鋅產(chǎn)品，之后又出現(xiàn)比利時的產(chǎn)品，而目前的主要供貨廠家卻來自日本和美國。表2-26列出部分國外有關廠家的產(chǎn)品技術指標。 年產(chǎn)3000噸納米級超細活性氧化鋅的生產(chǎn)線于1998年12月底在陜西中科(旬陽)精細化工有限公司投產(chǎn)。 目前國內(nèi)已經(jīng)工業(yè)化應用的納米氧化鋅生產(chǎn)方法，主要有均勻沉淀法和熱解-氣化-冷凝法。