纳米氧化锌粉的表面改性研究

文章编号:1000-9930(2002)04-0031-04

纳米氧化锌粉的表面改性研究

葛岭梅,　贾鹏涛,　薛韩玲,　许满贵

(西安科技学院材料系,陕西西安710054)

摘要:以Zn (N O 3)2·6H 2O 和CO (NH 2)2为原料,采用均相沉淀法制备纳米氧化锌粉.用扫描电镜对产物粒度大小、形貌进行观察,并对其影响因素进行了探讨.结果表明,在反应温度为120℃,反应时间为2.5h 时,所制的纳米氧化锌的产率最大.用不同的表面改性剂对纳米Z nO 进行表面改性,粉体不再发生团聚.图6,表7,参5.关　键　词:均相沉淀法;纳米氧化锌;改性;团聚;过饱和中图分类号:T B 383 文献标识码:A

近年来,在纳米材料的研究中,纳米氧化锌的研究

极为活跃,它所具有的许多突出性质,使它广泛的应用于化纤、橡胶、塑料、涂料、化妆品等行业中.一般沉淀过程是不平衡的,有局部浓度过大问题.利用均相沉淀法可以解决此问题.它是利用某一化学反应中溶液的构晶离子由溶液中缓慢地、均匀地释放出来.此时,加入沉淀剂与被沉淀组份通过化学反应使沉淀在整个溶液中缓慢的生成.由此生成的沉淀分布均匀,浓度低,用此方法可制得多种盐的均匀沉淀[1],最终可得到纳米粒子.但由于纳米粒子粒径小,比表面积和表面能极大,极易团聚,而不能发挥粒径小的特性,故需改性,而且由于材料间相容性问题,如果不进行表面改性,也很难把它加到其它材料中去,因此,作者对纳米氧化锌进行相应改性研究.

1　实验部分

1.1　试剂与仪器

尿素:H 2NCONH 2,分析纯,西安化学试剂厂;硝酸锌:Zn (NO 3)2·6H 2O ,分析纯,成都金山化工试剂厂;

硅烷偶联剂KH845-4,南京曙光化工总厂;

钛酸酯偶联剂NDZ -201,南京曙光化工总厂;钛酸酯偶联剂NDZ -311,南京曙光化工总厂;丙酮:分析纯,CH 3COCH 3,上海化学试剂厂;101-2型干燥箱,北京化玻联仪医疗器械有限公司;

SX -4-10型箱式电阻炉,黄骅市渤海电器厂;

SHB -B9型循环水式多用真空泵,郑州长城科工贸有限公司;

A66025型超声清洗机,无锡市电器设备厂.1.2　实验方法

1.2.1　纳米氧化锌的制备及其工艺路线

选取硝酸锌和尿素为原料,通过均相沉淀法,制备纳米ZnO 微粒.分别取反应时间,反应温度,焙烧时间和焙烧温度等因素进行正交实验和极差分析.4因素3水平表如表1.

表1　纳米氧化锌制备实验因素水平表T ab .1　Facto r and level table of preparation

of nano -ZnO pow ders

水平反应时间/h 反应温度/℃焙烧时间/h 焙烧温度/℃11.51002.035022.01102.54003

2.5

120

3.0

450

工艺路线框图如图1所示

.

收稿日期:2001-10-19 作者简介:葛岭梅(1938-),女,西安市人,西安科技学院教授,博士生导师,主要从事纳米材料方面的研究.

第17卷第4期2002年　12月

湘潭矿业学院学报

J .XIANGTAN M IN .INS T .Vol .17No .4

Dec .　2002

1.2.2　纳米氧化锌的改性

将新制得的纳米ZnO 微粒通过湿法改性,然后放在干燥箱中,在一定温度下挥发溶剂,使偶联剂完全反应或包覆纳米ZnO 粒子表面.本实验选用3种偶联剂进行实验,分别为NDZ -201、NDZ -311和KH845-4.

技术路线如图2所示

.

1.2.3　活化指数测定[2]

无机填料或颜料粉体一般相对密度较大,而且表面成极性状态,在水中自然沉降.而有机表面改性剂是非水溶性的表面活性剂.经表面改性处理后的无机粉体(颜料或填料),表面由极性变为非极性,呈现出较强

的疏水性.这种疏水性的细小颗粒,在水中由于巨大的表面张力,使其犹如油膜一样漂浮不沉.根据这一现象,可反映出微粒改性的效果,并提出“活化指数的概念”,用H 表示,其含义用下式表示:

活化指数(H )=样品中漂浮部分的重量(g )

样品总重量(g ).具体方法:选用直径为7cm 的漏斗为容器,向其中到入蒸馏水.称取制备的纳米ZnO 粉撒在液面上,并用玻璃棒搅拌一定时间.取出上层悬浮活性ZnO ,放入烘箱.最后进行称重,依据公式进行活化指数计算.

2　结果分析与讨论

2.1　正交实验设计

实验结果见表2.

表2　L 9(34)正交实验结果表

T ab .2　L 9(34)table of results of orthogonal ex periment

序号反应时间/h 反应温度

/℃焙烧时间

/h 焙烧温度

/℃产率

/%1

1.01.01.01.065.121.0

2.02.02.060.531.0

3.03.03.066.742.01.02.03.067.452.02.03.01.070.362.03.01.02.07

4.273.01.03.02.07

5.183.02.01.03.078.393.03.02.01.085.5Ⅰ192.3207.6217.6220.9Ⅱ211.9209.1213.4209.8Ⅲ238.922

6.4212.1212.4

T =643.1

2.2　反应温度和反应时间对氧化锌产率的影响

通过正交实验和极差分析,可知:

反应时间和反应温度对氧化锌产率影响较大.图3和图4分别表示了反应温度对产率的影响和反应时间对产率的影响.由于反应温度过高会发生异构化,所以反应温度不应高于130℃;反应温度过低,则尿素水解速度太小,不能在溶液中形成较高的过饱和度,故确定最佳反应温度为120℃,选取2.5h 为最佳反应时间.

此外,为了得到高纯度的纳米ZnO 粉体,必须对坯体进行焙烧.焙烧温度和时间会影响产品氧化锌粒径及其质量,焙烧温度与时间太低、太短,则由于焙烧

不完全,产品纯度不够;但焙烧温度越高,焙烧时间越长,则得到粒径越大[3].根据有关资料本实验选焙烧温度为450℃,焙烧时间为3.0h .2.3　粉体吸附离子对其颜色的影响

将未洗涤的反应产物放入马沸炉中进行焙烧.由于纳米ZnO 粒子表面吸附着溶液中大部分的NH +

4和

NO -3,当将滤饼放入马沸炉,几分钟后就会有氨气放

出,过不久就有刺激性气味的棕黄色气体放出,估计为

氮氧化物气体放出.最后得米粉色,且膨松的粉体.

由于焙烧时产物及吸附物发生分解,放出大量的气体,使粉体膨松,而团聚现象有所减轻.新生成的由于表面能高有很多活性点,就会吸附分解过程

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