纳米氧化锌的制备和表面处理

论文摘要

纳米ZnO是一种新型无机功能材料,广泛应用于随角异色汽车面漆、防晒化妆品、涂料、光催化等领域。纳米ZnO的应用领域和使用效果与其微结构、表面性质和团聚状态有关。本文研究了不同粒径和形貌的纳米ZnO合成方法和过程机理。对纳米ZnO进行了无机和有机表面处理以提高其光稳定性和分散性。主要研究内容和成果概括如下:1在较温和的条件合成了纳米ZnO,研究了加料方式、反应温度、煅烧温度、反应物浓度等对纳米ZnO粒径的影响,并讨论了纳米ZnO的晶粒生长动力学。结果表明,加料方式Ⅰ得到的前驱体为Zn4（OH）6CO3,加料方式Ⅱ得到的前驱体为Zn4（OH）6CO3和Zn5（OH）6（CO3）2的混合物。加料方式Ⅰ得到的六方晶系的纳米氧化锌晶粒尺寸小,且分散性好。得出最佳制备工艺:反应物浓度为1mol·L-1,反应温度为60℃,煅烧温度为500℃。2水热法合成了不同形貌的ZnO,并探讨了反应机理。结果表明,ZnO的微结构与水热条件有关。实验中发现乙二醇的存在会改变ZnO粉体的形貌。当去离子水为溶剂时,ZnO前驱体在水热条件下不分解;当溶剂为乙二醇时,水热条件下得到的ZnO为球形;当V（glycol）:V（water）=1:1时,氧化锌前驱体分解不完全;当V（glycol）:V（water）≥3:1时,ZnO粉体的形貌为棒状。3在超声场中,通过硅酸钠水解生成的无定型氧化硅对纳米ZnO进行表面包覆。利用红外光谱、X射线衍射和高分辨电子透射电镜对所得样品进行了表征,并对纳米ZnO的光稳定性进行了评价。红外光谱表明,氧化硅以化学键合的方式沉积在纳米ZnO的表面,在包覆层和纳米ZnO颗粒之间的界面上形成了Zn-O-Si键。HRTEM照片和光稳定性实验显示,超声场和适当的热处理有助于提高包覆层的均匀性和致密性。SiO2的表面包覆提高了纳米ZnO的紫外线屏蔽能力。随着氧化硅含量的增加,纳米ZnO的光稳定性逐渐提高;当m（SiO2）:m（ZnO）=1:5时,纳米ZnO的光稳定性和热稳定性基本不变,而且在热处理过程中纳米ZnO的晶粒生长得到有效抑制。4在水中利用硅烷偶联剂（LM-N308）对纳米ZnO进行了有机表面改性。采用FT-IR、TG-DTA、HRTEM对表面改性前后的纳米ZnO进行了研究。红外光谱和HRTEM表明,LM-N308存在于纳米ZnO的表面并形成了有机包覆层。润湿性实验和分散性实验表明,经LM-N308表面改性后的纳米ZnO粉体的表面性质由亲水性变为亲油性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 纳米氧化锌的制备方法
• 1.1.1 固相法
• 1.1.2 气相法
• 1.1.3 液相法
• 1.2 纳米氧化锌的表面处理
• 1.2.1 纳米氧化锌的无机表面处理
• 1.2.2 纳米氧化锌的有机表面处理
• 1.3 纳米氧化锌的用途
• 1.3.1 橡胶工业
• 1.3.2 陶瓷行业
• 1.3.3 日用化工
• 1.3.4 涂料
• 1.3.5 催化剂和光催化剂
• 1.3.6 磁性材料
• 1.3.7 隐身技术——雷达波吸收材料
• 1.3.8 导电氧化锌材料
• 2 纳米氧化锌的制备和晶粒生长动力学
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 试剂
• 2.1.2 仪器与分析表征
• 2.1.3 实验方法
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 加料方式的影响
• 2.2.2 煅烧温度的影响
• 2.2.3 反应物浓度的影响
• 2.2.4 反应温度的影响
• 2.3 结论
• 3 不同形貌 ZnO 的水热合成及机理
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 试剂
• 3.1.2 仪器与分析表征
• 3.1.3 实验过程
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 乙二醇浓度对ZnO 形貌的影响
• 3.2.2 水热反应温度对ZnO 形貌的影响
• 3.2.3 水热反应时间对ZnO 形貌的影响
• 3.2.4 水热反应机理
• 3.3 结论
• 4 超声场中纳米氧化锌表面包覆氧化硅的研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验试剂
• 4.1.2 实验仪器与表征
• 4.1.3 实验方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 氧化硅在纳米ZnO 表面的存在状态
• 4.2.2 氧化硅对纳米ZnO 热稳定性的影响
• 4.3 结论
• 5 硅烷偶联剂对纳米氧化锌有机表面改性的研究
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 实验试剂
• 5.1.2 实验仪器与表征
• 5.1.3 实验方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 热分析
• 5.2.2 红外光谱分析
• 5.2.3 TEM 和HRTEM 分析
• 5.2.4 润湿性试验
• 5.2.5 分散性实验
• 5.3 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢