尺寸可控的超微氧化锌粉体的制备及表面功能化改性研究

摘要

本文采用改进的化学沉淀和熔盐辅助煅烧相结合的方法来调控合成超微ZnO粉体。以氨水作为沉淀剂，在纯水体系中，不添加任何表面活性剂，制得ZnO前驱物，然后采用熔盐辅助煅烧的方法，制备得到了纳米级和亚微米级ZnO超微粉体。讨论了氨水用量、氨水浓度、反应温度、反应时间、煅烧温度等因素对产物尺寸的影响。结果表明，当反应温度为60℃、氨水浓度为9％、氨水用量为35mL、保温时间为1.5h及煅烧温度为550℃时，得到的ZnO的粒径较小，约为62nm。TEM、XKD和PL测试都表明，与直接煅烧时相比，添加NaNO<,3>-KNO<,3>低共熔混合物煅烧得到的产物团聚降低、粒径减小，约为22nm。在前驱物制备时采用醇水混合溶液来替代单一水溶液作为反应介质，能有效控制粒径，并降低颗粒间的团聚；结合熔盐煅烧，制得了10nm左右的ZnO。讨论了反应原料的滴加方式、反应温度、煅烧方式、熔盐含量和醇水比例等因素对产物形貌的影响，结果表明，采用反向滴定法，60℃水浴温度下反应，并辅以熔盐煅烧得到的产物粒径较小。TEM和XRD测试表明，随着乙醇在醇水混合体系中含量的增加，得到的产物的粒径减小，分散性提高，平均晶粒尺寸由36.8nm减小到10.2nm。PL光谱分析结果表明，熔盐辅助煅烧时得到的纳米ZnO的结晶性能良好。文中还对水溶液及醇水溶液混合体系中ZnO形貌和粒度调控机理和熔盐煅烧的影响机制进行了初步探讨。 本文通过无机包覆制备了化妆品用亲水性纳米ZnO粉体。沉降性实验和光度法测定都表明，通过SiO<,2>改性的纳米ZnO水性悬浮液的稳定性提高，且当反应温度为60℃、改性时间为120min、pH为10、SiO<,2>包覆量为ZnO的9％(wt％)时，改性效果较好。光催化降解甲基橙的实验表明，改性后粉体的光催化活性明显降低。UV-Vis漫反射测试表明，SiO<,2>改性ZnO粉体具有更好的可见光透明性及紫外线遮蔽性。FTIR和TG-DSC测试证明改性后SiO<,2>通过Si-O-Zn键包覆到了ZnO表面。 本文进一步通过无机有机复合包覆制备了化妆品用亲油性纳米ZnO粉体。首先在ZnO表面进行SiO<,2>或Al<,2>O<,3>包覆，然后在改性后粉体表面进一步进行甲基硅油或脂肪酸改性，分别制得了ZnO/SiO<,2>/甲基硅油、ZnO/Al<,2>O<,3>/月桂酸、ZnO/Al<,2>O<,3>/硬脂酸。无机包覆能够降低纳米ZnO的光催化活性，有机包覆能够提高粉体的分散性和与有机基体的相容性。FTIR测试表明甲基硅油、月桂酸和硬脂酸通过类酯化反应成功地包覆到了无机粉体表面。本文还对纳米ZnO进行了KH570接枝改性研究。结果表明，当溶液pH值为6、60℃超声反应60min或者醇水溶液体系中80℃机械搅拌120min，得到的ZnO粉体的改性效果较好。利用TEM、TG-DSC、FTIR等手段表征了改性前后粉体的表面形貌和结构特性，结果表明KH570与纳米ZnO表面发生了化学键合作用，KH570成功地接枝到了粉体表面。改性后粉体的分散性明显提高、形貌更加均一、粒度大小基本不变。润湿性实验表明，改性后ZnO的表面性质发生了变化，纳米ZnO表面疏水性增强。电性测试表明，改性后粉体表面Zeta电位增加，粒子间排斥力增强。文中还对ZnO纳米粉体表面硅烷偶联剂的接枝改性机理进行了阐述。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章研究背景

1.1超微粉体研究概况

1.1.1超微粉体的制备方法

1.1.2超微粉体的团聚机理

1.1.3超微粉体制备过程中团聚的控制

1.1.4超微粉体的表面改性

1.2超微氧化锌研究概况

1.2.1氧化锌晶体的结构

1.2.2超微ZnO的基本性质和用途

1.2.3超微氧化锌的液相制备法

1.2.4超微氧化锌的表面功能化改性

1.2.5超微氧化锌表面改性的效果评定

1.3本课题的提出及主要研究内容

1.3.1课题的提出

1.3.2主要研究内容

第二章水溶液体系熔盐辅助煅烧制备ZnO研究

2.1实验部分

2.1.1实验试剂与仪器

2.1.2实验步骤

2.1.3样品表征

2.2结果与讨论

2.2.1煅烧方式对产物粒径的影响

2.2.2氨水用量对产物粒径的影响

2.2.3氨水浓度对产物粒径的影响

2.2.4反应温度对产物粒径的影响

2.2.5反应时间对产物粒径形貌的影响

2.2.6煅烧温度对产物粒径的影响

2.2.7 ZnO粉体的比表面积

2.2.8水溶液体系中形貌粒度调控机理初探

2.3本章小结

第三章醇水溶液体系熔盐辅助煅烧制备ZnO研究

3.1实验部分

3.1.1实验试剂与仪器

3.1.2实验过程

3.1.3样品表征

3.2结果与讨论

3.2.1反应温度和煅烧方式对产物的影响

3.2.2滴加方式对产物的影响

3.2.3熔盐含量和醇水比例对产物的影响

3.2.4醇水混合体系中形貌粒度调控机理研究

3.3本章小结

第四章化妆品用纳米氧化锌的表面功能化改性

4.1实验部分

4.1.1实验试剂与仪器

4.1.2实验流程

4.1.3样品表征

4.1.4光催化活性的测定

4.2结果讨论与机理探讨

4.2.1无机包覆改性

4.2.2无机有机复合包覆改性

4.3本章小结

第五章纳米氧化锌的硅烷偶联剂改性

5.1实验部分

5.1.1实验试剂与仪器

5.1.2实验过程

5.1.3样品表征

5.2结果与讨论

5.2.1溶液pH值的影响

5.2.2水解温度的影响

5.2.3改性剂用量对改性效果的影响

5.2.4改性时间对改性效果的影响

5.2.5红外光谱表征(FTIR)

5.2.6 TEM形貌分析

5.2.7差热-热重分析(TG-DSC)

5.2.8粉体表面电性研究

5.2.9润湿性研究

5.2.10接枝改性原理

5.3本章小结

第六章全文总结及延伸课题研究

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文、专利及科研成果

作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

致 谢