液态金属锌制备四针状及多针状氧化锌晶须的方法

摘要

液态金属锌制备四针状及多针状氧化锌晶须的方法，属无机材料制备技术和有色金属冶金领域。其特征在于：以金属锌为原料，将金属锌在一个较低温度的加热炉内熔化成液态金属锌，然后将其加入到另一个较高温度的高温氧化反应炉内，同时在高温氧化反应炉内通入空气或氧气，使液态金属锌迅速被氧化，生成氧化锌晶须。通过控制液态金属锌的加入量和成分，生成四针状或多针状氧化锌晶须产物。由于直接采用熔化后的液态金属锌制备氧化锌晶须，省去了目前其它制备方法中复杂的原料预处理过程，减少了设备投资和晶须制备环节，大大简化了制备过程，有利于制备过程的自动控制和连续化生产，适于大规模工业化生产，生产成本低，产品质量稳定可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及液态金属锌制备四针状及多针状氧化锌晶须的方法，属无机材料制备技术和有色金属冶金领域。尤其是涉及通过加热金属锌，熔化成液态金属锌后，在高温下被氧气或空气氧化，制备四针状及多针状氧化锌晶须的技术方法。

技术背景

与其它金属氧化物相比，氧化锌存在更为丰富的形貌特征，其用途也十分广泛，长期以来一直是材料、物理、化学等领域的研究热点之一。通过采用不同的含锌原料和控制不同反应条件，可以得到不同形貌的氧化锌。近年来，以美国佐治亚理工学院王中林教授为代表，采用氧化锌等为原料，通过气相蒸发法制备出了纳米梳、纳米环、纳米线、纳米笼、纳米带、纳米弹簧、纳米管、纳米弓、纳米四针状、纳米单棒状等形态丰富的氧化锌产物。

氧化锌晶须具有单晶体结构，不但具有极高的力学强度和弹性模量、拉伸强度接近化学键的理论计算值、耐高温(1700℃以上)等特点，而且还具有许多优异的性能。与普通的氧化锌相比，氧化锌晶须有许多优点，如用四针状氧化锌晶须制备的材料具有优异的耐磨、防滑、降噪、吸波、抗老化、抗冲击、抗静电、抗藻、抗菌、场发射等。目前其主要的应用包括：高分子材料抗静电材料、耐磨防滑材料、半导体、压电、微波吸收材料、减振降噪材料、陶瓷增韧抗碎裂材料、增强材料、抗菌复合材料、光催化材料等。由于四针状氧化锌晶须的晶须或针尖部位常常是纳米尺寸结构，在许多材料研究和应用中，表现为纳米材料的特性，因此这种结构的四针状氧化锌晶须也被称为纳米四针状氧化锌晶须。由于制备条件的不同，当针状体数量达到一定时，表现为多针状(或花状)形貌。

四针状氧化锌晶须的制备方法主要有锌粉预氧化法、锌粉直接氧化法和锌粒氧化法。在高温下加热或燃烧锌粉、锌粒，其中产生的锌蒸气与空气或氧气接触，氧化成为四针状氧化锌晶须，为控制氧化锌晶须的质量，在制备过程中还常加入一些催化剂(如碳粉、沸石)等。除上述方法外，还可将氧化锌与碳粉混合，以硅片等为反应基底材料，高温还原出的锌蒸气被氧气或空气氧化，在基底材料上沉积出氧化锌晶须。或者将金属锌蒸发产出的锌蒸气为原料，以不同方式与氧气或空气接触，制备四针状氧化锌晶须。或用氧化锌等含锌化合物为原料，以物理或化学的手段采用气相蒸发的方法制备四针状氧化锌晶须或其它形貌的氧化锌。由于氧化锌晶须的制备需要较高的温度，上述方法中除极少数已用于批量生产外，大多数还只是用于科学实验研究，现有批量生产工艺产量小，质量不好。其中一些方法的原料预处理过程比较麻烦，产出的氧化锌晶须最终产品质量差，夹杂大量其它形貌(如颗粒状，块状)的氧化锌产物，而且直接回收率低。而以锌蒸气为原料时，所需要的制备设备和控制过程较复杂，产物的均匀性控制也较困难。

本发明公开的液态金属锌制备四针状及多针状氧化锌晶须的方法，是以普通金属锌为原料，熔化成液态金属锌后，直接在高温下被氧气或空气氧化，获得四针状或多针状氧化锌晶须。

发明内容

本发明的目的是：提供一种液态金属锌制备四针状及多针状氧化锌晶须的方法，减少氧化锌晶须制备过程中原料的预制备环节，缩短制备过程，减少制备设备数量和控制环节，使制备过程更易于控制，从而提高氧化锌晶须的质量和产量。通过控制液态金属锌的加入量和成分，使液态金属锌迅速被氧化，避免在高温下过量液态金属锌的蒸发，从而避免因锌蒸气的产生，进而避免由锌蒸气与氧气或空气发生氧化反应所造成的产物不均匀性，保证了氧化锌晶须的质量。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

1、以金属锌为原料，除锌外，原料中其它元素含量总和不超过6％，其它元素包括但不限于铅、镉、铜、锡、砷、锑、铟、铋、钛、铝、镍、钴、铬、钙、镁、铁、锰、金、银、锂、硅和磷，其它元素还包括稀土钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。

2、将金属锌在在一个较低温度的加热炉A内熔化，加热温度为450～750℃。

3、熔化后的液态金属锌加入到温度为800～1200℃的另一个较高温度的高温氧化反应炉B内。

4、在高温氧化反应炉B内作为反应容皿的内底面上，液态金属锌的加入量按反应容皿内的底面面积计为0.02～0.20g/cm²。当液态金属锌的加入量按底面面积计为0.02～0.10g/cm²时，产物为四针状氧化锌晶须；当液态金属锌的加入量按底面面积计为0.13～0.20g/cm²时，产物为多针状氧化锌晶须；当液态金属锌按底面面积计在0.10～0.13g/cm²之间时，产物为四针状氧化锌与多针状氧化锌晶须的混合物。

5、加入液态金属锌后，同时向高温氧化反应炉B内通入氧气或空气，并以氮气调节氧气分压，氧气分压为10～120KPa。

本发明与现有公知技术比较具有的优点和积极效果是：直接采用熔化后的液态金属锌制备氧化锌晶须，省去了其它制备方法中复杂的原料预处理过程，减少了设备投资和晶须制备环节，大大简化了制备过程。制备方法简单，通过控制液态金属锌的加入量来调节氧化锌晶须的形貌，获得所需要的产品，有利于制备过程的自动控制和连续化生产，适于大规模工业化生产，生产成本低，产品质量稳定可靠。

附图说明

图1为采用本发明所制备的四针状氧化锌晶须形貌的扫描电子显微镜(SEM)照片。

图2为采用本发明所制备的多针状氧化锌晶须形貌的扫描电子显微镜(SEM)照片。

图3为采用本发明所制备的四针状氧化锌晶须和多针状氧化锌晶须混合物形貌的扫描电子显微镜(SEM)照片。

具体实施方式

实施例一

取纯度为99.9％的金属锌14g，装入氧化铝坩埚内，放入电炉A内。同时在另一电炉B内放入一个底面积为280cm²的碳化硅坩埚，将两电炉升温。110min后，电炉A温度升至600℃，保温，使金属锌充分熔化。160min后，电炉B温度升至1050℃。关断电炉A电源，从电炉A中取出氧化铝坩埚，迅速将其中已经熔化成液态的金属锌倒入电炉B中碳化硅坩埚内，然后保温20min，并通入氧气与氮气的混合气体，其中氧气的分压为45～50KPa。达到保温时间后，关断电炉B电源，冷却后取出碳化硅坩埚，将其中的白色蓬松的氧化锌取出。经显微镜观察，为四针状氧化锌晶须。

实施例二

取纯度为98％的金属锌42g，装入氧化铝坩埚内，放入电炉A内。同时在另一电炉B内放入一个底面积为280cm²的碳化硅坩埚，将两电炉升温。120min后，电炉A温度升至650℃，保温，使金属锌充分熔化。140min后，电炉B温度升至1000℃。关断电炉A电源，从电炉A中取出氧化铝坩埚，迅速将其中已经熔化成液态的金属锌倒入电炉B中碳化硅坩埚内，然后保温40min，并通入空气。达到保温时间后，关断电炉B电源，冷却后取出碳化硅坩埚，将其中的白色氧化锌取出。经显微镜观察，为多针状氧化锌晶须。

实施例三

取纯度为97.5％的金属锌32g，装入氧化铝坩埚内，放入电炉A内。同时在另一电炉B内放入一个底面积为280cm²的碳化硅坩埚，将两电炉升温。105min后，电炉A温度升至560℃，保温，使金属锌充分熔化。135min后，电炉B温度升至980℃。关断电炉A电源，从电炉A中取出氧化铝坩埚，并迅速将其中已经熔化成液态的金属锌倒入电炉B中碳化硅坩埚内，然后保温30min，并通入氧气，与炉内的空气混合，控制氧气分压为30～35KPa。达到保温时间后，关断电炉B电源，冷却后取出碳化硅坩埚，将其中的白色氧化锌取出。经显微镜观察，为四针状及多针状氧化锌晶须的混合物。