偶联剂改性纳米氧化锌的目的、研发与实验

氧化锌（ZnO）是一种宽带隙半导体材料，拥有规整的六角形纤锌矿结构，呈白色，具备出色且优异的稳定性，即使在高温下也不变色、不分解。

它不仅价格低廉、资源丰富，还因其高灵敏度、大比表面积、无毒性、良好的相容性和高等电点等特性，成为一种广泛应用的多功能添加剂和半导体材料。

氧化锌在化工、轻工、陶瓷、电子、国防、医药卫生以及其他高技术产品领域中具有重要的应用价值。
 

纳米氧化锌（ZnO）是指粒径介于1至100纳米之间的氧化锌，这种尺寸的细微化使其在物理和化学性质上表现出许多传统氧化锌所不具备的特殊性能。

纳米氧化锌（ZnO）可以呈现多种晶体结构，包括六角纤锌矿结构、岩盐型结构和闪锌矿结构。其中，六角纤锌矿结构是最常见的晶型，在常温常压下最为稳定，而岩盐型结构通常在高压下才会出现。

纳米氧化锌的晶体结构非中心对称，晶体中的化学键既包含离子键，也包含共价键，这种成键特性赋予其结构的稳定性和响应性，使其在某些外界条件下能够发生结构改变。

此外，纳米氧化锌由于尺寸效应，分子和电子结构与体相氧化锌显著不同，表现出独特的量子限制效应和表面效应。

与普通氧化锌相比，纳米氧化锌的晶胞参数略有增大，原因在于其表面张力引起的晶格畸变大、粒径细小、表面能和内应力增加。

纳米尺度下的氧化锌颗粒具有更大的比表面积和更高的激子结合能，使其拥有更多活性表面位点，因而表现出优异的光学、电学和化学性质，在许多应用中具有显著的性能优势。

纳米氧化锌因其独特的纳米效应，在光电、压电、催化等方面具有显著的性能提升。

纳米氧化锌还具有优异的场致发射和光催化性能。

由于其高比表面积和高活性，纳米氧化锌在环境治理和抗菌方面也显示出极大的潜力。

化学活性与催化性能：纳米氧化锌具有极高的化学活性及优异的催化性和光催化活性，可用于催化光解有机物分子，如10~25纳米的ZnO可用于苯酚的催化光解，也可用作CO加氢直接合成甲醇的催化剂。

光学性能：纳米氧化锌是一种广谱的无机紫外线屏蔽剂，对紫外线有良好的吸收和屏蔽作用，同时可透过大部分可见光。其UVA的有效屏蔽性、安全性和抗菌性，使其在防晒霜等化妆品领域得到了广泛运用。

抗菌性能：纳米氧化锌对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等细菌及真菌具有良好的抗菌效果，可用于制造抗菌、除臭化纤，以及各类抗菌食品包装材料。

物理性能：纳米氧化锌熔点高、热稳定性好、机电耦合性好，且具有良好的分散性和高的透明度。

纳米氧化锌的应用领域非常广泛，包括但不限于以下几个方面：

橡胶工业：纳米氧化锌可作为活性剂、补强剂和着色剂，用于提高橡胶制品的耐磨性、防老化、抗摩擦着火等性能。

陶瓷工业：使用纳米氧化锌代替普通氧化锌，可降低陶瓷的烧结温度，提高陶瓷制品的性能，并赋予其抗菌除臭的新功能。

涂料工业：纳米氧化锌可提高涂料的耐洗性、耐老化性等性能，用于制造高性能的乳胶漆、船舶专用涂料等。

纺织工业：利用纳米氧化锌的抗菌性能、防紫外线性能等特点，可制备多功能纺织材料，如抗菌纤维、抗紫外线纤维等。

电子信息领域：纳米氧化锌在光电子、压电材料、电极材料等方面也有广泛应用，如用于制造发光二极管、压敏电阻、超级电容器等。

纳米氧化锌凭借其独特的结构和优异的性能，在多个领域展现出了广阔的应用前景。随着科技的不断发展，纳米氧化锌的应用领域还将不断拓展和深化。
 

纳米氧化锌（ZnO）由于其独特的结构性能在许多领域有广泛应用，但在实际应用中也面临一些痛点，主要包括以下几点：

1、团聚问题：纳米ZnO颗粒具有较高的比表面积和表面能，容易在分散过程中发生团聚，形成较大颗粒团簇，导致其纳米效应减弱，从而影响其在应用中的效果。团聚问题尤其在高填充涂料、复合材料和化妆品等行业中显著。

2、分散稳定性差：纳米ZnO颗粒在溶液或基材中难以均匀分散，且在储存或使用过程中容易沉降或聚集，导致其分散稳定性差。尤其在水性体系和有机体系中，缺乏有效的表面改性处理手段可能会导致纳米ZnO在基材中的分散效果不佳。

3、表面活性高，易发生反应：纳米氧化锌表面活性高，在一些应用中容易发生化学反应，例如在高温、高湿环境下，纳米ZnO可能会与其他组分发生不期望的反应，进而影响产品性能。

4、光催化性强，易导致材料老化：由于ZnO具有光催化活性，在紫外光照射下容易生成活性氧自由基，导致基材氧化降解、老化。这一特点在户外耐久材料、涂料和塑料中使用时，可能会加速材料老化，影响其耐久性。

5、生物相容性与安全性问题：虽然ZnO被认为是无毒的，但在纳米尺度下，纳米ZnO可能对环境和人体健康产生未知的影响。其在医药和化妆品中的使用需要更多安全性数据来评估潜在的健康风险。

6、表面改性难度：由于ZnO的高表面能和表面化学特性，对其进行改性以增强其在特定基材中的相容性较为复杂，需要使用专用的偶联剂或表面活性剂，如钛酸酯或硅烷类偶联剂，增加了成本和工艺难度。

从目前的改性方法来看，纳米氧化锌的改性方式主要分为干法改性、湿法改性和聚合物包覆改性。

然而，这些方法在应用中各有利弊。

湿法改性虽然在改性剂用量和成本上有优势，但需大量有机溶剂，增加了产品后处理的难度并对环境产生影响。

干法改性在工艺处理上较为简单，但对改性剂需求较大，操作要求高且成本上升，导致改性不均匀的现象。

而聚合物包覆法则因设备要求高、流程复杂，生产处理量小，工业化应用受到限制。

为克服以上方法的不足并实现纳米氧化锌的高效、环保改性，在实际生产中，偶联剂逐渐成为一种值得探索的解决方案。

偶联剂能够在不使用大量有机溶剂的情况下实现均匀的表面改性，且具有较好的耐高温和增强相容性等特点。

通过表面改性（如硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂等的使用）和先进的分散技术，有效提升纳米ZnO的稳定性和分散性，以充分发挥其在应用中的功能性。

上海纳米技术应用国家工程研究中心有限公司的徐少洪、刘思俊、陈超、赵斌、何丹农团队研究了钛酸酯偶联剂改性氧化锌的方法，这种方法的有益效果在于：

采用钛酸酯偶联剂与纳米氧化锌表面的羟基进行反应，改善其亲油性，使其在聚合物中能够更好的分散。同时采用高剪切分散乳化机，一方面可以使得纳米氧化锌分散更均匀，使得钛酸酯偶联剂对纳米氧化锌的改性效果更好；另一方面，高速剪切提供的热量可以使得溶液少量升温，提高改性效率；并且该处理方法没有用到有毒的有机溶剂，且后处理简单，仅仅通过烘干即可。

其操作简单，节约能源，成本低，适用面广，易于工业化,制备的改性纳米氧化锌疏水性能优异。

采用该方法制备的钛酸酯偶联剂改性纳米氧化锌，接触角能够达到120°，而采用硅烷偶联剂改性的纳米氧化锌，接触角为90°；未改性纳米氧化锌的接触角为30°。

实验案例分享：

称取100质量份干燥过的纳米氧化锌，加入溶剂无水乙醇中，其中，无水乙醇质量为纳米氧化锌质量的7倍；

与此同时，将5质量份异丙基三油酸酰氧基钛酸酯分散到20质量份异丙醇中，再将其加入无水乙醇中；

采用高剪切分散乳化机，高速分散60min，其中剪切速率为10000r/min；然后采用磁力搅拌器，磁力搅拌60min；最后在鼓风干燥箱中烘干即得钛酸酯偶联剂改性的纳米氧化锌。
转自公众号-硅碳创新汇！如侵权及时联系！