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四针状氧化锌晶须的性能及应用

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第45卷第7期 2017年4月 广卅I化工 Vo1.45 No.7 Apr.2017 Guangzhou Chemical Industry 四针状氧化锌晶须的性能及应用 刘红,高翠翠,罗小春 618000) (四川建筑职业技术学院,四川 德阳摘 要:N型半导体化合物四针状氧化锌晶须(T—ZnOw)是六方纤锌矿结构的单晶体纤维,由于其特殊的空间三维结构及四 个针尖表现出的特殊尖端纳米效应,使得T—ZnOw具有许多优异特性,如基体材料增强、抗菌、光催化、吸波、抗静电等功能, 既可作为功能材料也可作为结构材料被广泛研究和使用。文中简述了T—ZnOw的基本性质及合成方法,并介绍T-ZnOw的性能及 应用研究现状。 关键词:四针状晶须;T—ZnOw;性能;应用 中图分类号:TQ340.472,TB34 文献标志码:A 文章编号:1001—9677(2017)07—0008—03 Properties and Application of Tetrapod-like ZnO Whisker LIU Hong,GAO Cui—cui,LUO Xiao—chun (Sichuan College of Architectural Technology,Sichuan Deyang 6 1 8000,China) Abstract:Due to the special three—dimensional structure(tetrapod-like structure)and cutting-edge nano-effects of tetrapod-like zinc oxide whisker(T-ZnOw),N-type semiconductor has hexagonal wurtzite structure of single crystal ibers.whifch performs excellent features in different areas,such as matrix material enhancement,antibacteria1. photocatalytic.microwave absorption.anti—static electricity and other functions.T—ZnOw could be widely used as functional material as well as structural materia1.The basic properties and synthetic methods of T—ZnOW were briefly introduced.and the properties and application of T—ZnOW were also introduced in detail. Key words:tetrapod-like whisker;T-ZnOw;properties;applications 四针状氧化锌晶须(缩写为T—ZnOw)是具有特殊立体四针 状结构的单晶纤维,由于其独特的三维空间结构,使T—ZnOw 在声、光、电、热、磁等方面表现出优异的性能,引起人们的 广泛关注和研究 。T—ZnOw不仅可作为功能材料应用于各个 领域,如吸波、减振、抗菌、光催化、抗静电等,同样也可作 为结构材料添加到基体材料中提高基体强度并使其表现出各向 同性等特点。本文阐述了T—ZnOw的基本性能、生产制备方 法、主要功能及应用,为后续研究和应用提供参考。 1 T—ZnOw的基本性能 T—ZnOw是Ⅱ一Ⅵ族N型半导体化合物,晶体结构为六方 纤锌矿结构,由一个中心体和由中心体延伸而出的四根针状体 组成空间正四面体构型(如图1所示) j;其中心体直径为 0.7~1.4 I.zm;任意两个针状体之间夹角为109。28 ,针状体长 度可通过制备工艺调整(一般范围为3~300 m),其根部直径 为0.1~10 m,从中心体沿针状晶体到其针尖端部其直径逐渐 变小 。宏观上,T—ZnOw为白色疏松状粉末物质,其表观 图1 T—ZnOw的SEM图 Fig.1 The SEM image of T—ZnOw 2 T—ZnOw的制备方法 国内外有许多学者对T—ZnOw的生长机理和制备方法进行 了探讨,T—ZnOw的生长机理主要有两种:气一固(VS)机理和 气一液一固(VLS)机理 。T—ZnOw的生长机理任然存在争议, 因此对其进行生长控制的技术不够成熟。研究者报道的关于 T—ZnOw制备的方法主要有预处理氧化法、蒸气氧化法、平衡 气量法、微波辐射法、真空制备法等-o 。目前可实现规模化 生产T—ZnOw的机构有日本松下电器公司、西南交通大学、成 密度低,耐热性能好(可耐1720℃的高温,热膨胀系数4.0X 10 %/℃),拉伸强度和弹性模量均较高,且其力学性能表现 为各向l司性。 通讯作者:刘红(1989一),女,助教,主要从事半导体光催化材料性能研究与应用。 第45卷第7期 刘红,等:四针状氧化锌晶须的性能及应用 9 都交大晶宇科技有限公司、中南大学和南县高新开发区。 周祚万等 研究发现T—ZnOw能高效地降低涂料等树脂基 复合材料的电阻,可用作半导体和抗静电高分子复合材料的抗 静电添加剂。马峰等 采用T—ZnOw作为导电性添加剂对PP 的抗静电性能进行改性处理,当T—ZnOw添加量在10%~12% 3 T—ZnOw的性能及其应用 T—ZnOw由于晶体结构完整、内部缺陷少,具有高强度、 高模量、耐高温以及减振降噪等优良的性能,可广泛用作塑 料、涂料、陶瓷以及各种有机无机材料的优质添加剂。 时,复合材料具有良好的抗静电性能,其摩擦静电压和表面电 阻率均有效降低,推测为T—ZnOw在基体中形成三维网络导 电、隧道效应以及纳米针尖尖端放电等作用所致。 3.1增强复合材料 单晶体纤锌矿结构的T—ZnOw中原子排列高度有序,几乎 没有结构缺陷,属于理想结晶体,其力学强度和弹性模量接近 于原子间价健理论强度值(1.0x10 MPa和3.5×10 MPa),同 时T—ZnOw具有特殊立体四针状结构,使其具有完全的各向同 3.4光催化材料 室温条件下T—ZnOw的禁带宽度为3.37 eV,是典型的宽 禁带N型半导体,且其特殊的四脚状结构可使T—ZnOw在基体 材料中实现均匀分散,能有效吸附有机污染物分子;同时单晶 性的增强和改性基体的作用。 Hu等 通过熔融共混制备了尼龙11/T-ZnOw复合材料, 研究发现加入T—ZnOw后复合材料的拉伸强度得到提高,且复 合材料在室温和低温(一40℃)时缺口的冲击强度都得到了提 高。Wang等 研究发现将经不同偶联剂处理过的T-ZnOw加 入到聚苯乙烯(Ps)基体中可以提高Ps的刚性和韧性,其中冲 击强度和拉伸模量随着复合材料中T—ZnOw含量的增加而增 加,但拉伸强度随着T—ZnOw含量的增加而逐渐降低。同样 Pan等 通过熔融共混的方法将表面沉积Ag单质的T-ZnOw 添加到PS中制备了高性能多功能复合材料,研究发现由于填 料Ag—ZnOw在基体中均匀分布且T—ZnOw的四个针状体对基体 的锚固作用,复合材料的冲击强度随着纳米填料Ag-ZnOw浓 度的增加而增加。丁国芳等 研究采用T—ZnOw对硅橡胶泡沫 材料进行改性,结果表明复合材料的密度和硬度得到明显提 高,拉伸强度也得到有效提升,且T—ZnOw的加入量越多,增 强效果越明显;同时T—ZnOw的加入,可有效优化硅橡胶泡沫 材料中炮孔的尺寸和分散度,明显降低材料的压缩应力松弛性 能。 3.2抗菌材料 T—ZnOw结构的特殊性,其四个针尖表现出特殊的尖端纳 米效应,能够高效的杀灭和清除细菌以及分解细菌分泌的毒 素,其抗菌效果显著;比传统抗菌剂的抗菌活性强且持久,其 颜色稳定性好,不会产生二次污染,其四个具有纳米效应的针 尖部位不会团聚,使其能更均匀地分散在复合材料中,并且还 可使材料增强增韧。T—ZnOw这种无机抗菌剂可用于塑料、纺 织行业以及医药行业等材料。 徐晓玲等 将含T—ZnOw抗菌剂的涂料喷涂于金属和纺织 品表面制备抗菌涂层以及将T—ZnOw添加到塑料中制备抗菌塑 料,发现添加改性T—ZnOw的聚氨酯涂层和聚丙烯复合材料对 大肠杆菌的抗菌率均在98%以上,抗菌活性良好。陈晓宇 等 对比探讨了添加T—ZnOw和粉状ZnO微粒制备抑菌纸的 性能,研究发现T—ZnOw在纸张中无需使用留住齐 即可有较高 的留着率,且对纸张强度影响不大,还可改善纸张的不透明度 和白度,纸张中添加T—ZnOw时其抑菌效率明显高于添加粉状 ZnO微粒。Fang等¨ 对比研究了不同种类无机抗菌剂,结果 证实T—ZnOw对VI腔中常见的致龋菌表现出优异的抗菌活性。 3.3抗静电添加剂 N型半导体T—ZnOw具有一定导电性,固有体积电阻率为 7.14 n・cm,平均电阻率为10 ~1O Q・cm,且其具有特殊的 几何形状效应,故T—ZnOw可用于提高高分子材料的导电性, 防止静电¨ 。采用T—ZnOw作为抗静电添加剂,其颜色可调、 各向同性、添加量少的情况下效果较稳定也持久,在抗静电工 程塑料中的应用前景广阔。 结构的T—ZnOw没有晶界,利于光生电子和空穴快速转移到催 化剂表面,从而使其表现出优异的光催化活性 。T-ZnOw既 可以用于降解液相的有机污染物,又可以用于降解气相的有机 污染物,如染料废水、农药废水、油污废水、废气等的处理。 Wan等 研究发现具有高比表面积的T—ZnOw其光催化活 性明显优于P25型TiO:和ZnO粉末。南京大学研究者发现在 紫外光照条件下,T—ZnOw作为光催化材料能够高效地降解室 内各种有害气体 。可将T—ZnOw负载到纤维上,可综合纤维 的高比表面积和T—ZnOw的高催化活性,大大提高其光催化效 率,同时还可有效解决光催化剂的回收问题 。Wang等采用 T-ZnOw作为光催化剂降解甲基橙(MO),并用Ag和CuO对其 进行表面改性,研究发现紫外光照120 rain后T-ZnOw对MO 溶液的降解率能达到64.97%,改性后的复合催化剂光催化活 性明显高于纯T—ZnOw,说明T—ZnOw在作为光催化剂降解有 机污染物的领域有较大提升空间 。 3.5隔音及减振抗冲击材料 T—ZnOw的密度和压电性能较高,可吸收较大的能量,进 而表现出良好的隔声和减振效果。将T—ZnOw与树脂复合制成 各向同性的隔音减振材料,可用于电视、音响及音乐器材内部 的骨架或外壳,达到减少杂音提高音质的效果。 张文等 通过浇铸成型工艺制得晶须增强环氧树脂复合材 料,发现高强度、高弹性模量的T—ZnOw均匀分散于环氧树脂 基体中,能有效改善复合材料的阻尼性能,获得减振性能良好 的复合材料,可将其用于工业机器、运输设备及建筑中。 3.6吸波材料 T—ZnOw具有特殊的三维结构一四针状结构和纳米级针体直 径,当其与基体复合时易形成三维连续网状结构,具有很好的 微波吸收性能,当电磁波入射到其表面时,压电性能良好的 T—ZnOw可吸收电磁波减少反射,将电磁波的振动能量转化为 电能、热能或其他形式的能量 。具有吸声吸波特点的T— ZnOw可用于生产制造“隐身”型战机或导弹的材料,这对于 国防科技中隐身材料的研究有一定的试验意义。 周祚万等 研究制备了一种以T—ZnOw为主要吸波成分的 轻质高效吸波涂料,在13.5~17.5 GHz的Ku波段内,该涂料 对雷达波的反射率低(10~2O dB),吸收的雷达波转化为热量 的形式,同时研究还发现T—ZnOw针状体的长径比与涂层的吸 波效果有一定关系。郭岚等 。。对T—ZnOw吸波材料与铁氧体吸 波材料进行对比研究,发现铁氧体属于磁滞损耗型吸波材料, 而T—ZnOw属于电损耗型吸波材料,热稳定性好,能快速且高 效地将一定频带宽(2~18 GHz)的电磁波转换成热能,可作为 一种良好雷达波吸收剂而用于军用器械材料中。 3.7耐磨材料 单晶体结构的T—ZnOw原子排列高度有序,几乎无结构缺 10 广州化工 2017年4月 陷,其强度值接近完整晶体的理论值,且各向同性,具有优良 的耐磨性,可用于生产制造高档耐磨橡胶轮胎。 [1 1]HU G,MA Y,WANG B.Mechanical prope ̄ies and morphology of nylon 1 1/tetrapod—shaped zinc oxide whisker composite[J].Materials Science&Engineering A,2009,504(1):8-12. 周祚万等 在轮胎胎面胶中添加T—ZnOw后可有效改善轮 胎的耐磨性能,同时提高轮胎的耐久性和高速安全性,且其磨 损表面的粗糙度随着T—ZnOw添加量的增加而下降。同时还研 究了T—ZnOw对天然橡胶的强度及耐磨性的影响,磨耗实验中 发现,加入T—ZnOw后制得的复合橡胶具有比天然橡胶更好的 耐磨性 ,复合材料的拉伸强度表现为完全各向同性,且随 T-ZnOw的增加而明显增加。 [12]WANG Y,SH1 J,HE Z B,et a1.Preparation and mechanical properties of T—ZnOw/PS composites[J].Chinese Journal of Polymer Science,2009,27(2):173—181. [13]PAN X,PENG L,LIU Y,et a1.Highly antibacterila and toughened polystyrene composites with silver nanopartieles modiied tetfrapod—like zinc oxide whiskers[J].Journal of Applied Polymer Science,2014,131 (20):1366—1373. 3.8其他应用 T—ZnOw可与树脂或玻璃料混合用作滤料、水处理中的活 [14]丁国芳,程青民,石耀刚,等.四针状氧化锌晶须对硅橡胶泡沫材 料性能的影响[J].机械工程材料,2010,34(7):27—29. [15]徐晓玲.氧化锌抗菌及降解有机污染物活性研究[D].西南交通大 性污泥沉降剂;与树脂或活性炭组合用作室内有害气体清除剂 (如甲醛);与陶瓷基复合改善陶瓷的易碎及绝缘等性质;还可 用在涂料中改善涂料的某些性能如抗碎裂强度、耐高温、防滑 性能等;还可应用于传感器、紫外探测器、太阳能电池、光信 息存储、蓝紫波段发光二极管、激光器等领域。 4 结语 T—ZnOw由于其特有的单晶体空间四面体结构,使其具有 许多优良的性能,既可作为结构材料,也可作功能材料,在不 同领域均具有一定的适应性,利用T—ZnOw改性基体材料制备 结构一功能一体化的高性能多功能复合材料,满足材料使用过 程中的不同需求。不同领域的研究者对T—ZnOw的性能和应用 做了大量研究,取得不少成果,但大部分领域的研究及应用还 处于理论研究和实验阶段,真正将T—ZnOw应用于生产生活中 还有许多问题亟待解决,如使用成本较高、晶须回收再利用问 题、制备复合材料过程中如何高效分散、防止T—ZnOw团聚和 断针、与基体相容性等问题,因此需要研究者们对T—ZnOw进 行更深入的研究和探索。 参考文献 [1]陈艺锋,唐谟堂,杨声海,等.四针状氧化锌晶须的研究进展[J]. 材料导报,2004,18(1):39—42. [2]杨大锦,陈加希,王吉坤,等.四针状氧化锌晶须生长机理研究 [J].有色金属(冶炼部分),2011(1):37—40. [3]Shiota K,1wai T,Marasawak,et a1.“, 于于 ”复合树脂[R]. 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