本科毕业论文-氧化锌微纳米材料的合成及超疏水性能研究.doc

湘潭大学毕业论文湘潭大学毕业论文 题目：氧化锌微纳米材料的合成及超疏水性能研究题目：氧化锌微纳米材料的合成及超疏水性能研究 学院：学院：化化 学学 学学 院院 专业：专业：化化 学学 专专 业业 学号：学号：2 2 0 0 0 0 9 9 6 6 0 0 0 0 1 1 2 2 9 9 姓名：姓名：王王 继继 旭旭 指导老师：指导老师： 李李 涛涛 海海 完成日期：完成日期： 湘潭大学本科生毕业论文 1 湘湘 潭潭 大大 学学 毕业论文（设计）任务书毕业论文（设计）任务书 论文（设计）题目： 氧化锌微纳米材料的合成及超疏水性能研究 学号： 2009600129 姓名： 王继旭 专业： 化 学 指导教师： 李涛海 系主任： 一、主要内容及基本要求 主要内容 1.查阅有关资料,了解氧化锌纳米材料的制备方法； 2.设计合理的实验方法制备氧化锌纳米材料； 3.根据所做实验,对实验结果进行分析与讨论。 基本要求 1.查阅资料,设计合理的实验方法； 2.科学、务实、独立的学习作风,认真进行实验； 3.用现代分析,检测和计算手段处理实验数据和有关结果； 4.积极思考,认真写毕业论文； 5.论文字数要求不少于 8000 字，图表要求准确清晰。 二、重点研究的问题 1.探究各种水热反应条件（如温度、pH、 ）对产物形貌、结晶度的影响 2.通过添加表面活性剂来研究其对产物形貌的影响 3.产物的超缩水性质分析与讨论 三、进度安排 湘潭大学本科生毕业论文 2 湘潭大学本科生毕业论文 3 湘湘 潭潭 大大 学学 毕业论文（设计）评阅表毕业论文（设计）评阅表 学号 2009600129 姓名 王继旭 专业 化 学 毕业论文（设计）题目：氧化锌微纳米材料的合成及超疏水性能研究 评价项 目 评 价 内 容 选题 1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求， 达到综合训练的目的； 2.难度、份量是否适当； 3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。 能力 1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力； 2.是否有综合运用知识的能力； 3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力； 4.是否具备一定的外文与计算机应用能力； 5.工科是否有经济分析能力。 论文 （设计） 质量 1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确， 设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统 一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范； 2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何； 3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。 综 合 评 价 在整个毕业设计过程中，该生能够独立的查阅科学文献，归纳资料， 基本能够运用自己所学知识设计出实验方案，合成了目标物质氧化 锌纳米材料，使用扫描电镜分析仪和 X 射线衍射仪等对物质进行了 表征，并对影响反应的条件进行了讨论和分析，具备了一定的实验 操作能力。论文论述比较完整，分量适中，体现了一定的分析水平， 达到了本科毕业论文的基本要求。 评阅人： 2012 年 月 日 湘潭大学本科生毕业论文 4 湘湘 潭潭 大大 学学 毕业论文毕业论文 （设计）鉴定意见（设计）鉴定意见 学号： 2009600129 姓名： 王继旭 专业： 化 学 毕业论文（设计说明书） 23 页 图 表 8 张 论文（设计）题目： 氧化锌微纳米材料的合成及超疏水性能研究 内容提要：纳米氧化锌是一种面向 2l 世纪的新型高功能精细无机产品。由于颗粒 尺寸的细微化,比表面积急剧增加,使得纳米氧化锌产生了其本体块状材料所不具备的表 面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等。因而,纳米氧化锌在磁、光、电、化学、 物理学、敏感性等方面具有一般氧化锌产品无法比拟的特殊性能和新用途，在橡胶、 涂料、油墨、颜填料、催化剂、高档化妆品以及医药等领域展示出广阔的应用前景。 本论文中，我们通过水热法合成了一系列的氧化锌微纳米材料，研究了反应温度、反 应时间、表面活性剂等条件对产物形貌和结构的影响，并对其形成机理和性能进行了 初步探讨。 主要工作是以二水合乙酸锌和氢氧化钠为原料，加入表面活性剂 1H,1H,2H,2H-全 氟癸基三乙氧基硅烷 1,2,3,4-四羧基丁烷，然后在水热条件下制备了氧化锌微晶，并采 用 SEM、XRD 等表征手段,考察了水热温度、反应物 pH 值以及表面活性剂对纳米材料 形貌和特性影响。 湘潭大学本科生毕业论文 5 指导教师评语 指导教师： 年 月 日 答辩简要情况及评语 答辩小组组长： 年 月 日 答辩委员会意见 答辩委员会主任： 年 月 日 湘潭大学本科生毕业论文 6 摘要 第一章 绪论 - 2 - 1.1 概述.- 2 - 1.1.1纳米材料的概念.- 2 - 1.1.2纳米材料的性质.- 2 - 1.1.3纳米材料的应用前景.- 3 - 1.2 纳米氧化锌.- 4 - 1.2.1纳米氧化锌的简介.- 4 - 1.2.2纳米氧化锌的制备方法.- 5 - 1.2.3纳米氧化锌材料的用途.- 7 - 1.3 超疏水性质.- 8 - 1.4 表面活性剂.- 8 - 1.4.1表面活性剂及其原理.- 8 - 1.4.2表面活性剂在纳米材料制备中的应用.- 9 - 第二章第二章 ZNO 微纳米材料的合成及超疏水性能研究微纳米材料的合成及超疏水性能研究 .- 9 - 2.1 前言.- 9 - 2.2 实验部分.- 9 - 2.2.1实验仪器与药品.- 9 - 2.2.2 实验步骤.- 10 - 2.3 实验结果及讨论.- 10 - 2.3.1反应温度对产物结晶性影响.- 10 - 2.3.2 pH对产物结晶性影响.- 11 - 2.3.3 反应温度对产物形貌的影响.- 12 - 2.3.4 pH对产物形貌的影响.- 12 - 2.4 形成机理探讨.- 12 - 2.5 超疏水性能研究.- 13 - 2.6 小结.- 15 - 参考文献参考文献.- 15 - 致谢致谢.- 17 - - 1 - 氧化锌微纳米材料的合成及超疏水性能研究氧化锌微纳米材料的合成及超疏水性能研究 摘要摘要 纳米氧化锌是一种面向 2l 世纪的新型高功能精细无机产品。由于颗粒尺寸的细微化,比表面积 急剧增加,使得纳米氧化锌产生了其本体块状材料所不具备的表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧 道效应等。因而,纳米氧化锌在磁、光、电、化学、物理学、敏感性等方面具有一般氧化锌产品无 法比拟的特殊性能和新用途，在橡胶、涂料、油墨、颜填料、催化剂、高档化妆品以及医药等领域 展示出广阔的应用前景。本论文中，我们通过水热法合成了一系列的氧化锌微纳米材料，研究了反 应温度、反应时间、表面活性剂等条件对产物形貌和结构的影响，并对其形成机理和性能进行了初 步探讨。 主要工作是以二水合乙酸锌和氢氧化钠为原料，加入表面活性剂 1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙 氧基硅烷 1,2,3,4-四羧基丁烷，然后在水热条件下制备了氧化锌微晶，并采用 SEM、XRD 等表征手 段,考察了水热温度、反应物 pH 值以及表面活性剂对纳米材料形貌和特性影响。 关键词：关键词：纳米氧化锌 表面活性剂 水热条件 Zno micro super hydrophobic properties and synthesis of nanomaterials ABSTRACT Nanometer zinc oxide is a kind of 2 l century oriented new high function fine inorganic product. Due to the small particle size, specific surface area has increased dramatically, making nanometer zno produced its ontology block material that the surface effect, small size effect and macroscopic quantum tunnel effect and so on. Therefore, nano zinc oxide in magnetic, light, electricity, chemistry, physics, sensitivity and so on has a special general zinc oxide products unmatched performance and new USES, in rubber, coating, printing ink, fillers and catalyst, high-end cosmetics, and medical and other fields showing broad application prospect. This thesis, we synthesized by hydrothermal method a series of zno micro/nano materials, the effects of reaction temperature, reaction time, surfactant and other conditions on the product morphology and structure, and has carried on the preliminary discussion on the formation mechanism and property. Main work is the second hydration of zinc acetate and sodium hydroxide as raw material, add surfactant 1 h, 1 h, 2 h, 2 h - perfluorinated decyl triethoxy silane (1, 2, 3, 4 - four carboxyl butane, then under the condition of hydrothermal preparation of zinc oxide crystallites, and use the characterization methods such as SEM, XRD, examines the hydrothermal temperature and pH value of reactants, and surfactants on morphology and characteristics of nanomaterials. Key words: nanozincoxide， surfactant， hydrothermal conditions 湘潭大学本科生毕业论文 - 2 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 概述概述 1.1.1 纳米材料的概念 纳米材料是纳米级结构材料的简称，狭义是指纳米颗粒构成的固体材料，其中纳 米颗粒的尺寸最多不超过 100 nm。广义是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度 （1100 nm）限制的各种固体超细材料。当物质达到纳米尺度以后，性能就会发生突 变，出现特殊性能。这种既具有不同于原来组成的原子、分子，又不同于宏观的物质 的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。目前人们已经制造了各种各样的纳米材料， 使人们的生活和工作发生了质的飞跃1。 1.1.2 纳米材料的性质 纳米材料又称为超微颗粒材料，纳米材料是纳米科技发展的重要基础，是纳米科 技最为重要的研究领域。纳米材料由纳米粒子组成，结晶粒度为纳米级的多晶材料， 即三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级。纳米材料一般分为纳米颗粒、纳米薄膜(多 层膜和颗粒膜)和纳米固体。纳米材料因其物质颗粒接近原子大小，此时材料的量子效 应开始影响到物质的性能和结构，使其具有表面效应、体积(小尺寸)效应、量子尺寸 效应、宏观量子隧道效应。下面将纳米材料的性质做以简单的介绍： 表面效应: 表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径变小（至纳 米级）而急剧增大，同时纳米粒子的比表面积、表面能都会迅速增加2-3，由此所引起 的性质上的变化。如当粒径降至 10 nm 时，表面原子所占的比例为 20%，而粒径为 1 nm 时，其表面原子百分数增大到 99%，此时组成该纳米晶粒几乎全部集中在其表面。 纳米晶粒的减小结果导致其表面积、表面能及表面结合能的增大，并具有不饱和性质， 表现出很高的化学活性。 体积效应: 当物质体积减小时，会出现两种情况：一是物质本身的性质不发生变 化，而只有那些与体积密切相关的性质发生变化；二是物质本身的性质也发生了变化， 因为纳米粒子是由有限个原子或分子组成，改变了原来有无数个原子或分子组成的集 体属性。当纳米材料的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界 条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通晶粒 相比都有很大变化，这就是纳米材料的体积效应（也叫小尺寸效应4） 。这种特异效应 为纳米材料的应用开拓了广阔的新领域，例如，利用等离子共振频移随晶粒尺寸的变 化的性质，可通过改变晶粒尺寸来控制吸收波的位移，从而制造出具有一定频宽的微 波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。 量子尺寸效应: 量子尺寸效应5-6是指粒子尺寸下降到极值时，体积缩小，粒子内 的原子数减少而造成的效应。日本科学家久保给量子尺寸效应下的定义是：当粒子尺 寸降到小值时，出现费米能级附近的电子能级由准连续变为不连续离散分布的现象时 湘潭大学本科生毕业论文 - 3 - 就会出现明显的量子效应，导致纳米微粒的磁、光、声、热、电等性能与宏材料的特 性有明显的不同。例如，共振吸收的峰比普通材料尖锐得多；比热容与温度的关系也 呈非线性关此外，微粒磁化率、电导率、电容率等参数也因此具有特有的变化规律。 宏观量子隧道效应: 微观粒子贯穿势垒的能力成为隧道效应。磁化的纳米粒子具 有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化(即宏观量子隧道效应)。纳米 颗粒这一特性的研究对基础研究及实际应用都具有重要的意义，它限定了磁盘对信息 存储的极限，确定了现代微电子器件进一步微型化的极限。 1.1.3 纳米材料的应用前景 1碳纳米管，1991 年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一， 强度却是钢的 10 倍，而成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为， 纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳 米级电子线路等。 2碳纳米秤， 1999 年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管强度和柔韧性实验时 发明了世界上最小的 “秤” ，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于个病毒的 重量。其称量原理类似利用弹簧的震荡特性来测算出物体质量。例如，弹簧就是一个 极微细的碳管，通过测量碳纳米管的振动频率可以测出粘结在碳纳米管自由端顶部的 微小质量 。 3纳米发电机，2004 年 2 月欧洲科学院院士，国际固体微结构分析与信息功能材 料方面的著名专家王中林，和他领导的孔向阳博士和丁勇博士在世界上首次发现由单 晶体纳米带环绕而形成的封闭式环形纳米结构，成果发表在科学杂志。 2005 年 9 月王中林和博士生高普献、博士后丁勇等创建纳米世界的螺旋结构，开拓功能氧化物 纳米结构研究与应用的新领域。2006 年 4 月王中林和博士生宋金会成功地在纳米尺度 范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小发电机纳米发电机。 4生物医药材料应用，假如利用纳米粒子研制成机器人，注入人体血管内，就可 以对人体进行全身健康检查和治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物 等，还可吞噬病毒，杀死癌细胞。在医药方面，可在纳米材料的尺寸上直接利用原子、 分子的排布制造具有特定功能的药品纳米材料粒子将使药物在人体内的输运更加方便。 经过几十年对纳米技术的研究探索，现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子， 纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学 新材料和生物分子追踪四大领域高速发展。可以预测：不久的将来纳米金属氧化物半 导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳米复合物、纳米光子晶体将应运而生； 用于集成电路的单电子晶体管、记忆及逻辑元件、分子化学组装计算机将投入应用； 分子、原子簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、集成生 湘潭大学本科生毕业论文 - 4 - 物化学传感器等将被研究制造出来。 1.2 纳米氧化锌纳米氧化锌 1.2.1 纳米氧化锌的简介 纳米氧化锌是近年来开发的一种新型无机功能材料，它是粒径介于 1100 nm 的 微粒。由于颗粒尺寸的细微化，比表面积急剧增加，纳米氧化锌粒子具有明显的表面 与界面效应、量子尺寸效应、体积效应和宏观量子遂道效应以及高透明度、高分散性 等特点，与普通 ZnO 相比，表现出优良的光活性、电活性、烧结活性和催化活性，因 而纳米氧化锌在磁、光、电、热、敏感等方面有一般氧化锌产品无法比拟的特殊性能， 具有一系列优异的物理、化学性能，在精细陶瓷、紫外线屏蔽、压电材料、光电材料、 高效催化材料、磁性材料等方面具有广阔的应用开发前景7-9。 1.2.2 纳米氧化锌的制备方法 1、直接沉积法 该法的原理是在可溶性锌盐溶液中加沉淀剂(OH- ，C2O42- ，CO32-等) 后,在一定条件下,生成沉淀从溶液中析出,并将阴离子洗去,沉淀经热分解 得到纳米 ZnO. 常用沉淀剂有 NaOH、NH3 H2O、(NH4 ) 2CO3 及 Na2CO3等. 沉淀剂 不同、沉淀产物不同、反应机理不同,其分解温度也不同. Jing liqing 等以 ZnSO4 为 原料,NaOH 为沉淀剂制得平均粒径为 1225 nm 的纳米 ZnO. Sossina HM 易求实等分别 以 ZnSO4 和 ZnCl2 为原料,NH3H2O 为沉淀剂制得了 18 nm 左右的纳米 ZnO. 关敏等 用 NaHCO3 和 NaNO3 为原料制备了平均粒径为 1530 nm 的纳米氧化锌颗粒. XRD 分析 ZnO 为六方纤锌矿结构,TEM 观察为类球形颗粒. 此法操作简单易行,对设备需求 不高,成本低;但粒子粒径分布宽,分散性差,粒子容易发生团聚 2、均匀沉积法 均匀沉积法是利用中间反应产物,使溶液中的构晶粒子由溶液中 湘潭大学本科生毕业论文 - 5 - 缓慢地、均匀地释放出来(此时加入的沉淀剂不是立刻与被沉淀组分发生反应，而是通 过化学反应使沉淀剂在整个溶液中缓慢生成)的方法。1937年我国化学家唐永康和美国 化学家Willard 首先提出此法. 均匀沉淀法中，沉淀步骤是控制粒子形状的关键,分解 步骤是控制粒度的关键。 只有二者有机结合，才可获得所需形状和大小的ZnO 纳米 粒子。 其特点:颗粒均匀，容易洗涤，粒子分布均匀,能避免杂质共沉淀。MAndres. verges 等用Zn (NO3 ) 2 和六亚甲基四胺为原料制得单分散类球状ZnO 粉体。刘朝峰以 Zn (NO3 ) 2 为原料，尿素为沉淀剂,在125 左右制得了1580 nm 氧化锌纳米粒子. 关敏等10利用CO(NH2 ) 2和Zn(NO3 ) 2 在常压下制得平均粒径为930 nm 氧化锌粒子， TEM观察形状为类球状。 比较而言,尿素无毒易得、价格低、不造成污染,因而工业前 景广阔。 3、水热法 水热法是将反应前驱物可溶性锌盐和碱分置于管状高压釜中,在反应温 度300 ,体系压力20 MPa 下,分置的锌盐和碱溶液混合形成氢氧化锌的“沉淀反应” 和氢氧化锌脱水的“脱水反应”集合在同一容器内同时完成的. 水热法是发展较晚的 一种方法,我国上海硅酸盐所于1976 年以KOH和LiOH为培养基生长出60 g 以上,面积 6cm2 以上的ZnO 单晶. 2003 年郭敏等11采用廉价低温水热法,在ITO基底上制备了 大范围取向高度统一,平均直径为40 nm ,长度为4 m的单晶ZnO 的纳米棒阵列膜,该 膜在390 nm 附近发射强的荧光. 2006年许磊等12以硝酸锌(Zn(NO3 ) 26H2O) 和六亚 甲基四胺(C6H12N4 ) 为原料,采用水热法在90 生长出多枝ZnO 纳米棒. 观察发现多 枝ZnO 纳米结构是由单根纳米棒演化而来,不同发展阶段样品的PL 谱呈现出强的黄绿 光发射现象. 最近浙江大学Haoyongyin 等采用水热法,以Zn(AC) 2H2O 为原料,SDS 为辅助液,控制温度为160 ,时间24 h ,生成菊花状ZnO 纳米棒,单个ZnO 纳米棒直径 20 nm ,长度1m ,顶部为长毛状. 2007 年Ali Elkhidir Suliman 等采用二次水热法制备 了纳米毯(nanosheets)。 4、溶胶- 凝胶法(sol - gel) 此法是将金属有机或无机化合物经过溶液水解、溶胶、 凝胶而固化,再经热处理而形成氧化物或其他化合物粉体，常用无机盐和金属盐Zn(NO3 ) 2 、ZnSO4 、ZnCl2 、Zn (CH3OO)2 等制备纳米氧化锌. Hohen chu . shengyuan 等以 Zn(CH3OO) 2 为原料,利用sol - gel 法制得氧化锌纳米粉体。刘素琴等13 以NaOH和 Zn(NO3 ) 2 为反应前屈体,制得尺寸为4080 nm的ZnO 粉体，该法制得的粉体粒度可 控,分布均匀,纯度高,而且设备简单,易于控制制备条件。 5、模板法 模板法是合成一维纳米材料的一项有效技术,具有良好的可控性,可利 用其空间限制作用和模板的调试作用对合成材料的大小、形貌、结构和排布等进行控 制. 模板通常用孔径为纳米级到微米级的多孔材料作为模板,结合电化学沉积法、溶胶 - 凝胶法和气相沉积法等技术使物质粒子或原子沉积在模板的孔壁上,形成所需的纳米 结构. Tak 等在氨水溶液中、硅模板上制备了高度取向的 ZnO 纳米棒。 通过热蒸发, 湘潭大学本科生毕业论文 - 6 - 很薄的金属锌沉积在硅模板上,沉积层厚度约 40 nm. 将温度控制在 6090 ,生长平 均时间为 6 h ,即有结均一的 ZnO 纳米棒生成。 Y.Li 等14 通过在空气中,300 下氧化锌沉积在阳极氧化铝薄膜(AAM) 的纳米管 道中,反应时间为 5 h ,生长出有序排列的 ZnO 纳米线,直径分布在 1590 nm 范围内. Wu 等15也用模板法制备了高度取向的 ZnO 纳米棒,其直径为 6080 nm ,长度 450500 nm ,室温下在 386 nm 附近有很强的 UV 吸收。 PL 和 Raman 光谱表明 ZnO 纳米棒中有很低的氧空位。 模板法制备纳米结构的特点;1) 所用膜容易制备,合 成方法简单;2) 由于膜孔径大小一致,制备的材料同样具有孔径相同,单分散的结构;3) 在膜孔中形变成的纳米材料容易从模板中分离出来。 1.2.3 纳米氧化锌材料的用途 1、橡胶工业 纳米氧化锌是橡胶工业最有效的无机活性剂和硫化促进剂。纳米氧 化锌具有颗粒微小，比表面积大，分散性好，疏松多孔，流动性好等物理化学特性， 因此，与橡胶的亲和性好，熔炼时易分散，胶料生热低，扯断变形小，弹性好，改善 材料工艺性能和物理性能。用于制造高速耐磨的橡胶制品，如飞机轮胎、高级轿车用 的子午线胎等，具有防止老化、抗摩擦着火、使用帮命长等优点，大幅度提高了橡胶 制品的光洁度、机械强度、耐温和耐老化性能，特别是耐磨性能。另外，氧化锌作为 橡胶制品中硫化体系的必用助剂，其填充量较高，一般为 5 份左右，由于氧化锌比重 大，填充量大，其对胶料密度的影响非常大，对制品使用寿命和能源消耗都不利。而 使用了纳米氧化锌后，其用量仅为等级氧化锌用量的 30-50，降低了企业的生产成 本，而在强伸性能、生热、老化等方面远优于普通氧化锌 。 2、陶瓷行业 纳米氧化锌极小的粒径，大的比表面积和高的化学性能，可以显著 降低材料的烧结致密化程度，节约能源，使陶瓷材料的组成结构的致密化、均匀化， 改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性可。以从纳米材料的结构层次(1100nm)上 控制材料的成分和结构，有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能。另外，由于陶瓷粉料 的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能，如果粉料的颗粒堆积均匀，烧成 收缩一致且晶粒均匀长大，那么颗粒越小，产生的缺陷越小，所制备的材料的强度就 相应越高，这就可能出现一些大颗粒材料不具备的独特性能。 3、日用化工 纳米氧化锌在阳光，尤其在紫外线照射下，在水和空气中，能自行 分解出自由移动的带负电的电子，同时留下带正电的空穴这种空穴可以将空气中的 氧变成活性氧，有极强的化学活性，能与大多数有机物发生氧化反应(包括细菌类的有 机物)，从而把大多数的病菌和病毒杀。对纳米氧化锌的定量杀菌试验表明：在 5min 内，纳米氧化锌的浓度为 1 时，金黄色葡萄球菌的杀菌率为 9868 ，大肠杆菌的 杀菌率为 9993纳米氧化锌吸收紫外线的能力强，对长波紫外线(UVA)波长 (320400mm)和中波紫外线(UVB)波长(280320nm)均有屏蔽作用纳米氧化锌无毒、 湘潭大学本科生毕业论文 - 7 - 无味，对皮肤无刺激，不分解、不变质、稳定性好，本身为白色，可以根据不同对象 加以着色，价格便宜。纳米氧化锌是皮肤的外用药物，对皮肤有收敛、消炎、防皱和 保护等功能，可用于化妆品的防晒剂以防止紫外线的伤害并能抗菌除臭，可用于生产 防臭、抗菌、抗紫外线的纤维如日本帝。人公司生产的采用纳米氧化锌消臭剂的防臭 纤维，能吸收臭味，净化空气，可用于制成长期卧床病人和医院的消臭敷料、绷带、 尿布、睡衣、窗帘及厕所用纺织品等 。 4、涂料 舰船长期航行、停泊在海洋环境中，采用纳米氧化锌作原料，制成一种 舰船专用的涂料，不仅起到屏蔽紫外线的作用，而且还可以杀死各种微生物，从而可 提高航行速度并延长检修期限。此外，用纳米氧化锌制造一种汽车专用的变色颜料， 添加在金属闪光的面漆中，随着角度的变化，能使涂层产生丰富而神秘的“颜色效应” ， 使车身表面产生较好的成像效果，增辉闪光，深受汽车配色专家的偏爱。 5、磁性材料 磁性材料是电子信息产业发展的基础，纳米磁性材料的特性不同于 常规的磁性材料，其原因是有关联于与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级，例 如：磁单畴尺寸、超顺磁性临界尺寸、交换作用长度、以及电子平均自由路程等大致 处于 1100nm 量级，当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会出现反常的磁 学性质纳米做晶金属软磁材料具有十分优异的性能，高磁导率、低损耗、高饱和磁 化强度，已应用于开关电源、变压器、传感器等，可实现器件的小型化、轻型化、高 频化以及多功能化，近年来发展十分迅速 。如工业上广泛使用的锰锌铁氧体，是一种 软磁材料，具有很好的磁性能，该磁性材料的制造工艺极为复杂，需在 1300 摄氏度下 进行烧结。如果采用纳米氧化锌作原料，不仅可以简化制造工艺，而且还可以提高产 品的“均一性”和导磁率，减少产品在烧制过程中破裂的损失，降低烧结温度，使产 品质量显著提高。 1.3 超疏水性质超疏水性质 固体表面的润湿性取决于它的化学组成(或表面自由能)和微细结构(或表面粗糙度)， 通常用水滴在固体水平面上的静态接触角 CA(contact angle)来衡量固体表面的润湿性， 当 CA150时，分 别称之为疏水、超疏水材料。近年来，超疏水材料因其在防雪、抗氧化、自净、微流 体注射、防止电流传导、防污染、防腐等方面有广泛的应用前景而备受关注。研究发 现，水黾能在水面上自由滑行、荷叶表面有自清洁效应，都与其表面的微结构有紧密 关系，由于受水黾腿部、荷叶表面超疏水效应的启发，人们尝试用各种方法研制超疏 水界面，一般来说，超疏水性界面可以通过以下两种方法构筑，一种是在疏水界面上 构建粗糙结构，所用方法有溶胶-凝胶法、水热法15、等离子体刻蚀、阳极氧化法、相 分离法、模板法、电化学沉积法、结晶控制法等。另一种是在粗糙表面上修饰低表面 能物质，常用的低表面能物质有氟化烷基硅烷、氟聚合物、蜡等。 湘潭大学本科生毕业论文 - 8 - 1.4 表面活性剂表面活性剂 1.4.1 表面活性剂及其原理 表面活性剂(surfactant)，是指具有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排 列，并能使表面张力显著下降的物质。表面活性剂的分子结构具有两亲性：一端为亲 水基团，另一端为憎水基团；亲水基团常为极性的基团，如羧酸、磺酸、硫酸、氨基 或胺基及其盐，也可是羟基、酰胺基、醚键等；而憎水基团常为非极性烃链，如 8 个 碳原子以上烃链。 表面活性剂通过分子中不同部分分别对于两相的亲和，使两相均将其看作本相的 成分，分子排列在两相之间，使两相的表面相当于转入分子内部。从而降低表面张力。 由于两相都将其看作本相的一个组分，就相当于两个相与表面活性剂分子都没有形成 界面，就相当于通过这种方式部分的消灭了两个相的界面，就降低了表面张力和表面 自由能。 1.4.2 表面活性剂在纳米材料制备中的应用 表面活性剂可分为阳离子型，阴离子型，两性和非离子型等等多种类型，是由性 质不同的疏水和亲水部分构成的两亲性分子，由于其两亲分子结构在溶液中产生疏水 效应，使两亲分子可以形成多种多样的自组织结构。这些自组织结构16是两亲分子有 序排列的结果，可以将它们概括为“两亲分子有序组合体” ，如单分子膜、LB 膜、胶束 （反胶束）微乳、囊泡、液晶等。目前， “两亲分子有序组合体”的概念已经逐渐成 熟，并成为分子聚集体化学的重要组成部分。 美国的 Bender17等人研究了不同的表面活性剂对金纳米粒子纵横比的影响。发现 随着表面活性剂链的增长，相应的纳米粒子的纵横比也增加了，纳米粒子由球形逐渐 变成了棒状。目前，一些新的技术也被引入到表面活性剂体系中。如将反胶束法与水 热法相结合可以有效控制纳米粒子的晶型及形貌，将 CO2 超临界流体作为反胶束的外 相则可以避免使用油相且利于分离产物粒子。已有研究证实将水热处理应用到微乳液 中可以提高纳米产物的结晶性18。曹敏花等人通过将 CTAB 形成的棒状软模板与水热法 相结合控制合成了 PbO2 和 Pb3O4 的单晶纳米棒19，将 CTAB/水/环己烷/正戊醇四组 分微乳液体系经过水热处理后，合成了 BaF2 单晶须状物20及羟基磷石灰的纳米纤维21。 韩步兴等研究了反胶束介质中超声诱导下 Ag 纳米线的形成机理，还利用溶解的 CO2 作 为抗溶剂回收了普通反胶束法合成的 Ag 纳米粒子22-23。 第二章第二章 ZnO 微纳米材料的合成及超疏水性能研究微纳米材料的合成及超疏水性能研究 2.1 前言前言 ZnO 作为纳米化的半导体材料不仅具有宽频带、强吸收和“蓝移”现象，还能产生 光学非线性响应，具有更优异的光电催化活性，在发光材料、非线性光学材料、光催 湘潭大学本科生毕业论文 - 9 - 化材料等方面也应用广泛。纳米材料的性能与其尺寸和形貌有密切的关系，控制纳米 微粒的尺寸和形态将有助于研究调控其物理性质。 本文设计了一条简单的水热合成路线，以二水合乙酸锌和氢氧化钠为原料， 1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷为表面活性剂，在不同温度，不同 pH 下制备了氧 化锌纳米晶体，探讨了不同反应参数如反应温度、溶液 pH 和表面活性剂等对最终产物 形貌的影响。 2.2 实验部分实验部分 2.2.1 实验仪器与药品 表 2.1 实验中用到的仪器设备 仪器型号生产厂家 电热鼓风干燥箱 FN101-2 长沙仪器仪表厂 笔式酸度计 PHREX-2 上海雷磁有限公司 台式低速离心机 RJ-TDL-40B 智杰仪器有限公司 真空干燥器真空干燥器 DZ-1BC 泰斯特仪器有限公司 超声波清洗器 KQ-100B 昆山超声仪器有限公司 扫描电子显微镜 JSM-6710LV 日本 JEOL 公司 X 射线衍射仪 D/MAX 2500 日本理学 光学接触角测量仪 Model p/n 250F1 Ram-hart 表 2.2 实验中用到的主要以药品与试剂 原料分子式级别产地 二水合乙酸锌Zn(CH3COO)22H2 O 分析 纯 氢氧化钠NaOH分析 纯 西陇化工厂有限公司 1H,1H,2H,2H-全氟 癸基三乙氧基硅烷 (C2H5O)3Si(CH2)2 C8F17 分析 纯 进口 2.2.2 实验步骤 称取 0.6 g 二水合乙酸锌在磁力搅拌下溶解在 6 ml 去离子水中形成透明溶液，在 搅拌条件下将 10 ml 的 2 M 的氢氧化钠溶液加入到上述透明溶液中形成白色悬浊液， 然后向白色悬浊液中加入 0.1 g PEG1000。继续搅拌半小时后，用 1M 的盐酸溶液调节 溶液的 pH 为 12, 10, 8 后将溶液转移到反应釜中在 120 oC 下加热 24 h。或者不调 pH 在 120, 160, 180 oC 下加热 24 h。待温度冷却到室温后，将所得产品用去离子水和无水 乙醇交替进行洗涤。最后将产物置于真空干燥箱中 60 oC 下干燥 12 h。 2.3 实验结果及讨论实验结果及讨论 2.3.1 反应温