超聲波對制備超細(xì)氧化鋅的影響

崔云麗，李國庭，楊 波

（河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

超聲波對制備超細(xì)氧化鋅的影響

崔云麗，李國庭，楊 波

（河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

采用直接沉淀法，在特定超聲頻率下制得超細(xì)氧化鋅產(chǎn)品。研究了3種沉淀劑通過超聲波后對制備超細(xì)氧化鋅產(chǎn)品的影響，經(jīng)超聲制備的產(chǎn)品分散性好、粒度小。確定了最佳超聲時間為50 min，超聲強(qiáng)度為40%。通過SEM檢測可知，在最佳條件下制得的超細(xì)氧化鋅產(chǎn)品為類球形，晶粒內(nèi)部有中空孔洞，其粒徑約為200nm。

超聲波；沉淀法；超細(xì)氧化鋅；制備

超細(xì)氧化鋅是一種新型的高功能精細(xì)無機(jī)半導(dǎo)體材料，由于它比普通氧化鋅的尺寸小，比表面積大，晶粒表面無序排列的原子比例大，且常存在各種缺陷結(jié)構(gòu)，使得它具備了特殊性質(zhì)，在磁、光、電、敏感性等方面具有一般氧化鋅產(chǎn)品無可比擬的特殊性能。因此，超細(xì)氧化鋅被廣泛應(yīng)用于石油化工、橡膠、陶瓷、油漆、涂料、電子、紡織、醫(yī)藥、日化等行業(yè)。例如：添加超細(xì)氧化鋅的橡膠與添加普通氧化鋅的橡膠相比，其斷裂強(qiáng)度、抗撕強(qiáng)度和耐磨損性等指標(biāo)都有增強(qiáng)［1－3］。隨著科技的迅速發(fā)展及合成新材料的迫切需要，氧化鋅粉體材料的制備正向著超細(xì)化的方向發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及儀器

氯化鋅、氫氧化鈉、氨水、碳酸氫銨均為分析純，天津市永大化學(xué)試劑廠提供。

DF－101S集熱式恒溫磁力攪拌器、恒流泵、SCIENTZ－2D超聲波細(xì)胞破碎機(jī)、真空干燥箱、馬弗爐等。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

以氯化鋅為原料，選用氫氧化鈉、氨水、碳酸氫銨3種不同的沉淀劑，在超聲條件下制備超細(xì)氧化鋅產(chǎn)品。其主要反應(yīng)式如下。

以氫氧化鈉作沉淀劑：

以氨水作沉淀劑：

以碳酸氫銨作沉淀劑：

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

首先將配置好的一定濃度的氯化鋅溶液倒入反應(yīng)器中，然后用恒流泵將適量的沉淀劑以恒定流速加入反應(yīng)器中，頂部采用超聲波細(xì)胞破碎機(jī)超聲，底部采用集熱式恒溫磁力攪拌器攪拌。反應(yīng)結(jié)束后放置一定時間得到白色氫氧化鋅沉淀，取出沉淀過濾，并用去離子水多次洗滌，再用無水乙醇洗滌。取出濾餅放入真空干燥箱中干燥，得到氫氧化鋅白色粉末，最后在馬弗爐中焙燒制得產(chǎn)品氧化鋅［4］。其工藝流程示意圖見圖1。

圖1 制備超細(xì)氧化鋅工藝流程示意圖Fig.1 Flow chart of preparation of superfine zinc oxide

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波對氧化鋅合成的影響

本實(shí)驗(yàn)以氯化鋅為原料，分別采用氫氧化鈉、氨水、碳酸氫銨3種沉淀劑進(jìn)行反應(yīng)［5］。通過大量實(shí)驗(yàn)確定最佳工藝條件［6］如下：氯化鋅溶液濃度為0.8mol／L，沉淀劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)（氨水體積分?jǐn)?shù)）為20%，氯化鋅與沉淀劑的物質(zhì)的量比為1∶2.2，溫度為55℃，反應(yīng)時間為50min，煅燒溫度為800℃。同時在此制備過程中加入超聲外場，控制超聲時間為50min，超聲強(qiáng)度為40%，制備超細(xì)氧化鋅產(chǎn)品，與未超聲制備所得產(chǎn)品進(jìn)行對比。所得超細(xì)氧化鋅產(chǎn)品經(jīng)激光粒度儀分析結(jié)果見表1。

表1 超聲波對產(chǎn)品粒度的影響Tab.1 Influence of product size by ultrasonic

表1是在最佳工藝條件下，研究超聲波在不同沉淀劑作為原料時對產(chǎn)品粒度的影響。結(jié)果表明：所有沉淀劑超聲制備的產(chǎn)品粒度均比未超聲制備的產(chǎn)品粒度明顯減小，但以氨水為沉淀劑時，影響較為突出。所以，本實(shí)驗(yàn)選取氯化鋅和氨水作為原料進(jìn)行超聲時間和超聲強(qiáng)度對產(chǎn)品影響的研究。

2.2 超聲時間對氧化鋅產(chǎn)品粒度的影響

圖2 超聲時間對超細(xì)氧化鋅粒度的影響Fig.2 Influence of ultrasonic time on superfine particle size of zinc oxide

以氯化鋅和氨水為原料，采用2.1中的最佳工藝條件，并在制備過程中加入超聲外場，在不同超聲時間內(nèi)，制得的氧化鋅產(chǎn)品粒度測試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知：氧化鋅的粒度隨超聲時間的延長先變小，繼而增大，整個超聲時間范圍內(nèi)出現(xiàn)最小粒度點(diǎn)。超聲時間太短，晶核的分散不充分，生成的超細(xì)氧化鋅產(chǎn)品團(tuán)聚減弱不明顯，粒度也較大［7］；如果超聲時間過長，在一定時間內(nèi)的超聲連續(xù)作用，可使聲場區(qū)域產(chǎn)生溫升，致使顆粒粒度變大。經(jīng)過比較得出最適宜的超聲時間為50min。

2.3 超聲強(qiáng)度對產(chǎn)品粒度的影響

以氯化鋅和氨水為原料，采用2.1中的最佳工藝條件，并在制備過程中加入超聲外場，在不同超聲強(qiáng)度下測定氧化鋅產(chǎn)品粒度，測試結(jié)果見圖3。

圖3是在超聲時間均為50min，改變超聲強(qiáng)度的條件下得到的結(jié)果。由圖3可知：在整個超聲強(qiáng)度變化范圍內(nèi)，超聲強(qiáng)度為40%時得到的產(chǎn)品粒度最小；超聲強(qiáng)度太小，它的空化作用和機(jī)械攪拌作用不明顯，分散不充分，粒度減小較少；超聲強(qiáng)度太大，其能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽欣诋a(chǎn)品顆粒成核及生長，產(chǎn)品粒度反而增大［8］。

2.4 在最佳超聲條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以0.8mol／L的氯化鋅溶液和20%（體積分?jǐn)?shù)）的氨水為原料，反應(yīng)配比取氯化鋅與氨水的物質(zhì)的量比為1∶2.2，反應(yīng)溫度為55℃，反應(yīng)時間為50min，煅燒溫度為800℃，制備所得氧化鋅產(chǎn)品的SEM掃描圖見圖4a）。在同等條件下，在制備過程中加入超聲外場，控制超聲時間為50min，超聲強(qiáng)度為40%，所得氧化鋅產(chǎn)品SEM掃描圖見圖4b）。

由圖4可以看出：在超聲條件下制得的氧化鋅的晶形和粒度均有所改變；未經(jīng)超聲的產(chǎn)品晶形為類球形，產(chǎn)品平均粒度約為300nm；而在超聲條件下制得的產(chǎn)品晶形為類球形，稍顯不規(guī)則，產(chǎn)品晶粒有中空孔洞，且產(chǎn)品粒度約為200nm，較未經(jīng)超聲產(chǎn)品粒度減小約100nm；在超聲條件下制備的氧化鋅產(chǎn)品分散性較好，無團(tuán)聚現(xiàn)象。

3 結(jié) 語

1）以氯化鋅為原料，選取不同沉淀劑制備超細(xì)氧化鋅，所得的產(chǎn)品粒度約為300nm；制備過程中加入超聲外場后，較相同條件下所得產(chǎn)品粒度明顯減小，特別是對以氯化鋅和氨水為原料制備氧化鋅的產(chǎn)品粒度影響較為突出。

2）以氯化鋅和氨水為原料，在超聲條件下，制備氧化鋅的最佳工藝條件如下：氯化鋅溶液濃度為0.8 mol／L，氨水的體積分?jǐn)?shù)為20%，氯化鋅和氨水的物質(zhì)的量比為1∶2.2，反應(yīng)溫度為55℃，超聲時間為50 min，超聲強(qiáng)度為40%，煅燒溫度為800℃。在該條件下制備出的氧化鋅產(chǎn)品呈類球形，產(chǎn)品顆粒內(nèi)部有中空孔洞，產(chǎn)品粒度約為200nm。

3）在制備超細(xì)氧化鋅過程中引入超聲波，不僅可以大幅度減小粒度，改善產(chǎn)品分散性，而且可以改變微粒結(jié)構(gòu)。該方法將在超細(xì)及納米材料制備過程中有著更廣闊的應(yīng)用前景。

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127－130.

Influence of ultrasonic on preparation of superfine zinc oxide

CUI Yun－li，LI Guo－ting，YANG Bo
（College of Chemical and Pharmaceutical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China）

Superfine zinc oxide particles were prepared by using direct precipitation method under a certain ultrasonic frequency.The changes of the products under ultrasonic with three different raw materials were studied.The optimum ultrasonic time is 50min and the optimum ultrasonic strength is 40%.The optimized superfine zinc oxide products are spherical like with hollow holes in the grain，and the particle diameter is about 200nm.

ultrasonic；precipitation；superfine zinc oxide；preparation

TQ132.4

A

1008－1542（2012）02－0142－04

2011－08－28；

2011－11－09；責(zé)任編輯：張士瑩

崔云麗（1984－），女，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要從事無機(jī)新型粉體材料方面的研究。

李國庭教授。E－mail：ligt＠hebust.edu.cn