納米氧化鋅
中文名：納米氧化鋅 英文名：Zinc oxide，nanometer
別名：納米鋅白；Zinc White nanometer
CAS RN.：1314-13-2 分子式：ZnO 分子量：81.37
納米氧化鋅(ZnO)粒徑介於1-100 nm之間，是一種面向21世紀的新型高功能精細無機產品，表現出許多特殊的性質，如非遷移性、螢光性、壓電性、吸收和散射紫外線能力等，利用其在光、電、磁、敏感等方面的奇妙性能，可製造氣體傳感器、螢光體、變阻器、紫外線遮蔽材料、圖像記錄材料、壓電材料、壓敏電阻、高效催化劑、磁性材料和塑料薄膜等。
納米氧化鋅是一種多功能性的新型無機材料，其顆粒大小約在1～100納米。由於晶粒的細微化，其表面電子結構和晶體結構發生變化，產生了宏觀物體所不具有的表面效應、體積效應、量子尺寸效應和宏觀隧道效應以及高透明度、高分散性等特點。近年來發現它在催化、光學、磁學、力學等方面展現出許多特殊功能，使其在陶瓷、化工、電子、光學、生物、醫藥等許多領域有重要的應用價值，具有普通氧化鋅所無法比較的特殊性和用途。納米氧化鋅在紡織領域可用於紫外光遮蔽材料、抗菌劑、螢光材料、光催化材料等。由於納米氧化鋅一系列的優異性和十分誘人的應用前景，因此研發納米氧化鋅已成為許多科技人員關注的焦點。
金屬氧化物粉末如氧化鋅、二氧化鈦、二氧化矽、三氧化二鋁及氧化鎂等，將這些粉末製成納米級時，由於微粒之尺寸與光波相當或更小時，由於尺寸效應導致使導帶及價帶的間隔增加，故光吸收顯著增強。各種粉末對光線的遮蔽及反射效率有不同的差異。以氧化鋅及二氧化鈦比較時，波長小於350納米（UVB）時，兩者遮蔽效率相近，但是在350～400nm（UVA）時，氧化鋅的遮蔽效率明顯高於二氧化鈦。同時氧化鋅（n＝1.9）的折射率小於二氧化鈦（n＝2.6），對光的漫反射率較低，使得纖維透明度較高且利於紡織品染整。
納米氧化鋅還可用來製造遠紅外線反射纖維的材料，俗稱遠紅外陶瓷粉。而這種遠紅外線反射功能纖維是通過吸收人體發射出的熱量，並且再向人體輻射一定波長範圍的遠紅外線，除了可使人體皮下組織中血液流量增加，促進血液循環外，還可遮蔽紅外線，減少熱量損失，故此纖維較一般纖維蓄熱保溫。
氧化鋅是一種半導體催化劑的電子結構，在光照射下，當一個具有一定能量的光子或者具有超過這個半導體帶隙能量Eg的光子射入半導體時，一個電子從價帶NB激發到導帶CB，而留下了一個空穴。激發態的導帶電子和價帶空穴能夠重新結合消除輸入的能量和熱，電子在材料的表面態被捕捉，價態電子躍遷到導帶，價帶的孔穴把周圍環境中的羥基電子搶奪過來使羥基變成自由基，作為強氧化劑而完成對有機物（或含氯）的降解，將病菌和病毒殺死。
日本新興人化公司、帝人公司、倉螺公司、鍾紡公司、東洋公司等均生產防臭、抗菌及抗紫外線等纖維。例如日本倉螺公司將氧化鋅微粉摻入異形截面的聚酯纖維或長絲中，開發出抗紫外光纖維，除了具有遮蔽紫外光的功能外，還有抗菌、消毒、除臭等功能。
氧化鋅是很好的光致發光材料，可利用紫外光、可見光或紅外光作為激發光源而誘導其發光。氧化鋅在室溫下擁有較強的激發束縛能，可以在較低激發能量下產生有效率的放光。在過去幾十年，有關發光模式曾有很多類型被提出，如氧空缺、間隙中的氧離子、鋅離子缺陷或間隙中鋅離子等。氧化鋅是在藍紫外光及或見光區頗有發光潛力的材料，近來更是廣泛應用於平面顯示器上或一些特殊功能的顏料上，在一定能量之光照下，顏料呈紅色，而無光照時呈黑色。
納米氧化鋅可用來處理空氣汙染方面的問題是因為它具有高比表面積、高活性、特殊物理性質、致使它對外界環境（如溫度、光、溼氣等）十分敏感，外界環境的改變會迅速引起其電阻的顯著變化，此種特性使之在感測方面很有潛力。利用它可研發出耐熱性及耐蝕性佳、應答速率快、靈敏度高、選擇性好、元件製作容易，以及易與微處理器組合成氣體感測系統或攜帶式監測器，因此被廣泛地使用在家庭、工廠環境中以檢測毒性氣體及燃燒爆炸性氣體。將氧化鋅製成介電薄膜可廣泛用於汽車燃料電磁、冷氣機、手機及半導體器件。
納米氧化鋅具有半導體的特性，在室溫下具有比塊材氧化鋅更高的導電性，因而能起靜電屏蔽作用。可製成抗靜電塗料及白色導電纖維，同時其調色優於常用導電材料碳黑，故應用更為廣泛。
目前國內外開發納米氧化鋅需要解決的主要問題是，應致力把相關的製備技術、儀器分析設備及基礎研究結合起來，得以製備出不同的粒徑大小、結晶型態、及外觀（球形、棒狀、針狀或樹枝狀）等，使得耐米氧化鋅適合於各種產業的應用。
加強制備過程中的分散技術，不產生二次聚集。
加強納米氧化鋅與其他納米材料或有機高分子材料的複合添加技術及相關的設備研究。
加強納米氧化鋅塗層技術，使其適用於不同的領域，如抗靜電、防紫外線及紅外線吸收等。並使納米氧化鋅的應用產生出巨大的經濟效益。
一、納米氧化鋅的製備
氧化鋅的製備方法分為三類：即直接法（亦稱美國法）、間接法（亦稱法國法）和溼化學法。目前許多市售氧化鋅多為直接法或間接法產品，粒度為微米級，比表面積較小，這些性質大大制約了它們的應用領域及其在制品中的性能。該公司採用溼化學法（NPP-法）製備納米級超細活性氧化鋅，可用各種含鋅物料為原料，採用酸浸浸出鋅，經過多次淨化除去原料中的雜質，然後沉澱獲得鹼式碳酸鋅，最後焙解獲得納米氧化鋅。與以往的製備納米級超細氧化鋅工藝技術相比，該新工藝具有以下技術方面的創新之處：
1.平衡條件下反應動力學原理與強化的傳熱技術結合，迅速完成鹼式碳酸鋅的焙解。
2.通過工藝參數的調整，可以製備不同純度、粒度及顏色的各種型號的納米氧化鋅產品。
3.本工藝可以利用多種含鋅物料為原料，將其轉化為高附加值產品。
4.典型綠色化工工藝，屬於環境友好過程。
二、納米氧化鋅的性能表徵
納米級氧化鋅的突出特點在於產品粒子為納米級，同時具有納米材料和傳統氧化鋅的雙重特性。與傳統氧化鋅產品相比，其比表面積大、化學活性高，產品細度、化學純度和粒子形狀可以根據需要進行調整，並且具有光化學效應和較好的遮蔽紫外線性能，其紫外線遮蔽率高達98%；同時，它還具有抗菌抑菌、祛味防酶等一系列獨特性能。
清華大學分析測試中心用透射電鏡對產品進行了分析，納米氧化鋅粒子為球形，粒徑分布均勻，平均粒徑20~30納米，所有粒子的粒徑均在50納米以下。經全自動F-Sorb 2400比表面積測定儀（北京金埃譜科技公司）BET方法測試，納米氧化鋅粉體的BET比表面積在35m2/g以上。此外，通過調整製備工藝參數，還可以生產出棒狀納米氧化鋅。本產品經中國科學院微生物研究所檢測鑑定，結果表明，在豐富細菌培養基中，加入0.5%~1%的納米氧化鋅，可有效抑制大腸桿菌的生長，抑菌率達99.9%以上。
三、納米氧化鋅的表面改性
由於納米氧化鋅具有比表面積大和比表面能大等特點，自身易團聚；另一方面，納米氧化鋅表面極性較強，在有機介質中不易均勻分散，這就極大地限制了其納米效應的發揮。因此對納米氧化鋅粉體進行分散和表面改性成為納米材料在基體中應用前必要的處理手段。納米氧化鋅比表面積研究是非常重要的，納米氧化鋅的比表面積檢測數據只有採用BET方法檢測出來的結果才是真實可靠的，國內有很多儀器只能做直接對比法的檢測，現在國內已經被淘汰了。目前國內外比表面積測試統一採用多點BET法，國內外製定出來的比表面積測定標準都是以BET測試方法為基礎的，請參看我國國家標準（GB/T 19587-2004）-氣體吸附BET原理測定固態物質比表面積的方法。比表面積檢測其實是比較耗費時間的工作，由於樣品吸附能力的不同，有些樣品的測試可能需要耗費一整天的時間，如果測試過程沒有實現完全自動化，那測試人員就時刻都不能離開，並且要高度集中，觀察儀錶盤，操控旋鈕，稍不留神就會導致測試過程的失敗，這會浪費測試人員很多的寶貴時間。國內幾家生產比表面積測定儀廠商中，只有北京金埃譜科技有限公司的F-Sorb 2400比表面積分析儀是真正能夠實現BET法檢測功能的儀器（兼備直接對比法），更重要的北京金埃譜科技有限公司的F-Sorb 2400比表面積分析儀是迄今為止國內唯一完全自動化智能化的比表面積檢測設備，其測試結果與國際一致性很高，穩定性也很好，同時減少人為誤差，提高測試結果精確性。
所謂納米分散是指採用各種原理、方法和手段在特定的液體介質（如水）中，將乾燥納米粒子構成的各種形態的團聚體還原成一次粒子並使其穩定、均勻分布於介質中的技術。納米粉體的表面改性則是在納米分散技術基礎上的擴展和延伸，即根據應用場合的需要，在已分散的納米粒子表面包覆一層適當物質的薄膜或使納米粒子分散在某種可溶性固相載體中。經過表面改性的納米乾粉體，其吸附、潤溼、分散等一系列表面性質都會發生變化，一般可以自動或極易分散在特定的介質中，因此使用非常方便。一般來講，納米粒子的改性方法有三種：1.在粒子表面均勻包覆一層其他物質的膜，從而使粒子表面性質發生變化；2.利用電荷轉移絡合體（如矽烷、鈦酸酯等偶聯劑以及硬脂酸、有機矽等）作表面改性劑對納米粒子表面進行化學吸附或化學反應；3.利用電暈放電、紫外線、等離子、放射線等高能量手段對納米粒子表面進行改性。
根據不同應用領域的要求，選擇適當的表面改性劑或表面改性工藝，對納米氧化鋅進行表面改性，改善其表面性能，增加納米顆粒與基體之間的相容性，從而應用於各種領域，提高產品的性能技術指標。
四、納米氧化鋅的應用
本公司從納米氧化鋅的製備伊始，就十分重視其應用技術開發的研究。通過公司內部科研人員的潛心研究，以及與相關科研單位的技術合作，在納米氧化鋅的應用技術方面取得了一系列重要成果。目前產品的主要應用領域有：
1.橡膠輪胎在橡膠行業中，特別是透明橡膠製品生產中，納米氧化鋅是極好的硫化活性劑。由於納米氧化鋅可與橡膠分子實現分子水平上的結合，因而能提高膠料性能，改善成品特性。以子午線輪胎和其他橡膠製品為例，使用納米氧化鋅可顯著提高產品的導熱性能、耐磨性能、抗撕裂性能、拉伸強度等項指標，並且其用量可節省35-50%，大大降低了產品成本；在加工工藝上，能延長膠料焦燒時間，對加工工藝極為有利。納米氧化鋅用於橡膠鞋、雨靴、橡膠手套等勞保製品中，可以大大延長製品的使用壽命，並可改善它們的外觀及色澤，其用於透明或有色橡膠製品中，有著碳黑等傳統活性劑不可替代的作用。納米氧化鋅用於氣密封膠、密封墊等製品中，對於改善產品的耐磨性和密封效果也有著良好的作用。目前該公司的納米氧化鋅已在國內多家大型輪胎和橡膠製品企業得到良好應用。
2.油漆塗料隨著人們對塗料的色澤、塗膜性能、環保等各方面要求的提高，納米材料在塗料行業中的應用受到越來越廣泛的重視。目前應用於塗料中的納米材料品種有納米二氧化鈦、納米二氧化矽、納米氧化鋅、納米碳酸鈣等，其中納米二氧化鈦和納米二氧化矽由於其昂貴的價格而限制了它們的應用範圍和數量，納米碳酸鈣性能又比較單一，在提高塗料的防黴和抗紫外老化性能方面作用較小，因而納米氧化鋅以其優異的性價比在塗料的應用中佔據了更大的優勢。納米氧化鋅具有一般氧化鋅無法比擬的新性能和新用途，能使塗層具有屏蔽紫外線、吸收紅外線及殺菌防黴作用，因此它可廣泛應用於建築內外牆乳液塗料及其他塗料中，同時它的增稠作用還有助於提高顏料分散的穩定性。該公司通過與相關科研單位聯合開發，將納米氧化鋅成功應用於水性塗料中，製作成納米氧化鋅改性塗料，經測試表明，此改性塗料的耐沾汙性、耐人工老化性、耐水耐鹼性、耐洗刷性、硬度及附著力等傳統機械力學性能得到較大的改善。此外，納米氧化鋅改性塗料的抗菌防黴性能也在進一步研究之中。
3.化纖紡織品納米材料應用於化纖紡織品中有兩種途徑：一種方法是把納米微粒直接添加在化學纖維的初始反應液中，採用常規的聚合反應合成功能纖維，使納米微粒均勻分布於纖維內部；另一種方法就是把納米微粒作為一種後整理劑配製到織物的後整理液中，通過浸軋使納米微粒吸附在纖維的表面，或者用一定的粘合劑將納米微粒塗覆到織物表面形成一種功能性的塗層，改善織物的服用性能。吉林化纖集團將該公司表面改性後的納米氧化鋅配製到粘膠纖維的噴絲液中，合成了含有納米氧化鋅微粒的粘膠纖維，該纖維經紡紗、織造得到添加納米氧化鋅的抗紫外織物，與未添加納米氧化鋅的普通織物進行對比，抗紫外織物的UPF值（紫外線遮擋係數）為對照織物的兩倍。該公司產品能夠顯著提高粘膠纖維、合成纖維製品的抗紫外和抗菌功能，用於抗紫外織物、抗菌織物、遮陽傘等產品的生產。該公司開發的抗紫外用納米膠體，已由杭州天堂傘業集團有限公司在遮陽傘上試用，中國計量科學研究院測試表明，UPF值（紫外線遮擋係數）為50，其性能指標已經達到澳大利亞標準，超過歐盟標準。
4.防曬化妝品由於地球臭氧層遭到破壞，導致紫外線對地球生物圈輻射量的不斷增加，過多的紫外線照射對人類健康造成的危害正在日益加重。為了抵禦過量紫外線照射對人體皮膚的傷害，人們開發了多種防曬劑來保護皮膚。由於大多數有機防曬劑活性較高，對皮膚產生刺激性，在紫外線照射後易分解，防曬效果不長久，因而人們又開發了無機防曬劑，如納米二氧化鈦、納米氧化鋅等。研究發現，納米氧化鋅對紫外線的防護功能比傳統的納米二氧化鈦要強，對紫外線UV-A和UV-B均具有良好的防護效果，因此納米氧化鋅在化妝品領域的應用迅速發展。該公司應用一種特殊表面處理技術生產的納米級氧化鋅防曬劑，它能非常有效地吸收太陽紫外線，尤其能保護人體免受UV-A和UV-B的侵害。大多數的傳統防曬劑能對UV-B起作用，但並不能有效抵擋波長更長的UV-A紫外線，而UV-A越來越被認為與皮膚過早衰老以及皮膚癌有關。該公司氧化鋅平均粒徑小於50納米，它能最有效地抵抗UV-A和UV-B，是廣譜的抗紫外劑，無毒無害，是名副其實的新一代物理防曬劑。
5.其它領域隨著人們對納米氧化鋅性能認識的深化，納米氧化鋅的應用領域在不斷擴大。例如，將納米氧化鋅用於陶瓷行業，可以大大降低陶瓷製品的燒結溫度，燒成品光亮如鏡，減少了生產工序，降低了能耗，並賦予了陶瓷製品抗菌除臭和分解有機物的自潔作用，極大地提高了產品質量；納米氧化鋅由於尺寸小，比表面積大，表面的鍵態與顆粒內部的不同，加大了反應接觸面，提高了催化效率，是化工生產企業製備脫硫劑和化學催化劑的首選材料；納米氧化鋅也是一種很好的光催化劑，在紫外線照射下，能自行分解出自由移動的負電子，留下帶正電的空穴，激活空氣中的氧變為活性氧，與多種有機物發生化學反應，殺死病菌和病毒。此外，納米氧化鋅在傳感器、電容器、螢光材料、吸波材料、導電材料等諸多領域也展示出越來越廣闊的應用前景。
五、結束語
目前納米氧化鋅的製備技術已經取得了一些突破，在國內形成了幾家產業化生產廠家。但是納米氧化鋅的表面改性技術及應用技術尚未完全成熟，其應用領域的開拓受到了較大的限制，並制約了該產業的形成與發展。雖然我們近年來在納米氧化鋅的應用方面取得了很大的進展，但與發達國家的應用水平以及納米氧化鋅的潛在應用前景相比，還有許多工作要做。如何克服納米氧化鋅表面處理技術的瓶頸，加快其在各個領域的廣泛應用，成為諸多納米氧化鋅生產廠家所面臨的亟待解決的問題。
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