CN104276598B - 纳米锌掺杂氧化锡锑复合材料及水性分散液的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米锌掺杂氧化锡锑(ATO/ZnO)复合材料及水性分散液的制备方法,其特征在于,通过乙酰丙酮或乙醇为络合剂进行配体络合辅助沉淀,制备得摩尔比为2%ZnO掺杂量的纳米ATO/ZnO复合材料,并将湿法研磨技术应用于纳米ATO/ZnO复合粉体的分散,得到其水性分散液。本发明将湿法研磨技术应用于纳米ATO/ZnO复合粉体的水性分散,替代传统机械搅拌分散及剪切技术,得到其水性分散液。该方法制备的纳米ATO/ZnO复合颗粒分散效果好,具有很好的抗菌和隔热性能,性能稳定,并对人体无害。该制备方法操作简单、原料价格低廉、反应温度低、易于规模化生产。本发明复合材料可广泛用于纺织、建筑、涂料等领域,在抗菌保温隔热领域有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于纳米复合材料制备、分散及抗菌隔热领域。具体涉及一种同时具有抗菌和隔热功能的纳米ATO/ZnO复合材料及其水性分散液的制备方法。
背景技术
近年来,随着社会的发展和科技的进步,人们对隔热和抗菌产品的需求越来越大。纳米材料因其具有比表面积大及尺寸小等特点,在量子效应、提价效应、量子尺寸效应及介电限域效应具有特殊性,在各领域都有广泛应用。
ATO是锑掺杂的二氧化锡,是一种n型半导体材料,具有良好的导电抗静电性能、耐候性、稳定性及良好的减反射、抗辐射和吸收红外线等功能,可以制成稳定的浆料或者复合材料,已经被广泛应用于对玻璃门窗及建筑等的隔热材料。ZnO纳米材料,与传统的ZnO相比,具有明显的表面效应、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,是一种新型的高功能精细无机半导体材料,在化妆品、橡胶工业、陶瓷、电子、生物及医药等方面有广阔的应用前景。它的化学稳定性和热稳定性很高,其能带间隙较宽(室温下能带间隙为3.37eV),发射出的光子波长处于近紫外光波段,它的激子束缚能远高于室温热激发所提供的离化能(26meV),可以达到达60meV,因此使得ZnO的激子能够在室温下稳定存在。
纳米ZnO由于粒径小,比表面积大,其本身还具有抗菌抑菌、祛味防酶等一系列独特性能,在水和空气中分解出能够自由移动的带负电的电子和带正电荷的空穴。空穴激活空气中的氧变为活性氧,活性氧具有很强的化学活性,与多种有机物发生氧化反应,可以杀死大多数病菌和病毒,从而可以有效的抗菌。目前,纳米氧化锌可广泛用于生产抗紫外和抗菌功能纺织品,是一种应用较广泛的无机抗菌剂。
该技术中,提出一种运用简单、经济的配体络合辅助-沉淀法制备得到同时具有隔热和抗菌功能的纳米ATO/ZnO复合颗粒,并在合成过程中加入不同的表面活性剂,可以有效控制ATO/ZnO复合颗粒的尺寸,防止制备得到的复合粉体纳米粒径分布较宽,容易发生团聚,分散性较差从而严重影响其性能。湿法研磨技术应用于纳米ATO/ZnO复合粉体的水性分散,避免了传统机械搅拌分散及剪切分散出现的分散不均及稳定性差等问题,进一步扩大及便捷了ATO/ZnO复合材料的应用。
发明内容
为克服现有技术的不足,本发明提供一种纳米锌掺杂氧化锡锑(ATO/ZnO)复合材料及水性分散液的制备方法。
一种纳米锌掺杂氧化锡锑(ATO/ZnO)复合材料及水性分散液的制备方法,其特征在于,通过乙酰丙酮或乙醇为络合剂进行配体络合辅助沉淀,制备得摩尔比为2%ZnO掺杂量的纳米ATO/ZnO复合材料,并将湿法研磨技术应用于纳米ATO/ZnO复合粉体的分散,得到其水性分散液,该方法的具体步骤为:
(1)将表面活性剂溶于水或乙醇和水的混合溶液,其中表面活性剂:混合液的质量比=0.4~1.5%,保持60~80℃的恒温,搅拌0.5-2小时,形成均匀的混合胶束分散体系;
(2)将符合化学计量比的锌源、锑源及无机锡化合物分别溶于乙酰丙酮或乙醇溶剂,其中锌盐:溶剂的质量比=0.012~0.07:1,锑盐+锡盐:溶剂的质量比=0.47~2.5:1,搅拌10~50分钟,形成乙酰丙酮锌、乙酰丙酮锑及乙酰丙酮锡的乙酰丙酮溶液,或乙醇锌、乙醇锑及乙醇锡的乙醇溶液;
(3)将上述(1)和(2)中的溶液混合,并在室温下搅拌30分钟;
(4)将0.1M浓度的碱性物质加入到上述胶束分散体系中,其中碱性物质:胶束溶液的摩尔比=0.09~0.28:1,并继续搅拌30~60分钟,得到生长溶液;
(5)将上述溶液继续保持在60~120℃温度条件下,并持续搅拌反应1~10小时,并将溶液挥发,得到纳米ATO/ZnO复合材料的前驱体粉末;
(6)之后将得到的上述粉末,在400~800℃,将前驱体焙烧,得到一次粒径为30~100nm的纳米ATO/ZnO复合粉体材料;
(7)在此基础上,将湿法研磨技术应用于制备纳米ATO/ZnO复合粉体水性分散液的制备中,并加入分散剂,使ATO/ZnO复合粉体、分散剂和水溶液能够达到微观尺度上的高度分散及高稳定性,最终制备得到10%ATO/ZnO复合粉体水性分散液。
所述的表面活性剂为三嵌段共聚物F127(聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯)、三嵌段共聚物P123(聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)中的一种或其组合。
所述的锌源为硝酸锌、氯化锌中的一种或其组合。
所述的锑源为三氯化锑(SbCl3)。
所述的无机锡化合物为二氯化锡(SnCl2),或四氯化锡(SnCl4)。
所述的碱性物质是氨水、氢氧化锂、氢氧化钠中的一种或其组合。
本发明的目的是在于提出一种同时具有抗菌和隔热功能的纳米ATO/ZnO复合材料及其水性分散液的制备工艺。目的是结合ATO和ZnO各自的优点,采用配体络合辅助-沉淀法,得到多功能型的新型纳米复合材料,而并非简单机械混合,并结合湿法研磨技术制备得到纳米ATO/ZnO复合材料的水性分散液,进一步扩展了应用领域。通过上述方法,使纳米ATO/ZnO复合材料及其水性分散液具有良好分散性,粒度分布均匀且抗菌和隔热效果良好。
本发明提出的一种同时具有抗菌和隔热功能的纳米ATO/ZnO复合材料及其水性分散液的制备优点在于:
(1)将ATO和ZnO材料两者的优点相结合,得到同时具有抗菌和隔热的多功能纳米复合材料。
(2)制备纳米ATO/ZnO复合材料的过程中,采用配体辅助-沉淀法,并加入表面活性剂,可缓解纳米颗粒的聚集,避免制备得到的纳米ATO/ZnO复合材料大面积团聚。
(3)合成方法简单,不需经过高温高压反应即可得到纳米粒度的ATO/ZnO复合材料,适合规模化生产。
(4)湿法研磨技术应用于纳米ATO/ZnO复合粉体的水性分散,避免了传统机械搅拌分散及剪切分散出现的分散不均及稳定性差等问题,进一步扩大及便捷了ATO/ZnO复合材料的应用。
本发明提出一种简单、经济的配体络合辅助-沉淀法(以乙酰丙酮或乙醇为络合剂),制备得纳米ATO/ZnO复合颗粒。而且,本发明还通过加入不同的表面活性剂,可以有效控制ATO/ZnO复合颗粒的尺寸。本发明将湿法研磨技术应用于纳米ATO/ZnO复合粉体的水性分散,替代传统机械搅拌分散及剪切技术,得到其水性分散液。该方法制备的纳米ATO/ZnO复合颗粒分散效果好,具有很好的抗菌和隔热性能,性能稳定,并对人体无害。该制备方法操作简单、原料价格低廉、反应温度低、易于规模化生产。本发明复合材料可广泛用于纺织、建筑、涂料等领域,在抗菌保温隔热领域有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1合成的纳米ATO/ZnO复合材料的SEM图。
图2为本发明实施例2合成的纳米ATO/ZnO复合材料的SEM图。
图3为本发明实施例3合成的纳米ATO/ZnO复合材料的SEM图。
图4为本发明实施例3的采用湿法研磨技术制备的10%固含量的ATO/ZnO复合材料水性分散液的粒度分布图。
具体实施方式
下面,本发明通过具体实例作进一步的描述,它将有助于理解本发明,但是本发明的保护范围不受限于这些实施案例。
实施例1:
在100mL乙醇和水(体积比为1:2)的混合溶液中,加入0.4g的表面活性剂十二烷基苯磺酸钠,保持60oC恒温搅拌30分钟后,形成均匀的混合胶束分散体系。将0.16g硝酸锌溶于2.3g乙醇,同时将1.93gSbCl3和8.58gSnCl2·2H2O溶于4.2g乙醇,搅拌10分钟,形成乙醇锌、乙醇锑及乙醇锡的乙醇溶液。将上述三份溶液混合,并在室温下搅拌30分钟。将10ml的0.1M浓度的氢氧化钠加入到上述溶液体系中,并继续搅拌30min,得到前驱体生长溶液。温度保持60oC,继续搅拌反应1h。并将溶液挥发,得到纳米ATO/ZnO复合材料的前驱体粉末。将得到的上述前驱体粉末,在空气气氛下400℃焙烧2h,得到一次粒径为60~100nm的纳米ATO/ZnO复合材料。合成的纳米级纳米ATO/ZnO复合粉末样品的SEM图如图1所示。
实施例2:
在100mL水中,加入1.5g的表面活性剂F127,保持75oC恒温搅拌2h后,形成均匀的混合胶束分散体系。将0.12g氯化锌溶于3.6g乙酰丙酮,同时将1.95gSbCl3和10.04gSnCl4溶于4.8g乙酰丙酮,搅拌30分钟,形成乙酰丙酮锌、乙酰丙酮锑及乙酰丙酮锡的乙酰丙酮溶液。将上述三份溶液混合,并在室温下搅拌30分钟。将17ml的0.1M浓度的氢氧化钠加入到上述溶液体系中,并继续搅拌60分钟,得到前驱体生长溶液。将温度保持75oC,继续搅拌反应10h。并将溶液挥发,得到纳米ATO/ZnO复合材料的前驱体粉末。将得到的上述前驱体粉末,在空气气氛下700℃焙烧2h,得到一次粒径为10~91nm的纳米ATO/ZnO复合材料。合成的纳米级ATO/ZnO复合粉末样品的SEM图如图2所示。
实施例3:
在100mL乙醇和水(体积比为1:3)的混合溶液中,加入0.9g的表面活性剂CTAB,保持80oC恒温搅拌1.5h后,形成均匀的混合胶束分散体系。将0.12g氯化锌溶于10.2g乙醇,同时将1.95gSbCl3和8.7gSnCl2·2H2O溶于22.6g乙醇,搅拌50分钟,形成乙醇锌、乙醇锑及乙醇锡的乙醇溶液。将上述三份溶液混合,并在室温下搅拌30分钟。将30ml的0.1M浓度的氢氧化锂加入到上述溶液体系中,并继续搅拌45min,得到前驱体生长溶液。温度保持80oC,继续搅拌反应4h。并将溶液挥发,得到纳米ATO/ZnO复合材料的前驱体粉末。将得到的上述前驱体粉末,在空气气氛下800℃焙烧2h,得到一次粒径为10~60nm的纳米ATO/ZnO复合材料。合成的纳米级ATO/ZnO复合粉末样品的SEM图如图3所示。将上述得到的纳米ATO/ZnO复合材料粉末样品,运用湿法研磨技术,代替传统的机械搅拌分散技术及剪切分散技术,并加入适合的分散剂,使ATO/ZnO复合材料、分散剂和水溶液能够具有高度分散及更长稳定期的特性,最终制备得到10%固含量的ATO/ZnO复合材料纳米颗粒分散液。其粒度分布如图4所示。该分散液中的ATO/ZnO复合材料纳米颗粒以单分散性的形式悬浮于溶液中,并且放置90天以上不会发生分层或者结块现象。将ATO/ZnO复合材料水性分散液用于抗菌测试和隔热测试,添加量为3%时其抗菌性能就可达到99.9%,显示了其优异的抗菌性能,而其隔热温差可达7度,表现出很好的隔热效果。
Claims (6)
1.一种纳米锌掺杂氧化锡锑(ATO/ZnO)复合材料及水性分散液的制备方法,其特征在于,通过乙酰丙酮或乙醇为络合剂进行配体络合辅助沉淀,制备得摩尔比为2%ZnO掺杂量的纳米ATO/ZnO复合材料,并将湿法研磨技术应用于纳米ATO/ZnO复合粉体的分散,得到其水性分散液,该方法的具体步骤为:
(1)将表面活性剂溶于水或乙醇和水的混合溶液,其中表面活性剂:混合液的质量比=0.4~1.5%,保持60~80℃的恒温,搅拌0.5-2小时,形成均匀的混合胶束分散体系;
(2)将符合化学计量比的锌源、锑源及无机锡化合物分别溶于乙酰丙酮或乙醇溶剂,其中锌盐:溶剂的质量比=0.012~0.07:1,锑盐+锡盐:溶剂的质量比=0.47~2.5:1,搅拌10~50分钟,形成乙酰丙酮锌络合物、乙酰丙酮锑络合物及乙酰丙酮锡络合物的乙酰丙酮溶液,或乙醇锌络合物、乙醇锑络合物及乙醇锡络合物的乙醇溶液;
(3)将上述(1)和(2)中的溶液混合,并在室温下搅拌30分钟;
(4)将0.1M浓度的碱性物质加入到上述胶束分散体系中,其中碱性物质:胶束溶液的摩尔比=0.09~0.28:1,并继续搅拌30~60分钟,得到生长溶液;
(5)将上述溶液继续保持在60~120℃温度条件下,并持续搅拌反应1~10小时,并将溶液挥发,得到纳米ATO/ZnO复合材料的前驱体粉末;
(6)之后将得到的上述粉末,在400~800℃,将前驱体焙烧,得到一次粒径为30~100nm的纳米ATO/ZnO复合粉体材料;
(7)在此基础上,将湿法研磨技术应用于制备纳米ATO/ZnO复合粉体水性分散液的制备中,并加入分散剂,使ATO/ZnO复合粉体、分散剂和水溶液能够达到微观尺度上的高度分散及高稳定性,最终制备得到10%ATO/ZnO复合粉体水性分散液。
2.根据权利要求1所述纳米锌掺杂氧化锡锑复合材料及水性分散液的制备方法,其特征在于,所述的表面活性剂为三嵌段共聚物F127(聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯)、三嵌段共聚物P123(聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)中的一种或其组合。
3.根据权利要求1所述纳米锌掺杂氧化锡锑复合材料及水性分散液的制备方法,其特征在于,所述的锌源为硝酸锌、氯化锌中的一种或其组合。
4.根据权利要求1所述纳米锌掺杂氧化锡锑复合材料及水性分散液的制备方法,其特征在于,所述的锑源为三氯化锑(SbCl3)。
5.根据权利要求1所述纳米锌掺杂氧化锡锑复合材料及水性分散液的制备方法,其特征在于,所述的无机锡化合物为二氯化锡(SnCl2),或四氯化锡(SnCl4)。
6.根据权利要求1所述纳米锌掺杂氧化锡锑复合材料及水性分散液的制备方法,其特征在于,所述的碱性物质是氨水、氢氧化锂、氢氧化钠中的一种或其组合。
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