CN108328643B - 一种均匀氟化氧化锌粉体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种均匀氟化氧化锌粉体的方法：（1）氧化锌粉体表面偶联剂处理：将氧化锌粉体加入到钛酸酯偶联剂与酒精的混合液中，在温度为90‑100℃处理3‑5h，清洗后在干燥箱中干燥2h；（2）氧化锌粉体表面聚乙烯醇包覆处理：将第一步处理后的氧化锌粉体置于聚乙烯醇水溶液中，反应后通过离心、然后通过离心、去离子水清洗，得到表面聚乙烯醇包覆的氟化氧化锌粉体；（3）氧化锌粉体氟化处理：将通过以上步骤处理的氧化锌粉体放到盛有一定量的氢氟酸溶液的聚四氟乙烯容器中，反应5‑20min，然后通过离心、去离子水清洗，得到均匀均匀氟化氧化锌粉体，现有技术相比，本发明具有简单易行、成本低、方便快速等优点。

Description

一种均匀氟化氧化锌粉体的方法
技术领域
本发明涉及材料制备领域，具体涉及一种均匀氟化氧化锌粉体的方法。
背景技术
近年来，氧化锌纳米粉体/聚合物复合材料由于其独特性能备受人们关注，氧化锌纳米粉体/聚合物复合材料综合了两种材料各自的优点：既利用了聚合物机械力学性能和化学稳定性好、可加工性好等特点，又保留了氧化锌纳米粉体的高迁移率和光学特性，已经被广泛应用于化工、生物医药、半导体发光器件等众多领域。然而，氧化锌纳米粉体/聚合物复合材料是氧化锌纳米粉体和有机聚合物材料共混而成，氧化锌纳米粉体与聚合物两相间存在不相容性，导致氧化锌纳米粉体在聚合物中低的分散性和弱的界面相互作用，因此很容易发生宏观相分离，特别是高含量的氧化锌纳米粉体（尤其纳米粉体）极易团聚，且聚合物的引入减弱了氧化锌纳米粉体的光学或电学性能，从而削弱了复合材料的一些特殊性能，限制了氧化锌纳米粉体/聚合物复合材料的应用。如何改善氧化锌纳米粉体的表面性能，提高其在聚合物基体中的分散性，增强氧化锌纳米粉体-界面层-聚合物间的键合作用，已成为氧化锌纳米粉体/聚合物复合材料领域中一个重要的研究方向和研究热点。
为了解决氧化锌纳米粉体在聚合物中的分散和结合的问题，研究学者在氧化锌纳米粉体/聚合物复合材料的制备方法上进行了一系列改进，包括对氧化锌纳米粉体表面直接修饰法、氧化锌纳米粉体引入聚合物胶体、层层组装法、原位生成法等。这些方法虽然改善了氧化锌纳米粉体与聚合物的相容性和界面间的键合作用，但这些界面改善的方法工艺复杂且改性剂价格昂贵。因此很有必要研究新的氧化锌纳米粉体表面改性的方法。
直接氟化是利用氟气高的反应活性和易裂解成氟自由基，引发在材料表面的接枝功能化，进而对表面改性的方法，最早作为聚合物表层化学修饰最为有效的途径之一，因而氟气能够与许多聚合物直接氟化，形成与基体有机结合的牢固的C-F表层。近年来，通过采用氟气/氮气混合气体对碳纳米管、碳纤维、石墨烯等进行界面氟化改性，引发表面接枝化学反应，一方面在保持材料本身性能的同时，显著增强了其在聚合物中的分散性。日本昭和电工株式会社石井神晃研究组已采用直接氟化技术制备了表面被均匀氟化的金属氧化物颗粒（TiO2, Al2O3, SiO2等），获得了与热塑性聚合物基体优异的相容性，同时与传统的嵌段共聚物或单体表面改性剂相比，氟化所形成的键合作用更强，利用直接氟化技术对氧化锌进行表面修饰，为改善氧化锌纳米粉体与聚合物间的界面相互作用提供了新的手段，为设计、开发高性能的新型氧化锌纳米粉体/聚合物复合材料提供了新的思路。但氟气是剧毒性气体，能刺激眼、皮肤、呼吸道粘膜。当氟浓度为5-10ppm时，对眼、鼻、咽喉等粘膜开始有刺激作用，作用时间长也可引起肺水肿。与皮肤接触可引起毛发的燃烧，接触部位凝固性坏死、上皮组织碳化等。
发明内容
本发明提出了一种均匀氟化氧化锌粉体的方法，为了改善以上的制备方法，本发明通过氧化锌粉体表面偶联剂处理、氧化锌粉体表面聚乙烯醇包覆处理：氧化锌粉体氢氟酸溶液处理，从而得到均匀氟化氧化锌粉体，避免了与氟气的接触，改善了氧化锌粉体的表面性质。
实现本发明的技术方案是：一种均匀氟化氧化锌粉体的方法，步骤如下：
（1）氧化锌粉体表面偶联剂处理：将氧化锌粉体加入到偶联剂与酒精的混合液中，在温度为90-100℃下处理3-5h，干燥得到改性氧化锌；
（2）氧化锌粉体表面聚乙烯醇包覆处理：将步骤（1）得到的改性氧化锌置于聚乙烯醇水溶液中，在50-80℃的条件下搅拌1-5h，之后离心、清洗，80-100℃下干燥4-8h得到包覆氧化锌粉体；
（3）氧化锌粉体氟化处理：将步骤（2）得到的包覆氧化锌粉体置于氢氟酸溶液中，反应后离心、清洗，40-70℃干燥2-5h得到均匀氟化氧化锌粉体。
所述步骤（1）中偶联剂与酒精的质量比为1：（10-15）。
所述步骤（2）中聚乙烯醇水溶液的浓度为5-20 %，改性氧化锌与聚乙烯醇水溶液的质量比为1：（1-5）。
所述步骤（3）中氢氟酸溶液的浓度为10-20 %，包覆氧化锌粉体与氢氟酸溶液的质量比为1：（1-2）。
所述步骤（3）在105-110℃下反应5-20min。
所述步骤（1）的氧化锌粉体是纤维状或尺寸为10nm-20μm的颗粒。
所述步骤（1）中偶联剂为钛酸酯偶联剂或硅酸偶联剂。
本发明的有益效果是：综合采用偶联剂处理、有机物包覆、氢氟酸处理来对氧化锌粉体进行表面改性，偶联剂处理及有机物包覆可以改善粉体表面性质，使粉体更容易在氢氟酸溶液处理过程中，粉体的表面更容易接枝上功能化的氟键。从而在经过氢氟酸处理后得到表面均匀氟化氧化锌粉体，氟化所形成的键合作用更强，利用直接氟化技术对氧化锌进行表面修饰，为改善氧化锌纳米粉体与聚合物间的界面相互作用提供了新的手段，为设计、开发高性能的新型氧化锌纳米粉体/聚合物复合材料提供了新的思路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为未表面处理的氧化锌粉体和表面氟化后的氧化锌粉体的差热（TG）图谱。
图2为实施例1表面氟化后的氧化锌粉体的X射线光电子能谱分析（XPS）图谱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种均匀氟化氧化锌粉体的方法，采用以下步骤：
（1）氧化锌粉体表面偶联剂处理：将粒径10nm的氧化锌粉体加入到钛酸酯偶联剂NDZ-101与酒精的混合液中，其中钛酸酯偶联剂NDZ-101与酒精的质量比为1：10，在温度为90℃处理5h，用去离子水、酒精清洗后在干燥箱中干燥2h；
（2）氧化锌粉体表面聚乙烯醇包覆处理：将第一步处理后的氧化锌粉体置于聚乙烯醇水溶液中，其中聚乙烯醇水溶液的浓度为5%，氧化锌粉体与聚乙烯醇水溶液的质量比为1:1，在50℃的条件下搅拌5h，之后通过离心、然后通过离心、去离子水清洗，得到表面聚乙烯醇包覆的氟化氧化锌粉体；
（3）氧化锌粉体氟化处理：将通过以上步骤处理的氧化锌粉体放到盛有一定量的氢氟酸溶液的聚四氟乙烯容器中，其中氢氟酸溶液的浓度范围为10%，氧化锌粉体与氢氟酸溶液的质量比范围为1:1，将盛有的氢氟酸溶液、氧化锌粉体的聚四氟乙烯容器置于110℃的干燥箱中，反应5min，然后通过离心、去离子水清洗，得到均匀均匀氟化氧化锌粉体。
图1为该实施例制备的不同表面改性阶段的氧化锌粉体的差热（TG）图谱，从图中可以看出，在整个测试温度范围内，第一步氧化锌粉体表面偶联剂处理后失重除很少，800oC时剩余量为98.5%，而第二步氧化锌粉体表面聚乙烯醇包覆处理后，粉体在800oC时剩余量为96.2%，经历第三步氧化锌粉体氟化处理后，粉体在800oC时剩余量为93.9%，这是因为表面氟化后的氧化锌粉体由于表面含有氟基，剩余量为93.9%，说明成功接枝上了氟基。
图2为该实施例制备的表面氟化后的氧化锌粉体的X射线光电子能谱分析（XPS）精细谱，图中的特征谱可以很清楚的表明有Zn、O、F元素的存在，说明氟化处理后氧化锌粉体表面成功接枝上了氟基。
实施例2
一种均匀氟化氧化锌粉体的方法，采用以下步骤：
（1）氧化锌粉体表面偶联剂处理：将粒径20μm的氧化锌粉体加入到钛酸酯偶联剂NDZ-101与酒精的混合液中，其中钛酸酯偶联剂NDZ-101与酒精的质量比为1：15，在温度为100℃处理3h, 用去离子水、酒精清洗后在干燥箱中干燥2h；
（2）氧化锌粉体表面聚乙烯醇包覆处理：将第一步处理后的氧化锌粉体置于聚乙烯醇水溶液中，其中聚乙烯醇水溶液的浓度范围为20%，氧化锌粉体与聚乙烯醇水溶液的质量比范围为1：5，在80℃的条件下搅拌1h，之后通过离心、然后通过离心、去离子水清洗，得到表面聚乙烯醇包覆的氟化氧化锌粉体；
（3）氧化锌粉体氟化处理：将通过以上步骤处理的氧化锌粉体放到盛有一定量的氢氟酸溶液的聚四氟乙烯容器中，其中氢氟酸溶液的浓度范围为20%，氧化锌粉体与氢氟酸溶液的质量比范围为1: 2，将盛有的氢氟酸溶液、氧化锌粉体的聚四氟乙烯容器置于105℃的干燥箱中，反应20min，然后通过离心、去离子水清洗，得到均匀均匀氟化氧化锌粉体。
实施例3
方法同实施例2，只是所采用粉体的粒径为5μm的氧化锌粉体，可制得表面氟化处理的氧化锌粉体。
实施例4
一种均匀氟化氧化锌粉体的方法，采用以下步骤：
（1）氧化锌粉体表面偶联剂处理：将粒径500nm的氧化锌粉体加入到硅酸偶联剂与酒精的混合液中，其中硅酸偶联剂与酒精的质量比为1：12，在温度为95℃处理4h，用去离子水、酒精清洗后在干燥箱中干燥2h；
（2）氧化锌粉体表面聚乙烯醇包覆处理：将第一步处理后的氧化锌粉体置于聚乙烯醇水溶液中，其中聚乙烯醇水溶液的浓度范围为10%，氧化锌粉体与聚乙烯醇水溶液的质量比范围为1: 3，在60℃的条件下搅拌4h，之后通过离心、然后通过离心、去离子水清洗，得到表面聚乙烯醇包覆的氟化氧化锌粉体；
（3）氧化锌粉体氟化处理：将通过以上步骤处理的氧化锌粉体放到盛有一定量的氢氟酸溶液的聚四氟乙烯容器中，其中氢氟酸溶液的浓度范围为15%，氧化锌粉体与氢氟酸溶液的质量比范围为1: 2，将盛有的氢氟酸溶液、氧化锌粉体的聚四氟乙烯容器置于105℃的干燥箱中，反应8min，然后通过离心、去离子水清洗，得到均匀均匀氟化氧化锌粉体。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种均匀氟化氧化锌粉体的方法，其特征在于步骤如下：
（1）氧化锌粉体表面偶联剂处理：将氧化锌粉体加入到偶联剂与酒精的混合液中，在温度为90-100℃下处理3-5h，干燥得到改性氧化锌；所述偶联剂为钛酸酯偶联剂；
（2）氧化锌粉体表面聚乙烯醇包覆处理：将步骤（1）得到的改性氧化锌置于聚乙烯醇水溶液中，在50-80℃的条件下搅拌1-5h，之后离心、清洗，80-100℃下干燥4-8h得到包覆氧化锌粉体；
（3）氧化锌粉体氟化处理：将步骤（2）得到的包覆氧化锌粉体置于氢氟酸溶液中，反应后离心、清洗，40-70℃干燥2-5h得到均匀氟化氧化锌粉体。
2.根据权利要求1所述的均匀氟化氧化锌粉体的方法，其特征在于：所述步骤（1）中偶联剂与酒精的质量比为1：（10-15）。
3.根据权利要求1所述的均匀氟化氧化锌粉体的方法，其特征在于：所述步骤（2）中聚乙烯醇水溶液的浓度为5-20 %，改性氧化锌与聚乙烯醇水溶液的质量比为1：（1-5）。
4.根据权利要求1所述的均匀氟化氧化锌粉体的方法，其特征在于：所述步骤（3）中氢氟酸溶液的浓度为10-20 %，包覆氧化锌粉体与氢氟酸溶液的质量比为1：（1-2）。
5.根据权利要求1所述的均匀氟化氧化锌粉体的方法，其特征在于：所述步骤（3）在105-110℃下反应5-20min。
6.根据权利要求1所述的均匀氟化氧化锌粉体的方法，其特征在于：所述步骤（1）的氧化锌粉体是纤维状或尺寸为10nm-20μm的颗粒。
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