氧化鋅作為一種重要的無機化合物,廣泛應用於許多領域。根據不同的分類標準,氧化鋅可以分為幾種不同的類型。不同類型的氧化鋅具有不同的特性,這決定了它們各自的功能和用途。以下章節將詳細介紹不同形態氧化鋅的分類、差異和功能。
1.按粒度分類
(一)普通氧化鋅
普通氧化鋅粒徑一般大於100奈米,具有一定的遮蓋力與著色力,廣泛應用於橡膠、塗料、陶瓷等傳統產業。
在橡膠工業中,它是必不可少的硫化活性劑。它能提高橡膠的硫化速度和交聯度,從而提高橡膠製品的物理機械性能,如拉伸強度和耐磨性。在塗料中,它可用作白色顏料,提供強大的遮蓋力和耐候性。
(二)奈米氧化鋅
奈米氧化鋅的粒徑範圍為1至100奈米,由於其尺寸小、表面效應和量子尺寸效應,表現出獨特的性能。
在催化領域,奈米氧化鋅具有較大的比表面積和較高的表面活性,為化學反應提供更多的活性位點,加速反應速率,並提高催化效率。在防曬化妝品領域,奈米氧化鋅優異的紫外線吸收和散射能力,有效抵抗紫外線損傷。與傳統防曬霜相比,奈米氧化鋅更輕薄、更透明、更不油膩。
在抗菌應用中,它與細菌細胞膜相互作用,破壞其結構並導致細胞死亡。它對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和其他細菌表現出顯著的抗菌作用。
2.依生產流程分類
(一)間接氧化鋅
它是由鋅錠經高溫昇華氧化而成。
其純度高達99.5% – 99.7%,粒徑較大,且分佈較窄。常用於橡膠輪胎業,可有效提高橡膠的硫化活性,增強橡膠與鋼絲簾線的黏合性,提高輪胎的強度與耐磨性。在電子產業,由於其良好的電氣性能穩定性,也用於製造壓敏電阻等電子元件。
(二)直接氧化鋅
多由鋅礦石經由直接氧化焙燒等製程製成。
純度較低,一般為95% – 98%,雜質含量較高。常用於陶瓷工業,降低陶瓷燒結溫度,提高陶瓷緻密性和光澤度。在玻璃製造中,可提高玻璃的透明度和化學穩定性。
(三)濕化學氧化鋅
它是透過溶液中的化學反應製備的,例如沉澱法、溶膠-凝膠法等。
其粒徑和形貌可精確控制,產品純度高、粒徑小且均勻,在高性能電子裝置製備方面具有明顯優勢。例如,用於製備氧化鋅薄膜電晶體時,由於其粒徑小、均勻性好,可以提高裝置的性能和穩定性。在製備發光材料時,透過控制反應條件可以精確調控氧化鋅的發光性能。
3.按用途分類
(一)橡膠用氧化鋅
它是橡膠硫化過程中的關鍵活性劑。它可以與硬脂酸、促進劑等配合形成活性絡合物,加快硫化速度,提高硫化膠的交聯密度和物理機械性能,如拉伸強度、撕裂強度、耐磨性等。廣泛應用於輪胎、膠管、膠帶等橡膠製品的生產。
(二)塗料用氧化鋅
作為白色顏料,具有良好的遮蓋力和著色力,可提高塗層的白度和亮度。
同時可增強塗層的耐候性、耐腐蝕性、抗粉化性,適用於建築塗料、工業塗料等領域。
(三)醫藥用氧化鋅
具有收斂性、止癢、抗菌作用。
可用於配製外用藥膏、糊劑等,用於治療皮膚發炎、濕疹等皮膚病。例如常見的氧化鋅軟膏,可以保護皮膚,減少水分蒸發,促進傷口癒合。
(四)飼料用氧化鋅
作為動物飼料中的鋅來源添加劑,為動物提供生長所需的鋅元素。
適量添加可促進動物生長發育,提高免疫力,增強抗病能力,但需適量使用。過高劑量可能造成動物腸道損傷及環境污染。例如,在仔豬日糧中添加適量氧化鋅可降低腹瀉發生率,但過高劑量受到相關法規的限制。
4.不同製程原理對產品性能的影響
(一)間接法
1.工藝原理
間接法通常以高純度鋅錠為原料,先將鋅錠加熱至1000℃左右,使其熔化並蒸發成鋅蒸氣。
隨後,在高溫條件下,鋅蒸氣與熱空氣或氧氣產生氧化反應,生成氧化鋅。化學反應方程式為:2Zn + O₂ → 2ZnO。在此過程中,鋅蒸氣的氧化是關鍵步驟。反應溫度、氧氣流量等因素對氧化鋅的生成及性能有重要影響。
2. 對產品性能的影響
此方法製備的氧化鋅純度高達99%以上,雜質含量低,適用於電子、醫藥等對純度要求嚴格的領域。
產品粒徑較大,通常在0.1-10μm範圍內,粒徑分佈窄,分散性好,有利於在橡膠、塗料等領域應用,可提高產品的均勻性和穩定性。晶體結構較完整,結晶度較高,使其具有良好的物理化學穩定性,在高溫、高濕等惡劣環境下性能變化小。
(二)直接法
1.工藝原理
直接法是以鋅礦、鋅灰等含鋅原料為原料,通常將原料與焦炭等還原劑混合,經高溫(1000~1300℃)還原、焙燒而成。
含鋅化合物被還原為鋅蒸氣,原料中的雜質也發生相應的反應。鋅蒸氣進入氧化室,與空氣或氧氣反應,生成氧化鋅。此過程涉及複雜的還原和氧化反應,原料成分、還原劑用量、溫度等因素對產品品質影響很大。
2. 對產品性能的影響
由於原料含有雜質,產品純度相對間接法較低,一般為95%-98%,但可透過優化製程及後續處理提高純度,適用於陶瓷、玻璃等對純度要求不極高的領域。
產品的粒徑及分佈受原料及製程條件的影響較大。粒徑分佈可能不均勻,需要精細的製程控制才能改善。晶體結構可能因雜質和快速氧化過程而出現缺陷,影響其電氣和光學性能。
在一些對效能要求較高的應用場景下需謹慎使用。
(三)濕化學氧化鋅
1.工藝原理
濕化學方法是在溶液系統中進行一系列化學反應來製備氧化鋅。
常用的方法有沉澱法和溶膠-凝膠法。以沉澱法為例,通常將鋅鹽(如硝酸鋅、醋酸鋅)和沈澱劑(如氫氧化鈉、氨水)混合於溶液中,並藉由控制反應條件(如pH值、溫度、反應時間等),使鋅離子與沉澱劑反應生成氫氧化鋅沉澱。隨後,沉澱物經過濾、洗滌、乾燥、煅燒後,即可得到氧化鋅產品。其化學反應方程式為:Zn²⁺ + 2OH⁻ → Zn(OH)₂↓,Zn(OH)₂ → ZnO + H₂O(煅燒)。
溶膠-凝膠法是先將金屬鹽或金屬醇鹽在有機溶劑中水解、縮聚形成溶膠,再經陳化形成凝膠,最後經由乾燥、煅燒而得到氧化鋅。
2. 對產品性能的影響
透過精確控制反應條件,可以精確控制產品的粒徑、形貌和結構。
例如,製備奈米氧化鋅時,粒徑可小至幾奈米至數十奈米,在催化、抗菌等領域具有獨特的優勢。產品純度高,透過選擇高純度原料、適當的洗滌分離步驟,可以有效去除雜質,滿足高純度要求的應用。然而,製備過程中引入的有機試劑和複雜的反應條件可能導致產品團聚,影響其性能。需要採取添加分散劑、優化製程條件等措施來解決此問題。
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