Al2O3/ZnO纳米复合材料的制备及其应用研究

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晶体材料的物化性能都具有结构敏感性。与理想晶体不同,任何真实晶体都存在着一定的结构缺陷,并且晶体缺陷类型、数量及运动规律对晶体材料的诸多性能都会产生巨大的影响。因此,设计和制造晶体缺陷,研究其对材料结构敏感特性的影响,已成为材料领域研究的热点。本文以氧化锌作为研究对象,将晶体缺陷理论与纳米材料制备技术相结合,采用二步法制备了Al2O3/ZnO纳米复合粉体,完成了纳米氧化锌体缺陷的设计,实现了对纳米ZnO的功能调控。通过TG-DTA、XRD、TEM、XPS、ESR等检测手段对复合粉体进行了表征,借助抗菌实验和光降解亚甲基蓝实验完成了对复合粉体功能调控的评估。主要研究工作及结论如下:(一)首先采用水热法合成了超分散纳米AlOOH,合成的最佳工艺条件为反应温度180℃,反应时间8h。TEM分析表明纳米AlOOH的粒径为5nm,形貌为棒状。通过对不同pH值条件下体系的Zeta(ξ)电位测定发现,AlOOH胶体体系的分散稳定机制遵循DLVO理论。纳米AlOOH可显著改善经碱减量处理的涤纶织物的抗静电性能。(二)在AlOOH均匀分散体系中,以Zn(NO3)2·6H2O和尿素为原料,采用均匀沉淀法制备了Al2O3/ZnO纳米复合材料,通过TG-DTA、XRD、TEM、XPS、ESR等表征手段对复合粉体进行了表征,采用光降解亚甲基蓝实验考察了Al2O3/ZnO纳米复合材料的光催化性能。并通过对Al2O3/ZnO纳米复合材料的偶联剂改性,获得了稳定的Al2O3/ZnO纳米复合材料分散乳液,系统研究了Al2O3/ZnO纳米复合材料在纺织品上的抗菌、防紫外性能以及其对染色织物耐日晒牢度的影响,完成了对复合粉体功能调控的评估。具体结论如下:(1) XRD分析表明在复合材料中,Al2O3并没有影响ZnO的晶体结构。TEM分析表明Al2O3使ZnO的粒径减小并增强了它的分散性。XPS分析表明Al2O3是以包裹体的形式与ZnO复合,在ZnO晶体中形成了体缺陷。ESR测试表明复合大大减小了氧化锌的氧空位浓度。(2)通过模拟亚甲基蓝(MB)降解实验可知:紫外灯下对MB的降解速率大大高于可见光下对MB的降解速率,Al2O3与ZnO复合后,ZnO的光催化性能得到很大的抑制,Al2O3浓度在2.5%时,纳米复合粉体表现出最差的光催化效果,比纯氧化锌光催化效率低35%。通过对高氯酸铵(AP)的热催化实验可知:Al2O3与ZnO复合后,ZnO的热催化性能得到很大的提高,Al2O3浓度为2.5%时,纳米复合粉体的热催化性能最佳,相较于纯纳米氧化锌,使AP的低温分解阶段提前了17℃。(3)纳米复合粉体经过三乙醇胺预修饰以及硅烷偶联剂表面改性之后,颗粒粒径减小,粒度分布均匀,表面的羟基增多,亲水性增强,分散过程中的软团聚减少,在水中的分散稳定性大大提高,长时间放置后依然具有很好的分散性。(4)抗紫外、抗菌性能测试结果表明:经Al2O3/ZnO纳米复合粉体水分散体系处理过的棉织物具有极好的防紫外性、抑菌性,而且这些性能的耐水洗牢度也较好。耐日晒牢度实验表明:Al2O3/ZnO纳米复合粉体可以提高染色织物的耐日晒牢度。
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