Шесть основных методов модификации нанооксида цинка
Нанооксид цинка — это новый тип функционального тонкодисперсного неорганического химического материала. Благодаря малому размеру частиц и большой удельной площади поверхности он обладает уникальными физико-химическими свойствами в химии, оптике, биологии и электронике. Он широко используется в антимикробных добавках, катализаторах, резине, красителях, чернилах, покрытиях, стекле, пьезокерамике, оптоэлектронике и в бытовой химии, открывая большие перспективы для разработки и применения.
Однако из-за большой удельной площади поверхности и высокой удельной поверхностной энергии нанооксид цинка обладает сильной поверхностной полярностью, склонен к самоагломерации и трудно равномерно диспергируется в органических средах, что существенно ограничивает его наноэффект. Поэтому диспергирование и модификация поверхности порошков нанооксида цинка являются необходимыми этапами обработки перед применением наноматериалов в матрицах.
1. Модификация поверхностно-активными веществами
Модификация поверхностно-активными веществами включает электростатическое взаимодействие поверхностно-активных веществ с образованием органического покрытия на поверхности наноматериалов, что улучшает их совместимость с органическими матрицами.
Хотя модификация поверхностно-активными веществами — простой процесс, её эффективность, как правило, низкая, что затрудняет формирование стабильного и прочного покрытия на поверхности наноматериалов.
2. Механохимическая модификация
Механохимическая модификация использует механические силы для изменения физических и химических свойств наноматериалов, тем самым повышая их сродство и реакционную способность по отношению к другим веществам.
Однако механохимическая модификация обычно занимает много времени и, как правило, даёт неудовлетворительные результаты для наноматериалов.
3. Высокоэнергетическая модификация
Высокоэнергетическая модификация включает полимеризацию мономеров органических соединений с использованием плазменной или радиационной обработки, которые затем покрывают поверхность наноматериала.
Высокоэнергетическая модификация обычно обеспечивает лучшие результаты, чем два предыдущих метода, но имеет такие недостатки, как высокое энергопотребление и технические сложности.
4. Эстерификация и модификация
Эстерификация — это метод модификации поверхности, при котором карбоксильные группы модификаторов, таких как высшие жирные кислоты или ненасыщенные органические кислоты, взаимодействуют с гидроксильными группами на поверхности наноматериала, обеспечивая этерификацию.
Метод этерификации прост, но его модифицирующий эффект незначителен, и обычно его необходимо использовать в сочетании с аппретом.
5. Прививка полимера
Прививка полимера включает в себя сначала прививку полимерного мономера на поверхность наноматериала, затем инициирование реакции полимеризации для удлинения углеродной цепи и, наконец, покрытие полимером всего наноматериала.
Метод прививки полимера сложен в применении, и на эффект модификации влияют различные факторы, что затрудняет его широкое применение.
6. Модификация аппретом
Аппрет на основе кремния или металла имеет две различные группы с каждой стороны, которые могут связываться с неорганическими и органическими матрицами. Эти три компонента работают вместе, обеспечивая химическую модификацию наноматериала. Нанооксид цинка был модифицирован силановым связующим агентом APS. Как модифицированный, так и немодифицированный нанооксид цинка были диспергированы в безводном этаноле для приготовления печатных красок, используемых в качестве материалов для электронно-транспортного слоя в фотоэлектрических элементах. Затем были сравнены эксплуатационные характеристики двух красок. Результаты показали, что модифицированный нанооксид цинка лучше диспергируется в безводном этаноле и сохраняет агломерацию в течение 12 месяцев. Материал электронно-транспортного слоя, приготовленный с этим агентом, демонстрирует более высокую эффективность переноса электронов и может соответствовать стандартам производительности устройств при меньшей толщине.
Нанооксид цинка был химически модифицирован с использованием силановых связующих агентов, содержащих глицилокси- и аминофункциональные группы. Как модифицированный, так и немодифицированный нанооксид цинка были включены в эпоксидные покрытия для испытаний на атмосферостойкость. Результаты показали, что эпоксидные покрытия, включающие нанооксид цинка, модифицированный глицилоксисилановым связующим агентом, демонстрируют значительно меньшие изменения контактного угла, цвета и карбонильных групп после 450 часов ускоренного атмосферного воздействия, демонстрируя значительно улучшенную атмосферостойкость по сравнению с эпоксидными покрытиями, содержащими немодифицированный нанооксид цинка.
Метод с применением связующего агента является наиболее перспективным методом модификации благодаря простоте процесса, хорошему эффекту модификации и низкой стоимости.
Сравнивая различные методы модификации поверхности, упомянутые выше, и учитывая как эффект модификации, так и сложность, можно увидеть, что метод этерификации и метод с применением связующего агента более подходят для модификации поверхности наноматериалов.