หกวิธีหลักในการปรับเปลี่ยนนาโนซิงค์ออกไซด์

นาโนซิงค์ออกไซด์เป็นสารเคมีอนินทรีย์ชนิดละเอียดชนิดใหม่ที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัว เนื่องจากมีขนาดอนุภาคเล็กและพื้นที่ผิวจำเพาะสูง จึงมีคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ที่โดดเด่นในด้านเคมี ทัศนศาสตร์ ชีววิทยา และอิเล็กทรอนิกส์ นาโนซิงค์ออกไซด์ถูกใช้อย่างแพร่หลายในสารเติมแต่งต้านจุลชีพ ตัวเร่งปฏิกิริยา ยาง สีย้อม หมึกพิมพ์ สารเคลือบ แก้ว เซรามิกเพียโซอิเล็กทริก ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ และสารเคมีในชีวิตประจำวัน และมีแนวโน้มที่ดีในการพัฒนาและนำไปใช้ประโยชน์

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากนาโนซิงค์ออกไซด์มีพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่และพลังงานพื้นผิวจำเพาะสูง จึงมีขั้วผิวที่แข็งแกร่ง มีแนวโน้มที่จะเกาะตัวกันเอง และกระจายตัวได้ยากในสารอินทรีย์ ซึ่งเป็นข้อจำกัดที่สำคัญของนาโนซิงค์ออกไซด์ ดังนั้น การกระจายตัวและการดัดแปลงพื้นผิวของผงนาโนซิงค์ออกไซด์จึงเป็นสิ่งจำเป็นก่อนนำนาโนวัสดุไปประยุกต์ใช้ในเมทริกซ์

1. การดัดแปลงสารลดแรงตึงผิว

การดัดแปลงสารลดแรงตึงผิวเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตของสารลดแรงตึงผิวเพื่อสร้างสารเคลือบอินทรีย์บนพื้นผิวของวัสดุนาโน ซึ่งจะช่วยเพิ่มความเข้ากันได้กับเมทริกซ์อินทรีย์

แม้ว่าการดัดแปลงสารลดแรงตึงผิวจะเป็นกระบวนการง่ายๆ แต่โดยทั่วไปแล้วประสิทธิภาพของมันมักจะต่ำ ทำให้ยากที่จะสร้างสารเคลือบที่เสถียรและแข็งแรงบนพื้นผิวของวัสดุนาโน

2. การดัดแปลงเชิงกลเคมี

การดัดแปลงเชิงกลเคมีใช้แรงทางกลเพื่อเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของวัสดุนาโน ซึ่งจะช่วยเพิ่มความสัมพันธ์และปฏิกิริยากับสารอื่นๆ

อย่างไรก็ตาม การดัดแปลงเชิงกลเคมีมักใช้เวลานานและโดยทั่วไปแล้วให้ผลลัพธ์ที่ไม่ดีสำหรับวัสดุนาโน

3. การดัดแปลงพลังงานสูง

การดัดแปลงพลังงานสูงเกี่ยวข้องกับการพอลิเมอไรเซชันของโมโนเมอร์สารประกอบอินทรีย์โดยใช้พลาสมาหรือการฉายรังสี ซึ่งจะเคลือบพื้นผิวของวัสดุนาโน

โดยทั่วไปแล้ว การดัดแปลงพลังงานสูงจะให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าสองวิธีก่อนหน้านี้ แต่ก็มีข้อเสีย เช่น การใช้พลังงานสูงและความยุ่งยากทางเทคนิค

4. การดัดแปลงเอสเทอริฟิเคชัน

เอสเทอริฟิเคชันเป็นวิธีการปรับเปลี่ยนพื้นผิวที่ใช้หมู่กรดคาร์บอกซิลิกในสารปรับเปลี่ยน เช่น กรดไขมันที่มีความเข้มข้นสูงหรือกรดอินทรีย์ไม่อิ่มตัว เพื่อทำปฏิกิริยากับหมู่ไฮดรอกซิลบนพื้นผิวของวัสดุนาโนเพื่อให้เกิดเอสเทอริฟิเคชัน

วิธีการเอสเทอริฟิเคชันนั้นง่าย แต่มีประสิทธิภาพในการปรับเปลี่ยนต่ำ และมักจำเป็นต้องใช้ร่วมกับสารเพิ่มปริมาณ

5. การต่อกิ่งพอลิเมอร์

การต่อกิ่งพอลิเมอร์เกี่ยวข้องกับการต่อกิ่งโมโนเมอร์พอลิเมอร์ลงบนพื้นผิวของวัสดุนาโนก่อน จากนั้นจึงเริ่มปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันเพื่อขยายสายโซ่คาร์บอน และสุดท้ายให้พอลิเมอร์เคลือบวัสดุนาโนทั้งหมด

วิธีการต่อกิ่งพอลิเมอร์มีความซับซ้อนในการใช้งาน และผลของการปรับเปลี่ยนขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ ทำให้ยากต่อการประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลาย

6. การดัดแปลงสารเพิ่มปริมาณ

สารเพิ่มปริมาณประกอบด้วยธาตุซิลิคอนหรือโลหะ โดยมีหมู่ที่แตกต่างกันสองหมู่อยู่แต่ละด้าน ซึ่งสามารถเชื่อมต่อกับเมทริกซ์อนินทรีย์และอินทรีย์ได้ ส่วนประกอบทั้งสามนี้ทำงานร่วมกันเพื่อให้เกิดการดัดแปลงทางเคมีของวัสดุนาโน นาโนซิงค์ออกไซด์ถูกดัดแปลงด้วยสารจับคู่ไซเลน APS นาโนซิงค์ออกไซด์ทั้งที่ผ่านการดัดแปลงและไม่ผ่านการดัดแปลงถูกกระจายตัวในเอทานอลปราศจากน้ำเพื่อเตรียมหมึกพิมพ์สำหรับใช้เป็นวัสดุชั้นขนส่งอิเล็กตรอนในเซลล์แสงอาทิตย์ จากนั้นจึงเปรียบเทียบประสิทธิภาพของหมึกพิมพ์ทั้งสอง ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่านาโนซิงค์ออกไซด์ที่ดัดแปลงนั้นกระจายตัวได้ดีกว่าในเอทานอลปราศจากน้ำและยังคงเกาะกลุ่มกันเป็นเวลา 12 เดือน วัสดุชั้นขนส่งอิเล็กตรอนที่เตรียมด้วยสารนี้มีประสิทธิภาพในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่สูงขึ้นและเป็นไปตามมาตรฐานประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่ความหนาบางกว่า

นาโนซิงค์ออกไซด์ถูกดัดแปลงทางเคมีโดยใช้สารจับคู่ไซเลนที่มีหมู่ฟังก์ชันไกลซิลออกซีและอะมิโน นาโนซิงค์ออกไซด์ทั้งที่ผ่านการดัดแปลงและไม่ผ่านการดัดแปลงถูกผสมลงในสารเคลือบอีพอกซีเพื่อทดสอบความทนทานต่อสภาพอากาศ ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าสารเคลือบอีพอกซีที่ผสมนาโนซิงค์ออกไซด์ที่ดัดแปลงด้วยสารจับคู่ไกลซิลออกซีไซเลน มีการเปลี่ยนแปลงมุมสัมผัส สี และหมู่คาร์บอนิลที่น้อยกว่าอย่างมีนัยสำคัญหลังจากเร่งการผุพังเป็นเวลา 450 ชั่วโมง ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความทนทานต่อการผุพังที่ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับสารเคลือบอีพอกซีที่ผสมนาโนซิงค์ออกไซด์ที่ไม่ได้ดัดแปลง

วิธีการผสมสารจับคู่เป็นวิธีดัดแปลงที่มีแนวโน้มมากที่สุด เนื่องจากกระบวนการง่าย ให้ผลดีในการดัดแปลง และต้นทุนต่ำ

เมื่อเปรียบเทียบวิธีการดัดแปลงพื้นผิวต่างๆ ที่กล่าวถึงข้างต้น และพิจารณาทั้งผลและความยากของการดัดแปลง จะเห็นได้ว่าวิธีการเอสเทอริฟิเคชันและวิธีการใช้สารจับคู่เหมาะสมกว่าสำหรับการดัดแปลงพื้นผิวของวัสดุนาโน