Sáu phương pháp biến tính chính của nano kẽm oxit
Nano kẽm oxit là một loại vật liệu hóa học vô cơ mịn chức năng mới. Nhờ kích thước hạt nhỏ và diện tích bề mặt riêng lớn, nó sở hữu các tính chất lý hóa độc đáo trong hóa học, quang học, sinh học và điện tử. Nó được sử dụng rộng rãi trong các chất phụ gia kháng khuẩn, chất xúc tác, cao su, thuốc nhuộm, mực in, lớp phủ, thủy tinh, gốm áp điện, quang điện tử và các ứng dụng hóa chất hàng ngày, đồng thời có triển vọng lớn trong việc phát triển và sử dụng.
Tuy nhiên, do diện tích bề mặt riêng lớn và năng lượng bề mặt riêng cao, nano kẽm oxit có độ phân cực bề mặt mạnh, dễ tự kết tụ và khó phân tán đều trong môi trường hữu cơ, làm hạn chế đáng kể hiệu ứng nano của nó. Do đó, việc phân tán và biến tính bề mặt bột nano kẽm oxit là những xử lý thiết yếu trước khi vật liệu nano có thể được ứng dụng trong nền.
1. Biến tính chất hoạt động bề mặt
Biến tính chất hoạt động bề mặt liên quan đến tương tác tĩnh điện của các chất hoạt động bề mặt để tạo thành một lớp phủ hữu cơ trên bề mặt vật liệu nano, từ đó cải thiện khả năng tương thích của chúng với nền hữu cơ.
Mặc dù biến tính chất hoạt động bề mặt là một quá trình đơn giản, nhưng hiệu quả của nó thường kém, khiến việc tạo ra một lớp phủ ổn định và bền vững trên bề mặt vật liệu nano trở nên khó khăn.
2. Biến tính cơ hóa
Biến tính cơ hóa sử dụng lực cơ học để thay đổi các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu nano, do đó tăng cường ái lực và khả năng phản ứng của chúng với các chất khác.
Tuy nhiên, biến tính cơ hóa thường mất nhiều thời gian và thường cho kết quả kém đối với vật liệu nano.
3. Biến tính năng lượng cao
Biến tính năng lượng cao bao gồm quá trình trùng hợp các monome hợp chất hữu cơ bằng phương pháp xử lý plasma hoặc bức xạ, sau đó phủ lên bề mặt vật liệu nano.
Biến tính năng lượng cao thường đạt được kết quả tốt hơn hai phương pháp trước, nhưng nó có những nhược điểm như tiêu thụ năng lượng cao và khó khăn về mặt kỹ thuật.
4. Biến tính este hóa
Este hóa là một phương pháp biến tính bề mặt sử dụng các nhóm axit cacboxylic trong các chất biến tính như axit béo bậc cao hoặc axit hữu cơ không bão hòa để phản ứng với các nhóm hydroxyl trên bề mặt vật liệu nano để đạt được quá trình este hóa.
Phương pháp este hóa đơn giản, nhưng hiệu quả biến tính của nó kém và thường cần được sử dụng kết hợp với tác nhân liên kết.
5. Ghép polyme
Ghép polyme bao gồm việc đầu tiên ghép một monome polyme lên bề mặt vật liệu nano, sau đó bắt đầu phản ứng trùng hợp để kéo dài chuỗi cacbon, và cuối cùng cho phép polyme phủ lên toàn bộ vật liệu nano.
Phương pháp ghép polyme vận hành phức tạp, và hiệu quả biến tính bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, khiến việc ứng dụng rộng rãi trở nên khó khăn.
6. Biến tính bằng tác nhân liên kết
Tác nhân liên kết dựa trên nguyên tố silic hoặc kim loại, với hai nhóm khác nhau ở mỗi bên có thể liên kết với các nền vô cơ và hữu cơ. Ba thành phần này hoạt động cùng nhau để đạt được sự biến tính hóa học của vật liệu nano. Nano kẽm oxit được biến tính bằng tác nhân liên kết silan APS. Cả nano kẽm oxit đã biến tính và chưa biến tính đều được phân tán trong etanol khan để chuẩn bị mực in sử dụng làm vật liệu lớp truyền điện tử trong pin quang điện. Hiệu suất của hai loại mực sau đó được so sánh. Kết quả cho thấy nano-kẽm oxit biến tính phân tán tốt hơn trong etanol khan và duy trì trạng thái kết tụ trong 12 tháng. Vật liệu lớp vận chuyển điện tử được chế tạo bằng tác nhân này cho thấy hiệu suất truyền điện tử cao hơn và có thể đáp ứng các tiêu chuẩn hiệu suất thiết bị ở độ dày mỏng hơn.
Nano-kẽm oxit được biến tính hóa học bằng cách sử dụng tác nhân liên kết silan mang nhóm chức glycyloxy và amino. Cả nano-kẽm oxit biến tính và chưa biến tính đều được đưa vào lớp phủ epoxy để thử nghiệm khả năng chịu thời tiết. Kết quả cho thấy lớp phủ epoxy chứa nano-kẽm oxit biến tính bằng tác nhân liên kết glycyloxy silan cho thấy sự thay đổi nhỏ hơn đáng kể về góc tiếp xúc, màu sắc và nhóm carbonyl sau 450 giờ phong hóa tăng tốc, chứng tỏ khả năng chịu thời tiết được cải thiện đáng kể so với lớp phủ epoxy chứa nano-kẽm oxit chưa biến tính.
Phương pháp sử dụng tác nhân liên kết là phương pháp biến tính hứa hẹn nhất do quy trình đơn giản, hiệu quả biến tính tốt và chi phí thấp.
So sánh các phương pháp biến đổi bề mặt khác nhau được đề cập ở trên và xem xét cả hiệu quả biến đổi và độ khó, có thể thấy rằng phương pháp este hóa và phương pháp tác nhân liên kết phù hợp hơn để biến đổi bề mặt của vật liệu nano.