多尺度纤维制备纳米ZnO/纤维素复合材料的结构及性能调控机理文献综述

 2022-01-27 21:33:35

全文总字数:6528字

国内外同类研究概况

近几年来,城市工业发展速度,城市人口不断增加,城市规模日益扩大,人们的需求也不断地增长,对生活用品、工业用品等的要求也是层出不穷。各种工业废水与生活污水对生存造成了很大的危害,环境污染迫在眉睫,各种资源也在急剧下降。在原先的发展基础上, 各种材料物质原有的性能无法满足科技的发展,研究不断创新。

纳米氧化锌的研究兴起于20世纪90年代,但早前四五十年代的时候,已经有人开始了这项伟大的工程。氧化锌是由许多极细的晶粒组合而成,是一种特征维度尺寸在纳米数量级(1~100 nm)的无机粉体材料。这种材料在化学、物理学、光、电、磁、敏感性等方面超出其他材料的优良特性,使之广泛应用于生产生活的各个领域,如污水处理、传感器光响应、电池研究、光催化抗菌的应用等领域,受到了科学界的重视。[1-3]氧化锌是一种量子效率高、激子结合能大、物理和化学稳定性较好的新型半导体材料,价格低廉,没有毒性。[4]

现阶段纳米氧化锌的生产工艺不断发展,但仍然存在着工业生产必须解决的一些关键技术问题[5] ,主要有:尺寸大小、形貌特点和结构分布的控制;团聚体的控制与分散;表面的形态、缺陷、粗糙度、成分的控制, 包括表面修饰和包裹;化学组分和微观结构的均匀性控制;纯度的控制;工艺稳定性、质量可重复性的控制;纳米材料的稳定性及保存、运输技术;环境保护等。这些问题阻碍了纳米氧化锌研究的进一步发展。研究表明,纤维素基的材料不仅可以很好地解决纳米ZnO絮聚的问题,而且纳米氧化锌/纤维素复合物在紫外遮蔽、光催化、污水处理、抗菌特性等方面有着特殊的功能,有利于氧化锌的研究。它们均是聚合物的良好的补强剂,在高性能复合材料中表现出巨大的市场潜力。[6]

纤维素是地球上储量最为丰富的天然资源,含量最多,分布最广。纤维素分子是由许多beta;-D-葡萄糖基通过 1-4 糖苷键连接起来的线型高分子,来源非常丰富,无毒害、可再生、可生物降解,一度引发研究的热潮;而纳米纤维素指的是至少有一个维度的纤维素原纤维或微晶具有纳米尺度(1~100 nm),较一般的纤维素,尺寸更小,应用范围更广泛。[7]

纳米纤维素的应用实际上依赖于结构-性质的关系,改变纤维素的来源和处理方式可制备出不同形貌和尺寸的纳米纤维素,被广泛地分类为纤维素微晶、微纤化纤维素、纤维素纳米纤维、纤维素纳米晶、纳米棒等各种类型。这将会得到广泛研究与运用。[8]

当前的氧化锌制备方法总体可以分为液相法、固相法、气相法,并且一直沿用至今,不断更新与发展。欧阳成[9-10]等对三种方法进行了概括归总。液相法是选择1种或多种可溶性金属盐类,按所制备的材料组成计量配制溶液,使各元素呈离子或分子态, 再选择1种合适的沉淀剂或用蒸发、升华、水解等方法 ,使金属离子均匀沉淀或结晶出来,最后将沉淀或结晶物脱水或加热分解得到所需粉体材料 。液相法又可分为微乳液法、沉淀法、溶胶-凝胶法、溶剂热反应法等。固相法是把金属盐或金属氧化物按配方充分混合,研磨后再进行煅烧使发生固相反应,直接得到或再研磨后得到超细粉。相法是直接利用气体, 或者通过各种手段将反应物转变为气体, 使之在气体状态下发生物理或化学反应, 最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米粒子。气相法可以分为化学气相沉积法、喷雾热分解法等。

目前来看,国内外的制备方法层出不穷,各种氧化锌的实际应用也大不相同。下面是国内外的一些研究案例。

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