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纳米氧化锌晶体在棉纤维表面的在位生长及其影响因素的探讨

作　者: 施秋萍
导　师: 毛志平
学　校: 东华大学
专　业: 纺织化学与染整工程
关键词: 纳米氧化锌棉纤维在位生长水热反应晶格化处理二氧化硅溶胶
分类号: TS190.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

氧化锌是一种直接带隙的宽禁带半导体材料，室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，是最重要的光电子半导体之一。与普通氧化锌相比，纳米氧化锌尺寸小，比表面大，呈现出表面效应、体积效应及量子隧道效应等特殊性质，具有荧光性、压电性、光催化、光吸收和散射紫外光等能力，广泛应用于压电传感器、变阻器、荧光体、紫外屏蔽材料和光催化剂等方面。作为金属氧化物，氧化锌能够通过反射和折射达到屏蔽紫外线的目的，同时由于量子尺寸效应，纳米氧化锌能够有效衰减紫外线，尤其是波长为280-320nm的紫外线。此外，在紫外线照射下，纳米氧化锌能在水和窄气（氧气）中，自行分解出自由移动的带负电的电子（e^-），留下带正电的空穴（H⁺），激活空气中的氧变为活性氧，与多种有机物发生氧化反应从而具有杀菌除臭作用。因此，若将纳米氧化锌处理到织物上，可赋予织物紫外屏蔽和抗菌除臭等特殊功能。目前，在纺织业上，纳米氧化锌主要是通过共混纺丝和后整理两种方法处理到纤维或织物上。但上述方法存在许多缺点，如二者都需要事先制备纳米粉体，制作过程复杂，能耗大，成本高；同时这两种方法会使纳米氧化锌超细粉体包裹在纤维内或包覆于粘合剂内，无法与氧气、水分充分接触，完全发挥光催化作用，使其织物抗菌除臭等功能大大降低。因此，通过在位生长的方式在纤维表面获得纳米ZnO晶体，赋予纤维或织物特殊的功能性是目前的研究热点。在陶瓷、玻璃、不锈钢等基底上制备ZnO纳米晶体取向膜的研究报道很多，但在聚合物纤维材料表面通过在位生长的方式制备ZnO晶体的研究报道较少。香港理工大学John H．Xin等人先在棉纤维表面形成ZnO晶种，然后通过水热反应实现了纳米ZnO在棉纤维表面上的在位生长，但没有详细探讨水热反应条件对晶体生长规律的影响。本文借鉴参考文献[57～59]，首次采用SiO₂溶胶对棉织物进行预处理，然后以硝酸锌和六亚甲基四胺为反应原料，通过低温水热和晶格化处理的方法，实现纳米氧化锌的在位生长，并通过UPF、XRD、ICP、SEM及FE-SEM等测试手段，探讨了二氧化硅溶胶性质、水热处理条件和晶格化处理条件等因素对氧化锌在位生长规律及晶体的结构形态等性质的影响，确定了较为理想的反应参数。当水热反应温度80℃、保温时间2.5h、锌盐浓度为0.02mol／L、碱锌摩尔比0.5：1时，织物表面纳米氧化锌晶体含量及结晶性较高。纳米氧化锌晶体的含量与二氧化硅溶胶的用量呈线性增加趋势，晶体结晶完整性也随之逐渐提高；不同粒径的二氧化硅溶胶对织物表面氧化锌晶体的含量和结晶性均有影响，当二氧化硅溶胶粒径为4.84nm时，氧化锌晶体生长量最高，当粒径为9.11nm时，结晶性最高。晶格化处理过程中，晶体含量没有发生变化，但随着晶格化温度的提高和晶格化时间的延长，晶体形态发生变化，由球形和棒状逐渐变为针状，晶体粒径减小，晶体结晶性随之提高。经上述反应参数处理后获得的棉织物紫外屏蔽性能大大提高，达到100以上，手感良好，但织物断裂强力和断裂延伸率略有降低。同时，织物经水洗后，其紫外防护性能有所降低，有待进一步的研究和改进。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-15
第一章前言  15-28
  1.1 纳米氧化锌的概述  15-17
    1.1.1 纳米材料的特征  15-16
    1.1.2 纳米氧化锌的特征  16-17
  1.2 纳米氧化锌的性能及其应用  17-21
    1.2.1 纳米氧化锌的光学性能  17-18
    1.2.2 纳米氧化锌的生物性能  18-19
    1.2.3 纳米氧化锌的力学性能  19
    1.2.4 纳米氧化锌的化学性能  19-20
    1.2.5 纳米氧化锌的半导体性能  20-21
  1.3 纳米氧化锌在纺织业中的应用  21-24
    1.3.1 纳米氧化锌的传统应用方法  21-23
    1.3.2 在位生长法  23-24
  1.4 本课题的意义与研究内容  24-28
    1.4.1 研究背景及意义  24-26
    1.4.2 课题研究内容  26-28
第二章试剂、材料、仪器和设备  28-30
  2.1 材料  28
  2.2 试剂与药品  28-29
  2.3 仪器与设备  29-30
第三章实验部分  30-33
  3.1 SiO_2溶胶的制备  30
  3.2 棉织物的处理  30
    3.2.1 棉织物的清洗  30
    3.2.2 SiO_2溶胶的施加  30
  3.3 棉织物上氧化锌晶体的水热生长  30
  3.4 氧化锌晶体的晶格化生长  30
  3.5 表征方法  30-32
    3.5.1 二氧化硅溶胶粒径的分布测试  30-31
    3.5.2 织物抗紫外测试  31
    3.5.3 晶体结构表征  31
    3.5.4 元素分析(ICP)  31-32
    3.5.5 晶体形态表征  32
  3.6 整理后织物的性能测试  32-33
    3.6.1 织物断裂强力的变化  32
    3.6.2 织物硬挺度的变化  32
    3.6.3 纳米氧化锌晶体与织物的结合牢度测试  32-33
第四章结果与讨论  33-67
  4.1 纳米氧化锌在位生长机理及其可行性探讨  33-34
  4.2 水热反应条件对织物表面在位生长氧化锌晶体的影响  34-45
    4.2.1 水热反应温度  35-37
    4.2.2 水热反应保温时间  37-40
    4.2.3 水热反应的锌盐浓度  40-42
    4.2.4 水热反应碱锌比  42-45
  4.3 SiO_2溶胶性质对棉织物上在位生长纳米氧化锌的影响  45-51
    4.3.1 不同粒径二氧化硅溶胶的制备  45
    4.3.2 二氧化硅溶胶质量浓度对氧化锌晶体生长规律的影响  45-48
    4.3.3 二氧化硅溶胶粒径对氧化锌的影响  48-51
  4.4 晶格化处理对纳米氧化锌晶体的影响  51-62
    4.4.1 晶格化处理的机理  51-53
    4.4.2 晶格化时间对氧化锌晶体的影响  53-57
    4.4.3 晶格化温度对氧化锌晶体的影响  57-62
  4.5 整理后织物的性能变化  62-67
    4.5.1 织物处理过程中断裂强力的变化  62-63
    4.5.2 织物整理前后硬挺度的变化  63-64
    4.5.3 纳米氧化锌与织物表面结合牢度测试  64-67
第五章结论  67-69
第六章参考文献  69-75
读研期间发表论文  75-76
致谢  76

纳米氧化锌晶体在棉纤维表面的在位生长及其影响因素的探讨

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