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Reines Zinkoxidist eine anorganische Substanz mit der chemischen Formel ZnO, weißem Pulver oder sechseckigem Kristall. Es ist geruchs-, geschmacks- und sandfrei. Beim Erhitzen wird es gelb, nach dem Abkühlen wird es wieder weiß und sublimiert, wenn es auf 1800 Grad erhitzt wird. Die Deckkraft ist halb so groß wie die von Titandioxid und Zinksulfid. Die Färbekraft ist doppelt so hoch wie die von basischem Bleicarbonat. Es ist ein Zinkoxid. Es ist wasserunlöslich, löslich in Säuren und starken Basen. Zinkoxid ist ein üblicher chemischer Zusatzstoff, der häufig bei der Herstellung von Kunststoffen, Silikatprodukten, synthetischem Gummi, Schmieröl, Farbbeschichtungen, Salben, Klebstoffen, Lebensmitteln, Batterien, Flammschutzmitteln und anderen Produkten verwendet wird. Zinkoxid hat eine große Energiebandlücke und Exzitonenbindungsenergie, eine hohe Transparenz und eine hervorragende Lumineszenzleistung bei Raumtemperatur. Es wird häufig in Flüssigkristallanzeigen, Dünnschichttransistoren, Leuchtdioden und anderen Produkten im Halbleiterbereich verwendet. Darüber hinaus begannen mikro-Partikel-Zinkoxid als Nano-Material auch in verwandten Bereichen eine Rolle zu spielen.
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Chemische Formel |
OZn |
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Genaue Masse |
80 |
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Molekulargewicht |
81 |
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m/z |
80 (100.0%), 82 (57.4%), 84 (38.6%), 83 (8.4%), 86 (1.3%) |
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Elementaranalyse |
O, 19,66; Zn, 80,34 |
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Reines Zinkoxidkommt hauptsächlich in Form von weißem Pulver oder rotem Zinkerz vor. Der geringe Anteil an Verunreinigungen wie Mangan im roten Zinkerz lässt das Erz gelb oder rot erscheinen. Wenn Zinkoxidkristalle erhitzt werden, strömt eine kleine Menge Sauerstoffatome über (0,007 % der Gesamtzahl der Sauerstoffatome bei 800 °C), wodurch die Substanz gelb erscheint. Wenn die Temperatur sinkt, wird der Kristall wieder weiß.
(1) Gummiindustrie
Wird in der Gummi- oder Kabelindustrie als Vulkanisationsmittel, Verstärkungsmittel und Farbstoff für Naturkautschuk, Synthesekautschuk und Latex verwendet, um dem Gummi eine gute Korrosionsbeständigkeit, Reißfestigkeit und Elastizität zu verleihen. Der Farbstoff und der Füllstoff aus weißem Kautschuk werden als Vulkanisationsmittel in Chloroprenkautschuk verwendet, und solche mit kleinen Partikeln (ca. 0,1 μm groß) können als Lichtstabilisatoren für Kunststoffe wie Polyolefine oder Polyvinylchlorid verwendet werden. Die Wärmeleitfähigkeit von typischem reinem Silikonkautschuk ist relativ gering; Durch die Zugabe von wärmeleitendem ZnO-Pulver kann die Wärmeleitfähigkeit von Silikonkautschuk verbessert und gleichzeitig seine hohe Beständigkeit beibehalten werden. Bereits bei relativ geringen Füllgehalten kann durch den Zusatz nanoskaliger Füllstoffe eine hohe Wärmeleitfähigkeit erreicht werden. Aufgrund der schwachen Wechselwirkung zwischen der Oberfläche von Nanopartikeln und Polymeren neigen ZnO-Nanopartikel jedoch dazu, sich zusammenzuballen und große Partikel in der Polymermatrix zu bilden, was sich auf die mechanischen Eigenschaften von Gummi auswirkt.
(2) Textilindustrie
Für Textilbeschichtungen haben wasserdichte und selbstreinigende Textilien vielversprechende kommerzielle Anwendungen im militärischen und täglichen Gebrauch. Selbstreinigende und wasserdichte Textilien verhindern Flecken auf der Kleidung und schützen den Körper vor schädlichen UV-Strahlen im Sonnenlicht. Darüber hinaus sind nanostrukturierte ZnO-Beschichtungen im Vergleich zu ihren Gegenstücken atmungsaktiver und wirksamer als UV-Blocker.
(3) Pharma- und Kosmetikindustrie
Zinkoxid wird in der Zahnheilkunde vor allem als Bestandteil von Zahnpasta und auch als provisorische Füllung verwendet. ZnO wird auch in verschiedenen Arten von Ernährungsprodukten und Nahrungsergänzungsmitteln verwendet, um essentielles Zink aus der Nahrung bereitzustellen. Die Verwendung von ZnO-Nanopartikeln in Sonnenschutzmitteln enthält viskose Formulierungen, die sich nicht leicht auf die Haut auftragen lassen und ästhetisch nicht attraktiv sind. Da sie ultraviolette Strahlung absorbieren können, wurden diese Produkte zunehmend in Gesichtscremes verwendet. Zinkoxid kann auch als Paste zur Zahnrestauration verwendet werden.
(4) Katalytische Industrie
Elektron-Loch-Paare werden unterhalb der Lichtintensität durch Oxidations- oder Reduktionsreaktionen erzeugt, die auf der Oberfläche des Katalysators stattfinden. In Gegenwart von Photokatalysatoren können organische Schadstoffe direkt durch photogenerierte Löcher oder indirekt durch Reaktionen mit reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) oxidiert werden. Zu den üblichen Katalysatoren gehört ZnO, das unterhalb der Intensität des ultravioletten Lichts eine photokatalytische Aktivität zeigen kann. ZnO weist eine geringe Stabilität und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Photokorrosion auf. Zinkoxid bietet jedoch eine bessere Stabilität, eine bessere Kristallinität und kleinere Defekte. Durch die Zugabe weiterer Komponenten kann die photokatalytische Aktivität von ZnO weiter gesteigert und der sichtbare Spektralbereich von Zinkoxid erweitert werden.
(5) Elektronikindustrie
Zinkoxid ist ein wichtiger neuer Halbleitertyp mit vielfältigen Anwendungen in den Bereichen Elektronik und Elektrotechnik. Aufgrund seines breiten Energiebandes (3,37 eV) und seiner hohen Bindungsenergie (60 meV) bei Raumtemperatur kann Zinkoxid in optoelektronischen und elektronischen Geräten, Geräten, die akustische Oberflächenwellen aussenden, Feldemitter, Sensoren, Ultraviolettlaser und Solarzellen verwendet werden.
(6) Andere Bereiche
Organische Synthesekatalysatoren und Entschwefelungsmittel werden als Matrizen für Analysereagenzien, Referenzreagenzien, Fluoreszenzmittel und lichtempfindliche Materialien verwendet.
In der Düngemittelindustrie wird Rohgas zur Präzisionsentschwefelung bei der Synthese von Ammoniak, Erdöl, zur chemischen Rohgasentschwefelung von Erdgas sowie für Tiefenentschwefelungs- und Reinigungsverfahren von industriellem Rohgas und Öl wie der Methanol- und Wasserstoffproduktion verwendet.
Wird für elektrostatisches Nasskopieren, Trockentransferdruck, Laserfaxkommunikation, elektrostatische Aufzeichnung elektronischer Computer und elektrostatische Plattenherstellungsdateien verwendet.
Einsatz in der Kunststoffindustrie, Produkten der Sonnenschutz-Kosmetikserie, speziellen Keramikprodukten, speziellen Funktionsbeschichtungen und der Textilhygieneverarbeitung.
Pharmazeutisch, verwendet als Adstringens, zur Herstellung von Salben, Zinkpasten und Gummipasten.
Als Weißpigment verwendet, ist seine Färbekraft schlechter als die von Titandioxid und Lithopon. Wird zum Einfärben von ABS-Harz, Polystyrol, Epoxidharz, Phenolharz, Aminoharz, Polyvinylchlorid sowie Farben und Tinten verwendet. Wird zur Herstellung von Pigmenten wie Zinkchromgelb, Zinkacetat, Zinkcarbonat, Zinkchlorid usw. verwendet.
Herstellung elektronischer Lasermaterialien, Leuchtstoffe, Katalysatoren und magnetischer Materialien.
Es wird auch bei der Herstellung von lackierten Stoffen, Kosmetika, Emaille, Leder usw. verwendet.
Wird zum Drucken und Färben, zur Papierherstellung, für Streichhölzer, in der Pharmaindustrie, in der Glasindustrie usw. verwendet.
Zinkoxid ist ein Futternährstoffverstärker, der sich als Zinkzusatz in der Futtermittelverarbeitung eignet.
Der Mensch hat gelernt, es zu nutzenreines ZinkoxidEs wurde lange Zeit als Überzug oder äußerliches Arzneimittel verwendet, aber die Geschichte der Entdeckung von Zinkoxid ist schwer nachzuvollziehen.
Bereits die Römer hatten gelernt, Messing durch Reaktion von Kupfer mit zinkoxidhaltigem Zinkerz herzustellen. Zinkoxid wird in einem Vertikalofen in Zinkdampf umgewandelt und zur Reaktion in den Rauchabzug gerollt. Auch Dioskurides führte dies ein.
Die Indianer wurden mit Zink und Zinkmineralien vertraut und begannen, Zink auf primitive Weise zu riechen. Die Zinkschmelztechnologie wurde im 17. Jahrhundert in China eingeführt.
England errichtete die erste Zinkschmelzanlage in Europa.
Es wurde zunächst zu einem Aquarellpigment, lässt sich jedoch nur schwer in Öl auflösen. Das Problem wurde jedoch bald durch das neue Verfahren zur Herstellung von Zinkoxid gelöst.
Leclerc begann in Paris mit der Massenproduktion von zinkweißer Ölfarbe
Zinkoxid wurde in ganz Europa populär.
Die Reinheit des Zinkoxids war so hoch, dass einige Künstler ihre Gemälde mit Zinkweiß als Grundfarbe überzogen, diese Gemälde jedoch nach hundert Jahren Risse aufwiesen.
Zinkoxid wurde hauptsächlich in der Gummiindustrie verwendet.
Die zweitgrößte Verwendung von Zinkoxid erfolgte als Zusatz zu Fotokopierpapier, doch im 21. Jahrhundert wurde die Verwendung von Zinkoxid als Zusatz zu Fotokopierpapier schrittweise eingestellt.
Das Forschungsteam um Professor Shouhiko Nakamura von der Shimane-Universität synthetisierte Zinkoxidpartikel mit einem Durchmesser von etwa 10 Nanometern und behandelte sie mit speziellen Techniken, um ihnen fluoreszierende Eigenschaften zu verleihen. Diese Art von Nanopartikeln emittiert Licht relativ stabil und kann mehr als 24 Stunden lang halten, ihre Produktionskosten betragen jedoch weniger als ein Prozent derjenigen von grün fluoreszierendem Protein.
Forscher fütterten Versuchsmäuse mit einem Protein, das dieses Partikel enthielt, und konnten erfolgreich Bilder des Partikels aufnehmen, das im Körper der Mäuse Licht aussendet.
Die Shimane-Universität in Japan gab die Entwicklung eines Zinkoxid-Nanopartikels bekannt, das unter Lichteinstrahlung Fluoreszenz emittieren kann. Seine Lumineszenz ist stabil und sicher und es kann in hochmodernen medizinischen Bereichen eingesetzt werden.
Sonnenschutzwirkung von reinem Zinkoxid: Die UV-Streuungsrate von ZnO mit einer Partikelgröße von 20 nm ist 1,7-mal so hoch wie die von TiO2
Die UV-Streuungseffizienz von ZnO mit einer Partikelgröße von 20 nm ist deutlich besser als die von TiO₂
Gemäß der Lichtstreuungstheorie und experimentellen Daten von Nanomaterialien kann die Ultraviolett-(UV)-Streuungsrate von ZnO das 1,7-fache der von TiO₂ erreichen, wenn die Partikelgröße von Zinkoxid (ZnO) und Titandioxid (TiO₂) jeweils 20 nm beträgt. Dieser Unterschied ist auf die Übereinstimmung von Brechungsindex, Partikelgröße und Lichtwellenlänge zwischen beiden sowie auf den Oberflächeneffekt der Nanopartikel zurückzuführen. Konkret manifestiert als:
Unterschied im Brechungsindex
Der Brechungsindex von ZnO beträgt 2,03, während der von TiO₂ (Rutiltyp) 2,71 beträgt. Obwohl TiO₂ einen höheren Brechungsindex aufweist, weist ZnO bei einer Partikelgröße von 20 nm eine bessere Streueffizienz für UVA (320–400 nm) und UVB (280–320 nm) auf. Dies liegt daran, dass seine Partikelgröße besser mit der Wellenlänge des ultravioletten Lichts übereinstimmt, was dem Gesetz der Mie-Streuungstheorie entspricht, dass „die Streueffizienz am höchsten ist, wenn das Verhältnis von Partikelgröße zu Wellenlänge nahe bei 0,1 liegt“.
Spektraler Abdeckungsbereich
ZnO hat eine Abschirmungsrate von über 95 % für UVA und deckt den größten Teil des langwelligen UVA (380–400 nm) ab, während sich TiO₂ mehr auf UVB und kurzwelliges UVA (320–350 nm) konzentriert.. 20nm ZnO erreicht durch eine gleichmäßige Dispersionstechnologie eine effiziente Streuung der ultravioletten Strahlung über den gesamten Wellenlängenbereich.
Durchlässigkeit für sichtbares Licht
20-nm-ZnO erreicht eine hohe UV-Abschirmung und behält gleichzeitig eine Durchlässigkeit für sichtbares Licht von über 85 %, wodurch das „Aufhellungsproblem“ herkömmlicher physikalischer Sonnenschutzmittel vermieden und das Benutzererlebnis verbessert wird.
Technisches Prinzip: Synergistischer Effekt von Nanopartikelgröße und Lichtstreuung
Mie-Streuungstheorie
Wenn sich das Verhältnis der Nanopartikelgröße (d) zur Wellenlänge des einfallenden Lichts (λ) (d/λ) 0,1 nähert, erreicht die Streueffizienz ihren Höhepunkt. Für UVA (Lambda ≈ 350 nm) und UVB (Lambda ≈ 300 nm) liegt ZnO mit einer Partikelgröße von 20 nm (d/Lambda ≈ 0,057–0,067) näher am optimalen Verhältnis, während TiO ₂ (d/Lambda ≈ 0,043–0,067) im kurzen Wellenlängenband eine höhere Effizienz aufweist aber erhebliche Dämpfung im langwelligen Band.
Oberflächeneffekt und Dispergierbarkeit
20 nm ZnO reduziert die Agglomeration durch Oberflächenbeschichtungstechnologie (z. B. Al ₂ O ∝ Beschichtungsschichtdicke von 2 - 5 nm), und die Abschwächungsrate der photokatalytischen Effizienz sinkt von 30 %/100 h auf 8 %/100 h, was eine langfristige Stabilität gewährleistet. Die Dosierung des Dispergiermittels wird um 50 % reduziert und die Absetzgeschwindigkeit wird auf 0,01 mm/h reduziert (herkömmliches Verfahren 0,5 mm/h), wodurch die Gleichmäßigkeit des Sonnenschutzmittels deutlich verbessert wird.
Mehrdimensionale Abschirmleistung
UVA-Abschirmung: 20 nm ZnO hat eine Abschirmungsrate von über 95 % für UVA und deckt den gesamten Wellenlängenbereich von 320–400 nm ab, insbesondere besser als TiO₂ für langwelliges UVA (380–400 nm).
UVB-Abschirmung: TiO₂ hat eine stärkere Absorption im UVB-Band (280–320 nm), aber ZnO kann diese Lücke durch die Verwendung hoher Konzentrationen (5–25 %) ausgleichen und gleichzeitig die photokatalytischen Reaktionen vermeiden, die TiO₂ verursachen kann (die freie Radikale erzeugen, die die Haut schädigen).
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