纳米氧化锌紫外线屏蔽性能的研究.docx

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纳米氧化锌紫外线屏蔽性能的研究

纳米氧化锌紫外线屏蔽性能的研究

作者：

金祥

摘要：

对人体造成伤害的紫外光主要是UVB和UVA波段。

本实验研究纳米氧化锌对UVB、UVA波段紫外光的防护及与维生素C、维生素E复配后的防晒性能。

用硫酸锌和碳酸铵为主要原料，以煅烧温度和原料比为单因素条件研究纳米氧化锌的最佳合成工艺。

实验结果表明，在原料比为1:

2，煅烧温度为400℃条件下制备出的纳米氧化锌抗紫外线能力最强。

与维生素C、维生素E复配，在UVB区，复配维E的样品防晒性强一些，但在UVA区复配维C的防晒性又占优势。

关键词：

纳米氧化锌维生素C维生素E抗紫外线能力

StudyofNanometerznoultravioletshieldingperformance

Abstract：

UVBandUVAwavelengthsofultravioletmainlycauseharmtohumanbody.TheexperimentresearchedonperformanceofnanozincoxideshieldingUVBandUVAwavelengthsandsunscreenperformanceofvitaminCandvitaminE.Withzincsulfateandammoniumcarbonateasmainrawmaterialsandcalcinationtemperatureandrawmaterialratioassinglefactorconditions,theoptimalprocessingtechnologyofpreparingnanozincoxidewasdiscussed.Theexperimentalresultsshowedthatwhenrawmaterialratiowas1:

2,andcalcinationtemperatureis400℃,theperformanceofnanozincoxideshieldingUVwasbest.IntherangeofUVB,compoundingwithvitaminE,theperformanceofthepreparedproductwasbetter.ButintherangeofUVA,compoundingwithvitaminC,theperformanceofthepreparedproductwasbetter.

Keywords：

nanometerZnOvitamincvitamineanti-ultraviolet

1前言

1.1引言

纳米氧化锌作为一种优良的紫外线屏蔽剂，广泛应用于防晒化妆品、防紫外线织物等抗紫外线材料中。

近年来美、日、德、英、澳等国积极进行防晒剂的开发研究。

美国50%以上的化妆品中都添加了防晒剂。

以往防晒剂多为有机化合物，但近年来诸如纳米ZnO、TiO2和氧化铁红等一批无机粉体的防晒剂倍受青睐。

因为它们无毒、无味、对皮肤无刺激性，不分解、不变质、热稳定性好，且纳米ZnO本身为白色，可以简单地加以着色，价格便宜，吸收紫外线能力强，对UVA（长波320～400nm）和UVB（中波280～320nm）均有屏蔽作用，因而得到广泛使用。

1.2纳米氧化锌的研究价值

纳米氧化锌是一种面向21世纪的新型高功能精细无机产品，其粒径介于1~100纳米，又称为超微细氧化锌。

由于颗粒尺寸的细微化，比表面积急剧增加，使得纳米氧化锌产生了其本体块状材料所不具备的表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等[1]。

因而，纳米氧化锌在磁、光、电、化学、物理学、敏感性等方面具有一般氧化锌产品无法比拟的特殊性能和新用途，在橡胶、涂料、油墨、颜填料、催化剂以及医药等领域展示出广阔的应用前景，此外，纳米氧化锌还兼有抗菌、消毒、除臭、屏蔽紫外线等奇异功能且价格便宜，在抗紫外线方面具有很高的研究潜力和应用前景[3]。

1.3纳米氧化锌的应用

1.3.1橡胶轮胎

在橡胶行业中，特别是透明橡胶制品生产中，纳米氧化锌是极好的硫化活性剂。

由于纳米氧化锌可与橡胶分子实现分子水平上的结合，因而能提高胶料性能，改善成品特性。

使用纳米氧化锌可显著提高产品的导热性能、耐磨性能、抗撕裂性能、拉伸强度等项指标，且用量较低，大大降低了产品成本；在加工工艺上，能延长胶料焦烧时间，对加工工艺极为有利。

纳米氧化锌用于气密封胶、密封垫等制品中，对于改善产品的耐磨性和密封效果也有着良好的作用[2]。

1.3.2油漆涂料

随着人们对涂料的色泽、涂膜性能、环保等各方面要求的提高，纳米材料在涂料行业中的应用受到越来越广泛的重视。

纳米氧化锌以其优异的性价比在涂料的应用中占据了更大的优势。

纳米氧化锌具有一般氧化锌无法比拟的新性能和新用途，能使涂层具有屏蔽紫外线、吸收红外线及杀菌防霉作用，因此它可广泛应用于建筑内外墙乳液涂料及其他涂料中，同时它的增稠作用还有助于提高颜料分散的稳定性[3]。

1.3.3防晒化妆品

由于地球臭氧层遭到破坏，导致紫外线对地球生物圈辐射量的不断增加，过多的紫外线照射对人类健康造成的危害正在日益加重。

为了抵御过量紫外线照射对人体皮肤的伤害，人们开发了多种防晒剂来保护皮肤。

由于大多数有机防晒剂活性较高，对皮肤产生刺激性，在紫外线照射后易分解，防晒效果不长久，因而人们又开发了无机防晒剂，如纳米二氧化钛、纳米氧化锌等。

研究发现，纳米氧化锌对紫外线的防护功能比传统的纳米二氧化钛要强，对紫外线UV-A和UV-B均具有良好的防护效果，无毒无害，是名副其实的新一代物理防晒剂[7]。

1.3.4其它领域

随着人们对纳米氧化锌性能认识的深化，纳米氧化锌的应用领域在不断扩大。

例如，将纳米氧化锌用于陶瓷行业，可以大大降低陶瓷制品的烧结温度，烧成品光亮如镜，减少了生产工序，降低了能耗，并赋予了陶瓷制品抗菌除臭和分解有机物的自洁作用，极大地提高了产品质量；纳米氧化锌由于尺寸小，比表面积大，表面的键态与颗粒内部的不同，加大了反应接触面，提高了催化效率，是化工生产企业制备脱硫剂和化学催化剂的首选材料；纳米氧化锌也是一种很好的光催化剂，在紫外线照射下，能自行分解出自由移动的负电子，留下带正电的空穴，激活空气中的氧变为活性氧，与多种有机物发生化学反应，杀死病菌和病毒。

此外，纳米氧化锌在传感器、电容器、荧光材料、吸波材料、导电材料等诸多领域也展示出越来越广阔的应用前景[3]。

1.4纳米氧化锌的制备方法

氧化锌的制备方法分为三类：

即直接法、间接法和湿化学法。

采用直接法或间接法制备的纳米氧化锌，粒度为微米级，比表面积较小，这些性质大大制约了它们的应用领域及其在制品中的性能。

湿化学法（NPP-法）制备纳米级超细活性氧化锌，可用各种含锌物料为原料，采用酸浸浸出锌，经过多次净化除去原料中的杂质，然后沉淀获得碱式碳酸锌，最后焙解获得纳米氧化锌[6]。

与以往制备纳米级超细氧化锌工艺技术相比，该新工艺具有以下技术方面的创新之处：

1.平衡条件下反应动力学原理与强化的传热技术结合，迅速完成碱式碳酸锌的焙解。

2.通过工艺参数的调整，可以制备不同纯度、粒度及颜色的各种型号的纳米氧化锌产品。

3.本工艺可以利用多种含锌物料为原料，将其转化为高附加值产品。

4.典型绿色化工工艺，属于环境友好过程。

1.5本论文研究的主要内容

本实验主要通过沉淀法制备纳米氧化锌。

对纳米氧化锌在UVB、UVA波段的抗紫外线性能进行测定，确定出最优抗紫外线性能纳米氧化锌的制备工艺。

对在最佳条件下制得的产物进行复配（维生素C、维生素E）实验，通过紫外光扫描曲线研究其抗紫外线性能是否变化。

2实验部分

2.1实验主要原材料、仪器及设备

2.1.1实验主要原材料

（1）七水合硫酸锌

（2）碳酸铵

（3）维生素C

（4）维生素E

（5）无水乙醇

（6）乙二醇

（7）乙酸乙酯、甘油、石蜡油等

2.1.2主要仪器及设备

（1）紫外分光光度计

（2）电子天平

（3）恒温干燥箱

（4）马弗炉

（5）离心机

（6）磁力搅拌器

（7）真空抽滤机

（8）烧杯、量筒等

2.2实验方法

以七水合硫酸锌和碳酸铵为原料，利用液相法制得前驱物Zn5（OH）6（CO3）2。

称取不同质量的原料，按1：

1.5、1：

2、1：

3的原料比制得前驱物Zn5（OH）6（CO3）2，并于不同温度（350℃、400℃）下煅烧制得纳米氧化锌。

利用分光光度计测定其吸光度以确定出最佳抗紫外线性能纳米氧化锌的制备工艺。

用最佳条件制得的氧化锌分别与维生素C、维生素E复配，从紫外扫描曲线研究其防晒性能。

2.2.1实验准备

2.2.1.1纳米氧化锌的制备

在电子天平上准确称取28.75g七水合硫酸锌、分别称取碳酸铵14.4g（1：

1.5）、19.2g（1；2）、28.8g（1：

3），用量筒分别准确量取100ml蒸馏水，配置成1mol/L的硫酸锌溶液及1mol/L、2mol/L、3mol/L的碳酸铵溶液各100ml。

将盛有碳酸铵溶液的烧杯放在磁力搅拌器上，在强烈搅拌下滴加ZnSO4溶液，滴加速度约为2滴/s，整个反应过程中控制溶液pH值为8左右，滴加完毕继续搅拌50min，陈化20min。

然后用离心机分离（3000r／min），将所得产品先用去离子水洗涤3次，后用无水乙醇洗涤3次。

放入恒温干燥箱中于80℃下干燥3h。

按照硫酸锌和碳酸铵的原料比1：

1.5、1：

2、1：

3，分别编号，将编号完成的产品放入马弗炉中在不同温度下分别煅烧（350℃、400℃）[1]。

最后得到6组氧

化锌粉末（1：

1.5（350℃）、1：

2（350℃）、1：

3（350℃）、1：

1.5（400℃）、1：

2（400℃）、1：

3（400℃））分别按照原料比及煅烧温度进行编号。

得到需要测定的氧化锌粉末。

表1纳米氧化锌样品编号

编号

原料比

1

1:

1.5

2

1:

2

3

1:

3

4

1:

1.5

5

1:

2

6

1:

3

煅烧温度

350℃

350℃

350℃

400℃

400℃

400℃

2.2.1.2确定最佳分散剂

在乙二醇、乙醇、甘油、乙酸乙酯中选择最佳分散剂。

分别用量筒量取5ml上述溶液，再分别量取95ml蒸馏水，配置成体积分数为5%的稀溶液。

分别进行编号，利用紫外分光光度计（空白试剂作为对照液）测定以上稀溶液的吸光度。

表2分散剂光谱扫描数据表

乙二醇

丙三醇

乙醇

乙酸乙酯

400nm

0.003

0.009

0.011

0.015

350nm

0.003

0.013

0.012

0.020

300nm

0.005

0.015

0.017

0.022

250nm

0.008

0.020

0.024

0.027

200nm

0.015

0.021

0.027

0.030

以上数据做成吸光度-波长图线如下

图1分散剂光谱扫描曲线图

由上述光谱扫描图、表可知，乙二醇（蓝色曲线）的紫外吸光度在所有溶液中最低，表示它对于纳米氧化锌的紫外吸光度干扰最小，所以确定乙二醇为最佳分散剂，可将制得的氧化锌粉末分散于乙二醇中用于测定其吸光度。

2.2.2确定最佳氧化锌制作工艺的实验

将表1中的6个纳米氧化锌样品分别称取10mg置于不同烧杯中，分别量取100ml乙二醇加入不同编号的烧杯中，用磁力搅拌器搅拌10分钟至氧化锌完全分散，用紫外分光光度计（空白试剂作为对照液）测定其吸光度，得到光谱扫描曲线，分析曲线得到最佳工艺条件。

2.2.3与维C、维E复配的防晒性实验

称取10mg最佳工艺条件下制得的氧化锌粉末，充分研磨后，分散于100ml乙二醇溶液中，各取10ml于两个烧杯中，分别编号为01、02。

称取10mg维生素C添加在01号烧杯中、10mg维生素E添加在02号烧杯中，利用磁力搅拌器充分搅拌10分钟至充分分散，在紫外分光光度计（空白试剂作为对照液）中测定其吸光度。

得到光谱扫描曲线。

3结果与讨论

3.1实验结果的分析与讨论

3.1.1最佳纳米氧化锌制作工艺的确定

图2-图7为编号1-6号纳米氧化锌的紫外光谱扫描曲线。

图2原料比1:

1.5、350℃条件下制得的纳米氧化锌光谱扫描曲线

图3原料比1:

2、350℃条件下制得的纳米氧化锌光谱扫描曲线

图4原料比1:

3、350℃条件下制得的纳米氧化锌光谱扫描曲线

图5原料比1:

1.5、400℃条件下制得的纳米氧化锌光谱扫描曲线

图6原料比1:

2、400℃条件下制得的纳米氧化锌光谱扫描曲线

图7原料比1:

3、400℃条件下制得的纳米氧化锌光谱扫描曲线

从图2—图7的曲线可以看出，氧化锌对UVB（280nm-320nm）、UVA（320nm-400nm）波段的紫外光均有吸收，而在6个曲线中，图6在UVB、UVA波段对紫外光的吸收能力是最强的，所以确定编号为5号（图6）的纳米氧化锌作为最佳纳米氧化锌进行下一步实验。

即最佳制作工艺为原料比为1：

2，煅烧温度为400℃，煅烧时间为2h。

在这个条件下制得的纳米氧化锌对于UVB、UVA波段紫外光的吸收能力最强。

3.1.2与维C、维E复配的防晒性能分析

在确定出的抗紫外线性能最佳的纳米氧化锌中分别添加相同质量的维生素C、维生素E后得到的光谱扫描曲线。

图801号烧杯光谱扫描曲线

图902号烧杯光谱扫描曲线

图8、图9分别为最佳样品复配相同质量的维生素C、维生素E后，纳米氧化锌的光谱扫描曲线图。

将这两条曲线加以比较，得到图10。

图10加样样品的吸光性比较

从图10可以看出复配了相同质量的维生素C（红色曲线）、维生素E（蓝色曲线）后，在280nm-400nm（即UVB-UVA波段）均有吸收，在UVB区，复配维E的样品防晒性强一些，但在UVA区复配维C的防晒性又占优势。

3.2实验总结

本实验利用硫酸锌和碳酸铵制备纳米氧化锌，在原料比为1：

2，煅烧温度为400℃，煅烧时间为2h的条件下，制得的氧化锌在UVB、UVA波段具有最强吸收性能。

在UVB区，复配维E的样品防晒性强一些，但在UVA区复配维C的防晒性又占优势。

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