Оксид цинка: характеристики, области применения и тенденции развития многофункциональных неорганических материалов

Оксид цинка (ZnO), обычно известный как цинковая белила, — это неорганическое соединение, состоящее из атомов цинка и кислорода. Его химическая формула — ZnO, номер CAS — 1314-13-2, молярная масса — 81,4084 г/моль. Это вещество, которое выглядит как белый бесцветный твёрдый материал без запаха, трудно растворяется в воде. Однако оно играет важную роль в процессе развития человеческой цивилизации благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам. От древних покрытий и медицинского применения до ключевых материалов в современных высокотехнологичных областях — сферы его применения продолжают расширяться, превращаясь в многофункциональный материал, который охватывает как традиционную промышленность, так и передовые технологии.
1. Основные психологические свойства: структура определяет производительность

Превосходные свойства оксида цинка обусловлены его особой кристаллической структурой и электронными характеристиками. При комнатной температуре он в основном проявляет гексагональную структуру вюрцита. Каждый ион цинка окружён шестью ионами кислорода, а ионы кислорода — четырьмя ионами цинка. Эта структура придаёт ему пьезоэлектрический и пироэлектрический эффекты, что закладывает основу для применения в электронных устройствах. В условиях высокого давления оксид цинка может превращаться в октаэдрическую структуру типа хлорида натрия, демонстрируя структурную пластичность.

Что касается физических свойств, оксид цинка обладает плотностью 5,606 г/см³, температурой плавления 1975°C (температура разложения), температурой кипения 2360°C и показателем преломления nD 2,0041. Он характеризуется высокой теплопроводностью и электропроводностью. Это полупроводник с прямой широкозонной запрещённой зоной, ширина которой при комнатной температуре составляет около 3,37 эВ, а энергия связывания экситонов достигает 60 мэВ, что обеспечивает ему уникальные преимущества в области оптоэлектроники. Следует отметить, что оксид цинка обладает термохромными свойствами. При нагревании на воздухе он становится жёлтым и возвращается к белому цвету после охлаждения. Это объясняется образованием нестехиометрического соединения Zn₁₊ₓO при высоких температурах.

С точки зрения химических свойств оксид цинка, являясь типичным амфотерным оксидом, может реагировать с кислотами и основаниями с образованием соответствующих солей: например, при взаимодействии с соляной кислотой он образует хлорид цинка, а при реакции с гидроксидом натрия — цинкат. Он стабилен при комнатной температуре и при высоких температурах может вступать в реакцию с большинством неметаллических элементов. Кроме того, он может быть восстановлен до металлического цинка с помощью углерода, алюминиевого порошка и других веществ. Кроме того, он способен реагировать с сероводородом с образованием сульфида цинка, который применяется в таких коммерческих областях, как дезодоранты. Фосфат цинка, получаемый при реакции с фосфорной кислотой, может использоваться в качестве стоматологического материала.

2. Процесс подготовки: технологическая эволюция от традиционных до высокотехнологичных решений

Процесс подготовки оксида цинка продолжает развиваться в соответствии с потребностями применения, формируя две основные системы: промышленное производство и лабораторный точный синтез. Различные процессы определяют чистоту продукта, размер частиц и различия в его характеристиках, что позволяет адаптироваться к разным сценариям применения.

(1) Промышленный процесс подготовки

1. Косвенный метод (французский метод): В качестве сырья используются слитки цинка высокой чистоты. Сначала цинк расплавляют при температуре 600–700°C, затем испаряют при 1250–1300°C с образованием паров цинка, которые окисляются кислородом воздуха, после чего охлаждаются и собираются. Чистота получаемого продукта может достигать 99,5%–99,7%. Благодаря многоступенчатой седиментации и оптимизации технологий поверхностной модификации можно добиться точного контроля распределения размеров частиц, что делает данный метод подходящим для применения в таких отраслях, как высококачественная резина, электронная керамика и другие области.

2. Прямой метод (метод США): в качестве сырья используют цинковую руду, металлургический шлак и др., смешивают с антрацитом и нагревают до 800–1000°C. Сначала цинковая руда восстанавливается с образованием паров цинка, а затем в том же реакторе окисляется с получением оксида цинка. К 2025 году будут достигнуты технологические прорывы, позволившие реализовать интегрированную сероочистку дымовых газов (коэффициент улавливания SO₂ >99%). Общий коэффициент извлечения цинка увеличится до более чем 97%. Чистота продукта составит 90%–95%. Стоимость при этом будет всего 45% от стоимости высокочистых продуктов. Этот метод широко применяется в керамических глазурях, кормах для животных и других областях.

3. Химический метод: в качестве исходных веществ используются соли цинка, такие как хлорид и сульфат цинка, которые реагируют с щелочными веществами, такими как гидроксид натрия и карбонат натрия, образуя осадок гидроксида цинка. После промывки, сушки и прокаливания этот осадок преобразуется в оксид цинка; к этому методу относятся метод бикарбоната аммония, нитратный метод и другие. Кислотный процесс оптимизируется с помощью ингибиторов роста кристаллов и метода непрерывного псевдоожижения при прокаливании. Удельная поверхность активного оксида цинка превышает 80 м²/г, что значительно выше показателя в 10–15 м²/г, получаемого при огневом процессе. Этот метод подходит для высокотехнологичных применений, таких как фотогальванические герметики и покрытия для сепараторов аккумуляторов.

(2) Лаборатория и новые технологии

Гидротермальные методы, методы парового осаждения, золь-гель методы и другие широко применяются в лабораториях для получения специальных форм оксида цинка. Гидротермальный метод позволяет получать кристаллы оксида цинка путём реакций при высоком давлении и высокой температуре; метод парового осаждения позволяет готовить высококачественные плёнки оксида цинка; а золь-гель метод обеспечивает точный контроль структуры продукта. Микроэмульсионный метод использует органическую фазу циклогексана и неионогенный систему ПАВ для получения оксида цинка со специальной структурой частиц.

Новые процессы способствуют развитию высококачественных материалов на основе оксида цинка. Радиочастотный метод плазмохимической газовой фазы позволяет получать массивные наностолбики; эффективность пьезоэлектрического отклика в этом случае в два порядка выше, чем у тонкопленочных материалов. Технология спрей-пиролиза использует ультразвуковую атомизацию и микроволновое тепловое поле для получения монодисперсных сферических частиц диаметром 10 нм, которые уже поступили на рынок подсветочных пленок на основе квантовых точек. Метод электролиза расплавленной соли цинкатов позволяет получать высококристаллические чешуйки с теплопроводностью 280 Вт/(м·К), которые могут применяться в системах терморегулирования светодиодов.

3. Разнообразные области применения: функциональные материалы, проникающие в различные отрасли промышленности

Глобальное годовое производство оксида цинка составляет около 1,05 миллиона тонн; его применение охватывает многие области, такие как резина, медицина, электроника и катализ. Основная ценность этого вещества обусловлена его многочисленными свойствами, включая армирующие, антиультрафиолетовые, полупроводниковые и антибактериальные характеристики.

(1) Резиновая промышленность: сердечник армирования и активатор

Около 50% оксида цинка используется в резиновой промышленности. При использовании совместно с стеариновой кислотой в качестве активатора вулканизации он способен ускорить реакцию сшивки каучука и улучшить механические свойства, износостойкость и стойкость продукта к старению. Добавление термопроводящего порошка оксида цинка в силиконовый каучук может значительно повысить теплопроводность и сохранить высокую электрическую прочность. Наноразмерный оксид цинка позволяет добиться высокой теплопроводности при низкой концентрации наполнителя; однако необходимо решить проблему агломерации частиц, чтобы избежать ухудшения механических свойств. Кроме того, оксид цинка защищает резину от грибков и ультрафиолетового излучения, продлевая срок её службы.

(2) Лекарства и косметика: защита безопасности и уход

В области медицины оксид цинка является препаратом класса B, отпускаемым без рецепта. Его мазь подходит для лечения острого и подострого дерматита, экземы, потницы и легких кожных язв. Масло можно использовать для обработки небольших ожогов и термических поражений кожи. Препарат применяют наружно дважды в день. Иногда наблюдаются побочные реакции, такие как чувство жжения и сыпь. Во время применения следует избегать контакта с слизистыми оболочками и приема внутрь. В стоматологии оксид цинка может входить в состав зубных паст, временных пломб и паст для ремонта зубов. Цементоподобный материал, получаемый при взаимодействии с фосфорной кислотой, является широко используемым стоматологическим материалом.

В области косметики оксид цинка стал основным ингредиентом солнцезащитных средств благодаря своей высокой эффективности в поглощении ультрафиолетовых лучей и высокой безопасности. Хотя традиционные препараты нанооксида цинка обладают вязкостью и плохими косметическими свойствами, они обеспечивают превосходный защитный эффект от УФ-излучения. С развитием технологии модификации поверхности опыт использования этих препаратов постепенно улучшается. Кроме того, оксид цинка может также использоваться в качестве пищевой добавки для обеспечения организма человека необходимым количеством цинка.

(3) Электроника и оптоэлектроника: новые силы в полупроводниковых материалах

Оксид цинка широко применяется в электронной области благодаря широкой запрещённой зоне и высокой энергии связи экситонов. Он используется для производства варисторов (варисторов), которые эксплуатируют нелинейные характеристики тока — напряжения, обеспечивая молниезащиту высоковольтных линий и защиту оборудования от импульсных перенапряжений. Для обеспечения стабильной производительности требуются материалы с высокой плотностью. В области оптоэлектроники он может применяться в ультрафиолетовых лазерах, солнечных элементах, газовых датчиках и других устройствах. Его свойства фотолюминесценции и пьезоэлектрические свойства также могут быть использованы для разработки MEMS-датчиков, позволяющих определять радиусы кривизны и углы изгиба. Кроме того, ожидается, что оксид цинка заменит GaN в качестве основного материала для УФ-лазеров и светодиодов, обладая огромным потенциалом.

(4) Другие области: расширение функциональности и инновационные приложения

В каталитической промышленности оксид цинка может использоваться в качестве катализатора органического синтеза и десульфурирующего агента. Под воздействием ультрафиолетового света он образует пары электрон-дырка и разлагает органические загрязнители путём прямого или косвенного окисления. Добавление других компонентов позволяет расширить диапазон его реакции в видимой области спектра. В текстильной промышленности покрытие из нанооксида цинка придаёт тканям водоотталкивающие, самоочищающиеся и антиультрафиолетовые свойства. Его воздухопроницаемость выше, чем у основного материала, поэтому оно подходит для военной и повседневной одежды.

В строительной отрасли наноразмерный оксид цинка добавляют в цемент для повышения прочности на сжатие и улучшения антифouling-свойств; в пищевой промышленности он используется в качестве источника цинка в хлопьях для завтрака и кормовых добавках и может применяться в сочетании с другими технологиями для повышения эффективности стерилизации. В то же время оксид цинка также имеет важное применение в аккумуляторах, ферритовых материалах, огнезащитных материалах и других областях.

4. Тенденции в области безопасности, охраны окружающей среды и развития: экологизация и высокотехнологичность параллельно

(1) Вопросы безопасности и охраны окружающей среды

Сам по себе оксид цинка относительно безопасен, однако необходимо избегать вдыхания пыли и прямого контакта с кожей. При работе следует надевать защитную одежду, перчатки и защитные маски, обеспечивать хорошую вентиляцию помещения и хранить вещество вдали от кислот. Европейский союз включает его в список веществ, опасных для окружающей среды (R50/53), и требует соблюдения мер безопасности S60 и S61. В процессе производства при прямом методе необходимо контролировать выбросы SO₂, а при мокром методе — обрабатывать сточные воды и остатки. Новые технологии снижают воздействие на окружающую среду за счет низкого энергопотребления и замкнутых технологических циклов. Например, коэффициент回收氨的工艺中，氨的回收率超过99,8%，而再生氧化锌的成本低于原生矿物产品。

Что касается переработки, оксид цинка может быть извлечён из отходов цинковых изделий с помощью пирометаллургии и гидрометаллургии с коэффициентом извлечения 80%–90%. В будущем система замкнутого цикла переработки будет объединять нанотехнологии и интеллектуальный мониторинг для повышения эффективности использования ресурсов и снижения риска загрязнения тяжёлыми металлами.

(2) Тенденции развития отрасли

Индустрия оксида цинка развивается в направлении экологизации и высокотехнологичного развития. С точки зрения энергоэффективности, мокрый процесс (потребление электроэнергии на тонну составляет 3800 кВт·ч) обладает большими преимуществами по сравнению с термическим процессом (6000 кВт·ч). В эпоху паритета зелёной энергии маржинальные выгоды продолжают увеличиваться. Под воздействием природоохранных политик в ЕС наблюдается волна перехода на мокрый процесс третьего поколения, а технология улавливания углерода постепенно применяется для снижения выбросов.

С точки зрения стоимости, цена обычного оксида цинка составляет около 20 000 юаней за тонну, тогда как цена нанопорошка целевого качества превысила 1,2 миллиона юаней за тонну. Высокотехнологичные решения стали ключом к успеху компании. В будущем квантовые вычисления и машинное обучение будут способствовать разработке высокопроизводительных материалов на основе оксида цинка; экологически чистые процессы, такие как биосинтез и синтез с использованием микроволн, будут дополнительно оптимизироваться; а система оценки полного жизненного цикла постепенно усовершенствуется, что позволит отрасли добиться баланса между экологическими и экономическими ценностями.

От древнего использования природных минералов до современной наноточной подготовки оксид цинка продолжает способствовать технологическим обновлениям в различных отраслях благодаря своим контролируемым физическим и химическим свойствам. Благодаря пересечению материаловедения и экологической инженерии этот обычный белый порошок несомненно приобретёт ещё более яркую ценность в таких областях, как новая энергетика, высокотехнологичное производство и экологическая защита окружающей среды.