一种具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法
阅读说明：本技术 一种具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法 (Preparation method of coating material ZnO with blue light shielding performance ) 是由 连俊林 王达 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明属于纳米无机材料技术领域,尤其为一种具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法,该具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法利用激光多次快速辐照ZnO颗粒,并且在最大程度上抑制了ZnO颗粒表面无序结构或体相缺陷的产生,维持ZnO颗粒完整的晶体结构,避免了ZnO晶格畸变,这样,使得制备的ZnO颗粒在能够屏蔽紫外光-蓝光的同时,还具有良好的可见光透过性能；并且由于所采用的是激光辐照技术,制备过程清洁、无污染,没有引入其他杂质元素,而且所需反应时间短,制备效率高,制备的ZnO颗粒可用于加工高质量的具有可见光透过性能并同时屏蔽紫外光-蓝光的ZnO涂层材料。(The invention belongs to the technical field of nano inorganic materials, in particular to a preparation method of a coating material ZnO with blue light shielding performance, which utilizes laser to rapidly irradiate ZnO particles for many times, inhibits the generation of a disordered structure or a bulk phase defect on the surface of the ZnO particles to the greatest extent, maintains the complete crystal structure of the ZnO particles, and avoids ZnO lattice distortion, so that the prepared ZnO particles have good visible light transmission performance while shielding ultraviolet light-blue light; and because the adopted laser irradiation technology, the preparation process is clean and pollution-free, other impurity elements are not introduced, the required reaction time is short, the preparation efficiency is high, and the prepared ZnO particles can be used for processing high-quality ZnO coating materials with visible light transmission performance and ultraviolet-blue light shielding performance.)
技术领域
本发明属于纳米无机材料技术领域，具体涉及一种具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法。
背景技术
ZnO(氧化锌)是一种重要的工业无机原料，应用领域十分广泛，比如，ZnO在塑料、硅酸盐制品、合成橡胶、润滑油、油漆涂料、药膏、粘合剂、食品、电池、阻燃剂等产品的制作中均有应用。而由于ZnO的能带隙和激子束缚能较大，透明度高，有优异的常温发光性能，在半导体领域的液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管等产品中也有应用。
另外，ZnO还可以很好的吸收太阳光谱中的紫外光，起到屏蔽紫外光的作用，并且ZnO本身是一种环保材料，与生物体相容性好，不会给人类健康造成伤害，也不会影响人类日常生活所处的环境，所以在日用品领域也有应用，比如，氧化锌广泛应用在物理防晒剂中，可以提供广谱的紫外保护。
前述诸多氧化锌的应用，一般是通过对氧化锌进行改性处理，或者与其他物质组配使用，比如，目前常用的制备具有可见光透过且屏蔽紫外光-蓝光的ZnO半导体材料的方法是元素掺杂和半导体复合。
其中，元素掺杂的方法被认为是调节ZnO光吸收性能最直接有效的方法，在这一方法途径中，通过元素掺杂直接调节ZnO的能带结构，使其可以吸收不同波段的紫外光-蓝光。现有技术中，比如，Liu等(Journal of Alloys and Compounds，2021,880，160501)利用Ag元素掺杂ZnO，增强了其对400-450nm处蓝紫光的高效率吸收；Mohsin等(AppliedMaterials Today，2021,23，101047)利用Fe元素掺杂ZnO，使其在400-450nm波段处对蓝紫光的吸收增强。然而，通过元素掺杂的方法引入的元素在ZnO体相或者表面的分布不可控，且会引起ZnO晶格结构的畸变，使得ZnO的缺陷增多，增加了ZnO对可见光的散射，导致透光率降低，严重影响其对光的透过和屏蔽性能。
对于另一种半导体复合的方法，现有技术中，比如，Ma等(Materials 2021,14,3299)利用TiO2与ZnO进行半导体复合，通过诱导界面处的氧空位增加其对蓝紫光的吸收，此材料对400-450nm处的蓝紫光吸收效率增加了20％；Gandotra等(Journal of Alloysand Compounds，2021,873，159769)利用CuxO复合ZnO得到复合半导体材料，增强了400-450nm处的蓝紫光吸收效率；Oamar等(Journal of Environmental ChemicalEngineering，2021,9，105534)利用g-C3N4复合ZnO材料，其对400-450nm处的蓝紫光吸收效率增加了近3倍；此外，一些具有还原性能的金属高温蒸汽对ZnO表面进行还原处理亦能增强ZnO对蓝紫光的吸收性能；然而，此种方法处理后的ZnO表面，呈现出无序的结构，这对于ZnO材料中光的透过和屏蔽是不利的。
发明内容
本发明旨在提供一种具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法，解决现有技术中对ZnO材料的处理方式会引起ZnO晶格结构畸变、ZnO材料表面呈现无序结构，导致ZnO材料在具备滤除蓝紫光功能的同时，透光率也降低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
提供一种具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法，包括以下步骤：
(1)对纳米ZnO颗粒进行预热处理，清洁其表面；
(2)将预热处理后的ZnO颗粒进行压片处理，并保证压片后ZnO颗粒的平整度；
(3)利用激光对ZnO进行辐照处理；
(4)将步骤(3)中辐照后的ZnO颗粒重新混合均匀；
重复步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)多次，直到ZnO颗粒颜色均一。
优选的，所采用的ZnO颗粒的晶型为纤锌矿型、闪锌矿型、NaCl晶型或CsCl晶型。
优选的，所述ZnO颗粒的粒径为5nm-5000nm。
优选的，所述ZnO颗粒的粒径为100nm。
优选的，所述激光的光源波长为300nm-1700nm；所述激光的光源功率为1W-100W；所述激光的光源脉冲宽度为1皮秒-1000纳秒；所述激光的光源脉冲频率为10赫兹-10000赫兹。
优选的，所述步骤(1)中，对纳米ZnO颗粒进行预热处理是在马弗炉中进行，预热处理的温度区间为200-500摄氏度；或者，
在管式炉中惰性气体保护下对纳米ZnO颗粒进行预热处理。
优选的，在所述步骤(3)中，所述辐照处理的时长为3-8秒。
优选的，重复步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)5-10次。
优选的，在所述步骤(2)中，将预热处理后的ZnO颗粒样品在石英玻璃衬底上进行压片处理，ZnO颗粒样品摊薄后上层为压片玻璃；在所述步骤(3)中，当压片玻璃在进行激光辐照后颜色由透明变为深黑色，则对压片玻璃进行更换。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、该具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法利用激光多次快速辐照ZnO颗粒，并且在最大程度上抑制了ZnO颗粒表面无序结构或体相缺陷的产生，维持ZnO颗粒完整的晶体结构，避免了ZnO晶格畸变，这样，使得制备的ZnO颗粒在能够屏蔽紫外光-蓝光的同时，还具有良好的可见光透过性能，辐照后的ZnO颗粒可应用于具有蓝光屏蔽性能的涂层材料中。
2、由于所采用的是激光辐照技术，制备过程清洁、无污染，没有引入其他杂质元素，而且所需反应时间短，制备效率高，制备的ZnO颗粒可用于加工高质量的具有可见光透过性能并同时屏蔽紫外光-蓝光的ZnO涂层材料。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法一实施例中激光辐照的示意图。
图2为本发明具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法一实施例中经过激光辐照后获得的ZnO颗粒样品与原料的光学照片对比示意图。
图3为本发明具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法一实施例中经过激光辐照后的ZnO颗粒样品与原料的晶型测试结果对比图。
图4为本发明具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法一实施例中经过激光辐照后的ZnO颗粒样品与原料对紫外光-蓝光的吸收率测试结果对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法，该具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法包括以下步骤：
(1)对纳米ZnO颗粒进行预热处理，清洁其表面。
在本步骤中，所采用的ZnO颗粒的晶型为纤锌矿型，且采用的ZnO颗粒的粒径为5nm，对纳米ZnO颗粒进行预热处理的方式是在马弗炉中于200摄氏度进行预热，清洁其表面，比如，预热处理可去除ZnO颗粒表面的水分等遇热气化的杂质。
(2)将预热处理后的ZnO颗粒进行压片处理，并保证压片后ZnO颗粒的平整度。
结合图1所示，在本步骤中，将预热处理后的ZnO颗粒样品在石英玻璃衬底上进行压片处理，ZnO颗粒样品摊薄后上层为压片玻璃。
(3)利用激光对ZnO进行辐照处理。
在本步骤中，激光的光源波长为300nm，光源功率为1W，光源脉冲宽度为1皮秒，激光的光源脉冲频率为1000赫兹；并且辐照处理的时长为5秒，得到灰色ZnO纳米颗粒。
本步骤中，由于通过激光辐照的反应时间短，能够最大程度上抑制ZnO颗粒表面或体相缺陷的产生，维持其完整的晶体结构，避免ZnO颗粒晶格畸变。
这里，激光辐照时间根据激光波长的不同、所选激光功率的不同以及ZnO颗粒粒径的不同进行选择，原则上，激光波长越短、激光功率越大、ZnO颗粒粒径越小，则激光辐照时间越短。
结合图1所示，在本步骤中，激光光源经两个反射镜反射后到达压片处理的ZnO颗粒样品，经过两次反射的目的是对激光进行聚焦，保证光斑亮度和能量。
(4)将步骤(3)中辐照后的ZnO颗粒重新混合均匀。
本步骤中重新混合均匀的目的是为重复步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)做准备。
本实施例中，重复步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)共6次，得到颜色均一的ZnO颗粒。这里，ZnO颗粒样品重复辐照的次数受激光波长的不同、所选激光功率的不同以及ZnO颗粒的粒径的不同这几个因素的影响，原则上，激光波长越短、所选激光功率越大、ZnO颗粒的粒径越小，则ZnO颗粒样品重复辐照的次数越少。
实施例2：
一种具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法，该具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法包括以下步骤：
(1)对纳米ZnO颗粒进行预热处理，清洁其表面。
在本步骤中，所采用的ZnO颗粒的晶型为闪锌矿型，且采用的ZnO颗粒的粒径为100nm，对纳米ZnO颗粒进行预热处理的方式是在马弗炉中于300摄氏度进行预热，清洁其表面。
(2)将预热处理后的ZnO颗粒进行压片处理，并保证压片后ZnO颗粒的平整度。
(3)利用激光对ZnO进行辐照处理。
在本步骤中，激光的光源波长为1064nm，光源功率为2W，光源脉冲宽度为100皮秒，激光的光源脉冲频率为10赫兹；并且辐照处理的时长为3秒。
(4)将步骤(3)中辐照后的ZnO颗粒重新混合均匀。
本实施例中，重复步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)共10次，得到颜色均一的ZnO颗粒。
实施例3：
一种具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法，该具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法包括以下步骤：
(1)对纳米ZnO颗粒进行预热处理，清洁其表面。
在本步骤中，所采用的ZnO颗粒的晶型为NaCl晶型，且采用的ZnO颗粒的粒径为5000nm，对纳米ZnO颗粒进行预热处理的方式是在马弗炉中于500摄氏度进行预热，清洁其表面。
(2)将预热处理后的ZnO颗粒进行压片处理，并保证压片后ZnO颗粒的平整度。
(3)利用激光对ZnO进行辐照处理。
在本步骤中，激光的光源波长为1700nm，光源功率为100W，光源脉冲宽度为1000纳秒，激光的光源脉冲频率为10000赫兹；并且辐照处理的时长为8秒。
(4)将步骤(3)中辐照后的ZnO颗粒重新混合均匀。
本实施例中，重复步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)共5次，得到颜色均一的ZnO颗粒。
实施例4：
一种具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法，该具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法包括以下步骤：
(1)对纳米ZnO颗粒进行预热处理，清洁其表面。
在本步骤中，所采用的ZnO颗粒的晶型为CsCl晶型，且采用的ZnO颗粒的粒径为100nm，对纳米ZnO颗粒进行预热处理的方式是在马弗炉中于200摄氏度进行预热，清洁其表面。
(2)将预热处理后的ZnO颗粒进行压片处理，并保证压片后ZnO颗粒的平整度。
(3)利用激光对ZnO进行辐照处理。
在本步骤中，激光的光源波长为355nm，光源功率为1W，光源脉冲宽度为100皮秒，激光的光源脉冲频率为1000赫兹；并且辐照处理的时长为3秒。
(4)将步骤(3)中辐照后的ZnO颗粒重新混合均匀。
本实施例中，重复步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)共8次，得到颜色均一的ZnO颗粒。
实施例5：
一种具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法，该具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法包括以下步骤：
(1)对纳米ZnO颗粒进行预热处理，清洁其表面。
在本步骤中，所采用的ZnO颗粒的晶型为闪锌矿型，且采用的ZnO颗粒的粒径为500nm，对纳米ZnO颗粒进行预热处理的方式是在马弗炉中于200摄氏度进行预热，清洁其表面。
(2)将预热处理后的ZnO颗粒进行压片处理，并保证压片后ZnO颗粒的平整度。
(3)利用激光对ZnO进行辐照处理。
在本步骤中，激光的光源波长为1064nm，光源功率为1W，光源脉冲宽度为100皮秒，激光的光源脉冲频率为1000赫兹；并且辐照处理的时长为8秒。
(4)将步骤(3)中辐照后的ZnO颗粒重新混合均匀。
本实施例中，重复步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)共10次，得到颜色均一的ZnO颗粒。
上述实施例具有蓝光屏蔽性能的涂层材料ZnO的制备方法制备的氧化锌颗粒，具有可见光透过性能，并同时能够屏蔽紫外光-蓝光，下面结合图2-图4对上述实施例1制备的氧化锌颗的性能进行具体分析：如图2所示，经过辐照后的氧化锌颗粒与辐照前的氧化锌颗粒相比，颜色更深，使得辐照后的氧化锌颗粒可以吸收紫外光和蓝光；在图3中，θ代表衍射角，纵坐标的强度代表衍射峰的强度，通过采用XRD粉末衍射测试，可获得激光辐照前后的ZnO颗粒样品的晶型变化，如图3所示，辐照前ZnO颗粒样品的晶型图与辐照后ZnO颗粒样品的晶型图的各个衍射峰位置和峰型保持一致，说明ZnO颗粒样品经过激光辐照前后，其晶体结构相同且完整，没有发生畸变。如图4所示，经过辐照后的ZnO颗粒样品材料在400-450nm处的纵坐标的位置更高，说明对这一波段的蓝光有很强的吸收性能，并且与激光辐照前的ZnO颗粒样品相比，辐照后ZnO颗粒样品吸光性能增强较为显著。
这里，ZnO颗粒样品之所以可以吸收太阳光谱中的紫外光，是由于氧化锌属于N型半导体，其屏蔽紫外线的原理为吸收和散射，ZnO价带上的电子可以接受紫外线中的能量而发生跃迁，从而到达吸收紫外线的目的，而散射紫外线的功能和材料的粒径相关，当尺寸远小于紫外线的波长时，粒子就可以将作用在其上的紫外线向各个方向散射，从而减小照射方向的紫外线强度，因此纳米级ZnO微粒与通常尺寸相比有着显著的优势。而本实施例中经过激光辐照处理后的ZnO颗粒，由于晶体结构与辐照前相同且完整，没有发生畸变，所以该处理方式避免ZnO颗粒出现缺陷，防止ZnO颗粒对可见光的散射，进一步避免透光率的降低，使得经过激光辐照处理后的ZnO颗粒在能够屏蔽紫光-蓝光的同时，保持良好的可见光透过性。
需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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