纳米氧化锡的热学性能和光学性能

热学性能上，纳米SnO2可归于一种ATO原料，其隔热机理：

SnO2晶体具有正四面体的金红石结构，阴阳离子配位数为6∶3，每个锡离子都与6个氧离子相邻，每个氧离子都与3个锡离子相邻。在SnO2中掺入锑离子后，占据了晶格中Sn4+的位置，形成一个一价正电荷中心SbSn和一个多余的价电子，使净电子增加，形成n-type半导体，晶粒电导率增大，从而使SnO2及其掺杂得到的粉末制成膜以后在保持高可见光透过率的同时，显示出类似于金属的电导性能和高红外光反射率等优良特性。且由于ATO是一种n-type半导体，根据经典Drude理论，导电性最佳的纳米ATO粒子具备最优的红外线屏蔽性能。

何秋星等提出ATO粒子的隔热作用是基于其对红外光的吸收。黄宝元等通过较长时间的隔热效果测试和光谱性能表征，认为ATO颗粒在红外区域是以吸收为主，反射为辅。Qu等认为纳米ATO透明隔热涂层的隔热机理是当太阳辐射到达涂层表面时，大部分近红外光和极少部分可见光被吸收，因而涂层表面温度升高；同时，绝大部分可见光和极少的近红外光会透过涂层进入室内，如此在使得室内温度降低的同时仍能保持在可见光区良好的透光率。此外，由于其在远红外区域的低发射率，在以采暖为主的节气或冬季使用时，该涂层可以有效地阻止房间内的热量向外散失。

化妆品方面的应用：SnO2作为掺杂材料，利用纳米SnO2粉体的红外反射性能，结合纳米TiO2粉体吸收的紫外光的特点，掺杂有TiO2的纳米SnO2粉体，具有抗红外和抗紫外的特点，制出的化妆品更能起到保护皮肤的作用。

电学性能简述：

纳米SnO2是典型的n型半导体，其Eg=3.5eV（300K），具有比表面大、活性高、熔点低、导热性好等特点，在气敏材料、电学方面、催化剂、陶瓷及化妆品方面应用比较多。

SnO2是目前广泛应用的一种半导体气敏材料，普通SnO2粉为基体材料制成的烧结型电阻式气敏元件，对多种还原性气体具有很高的灵敏度，但器件的稳定性和一致性等方面还不令人满意。SnO2纳米粉体在陶瓷工业中可用作釉料和搪瓷乳浊剂。在电学方面，抗为静电剂显示出比其它抗静电材料较大的优越性，并且在光电显示器、透明电极、太阳能电池、液晶显示、催化等方面有很大优点。

此外，纳米二氧化锡复合材料也是目前开发的一个热点，在制备SnO2材料的过程中，通过添加少量的掺杂剂，来改善其选择性和降低电阻率。

纳米掺锑二氧化锡(Antimony Doped Tin Oxide，简称ATO)，是一种N型半导体材料，与传统的抗静电材料相比，纳米ATO导电粉体具有明显的优势，主要表现在良好的导电性，浅色透明性，良好的耐候性和稳定性以及低的红外发射率等)：面，是一种极具发展潜力的新型多功能导电材料”。本文从抗静电涂料、抗静电纤维及抗静电塑料3个方面介绍了纳米ATO粉在高分子抗静电材料中应用。

1 抗静电涂料

抗静电涂料是纳米ATO粉的主要应用市场。将纳米ATO粉末作为导电填料添加到聚酰胺、丙烯酸等基体树脂中，选择适当的分散方法，可制得纳米复合透明抗静电涂料。在纳米ATO复合抗静电涂料中，当纳米ATO粉的添加量达到某一临界值时，涂层的导电性能才明显改善。研究表明，纳米ATO粉在涂料中的临界体积浓度(CPVC)约为23％，当PVC达到23％后，涂层的导电性能较好，如图1 所示。但进一步增大纳米ATO的用量，对于涂层的导电性能的改善并没有很大的帮助，相反，会影响涂层的色泽、透明度以及力学性能等。另外，基体树脂的种类、溶剂的用量以及制备工艺等都对涂料的性能有明显的影响。

由于纳米ATO颗粒比表面积大、比表面能高，属于热力不稳定体系，粉体颗粒自发的相互聚集，以降低整个系统的由焓。这种形成团聚状的二次颗粒，乃至三次颗粒，会破坏末的超细性和均匀性，影响纳米粉末的性能，进而影响产品最终的使用性能”1)。因此，影响涂料抗静电性能的首要因素是纳米ATO粉的高度分散问题。

针对如何实现透明导电涂料中纳米ATO粉的高度分散问题，李青山等D2]通过实验研究了共沉淀法制备的纳米ATO粉在水中高度分散体系的形成条件，并讨论了球磨时间及PH值对分散体系的影响，结果表明，在不加任何助剂的情况下，球磨时间需要5天以上才能形成分散效果较好的纳米ATO粉水分散体系；纳米ATO粉在强碱和等电点(pH=1．8)附近的水溶液中将聚沉，而在远离等电点(PH值在10-11．5)的水溶液中可呈现出不同的分散状态，可形成无团聚状态的高稳定性掺锑二氧化锡超细粉水分散体系。王栋等””研究了纳米ATO在水中的稳定、分散行为，讨论了分散剂种类、ATO用量、PH值、分散剂用量对体系稳定性、分散性和流变性的影响，制备粘度较低、稳定性分散J，哇良好的纳米ATO悬浮液。

纳米ATO复合抗静电涂料是一种用途广泛的功能材料，如电子设备的透明包装薄膜抗静电涂层、平面显示材料、面发热体等；另外，可通过调节锑掺杂量得到不同蓝色调的纳米ATO粉，从而获得不同色调的抗静电涂料，这一点对其在包装领域的应用至关重要。

2 抗静电纤维

纳米无机粉体改性纤维材料正逐步成为纤维材料改性的一个重要的发展方向。与其它类型的抗静电纤维相比，纳米级金属氧化物型抗静电纤维具有许多独特的优异性能，如不受气候和使用环境的限制，稳定性较好；纳米级金属氧化物不易从纤维上脱落，分布也较为均匀；纤维制备工艺简单；纤维使用范围广泛，几乎可用干任何需防静电的场合等”。新型的纳米级透明导电粉末，因其制品的透明性和优良的导电性而备受人们的青睐。将纳米ATO用于化学纤维抗静电处理的途径主要有3个：

1)在纤维纺丝时直接添加纳米级ATO粉末，其关键是无机纳米级ATO与纤维材料的相容性，需要添加特殊的分散助剂；

2)在原料(如毛条、涤纶丝)染色过程中添加纳米级ATO或其水性悬浮液，使染色与功能化一步完成；

3)在坯布的染色或整理过程中添力口纳米级ATO水性悬浮液。

东华大学纤维改性国家重点实验室的王栋等人采用纳米粉体ATO粉为抗静电剂，以聚乙烯亚胺(PEl)为分散剂，将纳米ATO稳定均匀地分散于去离子水中，并首次将该悬浮液作为聚丙烯腈纤维纺丝过程的预热浴，来改善PAN纤维的抗静电性。由于纤维内外纳米无机微粒的浓度差和初生PAN纤维内部大量微孔的存在，纳米ATO微粒能够通过扩散、迁移进入纤维或吸附于纤维表层，当PAN纤维被拉伸、干燥、致密化处理时，纳米ATO能留在纤维中并形成纳米ATO局部接触的导电通道，赋予PAN纤维抗静电性。实验结果表明纳米ATO改性PAN纤维的体积比电阻率下降三个数量级，具有良好的抗静电性能，同时还基本保持了纤维原有的力学性能。另外，国家超细粉末工程研究中心也正开展将纳米ATO应用于抗静纤维的制备及其它多个领域的研究。

目前改善涤纶织物静电性能的最主要的方法是采用有机抗静电剂通过简单易行的面料后整理技术进行抗静电整理。但由于有机抗静电剂存在对环境湿度依赖性大且抗静电效果持久性差等问题，因此寻求一种具有优良且耐久抗静电性能的抗静电剂成为研发热点。吴越等人Emi将纳米ATO粉体用于涤纶织物抗静电处理，实验结果表明，经纳米ATO抗静电整理剂处理的涤纶织物表面电阻从未处理的>1012Ω降低到<1010Ω级，洗涤50次，抗静电效果基本不变。陈雪花等””用涂层方法对涤纶面料进行了纳米级ATO抗静电剂的抗静电功能整理，实验结果表明：只有当ATO粒子暴露在膜的表面时，它才能发挥抗静电性能；当ATO粒子以部分湮没于膜内，部分显露在膜表面的形式存在于涂层中时，涂膜的抗静电性能才持久。丁钟复等将不同锑掺杂量的纳米ATO粉用于涤纶针织物的抗静电处理，研究表明，粉体的掺杂量是影响抗静电性能主要因素之一，在4％—8％锑掺杂量的试验范围内，掺杂量越多，它的抗静电性能越好，但粉体的颜色也随之加深，将影响其在浅色纺织品上的使用。

纤维功能化是合成纤维的一个重要发展趋势。我国是化纤的生产和消费大国，化学纤维抗静电处理将是纳米ATO粉的重要应用市场之一。

3 抗静电塑料

目前，将各种无机导电填料(如铜粉、银粉、炭黑等)掺入到基体高分子中加工成型的抗静电高分子材料最具使用价值，复合材料的体积电阻率在较大范围内可调，其中不少在国外已经实现商品化。但由于炭黑等材料在塑料中的分散性差，与塑料的相容J，哇不好，因而其在应用上也受到一定的限制。纳米ATO粉粒径小，与塑料有很好的相容性，且色浅，为导电粉在塑料上的应用拓宽了领域。纳米ATO粉在塑料表面抗静电中应用需解决的主要问题是添加量与材料的机械力学性能之间的关系，以及纳米粉体在基体树脂中的分散问题，例如可以采用皮芯结构和多层挤出等特殊的工艺，这需要预先制备纳米ATO导电塑料母粒。

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