Zinc Oxide, ZnO, ซิงค์ออกไซด์,
ซิงก์ออกไซด์, สังกะสีออกไซด์
ZnO หรือ
ซิงค์ออกไซด์เป็นที่รู้จักในนาม คาลาไมล์
ซึ่งเป็นภาษาอียิปต์โบราณ เป็นธาตุธรรมชาติจากสินแร่ สมิธโซไนต์ (Smithsonite)มนุษย์ใช้ซิงค์ออกไซด์ในการรักษาโรคตั้งแต่ในยุคอียิปต์โบราณ ซิงค์ออกไซด์ มีลักษณะเป็นผงอนุภาคละเอียดสีขาว เป็นสารที่ใช้ยับยั้งแบคทีเรีย (Anti-bacteria
) ไม่มีความเป็นพิษต่อร่างกาย
นอกจากฆ่าแบคทีเรียแล้วยังช่วยป้องกันและยับยั้งการแบ่งเซลล์ของแบคทีเรีย
ด้วยเหตุผลนี้ซิงค์ออกไซด์จึงเป็นหนึ่งในสารที่สำคัญในการเป็นยาต้านแบคทีเรีย และยังสามารถป้องกันรังสี UV-A และ UV-B ระงับกลิ่นอันไม่พึงประสงค์
สังกะสีออกไซด์ (Zinc Oxide) ปกป้องผิวจากแสงแดดได้สมบูรณ์ที่สุด
สังกะสีออกไซด์ (Zinc Oxide) เป็นสารอนินทรีย์ที่นำมาใช้ปกป้องและรักษาผิวหนังมานานนับศตวรรษ
ในช่วงสงครามโลกทั้ง 2 ครั้ง
กระทรวงกลาโหมของสหรัฐอเมริกามอบสังกะสีออกไซด์ให้แก่นักบินสำหรับใช้ป้องกันการถูกแดดเผากรณีที่รอดชีวิตจากเครื่องบินตก
นอกจากนี้ในกลุ่มนักเทนนิสและเจ้าหน้าที่รักษาความปลอดภัยตามสระน้ำจะใช้สังกะสีออกไซด์ทาจมูกและริมฝีปาก
อย่างไรก็ตามในช่วงนั้นการใช้สังกะสีออกไซด์ยังอยู่ในวงจำกัด
เนื่องจากคนทั่วไปรู้จักครีมกันแดดที่ผลิตจากโมเลกุลของสารอินทรีย์ (Organic
Molecules) โดยเฉพาะการใช้กรด Para-Amino Benzoic Acid
[PABA] ช่วยดูดซับรังสีจากแสงอาทิตย์
แต่ได้เสื่อมความนิยมในระยะต่อมา
สารอนินทรีย์ (Inorganic Chemicals) ที่ใช้ในการผลิตครีมกันแดดมีหลายชนิด
ได้แก่ สังกะสีออกไซด์ ไททาเนียมไดออกไซด์ และไอออนออกไซด์
สารอนินทรีย์เหล่านี้นอกจากจะช่วยปกป้องผิวจากแสงแดดแล้ว
ยังมีข้อดีที่แตกต่างจากสารอินทรีย์ก็คือไม่ซึมเข้าสู่ผิวหนังจึงไม่ทำให้เกิดอาการแพ้
ในจำนวนสารอนินทรีย์เหล่านี้
สังกะสีออกไซด์ถือว่ามีความปลอดภัยและใช้งานได้นานที่สุด
ครีมกันแดดหลายยี่ห้อ
มักโฆษณาว่าสามารถป้องกันได้ทั้ง UVB และ UVA โดย UVB เป็นรังสีที่ทำให้ผิวไหม้เกรียม ขณะที่ UVA จะทำให้ผิวเหี่ยวย่น
ตกกระและมีสีคล้ำขึ้น
ซึ่งรังสีทั้งสองชนิดนี้เป็นรังสีอุลตราไวโอเล็ตที่มีส่วนทำให้เกิดมะเร็งผิวหนัง
การพัฒนาครีมกันแดดในอดีตมักมุ่งหยุดอาการผิวไหม้ (sunburn) ซึ่งเกิดจากรังสีUVB เท่านั้น โดยผู้บริโภคที่ใช้ครีมกันแดดประเภทนี้
เมื่อไม่มีอาการผิวไหม้ซึ่งเป็นการเตือนภัยของร่างกายกรณีที่ได้รับรังสี UVBมากเกินไป
ทำให้เข้าใจผิดว่าไม่เป็นไรถ้าจะอยู่กลางแสงแดดต่อไปเป็นเวลานานๆ
จึงเปิดโอกาสให้ร่างกายได้รับรังสี UVA มากเกินไป
กรณีเช่นนี้เป็นคำอธิบายอย่างหนึ่งถึงสาเหตุที่ปริมาณการเกิดมะเร็งผิวหนังเพิ่มมากขึ้น
แม้ว่าสังกะสีออกไซด์จะสามารถป้องกันได้ทั้งรังสีUVA และ UVB สมบูรณ์ที่สุดในขณะนี้ก็ตาม
แต่ก็ยังไม่ถูกนำไปใช้เป็นส่วนผสมของครีมกันแดดทุกยี่ห้อ
เนื่องจากการค้นพบประสิทธิภาพของสังกะสีออกไซด์เพิ่งเกิดขึ้นไม่นานมานี้จึงยังไม่แพร่หลาย
และผู้บริโภคยังฝังใจกับครีมกันแดดที่ทำจากสารอินทรีย์ที่มีการโฆษณามานาน
สาเหตุอีกประการหนึ่งคือ สังกะสีออกไซด์จะกลายเป็นสีขาวเมื่อใช้ในปริมาณมากๆ ดังนั้นผู้ผลิตเครื่องสำอางจึงจำเป็นต้องมีการศึกษาวิจัยเรื่องปริมาณสังกะสีออกไซด์ที่เหมาะสมเพื่อแก้ปัญหานี้ต่อไป
ครีมกันแดดที่มีสังกะสีออกไซด์เป็นส่วนผสมหลักเริ่มออกวางตลาดเมื่อไม่กี่ปีมานี้
บางครั้งสังกะสีออกไซด์ก็เป็นเพียงส่วนผสมเดียวของครีมกันแดด
แต่ส่วนใหญ่มักจะถูกนำไปผสมร่วมกับสารอินทรีย์อื่นด้วย คาดว่าในอนาคต
จะมีผลิตภัณฑ์จำนวนมากที่มีส่วนผสมของสังกะสีออกไซด์ออกวางตลาดมากขึ้น เพราะมีแนวโน้มสูงว่าสารปกป้องผิวจากแสงแดดจะนำมาใช้ร่วมกับผลิตภัณฑ์ถนอมผิวอื่นๆ
เช่น มอยส์เจอร์ไรเซอร์ หากเป็นเช่นนี้ก็จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องใช้ส่วนผสม เช่น
สังกะสีออกไซด์ ที่มีทั้งประสิทธิภาพและไม่ระคายเคืองต่อผิว
ซิงค์ออกไซด์ (ZnO) เป็นสารประกอบที่เป็นผลึกไม่มีสี
ไม่ละลายในน้ำ มีความหนาแน่น 5.7 กรัม/ตารางเซนติเมตร และเมื่อนำซิงค์ออกไซด์ไปอบ มันจะกลายเป็นสีเหลืองแต่ไม่ละลาย มันจะละลายได้ก็ต่อเมื่อผ่านอุณหภูมิที่สูงกว่า 1,800°C เลยทีเดียว ซิงค์ออกไซด์เป็นสารแอมโฟเทอริกที่ทำละลายในกรด อาทิ เกลือซิงค์ อัลคาไลน์
และสารละลายในน้ำอย่างแอมโมเนีย เป็นต้น
ซิงค์ออกไซด์ถูกนำมาใช้เป็นตัวกระตุ้นปฏิกิริยาเคมีในอุตสาหกรรมยาง
เช่น ยางคลอโรพรีน (chloroprene rubber) และใช้ในการผลิตน้ำหอม,เครื่องสำอาง, ยา เป็นต้น นอกจากนี้ซิงค์ออกไซด์ยังถูกนำมาใช้ในการผลิตเม็ดสีและเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการสังเคราะห์เมทานอลในอุตสาหกรรมเคมีต่างๆ
ด้วย
Zinc oxide is an inorganic
compound with the formula ZnO
ZnO is a white powder that is
insoluble in water, and it is widely used as an additive in numerous materials
and products including rubbers, plastics, ceramics, glass, cement, lubricants, paints, ointments, adhesives, sealants, pigments, foods (source
of Zn nutrient), batteries, ferrites, fire retardants, and first-aid tapes. It
occurs naturally as the mineral zincite, but most zinc oxide is produced
synthetically.
In materials science, ZnO is a
wide-bandgap semiconductor of the II-VI semiconductor group (since oxygen was
classed as an element of VIA group (the 6th main group,
now referred to as 16th) of the periodic table and zinc, a
transition metal, as a member of the IIB (2nd B), now 12th, group). The native doping of the semiconductor (due to
oxygen vacancies or zinc interstitials)[4] is n-type. This
semiconductor has several favorable properties, including good transparency,
high electron mobility, wide bandgap, and strong room-temperature luminescence.
Those properties are used in emerging applications for transparent electrodes
in liquid crystal displays, in energy-saving or heat-protecting windows, and in
electronics as thin-film transistors and light-emitting diodes.
Structure
Zinc oxide crystallizes in two
main forms, hexagonal wurtzite and cubic zincblende. The
wurtzite structure is most stable at ambient conditions and thus most common.
The zincblende form can be stabilized by growing ZnO on substrates with cubic
lattice structure. In both cases, the zinc and oxide centers are tetrahedral,
the most characteristic geometry for Zn(II).
In addition to the wurtzite and
zincblende polymorphs, ZnO can be crystallized in the rocksalt motif at
relatively high pressures about 10 GPa
Hexagonal and zincblende
polymorphs have no inversion symmetry (reflection of a crystal relative to any
given point does not transform it into itself). This and other lattice symmetry
properties result in piezoelectricity of the hexagonal and zincblende ZnO, and
pyroelectricity of hexagonal ZnO.
The hexagonal structure has a
point group 6 mm (Hermann-Mauguin notation) or C6v (Schoenflies notation), and the space group is P63mc or C6v4. The lattice
constants are a = 3.25 Å and c = 5.2Å; their ratio c/a ~ 1.60 is close to the ideal value for
hexagonal cell c/a = 1.633. As in most group II-VI
materials, the bonding in ZnO is largely ionic (Zn2+O2) with the corresponding radii of 0.074nm for Zn2+ and 0.140 nm for O2. This property accounts for the preferential formation of
wurtzite rather than zinc blende structure,[17] as well as
the strong piezoelectricity of ZnO. Because of the polar Zn-O bonds, zinc and
oxygen planes are electrically charged. To maintain electrical neutrality,
those planes reconstruct at atomic level in most relative materials, but not in
ZnO its surfaces are atomically flat, stable and exhibit no reconstruction.
This anomaly of ZnO is not fully explained yet.
Mechanical properties
ZnO is a relatively soft material
with approximate hardness of 4.5 on the Mohs scale. Its elastic constants are smaller than those of relevant III-V
semiconductors, such as GaN. The high heat capacity and heat conductivity, low
thermal expansion and high melting temperature of ZnO are beneficial for
ceramics. ZnO's most stable phase being wurtzite, ZnO
exhibits a very long lived optical phonon E2(low) with a
lifetime as high as 133 ps at 10 K
Among the tetrahedrally bonded
semiconductors, it has been stated that ZnO has the highest piezoelectric
tensor, or at least one comparable to that of GaN and AlN. This
property makes it a technologically important material for many piezoelectrical
applications, which require a large electromechanical coupling.
Electrical properties
ZnO has a relatively large direct
band gap of ~3.3 eV at room temperature. Advantages
associated with a large band gap include higher breakdown voltages, ability to
sustain large electric fields, lower electronic noise, and high-temperature and
high-power operation. The bandgap of ZnO can further be tuned to ~34 eV by its alloying with magnesium oxide
or cadmium oxide.
Most ZnO has n-type character,
even in the absence of intentional doping. Nonstoichiometry is typically the
origin of n-type character, but the subject remains controversial. An alternative explanation has been proposed, based on
theoretical calculations, that unintentional substitutional hydrogen impurities
are responsible. Controllable n-type doping is easily
achieved by substituting Zn with group-III elements such as Al, Ga, In or by
substituting oxygen with group-VII elements chlorine or iodine.
Reliable p-type doping of ZnO
remains difficult. This problem originates from low solubility of p-type
dopants and their compensation by abundant n-type impurities. This problem is
observed with GaN and ZnSe. Measurement of p-type in "intrinsically"
n-type material is complicated by the inhomogeneity of samples.
Current limitations to p-doping
does not limit electronic and optoelectronic applications of ZnO, which usually
require junctions of n-type and p-type material. Known p-type dopants include
group-I elements Li, Na, K; group-V elements N, P and As; as well as copper and
silver. However, many of these form deep acceptors and do not produce
significant p-type conduction at room temperature.
Electron mobility of ZnO strongly
varies with temperature and has a maximum of ~2000 cm2/(V·s) at 80 K. Data on hole mobility are
scarce with values in the range 530cm2/(V·s).
Production
See also: Zinc smelting
For industrial use, ZnO is
produced at levels of 105 tons per year by
three main processes
Indirect process
In the indirect or French process,
metallic zinc is melted in a graphite crucible and vaporized at temperatures
above 907 °C (typically around 1000°C). Zinc vapor reacts with the oxygen in the air to give ZnO, accompanied by a
drop in its temperature and bright luminescence. Zinc oxide particles are
transported into a cooling duct and collected in a bag house. This indirect
method was popularized by LeClaire (France) in 1844 and
therefore is commonly known as the French process. Its product normally
consists of agglomerated zinc oxide particles with an average size of 0.1 to a few micrometers. By weight, most of the world's zinc
oxide is manufactured via French process.
Direct process
The direct or American process
starts with diverse contaminated zinc composites, such as zinc ores or smelter
by-products. The zinc precursors are reduced (carbothermal reduction) by
heating with a source of carbon such as anthracite to produce zinc vapor, which
is then oxidized as in the indirect process. Because of the lower purity of the
source material, the final product is also of lower quality in the direct
process as compared to the indirect one.
Wet chemical process
A small amount of industrial
production involves wet chemical processes, which start with aqueous solutions
of purified zinc salts, from which zinc carbonate or zinc hydroxide is
precipitated. The precipitate is then filtered, washed, dried and calcined at
temperatures around 800 °C.
Applications
The applications of zinc oxide
powder are numerous, and the principal ones are summarized below. Most
applications exploit the reactivity of the oxide as a precursor to other zinc
compounds. For material science applications, zinc oxide has high refractive
index, high thermal conductivity, binding, antibacterial and UV-protection
properties. Consequently, it is added into materials and products including
plastics, ceramics, glass, cement, rubber, lubricants, paints,
ointments, adhesive, sealants, pigments, foods, batteries, ferrites, fire
retardants, etc.
Rubber manufacture
Between 50%and 60% of ZnO use is in the rubber industry.[48] Zinc oxide along with stearic acid is used in the
vulcanization of rubber[19][49][50] ZnO additive also
protect rubber from fungi (see medical applications) and UV light.
Ceramic industry
Ceramic industry consumes a
significant amount of zinc oxide, in particular in ceramic glaze and frit
compositions. The relatively high heat capacity, thermal conductivity and high
temperature stability of ZnO coupled with a comparatively low coefficient of expansion are desirable properties in
the production of ceramics. ZnO affects the melting point and optical
properties of the glazes, enamels, and ceramic formulations. Zinc oxide as a
low expansion, secondary flux improves the elasticity of glazes by
reducing the change in viscosity as a function of temperature and helps prevent
crazing and shivering. By substituting ZnO for BaO and PbO, the heat capacity
is decreased and the thermal conductivity is increased. Zinc in small amounts
improves the development of glossy and brilliant surfaces. However in moderate
to high amounts, it produces matte and crystalline surfaces. With regard to
color, zinc has a complicated influence.
Concrete industry
Zinc oxide is widely used for
concrete manufacturing. Addition of ZnO improves the processing time and the
resistance of concrete against water.
Medicine
Zinc oxide as a mixture with about0.5% iron(III) oxide (Fe2O3) is called calamine and is used in calamine lotion. There are
also two minerals, zincite and hemimorphite, which have been historically
called calamine. When mixed with eugenol, a ligand, zinc oxide eugenol is
formed, which has applications as a restorative and prosthodontic in dentistry.
Reflecting the basic properties of
ZnO, fine particles of the oxide have deodorizing and antibacterial properties
and for that reason are added into materials including cotton fabric, rubber,
and food packaging. Enhanced antibacterial action of fine
particles compared to bulk material is not exclusive to ZnO and is observed for
other materials, such as silver. This property is due to
the increased surface area of the fine particles.
Zinc oxide is widely used to treat
a variety of other skin conditions, in products such as baby powder and barrier
creams to treat diaper rashes, calamine cream, anti-dandruff shampoos, and
antiseptic ointments. It is also a component in tape
(called "zinc oxide tape") used by athletes as a bandage to prevent
soft tissue damage during workouts.
Zinc oxide can be used in
ointments, creams, and lotions to protect against sunburn and other damage to
the skin caused by ultraviolet light (see sunscreen). It is the broadest
spectrum UVA and UVB reflector that is approved for use as a sunscreen by the
FDA, and is completely photostable.[59] When
used as an ingredient in sunscreen, zinc oxide sits on the skins surface and
is not absorbed into the skin, and blocks both UVA (320400 nm) and UVB (280320nm) rays of ultraviolet light. Because zinc oxide and the other most common
physical sunscreen, titanium dioxide, are not absorbed into the skin, they are
nonirritating, nonallergenic, and non-comedogenic.
Many sunscreens use nanoparticles
of zinc oxide (along with nanoparticles of titanium dioxide) because such small
particles do not scatter light and therefore do not appear white. There has
been concern that they might be absorbed into the skin, and
a study published in 2010 found that nanoparticles of ZnO
that were applied to human skin via sunscreens could be traced in venous blood
and urine samples.[63] In contrast, a comprehensive review
of the medical literature from 2011 says that no evidence
of systemic absorption can be found in the literature.
Zinc oxide nanoparticles can
enhance the antibacterial activity of Ciprofloxacin. It has been shown that nano
ZnO which has the average size between 20 nm and 45 nm can enhance the antibacterial activity of Ciprofloxacin
against Staphylococcus aureus and Escherichia coli in Vitro. The enhancing
effect of this nanomaterial is concentration-dependent against all test
strains. This effect may be due to two reasons. First, Zinc Oxide nanoparticles
can interfere with NorA protein. NorA is a protein which is developed for
conferring resistance in bacteria and has pumping activity that mediate the
effluxing of hydrophilic fluroquinolones from a cell. Second, Zinc Oxide
nanoparticles can interfere with Omf protein. Omf is a membrane protein that is
responsible for the permeation of quinolones into the cell.
Cigarette filters
Zinc oxide is a constituent of
cigarette filters. A filter consisting of charcoal impregnated with zinc oxide
and iron oxide removes significant amounts of HCN and H2S
from tobacco smoke without affecting its flavor.
Food additive
Zinc oxide is added to many food
products, including breakfast cereals, as a source of zinc, a
necessary nutrient. (Zinc sulfate is also used for the same purpose.) Some
prepackaged foods also include trace amounts of ZnO even if it is not intended
as a nutrient.
Pigment
Zinc white is used as a pigment in
paints and is more opaque than lithopone, but less opaque than titanium
dioxide. It is also used in coatings for paper. Chinese
white is a special grade of zinc white used in artists' pigments. It is also a
main ingredient of mineral makeup.
Coatings
Paints containing zinc oxide
powder have long been utilized as anticorrosive coatings for metals. They are
especially effective for galvanized iron. Iron is difficult to protect because
its reactivity with organic coatings leads to brittleness and lack of adhesion.
Zinc oxide paints retain their flexibility and adherence on such surfaces for
many years.
ZnO highly n-type doped with Al,
Ga, or In is transparent and conductive (transparency ~90%,
lowest resistivity ~10−4 Ω·cm[68]). ZnO:Al coatings are used for
energy-saving or heat-protecting windows. The coating lets the visible part of
the spectrum in but either reflects the infrared (IR) radiation back into the
room (energy saving) or does not let the IR radiation into the room (heat protection),
depending on which side of the window has the coating.
Plastics, such as polyethylene
naphthalate (PEN), can be protected by applying zinc oxide coating. The coating
reduces the diffusion of oxygen with PEN.[69] Zinc oxide
layers can also be used on polycarbonate (PC) in outdoor applications. The
coating protects PC from solar radiation and decreases the oxidation rate and
photo-yellowing of PC.
Corrosion prevention in nuclear
reactors
Main article: Depleted zinc oxide
Zinc oxide depleted in the zinc
isotope with the atomic mass 64 is used in corrosion
prevention in nuclear pressurized water reactors. The depletion is necessary,
because 64Zn is transformed into radioactive 65Zn under irradiation by the reactor neutrons.
Potential applications
Electronics
ZnO has wide direct band gap (3.37 eV or 375 nm at room temperature).
Therefore, its most common potential applications are in laser diodes and light
emitting diodes (LEDs).[72] Some optoelectronic
applications of ZnO overlap with that of GaN, which has a similar bandgap (~3.4 eV at room temperature). Compared to GaN, ZnO has a larger
exciton binding energy (~60 meV, 2.4times of the room-temperature thermal energy), which results in bright
room-temperature emission from ZnO. ZnO can be combined with GaN for
LED-applications. For instance as TCO layer and ZnO nanostructures provide
better light outcoupling.[73] Other properties of ZnO
favorable for electronic applications include its stability to high-energy
radiation and to wet chemical etching.[74] Radiation
resistance[75] makes ZnO a suitable candidate for space
applications. ZnO is the most promising candidate in the field of random lasers
to produce an electronically pumped UV laser source.
The pointed tips of ZnO nanorods
result in a strong enhancement of an electric field. Therefore, they can be
used as field emitters.
Aluminium-doped ZnO layers are
used as a transparent electrodes. The constituents Zn and Al are much cheaper
and less toxic compared to the generally used indium tin oxide (ITO). One
application which has begun to be commercially available is the use of ZnO as
the front contact for solar cells or of liquid crystal displays.
Transparent thin-film transistors
(TTFT) can be produced with ZnO. As field-effect transistors, they even may not
need a pn junction, thus avoiding the p-type doping
problem of ZnO. Some of the field-effect transistors even use ZnO nanorods as
conducting channels.
Zinc oxide nanorod sensor
Zinc oxide nanorod sensors are
devices detecting changes in electrical current passing through zinc oxide
nanowires due to adsorption of gas molecules. Selectivity to hydrogen gas was
achieved by sputtering Pd clusters on the nanorod surface. The addition of Pd
appears to be effective in the catalytic dissociation of hydrogen molecules
into atomic hydrogen, increasing the sensitivity of the sensor device. The
sensor detects hydrogen concentrations down to 10 parts
per million at room temperature, whereas there is no response to oxygen.
Spintronics
ZnO has also been considered for
spintronics applications: if doped with 110%of magnetic ions (Mn, Fe, Co, V, etc.), ZnO could become ferromagnetic, even at
room temperature. Such room temperature ferromagnetism in ZnO:Mn has been
observed, but it is not clear yet whether it originates
from the matrix itself or from secondary oxide phases.
Piezoelectricity
The piezoelectricity in textile
fibers coated in ZnO have been shown capable of fabricating "self-powered
nanosystems" with everyday mechanical stress from wind or body movements.
In 2008 the
Center for Nanostructure Characterization at the Georgia Institute of
Technology reported producing an electricity generating device (called flexible
charge pump generator) delivering alternating current by stretching and
releasing zinc oxide nanowires. This mini-generator creates an oscillating
voltage up to 45 millivolts, converting close to seven
percent of the applied mechanical energy into electricity. Researchers used
wires with lengths of 0.20.3 mm and
diameters of three to five micrometers, but the device could be scaled down to
smaller size
สอบถามข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่
ฝ่ายขาย
Thai Poly Chemicals Co., Ltd.
บริษัท ไทยโพลีเคมิคอล จำกัด
ที่อยู่36/5 ม.9 แขวง/ตำบลนาดี เขต/อำเภอเมืองสมุทรสาคร จังหวัดสมุทรสาคร รหัสไปรษณีย์74000
Tel.: 034854888,034496284
Fax.: 034854899,034496285
Mobile: 0824504888,0800160016
Website :
www.thaipolychemicals.com
Email1 : thaipolychemicals@hotmail.com
Email2 : info@thaipolychemicals.com
|