分散劑質(zhì)量分數(shù)和

1、分散劑(PMAA-NH4)質(zhì)量分數(shù)和pH值對納米氧化錯懸浮液分散效果的影響導讀：本文通過測量不同分散劑的質(zhì)量分數(shù)和pH值以及納米氧化鋯懸浮液 的流變曲線,研究了分散劑的質(zhì)量分數(shù)和pH值對納米氧化鋯懸浮液分散的影響. 實驗結果表明,PMAA-NH4對納米氧化鋯有明顯的分散效果，在pH值等于9以及分 散劑的質(zhì)量分數(shù)為0.3%時,分散效果最好.饒 堅,陳沙鷗，戚 憑，安惠中，李延強(青島大學物理系，山東青島266071)摘要：通過測量不同分散劑的質(zhì)量分數(shù)和pH值以及納米氧化鋯懸浮液的流 變曲線，研究了分散劑的質(zhì)量分數(shù)和pH值對納米氧化鋯懸浮液分散的影響.實驗 結果表明，PMAA-NH4對納米氧化鋯有

2、明顯的分散效果，在pH值等于9以及分散劑 的質(zhì)量分數(shù)為0.3%時,分散效果最好.關鍵詞：納米氧化鋯懸浮液分散流變曲線氧化鋯是一種重要的相變增韌材料，納米技術的發(fā)展，給氧化鋯增韌帶來了新 的機遇，但是，在納米顆粒增韌的過程中，由于顆粒尺寸很小，比表面大，因此表面 自由能很高，極易團聚。團聚的結果，使納米顆粒尺寸變大，完全喪失納米材料的 性能。同時，在納米顆粒制備的過程中，分散也是至關重要的1，2。這樣，顆粒 分散就成為一個關鍵環(huán)節(jié)。顆粒分散情況的好壞，既可以通過直接考察顆粒直徑 的分布狀況3，也可以用懸浮液的分散性來衡量。對于氧化鋯顆粒懸浮液的 分 散性，國內(nèi)已經(jīng)有人做過了研究4,5，對顆粒在介

3、質(zhì)中分散的過程，也進行了一 般性的介紹6。研究人員在不同實驗條件下進行觀察研究，發(fā)現(xiàn)pH值 與合適 的分散劑及其質(zhì)量分數(shù)對納米顆粒的分散和懸浮液的分散性有重要的影響 7,8。本文將具體討論氧化鋯納米顆粒的分散問題，著重研究分散劑質(zhì)量分數(shù) 和pH值對分散效果的影響。1實驗納米級單斜ZrO2粉末，平均粒徑70nm，質(zhì)量分數(shù)為99.9%，采用的分 散劑為聚甲基丙烯酸銨(PMAA-NH4)水溶液，質(zhì)量分數(shù)為5%，相對分子質(zhì)量為1000。 分析純NH OH質(zhì)量分數(shù)為25%28%的水溶液用來調(diào)節(jié)懸浮液pH值。采用NXS-11A 4-、一 . 一一一 旋轉(zhuǎn)粘度計在室溫下測量納米ZrO2水懸浮液流變曲線，測量

4、時選用A系統(tǒng)。測量 從15.50S-1開始，不斷增加剪切速率，直到剪切應力達到儀器滿量程為止。為了 確保測量結果的可靠性，在每一個剪切速率下，保持刻度指示5min穩(wěn)定后記錄數(shù) 據(jù)。2 實驗結果及討論2.1 pH=9時分散劑質(zhì)量分數(shù)與分散效果的關系懸浮液的分散效果一般用懸 浮液的粘度來表征，但是由于納米ZrO懸浮液并不是一種簡單的牛頓流體，故一 般不存在一個簡 單的粘度值，但是通過流變曲線的測量，可以觀察懸浮液的分散 性和穩(wěn)定性。首先觀察不同的分散劑質(zhì)量分數(shù)對分散效果的影響。在固相體積分 數(shù)為15%納米氧化鋯懸浮液中，分別加入相當于懸浮液總質(zhì)量的 0，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%分散劑

5、聚甲基丙稀酸銨(PMAA-NH )，pH值固定為9,分別 測量這5種懸浮液的流變曲線，如圖1所示。從圖1可以看出，不加分散劑，剪切 速率為105.1S-1時，剪切應力就已經(jīng)達到26.51Pa，并且隨著剪切速率的增加， 剪切應力變化十分陡峭;分散劑加入后，剪切應力有明顯的降低。如當分散劑質(zhì)量 分數(shù)為0.1%時，同樣在剪切速率為105.1S-1時,剪切應力為10.79Pa。這說明分 散劑(PMAA-NH )的加入對納米ZrO具有明顯的分散效果。在實驗中還發(fā)現(xiàn),不加 分散劑的懸浮液剪切應力的讀數(shù)不太穩(wěn) 定，往往剪切速率恒定時,剪切應力值隨 著時間的推移有增大的趨勢，說明不加分散劑的懸浮液中顆粒在測量

6、過程中有微 量團聚現(xiàn)象產(chǎn)生，從而使粘度增加。而對于 穩(wěn)定懸浮液來講，剪切應力是隨著時 間的推移有減小的趨勢,最后趨于穩(wěn)定。這進一步說明，加分散劑聚甲基丙烯酸銨(PMAA-NH )對納米氧化鋯懸浮液的分散效果有顯著效果。4圖I不同分散削質(zhì)宣分數(shù)下納米m基蕓;液明荒變曲堆51 2不同pH值下納米衛(wèi)也懸浮外的而變非線從圖1中還可以看出，分散劑的質(zhì)量分數(shù)為對分散效果有明顯影響，特別是在 剪切速率較高時更為突出。例如剪切速率為105.1S-1時,在分散劑質(zhì)量分數(shù)為 0.1%,0.2%,0.3%,0.4%的條件下,剪切應力分別為 10.79,9.46,8.02,9.08Pa;而 當剪切速率達到較大速率，即

7、996.1S-1時，剪切應力依次為 23.02,15.99,16.71,27.39Pa。從流變曲線變化趨勢來看，當分散劑質(zhì)量分數(shù)分別 為0.2%,0.3%時，懸浮液的分散效果好，且比較接近。而當分散劑質(zhì)量分數(shù)為 0.1.%和0.4%時,分散效果較差，在剪切速率較高時這種差別表現(xiàn)得更 為明顯。 這一現(xiàn)象說明，分散劑的質(zhì)量分數(shù)有一個最佳值,質(zhì)量分數(shù)過小，高分子鏈不能完 全包裹顆粒，起不到阻止顆粒相互團聚的效果；質(zhì)量分數(shù)過高，分散劑反 而起到 絮凝作用，多余的高分子長鏈在體系中可能會相互交連而導致絮凝，使懸浮液的 分散性變差，加速了顆粒的團聚?？偟恼f來，分散劑對納米氧化鋯有明顯的分 散 效果，加分散

8、劑后剪切應力大大下降。從流變曲線變化趨勢可以看出，在分散劑的 質(zhì)量分數(shù)為0.3%時，分散效果最好，不加或加得過多都會導致懸浮液穩(wěn)定性 變 差。2.2pH值對納米氧化鋯懸浮液分散性的影響為了觀察酸堿度對納米ZrO懸浮液分散性的影響，制備四份固相體積分數(shù)為 15%的納 米氧化鋯懸浮液，聚甲基丙烯酸銨(PMAA-NH )質(zhì)量分數(shù)為上述實驗中分 散效果最佳值的0.3%。調(diào)節(jié)懸浮液的酸堿度，使其P4H值分別為7、8、9、10, 采用與上述實驗同樣的步驟，分別測量其流變曲線,測量結果如圖2所示。由圖2 可以看出,pH值對納米氧化鋯分散體系的粘滯性有顯著影響，隨著pH值的升高, 剪切應力不斷下降，說明隨著p

9、H值的增加分散性越來越好。例如在pH=7和剪切 速率為996.1S-1時，剪切應力為20.81Pa;在相同的剪 切速率下,pH=9時,剪切應 力為16.71Pa ;而pH=10時，剪切應力為10.51Pa。這主要原因是在(PMAA-NH)分 散的ZrO水懸浮液中,pH值既影響靜電分散效果，又影響它的電空間穩(wěn)定效果。PMAA-NH4是一種陰離子型聚電解質(zhì)，其在水溶液中的離解度隨溶液的pH值而變 化。pH3.4時，PMAA-NH才開始電離出PMAA-和NH +,帶負電的PMAA-吸附在粉 體顆粒表面，具有空間位阻，同時還存在靜電排斥力4,使納米粉體的分散效果增 強。pH8時，PMAA-NH4的電空間穩(wěn)定作用才開始全面發(fā)揮，懸浮液分散性大幅度 提高。pH=10左右時，PMAA-NH完全電離,其靜電分散作用最大。但是，有一個現(xiàn) 象必須引起特別注意，同第一組實驗中加入0.4%的分散劑一樣,pH=10時,測量結 果不太穩(wěn)定，剪切應力隨著測量時間的推移有增大的趨勢。因此，單憑懸浮液的剪 切應力小這一點還不足以說明分散效果好，還要考察測量結果的穩(wěn)定性，這兩個 方面結合起來才能得到分散性好穩(wěn)定懸浮液。從上述討論可以看出，分散體系在 pH=9時效果最好。3 結論(1)聚甲基丙烯酸銨(PMAA-NH )對納米氧化鋯懸浮液有明顯的的分散效果。加 4入分散劑后,懸浮液的剪切應力明顯