行星式球磨機分散醇水系納米氧化

行星式球磨機分散醇水系納米氧化

1醇水系納米顆粒的制備納米ce2是一種典型的稀土氧化物，在新材料、表面加工、機械拋光、催化劑等方面得到了廣泛應(yīng)用。納米CeO2顆粒的高表面活性導(dǎo)致其在大氣環(huán)境下容易發(fā)生團聚,為有效發(fā)揮納米顆粒的特性,常將納米顆粒制成懸浮液。醇水系納米CeO2懸浮液,具有組分純凈(不含表面活性劑等雜質(zhì))等優(yōu)點,成為最具代表性的新型納米CeO2懸浮液之一。納米CeO2顆粒置入醇水中后必然會形成團聚體,必須使用外力來打開團聚體。行星式球磨機利用磨球的沖擊和研磨可以得到極細顆粒,在納米粉體的分散方面已得到應(yīng)用,但球磨機工藝參數(shù)對其分散穩(wěn)定性的影響還未見報道。本文將利用行星式球磨機來分散醇水系納米CeO2顆粒,以沉降率及其變化量作為懸浮液穩(wěn)定性的評價指標(biāo),考察球磨機工藝參數(shù)對醇水系納米CeO2懸浮液穩(wěn)定性的影響。2球磨機的工藝參數(shù)對ceo2分散穩(wěn)定性的影響本實驗旨在研究球磨工藝參數(shù)對醇水系納米CeO2懸浮液分散穩(wěn)定性的總體影響趨勢,并進而分析其分散機理。實驗用球磨機設(shè)備為QM-3SP2行星式,單個球磨罐體積為500mL,其轉(zhuǎn)速范圍為0~580r/min;待分散粉體為20nm的CeO2顆粒;醇水的體積分數(shù)比為1∶1;磨球直徑為?6mm。球磨機的常用工藝參數(shù)有球磨時間、球料比和球磨機轉(zhuǎn)速,考慮到粉體質(zhì)量分數(shù)對團聚體的形成速度有較大影響,所以,本文除考察球磨機常用工藝參數(shù)外,還討論了理論CeO2質(zhì)量分數(shù)對其分散穩(wěn)定性的影響。各工藝參數(shù)數(shù)值是根據(jù)球磨分散實踐確定的,采用L9(34)正交實驗,如表1。3沉淀率的測定納米顆粒分散穩(wěn)定性的評價指標(biāo)通常有ζ電位測定、吸光度測定、粒度分析和電子顯微鏡分析等。本實驗引入沉淀率(如圖1)及其變化量(如圖2)來間接評價懸浮液的分散穩(wěn)定性,沉淀率及其變化量越小,懸浮液中納米顆粒的穩(wěn)定性就越好。該評價方法相對其它方法具有操作簡便、易于實現(xiàn)等優(yōu)點,尤其在比較同種工藝參數(shù)不同數(shù)值的影響時非常適用。計算出靜置某段時間后的沉淀率表征某段時間內(nèi)的穩(wěn)定性,靜置時間分別為1h,1d,10d,設(shè)置不同的靜置時間是為了測定懸浮液的沉淀率變化量。沉淀率公式如下:η=1?MM0(1)η=1-ΜΜ0(1)式(1)中,M0為在沒有沉淀產(chǎn)生情況下,懸浮液中理想顆粒的含量,其計算公式如下:M0=ρ水V水+ρ乙醇V乙醇1?WW(2)Μ0=ρ水V水+ρ乙醇V乙醇1-WW(2)式(2)中,V水+V乙醇=V,V為抽取的待干燥的懸浮液體積,實驗中取V=10mL;W為理論CeO2的質(zhì)量分數(shù),是初始加入的CeO2質(zhì)量與整個懸浮液質(zhì)量(含沉淀)的比值。M為懸浮液靜置某段時間后CeO2的實際含量,其計算過程為:使用最小刻度為0.1mg的電子天平稱取潔凈干燥皿的質(zhì)量為m0;抽取10mL懸浮液,倒入干燥皿中,再置入鼓風(fēng)式干燥箱中,干燥溫度為120℃,時間40min,用紙板蓋在干燥皿的端部,干燥皿置于在室內(nèi)自然冷卻,冷卻時間5min,最后稱取干燥皿和粉體的總重為m。則M的計算公式:M=m?m0Μ=m-m0沉淀率的變化量計算公式:Δη=ηt2?ηt1Δη=ηt2-ηt1式中,ηt2為靜置t2時間后的沉淀率;ηt1為靜置t1時間后的沉淀率,一般情況下t2>t1。4結(jié)果與討論4.1影響沉淀率的因素采用方差分析方法分析各工藝參數(shù)的影響效應(yīng),方差越大,工藝參數(shù)的影響性就越強。從表2可知,球磨時間的影響性最大,即對沉淀率有顯著的影響。在不同的球磨時間內(nèi),球料比、球磨機轉(zhuǎn)速和理論CeO2質(zhì)量分數(shù)對沉淀率的影響是不同的,所以它們是次要因素。4.2顆粒的分離從圖1可以看出,沉淀率隨著球磨時間的延長而減少,表明CeO2穩(wěn)定性隨著球磨時間的延長逐漸加強。這是因為隨著球磨時間的延長,單個團聚體受到研磨和沖擊作用的幾率和次數(shù)就會變高,而研磨和沖擊將會在懸浮液中顆粒表面產(chǎn)生迫使其互相分離的破碎力。短時間內(nèi)沒有被研磨和沖擊的大尺寸團聚顆粒,隨著球磨時間的延長,受到破碎力作用的機會就會變大。在球磨過程中,組成團聚體的單個顆粒之間存在著吸引力和破碎力,當(dāng)破碎力大于顆粒間的吸引力時,團聚顆粒分離。從3個沉降時間來看,球磨時間越長,分散穩(wěn)定性就越好,但球磨時間不能無限延長。已有研究表明,球磨起始階段,粉體顆粒尺寸的減小速度最快;隨著球磨時間的延長,粉體顆粒尺寸的減小速度就越來越慢,甚至顆粒尺寸會增加,而且球磨時間過長,球磨機的能量消耗也就越大。因此,在不降低粉體分散穩(wěn)定性的前提下,堅持使用較短球磨時間的原則。4.3率的影響得到顯著增強從圖1可知,在1h沉淀時間內(nèi),球料比的變化對沉淀率的影響非常小;而對于10d沉降,球料比對沉淀率的影響得到顯著增強。隨著沉淀時間的延長,球料比對沉淀率的影響逐漸增強。一般說來,球料比越大,球碰撞次數(shù)越多,懸浮液中的顆粒尺寸就越小,沉淀率就越小,球料比越大越好。但是過大球料比致使球磨的分散效率降低,不利于大量粉體的分散。因此,球料比選擇要綜合考慮實際生產(chǎn)量和分散穩(wěn)定性的對應(yīng)關(guān)系。4.4球磨機轉(zhuǎn)速對研磨力和沖擊球磨機的轉(zhuǎn)速越高,磨球的能量也就越高(磨球能量等于磨球質(zhì)量與速度的乘積),磨球沖擊與研磨的作用就越強,液體中顆粒的尺寸就越小。根據(jù)作用對象的不同,破碎力可以分為沖擊力和研磨力,磨球相互撞擊產(chǎn)生沖擊力,磨球與研磨罐之間的研磨產(chǎn)生研磨力。影響沖擊力和研磨力的主次地位主要是球磨機轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速越高,沖擊力和研磨力的大小就越大,破碎力打開團聚體的能力就越強。在不同的球磨機轉(zhuǎn)速下,沖擊力和研磨力的主次地位不同,低速時以研磨力作用為主;高速時以沖擊力為主。磨球與研磨罐壁之間的接觸面積要明顯大于磨球之間的接觸面積,磨球與研磨罐壁之間的顆粒數(shù)量明顯多于磨球之間的粉體顆粒數(shù)量。因此,研磨力占主導(dǎo)時,受破碎力作用的團聚體數(shù)量比沖擊占主導(dǎo)時的多。低速時候,研磨力與沖擊力都小于顆粒間的吸引力,破碎力需要多次作用才能打開團聚體。從圖1可知,轉(zhuǎn)速為200r/min的沉淀率比轉(zhuǎn)速為350r/min的小,這是因為轉(zhuǎn)速為200r/min時以研磨力作用為主,350r/min轉(zhuǎn)速時以沖擊力作用為主。因此,要根據(jù)實際要求所確定的研磨和沖擊的主次地位以及球磨機能量利用率來選擇球磨機轉(zhuǎn)速。一般來說,球磨機轉(zhuǎn)速越高,粉體分散穩(wěn)定性就越好,而球磨機能量利用率卻越低,同時也帶來其它的負面影響,如懸浮液溫度升高,球磨機的振動加劇等。4.5研磨罐壁間的分離穩(wěn)定性質(zhì)量分數(shù)的變化影響著單位體積懸浮液中的粉體顆粒數(shù)量,直接決定著每次研磨和沖擊時接觸到的顆粒數(shù)量,從而影響著球磨機的能量利用率。當(dāng)研磨和沖擊的接觸面積一定時,單位體積懸浮液中的顆粒數(shù)量越多,磨球與研磨罐壁間以及磨球間受破碎力作用的顆粒數(shù)就越多,磨球的絕大多數(shù)能量作用在顆粒上,只有極少一部分浪費在磨球與研磨罐壁間的直接摩擦以及磨球間的直接碰撞上,從而避免了因摩擦和碰撞導(dǎo)致的液體溫度升高對其分散穩(wěn)定性的影響。從圖1可知,質(zhì)量分數(shù)越高,沉淀率越小。過高的質(zhì)量分數(shù)雖能較充分利用球磨機的能量,但單個團聚體受磨球的作用概率和次數(shù)都減少,從而影響粉體顆粒在懸浮液中的穩(wěn)定狀態(tài),表現(xiàn)為一定時間后沉淀率變化量較大,即懸浮液中顆粒沉降速度比較快,如圖2中的D3的沉淀率變化量在1H-1D、1H-10DS和1D-10DS期間都比D1和D2的大,這說明質(zhì)量分數(shù)越大,顆粒團聚現(xiàn)象就越嚴重。然而,并不是質(zhì)量分數(shù)越低,分散穩(wěn)定性就越好。這是因為低質(zhì)量分數(shù)的懸浮液中單顆粒受到的約束減少和運動空間變大,因此磨球的能量浪費較多。從圖2可看出,在1h~10d的時間內(nèi),質(zhì)量分數(shù)越低,沉淀率的變化量越小。在1h~1d的時間內(nèi),質(zhì)量分數(shù)為5%沉淀率變化量比10%的大,這說明質(zhì)量分數(shù)為5%的懸浮液中團聚體數(shù)量要比質(zhì)量分數(shù)為10%的多。當(dāng)質(zhì)量分數(shù)低于5%時,懸浮液中較多的團聚體也將不受到破碎力作用,所以質(zhì)量分數(shù)不應(yīng)低于5%。5球磨時間及球料比對分散穩(wěn)定性影響的仿真結(jié)果從不同方面討論了球磨時間、球料比、球磨機轉(zhuǎn)速和質(zhì)量分數(shù)的影響,引入沉淀率及其變化量來評價懸浮液的分散穩(wěn)定性。在選擇工藝參數(shù)時,應(yīng)綜合考慮各因素對沉淀率的影響,從而得出比較合適的工藝參數(shù)。對各種參數(shù)分析后得出的結(jié)論如下:(1)球磨時間的影響性最大,且有顯著性影響,因此,在選擇工藝參數(shù)時應(yīng)優(yōu)先考慮時間。球磨時間的選擇要綜合考慮球磨機能量消耗和分散穩(wěn)定性的對應(yīng)關(guān)系。在不降低粉體分散穩(wěn)定性的前提下,堅持使用較短球磨時間的原則。(2)至于球料比,球料比