分散劑對納米二氧化鈦分散性能的影響

分散劑對納米二氧化鈦分散性能的影響

固體顆粒在液體中的分散是工業(yè)和技術部門面臨的一個普遍問題。在化學工業(yè)領域,如涂料、染料、油墨、化妝品等,固體顆粒的分散及分散穩(wěn)定性直接影響著產(chǎn)品的質量和性能。在材料科學領域,顆粒的均勻分散是采用膠態(tài)成型方法獲得具有較好的顯微結構和性能的材料制品的基礎。納米TiO2問世于20世紀80年代后期,由于特有的表面效應、小尺寸效應、量子效應和宏觀量子隧道效應,使其在磁性、光學、電學等方面表現(xiàn)出獨特的性能。此外,其獨特的顏色效應、光催化作用及紫外線屏蔽等功能,使它在汽車工業(yè)、防曬化妝品、廢水處理、殺菌、文物保護、環(huán)保等方面有著廣闊的應用前景。但是,納米TiO2顆粒細小,比表面積很大,表面能高,且配位嚴重不足,使它在水溶液中易于團聚,嚴重影響了其應用。因此,尋求有效的分散方法是克服納米TiO2顆粒團聚、拓展應用領域的關鍵所在。近年來,有關納米顆粒的分散研究多采用聚乙二醇、油酸等分散劑對納米顆粒進行分散,不夠系統(tǒng)。本實驗選取十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、六偏磷酸鈉(SHMP)及聚丙烯酸鈉(PAAS)作分散劑,并采用超聲分散和機械分散方法,對納米TiO2的水中分散性能進行了研究。1實驗1.1實驗室酸鈉化學純原料:納米TiO2粉體(上海匯精亞納米新材料有限公司,粉體的一次粒徑約為20nm),十六烷基三甲基溴化銨(化學純),六偏磷酸鈉(化學純),聚丙烯酸鈉(化學純),無水乙醇(化學純),去離子水(實驗室自制)。儀器:JSM-6380掃描電子顯微鏡(日本電子),JSPM-5200原子力顯微鏡(日本JBOL),KQ-160TDE型高頻數(shù)控超聲波清洗器,90Plus納米/亞微米激光粒度儀(美國布魯克海文儀器公司),電子天平。1.2分散體系的粒徑大小分別取一定量的分散劑加入到100mL去離子水中配成溶液,再加入0.125g納米TiO2,超聲分散一定時間,即得到所需的分散體系。分散劑含量以所配分散劑溶液中的質量分數(shù)計算。采用JSM-6380掃描電子顯微鏡和90Plus納米/亞微米激光粒度儀測試納米TiO2的粒徑大小和分散體系中粒子的粒徑大小與粒徑分布寬度。采用JSPM-5200原子力顯微鏡測試分散體系中粒子的形貌與尺寸。2結果與分析2.1tio2納米粒子的表征圖1為分散前納米TiO2粒子的SEM照片,從圖中可以看出:TiO2粒子團聚且顆粒形狀呈現(xiàn)不規(guī)則的分布,TiO2顆粒的粒徑絕大部分介于0.5~1μm之間,均不屬于納米粒子(1~100nm)的范疇。2.2超聲分散體系分別稱取一定量的分散劑CTAB、SHMP及PAAS,加入到100mL去離子水中,配成分散劑含量分別為0.01%、0.02%、0.05%、0.1%、0.2%、0.5%、0.8%、1%的溶液,再各加入0.125g納米TiO2,超聲分散5min,即得到所需的分散體系。圖2為3種不同分散劑在不同含量下,分散體系中納米TiO2分散粒徑的變化曲線圖。由圖2可知,與未加分散劑的體系相比,添加分散劑后分散體系中粒子的粒徑都變小。這說明分散劑對納米TiO2粉體具有較明顯的分散作用。同時,還可看出,隨3種不同分散劑含量的增加,分散體系中納米TiO2粒子的分散粒徑呈現(xiàn)出先減小后增大的大致變化趨勢。對于3種分散劑來說,當CTAB含量為0.02%,SHMP含量為0.01%,PAAS含量為0.05%時,分散體系中納米TiO2平均粒徑最小。但由于分散體系中納米TiO2粒子粒徑是有一定分布的,而圖2所示的粒子粒徑皆為納米TiO2粒徑分布的平均值,所以還要考察不同分散劑對分散體系中粒子的粒徑分布寬度。2.3不同分散劑對分散體系的粒徑分布寬度粒徑分布寬度表示分散后的納米粒子經(jīng)90Plus納米/亞微米激光粒度儀測試得到的粒徑分布范圍,圖3表示不同分散劑對分散體系中TiO2的粒徑分布寬度。從圖3可知,納米TiO2在分散劑分別是聚丙烯酸鈉、六偏磷酸鈉、十六烷基三甲基溴化鈉分散體系中粒徑分布寬度分別為60nm、115nm、98nm左右,表現(xiàn)出不同的分散均勻性,其中聚丙烯酸鈉條件下體系分散均勻性最好。2.4化學和物理變化作用超聲波是指頻率在20~106kHz的機械波。當超聲波作用于液體時,液體中的微氣泡迅速成核、生長、振動,當聲壓力足夠大時,氣泡會猛烈崩潰。氣泡崩潰時會產(chǎn)生高速的微射流和沖擊波,同時在極短的時間內,在空化泡周圍的極小空間內產(chǎn)生高達5000K以上的高溫和100MPa的高壓,這些構成了物質進行化學和物理變化的特殊環(huán)境。當這種作用發(fā)生在固體表面時,沖擊波和微射流會清洗或侵蝕固體表面、破碎固體。同時,由于顆粒周圍液體所起的強烈的混合作用,加速了熱傳導和物質傳遞過程,促進了物質在固體空隙中的擴散。為了考察超聲時間對粒子分散的影響,本實驗在不同的溶劑中(去離子水和無水乙醇)加入0.5%(質量分數(shù))的納米TiO2,其中溶劑的體積均為100mL,利用激光粒度儀來考察超聲分散時間對納米粒子在去離子水和無水乙醇中的分布。從圖4可知,用去離子水和無水乙醇作為分散介質時,其納米二氧化鈦粒徑大小不一樣,通過對納米二氧化鈦懸浮液進行超聲分散,隨著時間的延長,納米二氧化鈦粒徑變得越來越小,超聲1h后,在去離子水和無水乙醇中的二氧化鈦粒子的大小變化不大。納米二氧化鈦的平均粒徑分別為310.2nm和270.2nm。2.5納米粒子的粒徑分布機械分散法是采用強機械攪拌、沖擊、研磨等作用力將團聚粉體打散,即利用機械設備來提高分散效率。本實驗在不同的溶劑中(去離子水和無水乙醇)加入0.5%(質量分數(shù))的納米TiO2,其中溶劑的體積均為為100mL,保持6000r/min的轉速,分散時間為40min。由圖5可以看出,在攪拌10min后,不同溶劑中納米粒子的粒徑均明顯降低。在10min到40min的時間內,納米粒子的粒徑下降較緩,當攪拌時間為40min時,在去離子水和無水乙醇中的納米粒子尺寸分別為45.6nm和35.5nm。所以說高速剪切分散是十分有限的分散方法,該方法不能使粉體處于完全分散的狀態(tài)。2.5.1粒徑分布寬度為了測試無水乙醇中的納米粒子經(jīng)機械分散40min后的粒徑分布寬度,利用激光粒度儀測定其粒徑分布寬度。從圖6中可以看出,納米TiO2粒徑較小,平均粒徑約為35nm,屬于納米粒子范疇,且粒徑分布寬度范圍較窄,約為30nm。2.5.2納米tio2的表征原子力顯微鏡表征圖譜主要是觀測粒子的表面性能、分散性及尺寸。由圖7可以看出,經(jīng)機械分散40min后,無水乙醇中的納米TiO2分散性較好,粒度均勻,經(jīng)測量納米TiO2的平均粒徑約為35nm。與前面得到的結果一致。3不同分散體系中納米tio2的粒徑分布(1)十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、六偏磷酸鈉(SHMP)及聚丙烯酸鈉(PAAS)均有利于納米TiO2分散,其中PAAS含量為0.05%時,分散體系中納米TiO2平均粒徑最小,其平均粒徑為183nm,粒徑分布寬度為60nm。(2)超聲分散同樣能使納米組分快速處于分