分散劑（PAA）對(duì)ZrO2顆粒懸浮液剪切應(yīng)力的影響

姚 菁

（銅川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 銅川 727031）

納米粉體一般指粒徑在1～100nm范圍內(nèi)的微小固體顆粒，在電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、吸附性和催化性等方面呈現(xiàn)出獨(dú)特的性能，成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)[1]。納米粉體材料的分散是指將一定體積分?jǐn)?shù)的納米粉體顆粒分散到水或其它介質(zhì)中，并在整個(gè)介質(zhì)中均勻分布的過程。納米粉體材料在液相介質(zhì)中的分散方法主要包括物理法和化學(xué)法[2-4]。其中物理法主要包括超聲波分散法和機(jī)械分散法。物理方法可以較好地實(shí)現(xiàn)納米粉體顆粒在液相介質(zhì)中的分散，但是隨著機(jī)械作用力的停止，部分納米顆粒又會(huì)重新團(tuán)聚起來，影響分散的效果。化學(xué)分散法即在粉體懸浮液中加入分散劑，使其在顆粒表面吸附，通過改變顆粒表面的性質(zhì)來改變顆粒與液相介質(zhì)、顆粒與顆粒間的相互作用，使顆粒間有較強(qiáng)的排斥力，從而抑制納米粉體的團(tuán)聚。實(shí)際生產(chǎn)中常常將物理分散和化學(xué)分散結(jié)合起來，能達(dá)到較好的分散效果。本文以ZrO2陶瓷納米顆粒作為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析了在液相介質(zhì)中分散劑對(duì)納米粉體顆粒分散性的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)所用ZrO2納米粉體顆粒由方圓納米材料研究所提供，納米粉體顆粒徑平均尺寸為45nm，ZrO2納米粉體的純度大于98wt%。分散劑采用南京宵科納米陶瓷技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的聚丙烯酸 （PAA），數(shù)均分子量為7 000～8 000。超聲處理采用KQ-300VDB型三頻數(shù)控超聲波發(fā)生器，PH值調(diào)節(jié)利用改變HCl溶液和NaOH溶液滴加比例完成。試驗(yàn)流程：分別稱量ZrO2納米粉體、分散劑PAA及去離子水，混合，經(jīng)超聲處理，調(diào)節(jié)PH值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

1.2 分析測(cè)試

ZrO2納米顆粒懸浮液的PH值采用上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的pHs-25型數(shù)字酸度計(jì)進(jìn)行測(cè)試。懸浮液的流變性能的測(cè)試采用美國(guó)BROOKFIELD公司生產(chǎn)的R/S型流變儀，剪切速率范圍取0.1～350s-1。本文通過試驗(yàn)測(cè)定不同條件下懸浮液的剪切應(yīng)力與粘度值，從而評(píng)定懸浮液的分散性。

2 結(jié)果與討論

2.1 懸浮液PH值對(duì)ZrO2納米粉體分散性的影響

在懸浮液中，ZrO2納米顆粒體積分?jǐn)?shù)為40vol%，分散劑（PAA）添加量為0.6wt%時(shí)，懸浮液在酸性條件下的剪切應(yīng)力明顯高于堿性條件下的剪切應(yīng)力。隨著溶液堿性的增強(qiáng)，懸浮液的剪切應(yīng)力呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，在酸性條件下其剪切應(yīng)力下降尤為顯著。當(dāng)溶液的PH值超過9以后，剪切應(yīng)力變化不再明顯。分析認(rèn)為：一般情況下，隨著溶液pH的增大，PAA所帶的羧酸基基團(tuán)電離度增強(qiáng)，溶液堿性越強(qiáng)，PAA分子鏈的負(fù)電性則越強(qiáng)。在酸性條件下羧酸基-COOH的電離度較低，連段與連段間的排斥力較小，使得高分子鏈呈卷曲狀態(tài)。此時(shí)的ZrO2納米顆粒表面主要帶正電，與-COO-在靜電力的作用下就近吸附，中和了表面的靜電荷。而引入的-COO-不足以和納米顆粒之間的范德華引力抗衡，顆粒產(chǎn)生團(tuán)聚而絮凝甚至沉降，使得懸浮液表現(xiàn)出較大的剪切應(yīng)力。在pH值達(dá)到9附近時(shí)，-COOH幾乎全部電離為-COO-離子，且高分子鏈呈舒展?fàn)顟B(tài)，在ZrO2納米顆粒表面以非親和力產(chǎn)生特性吸附，增加了納米顆粒表面的負(fù)電荷，又產(chǎn)生有效的空間位阻作用，使得納米顆粒間的排斥勢(shì)能增加而分散穩(wěn)定，懸浮液剪切力降低；在pH值超過9后，懸浮液中可電離的-COOH粒子不足，使得懸浮液剪切力的降低不再顯著。

2.2 ZrO2納米顆粒含量對(duì)懸浮液分散性的影響

圖1 ZrO2納米顆粒含量對(duì)懸浮液剪切力的影響

圖2 ZrO2納米顆粒含量對(duì)懸浮液粘度的影響

ZrO2納米顆粒含量對(duì)懸浮液流變性及粘度的影響如圖1、2所示。從圖1中可以看出，隨著懸浮液中ZrO2納米顆粒固含量的增加，懸浮液的流變性及穩(wěn)定性變差。在納米粉體固含量從20vol%增加到40vol%過程中，懸浮液的剪切應(yīng)力的增幅較小，納米粉體固含量的增加對(duì)懸浮液的剪切應(yīng)力的影響不大。在納米粉體固含量從40vol%增加到60vol%過程中，懸浮液的剪切應(yīng)力的增幅較大。從圖2可以看出，隨著分散劑PAA添加量的增大，懸浮液的流變穩(wěn)定性呈下降趨勢(shì)。在懸浮液中，分散劑PAA含量從0.2wt%增加到0.6wt%的過程中，分散劑PAA含量的變化對(duì)懸浮液流變穩(wěn)定性及粘度的作用顯著。當(dāng)分散劑PAA含量達(dá)到并超過0.6wt%后，分散劑PAA添加量變化對(duì)懸浮液分散性的影響不明顯。

2.3 PAA添加量對(duì)懸浮液分散性的影響

圖3 PAA添加量對(duì)懸浮液剪切力的影響

圖4 PAA添加量對(duì)懸浮液粘度的影響

圖3、4是含40vol%ZrO2的納米粉體懸浮液的流變性與PAA添加量的關(guān)系曲線圖。從圖3中可以看出，PAA對(duì)懸浮液的剪切應(yīng)力的影響明顯。隨著PAA添加量的增大，懸浮液的剪切應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)PAA添加量大于0.6wt%%時(shí)，對(duì)懸浮液剪切應(yīng)力的影響變?nèi)酢?/p>

3 結(jié)論

（1）PH值為9時(shí)對(duì)ZrO2納米粉體懸浮液分散效果影響明顯，懸浮液剪切應(yīng)力最小。

（2）相同PAA添加量條件下，懸浮液中納米粉體含量越少，分散性越好。

（3）隨著PAA添加量的增加，納米粉體懸浮液分散性變好，當(dāng)PAA添加量為0.6%時(shí)，流變性和粘度趨于平衡。

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