分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和

1、分散劑(PMAA-NH4)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH值對(duì)納米氧化錯(cuò)懸浮液分散效果的影響導(dǎo)讀：本文通過(guò)測(cè)量不同分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)和pH值對(duì)納米氧化鋯懸浮液分散的影響. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,PMAA-NH4對(duì)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?jǐn)?shù)為0.3%時(shí),分散效果最好.饒 堅(jiān),陳沙鷗，戚 憑，安惠中，李延強(qiáng)(青島大學(xué)物理系，山東青島266071)摘要：通過(guò)測(cè)量不同分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)和pH值對(duì)納米氧化鋯懸浮液分散的影響.實(shí)驗(yàn) 結(jié)果表明，PMAA-NH4對(duì)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?jǐn)?shù)為0.3%時(shí),分散效果最好.關(guān)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?cè)鲰g材料，納米技術(shù)的發(fā)展，給氧化鋯增韌帶來(lái)了新 的機(jī)遇，但是，在納米顆粒增韌的過(guò)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(tuán)聚。團(tuán)聚的結(jié)果，使納米顆粒尺寸變大，完全喪失納米材料的 性能。同時(shí)，在納米顆粒制備的過(guò)程中，分散也是至關(guān)重要的1，2。這樣，顆粒 分散就成為一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。顆粒分散情況的好壞，既可以通過(guò)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(lái)衡量。對(duì)于氧化鋯顆粒懸浮液的 分 散性，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有人做過(guò)了研究4,5，對(duì)顆粒在介

3、質(zhì)中分散的過(guò)程，也進(jìn)行了一 般性的介紹6。研究人員在不同實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行觀察研究，發(fā)現(xiàn)pH值 與合適 的分散劑及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)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(wèn)題，著重研究分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù) 和pH值對(duì)分散效果的影響。1實(shí)驗(yàn)納米級(jí)單斜ZrO2粉末，平均粒徑70nm，質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)為5%，相對(duì)分子質(zhì)量為1000。 分析純NH OH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%28%的水溶液用來(lái)調(diào)節(jié)懸浮液pH值。采用NXS-11A 4-、一 . 一一一 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)在室溫下測(cè)量納米ZrO2水懸浮液流變曲線，測(cè)量

4、時(shí)選用A系統(tǒng)。測(cè)量 從15.50S-1開(kāi)始，不斷增加剪切速率，直到剪切應(yīng)力達(dá)到儀器滿量程為止。為了 確保測(cè)量結(jié)果的可靠性，在每一個(gè)剪切速率下，保持刻度指示5min穩(wěn)定后記錄數(shù) 據(jù)。2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論2.1 pH=9時(shí)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與分散效果的關(guān)系懸浮液的分散效果一般用懸 浮液的粘度來(lái)表征，但是由于納米ZrO懸浮液并不是一種簡(jiǎn)單的牛頓流體，故一 般不存在一個(gè)簡(jiǎn) 單的粘度值，但是通過(guò)流變曲線的測(cè)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?jǐn)?shù)對(duì)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(dāng)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(cè)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(shí)，剪切應(yīng)力就已經(jīng)達(dá)到26.51Pa，并且隨著剪切速率的增加， 剪切應(yīng)力變化十分陡峭;分散劑加入后，剪切應(yīng)力有明顯的降低。如當(dāng)分散劑質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，同樣在剪切速率為105.1S-1時(shí),剪切應(yīng)力為10.79Pa。這說(shuō)明分 散劑(PMAA-NH )的加入對(duì)納米ZrO具有明顯的分散效果。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),不加 分散劑的懸浮液剪切應(yīng)力的讀數(shù)不太穩(wěn) 定，往往剪切速率恒定時(shí),剪切應(yīng)力值隨 著時(shí)間的推移有增大的趨勢(shì)，說(shuō)明不加分散劑的懸浮液中顆粒在測(cè)量

6、過(guò)程中有微 量團(tuán)聚現(xiàn)象產(chǎn)生，從而使粘度增加。而對(duì)于 穩(wěn)定懸浮液來(lái)講，剪切應(yīng)力是隨著時(shí) 間的推移有減小的趨勢(shì),最后趨于穩(wěn)定。這進(jìn)一步說(shuō)明，加分散劑聚甲基丙烯酸銨(PMAA-NH )對(duì)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?jǐn)?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?jǐn)?shù)為對(duì)分散效果有明顯影響，特別是在 剪切速率較高時(shí)更為突出。例如剪切速率為105.1S-1時(shí),在分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.1%,0.2%,0.3%,0.4%的條件下,剪切應(yīng)力分別為 10.79,9.46,8.02,9.08Pa;而 當(dāng)剪切速率達(dá)到較大速率，即

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

8、劑后剪切應(yīng)力大大下降。從流變曲線變化趨勢(shì)可以看出，在分散劑的 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，分散效果最好，不加或加得過(guò)多都會(huì)導(dǎo)致懸浮液穩(wěn)定性 變 差。2.2pH值對(duì)納米氧化鋯懸浮液分散性的影響為了觀察酸堿度對(duì)納米ZrO懸浮液分散性的影響，制備四份固相體積分?jǐn)?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?jǐn)?shù)為上述實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)同樣的步驟，分別測(cè)量其流變曲線,測(cè)量結(jié)果如圖2所示。由圖2 可以看出,pH值對(duì)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(yīng)力不斷下降，說(shuō)明隨著p

9、H值的增加分散性越來(lái)越好。例如在pH=7和剪切 速率為996.1S-1時(shí)，剪切應(yīng)力為20.81Pa;在相同的剪 切速率下,pH=9時(shí),剪切應(yīng) 力為16.71Pa ;而pH=10時(shí)，剪切應(yīng)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(shí)，PMAA-NH才開(kāi)始電離出PMAA-和NH +,帶負(fù)電的PMAA-吸附在粉 體顆粒表面，具有空間位阻，同時(shí)還存在靜電排斥力4,使納米粉體的分散效果增 強(qiáng)。pH8時(shí)，PMAA-NH4的電空間穩(wěn)定作用才開(kāi)始全面發(fā)揮，懸浮液分散性大幅度 提高。pH=10左右時(shí)，PMAA-NH完全電離,其靜電分散作用最大。但是，有一個(gè)現(xiàn) 象必須引起特別注意，同第一組實(shí)驗(yàn)中加入0.4%的分散劑一樣,pH=10時(shí),測(cè)量結(jié) 果不太穩(wěn)定，剪切應(yīng)力隨著測(cè)量時(shí)間的推移有增大的趨勢(shì)。因此，單憑懸浮液的剪 切應(yīng)力小這一點(diǎn)還不足以說(shuō)明分散效果好，還要考察測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性，這兩個(gè) 方面結(jié)合起來(lái)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(shí)效果最好。3 結(jié)論(1)聚甲基丙烯酸銨(PMAA-NH )對(duì)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(yīng)力明顯