分散剂质量分数和

1、分散剂(PMAA-NH4)质量分数和pH值对纳米氧化错悬浮液分散效果的影响导读：本文通过测量不同分散剂的质量分数和pH值以及纳米氧化锆悬浮液 的流变曲线,研究了分散剂的质量分数和pH值对纳米氧化锆悬浮液分散的影响. 实验结果表明,PMAA-NH4对纳米氧化锆有明显的分散效果，在pH值等于9以及分 散剂的质量分数为0.3%时,分散效果最好.饶 坚,陈沙鸥，戚 凭，安惠中，李延强(青岛大学物理系，山东青岛266071)摘要：通过测量不同分散剂的质量分数和pH值以及纳米氧化锆悬浮液的流 变曲线，研究了分散剂的质量分数和pH值对纳米氧化锆悬浮液分散的影响.实验 结果表明，PMAA-NH4对纳米氧化锆有

2、明显的分散效果，在pH值等于9以及分散剂 的质量分数为0.3%时,分散效果最好.关键词：纳米氧化锆悬浮液分散流变曲线氧化锆是一种重要的相变增韧材料，纳米技术的发展，给氧化锆增韧带来了新 的机遇，但是，在纳米颗粒增韧的过程中，由于颗粒尺寸很小，比表面大，因此表面 自由能很高，极易团聚。团聚的结果，使纳米颗粒尺寸变大，完全丧失纳米材料的 性能。同时，在纳米颗粒制备的过程中，分散也是至关重要的1，2。这样，颗粒 分散就成为一个关键环节。颗粒分散情况的好坏，既可以通过直接考察颗粒直径 的分布状况3，也可以用悬浮液的分散性来衡量。对于氧化锆颗粒悬浮液的 分 散性，国内已经有人做过了研究4,5，对颗粒在介

3、质中分散的过程，也进行了一 般性的介绍6。研究人员在不同实验条件下进行观察研究，发现pH值 与合适 的分散剂及其质量分数对纳米颗粒的分散和悬浮液的分散性有重要的影响 7,8。本文将具体讨论氧化锆纳米颗粒的分散问题，着重研究分散剂质量分数 和pH值对分散效果的影响。1实验纳米级单斜ZrO2粉末，平均粒径70nm，质量分数为99.9%，采用的分 散剂为聚甲基丙烯酸铵(PMAA-NH4)水溶液，质量分数为5%，相对分子质量为1000。 分析纯NH OH质量分数为25%28%的水溶液用来调节悬浮液pH值。采用NXS-11A 4-、一 . 一一一 旋转粘度计在室温下测量纳米ZrO2水悬浮液流变曲线，测量

4、时选用A系统。测量 从15.50S-1开始，不断增加剪切速率，直到剪切应力达到仪器满量程为止。为了 确保测量结果的可靠性，在每一个剪切速率下，保持刻度指示5min稳定后记录数 据。2 实验结果及讨论2.1 pH=9时分散剂质量分数与分散效果的关系悬浮液的分散效果一般用悬 浮液的粘度来表征，但是由于纳米ZrO悬浮液并不是一种简单的牛顿流体，故一 般不存在一个简 单的粘度值，但是通过流变曲线的测量，可以观察悬浮液的分散 性和稳定性。首先观察不同的分散剂质量分数对分散效果的影响。在固相体积分 数为15%纳米氧化锆悬浮液中，分别加入相当于悬浮液总质量的 0，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%分散剂

5、聚甲基丙稀酸铵(PMAA-NH )，pH值固定为9,分别 测量这5种悬浮液的流变曲线，如图1所示。从图1可以看出，不加分散剂，剪切 速率为105.1S-1时，剪切应力就已经达到26.51Pa，并且随着剪切速率的增加， 剪切应力变化十分陡峭;分散剂加入后，剪切应力有明显的降低。如当分散剂质量 分数为0.1%时，同样在剪切速率为105.1S-1时,剪切应力为10.79Pa。这说明分 散剂(PMAA-NH )的加入对纳米ZrO具有明显的分散效果。在实验中还发现,不加 分散剂的悬浮液剪切应力的读数不太稳 定，往往剪切速率恒定时,剪切应力值随 着时间的推移有增大的趋势，说明不加分散剂的悬浮液中颗粒在测量

6、过程中有微 量团聚现象产生，从而使粘度增加。而对于 稳定悬浮液来讲，剪切应力是随着时 间的推移有减小的趋势,最后趋于稳定。这进一步说明，加分散剂聚甲基丙烯酸铵(PMAA-NH )对纳米氧化锆悬浮液的分散效果有显著效果。4图I不同分散削质宣分数下纳米m基芸;液明荒变曲堆51 2不同pH值下纳米卫也悬浮外的而变非线从图1中还可以看出，分散剂的质量分数为对分散效果有明显影响，特别是在 剪切速率较高时更为突出。例如剪切速率为105.1S-1时,在分散剂质量分数为 0.1%,0.2%,0.3%,0.4%的条件下,剪切应力分别为 10.79,9.46,8.02,9.08Pa;而 当剪切速率达到较大速率，即

7、996.1S-1时，剪切应力依次为 23.02,15.99,16.71,27.39Pa。从流变曲线变化趋势来看，当分散剂质量分数分别 为0.2%,0.3%时，悬浮液的分散效果好，且比较接近。而当分散剂质量分数为 0.1.%和0.4%时,分散效果较差，在剪切速率较高时这种差别表现得更 为明显。 这一现象说明，分散剂的质量分数有一个最佳值,质量分数过小，高分子链不能完 全包裹颗粒，起不到阻止颗粒相互团聚的效果；质量分数过高，分散剂反 而起到 絮凝作用，多余的高分子长链在体系中可能会相互交连而导致絮凝，使悬浮液的 分散性变差，加速了颗粒的团聚。总的说来，分散剂对纳米氧化锆有明显的分 散 效果，加分散

8、剂后剪切应力大大下降。从流变曲线变化趋势可以看出，在分散剂的 质量分数为0.3%时，分散效果最好，不加或加得过多都会导致悬浮液稳定性 变 差。2.2pH值对纳米氧化锆悬浮液分散性的影响为了观察酸碱度对纳米ZrO悬浮液分散性的影响，制备四份固相体积分数为 15%的纳 米氧化锆悬浮液，聚甲基丙烯酸铵(PMAA-NH )质量分数为上述实验中分 散效果最佳值的0.3%。调节悬浮液的酸碱度，使其P4H值分别为7、8、9、10, 采用与上述实验同样的步骤，分别测量其流变曲线,测量结果如图2所示。由图2 可以看出,pH值对纳米氧化锆分散体系的粘滞性有显著影响，随着pH值的升高, 剪切应力不断下降，说明随着p

9、H值的增加分散性越来越好。例如在pH=7和剪切 速率为996.1S-1时，剪切应力为20.81Pa;在相同的剪 切速率下,pH=9时,剪切应 力为16.71Pa ;而pH=10时，剪切应力为10.51Pa。这主要原因是在(PMAA-NH)分 散的ZrO水悬浮液中,pH值既影响静电分散效果，又影响它的电空间稳定效果。PMAA-NH4是一种阴离子型聚电解质，其在水溶液中的离解度随溶液的pH值而变 化。pH3.4时，PMAA-NH才开始电离出PMAA-和NH +,带负电的PMAA-吸附在粉 体颗粒表面，具有空间位阻，同时还存在静电排斥力4,使纳米粉体的分散效果增 强。pH8时，PMAA-NH4的电空间稳定作用才开始全面发挥，悬浮液分散性大幅度 提高。pH=10左右时，PMAA-NH完全电离,其静电分散作用最大。但是，有一个现 象必须引起特别注意，同第一组实验中加入0.4%的分散剂一样,pH=10时,测量结 果不太稳定，剪切应力随着测量时间的推移有增大的趋势。因此，单凭悬浮液的剪 切应力小这一点还不足以说明分散效果好，还要考察测量结果的稳定性，这两个 方面结合起来才能得到分散性好稳定悬浮液。从上述讨论可以看出，分散体系在 pH=9时效果最好。3 结论(1)聚甲基丙烯酸铵(PMAA-NH )对纳米氧化锆悬浮液有明显的的分散效果。加 4入分散剂后,悬浮液的剪切应力明显