行星式球磨机分散醇水系纳米氧化

行星式球磨机分散醇水系纳米氧化

1醇水系纳米颗粒的制备纳米ce2是一种典型的稀土氧化物，在新材料、表面加工、机械抛光、催化剂等方面得到了广泛应用。纳米CeO2颗粒的高表面活性导致其在大气环境下容易发生团聚,为有效发挥纳米颗粒的特性,常将纳米颗粒制成悬浮液。醇水系纳米CeO2悬浮液,具有组分纯净(不含表面活性剂等杂质)等优点,成为最具代表性的新型纳米CeO2悬浮液之一。纳米CeO2颗粒置入醇水中后必然会形成团聚体,必须使用外力来打开团聚体。行星式球磨机利用磨球的冲击和研磨可以得到极细颗粒,在纳米粉体的分散方面已得到应用,但球磨机工艺参数对其分散稳定性的影响还未见报道。本文将利用行星式球磨机来分散醇水系纳米CeO2颗粒,以沉降率及其变化量作为悬浮液稳定性的评价指标,考察球磨机工艺参数对醇水系纳米CeO2悬浮液稳定性的影响。2球磨机的工艺参数对ceo2分散稳定性的影响本实验旨在研究球磨工艺参数对醇水系纳米CeO2悬浮液分散稳定性的总体影响趋势,并进而分析其分散机理。实验用球磨机设备为QM-3SP2行星式,单个球磨罐体积为500mL,其转速范围为0~580r/min;待分散粉体为20nm的CeO2颗粒;醇水的体积分数比为1∶1;磨球直径为∅6mm。球磨机的常用工艺参数有球磨时间、球料比和球磨机转速,考虑到粉体质量分数对团聚体的形成速度有较大影响,所以,本文除考察球磨机常用工艺参数外,还讨论了理论CeO2质量分数对其分散稳定性的影响。各工艺参数数值是根据球磨分散实践确定的,采用L9(34)正交实验,如表1。3沉淀率的测定纳米颗粒分散稳定性的评价指标通常有ζ电位测定、吸光度测定、粒度分析和电子显微镜分析等。本实验引入沉淀率(如图1)及其变化量(如图2)来间接评价悬浮液的分散稳定性,沉淀率及其变化量越小,悬浮液中纳米颗粒的稳定性就越好。该评价方法相对其它方法具有操作简便、易于实现等优点,尤其在比较同种工艺参数不同数值的影响时非常适用。计算出静置某段时间后的沉淀率表征某段时间内的稳定性,静置时间分别为1h,1d,10d,设置不同的静置时间是为了测定悬浮液的沉淀率变化量。沉淀率公式如下:η=1−MM0(1)η=1-ΜΜ0(1)式(1)中,M0为在没有沉淀产生情况下,悬浮液中理想颗粒的含量,其计算公式如下: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为抽取的待干燥的悬浮液体积,实验中取V=10mL;W为理论CeO2的质量分数,是初始加入的CeO2质量与整个悬浮液质量(含沉淀)的比值。M为悬浮液静置某段时间后CeO2的实际含量,其计算过程为:使用最小刻度为0.1mg的电子天平称取洁净干燥皿的质量为m0;抽取10mL悬浮液,倒入干燥皿中,再置入鼓风式干燥箱中,干燥温度为120℃,时间40min,用纸板盖在干燥皿的端部,干燥皿置于在室内自然冷却,冷却时间5min,最后称取干燥皿和粉体的总重为m。则M的计算公式:M=m−m0Μ=m-m0沉淀率的变化量计算公式:Δη=ηt2−ηt1Δη=ηt2-ηt1式中,ηt2为静置t2时间后的沉淀率;ηt1为静置t1时间后的沉淀率,一般情况下t2>t1。4结果与讨论4.1影响沉淀率的因素采用方差分析方法分析各工艺参数的影响效应,方差越大,工艺参数的影响性就越强。从表2可知,球磨时间的影响性最大,即对沉淀率有显著的影响。在不同的球磨时间内,球料比、球磨机转速和理论CeO2质量分数对沉淀率的影响是不同的,所以它们是次要因素。4.2颗粒的分离从图1可以看出,沉淀率随着球磨时间的延长而减少,表明CeO2稳定性随着球磨时间的延长逐渐加强。这是因为随着球磨时间的延长,单个团聚体受到研磨和冲击作用的几率和次数就会变高,而研磨和冲击将会在悬浮液中颗粒表面产生迫使其互相分离的破碎力。短时间内没有被研磨和冲击的大尺寸团聚颗粒,随着球磨时间的延长,受到破碎力作用的机会就会变大。在球磨过程中,组成团聚体的单个颗粒之间存在着吸引力和破碎力,当破碎力大于颗粒间的吸引力时,团聚颗粒分离。从3个沉降时间来看,球磨时间越长,分散稳定性就越好,但球磨时间不能无限延长。已有研究表明,球磨起始阶段,粉体颗粒尺寸的减小速度最快;随着球磨时间的延长,粉体颗粒尺寸的减小速度就越来越慢,甚至颗粒尺寸会增加,而且球磨时间过长,球磨机的能量消耗也就越大。因此,在不降低粉体分散稳定性的前提下,坚持使用较短球磨时间的原则。4.3率的影响得到显著增强从图1可知,在1h沉淀时间内,球料比的变化对沉淀率的影响非常小;而对于10d沉降,球料比对沉淀率的影响得到显著增强。随着沉淀时间的延长,球料比对沉淀率的影响逐渐增强。一般说来,球料比越大,球碰撞次数越多,悬浮液中的颗粒尺寸就越小,沉淀率就越小,球料比越大越好。但是过大球料比致使球磨的分散效率降低,不利于大量粉体的分散。因此,球料比选择要综合考虑实际生产量和分散稳定性的对应关系。4.4球磨机转速对研磨力和冲击球磨机的转速越高,磨球的能量也就越高(磨球能量等于磨球质量与速度的乘积),磨球冲击与研磨的作用就越强,液体中颗粒的尺寸就越小。根据作用对象的不同,破碎力可以分为冲击力和研磨力,磨球相互撞击产生冲击力,磨球与研磨罐之间的研磨产生研磨力。影响冲击力和研磨力的主次地位主要是球磨机转速,转速越高,冲击力和研磨力的大小就越大,破碎力打开团聚体的能力就越强。在不同的球磨机转速下,冲击力和研磨力的主次地位不同,低速时以研磨力作用为主;高速时以冲击力为主。磨球与研磨罐壁之间的接触面积要明显大于磨球之间的接触面积,磨球与研磨罐壁之间的颗粒数量明显多于磨球之间的粉体颗粒数量。因此,研磨力占主导时,受破碎力作用的团聚体数量比冲击占主导时的多。低速时候,研磨力与冲击力都小于颗粒间的吸引力,破碎力需要多次作用才能打开团聚体。从图1可知,转速为200r/min的沉淀率比转速为350r/min的小,这是因为转速为200r/min时以研磨力作用为主,350r/min转速时以冲击力作用为主。因此,要根据实际要求所确定的研磨和冲击的主次地位以及球磨机能量利用率来选择球磨机转速。一般来说,球磨机转速越高,粉体分散稳定性就越好,而球磨机能量利用率却越低,同时也带来其它的负面影响,如悬浮液温度升高,球磨机的振动加剧等。4.5研磨罐壁间的分离稳定性质量分数的变化影响着单位体积悬浮液中的粉体颗粒数量,直接决定着每次研磨和冲击时接触到的颗粒数量,从而影响着球磨机的能量利用率。当研磨和冲击的接触面积一定时,单位体积悬浮液中的颗粒数量越多,磨球与研磨罐壁间以及磨球间受破碎力作用的颗粒数就越多,磨球的绝大多数能量作用在颗粒上,只有极少一部分浪费在磨球与研磨罐壁间的直接摩擦以及磨球间的直接碰撞上,从而避免了因摩擦和碰撞导致的液体温度升高对其分散稳定性的影响。从图1可知,质量分数越高,沉淀率越小。过高的质量分数虽能较充分利用球磨机的能量,但单个团聚体受磨球的作用概率和次数都减少,从而影响粉体颗粒在悬浮液中的稳定状态,表现为一定时间后沉淀率变化量较大,即悬浮液中颗粒沉降速度比较快,如图2中的D3的沉淀率变化量在1H-1D、1H-10DS和1D-10DS期间都比D1和D2的大,这说明质量分数越大,颗粒团聚现象就越严重。然而,并不是质量分数越低,分散稳定性就越好。这是因为低质量分数的悬浮液中单颗粒受到的约束减少和运动空间变大,因此磨球的能量浪费较多。从图2可看出,在1h~10d的时间内,质量分数越低,沉淀率的变化量越小。在1h~1d的时间内,质量分数为5%沉淀率变化量比10%的大,这说明质量分数为5%的悬浮液中团聚体数量要比质量分数为10%的多。当质量分数低于5%时,悬浮液中较多的团聚体也将不受到破碎力作用,所以质量分数不应低于5%。5球磨时间及球料比对分散稳定性影响的仿真结果从不同方面讨论了球磨时间、球料比、球磨机转速和质量分数的影响,引入沉淀率及其变化量来评价悬浮液的分散稳定性。在选择工艺参数时,应综合考虑各因素对沉淀率的影响,从而得出比较合适的工艺参数。对各种参数分析后得出的结论如下:(1)球磨时间的影响性最大,且有显著性影响,因此,在选择工艺参数时应优先考虑时间。球磨时间的选择要综合考虑球磨机能量消耗和分散稳定性的对应关系。在不降低粉体分散稳定性的前提下,坚持使用较短球磨时间的原则。(2)至于球料比,球料比