分散剂对纳米二氧化钛分散性能的影响

分散剂对纳米二氧化钛分散性能的影响

固体颗粒在液体中的分散是工业和技术部门面临的一个普遍问题。在化学工业领域,如涂料、染料、油墨、化妆品等,固体颗粒的分散及分散稳定性直接影响着产品的质量和性能。在材料科学领域,颗粒的均匀分散是采用胶态成型方法获得具有较好的显微结构和性能的材料制品的基础。纳米TiO2问世于20世纪80年代后期,由于特有的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应,使其在磁性、光学、电学等方面表现出独特的性能。此外,其独特的颜色效应、光催化作用及紫外线屏蔽等功能,使它在汽车工业、防晒化妆品、废水处理、杀菌、文物保护、环保等方面有着广阔的应用前景。但是,纳米TiO2颗粒细小,比表面积很大,表面能高,且配位严重不足,使它在水溶液中易于团聚,严重影响了其应用。因此,寻求有效的分散方法是克服纳米TiO2颗粒团聚、拓展应用领域的关键所在。近年来,有关纳米颗粒的分散研究多采用聚乙二醇、油酸等分散剂对纳米颗粒进行分散,不够系统。本实验选取十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、六偏磷酸钠(SHMP)及聚丙烯酸钠(PAAS)作分散剂,并采用超声分散和机械分散方法,对纳米TiO2的水中分散性能进行了研究。1实验1.1实验室酸钠化学纯原料:纳米TiO2粉体(上海汇精亚纳米新材料有限公司,粉体的一次粒径约为20nm),十六烷基三甲基溴化铵(化学纯),六偏磷酸钠(化学纯),聚丙烯酸钠(化学纯),无水乙醇(化学纯),去离子水(实验室自制)。仪器:JSM-6380扫描电子显微镜(日本电子),JSPM-5200原子力显微镜(日本JBOL),KQ-160TDE型高频数控超声波清洗器,90Plus纳米/亚微米激光粒度仪(美国布鲁克海文仪器公司),电子天平。1.2分散体系的粒径大小分别取一定量的分散剂加入到100mL去离子水中配成溶液,再加入0.125g纳米TiO2,超声分散一定时间,即得到所需的分散体系。分散剂含量以所配分散剂溶液中的质量分数计算。采用JSM-6380扫描电子显微镜和90Plus纳米/亚微米激光粒度仪测试纳米TiO2的粒径大小和分散体系中粒子的粒径大小与粒径分布宽度。采用JSPM-5200原子力显微镜测试分散体系中粒子的形貌与尺寸。2结果与分析2.1tio2纳米粒子的表征图1为分散前纳米TiO2粒子的SEM照片,从图中可以看出:TiO2粒子团聚且颗粒形状呈现不规则的分布,TiO2颗粒的粒径绝大部分介于0.5~1μm之间,均不属于纳米粒子(1~100nm)的范畴。2.2超声分散体系分别称取一定量的分散剂CTAB、SHMP及PAAS,加入到100mL去离子水中,配成分散剂含量分别为0.01%、0.02%、0.05%、0.1%、0.2%、0.5%、0.8%、1%的溶液,再各加入0.125g纳米TiO2,超声分散5min,即得到所需的分散体系。图2为3种不同分散剂在不同含量下,分散体系中纳米TiO2分散粒径的变化曲线图。由图2可知,与未加分散剂的体系相比,添加分散剂后分散体系中粒子的粒径都变小。这说明分散剂对纳米TiO2粉体具有较明显的分散作用。同时,还可看出,随3种不同分散剂含量的增加,分散体系中纳米TiO2粒子的分散粒径呈现出先减小后增大的大致变化趋势。对于3种分散剂来说,当CTAB含量为0.02%,SHMP含量为0.01%,PAAS含量为0.05%时,分散体系中纳米TiO2平均粒径最小。但由于分散体系中纳米TiO2粒子粒径是有一定分布的,而图2所示的粒子粒径皆为纳米TiO2粒径分布的平均值,所以还要考察不同分散剂对分散体系中粒子的粒径分布宽度。2.3不同分散剂对分散体系的粒径分布宽度粒径分布宽度表示分散后的纳米粒子经90Plus纳米/亚微米激光粒度仪测试得到的粒径分布范围,图3表示不同分散剂对分散体系中TiO2的粒径分布宽度。从图3可知,纳米TiO2在分散剂分别是聚丙烯酸钠、六偏磷酸钠、十六烷基三甲基溴化钠分散体系中粒径分布宽度分别为60nm、115nm、98nm左右,表现出不同的分散均匀性,其中聚丙烯酸钠条件下体系分散均匀性最好。2.4化学和物理变化作用超声波是指频率在20~106kHz的机械波。当超声波作用于液体时,液体中的微气泡迅速成核、生长、振动,当声压力足够大时,气泡会猛烈崩溃。气泡崩溃时会产生高速的微射流和冲击波,同时在极短的时间内,在空化泡周围的极小空间内产生高达5000K以上的高温和100MPa的高压,这些构成了物质进行化学和物理变化的特殊环境。当这种作用发生在固体表面时,冲击波和微射流会清洗或侵蚀固体表面、破碎固体。同时,由于颗粒周围液体所起的强烈的混合作用,加速了热传导和物质传递过程,促进了物质在固体空隙中的扩散。为了考察超声时间对粒子分散的影响,本实验在不同的溶剂中(去离子水和无水乙醇)加入0.5%(质量分数)的纳米TiO2,其中溶剂的体积均为100mL,利用激光粒度仪来考察超声分散时间对纳米粒子在去离子水和无水乙醇中的分布。从图4可知,用去离子水和无水乙醇作为分散介质时,其纳米二氧化钛粒径大小不一样,通过对纳米二氧化钛悬浮液进行超声分散,随着时间的延长,纳米二氧化钛粒径变得越来越小,超声1h后,在去离子水和无水乙醇中的二氧化钛粒子的大小变化不大。纳米二氧化钛的平均粒径分别为310.2nm和270.2nm。2.5纳米粒子的粒径分布机械分散法是采用强机械搅拌、冲击、研磨等作用力将团聚粉体打散,即利用机械设备来提高分散效率。本实验在不同的溶剂中(去离子水和无水乙醇)加入0.5%(质量分数)的纳米TiO2,其中溶剂的体积均为为100mL,保持6000r/min的转速,分散时间为40min。由图5可以看出,在搅拌10min后,不同溶剂中纳米粒子的粒径均明显降低。在10min到40min的时间内,纳米粒子的粒径下降较缓,当搅拌时间为40min时,在去离子水和无水乙醇中的纳米粒子尺寸分别为45.6nm和35.5nm。所以说高速剪切分散是十分有限的分散方法,该方法不能使粉体处于完全分散的状态。2.5.1粒径分布宽度为了测试无水乙醇中的纳米粒子经机械分散40min后的粒径分布宽度,利用激光粒度仪测定其粒径分布宽度。从图6中可以看出,纳米TiO2粒径较小,平均粒径约为35nm,属于纳米粒子范畴,且粒径分布宽度范围较窄,约为30nm。2.5.2纳米tio2的表征原子力显微镜表征图谱主要是观测粒子的表面性能、分散性及尺寸。由图7可以看出,经机械分散40min后,无水乙醇中的纳米TiO2分散性较好,粒度均匀,经测量纳米TiO2的平均粒径约为35nm。与前面得到的结果一致。3不同分散体系中纳米tio2的粒径分布(1)十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、六偏磷酸钠(SHMP)及聚丙烯酸钠(PAAS)均有利于纳米TiO2分散,其中PAAS含量为0.05%时,分散体系中纳米TiO2平均粒径最小,其平均粒径为183nm,粒径分布宽度为60nm。(2)超声分散同样能使纳米组分快速处于分