姚 菁

（銅川職業(yè)技術學院，陜西 銅川 727031）

納米粉體一般指粒徑在1～100nm范圍內的微小固體顆粒，在電學、磁學、熱學、光學、吸附性和催化性等方面呈現(xiàn)出獨特的性能，成為各國研究的熱點[1]。納米粉體材料的分散是指將一定體積分數(shù)的納米粉體顆粒分散到水或其它介質中，并在整個介質中均勻分布的過程。納米粉體材料在液相介質中的分散方法主要包括物理法和化學法[2-4]。其中物理法主要包括超聲波分散法和機械分散法。物理方法可以較好地實現(xiàn)納米粉體顆粒在液相介質中的分散，但是隨著機械作用力的停止，部分納米顆粒又會重新團聚起來，影響分散的效果?；瘜W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來改變顆粒與液相介質、顆粒與顆粒間的相互作用，使顆粒間有較強的排斥力，從而抑制納米粉體的團聚。實際生產中常常將物理分散和化學分散結合起來，能達到較好的分散效果。本文以ZrO2陶瓷納米顆粒作為研究對象，重點分析了在液相介質中分散劑對納米粉體顆粒分散性的影響。

1 試驗

1.1 試驗流程

試驗所用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開發(fā)有限公司生產的聚丙烯酸 （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值調節(jié)利用改變HCl溶液和NaOH溶液滴加比例完成。試驗流程：分別稱量ZrO2納米粉體、分散劑PAA及去離子水，混合，經超聲處理，調節(jié)PH值進行實驗分析。

1.2 分析測試

ZrO2納米顆粒懸浮液的PH值采用上海精密科學儀器有限公司生產的pHs-25型數(shù)字酸度計進行測試。懸浮液的流變性能的測試采用美國BROOKFIELD公司生產的R/S型流變儀，剪切速率范圍取0.1～350s-1。本文通過試驗測定不同條件下懸浮液的剪切應力與粘度值，從而評定懸浮液的分散性。

2 結果與討論

2.1 懸浮液PH值對ZrO2納米粉體分散性的影響

在懸浮液中，ZrO2納米顆粒體積分數(shù)為40vol%，分散劑（PAA）添加量為0.6wt%時，懸浮液在酸性條件下的剪切應力明顯高于堿性條件下的剪切應力。隨著溶液堿性的增強，懸浮液的剪切應力呈現(xiàn)下降的趨勢，在酸性條件下其剪切應力下降尤為顯著。當溶液的PH值超過9以后，剪切應力變化不再明顯。分析認為：一般情況下，隨著溶液pH的增大，PAA所帶的羧酸基基團電離度增強，溶液堿性越強，PAA分子鏈的負電性則越強。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，顆粒產生團聚而絮凝甚至沉降，使得懸浮液表現(xiàn)出較大的剪切應力。在pH值達到9附近時，-COOH幾乎全部電離為-COO-離子，且高分子鏈呈舒展狀態(tài)，在ZrO2納米顆粒表面以非親和力產生特性吸附，增加了納米顆粒表面的負電荷，又產生有效的空間位阻作用，使得納米顆粒間的排斥勢能增加而分散穩(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納米顆粒含量對懸浮液分散性的影響

圖1 ZrO2納米顆粒含量對懸浮液剪切力的影響

圖2 ZrO2納米顆粒含量對懸浮液粘度的影響

ZrO2納米顆粒含量對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，懸浮液的剪切應力的增幅較小，納米粉體固含量的增加對懸浮液的剪切應力的影響不大。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。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含量的變化對懸浮液流變穩(wěn)定性及粘度的作用顯著。當分散劑PAA含量達到并超過0.6wt%后，分散劑PAA添加量變化對懸浮液分散性的影響不明顯。

2.3 PAA添加量對懸浮液分散性的影響

圖3 PAA添加量對懸浮液剪切力的影響

圖4 PAA添加量對懸浮液粘度的影響

圖3、4是含40vol%ZrO2的納米粉體懸浮液的流變性與PAA添加量的關系曲線圖。從圖3中可以看出，PAA對懸浮液的剪切應力的影響明顯。隨著PAA添加量的增大，懸浮液的剪切應力逐漸減小，當PAA添加量大于0.6wt%%時，對懸浮液剪切應力的影響變弱。

3 結論

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

（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PAA添加量為0.6%時，流變性和粘度趨于平衡。

[1]侯峰巖，王為，劉家臣，等.液相中分散劑分散超微顆粒研究進展[J].材料導報，2004（6）：8-10.

[2]易中周，黃勇，謝志鵬，等.碳化硅濃懸浮體的分散特性和流變性研究[J].硅酸鹽學報，2002（4）：517-519.

[3]盛偉，武衛(wèi)東，張華，等.納米顆粒對氨水鼓泡吸收性能的強化實驗[J].制冷學報，2010，31（1）：31-34.

[4]李濟順，薛玉君，蘭明明，等.超聲波對Ni-CeO2納米復合電鑄層微觀結構和性能的影響 [J].中國有色金屬學報，2009，19（3）：517-522.