分散劑（PAA）對ZrO2顆粒懸浮液剪切應力的影響

姚 菁

（銅川職業技術學院，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有限公司生產的聚丙烯酸 （PAA），數均分子量為7 000～8 000。超聲處理采用KQ-300VDB型三頻數控超聲波發生器，PH值調節利用改變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。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，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.