納米碳化硼在水基礎液中的分散穩定性

宋錚錚，吳張永，莫子勇，王嫻，王娟

（昆明理工大學機電工程學院，云南 昆明 650500）

納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍（0.1～100nm）或由它們作為基本單元構成的材料，納米材料具有表面與界面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應等特 性[1]。碳化硼（B4C）具有低密度（2. 52g/cm3）、高硬度（僅次于金剛石和立方氮化硼）、高熔點（2450℃）以及良好的化學穩定性等一系列優良的物理化學性能，是納米材料科學領域研究的重點[2-4]。但與其他納米材料一樣，容易在水中團聚，限制了納米材料的進一步應用[5]。目前，如何將納米碳化硼分散在水基液中使其穩定分散的研究非常廣泛，與之形成的對比是，研究分散效果的表征方式并不多，而且標準的統一性、取樣的規范性、影響因素的多樣性等都沒有得到重視[6-9]。本文作者研究了不同分散條件對納米碳化硼在水基礎液中的分散情況，并采用沉降穩定性分析、流變特性分析來評價其分散效果，從而得出納米碳化硼在水基液中達到最佳分散穩定性的條件。

1 實 驗

1.1 實驗條件

（1）實驗材料：市售納米碳化硼粉體（上海超威納米材料有限公司）粒徑有60nm、80nm、100nm三種，分散劑有聚乙二醇（PEG600、PEG6000）、羧甲基纖維素鈉（CMC300-800、CMC800-1200） （國藥集團化學試劑有限公司），抗沉降穩定劑為蒙脫石（國藥集團化學試劑有限公司），分散介質為實驗室自制膜處理水。

（2）實驗設備：廂式反滲透凈水器、JPT-1架盤天平、HJ-5多功能攪拌器、KQ超聲波清洗儀器、SNB-1數顯黏度計。

1.2 實驗步驟

（1）將分散劑和水基礎液混合，在30℃下機械攪拌10min，得到穩定溶液。

（2）將納米碳化硼（B4C）加入到步驟（1）得到的穩定溶液中，在30℃下機械攪拌10min，得到懸浮液。

（3）將0.3g蒙脫石加入步驟（2）得到的懸浮液當中，在30℃下機械攪拌10min，得到懸浮液。

（4）將步驟（3）得到的懸浮液進行超聲波分散，溫度設置為35℃，分散10min，從而得到水基納米碳化硼流體。

1.3 實驗方法

1.3.1 分散穩定性影響因素設計

考慮到實驗室的實驗條件以及實際操作的可行性，本實驗選擇了分散劑的種類、分散劑的用量、納米碳化硼的用量、納米碳化硼粒徑大小這4個因素作為實驗變量，并采用單一變量方法來進行對比實驗，實驗中所用到的分散介質統一采用膜處理水。對水基納米碳化硼流體的黏度或者透光率進行考察，從而找出最佳分散條件。

1.3.2 重力沉降評價

實驗步驟結束后，取5mL分散液倒入刻度試管中靜置并且將試管口密封，分別在1天、2天、3天、5天、7天后讀取試管上層清液的體積V，沉降部分體積為(5-V)mL，則沉降穩定性=(5-V)/5，數值越大表示分散液的分散穩定性越好。

1.3.3 黏度評價

依據Stokes定律，在一定條件下，顆粒在液體中的沉降速度與粒徑的平方成正比，與液體的黏度成反比，即分散穩定性與黏度是成正比的。黏度越大，分散穩定性越好[10-12]。而一般來說，懸浮液中顆粒的分散程度與黏度的大小是成正比的，即黏度越小，分散程度越好；黏度越大，分散程度越差。實驗步驟完成后，將分散液倒入小燒杯中，靜置一定時間后用黏度計測定其黏度。

2 實驗結果與討論

2.1 分散劑對溶液穩定性的影響

2.1.1 分散劑種類

使用粒徑為60nm的納米碳化硼，質量分數為0.8%，將PEG600、PEG6000、CMC300-800、CMC 800-1200四種分散劑分別進行對比實驗。4種分散劑的重力沉降評價如表1所示。從表1可以看出，分散穩定性由好到差排列為：PEG600＞ PEG6000＞ CMC300-800＞ CMC800-1200。由于分散劑能起到降低分散體系中固體或液體粒子聚集的作用，所以分散劑種類對納米碳化硼流體起到的抗沉降穩定的作用不同，在制備納米碳化硼流體時，分散劑PEG600的抗沉降性能最好。

表1 分散劑種類在溶液中的重力沉降評價

2.1.2 分散劑質量分數

根據分散劑種類對納米碳化硼在水基礎液中的分散穩定性影響。分散劑采用PEG6000，納米碳化硼粒徑為60nm，質量分數為0.8%。不同分散劑質量分數的重力沉降評價如表2所示，從表2可以看出，按7天后分散穩定性由好到差的分散劑質量分數排列為：0.5%＞0.3%＞0.6%＞0.2%。

2.1.3 分散劑對溶液的黏度評價

將1.1節中所述4種分散劑所配置出的溶液進行黏度測量，4種分散劑的黏度曲線如圖1所示。圖1表明，分散劑能起到降低分散體系中固體粒子 （納米碳化硼）聚集的作用，并且不同的分散劑類型和加入量對溶液的黏度影響不同[13]。

表2 分散劑質量分數在溶液中的重力沉降評價

圖1 分散劑質量分數與溶液黏度的關系

當加入分散劑量過少時（PEG質量分數不足0.4%、CMC質量分數不足0.2%），分散劑沒有在納米碳化硼顆粒表面達到吸附飽和。隨著分散劑質量分數的逐漸增加，吸附在碳化硼顆粒表面的分散劑越來越多，溶液的黏度逐漸降低。繼續增加分散劑質量分數（當PEG質量分數達到0.4%后、CMC質量分數達到0.2%后），在納米碳化硼顆粒表面達到吸附飽和之后，繼續加入分散劑使得多余的分散劑相互橋連，溶液的黏度迅速增長。

2.2 納米碳化硼對溶液穩定性的影響

2.2.1 納米碳化硼質量分數

納米材料采用粒徑為60nm的碳化硼，分散劑PEG6000的質量分數為0.4%。不同納米顆粒質量分數的重力沉降評價如表3所示，從表3可以看出，按分散穩定性由好到差的納米顆粒質量分數排列為：0.8%＞0.6%＞1%＞1.2%。在納米碳化硼質量分數1%以下時，隨著納米顆粒質量分數的增加，使得抗沉降穩定性隨之增加。這是由于分散劑逐漸吸附在納米碳化硼的表面，使得溶液的穩定性越來越高。當納米顆粒質量分數大于1%時，隨著納米顆粒質量分數的增加，納米碳化硼流體的抗沉降穩定性隨之降低。這是由于分散劑吸附在納米碳化硼表面的量達到飽和之后，吸附的數量越來越少，納米碳化硼流體的穩定性越來越差。

表3 納米顆粒質量分數在溶液中的重力沉降評價

2.2.2 納米碳化硼粒徑

根據納米碳化硼質量分數對納米碳化硼流體沉降穩定性的影響結果，納米碳化硼質量分數為0.8%，分散劑PEG6000質量分數為0.4%。不同粒徑納米碳化硼的重力沉降評價如表4所示，從表4可以看出，按分散穩定性由好到差排列的納米顆粒粒徑為：60nm＞80nm＞100nm。納米碳化硼粒徑為60nm時沉降穩定性最大；當顆粒粒徑為100nm時，基本上無分散作用。隨著納米碳化硼顆粒粒徑的增加，顆粒的表觀密度變大，容易產生沉淀團聚。

2.2.3 納米顆粒對溶液的黏度評價

如將上述3種粒徑的B4C所配置出的溶液進行黏度測量，3種溶液的黏度曲線如圖2所示。圖2表明，不同粒徑的納米碳化硼和加入量對溶液的黏度影響不同[14-15]。

在加入分散劑用量一定的條件下，納米碳化硼 粒徑越大，其比表面積越小，單位體積內納米顆粒所具有的表面積越小，其顆粒表面所能吸附的分散劑數量越少。當B4C（60nm和80nm）質量分數不足0.8%、B4C（100nm）質量分數不足0.85%時，隨著B4C質量分數的逐漸增加，溶液的黏度逐漸降低。當B4C（60nm和80nm）質量分數達到0.8%后、B4C（100nm）質量分數達到0.85%后，隨著B4C質量分數的增加，溶液的黏度迅速增加，最后保持 穩定。

表4 納米顆粒粒徑在溶液中的重力沉降評價

圖2 B4C質量分數與溶液黏度的關系

3 結 論

（1）分散劑能夠通過化學吸附作用吸附在納米碳化硼的表面，從而增強了納米碳化硼的分散穩 定性。

（2）不同分散劑種類對納米碳化硼流體穩定性影響差別很大，從實驗數據可看出，分散劑PEG600對納米碳化硼流體的分散效果最好。不同分散劑可以使懸浮液的黏度不同，且某些分散劑可以作為懸浮液的黏度調節劑，從而適應懸浮液對黏度的要求。

（3）分散劑質量分數都有一個最佳范圍，低于或者高于這個范圍都會使得懸浮液穩定性變低。當PEG的質量分數為0.4%、CMC的質量分數為0.2%時，納米碳化硼流體的分散效果最好。

（4）納米碳化硼的質量分數也有一個最佳范圍，低于或者高于這個范圍都會使得納米碳化硼流體穩定性變低。當納米碳化硼質量分數為0.8%～0.9%時分散效果最好。

（5）納米碳化硼顆粒粒徑大小也對納米碳化硼流體的穩定性影響很大，粒徑過小或者過大都會使得懸浮液不穩定，當粒徑為60nm時分散效果最好，粒徑為100nm時納米顆粒基本完全沉淀。

[1] Bakhsheshi-Rad H R，Hamzah E，Daroonparvar M，et al. Synthesis and biodegradation evaluation of nano-Si and nano-Si/TiO2coatings on biodegradable Mg-Ca alloy in simulated body fluid[J].Ceramics International，2014，40（9）：14009-14018.

[2] Hariharan C. Photocatalytic degradation of organic contaminants in water by ZnO nanoparticles：Revisited[J].Applied Catalysis A：General，2006，304：55-61.

[3] Pastoriza-Gallego M J，Casanova C，Legido J L，et al. CuO in water nanofluid：Influence of particle size and polydispersity on volumetric behaviour and viscosity[J].Fluid Phase Equilibria，2011，300（1-2）：188-196.

[4] 丁碩，溫廣武，雷廷權. 碳化硼材料研究進展[J]. 材料科學與工藝，2003，11（1）：101-105.

[5] 凌智勇，鄒濤，丁建寧，等. 納米流體黏度特性[J]. 化工學報，2012，63（5）：1409-1414.

[6] 楊雪飛，劉振華. 一種由表面改性納米顆粒制備的新型納米流體[J]. 化工學報，2010，61（11）：2902-2905.

[7] 劉兵，彭超群，王日初，等. Al2O3懸浮液分散穩定性的影響因素[J]. 中國有色金屬學報，2012，22（10）：2833-2838.

[8] 郝漢，馮建國，馬超，等. 雙梳型共聚物對吡蟲啉懸浮劑分散穩定性的影響與表征[J]. 化工學報，2014，65（3）：1126-1134.

[9] 涂志江，張寶林，馮凌云，等. 聚乙二醇/聚乙烯吡咯烷酮修飾的納米Fe3O4粒子的制備與表征[J]. 化工學報，2012，63（12）：4089-4095.

[10] 李國龍，吳勘，譚鏡明. 納米TiO2在水基體系中分散的研究[J].環境友好型涂料與涂裝特刊，2006，11：31-38.

[11] 林治鳴，彭峰，黃輝俊，等. 納米二氧化鈦粉體水基體系分散穩定性評價研究[J]. 功能材料，2007，38（s1）：2099-2101.

[12] 黃燕，涂偉萍. 納米氧化錫銻粉體在水基體系中的分散研究[J]. 材料導報，2008，22（專輯XⅡ）：78-81.

[13] 王向東，張躍，王樹彬，等. 碳化鈦懸浮體分散特性和流變性能的研究[J]. 稀有金屬材料與工程，2007，36（s1）：153-155.

[14] 周登清，吳慧英. 乙二醇基納米流體黏度的實驗研究[J]. 化工學報，2014，65（6）：2021-2026.

[15] 唐忠利，彭林明，張樹楊. 納米流體黏度和流變特性的試驗研究[J]. 化學工業與工程，2012，29（3）：1-5.