納米碳化硼在水基礎(chǔ)液中的分散穩(wěn)定性

宋錚錚，吳張永，莫子勇，王嫻，王娟

（昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)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(gòu)成的材料，納米材料具有表面與界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)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(diǎn)（2450℃）以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性等一系列優(yōu)良的物理化學(xué)性能，是納米材料科學(xué)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)[2-4]。但與其他納米材料一樣，容易在水中團(tuán)聚，限制了納米材料的進(jìn)一步應(yīng)用[5]。目前，如何將納米碳化硼分散在水基液中使其穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性、取樣的規(guī)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(chǔ)液中的分散情況，并采用沉降穩(wěn)定性分析、流變特性分析來評價(jià)其分散效果，從而得出納米碳化硼在水基液中達(dá)到最佳分散穩(wěn)定性的條件。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

（1）實(shí)驗(yàn)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(tuán)化學(xué)試劑有限公司），抗沉降穩(wěn)定劑為蒙脫石（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），分散介質(zhì)為實(shí)驗(yàn)室自制膜處理水。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)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(shù)顯黏度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將分散劑和水基礎(chǔ)液混合，在30℃下機(jī)械攪拌10min，得到穩(wěn)定溶液。

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

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

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 分散穩(wěn)定性影響因素設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)條件以及實(shí)際操作的可行性，本實(shí)驗(yàn)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(gè)因素作為實(shí)驗(yàn)變量，并采用單一變量方法來進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中所用到的分散介質(zhì)統(tǒng)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(jìn)行考察，從而找出最佳分散條件。

1.3.2 重力沉降評價(jià)

實(shí)驗(yàn)步驟結(jié)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(wěn)定性=(5-V)/5，數(shù)值越大表示分散液的分散穩(wěn)定性越好。

1.3.3 黏度評價(jià)

依據(jù)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(wěn)定性與黏度是成正比的。黏度越大，分散穩(wěn)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(shí)驗(yàn)步驟完成后，將分散液倒入小燒杯中，靜置一定時(shí)間后用黏度計(jì)測定其黏度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 分散劑對溶液穩(wěn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%，將PEG600、PEG6000、CMC300-800、CMC 800-1200四種分散劑分別進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。4種分散劑的重力沉降評價(jià)如表1所示。從表1可以看出，分散穩(wěn)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(wěn)定的作用不同，在制備納米碳化硼流體時(shí)，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(jià)

2.1.2 分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)

根據(jù)分散劑種類對納米碳化硼在水基礎(chǔ)液中的分散穩(wěn)定性影響。分散劑采用PEG6000，納米碳化硼粒徑為60nm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%。不同分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的重力沉降評價(jià)如表2所示，從表2可以看出，按7天后分散穩(wěn)定性由好到差的分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jià)

將1.1節(jié)中所述4種分散劑所配置出的溶液進(jìn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)在溶液中的重力沉降評價(jià)

圖1 分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溶液黏度的關(guān)系

當(dāng)加入分散劑量過少時(shí)（PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足0.4%、CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足0.2%），分散劑沒有在納米碳化硼顆粒表面達(dá)到吸附飽和。隨著分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xù)增加分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)（當(dāng)PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.4%后、CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.2%后），在納米碳化硼顆粒表面達(dá)到吸附飽和之后，繼續(xù)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(wěn)定性的影響

2.2.1 納米碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)

納米材料采用粒徑為60nm的碳化硼，分散劑PEG6000的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%。不同納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的重力沉降評價(jià)如表3所示，從表3可以看出，按分散穩(wěn)定性由好到差的納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)排列為：0.8%＞0.6%＞1%＞1.2%。在納米碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%以下時(shí)，隨著納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，使得抗沉降穩(wěn)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(wěn)定性越來越高。當(dāng)納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%時(shí)，隨著納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米碳化硼流體的抗沉降穩(wěn)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(dá)到飽和之后，吸附的數(shù)量越來越少，納米碳化硼流體的穩(wěn)定性越來越差。

表3 納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在溶液中的重力沉降評價(jià)

2.2.2 納米碳化硼粒徑

根據(jù)納米碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)對納米碳化硼流體沉降穩(wěn)定性的影響結(jié)果，納米碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%，分散劑PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%。不同粒徑納米碳化硼的重力沉降評價(jià)如表4所示，從表4可以看出，按分散穩(wěn)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(shí)沉降穩(wěn)定性最大；當(dāng)顆粒粒徑為100nm時(shí)，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(chǎn)生沉淀團(tuán)聚。

2.2.3 納米顆粒對溶液的黏度評價(jià)

如將上述3種粒徑的B4C所配置出的溶液進(jìn)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(nèi)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(shù)量越少。當(dāng)B4C（60nm和80nm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足0.8%、B4C（100nm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足0.85%時(shí)，隨著B4C質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸增加，溶液的黏度逐漸降低。當(dāng)B4C（60nm和80nm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.8%后、B4C（100nm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.85%后，隨著B4C質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，溶液的黏度迅速增加，最后保持 穩(wěn)定。

表4 納米顆粒粒徑在溶液中的重力沉降評價(jià)

圖2 B4C質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溶液黏度的關(guān)系

3 結(jié) 論

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

（2）不同分散劑種類對納米碳化硼流體穩(wěn)定性影響差別很大，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)劑，從而適應(yīng)懸浮液對黏度的要求。

（3）分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)都有一個(gè)最佳范圍，低于或者高于這個(gè)范圍都會(huì)使得懸浮液穩(wěn)定性變低。當(dāng)PEG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、CMC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，納米碳化硼流體的分散效果最好。

（4）納米碳化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有一個(gè)最佳范圍，低于或者高于這個(gè)范圍都會(huì)使得納米碳化硼流體穩(wěn)定性變低。當(dāng)納米碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%～0.9%時(shí)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(wěn)定性影響很大，粒徑過小或者過大都會(huì)使得懸浮液不穩(wěn)定，當(dāng)粒徑為60nm時(shí)分散效果最好，粒徑為100nm時(shí)納米顆粒基本完全沉淀。

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