超聲預(yù)處理對納米SiO2的分散穩(wěn)定性影響

劉春玲， 嚴(yán)芬英， 趙春英

(沈陽理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽 110159)

引 言

納米SiO2具有粒徑小、比表面積大和表面羥基多等特性，呈無定型白色粉末［1］。其具有特殊的光學(xué)性能、光催化特性和流變性能［2］，以無機填料形式應(yīng)用于涂料、橡膠、塑料及粘合劑等領(lǐng)域起到增韌補強等作用［3-5］。但是，由于納米SiO2的多羥基特性，導(dǎo)致了其在應(yīng)用中因納米SiO2表面能高，極易團聚成聚集體。同時，納米SiO2表面具有親水疏油特性，在有機介質(zhì)中難以分散均勻［6-7］，與有機介質(zhì)的界面結(jié)合性差［8］，容易發(fā)生相分離，使納米粒子填充到有機介質(zhì)中的性能得不到充分體現(xiàn)。為此，需要對納米SiO2進行改性分散，提高其表面疏水性，使其在有機介質(zhì)中能均勻分散。

目前，隨著超聲波的普及，應(yīng)用超聲波輔助分散納米粉體的研究越來越多［9］。本實驗研究了硅烷偶聯(lián)劑(KH570)和六偏磷酸鈉復(fù)合分散劑與超聲波預(yù)處理相結(jié)合方法對納米SiO2進行分散，通過掃描電子顯微鏡和吸光度測定等方法評價了分散劑對納米SiO2改性效果。

1 實驗部分

1.1 主要藥品與儀器

納米SiO2，硅烷偶聯(lián)劑(KH570)，六偏磷酸鈉，自制蒸餾水;SB-3200DTDN超聲波清洗機(寧波新芝生物科技有限公司)，日立S-3400N掃描電子顯微鏡(日立公司)，電子分析天平，85-2恒溫磁力加熱攪拌器，721可見分光光度計(上海奧譜勒儀器有限公司)。

1.2 實驗方法及表征

1.2.1 納米SiO2在水溶液中的分散穩(wěn)定性測定

將硅烷偶聯(lián)劑(KH570)與六偏磷酸鈉按一定配比溶于30mL蒸餾水中，磁力攪拌均勻后，加入2g納米 SiO2常溫磁力攪拌10min，再超聲分散30min，將乳液置于試管中放置一段時間后，在試管上層取1mL懸浮液，用10mL蒸餾水稀釋，搖勻，采用721可見分光光度計在400～760nm波長入射光下測其吸光度，以不同時間吸光度表征懸浮液的分散穩(wěn)定性。吸光度大小可由Reylength方程表示:

A=k·v

式中:A為吸光度;k為吸光常數(shù);v為單位體積的粒子數(shù)。吸光度大小和單位體積中粒子數(shù)成正比，吸光度越大，表明懸浮液中離子濃度越高，則粒子在懸浮體系中的分散、懸浮及穩(wěn)定性能越好。

1.2.2 形貌分析

將改性前后的納米SiO2粉體經(jīng)過噴金處理后，用掃描電鏡觀察形貌對其分散結(jié)果進行表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲預(yù)處理對納米SiO2水相分散性能評價

2.1.1 超聲功率對納米SiO2分散穩(wěn)定性的影響

圖1比較了不同超聲功率對納米SiO2的水相分散穩(wěn)定性影響，懸浮液中m(KH570)∶m(六偏磷酸鈉)為1∶3，超聲 t為 30min，θ為35℃。

從圖1可以得出，隨著超聲功率的增加，納米SiO2懸浮液的吸光度也顯著增大。當(dāng)超聲功率為180W時，懸浮液的吸光度達到最大，且在該功率下，隨著靜置時間的變化，納米SiO2的吸光度差值變化較其他功率下比較小。由此可見，隨著超聲功率的增大，超聲空化產(chǎn)生的局部高溫、高壓、微射流和強沖擊波等作用力加強，從而有利于納米粒子的解團聚。實驗選擇較佳的超聲功率為180W。

圖1 不同超聲功率下納米SiO2懸浮液靜置不同時間的吸光度

2.1.2 超聲時間對納米SiO2分散穩(wěn)定性的影響

圖2比較了不同超聲時間下納米SiO2的水相分散穩(wěn)定性，m(KH570)∶m(六偏磷酸鈉)=1∶3，超聲功率180W，θ為35℃。

圖2 不同超聲時間下納米SiO2懸浮液靜置不同時間的吸光度

由圖2得出，當(dāng)超聲t為30min時，納米SiO2懸浮液的吸光度達到最大值，且懸浮液在放置不同時間后的吸光度差值變化相對穩(wěn)定，即沉降速率減慢，懸浮液的穩(wěn)定性較好。實驗選擇超聲分散的較佳處理t為30min。

2.1.3 超聲溫度對納米SiO2分散穩(wěn)定性的影響

圖3比較了不同超聲溫度下納米SiO2的水相分散穩(wěn)定性，m(KH570)∶m(六偏磷酸鈉)=1∶3，超聲功率180W，t為30min。

圖3 不同超聲溫度下納米SiO2懸浮液靜置不同時間的吸光度

由圖3看出，當(dāng)懸浮液放置0.5h后，超聲θ為50℃時的吸光度較大，35℃時次之，但隨著納米SiO2懸浮液放置時間的延長，由吸光度差值變化來看，當(dāng)超聲θ為35℃時，懸浮液的分散更穩(wěn)定，實驗選取最佳超聲θ為35℃。

2.2 分散劑的添加量對納米SiO2水相分散穩(wěn)定性的影響

圖4比較了硅烷偶聯(lián)劑(KH570)與六偏磷酸鈉不同配比時懸浮液靜置不同時間后吸光度變化。實驗以硅烷偶聯(lián)劑(KH570)的添加量為基礎(chǔ)，均按納米SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%加入，六偏磷酸鈉按納米SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 0、1%、2%、3%、4%、5% 和 6%加入。

圖4 m(KH570)∶m(六偏磷酸鈉)復(fù)配后的懸浮液靜置不同時間的吸光度

由圖4得出，當(dāng)硅烷偶聯(lián)劑m(KH570)∶m(六偏磷酸鈉)為1∶5時，納米SiO2懸浮液的吸光度值大且其差值變化相對穩(wěn)定，即其分散穩(wěn)定性好，實驗選取分散劑m(KH570)∶m(六偏磷酸鈉)的最佳為 1∶5。

2.3 納米SiO2的形貌分析

圖5為改性前后納米SiO2表面形貌(SEM)照片。圖5(a)是未經(jīng)過改性的納米SiO2的表面形貌，圖5(b)是改性的納米SiO2的表面形貌。

圖5 改性前后納米SiO2的SEM照片

由圖5(a)可以看出，改性前的納米SiO2呈團聚狀，顆粒間的交聯(lián)清晰可見，分散性差，這主要是因為其表面積大，含大量羥基，羥基間易脫水形成氫鍵，從而使顆粒之間相互交聯(lián)造成顆粒團聚;由圖5(b)可以看出，改性后納米SiO2結(jié)構(gòu)相對松散，顆粒間界面較模糊，納米SiO2能夠均勻分散。這是由于經(jīng)過分散劑改性后的納米SiO2與分散劑的接枝率高，形成一層能夠降低表面張力、增大空間位阻作用的膜層，從而使改性后的納米SiO2在水相中能均勻分散。

3 結(jié)論

1)通過超聲波的空化作用對納米SiO2分散解聚，使納米SiO2在水相中的分散穩(wěn)定性顯著提高。實驗得出最佳超聲分散工藝條件:超聲功率180W，t為30min，θ為35℃。

2)分散劑KH570與六偏磷酸鈉復(fù)配分散納米SiO2的最佳質(zhì)量比為1∶5。

3)對改性前后納米SiO2的SEM分析結(jié)果表明，KH570與六偏磷酸鈉復(fù)配的分散劑對納米SiO2有較好的分散性。

4)超聲波預(yù)處理能促進納米SiO2的表面改性，但其能耗較高，只能作為一種輔助分散方法，本實驗采用超聲波與分散劑分散相結(jié)合方法，使分散效果好，且又經(jīng)濟可行。

［1］ 安秋鳳，郭錕.納米SiO2表面改性及其應(yīng)用在復(fù)合材料中的研究進展［J］.納米科技，2007，4(5):9-14.

［2］ 禹坤.納米的生產(chǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.現(xiàn)代科技陶瓷，2005，(4):28-31.

［3］ Qi Wei，Zhong Zhenxing，Nie Zuoren，et al.Highly ordered mesoporous silica SBA-15 functionalized with high concentration of amino groups accessible to metal Ions［J］.Chinese Journal of Inorganic Chemistry，2008，24(1):130-137.

［4］ Cai Chujiang，Shen Zhinggang，Zheng Yanhong，et al.A novel technology for powder dispersion and surface modification［J］.Journal of Materials Science，2007，42(11):3745-3753.

［5］ Rao A Parvathy，Rao A Venkateswara，Pajonk G M.Hydrophobic and physical properties of the ambient pressure dried silica aerogels with sodium silicate precursor using various surface modification agents［J］.Applied Surface Science，2007，253(14):6032-6040.

［6］ 劉云柱，馬紅杰，朱興松，等.納米SiO2的表面改性研究［J］.化工新型材料，2007，35(11):60-62.

［7］ 郭洪娜，鄭少華，馬士玉，等.表面修飾納米SiO2的抗磨減磨性能研究［J］.納米科技，2009，6(2):21-24.

［8］ 倪星元，沈軍，張志華.納米材料的理化特性與應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006:92-93.

［9］ 史建新，徐惠，張艷君，等.納米二氧化鈦的分散及表面改性的研究綜述［J］.印染助劑，2007，24(1):5-9.