分散剂（PAA）对ZrO2颗粒悬浮液剪切应力的影响

姚 菁

（铜川职业技术学院，陕西 铜川 727031）

纳米粉体一般指粒径在1～100nm范围内的微小固体颗粒，在电学、磁学、热学、光学、吸附性和催化性等方面呈现出独特的性能，成为各国研究的热点[1]。纳米粉体材料的分散是指将一定体积分数的纳米粉体颗粒分散到水或其它介质中，并在整个介质中均匀分布的过程。纳米粉体材料在液相介质中的分散方法主要包括物理法和化学法[2-4]。其中物理法主要包括超声波分散法和机械分散法。物理方法可以较好地实现纳米粉体颗粒在液相介质中的分散，但是随着机械作用力的停止，部分纳米颗粒又会重新团聚起来，影响分散的效果。化学分散法即在粉体悬浮液中加入分散剂，使其在颗粒表面吸附，通过改变颗粒表面的性质来改变颗粒与液相介质、颗粒与颗粒间的相互作用，使颗粒间有较强的排斥力，从而抑制纳米粉体的团聚。实际生产中常常将物理分散和化学分散结合起来，能达到较好的分散效果。本文以ZrO2陶瓷纳米颗粒作为研究对象，重点分析了在液相介质中分散剂对纳米粉体颗粒分散性的影响。

1 试验

1.1 试验流程

试验所用ZrO2纳米粉体颗粒由方圆纳米材料研究所提供，纳米粉体颗粒径平均尺寸为45nm，ZrO2纳米粉体的纯度大于98wt%。分散剂采用南京宵科纳米陶瓷技术开发有限公司生产的聚丙烯酸 （PAA），数均分子量为7 000～8 000。超声处理采用KQ-300VDB型三频数控超声波发生器，PH值调节利用改变HCl溶液和NaOH溶液滴加比例完成。试验流程：分别称量ZrO2纳米粉体、分散剂PAA及去离子水，混合，经超声处理，调节PH值进行实验分析。

1.2 分析测试

ZrO2纳米颗粒悬浮液的PH值采用上海精密科学仪器有限公司生产的pHs-25型数字酸度计进行测试。悬浮液的流变性能的测试采用美国BROOKFIELD公司生产的R/S型流变仪，剪切速率范围取0.1～350s-1。本文通过试验测定不同条件下悬浮液的剪切应力与粘度值，从而评定悬浮液的分散性。

2 结果与讨论

2.1 悬浮液PH值对ZrO2纳米粉体分散性的影响

在悬浮液中，ZrO2纳米颗粒体积分数为40vol%，分散剂（PAA）添加量为0.6wt%时，悬浮液在酸性条件下的剪切应力明显高于碱性条件下的剪切应力。随着溶液碱性的增强，悬浮液的剪切应力呈现下降的趋势，在酸性条件下其剪切应力下降尤为显著。当溶液的PH值超过9以后，剪切应力变化不再明显。分析认为：一般情况下，随着溶液pH的增大，PAA所带的羧酸基基团电离度增强，溶液碱性越强，PAA分子链的负电性则越强。在酸性条件下羧酸基-COOH的电离度较低，连段与连段间的排斥力较小，使得高分子链呈卷曲状态。此时的ZrO2纳米颗粒表面主要带正电，与-COO-在静电力的作用下就近吸附，中和了表面的静电荷。而引入的-COO-不足以和纳米颗粒之间的范德华引力抗衡，颗粒产生团聚而絮凝甚至沉降，使得悬浮液表现出较大的剪切应力。在pH值达到9附近时，-COOH几乎全部电离为-COO-离子，且高分子链呈舒展状态，在ZrO2纳米颗粒表面以非亲和力产生特性吸附，增加了纳米颗粒表面的负电荷，又产生有效的空间位阻作用，使得纳米颗粒间的排斥势能增加而分散稳定，悬浮液剪切力降低；在pH值超过9后，悬浮液中可电离的-COOH粒子不足，使得悬浮液剪切力的降低不再显著。

2.2 ZrO2纳米颗粒含量对悬浮液分散性的影响

图1 ZrO2纳米颗粒含量对悬浮液剪切力的影响

图2 ZrO2纳米颗粒含量对悬浮液粘度的影响

ZrO2纳米颗粒含量对悬浮液流变性及粘度的影响如图1、2所示。从图1中可以看出，随着悬浮液中ZrO2纳米颗粒固含量的增加，悬浮液的流变性及稳定性变差。在纳米粉体固含量从20vol%增加到40vol%过程中，悬浮液的剪切应力的增幅较小，纳米粉体固含量的增加对悬浮液的剪切应力的影响不大。在纳米粉体固含量从40vol%增加到60vol%过程中，悬浮液的剪切应力的增幅较大。从图2可以看出，随着分散剂PAA添加量的增大，悬浮液的流变稳定性呈下降趋势。在悬浮液中，分散剂PAA含量从0.2wt%增加到0.6wt%的过程中，分散剂PAA含量的变化对悬浮液流变稳定性及粘度的作用显著。当分散剂PAA含量达到并超过0.6wt%后，分散剂PAA添加量变化对悬浮液分散性的影响不明显。

2.3 PAA添加量对悬浮液分散性的影响

图3 PAA添加量对悬浮液剪切力的影响

图4 PAA添加量对悬浮液粘度的影响

图3、4是含40vol%ZrO2的纳米粉体悬浮液的流变性与PAA添加量的关系曲线图。从图3中可以看出，PAA对悬浮液的剪切应力的影响明显。随着PAA添加量的增大，悬浮液的剪切应力逐渐减小，当PAA添加量大于0.6wt%%时，对悬浮液剪切应力的影响变弱。

3 结论

（1）PH值为9时对ZrO2纳米粉体悬浮液分散效果影响明显，悬浮液剪切应力最小。

（2）相同PAA添加量条件下，悬浮液中纳米粉体含量越少，分散性越好。

（3）随着PAA添加量的增加，纳米粉体悬浮液分散性变好，当PAA添加量为0.6%时，流变性和粘度趋于平衡。

[1]侯峰岩，王为，刘家臣，等.液相中分散剂分散超微颗粒研究进展[J].材料导报，2004（6）：8-10.

[2]易中周，黄勇，谢志鹏，等.碳化硅浓悬浮体的分散特性和流变性研究[J].硅酸盐学报，2002（4）：517-519.

[3]盛伟，武卫东，张华，等.纳米颗粒对氨水鼓泡吸收性能的强化实验[J].制冷学报，2010，31（1）：31-34.

[4]李济顺，薛玉君，兰明明，等.超声波对Ni-CeO2纳米复合电铸层微观结构和性能的影响 [J].中国有色金属学报，2009，19（3）：517-522.