聚乙烯吡咯烷酮含量对纳米碳化钨粉末在无水乙醇中分散性的影响

张 曼,陶 君,李 颖,汪应龙,朱玉峰,张宇晗,伽亮亮,丁 瑜

(湖北工程学院 化学与材料科学学院，湖北 孝感 432000)

碳化钨(WC)粉末具有高硬度和优异的耐磨性，在刀具、模具以及耐磨零部件等领域有着广泛应用[1-3]。众所周知，当WC颗粒的尺寸减小至纳米时，硬质合金的抗弯强度、硬度和断裂韧性均能得到显著提升[4]。但是由于纳米颗粒比表面积大、比表面能高，极容易发生团聚。WC粉末的团聚会导致硬质合金在烧结过程中发生异常长大，严重损坏硬质合金的力学性能[5-6]。因此，减少团聚体、提高纳米碳化钨粉体的分散性对硬质合金材料性能的提升具有重要意义。目前，粉体的分散方法分为物理法和化学法，物理法主要包括机械搅拌法和超声分散法，化学法主要包括化学表面改性和分散剂法[7-11]。不同的分散体系间物理化学特性相差较大。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)是一种具有特殊结构的两亲性聚合物，能够溶于水和醇、羧酸等诸多有机溶剂中，其中，吡咯烷酮基团为亲水基团，主链为碳-碳键的疏水性链段，具有亲油性[12-13]。本文通过沉降实验，采用激光粒度分析、光学显微分析和透射电子显微分析研究了非离子型表面活性剂PVP含量对纳米WC粉末悬浮液的分散稳定性的影响。

1 实验部分

将不同含量的PVP与质量分数为1%的WC加入到10 mL无水乙醇中。先超声分散20 min，后磁力搅拌5 min，制得悬浮液。将制备好的悬浮液迅速倒入10 mL量筒内，然后进行沉降实验。每隔12 h记录不同含量PVP的悬浮液的沉降情况。采用激光粒度分析仪来测量粉末的粒径及粒径分布，采用光学显微镜和透射电子显微镜表征纳米WC粉末悬浮液的分散性。

2 结果与讨论

2.1 沉降法分析

图1为不同含量PVP悬浮液的沉降比随时间的变化曲线。沉降比越小，悬浮液的分散稳定性越好。随着沉降时间的延长，纳米WC悬浮液的沉降比升高。当添加PVP的质量分数低于0.15%时，沉降速度较快；当沉降时间为36 h、48 h、60 h时，沉降比均在PVP的质量分数为0.25%时取得最小值，分别为54%、67%、85%；继续增大PVP的质量分数，分散效果变差。结果表明PVP可以明显改善纳米WC在无水乙醇中的分散性，当质量分数为0.25%PVP时，其分散效果最好。

图1 不同PVP含量的悬浮液沉降比随沉降时间的变化关系

2.2 激光粒度分析

图2(a)和图2(b)分别为未添加PVP和添加质量分数0.25%PVP的悬浮液粒径分布图。未添加PVP的悬浮液中纳米WC粉末的粒径主要分布在200～800 nm之间，平均粒径为396 nm，尺寸分布比较广。添加0.25%PVP时，悬浮液中纳米WC粉末的粒径分布变窄，在100～250 nm之间，平均粒径为146 nm。添加质量分散为0.25%PVP后悬浮液中纳米WC在无水乙醇中的分散效果明显得到了改善。

2.3 显微组织分析

图3(a)和图3(b)分别为未添加PVP和添加质量分数为0.25%PVP的显微组织图。未添加PVP时，纳米WC团聚明显，并且在悬浮液中分布不均匀，整个悬浮液体系不稳定。添加质量分数为0.25%PVP后，纳米WC粉体的团聚现象明显减轻，纳米WC粉末分散均匀。加入PVP后，纳米WC粉体分散效果明显上升。

图3 不同PVP含量的纳米WC的光学显微组织图：(a)未添加PVP；(b)PVP质量分数为0.25%

图4为添加质量分数为0.25%PVP后纳米WC粉末悬浮液的透射电子显微图。部分原始颗粒聚集着一起形成不规则的粉末聚集体。表明，一定量PVP的添加能有效改善纳米WC粉末在无水乙醇中的分散性，但不能完全消除纳米WC粉末的团聚。结合透射电子显微图片和文献分析，当添加PVP的质量分数低于0.15%时，沉降速度较快，可能原因是PVP的加入量过少，不能完全包裹纳米WC，纳米WC之间还是容易发生碰撞引起团聚[14-15]。当PVP的质量分数为0.25%时分散效果较佳，这可能是因为在超声分散时，PVP会在纳米WC表面形成一层保护膜，减少纳米WC之间的相互碰撞而产生的团聚，减轻了纳米WC的重力沉降。继续增大PVP的质量分数，多余的PVP会相互桥连，反而加快WC粒子之间的聚集，从而使分散效果变差。

图4 PVP质量分数为0.25%时纳米WC的透射电子显微图

3 结论

(1)通过沉降实验表明，将纳米WC直接加入无水乙醇制成的悬浮液很不稳定。添加质量分数为0.25%PVP后悬浮液的分散效果相对最优，当沉降时间为36 h、48 h、60 h时，沉降比最小，分别为54%、67%、85%。

(2)粒径分析表明，添加质量分数为0.25%PVP后，悬浮液中纳米WC粉末的平均粒径为146 nm，粒径分布为100～250 nm，较未添加PVP时明显变窄。

(3)显微组织分析表明，添加质量分数为0.25%PVP后，纳米WC粉体的团聚现象明显减轻，分散均匀。