纳米二氧化钛粉体的分散研究

纳米二氧化钛的分散研究

第43卷　第3期　

2004年　5月中山大学学报(自然科学版)

ACTA　SCIENTIARUM　NATURALIUM　UNIVERSITATIS　SUNYATSENIVol143　

No13

May　2004

纳米二氧化钛粉体的分散研究

曾玉燕

1,2

Ξ

,沈培康,童叶翔

12

(1.中山大学光电材料与技术国家重点实验室∥物理科学与工程技术学院,广东广州510275;

2.中山大学化学与化学工程学院,广东广州510275)

摘　要:研究用于分散纳米二氧化钛粉体的方法,其特征在于在分散体系中组合了不同的溶剂、不同的表面活

性剂和不同的商业分散剂,从而能够较好地控制纳米二氧化钛在液相中的分散。

关键词:纳米粉体;二氧化钛;分散剂;表面活性剂

中图分类号:O6481124;O64813　　文献标识码:A　　文章编号:052926579(2004)0320018204　　纳米粉体通常是指颗粒粒度在1～100nm、介于微观粒子和宏观物体之间的微小固体颗粒。纳米粉体因其体积效应和表面效应而在磁性、催化性、光吸收、电导、硬度和熔点等方面与常规材料相比显示出特异功能,因而受到人们的极大关注。但是,由于纳米粉体粒径小、很大,在溶液中容易团聚,[1体的分散、和基础。,分散体系可以分为水性体系(水为介质)和非水性体系(以有机溶剂为介质)。纳米TiO2粒子比表面积很大,且配位严重不足,从而表现出极强的表面活性,极易相互团聚,形成大的聚集体,从而影响实际应用效果。纳米粉体表面处理常用的方法是在水性溶液中加入有机表面活性剂等,使其有效地包覆、吸附在纳米颗粒表面。纳米粉体在水性溶剂中的分散包括润湿、分散和分散稳定三个阶段。由于范德华力和粒子间引力的作用使得TiO2粉体粒子紧密地集结在一起形成软的聚集体,这种聚集体浸入液体介质时,以

[3]

聚团的形式被润湿而拒绝分散。因此,只有当纳米TiO2颗粒之间被充分润湿时,它才能被很好地分散开来。而阴离子表面活性剂在固—液界面上以疏水基吸附于毛细管壁上,亲水基伸入液体中,使固—液界面的界面张力大幅度降低,并且改善了固—液界面的相容性,导致缝隙处亲水性增强,有利于水性介质在独立的原生粒子或较小聚集体周围润湿。随着粒子聚集体裂缝处渗透压力的增加,再结合外界所提供的机械剪切力,即可打开纳米TiO2

聚集体,。在水性体系中阴离TiO2,并非任何表面处理[4]

。

,由于颗粒表面力的作用使它们很容易团聚在一起,形成较大的团聚体。使用超声波振荡将破坏团聚体中小颗粒之间的库仑力和范德华力,分散在液体介质中的团聚体被打开,从而使小颗粒分散在液体介质中。但超声波停止后,团聚又可能重新发生,因此,要想使微粉颗粒均匀、稳定地分散在液体介质中,通常采用以下三种稳定机制

[5]

:①静电稳定机制;②空间位

阻稳定机制;③电空间稳定机制。超声空化时产生的局部高温、高压或强冲击波和微射流等弱化纳米粒子间的纳米作用能,可以有效地防止纳米粒子的团聚。

1　试验部分

111　试　剂

溶剂:蒸馏-去离子水、乙醇、丙酮、乙二醇、丙二醇、汽油、柴油、溶剂油和丁醇中的一种或一种以上的混合物。

表面活性剂:阳离子纤维素、六偏磷酸钠、十二烷基苯磺酸钠、异丁基磺酸钠、双硬酯酸聚乙醇醚。

商业分散剂:Disperbyk-034、Disperbyk-190、Disperbyk-183、罗门哈斯1124、罗门哈斯1288、LOPON895、731A、NC890。

德国DEGOSA公司的锐钛矿型纳米TiO2(代号

Ξ收稿日期:2003-12-03

基金项目:广州市科技局资助项目(GZ0204106-4)

作者简介:曾玉燕(1978年生),女,硕士研究生;通讯联系人:沈培康;E-mail:stdp32@zsu1edu1cn

纳米二氧化钛的分散研究

　第3期曾玉燕等:

纳米二氧化钛粉体的分散研究19

P25,平均粒径30nm)。112　检测仪器及其原理

采用美国Delsa440SXZetaPotentialAnalyzer(BeckmanCoulter)进行纳米颗粒的尺寸和表面性质测量和分析。

Zeta电位是反映粒子胶态行为的一个重要参数。在零Zeta电位点(即IEP)时,粒子表面不带电荷,此时悬浮体的颗粒易发生凝聚或絮凝;当粒子表面电荷密度较高时,粒子有较高的Zeta电位,粒子表面的高电荷密度使粒子间产生较大的静电排斥力,结果悬浮体保持较高的稳定性。113　试验步骤

把纳米TiO2粉末按照需要的配比与一定量的溶剂、分散剂充分混和后,超声波处理25min。然后取适量混合液注射进入Delsa440SXZeta电位/粒度仪中,设定测试条件,在25℃进行测试。

图1　P25在丁醇中的颗粒分散情况

Fig11　P25dispersedinbutyl-alcohol

目的。然而,分散剂添加时间的不同使保护效果不

同,在反应前先将分散剂在溶液中的效果最好。随着分散剂添加量的增加,粒子的粒径变小,由于纳米颗粒粒度很小,比表面积很大,在浓度大时很容易发生“聚集长大”,。此外,,,而且由于黏

。在选用表面活性剂T2,所以我们主,同时还尝试、非离子表面活性剂和商业分散剂作为比较(表2)。

表2　P25在不同溶剂Π纤维素中的颗粒大小

Tab12　ThesizeofTiO2particlesindifferentsolutionsΠcellulose

2　试验结果及讨论

211　超声波的影响

采用超声波分散时,,米颗粒,。因为超声波分散时,颗粒共振加速运动,使得颗粒碰撞能量加剧,可能导致团聚。本文对待测样品进行了超声波处理30min,得到比较均匀的悬浊液,供测试用。

在锐钛矿型纳米TiO2(代号P25)中添加了不

水+纤维素纤维素纤维素纤维素

颗粒大小Πnm1934～2424223～2253001000～1200

溶剂

去离子蒸馏乙二醇+乙醇+丙酮+

同的表面活性剂和分散剂等,对TiO2的分散性质做了分析,为进一步应用提供了基础条件。图1是

分散后的粒子分布测定曲线。不同溶剂对纳米TiO2的分散情况见表1。

表1　TiO2在不同溶剂中的颗粒大小

Tab11　ThesizeofTiO2particlesindifferentsolutionsΠnm

从表2可知,添加了阳离子纤维素的体系并不

能使粉体更好地在溶剂中分散,反而成为了凝絮剂,导致纳米颗粒团聚体增大。从而证明了在涂料中,纤维素对纳米粉体是存在凝絮作用,不适用于纳米复合涂料中。表3显示了不同分散体系对TiO2分散的效果。

从表3可以知道当阴离子表面活性剂的相对分子质量对纳米TiO2粉体分散有一定的影响,当相对分子质量越大,则分散情况会略有变差,如在相同的表面活性剂浓度的条件下,使用异丁基萘磺酸钠比使用六偏磷酸钠的效果略差。同时表面活性剂的浓度对体系也有一定的影响。随着浓度的升高,TiO2粒子表面吸附的分散剂增多,稳定性愈来愈高。当分散剂的浓度增加到一定程度时,吸附达到饱和,稳定性变化不大。当继续增加分散剂的浓度时在TiO2粒子表面有可能发生双层吸附,这时部分非离子表面活性剂的憎水基团将伸向水中,从而使分散体系的稳定性降低。对于阴阳粒子表面活性剂,随着浓度的上升,表面带正电或负电荷密度提

溶剂刚分散时存放2周后1

)

去离子水

602

丙酮乙醇乙二醇丁醇

225～300222～30078～13745～88

1530

>30001267～2168>3000>3000

1)均是含量在90%以上

由表1我们可以看到纳米粒子在有机溶剂中的分散比水溶液好。但是,考虑到颗粒在溶剂中的稳定性,我们添加了一定量的分散剂或表面活性剂来改善其分散性和稳定性。加入适当的表面活性剂,使其吸附在粒子表面,形成微胞,由于活性剂的存在而产生粒子间的排斥力,使得粒子间不能接触,

[6-11]

从而防止团聚体的产生。Papell在制备Fe2O3磁性液体时就采用油酸作表面活性剂,

达到分散的

纳米二氧化钛的分散研究

20中山大学学报(自然科学版)第43卷　

高,粒子之间的相互排斥力增强,因而稳定性逐渐增强。但当分散剂的浓度增大到一定程度之后,TiO2粒子之间的静电排斥力将有所递减。根据扩散

双电层原理,随着浓度的上升,也使溶液中反离子的浓度增大,更多的反离子将被压进滑移面以内,使扩散层厚度减薄,从而使Zeta电位在数值上降低,悬浮液的稳定性也相应降低。

表3　不同表面活性剂与水溶液和丙酮溶剂

体系对纳米TiO2分散的影响

Tab13　Theeffectofdifferentsurfactants:waterΠacetone

forthedecentralizationofTiO2

图2　纳米TiO2(P25)的TEM

Πnm

Fig12　TEMofTiO2insurfactantandpurewater

(a)011%六偏磷酸钠水溶液中;(b)在没有分散剂的水溶液中

溶剂蒸馏水+

蒸馏水+0.1%蒸馏水+蒸馏水+蒸馏水+NC890+0.05%六偏磷酸钠

蒸馏水+蒸馏水+0.5%丙酮+

0.5%苯磺酸钠

丙酮+丙酮+

1.4%731A

刚分散时

35(pH=5.0)31(pH=10)141～208(pH=5.0)

30(pH=10)204～226(pH=5.0)133212(pH=10)1000(pH=8)=10)～2098(pH=8)

476(pH=8)44-80(pH=10)

91(pH=5)42～52(pH=10)167～300(pH=8)

2周后239～296162～351

73984～136>3000>30003000～293>300020091000139100228　

系也有一定的影响pH值、表面活性剂浓度下,TiO2,粒子表面吸附较多。随着TiO2粉,TiO2粉体浓度的提高,TiO2颗粒,颗粒间相互碰撞而发生聚沉的几率增大。参考文献:

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[7]　水玲玲,郑利强,刘少杰,等.双子表面活性剂的研究进

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[8]　陶玉钢

,毛培坤,崔正刚.阳离子表面活性剂在高技术

3　结　论

通过采用不同的溶剂以及相应添加不同的分散剂、表面活性剂,我们可以了解到纳米TiO2的分散条件以及一系列的影响因素。从而制定纳米TiO2的分散体系。从实验结果来看,当溶剂选用丁醇时,纳米TiO2的分散情况较为理想;但是通常纳米TiO2应用在水性体系中,实验结果表明采用六偏磷酸钠作为表面活性剂可以明显提高纳米TiO2在水溶液中的分散性能。同时,TiO2粉体浓度对体

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(下转第24页)

纳米二氧化钛的分散研究

24中山大学学报(自然科学版)

出版社,2000:28-31.

第43卷　

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OneoftheImageSegmentationAlgorithmsforDigitalICT

ImageSlicesofIndustrialProducts

FANYan-bin,LIXi-bing

1

2

(1.MechanicalandElectronicEngineeringDepartment,FGF528000,China;

2.MechanicalEngineeringDepartment,Qiqihar161006,China)Abstract:ItisoneoftheimportantofthedigitalimageprocessingandCADforrealizingacomplexproductredesignmodelICT(industrialcomputedtomography)imageslices.AnewalgorithmforimageedgeinformationfromrealICTimageslicesisintroduced.Incomparisonwithothermethods,arecarriedoutandprovedmoreefficientandaccurate,andeconomical.Keywords:digitalimageprocessing;imagesegmentation;ICT

(上接第20页)

StudyontheDispersionofNano-TiO2Powders

ZENGYu-yan

1,2

,SHENPei-kang,TONGYe-xiang

12

(1.TheStateKeyLaboratoryofOptoelectronicMaterialTechnologies∥

SchoolofPhysicsandEngineering,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China;

2.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China)

Abstract:Thedispersionofnanotitaniumdioxidepowderinvariousliquidmediaisstudied.Thecompositionusedfordispersingthenanotitaniumdioxidepowderischaracterizedbythecombinationofdifferentsolvents,surfactantsandcommerciallyavailabledispersants.

Keywords:nano-sizedpowder;TiO2;dispersant;

surfactant

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/i334.html