分散剂用量对几种纳米氧化锆粉体尺寸表征的影响
摘要：本文研究了三种不同来源的纳米氧化锆粉体在尺寸表征中的影响因素.其中，加入的分散剂用量不同，测得的粉体颗粒尺寸有很大差别，不足或过量的分散剂影响粉体的颗粒尺寸分布.这种影响是通过改变粉体表面的电荷分布来实现的.超声时间长短是影响粉体尺寸表征的另一个重要因素.
关键词：纳米氧化锆粉体，颗粒尺寸，Zeta电势
1 引言
超细粉体的胶态成型方法已成为制备高性能陶瓷的有效途径之一 .粉体的颗粒尺寸是影响湿法成型过程的重要因素 .由细颗粒粉体制备的素坯具有较高的烧结活性，但不容易提高浆料的固体含量，粘度大，流变性差.而粗颗粒粉体较容易获得高的固体含量，但显微结构不易控制，由粗颗粒粉体组成的浆料容易产生剪切增厚，不利于脱气和注模 .因此，较好的控制颗粒尺寸是湿法成型的关键步骤 .目前，陶瓷粉料颗粒尺寸常用的表征方法有TEM、BET、以及通过沉降法、光散射法、电感应法获得粉体颗粒尺寸的分布情况.TEM法用于观察粉体的形貌，通过TEM得到的粒径尺寸往往是粉体的一次粒径，由于TEM观察样品区域的局限性，因此不能反映出整批粉料的颗粒分布情况.沉降法测定颗粒尺寸是以Stoke's方程为基础.适用于较粗颗粒尺寸分布的测定，利用重力沉降-X射线吸收法可以测定0.1～150μm范围的颗粒.但由于纳米陶瓷粉体中不同程度的存在着各种软团聚和硬团聚，因此颗粒的二次粒径对浆料性质的影响也是很显著的.Zetaplus测定粉体的粒径分布是利用动态光散射原理，当一束入射光照射到高速运动的粒子上，由于多普勒效应将引起散射光的频率发生变化，通过检测散射光的频率可以较精确的获知粒子的大小.本文测定了三种不同来源的纳米氧化锆粉体在分散剂作用下的粒度分布情况.
2 实验
2.1 样品制备
三种氧化锆粉体均为3Y-TZP，一种为日本TOSOHTZ-3Y简称为TZP1，一种为深圳南玻公司生产的3Y-TZP简称为TZP2，还有一种为通过均相沉淀法制备的3Y-TZP，在700 C下煅烧2h,简称TZP3.三种粉体在TEM下观察的一次粒径分别为50、25、25nm.用于粉体颗粒尺寸测定及Zeta电位测定的溶液浓度均为0.5vol%.分散剂为天津化工研究院生产的聚丙烯酸铵(NH4PAA)，粘度法测定其分子量为5000.
3 结果和讨论
3.1 超声时间对粉体颗粒尺寸分布的影响
机械分散方法如超声和搅拌是降低粉体团聚的有效方法.在分散过程中，应避免使用过热的或机械的搅拌，因为随着热能和机械能的增加，颗粒碰撞的几率也增加，有可能导致进一步的团聚.因此，应该选择用最低限度的热搅拌或机械搅拌来分散颗粒.将超声探头放入溶液中，每超声30s，停30s，整个过程为一个周期.粉体TZP3经过不同超声时间测得的颗粒尺寸分布如图1所示.粉体的平均颗粒尺寸的结果表明，适当的超声时间可以有效地改善粉体的团聚情况，降低颗粒的平均粒径尺寸.经过四个超声周期的处理，粉体平均粒径较未超声前的尺寸下降了一倍多900nm--420nm.可见，选择合适的超声时间是降低粉体团聚的有效而简单的方法.
3.2 分散剂用量对粉体颗粒尺寸分布的影响
三种粉体TZP1、TZP2、TZP3在1.0mMKCl溶液中的等电点分别为7.6、8.3、7.0，分别加入不同量的聚丙烯酸铵后,三种粉体颗粒尺寸分布情况.其中分散剂的浓度为相对于粉体的重量百分比，对应的颗粒尺寸为平崐均粒径.对TZP1粉体来说，未加入分散剂前粉体颗粒尺寸分布宽，平均粒径为376.7nm.随着分散剂加入量的提高，颗粒尺寸分布变窄，平均粒径下降.当分散剂用量相当于粉体用量的1.186%时，TZP1粉体的平均粒径最小,为168.9nm,较未加入分散剂下降了一倍多.继续提高分散剂用量至2.372%时，粉体颗粒尺寸分布基本不变，平均粒径不再下降.相反，平均颗粒尺寸略有增加，说明颗粒之间形成絮凝结构.对浆料粘度的测定结果也有相似的规律，即超过分散剂在最佳用量时，浆料粘度有所增加 .这说明同粘度测试一样，粒度分析也是表征悬浮体分散状态的有效方法.对TZP2粉体来说，有同样的变化规律.而且，分散剂的加入量间隔更加小,当分散剂用量仅有粉体重量的0.000237%时，仍然能明显降低粉体的平均粒径.说明少量的分散剂就可以在Y-TZP粉体表面产生较大的静电位阻作用，明显降低粉体中的团聚体.对TZP2粉体来说，最小颗粒尺寸对应的分散剂用量仍为1.186%.TZP3粉体有类似的变化规律，粉体最小的平均颗粒尺寸对应的分散剂用量仅为0.237%，较TZP1、TZP2小,但加入分散剂后平均粒径下降不明显.从797.0nm下降到570nm,说明TZP3粉体中存在较多的硬团聚.
陶瓷粉料大多为瘠性料,具有憎液性，加入分散剂的主要目的是润湿颗粒表面,使其具有亲水性.实验结果证实了加入的表面活性剂浓度有一个最佳值.这时分散稳定程度最大，润湿最佳.当超过这一浓度时，会出现过饱和吸附情况，固体表面的亲水性反而下降，不利于润湿和分散.显然当表面活性剂浓度不足时，也不能良好地润湿颗粒表面，不利于分散.因此在粉体颗粒尺寸测定过程中，至少应选择几个不同分散剂浓度，使粉体达到最佳的分散状态.
TZP3粉体加入不同分散剂时粉体表面的Zeta电势的分布情况.未加分散剂时粉体表面带少量的正电荷，此时对应的溶液pH值为5.58,小于粉体的等电点pH=7，因此粉体表面带正电.随分散剂的加入，粉体表面吸附了羧酸根离子，表面电荷为负，当分散剂用量为0.2372%时，粉体的Zeta电势有最大值－53.11mV，此时粉体达到最佳的分散效果，因此有最小的平均粒径分布.分散剂用量超过0.2372%，粉体表面电势基本保持不变，颗粒尺寸分布也大体相同.文献认为，在弱碱性条件下，聚丙烯酸铵呈伸展构型，达到饱和吸附后，将阻止更多的聚丙烯酸铵吸附在粉体表面，因此，整个悬浮体中粉体表面的Zeta电位并不随分散剂量的增加而增加.加入不同分散剂对溶液pH的影响.分散剂的加入使溶液的pH升高，加入量超过0.237%时，溶液pH基本恒定在8.1左右.分散剂的加入改变了粉体表面的性质，使其静电排斥力增加，降低了团聚程度.改善了粉体的颗粒尺寸分布 。
4 结论
1．选择合适的超声时间可以打碎粉体团聚，降低粉体的平均颗粒尺寸。
2．纳米粉体的颗粒尺寸分布情况与加入的分散剂用量有关，对TZP1和TZP2两种粉体，分散剂的最佳用量为1.186wt%。对TZP3来说，分散剂的最佳用量为0.237wt%。
3．加入分散剂改变了粉体的表面电荷，使其Zeta电势升高，颗粒之间的排斥作用增强。因此，分体的平均颗粒尺寸下降。同粘度测定一样，粒度分析也是表征悬浮体分散状态的有效方法。
更多相关阅读
九朋新材料纳米超细系列畅销全球超细氧化物及分散液：氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化锆、氧化硅、稀土氧化物、抗静电剂等
纳米防腐涂料：耐强酸强碱、耐高温、耐油、耐候、盐水，适合化工设备、海洋设备、电镀、烟囱，具有使用寿命长、使用成本低，用于旧防腐设备延寿，新防腐设备定制，上门涂装服务。 联系：搜jiupengap九朋新材料
