不同超聲頻率與溫度對納米ZnO顆粒分散性能的影響

1、不同超聲頻率與溫度對納米ZnO 顆粒分散性能的影響王廣闊, 楊英賢(青島大學紡織服裝學院, 山東青島266071摘 要:探討了不同超聲頻率和溫度對納米ZnO 顆粒分散性能的影響, 通過實驗對比, 在現有條件下找出了一組對納米材料分散效果相對較好的頻率、溫度和時間參數, 為下一步加工納米抗菌紡織品優(yōu)化試驗奠定了基礎。關鍵詞:超聲波; 納米顆粒; 分散中圖分類號:T S195 文獻標識碼:A文章編號:1673-0356(2005 02-0024-03收稿日期:2005-03-02作者簡介:王廣闊(1975- , 男, 碩士研究生, 研究方向為紡織新材料、新設近年來, 納米技術發(fā)展迅速, 席卷了整個

2、科學技術領域, 在紡織、化工、生物、醫(yī)藥、國防等行業(yè)均成為研究熱點。其中納米顆粒的團聚分散問題因嚴重阻礙了納米材料的廣泛應用, 成為了一個非常棘手而又必須解決的問題?；诖? 本文主要探討應用超聲波技術解決納米材料分散問題的可行性。1 納米材料的分散方法111 物理分散物理分散主要有超聲分散和機械攪拌分散兩種, 其中超聲分散是降低納米粒子團聚的有效方法。利用超聲空化時產生的局部高溫、高壓或強沖擊波和微射流等作用, 可大幅度地弱化納米粒子間的納米作用能, 有效地防止納米粒子團聚而使之充分分散。機械攪拌分散是簡單的物理分散, 對于產生機械化學效應的特殊分散體系可以達到有效的分散效果。但實際上機械攪

3、拌分散只能作為輔助的分散手段。112 化學分散化學分散有化學改性分散和分散劑分散兩種, 化學改性分散就是通過化學反應賦予納米粒子表面一定的有機化合物膜, 以提高納米粒子在有機介質中的分散性。分散劑分散主要是通過分散劑改變納米粒子的表面電荷分布來達到分散的效果。從環(huán)保角度考慮, 納米材料物理分散法應是較理想的方法, 而且超聲波分散法具有操作簡單、分散質量好、速度快、無污染的特點, 是一種簡便有效的分散方法。所以, 我們主要考慮采用超聲波分散法。113 分散原理用超聲波分散納米材料的關鍵化學效應是空化效應, 當液體受到超聲作用時, 液體介質中產生大量的微氣泡, 在微泡的形成和破裂過程中, 伴隨能量

4、的釋放?？栈F象產生的瞬間, 形成了強烈的振動波, 液體中空氣泡的快速形成和突然崩潰產生了短暫的高能微環(huán)境, 據計算在毫微秒的時間間隔內可達5000K 以上的高溫和約107P a 的高壓, 產生高速射流, 使得在普通條件下難以發(fā)生的變化有可能實現。同時通過聲的吸收, 介質和容器的共振性質引起的二級效應, 如乳化作用、宏觀的加熱效應等也促進分散進行。超聲波分散就是利用超聲空化時產生的局部高溫、高壓、強沖擊波和微射流等, 較大幅度地弱化納米微粒間的納米作用能, 有效地防止納米微粒團聚而使之充分分散。使用過熱超聲攪拌時, 隨著熱能和機械能的增加, 顆粒碰撞的幾率也增加, 反而導致進一步的團聚。因此,

5、 用超聲波分散納米材料存在著最適工藝條件。2 實驗部分211 實驗材料與儀器稀土激活無機抗菌劑, 主要成分為納米ZnO 顆粒, 由山東淄博博納科技發(fā)展有限公司提供。實驗儀器:DPCSB -03型多頻率超聲波發(fā)生器(可調節(jié)20、28、40、51、59kH z , 青島大學制作; 721型分光光度計, 上海第三分析儀器廠; 比色皿(10mm 10mm 、T G 328A 型分析天平, 上海第二天平儀器廠; 50ml 量筒, 1000ml 燒杯, 3ml 吸管。212 試驗方法及步驟用721型分光光度計測不同影響因素下的納米材料溶液的吸光度, 以吸光度的大小來表征納米材料分散效果。吸光度越大, 表明

6、納米材料分散效果越好。納米ZnO 顆粒(帶有少量稀土及其他金屬元素 經測定, 其最大吸收波長為360nm 。試驗步驟為:首先, 預熱分光光度計。然后在所需頻率(20、28、40、51kHz 的超聲波清洗槽內加入1000m l 自來水, 選擇需要的頻率加熱檔, 調節(jié)溫控器旋鈕, 選擇需要加熱的溫度(30、40、50、60、70e 。等到溫控器紅燈亮了以后, 將稱量好的5g 納米材料顆粒加入到清洗槽中, 并旋動頻率調節(jié)旋鈕打到需要的頻率檔, 此時開始計時。每隔5min 取出3ml 納米材料溶液并在50ml 量筒中配制成30m l 稀溶液(滿足朗伯比爾定律的要求 , 搖勻。然后將搖勻的溶液注滿比色皿

7、, 放入分光光度計測其吸光度, 并記錄檢測結果。3 試驗結果與分析311 不同超聲頻率對納米材料分散性能的影響納米材料溶液吸光度越大, 其濃度越大, 表明納米材料的分散效果越好。因為隨著時間的增加, 納米材料顆粒在超聲作用下逐漸離解分散, 顆粒變小, 單位體積內的顆粒數增加, 溶液濃度增大, 吸光度增大。因此, 吸光度的變化可反映納米材料分散#24#紡織科技進展 2005年第2期從圖1可以看出, 在30e 時, 20kHz 分散效果最好。15min 以后, 溶液的吸光度隨時間變化已不明顯, 即認為納米材料溶液在15min 左右基本分散完全。對于28kH z, 雖然也是在15m in 左右基本分

8、散完全, 但是溶液的吸光度比20kHz 小, 表明分散效果差一些。在40kH z 時, 于25min 左右分散達到平衡, 溶液吸光度略低于20kHz, 在51kH z 時, 由于其功率太小(設備本身決定的 , 功率密度太低, 不能產生空化效應, 以及頻率太高, 作用力減弱, 不能將團聚顆粒分散開, 所以不能產生良 好的分散效果。圖1 納米材料在30e 時不同頻率下的分散情況圖2 納米材料在40e 時不同頻率下的分散情況從圖2可看出, 在40e 28kHz 和40kH z 分散效果最好, 但是40kHz 用時要長一些, 要30min 左右才基本分散完全。20kH z 在15min 左右基本分散完

9、全, 但是吸光度要比28kH z 時小, 即分散效果要差一些。51kH z 的情況同圖1 。圖3 納米材料在50e 時不同頻率下的分散情況圖3曲線表明, 在50e 時, 28kHz 在10min 左右基本分散完全, 分散效果最好。其次為20kH z 和40kH z 。只是在20kH z 時, 溶液分別要在15min 和25min 左右達到分散平衡。51kH z 時的分散情況同上。圖4 納米材料在60e 時不同頻率下的分散情況由圖4、圖5兩圖中的曲線可以看出, 在60和70e 時, 溶液整體圖5 納米材料在70e 時不同頻率下的分散情況吸光度較低, 只是60e 時的情況較70e 的稍好些。這主要

10、是由于溫度升高, 納米材料顆粒運動加劇, 碰撞機會增加, 一部分分散開的納米顆粒又重新團聚在一起, 所以吸光度比以上頻率有明顯下降。另外, 吸光度表現出不穩(wěn)定性, 即高溫下分散相不能達到穩(wěn)定均勻。312 不同溫度對納米材料分散性能的影響對于同一頻率下, 不同溫度對納米材料分散性能的影響見圖6、圖7和圖8 。圖6 納米材料在20kH z 時不同頻率下的分散情況圖7 納米材料在28kH z 時不同頻率下的分散情況圖8 納米材料在40kH z 時不同頻率下的分散情況圖9 納米材料在51kH z 時不同頻率下的分散情況縱觀68圖中的曲線可看出, 50e 時的分散情況相比其他幾個溫度時的分散情況好, 且

11、在28kH z 時最為明顯。40e e , 下,#25# 2005年第2期 紡織科技進展液體分散相不能達到穩(wěn)定均勻, 即分散效果不穩(wěn)定, 也不夠理想。由圖9可知, 在51kH z 時, 由于其功率密度太小不能產生空化效應, 以及頻率太高, 作用力微弱, 因此不能產生良好的分散。所以, 在所有溫度下都不能獲得良好的分散效果。此外, 圖1至圖9曲線還表明隨著超聲頻率的升高, 溶液的起始濃度降低; 隨著溫度的升高, 溶液起始濃度也升高。這主要是因為隨著超聲頻率的升高, 其超聲作用力減弱; 隨著溫度的升高, 溶液中納米顆粒運動加劇, 起始點濃度相應較高。在此需要說明的一點是, 本文所說的分散完全和分散

12、效果好, 并不是指所有納米材料真的完全分散了, 而是指在特定頻率、功率和溫度等條件下所能達到的最大分散程度。事實上, 納米團聚體在超聲分散時具有/兩成分性0, 這種特性反映了超聲波對納米團聚體在液體介質中的作用規(guī)律, 并由此決定了超聲分散的極限。我們知道, 粉末團聚體顆粒間粘結的原因, 除顆粒間靜電作用和液橋作用外, 最根本和最強的作用在于分子間的范德華力。在超聲波作用下, 首先解構的是具有較多缺陷和弱相互作用力的團聚體, 經過一段時間的超聲分散后, 有實驗表明大量的粒子尺寸已經減小到了這樣的程度:在1000個粒子中僅有極少數粒子的直徑超過200nm, 超過500nm 的粒子則更少, 盡管就體

13、積含量而言200nm 以上的粒子仍然要占到約40%。有嚴重缺陷的大大小小的團聚體已經消耗殆盡, 從而使超聲波的瞬間沖擊必須達到分子間作用力(由大量分子集合體構成的體系, 顆粒間作用的有效間距可達幾十納米 的閥值, 才能產生破碎作用。也就是說超聲波的能量在破碎作用方面失去了積累效應, 大量的能量消耗在難以分散的粒子上變成聲熱, 使超聲空穴的有效作用幾率大大降低, 團聚體的粒徑分布在很長的時間內并不產生明顯的變化, 此時就達到了超聲分散的極限。由于受實驗條件等因素的限制, 本實驗只是定性地研究了超聲頻率和溫度對納米材料分散性能的影響, 以表明分散效果的好壞。要想定量了解, 還需結合其他實驗手段作進

14、一步的研究。4 結論(1 在一定時間范圍內, 隨著超聲波作用時間的增加, 納米材料溶液的吸光度也隨著增加, 即溶液的濃度增加, 從而表明納米材料經超聲波作用后顆粒減小, 分散更均勻。(2 在所選用的幾個頻率當中, 28kHz 相比來說有較好的分散效果。在所選的5個溫度級中, 50e 時的分散效果最好。這就是說, 選用28kHz 和50e 兩個參數組合來分散納米材料可達到較好的分散效果。(3 超聲頻率越高, 溶液的起始濃度越低; 溶液溫度越高, 溶液起始濃度越高。這表明高頻超聲波作用力弱于低頻超聲波; 溫度升高, 納米顆粒運動加劇, 起始作用比較劇烈。(4 聲能密度低于一定值不能有效產生空化效應

15、, 達不到分散的目的。溫度太高, 液體中顆粒運動加劇, 顆粒碰撞幾率增加, 不利于納米材料的分散。此外, 高頻超聲溶液達到分散平衡所需要的時間要比低頻超聲的長。參考文獻:1 蘆 艾. 超細粒子/RPUF 的制備及結構性能研究D. 四川:四川大學, 2002, 25-37.2 賈新莉. 顆粒粒徑表征中細顆粒團聚現象的研究D. 北京:中國科學院化工冶金研究所, 2001, 20-35.3 閆方田, 等. 氧化鋅粉體在水中的分散及穩(wěn)定性研究J. 北京服裝學院學報, 2004, 24(1 :17-19.4 李國棟. 納米粉體表面結構與分散機理研究J. 襄樊學院學報,2002, 23(5 :50-54.

16、5 M ehm et Akalin , Nigar M erdan. Effects of ultrasonic en ergy on thew ash fastness of reactive dyes J . Ultrasonics, 2004, 42(1-9 :161-164.Infection of different ultra audible frequency and temperature todispersive property of ZnO nanometre granuleWANG Guang -kuo, YAN G Ying -x ian(T ex tile and Garments College o f Q ingdao U niver sity, Q ingdao 266071, ChinaAbstract:In order to get fitted param eters of frequency, tem perature and tim e, effects on th e dis pesion property of nanomterials given by