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(xué)紡織服裝學(xué)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(shí)驗(yàn)對比, 在現(xiàn)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(shù), 為下一步加工納米抗菌紡織品優(yōu)化試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:超聲波; 納米顆粒; 分散中圖分類號:T S195 文獻(xiàn)標(biāo)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?yàn)榧徔椥虏牧?、新設(shè)近年來, 納米技術(shù)發(fā)展迅速, 席卷了整個

2、科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域, 在紡織、化工、生物、醫(yī)藥、國防等行業(yè)均成為研究熱點(diǎn)。其中納米顆粒的團(tuán)聚分散問題因嚴(yán)重阻礙了納米材料的廣泛應(yīng)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(yīng)用超聲波技術(shù)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(jī)械攪拌分散兩種, 其中超聲分散是降低納米粒子團(tuán)聚的有效方法。利用超聲空化時產(chǎn)生的局部高溫、高壓或強(qiáng)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(tuán)聚而使之充分分散。機(jī)械攪拌分散是簡單的物理分散, 對于產(chǎn)生機(jī)械化學(xué)效應(yīng)的特殊分散體系可以達(dá)到有效的分散效果。但實(shí)際上機(jī)械攪

3、拌分散只能作為輔助的分散手段。112 化學(xué)分散化學(xué)分散有化學(xué)改性分散和分散劑分散兩種, 化學(xué)改性分散就是通過化學(xué)反應(yīng)賦予納米粒子表面一定的有機(jī)化合物膜, 以提高納米粒子在有機(jī)介質(zhì)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(dá)到分散的效果。從環(huán)保角度考慮, 納米材料物理分散法應(yīng)是較理想的方法, 而且超聲波分散法具有操作簡單、分散質(zhì)量好、速度快、無污染的特點(diǎn), 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(guān)鍵化學(xué)效應(yīng)是空化效應(yīng), 當(dāng)液體受到超聲作用時, 液體介質(zhì)中產(chǎn)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(xiàn)象產(chǎn)生的瞬間, 形成了強(qiáng)烈的振動波, 液體中空氣泡的快速形成和突然崩潰產(chǎn)生了短暫的高能微環(huán)境, 據(jù)計(jì)算在毫微秒的時間間隔內(nèi)可達(dá)5000K 以上的高溫和約107P a 的高壓, 產(chǎn)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(shí)現(xiàn)。同時通過聲的吸收, 介質(zhì)和容器的共振性質(zhì)引起的二級效應(yīng), 如乳化作用、宏觀的加熱效應(yīng)等也促進(jìn)分散進(jìn)行。超聲波分散就是利用超聲空化時產(chǎn)生的局部高溫、高壓、強(qiáng)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(tuán)聚而使之充分分散。使用過熱超聲攪拌時, 隨著熱能和機(jī)械能的增加, 顆粒碰撞的幾率也增加, 反而導(dǎo)致進(jìn)一步的團(tuán)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(shí)驗(yàn)部分211 實(shí)驗(yàn)材料與儀器稀土激活無機(jī)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(shí)驗(yàn)儀器:DPCSB -03型多頻率超聲波發(fā)生器(可調(diào)節(jié)20、28、40、51、59kH z , 青島大學(xué)制作; 721型分光光度計(jì), 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(yàn)方法及步驟用721型分光光度計(jì)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(jīng)測定, 其最大吸收波長為360nm 。試驗(yàn)步驟為:首先, 預(yù)熱分光光度計(jì)。然后在所需頻率(20、28、40、51kHz 的超聲波清洗槽內(nèi)加入1000m l 自來水, 選擇需要的頻率加熱檔, 調(diào)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(diào)節(jié)旋鈕打到需要的頻率檔, 此時開始計(jì)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(jì)測其吸光度, 并記錄檢測結(jié)果。3 試驗(yàn)結(jié)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?yàn)殡S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(nèi)的顆粒數(shù)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(jìn)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(rèn)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(dá)到平衡, 溶液吸光度略低于20kHz, 在51kH z 時, 由于其功率太小(設(shè)備本身決定的 , 功率密度太低, 不能產(chǎn)生空化效應(yīng), 以及頻率太高, 作用力減弱, 不能將團(tuán)聚顆粒分散開, 所以不能產(chǎn)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(dá)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(yùn)動加劇, 碰撞機(jī)會增加, 一部分分散開的納米顆粒又重新團(tuán)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(xiàn)出不穩(wěn)定性, 即高溫下分散相不能達(dá)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(jìn)展液體分散相不能達(dá)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(chǎn)生空化效應(yīng), 以及頻率太高, 作用力微弱, 因此不能產(chǎn)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?yàn)殡S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(yùn)動加劇, 起始點(diǎn)濃度相應(yīng)較高。在此需要說明的一點(diǎn)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(dá)到的最大分散程度。事實(shí)上, 納米團(tuán)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(tuán)聚體在液體介質(zhì)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(tuán)聚體顆粒間粘結(jié)的原因, 除顆粒間靜電作用和液橋作用外, 最根本和最強(qiáng)的作用在于分子間的范德華力。在超聲波作用下, 首先解構(gòu)的是具有較多缺陷和弱相互作用力的團(tuán)聚體, 經(jīng)過一段時間的超聲分散后, 有實(shí)驗(yàn)表明大量的粒子尺寸已經(jīng)減小到了這樣的程度:在1000個粒子中僅有極少數(shù)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(yán)重缺陷的大大小小的團(tuán)聚體已經(jīng)消耗殆盡, 從而使超聲波的瞬間沖擊必須達(dá)到分子間作用力(由大量分子集合體構(gòu)成的體系, 顆粒間作用的有效間距可達(dá)幾十納米 的閥值, 才能產(chǎn)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(yīng), 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(tuán)聚體的粒徑分布在很長的時間內(nèi)并不產(chǎn)生明顯的變化, 此時就達(dá)到了超聲分散的極限。由于受實(shí)驗(yàn)條件等因素的限制, 本實(shí)驗(yàn)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(jié)合其他實(shí)驗(yàn)手段作進(jìn)

14、一步的研究。4 結(jié)論(1 在一定時間范圍內(nèi), 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(jīng)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(dāng)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(shù)組合來分散納米材料可達(dá)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(yùn)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(chǎn)生空化效應(yīng)

15、, 達(dá)不到分散的目的。溫度太高, 液體中顆粒運(yùn)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(dá)到分散平衡所需要的時間要比低頻超聲的長。參考文獻(xiàn):1 蘆 艾. 超細(xì)粒子/RPUF 的制備及結(jié)構(gòu)性能研究D. 四川:四川大學(xué), 2002, 25-37.2 賈新莉. 顆粒粒徑表征中細(xì)顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象的研究D. 北京:中國科學(xué)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(xué)院學(xué)報(bào), 2004, 24(1 :17-19.4 李國棟. 納米粉體表面結(jié)構(gòu)與分散機(jī)理研究J. 襄樊學(xué)院學(xué)報(bào),2002, 23(5 :50-54.

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