超聲波對納米二氧化鈦粉體分散性的影響

1、第17卷第2期 皮 革 科 學(xué) 與 工 程 2007年4月LEATHERSCIENCEANDENGINEERINGVol117,No12Apr12007文章編號:1004-7964(2007)02-0031-03超聲波對納米二氧化鈦粉體分散性的影響王全杰1,朱 飛2*,王改芝2,高 晶1,鹿曉斌1(1.國家制革技術(shù)研究推廣中心,山東煙臺264003;2.陜西科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,陜西西安710021)摘 要:通過對粉體懸浮液的離心穩(wěn)定性、溫度和質(zhì)量變化、吸光度的變化進(jìn)行實驗,本文研究了超聲波對納米二氧化鈦分散性能的影響,并在一定的實驗范圍內(nèi),得出納米二氧化鈦粉體懸浮液的最佳超聲分散條件。關(guān)鍵

2、詞:超聲波;納米TiO2;分散中圖分類號:TQ134 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AEffectofUltrasoundonDispersingCapabilityofNano-TiO2WANGQuan-jie,ZHUFei,WANGGai-zhi,GAOJing,LUXiao-bin(1.StateResearchandPromotionCenterofLeather-makingTechnology,Yantai264003,China;2.CollegeofResourceandEnvironment,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xican710021

3、,China)2*2Abstract:Throughtheexperimentsofpowdersuspendingliquidcentrifugalstability、temperature、qualityandabsorbency,thispaperresearchedtheeffectofultrasoundondispersingcapabilityofNano-TiO2,andgottheoptimumultrasounddispersingconditionofNano-tio2suspendingliquidindefiniteextension.Keywords:ultraso

4、und;Nano-TiO2;dispersion程,可以顯著改善這些問題,提高皮革的附加值2。而其中納米顆粒的團聚分散問題因嚴(yán)重阻礙了納米TiO2的廣泛應(yīng)用,成為了一個非常棘手而又必須解決的問題3,分散技術(shù)是影響納米材料性能的關(guān)鍵。納米TiO2在水溶液中的分散狀況直接影響其在納米電鍍、光催化涂料等工業(yè)上的實際應(yīng)用,因此,在使用前必須解決其團聚問題。54前言近年來,納米技術(shù)發(fā)展迅速,席卷了整個科學(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。納米TiO2具有良好的耐候性、耐腐蝕性、較高的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、無毒等性能,已廣泛應(yīng)用于涂料、塑料、橡膠和油墨等行業(yè)。而其獨特的顏色效應(yīng)

5、、光催化作用及紫外線屏蔽等功能,使其在汽車工業(yè)、防曬化妝品、廢水處理、殺菌、環(huán)保等方面倍受青睞。現(xiàn)今一些白色、淺色皮革涂層在日光和紫外光的照射下極易發(fā)生顏色變化,為了適應(yīng)高檔革的發(fā)展需求,將納米TiO2用于皮革涂飾工1。超聲波的波長遠(yuǎn)大于分子尺寸,本身不能對分子產(chǎn)生作用,而是通過對分子周圍環(huán)境的物理作用影響分子,即利用超聲空化作用所產(chǎn)生的沖擊波所具有的粉碎作用,達(dá)到分散微粒的目的。超聲波在介質(zhì)中的傳播過程存在一個隨正負(fù)壓,收稿日期:2006-11-03基金項目:國家科技攻關(guān)計劃項目(2004BA320B)資助。第一作者簡介:王全杰(1950-),男,教授。*com32皮革科學(xué)與工程 第17卷擠

6、壓,改變了介質(zhì)原來的密度,使其增大;而在負(fù)壓相位時,使介質(zhì)分子間的平均距離超過使液體介質(zhì)保持不變的臨界分子距離,這時液體介質(zhì)就會發(fā)生斷裂,形成微泡,微泡逐漸長大成為空化氣泡。當(dāng)聲壓力足夠大時,氣泡會猛烈崩潰。氣泡崩潰時產(chǎn)生高速的微射流、沖擊波,同時在極短的時間內(nèi),在空化泡周圍的極小空間內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)4724e以上的高溫和100MPa的高壓,這些構(gòu)成了物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)和物理變化的特殊環(huán)境。當(dāng)這種作用發(fā)生在固體表面時,沖擊波和微射流會清洗或侵蝕固體表面、破碎固體。同時,由于顆粒周圍液體所起的強烈混合作用,加速了熱和物質(zhì)傳遞過程,甚至促進(jìn)了物質(zhì)在固體空隙中的擴散6,7質(zhì)量的影響配制質(zhì)量濃度為0.3%的六偏磷

7、酸鈉水溶液80g,加入4gTiO2,攪拌均勻。將配好的懸濁液稱量總重并記錄其值,按實驗方案超聲解聚,解聚后測量懸浮液溫度和重量。1.2.3 超聲分散對粉體懸浮液吸光度的影響配制質(zhì)量濃度為0.3%的六偏磷酸鈉水溶液20g,加入1gTiO2,攪拌混合均勻,按實驗方案,在不同的功率下超聲10min,然后移取3.5mL懸浮液于離心試管中,9000r/min下離心25min,從上層移取1mL清液用10mL去離子水稀釋,在360nm波長下測吸光度(A)。粉體和分散劑濃度不變,在上述實驗中得出最佳超聲功率下超聲不同的時間,按上述實驗方法,測定吸光度(A)。因此可用超聲波來分散納米材料,就是利用超聲空化時產(chǎn)生

8、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。但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(dǎo)致進(jìn)一步的團聚。因此,用超聲波分散納米材料存在最適的工藝條件?；诖?本文主要研究超聲波對納米二氧化鈦粉體分散性的影響,并確定了最佳超聲分散條件。2 結(jié)果及討論2.1 超聲分散對粉體溶液離心穩(wěn)定性的影響分散體系的穩(wěn)定性可由貯存期決定,而貯存期可近似等于重力沉降時間。有公式可以表示出離心沉降時間與重力沉降時間之間的關(guān)系,即由離心沉降時間可計算出貯存期。由于上層清液和沉降粉體間區(qū)域為漸進(jìn)變化,清液高度界定比較困難

9、,在本實驗過程中,以離心后離心管中粉體沉降質(zhì)量為指標(biāo)。一定時間內(nèi)的沉降質(zhì)量越小,說明離心沉降時間越大,即貯存期越長,穩(wěn)定性越好。沉降質(zhì)量與粉體溶液穩(wěn)定性成反比關(guān)系,沉降質(zhì)量越大,穩(wěn)定性越差,反之越好。由圖1可以看出,在360W超聲功率下,隨著超聲時間延長,沉降質(zhì)量逐漸減少;在450W超聲功率下,隨著超聲解聚時間延長,沉降質(zhì)量先減少再增加,在40min處沉降質(zhì)量最少,達(dá)到0.180g;在540W下,在前20min內(nèi)沉淀量減少明顯,隨著超聲解聚時間延長,沉降質(zhì)量減少但減少幅度趨于平緩。在630W超聲功率下,在前30min內(nèi)沉淀量減少明顯,隨著超聲解聚時間延長,沉降質(zhì)量減少但減少幅度趨于平緩。在72

10、0W超聲功率下,隨著超聲解聚時間延長,沉降質(zhì)量先減少再增加,在40min處沉降質(zhì)量最少,達(dá)到0.233g。從沉降質(zhì)量的平緩區(qū)可以看出,在450W、540W、630W的功率下,超聲2040min可達(dá)到最佳的穩(wěn)定性。2.2 超聲分散對粉體懸浮液溫度和懸浮液損失質(zhì)81 實驗部分1.1 藥品和儀器納米二氧化鈦粉體(50nm,金紅石晶相),浙江弘晟材料科技股份有限公司;六偏磷酸鈉(CR),常陵化學(xué)試劑廠;超聲波細(xì)胞粉碎機KS)C型,寧波海曙科生超聲波設(shè)備有限公司;高速臺式離心機,上海安亭科學(xué)儀器廠;725S型可見光分光光度計,上海棱光技術(shù)有限公司;紫外可見分光光度計,上海棱光技術(shù)有限公司。1.2 實驗內(nèi)

11、容1.2.1 超聲分散對粉體懸浮液離心穩(wěn)定性的影響量取45g水放入100mL小燒杯,加入0.45g六偏磷酸鈉(分散劑),溶解后再加4.5g納米二氧化鈦粉體。然后放入超聲波細(xì)胞粉碎機中,在360W、450W、540W、630W、720W功率分別進(jìn)行超聲分散,每隔10min取4mL懸浮液置于離心管中,共取五組。將離心管置于離心機中,在9000r/min下,離心25min,然后稱量白色沉淀。1.第2期 王全杰,等:超聲波對納米二氧化鈦粉體分散性的影響33度不斷升高。由于能量的交換所產(chǎn)生的局部高溫和摩擦放出的熱量,使懸浮液中的水不斷地變成水汽揮發(fā)出去,所以造成了懸浮液質(zhì)量的損失,特別是當(dāng)超聲功率較大和

12、超聲時間比較長的時候,這種變化更加明顯。2.3 超聲分散對懸浮液吸光度的影響球型納米材料懸浮液吸光度(折射能力)越大,其密度越高3。因此吸光度的變化在一定范圍內(nèi)可圖1不同功率下超聲分散時間對沉降質(zhì)量的影響反映納米材料分散效果。2.3.1 超聲分散功率對懸浮液吸光度的影響power圖4圖2不同超聲功率下超聲時間對懸浮液損失質(zhì)量的影響power超聲功率對懸浮液吸光度的影響圖5圖3不同超聲功率下超聲時間對懸浮液溫度的影響超聲時間對懸浮液吸光度的影響從圖2和圖3可以看出,在相同的超聲功率下,隨著超聲時間的增加,懸浮液的溫度和損失的質(zhì)量都在增加;在相同的時間內(nèi),增大超聲波的功率,懸浮液的溫度和損失的質(zhì)量

13、增加。懸浮液在經(jīng)過超聲解聚的時候,高密度收縮的超聲波與水混合,形成數(shù)量極大的氣泡。這些氣泡在短時間形成與消失,使得懸浮液中局部產(chǎn)生巨大的高壓和高溫,以及粉體,由圖4可以看出,當(dāng)粉體濃度和分散劑濃度一定時,在相同的超聲時間內(nèi),懸浮液的吸光度隨著超聲功率的增加,呈現(xiàn)出增加現(xiàn)象,在超聲功率為540W時,吸光度達(dá)到最大值。當(dāng)超聲功率比較低時,超聲波的空化作用可以打開粉體顆粒的軟團聚,但由于空化作用產(chǎn)生的沖擊波較小,只能打開那些聚合能比較低的的粉體團聚顆粒,隨著超聲功率的增加,較大聚合能的團聚體也開始被解聚,折射能力降低,導(dǎo)致吸光度下降。(下轉(zhuǎn)第51頁)第2期 李 舟,等:CO2超臨界流體介質(zhì)中制革酶脫

14、毛的研究51原的水解量過大,其鉻鞣革的收縮溫度只有93.6e,為各個CO2超臨界流體酶脫毛后鉻鞣革中最低的,這表明D組的反應(yīng)條件已對成革質(zhì)量造成一定影響。行不浸酸鉻鞣是可行的。(5)在本實驗條件下較為理想的CO2超臨界流體介質(zhì)中酶脫毛的反應(yīng)條件為:反應(yīng)壓力:8.5MPa反應(yīng)溫度:37e反應(yīng)時間:2h位/g皮。參考文獻(xiàn):1廖隆理,馮豫川,李志強.CO2超臨界流體無污染制革技術(shù)研究(I)J.中國皮革,1998,27(4):3-5.2廖隆理.制革工藝學(xué)(上)M.北京:科學(xué)出版社,2001.75-76.3張偉娟,廖隆理,李志強,等.二氧化碳超臨界流體代替水作介質(zhì)鉻鞣機理的研究(3)J.皮革科學(xué)與工程,

15、2004,14(1):7-10.4陳武勇,葉述文,陳占光,等.不浸酸鉻鞣劑C-2000的應(yīng)用研究J.皮革化工,2000,17(6):5-10.5李建武,余瑞元,袁明秀,等.生物化學(xué)實驗原理和方法M.北京:北京大學(xué)出版社,2000.168-170.6黃偉坤.食品檢驗與分析M.北京:輕工業(yè)出版社,1997.7西北輕工業(yè)學(xué)院皮革教研室.皮革分析手冊M.北京:輕工業(yè)出版社,1988.80-88.4結(jié)論本論文以在CO2超臨界流體介質(zhì)中進(jìn)行的酶脫AS1.398蛋白酶用量:200單毛和在常規(guī)條件下以水作介質(zhì)進(jìn)行的堆置酶脫毛和有溫有浴酶脫毛間的對比實驗,通過對比研究后得出以下結(jié)論:(1)在CO2超臨界流體介質(zhì)

16、中進(jìn)行制革酶脫毛是可行的。(2)CO2超臨界流體介質(zhì)中進(jìn)行酶脫毛的脫毛反應(yīng)程度要高于在常規(guī)條件下以水作介質(zhì)進(jìn)行的堆置和有溫有浴酶脫毛。其脫毛分析液的總蛋白含量為常規(guī)酶脫毛的2倍左右,羥脯氨酸含量即皮膠原水解量為常規(guī)酶脫毛的23倍。(3)在CO2超臨界流體介質(zhì)中進(jìn)行酶脫毛,酶不僅保持了較高活性,而且其酶活力損失比常規(guī)酶脫毛低。(4)酶脫毛后直接在CO2超臨界流體介質(zhì)中進(jìn)(上接第33頁)2.3.2 超聲分散時間對吸光度的影響從圖5上看,當(dāng)粉體濃度和分散劑濃度一定時,在540W超聲功率下,懸浮液的吸光度隨著超聲時間的增加先增加再略為減小,在超聲時間為30min時,吸光度達(dá)到最大值。隨后,粉體顆粒不斷

17、被打開,懸浮液中粉體的顆粒經(jīng)減小,折射能力下降,使得吸光度有所下降。氧化鈦粉體在超聲功率為540W、超聲時間為30min時吸光度最大,懸浮液中的粉體顆粒數(shù)最多,分散效果最佳。參考文獻(xiàn):1祖庸,雷閻盈.鈦白與鈦系列新產(chǎn)品的開發(fā)與展望J.化學(xué)世界,1992,33(2):49-52.2張曉鐳,顧玲杰.分散技術(shù)在皮革納米涂飾材料制備中應(yīng)用展望J.皮革化工,2005,(22)1:13-17.3王廣闊,楊英賢.不同超聲頻率與溫度對納米氧化鋅顆粒分散性能的影響J.紡織科技進(jìn)展,2005.2:24-26.4彭峰,趙國鵬.金紅石相納米二氧化鈦分散漿料制備及其復(fù)合電鍍應(yīng)用J.現(xiàn)代化工,2003,23(5):25-27.5冒愛琴,宋洪昌,李鳳生等.不同分散設(shè)備對超細(xì)TiO2水分散影響的研究J.精細(xì)與專用化學(xué)品,2003,22:18-20.6HorstC,KunzU,RosenplaenterA.ActivatedSolid-fluidReactionsinUltrasoundReactorsJ.ChemEngSci,1999,54(13):2849-2858.7ThompsonLH,DoraiswamyLK.Sonochemistry:Sc-ienceandEngineeringJ