行星式球磨機(jī)分散醇水系納米氧化

行星式球磨機(jī)分散醇水系納米氧化

1醇水系納米顆粒的制備納米ce2是一種典型的稀土氧化物，在新材料、表面加工、機(jī)械拋光、催化劑等方面得到了廣泛應(yīng)用。納米CeO2顆粒的高表面活性導(dǎo)致其在大氣環(huán)境下容易發(fā)生團(tuán)聚,為有效發(fā)揮納米顆粒的特性,常將納米顆粒制成懸浮液。醇水系納米CeO2懸浮液,具有組分純凈(不含表面活性劑等雜質(zhì))等優(yōu)點(diǎn),成為最具代表性的新型納米CeO2懸浮液之一。納米CeO2顆粒置入醇水中后必然會形成團(tuán)聚體,必須使用外力來打開團(tuán)聚體。行星式球磨機(jī)利用磨球的沖擊和研磨可以得到極細(xì)顆粒,在納米粉體的分散方面已得到應(yīng)用,但球磨機(jī)工藝參數(shù)對其分散穩(wěn)定性的影響還未見報(bào)道。本文將利用行星式球磨機(jī)來分散醇水系納米CeO2顆粒,以沉降率及其變化量作為懸浮液穩(wěn)定性的評價(jià)指標(biāo),考察球磨機(jī)工藝參數(shù)對醇水系納米CeO2懸浮液穩(wěn)定性的影響。2球磨機(jī)的工藝參數(shù)對ceo2分散穩(wěn)定性的影響本實(shí)驗(yàn)旨在研究球磨工藝參數(shù)對醇水系納米CeO2懸浮液分散穩(wěn)定性的總體影響趨勢,并進(jìn)而分析其分散機(jī)理。實(shí)驗(yàn)用球磨機(jī)設(shè)備為QM-3SP2行星式,單個(gè)球磨罐體積為500mL,其轉(zhuǎn)速范圍為0~580r/min;待分散粉體為20nm的CeO2顆粒;醇水的體積分?jǐn)?shù)比為1∶1;磨球直徑為?6mm。球磨機(jī)的常用工藝參數(shù)有球磨時(shí)間、球料比和球磨機(jī)轉(zhuǎn)速,考慮到粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對團(tuán)聚體的形成速度有較大影響,所以,本文除考察球磨機(jī)常用工藝參數(shù)外,還討論了理論CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對其分散穩(wěn)定性的影響。各工藝參數(shù)數(shù)值是根據(jù)球磨分散實(shí)踐確定的,采用L9(34)正交實(shí)驗(yàn),如表1。3沉淀率的測定納米顆粒分散穩(wěn)定性的評價(jià)指標(biāo)通常有ζ電位測定、吸光度測定、粒度分析和電子顯微鏡分析等。本實(shí)驗(yàn)引入沉淀率(如圖1)及其變化量(如圖2)來間接評價(jià)懸浮液的分散穩(wěn)定性,沉淀率及其變化量越小,懸浮液中納米顆粒的穩(wěn)定性就越好。該評價(jià)方法相對其它方法具有操作簡便、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),尤其在比較同種工藝參數(shù)不同數(shù)值的影響時(shí)非常適用。計(jì)算出靜置某段時(shí)間后的沉淀率表征某段時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定性,靜置時(shí)間分別為1h,1d,10d,設(shè)置不同的靜置時(shí)間是為了測定懸浮液的沉淀率變化量。沉淀率公式如下:η=1?MM0(1)η=1-ΜΜ0(1)式(1)中,M0為在沒有沉淀產(chǎn)生情況下,懸浮液中理想顆粒的含量,其計(jì)算公式如下:M0=ρ水V水+ρ乙醇V乙醇1?WW(2)Μ0=ρ水V水+ρ乙醇V乙醇1-WW(2)式(2)中,V水+V乙醇=V,V為抽取的待干燥的懸浮液體積,實(shí)驗(yàn)中取V=10mL;W為理論CeO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù),是初始加入的CeO2質(zhì)量與整個(gè)懸浮液質(zhì)量(含沉淀)的比值。M為懸浮液靜置某段時(shí)間后CeO2的實(shí)際含量,其計(jì)算過程為:使用最小刻度為0.1mg的電子天平稱取潔凈干燥皿的質(zhì)量為m0;抽取10mL懸浮液,倒入干燥皿中,再置入鼓風(fēng)式干燥箱中,干燥溫度為120℃,時(shí)間40min,用紙板蓋在干燥皿的端部,干燥皿置于在室內(nèi)自然冷卻,冷卻時(shí)間5min,最后稱取干燥皿和粉體的總重為m。則M的計(jì)算公式:M=m?m0Μ=m-m0沉淀率的變化量計(jì)算公式:Δη=ηt2?ηt1Δη=ηt2-ηt1式中,ηt2為靜置t2時(shí)間后的沉淀率;ηt1為靜置t1時(shí)間后的沉淀率,一般情況下t2>t1。4結(jié)果與討論4.1影響沉淀率的因素采用方差分析方法分析各工藝參數(shù)的影響效應(yīng),方差越大,工藝參數(shù)的影響性就越強(qiáng)。從表2可知,球磨時(shí)間的影響性最大,即對沉淀率有顯著的影響。在不同的球磨時(shí)間內(nèi),球料比、球磨機(jī)轉(zhuǎn)速和理論CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對沉淀率的影響是不同的,所以它們是次要因素。4.2顆粒的分離從圖1可以看出,沉淀率隨著球磨時(shí)間的延長而減少,表明CeO2穩(wěn)定性隨著球磨時(shí)間的延長逐漸加強(qiáng)。這是因?yàn)殡S著球磨時(shí)間的延長,單個(gè)團(tuán)聚體受到研磨和沖擊作用的幾率和次數(shù)就會變高,而研磨和沖擊將會在懸浮液中顆粒表面產(chǎn)生迫使其互相分離的破碎力。短時(shí)間內(nèi)沒有被研磨和沖擊的大尺寸團(tuán)聚顆粒,隨著球磨時(shí)間的延長,受到破碎力作用的機(jī)會就會變大。在球磨過程中,組成團(tuán)聚體的單個(gè)顆粒之間存在著吸引力和破碎力,當(dāng)破碎力大于顆粒間的吸引力時(shí),團(tuán)聚顆粒分離。從3個(gè)沉降時(shí)間來看,球磨時(shí)間越長,分散穩(wěn)定性就越好,但球磨時(shí)間不能無限延長。已有研究表明,球磨起始階段,粉體顆粒尺寸的減小速度最快;隨著球磨時(shí)間的延長,粉體顆粒尺寸的減小速度就越來越慢,甚至顆粒尺寸會增加,而且球磨時(shí)間過長,球磨機(jī)的能量消耗也就越大。因此,在不降低粉體分散穩(wěn)定性的前提下,堅(jiān)持使用較短球磨時(shí)間的原則。4.3率的影響得到顯著增強(qiáng)從圖1可知,在1h沉淀時(shí)間內(nèi),球料比的變化對沉淀率的影響非常小;而對于10d沉降,球料比對沉淀率的影響得到顯著增強(qiáng)。隨著沉淀時(shí)間的延長,球料比對沉淀率的影響逐漸增強(qiáng)。一般說來,球料比越大,球碰撞次數(shù)越多,懸浮液中的顆粒尺寸就越小,沉淀率就越小,球料比越大越好。但是過大球料比致使球磨的分散效率降低,不利于大量粉體的分散。因此,球料比選擇要綜合考慮實(shí)際生產(chǎn)量和分散穩(wěn)定性的對應(yīng)關(guān)系。4.4球磨機(jī)轉(zhuǎn)速對研磨力和沖擊球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速越高,磨球的能量也就越高(磨球能量等于磨球質(zhì)量與速度的乘積),磨球沖擊與研磨的作用就越強(qiáng),液體中顆粒的尺寸就越小。根據(jù)作用對象的不同,破碎力可以分為沖擊力和研磨力,磨球相互撞擊產(chǎn)生沖擊力,磨球與研磨罐之間的研磨產(chǎn)生研磨力。影響沖擊力和研磨力的主次地位主要是球磨機(jī)轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速越高,沖擊力和研磨力的大小就越大,破碎力打開團(tuán)聚體的能力就越強(qiáng)。在不同的球磨機(jī)轉(zhuǎn)速下,沖擊力和研磨力的主次地位不同,低速時(shí)以研磨力作用為主;高速時(shí)以沖擊力為主。磨球與研磨罐壁之間的接觸面積要明顯大于磨球之間的接觸面積,磨球與研磨罐壁之間的顆粒數(shù)量明顯多于磨球之間的粉體顆粒數(shù)量。因此,研磨力占主導(dǎo)時(shí),受破碎力作用的團(tuán)聚體數(shù)量比沖擊占主導(dǎo)時(shí)的多。低速時(shí)候,研磨力與沖擊力都小于顆粒間的吸引力,破碎力需要多次作用才能打開團(tuán)聚體。從圖1可知,轉(zhuǎn)速為200r/min的沉淀率比轉(zhuǎn)速為350r/min的小,這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速為200r/min時(shí)以研磨力作用為主,350r/min轉(zhuǎn)速時(shí)以沖擊力作用為主。因此,要根據(jù)實(shí)際要求所確定的研磨和沖擊的主次地位以及球磨機(jī)能量利用率來選擇球磨機(jī)轉(zhuǎn)速。一般來說,球磨機(jī)轉(zhuǎn)速越高,粉體分散穩(wěn)定性就越好,而球磨機(jī)能量利用率卻越低,同時(shí)也帶來其它的負(fù)面影響,如懸浮液溫度升高,球磨機(jī)的振動加劇等。4.5研磨罐壁間的分離穩(wěn)定性質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化影響著單位體積懸浮液中的粉體顆粒數(shù)量,直接決定著每次研磨和沖擊時(shí)接觸到的顆粒數(shù)量,從而影響著球磨機(jī)的能量利用率。當(dāng)研磨和沖擊的接觸面積一定時(shí),單位體積懸浮液中的顆粒數(shù)量越多,磨球與研磨罐壁間以及磨球間受破碎力作用的顆粒數(shù)就越多,磨球的絕大多數(shù)能量作用在顆粒上,只有極少一部分浪費(fèi)在磨球與研磨罐壁間的直接摩擦以及磨球間的直接碰撞上,從而避免了因摩擦和碰撞導(dǎo)致的液體溫度升高對其分散穩(wěn)定性的影響。從圖1可知,質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,沉淀率越小。過高的質(zhì)量分?jǐn)?shù)雖能較充分利用球磨機(jī)的能量,但單個(gè)團(tuán)聚體受磨球的作用概率和次數(shù)都減少,從而影響粉體顆粒在懸浮液中的穩(wěn)定狀態(tài),表現(xiàn)為一定時(shí)間后沉淀率變化量較大,即懸浮液中顆粒沉降速度比較快,如圖2中的D3的沉淀率變化量在1H-1D、1H-10DS和1D-10DS期間都比D1和D2的大,這說明質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象就越嚴(yán)重。然而,并不是質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低,分散穩(wěn)定性就越好。這是因?yàn)榈唾|(zhì)量分?jǐn)?shù)的懸浮液中單顆粒受到的約束減少和運(yùn)動空間變大,因此磨球的能量浪費(fèi)較多。從圖2可看出,在1h~10d的時(shí)間內(nèi),質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低,沉淀率的變化量越小。在1h~1d的時(shí)間內(nèi),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%沉淀率變化量比10%的大,這說明質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的懸浮液中團(tuán)聚體數(shù)量要比質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的多。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%時(shí),懸浮液中較多的團(tuán)聚體也將不受到破碎力作用,所以質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)低于5%。5球磨時(shí)間及球料比對分散穩(wěn)定性影響的仿真結(jié)果從不同方面討論了球磨時(shí)間、球料比、球磨機(jī)轉(zhuǎn)速和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響,引入沉淀率及其變化量來評價(jià)懸浮液的分散穩(wěn)定性。在選擇工藝參數(shù)時(shí),應(yīng)綜合考慮各因素對沉淀率的影響,從而得出比較合適的工藝參數(shù)。對各種參數(shù)分析后得出的結(jié)論如下:(1)球磨時(shí)間的影響性最大,且有顯著性影響,因此,在選擇工藝參數(shù)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮時(shí)間。球磨時(shí)間的選擇要綜合考慮球磨機(jī)能量消耗和分散穩(wěn)定性的對應(yīng)關(guān)系。在不降低粉體分散穩(wěn)定性的前提下,堅(jiān)持使用較短球磨時(shí)間的原則。(2)至于球料比,球料比