不同超声频率与温度对纳米ZnO颗粒分散性能的影响

1、不同超声频率与温度对纳米ZnO 颗粒分散性能的影响王广阔, 杨英贤(青岛大学纺织服装学院, 山东青岛266071摘 要:探讨了不同超声频率和温度对纳米ZnO 颗粒分散性能的影响, 通过实验对比, 在现有条件下找出了一组对纳米材料分散效果相对较好的频率、温度和时间参数, 为下一步加工纳米抗菌纺织品优化试验奠定了基础。关键词:超声波; 纳米颗粒; 分散中图分类号:T S195 文献标识码:A文章编号:1673-0356(2005 02-0024-03收稿日期:2005-03-02作者简介:王广阔(1975- , 男, 硕士研究生, 研究方向为纺织新材料、新设近年来, 纳米技术发展迅速, 席卷了整个

2、科学技术领域, 在纺织、化工、生物、医药、国防等行业均成为研究热点。其中纳米颗粒的团聚分散问题因严重阻碍了纳米材料的广泛应用, 成为了一个非常棘手而又必须解决的问题。基于此, 本文主要探讨应用超声波技术解决纳米材料分散问题的可行性。1 纳米材料的分散方法111 物理分散物理分散主要有超声分散和机械搅拌分散两种, 其中超声分散是降低纳米粒子团聚的有效方法。利用超声空化时产生的局部高温、高压或强冲击波和微射流等作用, 可大幅度地弱化纳米粒子间的纳米作用能, 有效地防止纳米粒子团聚而使之充分分散。机械搅拌分散是简单的物理分散, 对于产生机械化学效应的特殊分散体系可以达到有效的分散效果。但实际上机械搅

3、拌分散只能作为辅助的分散手段。112 化学分散化学分散有化学改性分散和分散剂分散两种, 化学改性分散就是通过化学反应赋予纳米粒子表面一定的有机化合物膜, 以提高纳米粒子在有机介质中的分散性。分散剂分散主要是通过分散剂改变纳米粒子的表面电荷分布来达到分散的效果。从环保角度考虑, 纳米材料物理分散法应是较理想的方法, 而且超声波分散法具有操作简单、分散质量好、速度快、无污染的特点, 是一种简便有效的分散方法。所以, 我们主要考虑采用超声波分散法。113 分散原理用超声波分散纳米材料的关键化学效应是空化效应, 当液体受到超声作用时, 液体介质中产生大量的微气泡, 在微泡的形成和破裂过程中, 伴随能量

4、的释放。空化现象产生的瞬间, 形成了强烈的振动波, 液体中空气泡的快速形成和突然崩溃产生了短暂的高能微环境, 据计算在毫微秒的时间间隔内可达5000K 以上的高温和约107P a 的高压, 产生高速射流, 使得在普通条件下难以发生的变化有可能实现。同时通过声的吸收, 介质和容器的共振性质引起的二级效应, 如乳化作用、宏观的加热效应等也促进分散进行。超声波分散就是利用超声空化时产生的局部高温、高压、强冲击波和微射流等, 较大幅度地弱化纳米微粒间的纳米作用能, 有效地防止纳米微粒团聚而使之充分分散。使用过热超声搅拌时, 随着热能和机械能的增加, 颗粒碰撞的几率也增加, 反而导致进一步的团聚。因此,

5、 用超声波分散纳米材料存在着最适工艺条件。2 实验部分211 实验材料与仪器稀土激活无机抗菌剂, 主要成分为纳米ZnO 颗粒, 由山东淄博博纳科技发展有限公司提供。实验仪器:DPCSB -03型多频率超声波发生器(可调节20、28、40、51、59kH z , 青岛大学制作; 721型分光光度计, 上海第三分析仪器厂; 比色皿(10mm 10mm 、T G 328A 型分析天平, 上海第二天平仪器厂; 50ml 量筒, 1000ml 烧杯, 3ml 吸管。212 试验方法及步骤用721型分光光度计测不同影响因素下的纳米材料溶液的吸光度, 以吸光度的大小来表征纳米材料分散效果。吸光度越大, 表明

6、纳米材料分散效果越好。纳米ZnO 颗粒(带有少量稀土及其他金属元素 经测定, 其最大吸收波长为360nm 。试验步骤为:首先, 预热分光光度计。然后在所需频率(20、28、40、51kHz 的超声波清洗槽内加入1000m l 自来水, 选择需要的频率加热档, 调节温控器旋钮, 选择需要加热的温度(30、40、50、60、70e 。等到温控器红灯亮了以后, 将称量好的5g 纳米材料颗粒加入到清洗槽中, 并旋动频率调节旋钮打到需要的频率档, 此时开始计时。每隔5min 取出3ml 纳米材料溶液并在50ml 量筒中配制成30m l 稀溶液(满足朗伯比尔定律的要求 , 摇匀。然后将摇匀的溶液注满比色皿

7、, 放入分光光度计测其吸光度, 并记录检测结果。3 试验结果与分析311 不同超声频率对纳米材料分散性能的影响纳米材料溶液吸光度越大, 其浓度越大, 表明纳米材料的分散效果越好。因为随着时间的增加, 纳米材料颗粒在超声作用下逐渐离解分散, 颗粒变小, 单位体积内的颗粒数增加, 溶液浓度增大, 吸光度增大。因此, 吸光度的变化可反映纳米材料分散#24#纺织科技进展 2005年第2期从图1可以看出, 在30e 时, 20kHz 分散效果最好。15min 以后, 溶液的吸光度随时间变化已不明显, 即认为纳米材料溶液在15min 左右基本分散完全。对于28kH z, 虽然也是在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 时, 于25min 左右分散达到平衡, 溶液吸光度略低于20kHz, 在51kH z 时, 由于其功率太小(设备本身决定的 , 功率密度太低, 不能产生空化效应, 以及频率太高, 作用力减弱, 不能将团聚颗粒分散开, 所以不能产生良 好的分散效果。图1 纳米材料在30e 时不同频率下的分散情况图2 纳米材料在40e 时不同频率下的分散情况从图2可看出, 在40e 28kHz 和40kH z 分散效果最好, 但是40kHz 用时要长一些, 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 时小, 即分散效果要差一些。51kH z 的情况同图1 。图3 纳米材料在50e 时不同频率下的分散情况图3曲线表明, 在50e 时, 28kHz 在10min 左右基本分散完全, 分散效果最好。其次为20kH z 和40kH z 。只是在20kH z 时, 溶液分别要在15min 和25min 左右达到分散平衡。51kH z 时的分散情况同上。图4 纳米材料在60e 时不同频率下的分散情况由图4、图5两图中的曲线可以看出, 在60和70e 时, 溶液整体图5 纳米材料在70e 时不同频率下的分散情况吸光度较低, 只是60e 时的情况较70e 的稍好些。这主要

10、是由于温度升高, 纳米材料颗粒运动加剧, 碰撞机会增加, 一部分分散开的纳米颗粒又重新团聚在一起, 所以吸光度比以上频率有明显下降。另外, 吸光度表现出不稳定性, 即高温下分散相不能达到稳定均匀。312 不同温度对纳米材料分散性能的影响对于同一频率下, 不同温度对纳米材料分散性能的影响见图6、图7和图8 。图6 纳米材料在20kH z 时不同频率下的分散情况图7 纳米材料在28kH z 时不同频率下的分散情况图8 纳米材料在40kH z 时不同频率下的分散情况图9 纳米材料在51kH z 时不同频率下的分散情况纵观68图中的曲线可看出, 50e 时的分散情况相比其他几个温度时的分散情况好, 且

11、在28kH z 时最为明显。40e e , 下,#25# 2005年第2期 纺织科技进展液体分散相不能达到稳定均匀, 即分散效果不稳定, 也不够理想。由图9可知, 在51kH z 时, 由于其功率密度太小不能产生空化效应, 以及频率太高, 作用力微弱, 因此不能产生良好的分散。所以, 在所有温度下都不能获得良好的分散效果。此外, 图1至图9曲线还表明随着超声频率的升高, 溶液的起始浓度降低; 随着温度的升高, 溶液起始浓度也升高。这主要是因为随着超声频率的升高, 其超声作用力减弱; 随着温度的升高, 溶液中纳米颗粒运动加剧, 起始点浓度相应较高。在此需要说明的一点是, 本文所说的分散完全和分散

12、效果好, 并不是指所有纳米材料真的完全分散了, 而是指在特定频率、功率和温度等条件下所能达到的最大分散程度。事实上, 纳米团聚体在超声分散时具有/两成分性0, 这种特性反映了超声波对纳米团聚体在液体介质中的作用规律, 并由此决定了超声分散的极限。我们知道, 粉末团聚体颗粒间粘结的原因, 除颗粒间静电作用和液桥作用外, 最根本和最强的作用在于分子间的范德华力。在超声波作用下, 首先解构的是具有较多缺陷和弱相互作用力的团聚体, 经过一段时间的超声分散后, 有实验表明大量的粒子尺寸已经减小到了这样的程度:在1000个粒子中仅有极少数粒子的直径超过200nm, 超过500nm 的粒子则更少, 尽管就体

13、积含量而言200nm 以上的粒子仍然要占到约40%。有严重缺陷的大大小小的团聚体已经消耗殆尽, 从而使超声波的瞬间冲击必须达到分子间作用力(由大量分子集合体构成的体系, 颗粒间作用的有效间距可达几十纳米 的阀值, 才能产生破碎作用。也就是说超声波的能量在破碎作用方面失去了积累效应, 大量的能量消耗在难以分散的粒子上变成声热, 使超声空穴的有效作用几率大大降低, 团聚体的粒径分布在很长的时间内并不产生明显的变化, 此时就达到了超声分散的极限。由于受实验条件等因素的限制, 本实验只是定性地研究了超声频率和温度对纳米材料分散性能的影响, 以表明分散效果的好坏。要想定量了解, 还需结合其他实验手段作进

14、一步的研究。4 结论(1 在一定时间范围内, 随着超声波作用时间的增加, 纳米材料溶液的吸光度也随着增加, 即溶液的浓度增加, 从而表明纳米材料经超声波作用后颗粒减小, 分散更均匀。(2 在所选用的几个频率当中, 28kHz 相比来说有较好的分散效果。在所选的5个温度级中, 50e 时的分散效果最好。这就是说, 选用28kHz 和50e 两个参数组合来分散纳米材料可达到较好的分散效果。(3 超声频率越高, 溶液的起始浓度越低; 溶液温度越高, 溶液起始浓度越高。这表明高频超声波作用力弱于低频超声波; 温度升高, 纳米颗粒运动加剧, 起始作用比较剧烈。(4 声能密度低于一定值不能有效产生空化效应

15、, 达不到分散的目的。温度太高, 液体中颗粒运动加剧, 颗粒碰撞几率增加, 不利于纳米材料的分散。此外, 高频超声溶液达到分散平衡所需要的时间要比低频超声的长。参考文献:1 芦 艾. 超细粒子/RPUF 的制备及结构性能研究D. 四川:四川大学, 2002, 25-37.2 贾新莉. 颗粒粒径表征中细颗粒团聚现象的研究D. 北京:中国科学院化工冶金研究所, 2001, 20-35.3 闫方田, 等. 氧化锌粉体在水中的分散及稳定性研究J. 北京服装学院学报, 2004, 24(1 :17-19.4 李国栋. 纳米粉体表面结构与分散机理研究J. 襄樊学院学报,2002, 23(5 :50-54.

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