纳米碳化硼在水基础液中的分散稳定性

宋铮铮，吴张永，莫子勇，王娴，王娟

（昆明理工大学机电工程学院，云南 昆明 650500）

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（0.1～100nm）或由它们作为基本单元构成的材料，纳米材料具有表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特 性[1]。碳化硼（B4C）具有低密度（2. 52g/cm3）、高硬度（仅次于金刚石和立方氮化硼）、高熔点（2450℃）以及良好的化学稳定性等一系列优良的物理化学性能，是纳米材料科学领域研究的重点[2-4]。但与其他纳米材料一样，容易在水中团聚，限制了纳米材料的进一步应用[5]。目前，如何将纳米碳化硼分散在水基液中使其稳定分散的研究非常广泛，与之形成的对比是，研究分散效果的表征方式并不多，而且标准的统一性、取样的规范性、影响因素的多样性等都没有得到重视[6-9]。本文作者研究了不同分散条件对纳米碳化硼在水基础液中的分散情况，并采用沉降稳定性分析、流变特性分析来评价其分散效果，从而得出纳米碳化硼在水基液中达到最佳分散稳定性的条件。

1 实 验

1.1 实验条件

（1）实验材料：市售纳米碳化硼粉体（上海超威纳米材料有限公司）粒径有60nm、80nm、100nm三种，分散剂有聚乙二醇（PEG600、PEG6000）、羧甲基纤维素钠（CMC300-800、CMC800-1200） （国药集团化学试剂有限公司），抗沉降稳定剂为蒙脱石（国药集团化学试剂有限公司），分散介质为实验室自制膜处理水。

（2）实验设备：厢式反渗透净水器、JPT-1架盘天平、HJ-5多功能搅拌器、KQ超声波清洗仪器、SNB-1数显黏度计。

1.2 实验步骤

（1）将分散剂和水基础液混合，在30℃下机械搅拌10min，得到稳定溶液。

（2）将纳米碳化硼（B4C）加入到步骤（1）得到的稳定溶液中，在30℃下机械搅拌10min，得到悬浮液。

（3）将0.3g蒙脱石加入步骤（2）得到的悬浮液当中，在30℃下机械搅拌10min，得到悬浮液。

（4）将步骤（3）得到的悬浮液进行超声波分散，温度设置为35℃，分散10min，从而得到水基纳米碳化硼流体。

1.3 实验方法

1.3.1 分散稳定性影响因素设计

考虑到实验室的实验条件以及实际操作的可行性，本实验选择了分散剂的种类、分散剂的用量、纳米碳化硼的用量、纳米碳化硼粒径大小这4个因素作为实验变量，并采用单一变量方法来进行对比实验，实验中所用到的分散介质统一采用膜处理水。对水基纳米碳化硼流体的黏度或者透光率进行考察，从而找出最佳分散条件。

1.3.2 重力沉降评价

实验步骤结束后，取5mL分散液倒入刻度试管中静置并且将试管口密封，分别在1天、2天、3天、5天、7天后读取试管上层清液的体积V，沉降部分体积为(5-V)mL，则沉降稳定性=(5-V)/5，数值越大表示分散液的分散稳定性越好。

1.3.3 黏度评价

依据Stokes定律，在一定条件下，颗粒在液体中的沉降速度与粒径的平方成正比，与液体的黏度成反比，即分散稳定性与黏度是成正比的。黏度越大，分散稳定性越好[10-12]。而一般来说，悬浮液中颗粒的分散程度与黏度的大小是成正比的，即黏度越小，分散程度越好；黏度越大，分散程度越差。实验步骤完成后，将分散液倒入小烧杯中，静置一定时间后用黏度计测定其黏度。

2 实验结果与讨论

2.1 分散剂对溶液稳定性的影响

2.1.1 分散剂种类

使用粒径为60nm的纳米碳化硼，质量分数为0.8%，将PEG600、PEG6000、CMC300-800、CMC 800-1200四种分散剂分别进行对比实验。4种分散剂的重力沉降评价如表1所示。从表1可以看出，分散稳定性由好到差排列为：PEG600＞ PEG6000＞ CMC300-800＞ CMC800-1200。由于分散剂能起到降低分散体系中固体或液体粒子聚集的作用，所以分散剂种类对纳米碳化硼流体起到的抗沉降稳定的作用不同，在制备纳米碳化硼流体时，分散剂PEG600的抗沉降性能最好。

表1 分散剂种类在溶液中的重力沉降评价

2.1.2 分散剂质量分数

根据分散剂种类对纳米碳化硼在水基础液中的分散稳定性影响。分散剂采用PEG6000，纳米碳化硼粒径为60nm，质量分数为0.8%。不同分散剂质量分数的重力沉降评价如表2所示，从表2可以看出，按7天后分散稳定性由好到差的分散剂质量分数排列为：0.5%＞0.3%＞0.6%＞0.2%。

2.1.3 分散剂对溶液的黏度评价

将1.1节中所述4种分散剂所配置出的溶液进行黏度测量，4种分散剂的黏度曲线如图1所示。图1表明，分散剂能起到降低分散体系中固体粒子 （纳米碳化硼）聚集的作用，并且不同的分散剂类型和加入量对溶液的黏度影响不同[13]。

表2 分散剂质量分数在溶液中的重力沉降评价

图1 分散剂质量分数与溶液黏度的关系

当加入分散剂量过少时（PEG质量分数不足0.4%、CMC质量分数不足0.2%），分散剂没有在纳米碳化硼颗粒表面达到吸附饱和。随着分散剂质量分数的逐渐增加，吸附在碳化硼颗粒表面的分散剂越来越多，溶液的黏度逐渐降低。继续增加分散剂质量分数（当PEG质量分数达到0.4%后、CMC质量分数达到0.2%后），在纳米碳化硼颗粒表面达到吸附饱和之后，继续加入分散剂使得多余的分散剂相互桥连，溶液的黏度迅速增长。

2.2 纳米碳化硼对溶液稳定性的影响

2.2.1 纳米碳化硼质量分数

纳米材料采用粒径为60nm的碳化硼，分散剂PEG6000的质量分数为0.4%。不同纳米颗粒质量分数的重力沉降评价如表3所示，从表3可以看出，按分散稳定性由好到差的纳米颗粒质量分数排列为：0.8%＞0.6%＞1%＞1.2%。在纳米碳化硼质量分数1%以下时，随着纳米颗粒质量分数的增加，使得抗沉降稳定性随之增加。这是由于分散剂逐渐吸附在纳米碳化硼的表面，使得溶液的稳定性越来越高。当纳米颗粒质量分数大于1%时，随着纳米颗粒质量分数的增加，纳米碳化硼流体的抗沉降稳定性随之降低。这是由于分散剂吸附在纳米碳化硼表面的量达到饱和之后，吸附的数量越来越少，纳米碳化硼流体的稳定性越来越差。

表3 纳米颗粒质量分数在溶液中的重力沉降评价

2.2.2 纳米碳化硼粒径

根据纳米碳化硼质量分数对纳米碳化硼流体沉降稳定性的影响结果，纳米碳化硼质量分数为0.8%，分散剂PEG6000质量分数为0.4%。不同粒径纳米碳化硼的重力沉降评价如表4所示，从表4可以看出，按分散稳定性由好到差排列的纳米颗粒粒径为：60nm＞80nm＞100nm。纳米碳化硼粒径为60nm时沉降稳定性最大；当颗粒粒径为100nm时，基本上无分散作用。随着纳米碳化硼颗粒粒径的增加，颗粒的表观密度变大，容易产生沉淀团聚。

2.2.3 纳米颗粒对溶液的黏度评价

如将上述3种粒径的B4C所配置出的溶液进行黏度测量，3种溶液的黏度曲线如图2所示。图2表明，不同粒径的纳米碳化硼和加入量对溶液的黏度影响不同[14-15]。

在加入分散剂用量一定的条件下，纳米碳化硼 粒径越大，其比表面积越小，单位体积内纳米颗粒所具有的表面积越小，其颗粒表面所能吸附的分散剂数量越少。当B4C（60nm和80nm）质量分数不足0.8%、B4C（100nm）质量分数不足0.85%时，随着B4C质量分数的逐渐增加，溶液的黏度逐渐降低。当B4C（60nm和80nm）质量分数达到0.8%后、B4C（100nm）质量分数达到0.85%后，随着B4C质量分数的增加，溶液的黏度迅速增加，最后保持 稳定。

表4 纳米颗粒粒径在溶液中的重力沉降评价

图2 B4C质量分数与溶液黏度的关系

3 结 论

（1）分散剂能够通过化学吸附作用吸附在纳米碳化硼的表面，从而增强了纳米碳化硼的分散稳 定性。

（2）不同分散剂种类对纳米碳化硼流体稳定性影响差别很大，从实验数据可看出，分散剂PEG600对纳米碳化硼流体的分散效果最好。不同分散剂可以使悬浮液的黏度不同，且某些分散剂可以作为悬浮液的黏度调节剂，从而适应悬浮液对黏度的要求。

（3）分散剂质量分数都有一个最佳范围，低于或者高于这个范围都会使得悬浮液稳定性变低。当PEG的质量分数为0.4%、CMC的质量分数为0.2%时，纳米碳化硼流体的分散效果最好。

（4）纳米碳化硼的质量分数也有一个最佳范围，低于或者高于这个范围都会使得纳米碳化硼流体稳定性变低。当纳米碳化硼质量分数为0.8%～0.9%时分散效果最好。

（5）纳米碳化硼颗粒粒径大小也对纳米碳化硼流体的稳定性影响很大，粒径过小或者过大都会使得悬浮液不稳定，当粒径为60nm时分散效果最好，粒径为100nm时纳米颗粒基本完全沉淀。

[1] Bakhsheshi-Rad H R，Hamzah E，Daroonparvar M，et al. Synthesis and biodegradation evaluation of nano-Si and nano-Si/TiO2coatings on biodegradable Mg-Ca alloy in simulated body fluid[J].Ceramics International，2014，40（9）：14009-14018.

[2] Hariharan C. Photocatalytic degradation of organic contaminants in water by ZnO nanoparticles：Revisited[J].Applied Catalysis A：General，2006，304：55-61.

[3] Pastoriza-Gallego M J，Casanova C，Legido J L，et al. CuO in water nanofluid：Influence of particle size and polydispersity on volumetric behaviour and viscosity[J].Fluid Phase Equilibria，2011，300（1-2）：188-196.

[4] 丁硕，温广武，雷廷权. 碳化硼材料研究进展[J]. 材料科学与工艺，2003，11（1）：101-105.

[5] 凌智勇，邹涛，丁建宁，等. 纳米流体黏度特性[J]. 化工学报，2012，63（5）：1409-1414.

[6] 杨雪飞，刘振华. 一种由表面改性纳米颗粒制备的新型纳米流体[J]. 化工学报，2010，61（11）：2902-2905.

[7] 刘兵，彭超群，王日初，等. Al2O3悬浮液分散稳定性的影响因素[J]. 中国有色金属学报，2012，22（10）：2833-2838.

[8] 郝汉，冯建国，马超，等. 双梳型共聚物对吡虫啉悬浮剂分散稳定性的影响与表征[J]. 化工学报，2014，65（3）：1126-1134.

[9] 涂志江，张宝林，冯凌云，等. 聚乙二醇/聚乙烯吡咯烷酮修饰的纳米Fe3O4粒子的制备与表征[J]. 化工学报，2012，63（12）：4089-4095.

[10] 李国龙，吴勘，谭镜明. 纳米TiO2在水基体系中分散的研究[J].环境友好型涂料与涂装特刊，2006，11：31-38.

[11] 林治鸣，彭峰，黄辉俊，等. 纳米二氧化钛粉体水基体系分散稳定性评价研究[J]. 功能材料，2007，38（s1）：2099-2101.

[12] 黄燕，涂伟萍. 纳米氧化锡锑粉体在水基体系中的分散研究[J]. 材料导报，2008，22（专辑XⅡ）：78-81.

[13] 王向东，张跃，王树彬，等. 碳化钛悬浮体分散特性和流变性能的研究[J]. 稀有金属材料与工程，2007，36（s1）：153-155.

[14] 周登清，吴慧英. 乙二醇基纳米流体黏度的实验研究[J]. 化工学报，2014，65（6）：2021-2026.

[15] 唐忠利，彭林明，张树杨. 纳米流体黏度和流变特性的试验研究[J]. 化学工业与工程，2012，29（3）：1-5.