超声预处理对纳米SiO2的分散稳定性影响

刘春玲， 严芬英， 赵春英

(沈阳理工大学环境与化学工程学院，辽宁沈阳 110159)

引 言

纳米SiO2具有粒径小、比表面积大和表面羟基多等特性，呈无定型白色粉末［1］。其具有特殊的光学性能、光催化特性和流变性能［2］，以无机填料形式应用于涂料、橡胶、塑料及粘合剂等领域起到增韧补强等作用［3-5］。但是，由于纳米SiO2的多羟基特性，导致了其在应用中因纳米SiO2表面能高，极易团聚成聚集体。同时，纳米SiO2表面具有亲水疏油特性，在有机介质中难以分散均匀［6-7］，与有机介质的界面结合性差［8］，容易发生相分离，使纳米粒子填充到有机介质中的性能得不到充分体现。为此，需要对纳米SiO2进行改性分散，提高其表面疏水性，使其在有机介质中能均匀分散。

目前，随着超声波的普及，应用超声波辅助分散纳米粉体的研究越来越多［9］。本实验研究了硅烷偶联剂(KH570)和六偏磷酸钠复合分散剂与超声波预处理相结合方法对纳米SiO2进行分散，通过扫描电子显微镜和吸光度测定等方法评价了分散剂对纳米SiO2改性效果。

1 实验部分

1.1 主要药品与仪器

纳米SiO2，硅烷偶联剂(KH570)，六偏磷酸钠，自制蒸馏水;SB-3200DTDN超声波清洗机(宁波新芝生物科技有限公司)，日立S-3400N扫描电子显微镜(日立公司)，电子分析天平，85-2恒温磁力加热搅拌器，721可见分光光度计(上海奥谱勒仪器有限公司)。

1.2 实验方法及表征

1.2.1 纳米SiO2在水溶液中的分散稳定性测定

将硅烷偶联剂(KH570)与六偏磷酸钠按一定配比溶于30mL蒸馏水中，磁力搅拌均匀后，加入2g纳米 SiO2常温磁力搅拌10min，再超声分散30min，将乳液置于试管中放置一段时间后，在试管上层取1mL悬浮液，用10mL蒸馏水稀释，摇匀，采用721可见分光光度计在400～760nm波长入射光下测其吸光度，以不同时间吸光度表征悬浮液的分散稳定性。吸光度大小可由Reylength方程表示:

A=k·v

式中:A为吸光度;k为吸光常数;v为单位体积的粒子数。吸光度大小和单位体积中粒子数成正比，吸光度越大，表明悬浮液中离子浓度越高，则粒子在悬浮体系中的分散、悬浮及稳定性能越好。

1.2.2 形貌分析

将改性前后的纳米SiO2粉体经过喷金处理后，用扫描电镜观察形貌对其分散结果进行表征。

2 结果与讨论

2.1 超声预处理对纳米SiO2水相分散性能评价

2.1.1 超声功率对纳米SiO2分散稳定性的影响

图1比较了不同超声功率对纳米SiO2的水相分散稳定性影响，悬浮液中m(KH570)∶m(六偏磷酸钠)为1∶3，超声 t为 30min，θ为35℃。

从图1可以得出，随着超声功率的增加，纳米SiO2悬浮液的吸光度也显著增大。当超声功率为180W时，悬浮液的吸光度达到最大，且在该功率下，随着静置时间的变化，纳米SiO2的吸光度差值变化较其他功率下比较小。由此可见，随着超声功率的增大，超声空化产生的局部高温、高压、微射流和强冲击波等作用力加强，从而有利于纳米粒子的解团聚。实验选择较佳的超声功率为180W。

图1 不同超声功率下纳米SiO2悬浮液静置不同时间的吸光度

2.1.2 超声时间对纳米SiO2分散稳定性的影响

图2比较了不同超声时间下纳米SiO2的水相分散稳定性，m(KH570)∶m(六偏磷酸钠)=1∶3，超声功率180W，θ为35℃。

图2 不同超声时间下纳米SiO2悬浮液静置不同时间的吸光度

由图2得出，当超声t为30min时，纳米SiO2悬浮液的吸光度达到最大值，且悬浮液在放置不同时间后的吸光度差值变化相对稳定，即沉降速率减慢，悬浮液的稳定性较好。实验选择超声分散的较佳处理t为30min。

2.1.3 超声温度对纳米SiO2分散稳定性的影响

图3比较了不同超声温度下纳米SiO2的水相分散稳定性，m(KH570)∶m(六偏磷酸钠)=1∶3，超声功率180W，t为30min。

图3 不同超声温度下纳米SiO2悬浮液静置不同时间的吸光度

由图3看出，当悬浮液放置0.5h后，超声θ为50℃时的吸光度较大，35℃时次之，但随着纳米SiO2悬浮液放置时间的延长，由吸光度差值变化来看，当超声θ为35℃时，悬浮液的分散更稳定，实验选取最佳超声θ为35℃。

2.2 分散剂的添加量对纳米SiO2水相分散稳定性的影响

图4比较了硅烷偶联剂(KH570)与六偏磷酸钠不同配比时悬浮液静置不同时间后吸光度变化。实验以硅烷偶联剂(KH570)的添加量为基础，均按纳米SiO2质量分数1%加入，六偏磷酸钠按纳米SiO2质量分数的 0、1%、2%、3%、4%、5% 和 6%加入。

图4 m(KH570)∶m(六偏磷酸钠)复配后的悬浮液静置不同时间的吸光度

由图4得出，当硅烷偶联剂m(KH570)∶m(六偏磷酸钠)为1∶5时，纳米SiO2悬浮液的吸光度值大且其差值变化相对稳定，即其分散稳定性好，实验选取分散剂m(KH570)∶m(六偏磷酸钠)的最佳为 1∶5。

2.3 纳米SiO2的形貌分析

图5为改性前后纳米SiO2表面形貌(SEM)照片。图5(a)是未经过改性的纳米SiO2的表面形貌，图5(b)是改性的纳米SiO2的表面形貌。

图5 改性前后纳米SiO2的SEM照片

由图5(a)可以看出，改性前的纳米SiO2呈团聚状，颗粒间的交联清晰可见，分散性差，这主要是因为其表面积大，含大量羟基，羟基间易脱水形成氢键，从而使颗粒之间相互交联造成颗粒团聚;由图5(b)可以看出，改性后纳米SiO2结构相对松散，颗粒间界面较模糊，纳米SiO2能够均匀分散。这是由于经过分散剂改性后的纳米SiO2与分散剂的接枝率高，形成一层能够降低表面张力、增大空间位阻作用的膜层，从而使改性后的纳米SiO2在水相中能均匀分散。

3 结论

1)通过超声波的空化作用对纳米SiO2分散解聚，使纳米SiO2在水相中的分散稳定性显著提高。实验得出最佳超声分散工艺条件:超声功率180W，t为30min，θ为35℃。

2)分散剂KH570与六偏磷酸钠复配分散纳米SiO2的最佳质量比为1∶5。

3)对改性前后纳米SiO2的SEM分析结果表明，KH570与六偏磷酸钠复配的分散剂对纳米SiO2有较好的分散性。

4)超声波预处理能促进纳米SiO2的表面改性，但其能耗较高，只能作为一种辅助分散方法，本实验采用超声波与分散剂分散相结合方法，使分散效果好，且又经济可行。

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