【doc】SN5040对纳米碳酸钙粒子分散作用的实验研究

【doc】SN5040对纳米碳酸钙粒子分散作用的实验研究 SN5040对纳米碳酸钙粒子分散作用的实验 研究 科技信息.币斗教前沿0SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2012年 第7期 SN5040对纳米碳酸钙粒子分散作用的实验研究 张鹏徐健 (中国矿业大学力学与建筑工程学院江苏徐州221008) 【摘要】为研究纳米碳酸钙注浆技术,必须解决纳米材料在水性介质中的分散问 题.本文分别从粒度分布,微观形貌,粘度指标研究了 SN5040分散剂对粒径15—40rim的碳酸钙粉体在水溶液中的分散行为.重点研究 了SN5040分散剂用量,超声作用时间对分散性影响及此分 散剂作用下纳米浆液的流变特性.研究明.通过合理控制影响纳米碳酸钙分散效 果的因素,能够使得纳米材料在水中得到较好的分散; SN5040对纳米碳酸钙具有良好的分散性能.分散后的颗粒粒径90%Q~上处于 255nm以下. 【关键词】SN5040;纳米碳酸钙;粒度分布;分散. DispersionEffectofAcrylateCopolymerCarboxylicAcidonNanoCalciumCarbonate ZHANGPengXUJian (InstituteofMechanicsandArchitecturalEngineering,CUMT,XuzhouJiangsu,221008) 【Abstract]TheproblemofNano-materialsdispersioninwatermediummustbeensolvedinordertostudytheNanoCalciumCarbonategrouting technology.Thispaper,theeffectofSN5040dispersantonthedispersionbehaviorinaqueoussuspensionsofcalciumcarbonateparticleswith diameterof15— 4Onmhasbeeninvestigatedbytheindexingofparticlesizedistribution.microstructureandviscosity.Thisthesisfocusesonthe dispemantdosageandultrasonictimeofinfluenceandthedispersionundertheactionofdisper santrheologicalpropertiesofnanometersize.The resultsshowthat,wecangettheexcellentdispersionslurrybycontrollingtheinfluencefactors reasonably;SN5040dispersanthasgooddispersion propertiesofNanoCalciumCarbonate,andthen90%oftheparticlesintheslurryarebelowthe sizeof255nm. 【Keywords]Acrylatecopolymercarboxylicacid;Nanocalciumcarbonate;Particlesizedis tribution;Disperse 0引言 纳米CaCO是2O世纪80年代发展起来的一种新型超细固体材 料.粒径在1-100nm之间,是一种重要的无机填料,广泛应用于塑料,橡 胶,油漆,油墨,造纸,涂料等诸多工业领域0121.纳米碳酸钙具有粒径较 小,比表面积大,比表面能高,具有纳米颗粒所特有的小尺寸效应和表 面效应PI4I.使其表现出普通的碳酸钙不具有的物理化学方面的优越性 能.但纳米碳酸钙在应用过程中易发生团聚,形成普通的碳酸钙,失去纳米 碳酸钙所具有的特殊功能.目前超声分散,分散剂分散技术,在纳米微粒制 备尤其是纳米复合材料制备过程中被大量采用,并收到了较好的效果.本 文通适,超声分嘣沭,SN5040分髋刊来研究纳米CaCO粉体在}夜相中的分 散能,为眯CaCO,在.嗷孑L(裂)隙岩层中自勺{整的既乍基础. 1分散机理 纳米粒子在介质中的稳定分散过程包括:润湿,打破团聚及分散 稳定三部分[61.为获得良好的分散效果.一定要在粉碎过程中使每一个 新生成的粒子表面迅速被介质润湿.即被分散介质所隔离.以防止其 重新团聚.此外还要求具有足够高的能量以防止粒子间相互膨胀接触 重新团聚目前普遍接受的纳米粉体分散稳定理论是双电层排斥理 论,空间位阻稳定机理,空缺稳定机理 2实验研究 2.1实验原料,仪器 纳米CaCO,.立方体晶型.平均粒径15-40rim.丙烯酸酯共聚物羧 酸盐(SN5040),分散介质为去离子水. DV一2+PRO粘度计,数控超声波发生器,数显恒温水浴槽,机械强 力搅拌机英国马尔文公司生产的n-dno—zs9O激光粒径仪(测量范围 0.6—6000am). 2.2实验方法 分散液配制:称取定量的分散剂加入500rrd去离子水中配制成分 散剂溶液,搅拌使分散剂与去离子水混合均匀,然后加入纳米CaCO,. 加人完成后进行机械搅拌15min.机械搅拌转速3000转份.搅拌后超 声振荡.频率40kH.即得到所需纳米碳酸钙悬浮浆液. 2.3分散效果的测定 本文粒度分布的测定采用先进的动态光散射原理进行.通过计算 分析得出数量平均粒径及粒径分布.直观反应粒径分布状态粒度测 试取样:超声分散后静置30min.滤去分散体系底部沉淀.搅拌均 匀后取1/3深处分散液,稀释50倍进行粒径测试. 3实验结果分析 3.1粒度研究 3.1.1SN5040用量对粒度影响研究 表1SN5040添加量对粒径影响试验研究 Tab.1SN5040addingquantityofinfluenceofparticlesize experimentalresearch 实验分散剂分散效果 第一分布第二分布区平均粒序号百分比%比例%比例% 区间nm间nm径llm 2—17.59I.28-105.713.7105.4-955.487-3167.0 2—2l09l_28-105.74_4105.4-1281192.6 2-3l2.578.82-105.423105.4-82577156.8 2—41578.82-105.440105.4-82560158.6 2-517.5105.4-825100211.2 图1SN5040用量对纳米CaCO.浆液粒度影响研究 Fig.1SN5040additivequantityimpactofnano-sizedCaCO3 slurrysizestudy 现象与结论: .1)等效平均粒径随SN5040用量的增加呈先逐渐减小后增大的趋 势.说明SN51M0的用量存在最佳值: 2)粒径累积分布曲线表明.SN5040的最佳用量在10%一15%之间 (特定5%的浓度下),其中用量15%的组别分散效果较好.分散后浆液 中的颗粒90.4%以上处于255nm以下 原因分析:分散剂存在最佳用量.低于此用量,分剂在颗粒表面不 能形成足够的"立体屏障",纳米CaCO,颗粒间易发生絮凝:高于此用 量.体系中游离的分散剂分子增加.由于分散剂分子量较大,会在不同 颗粒的吸附层间相互缠结.造成"架桥絮凝".这一最佳用量对应于刚 好在颗粒表面达到单层饱和吸附的情况.由颗粒的表面性质和分散剂 的分子结构共同决定 2012年第7期0科教前沿0科技信息 3.1.2超声时间对粒径影响研究 表2超声时间对粒径影响试验研究 Tab.2Particlesizestudywithdifferentultrasoundtime 实验分散条件分散效果 超声时间第一分布区第二分布区平均粒序号比例%比例% 间nm间nm径nna 2—62091.28-105.43.6105.4-396.196.4173.8 2-73050.75-1O5.492-3105.4-531.27.787.48 I 2-84078.82-105.438.9105.4-396.161.1137.61 2-95058.77-105459105.4-531-241128.57 2—1O60105.4—458.71o0193.96 图2超声时间对纳米CaCO.浆液粒度影响研究 Fig.2Particlesizeofnano-sizedcalciumcarbonatewithdifferent ultrasoundtime 试验现象与结论: 1)超声波作用对分散效果显着:超声分散后底部没有沉淀.但静 置后出现沉淀: 2)随着超声时间的增长.分散后平均粒径先增大后减小: 3)超声时间30min条件下.分散后小于105.7nm粒径的累积含量 最高.达到92.3%. 原因分析:超声波可以打破纳米粒子之间的团聚,使其粒径减小. 但超声时间过长会使分散体系过热.而温度上升使粒子的布朗运动加 剧.增大了纳米粒子碰撞的几率.使粒子易于团聚[句.因此超声波作用 时间过短或过长都不能达到较好的分散效果. 3.2微观形态分析 为直观观察纳米CaCO在水中的分散程度.描述分散液中颗粒的 具体分布形态,采用了扫描电镜(SEM)对纳米CaCO,分散液中的颗粒 进行了微观分析.同时将测量结果与激光粒度仪测试结果进行对比. 验证激光粒度仪测试数据的准确性与可靠性 图3纳米CaCO.团聚体形貌 Fig.3Aggregatemorphologyofnano—sizedcalciumcarbonate 测试结果图3所示,图中显示分散后纳米CaCO,颗粒均匀性和等 度性较好,且浆液中纳米CaCO3颗粒粒径基本上在50—250nm.其中粒 径在150nm左右占多数,Nltt表明,激光粒度分析仪测试的粒径数据 是可靠的,SN5040对纳米碳酸钙具有良好的分散性. 3-3粘度研究 112 对实验样品在25%下进行粘度试验研究,结果入下: 图4剪切速率—表观粘度关系曲线 Fig.4Shearrate-apparentviscosityrelationcurves 图5剪切速率一剪切应力关系曲线 Fig.5Shearrate-shearstressrelationcurves 从图4可以看出,随着剪切速率的增大,表观粘度降低,表现出剪 切稀化的特性,随着剪切速率的继续增大,表观粘度降到一定程度后. 又随剪切速率增大而增大.呈现一定的胀塑性. 在低的剪切速率区域(21.6q<7O.4s-1),和lIry成直线关系,因而可 知表观粘度吼和剪切速率y符合幂律方程: '7,n<l(1) 当剪切速率在从70.4<D<173S--的区域内.可看出表观粘度随剪 切速率的增大而增大,呈一定的剪切增稠性.表观粘度仉和剪切速率 y同样符合幂律方程,但流态指数n大于1,即: %=K,n>l(2) 25?时,对测试曲线进行拟合: 21.6<7<70.4,r/.=159.289,,n=一0.158<1(3) 70.4<7<173,r/~=0.09083,0 ,n=1.6192>1(4) 4结论 分散剂的用量和超声时间强烈的影响纳米碳酸钙悬浮液分散性 在纳米碳酸钙5%的浓度下.SN5040分散剂有一个最佳用量值.最佳 用量在10%一15%之间:超声波作用时间对分散效果有一定的影响.随 着超声波时间的延长.纳米CaCO的平均粒径先显着减小.达到最小 值之后又有增大的趋势.本文分散条件下,超声时间30min条件下.分 散效果最好.SN5040分散剂对纳米碳酸钙分散液流动特性随剪切速 率增大分别呈现剪切稀化和剪切增稠性.? 【参考文献】 [1]王启民.纳米碳酸钙和纳米粘土浆液制备技术及浆液性能试验研究[D】徐州: 中国矿业大学.2009. 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