【word】 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
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
.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.研究表明.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.
DispersionEffectofAcrylateCopolymerCarboxylicAcidonNanoCalcium
Carbonate
ZHANGPengXUJian
(InstituteofMechanicsandArchitecturalEngineering,CUMT,XuzhouJiangsu,221008)
【Abstract]TheproblemofNano-materialsdispersioninwatermediummustbeensolvedinordertostudytheNanoCalciumCarbonategrouting
technology.Thispaper,theeffectofSN5040dispersantonthedispersionbehaviorinaqueoussuspensionsofcalciumcarbonateparticleswith
diameterof15—4Onmhasbeeninvestigatedbytheindexingofparticlesizedistribution.microstructureandviscosity.Thisthesisfocusesonthe
dispemantdosageandultrasonictimeofinfluenceandthedispersionundertheactionofdispersantrheologicalpropertiesofnanometersize.The
resultsshowthat,wecangettheexcellentdispersionslurrybycontrollingtheinfluencefactorsreasonably;SN5040dispersanthasgooddispersion
propertiesofNanoCalciumCarbonate,andthen90%oftheparticlesintheslurryarebelowthesizeof255nm.
【Keywords]Acrylatecopolymercarboxylicacid;Nanocalciumcarbonate;Particlesizedistribution;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
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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.?
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作者简介:张鹏(19862_),男,汉族,安徽宿州人,现为中国矿业大学力学
与建筑工程学院岩土工程研究所2009级硕士研究生.研究方向为纳米碳酸钙
注浆技术.
[责任编辑:王洪泽]