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纳米二氧化钛在整理液中的分散稳定性研究


第 23 卷第 10 期 2006 年 10 月

印 染 助 剂

TEXTILE AUXILIARIES

Vol.23 No.10 Oct.2006

纳米二氧化钛在整理液中的 分散稳定性研究
孙 飞, 许海育
( 东华大学化工学院, 上海 201620)



要: 研究了不同分散剂在不同条件下对纳米二氧化钛粉体在整理液中分散稳定性的影响,采用分散相的沉降高度和分

散体系中粒子的粒度分布进行评价,结果表明:六偏磷酸钠, 硅酸钠, 1 是纳米二氧化钛粉体较好的分散剂.通过测定分散相在分散 NK- 递质中的 Zeta 电位,分析了分散剂的分散机理,说明六偏磷酸钠和硅酸钠可显著提高整理液中二氧化钛颗粒表面 Zeta 电位的绝对值, NK- 1 在纳米二氧化钛颗粒表面形成良好的溶剂化层,使纳米二氧化钛颗粒在水溶液中获得优良的分散稳定性.

关键词:

纳米二氧化钛; 分散稳定性; 分散剂

中图分类号 : TB383

文献标识码 : B

文章编号 : 1004- 0439(2006)10- 0037- 03

Dispe r sion st a bilit y of n a n ome t e r t it a n ia in fin ishin g liqu or s
SUN Fei , XU Ha i -yu
( Chem. Chem. Eng. Coll., Donghua Univ., Shanghai 201620, China)

Abstr act : The effects of different dis pers ants under different conditions on the dis pers ion s tability of nano- titania in finis hing liquors w ere s tudied by evaluating the s edim entation height of the dis pers ion phas e and the particle s izes in the dis pers ion s ys tem s . The res ults s how ed that s odium hexam etaphos phate(I), s odium s ilicate (II) and NK- 1 w ere good dis pers ants for nano - titania. The dis pers ion m echanis m of the dis pers ants w as ana- lyzed by tes ting the Zeta potential of the dis pers ion phas e in the dis pers ion m edium . It w as s how n that I and II rais ed obvious ly the abs olute values of s urface Zeta potential of titania particles , and NK- 1 form ed good s olvate layers of the particles s o that the nano- titania particles w ere s tably dis pers ed in the w ater s olns . Key wor ds : nanom eter titania; dis pers ion s tability; dis pers ants

纳米二氧化钛的特殊结构使其在光, , , 电 磁 机 械和化学等方面的性能与块 材 有 显 著 不 同 , 具 有 重
[1]

尽量选用能提高颗粒能量势垒的分散剂 , 以增大颗粒 间 的 斥 力 , 使 颗 粒 充 分 分 散 ;(2) 对 于 氧 化 物 和 氢 氧 化 物及含有氧化基团的颗粒 , 应注意体系 pH 值对颗粒 分散性的影响 , 根据 pH 值的范围来确定合适的分散 剂;(3)单一分散剂无法达到理想的分散效果时 , 可以用 复配分散剂来实现 .[2]另外 , 表面改性使纳米二氧化钛 颗粒表面变成相同的电性或相同的极性 , 同性相斥而 不再团聚.本试验重点研究了合适分散剂的选择, 试验 合理的分散技术 , 改善了纳米二氧化钛在整理液中的 分散稳定性 .

要的科研价值和极其广泛的潜在应用价值 . 如纳米二 氧化钛可以阻断紫外线照射已逐渐被应用于化妆品 以及纺织品的防紫外线整理中 , 但纳米二氧化钛的团 聚 (由于超细微粒具有较大的表面能和活性而呈现团 聚的倾向 )是应用的难题 . 因此 , 解决纳 米 二 氧 化 钛 在 递质中的分散稳定性是实现应用的前提 ;选择合适的 分散剂和粉体表面改性是解决其分散稳定性的关键 . 选用分散剂时 , 应该考虑以下准则 :(1)在一定条件下 ,

收稿日期: 2006- 05- 15 作者简介: 孙 飞 (1982- ), 男 , 安徽阜阳人 , 在读硕士 , 主要从事染整方面的研究 .

38

印 染 助 剂

23 卷

1
1.1

试验
材料和设备 材 料 : 纳 米 TiO2(浙 江 舟 山 明 辉 纳 米 材 料 有 限 公

从图 1 可以看出, 以 NaCl, NaOH 为分散剂时,24 h 的沉降高度分别达到了 6.4 和 5.6 mm, 比空白试样 (4.6

mm)还要高 , 因此 , 它们对纳米二氧化钛的分散起了副
作用 . 以六偏磷酸钠 , 酸 钠 和 NK- 1 为 分 散 剂 时 ,24 硅

司 ), 2SiO3, Na NaCl , 1(浙江德清宝维同有限公司 ), NK- 六偏磷酸钠 (NaPO3)6, NaOH, 均为市售 . 仪器 :JRJ- 300-

h 的沉降高 度 分 别 为 2.1 , , mm, 它 们 对 浆 液 的 3.5 3.1
分散稳定性已有很大程度的改善 . 另外 , 分散相颗粒因 其分散状态不同而有不同程度的沉降 , 不同分散剂对 体系的分散稳定性影响程度不同 , 它们对 TiO2 颗粒在 整理液中的分散能力由大到小顺序 :(NaPO3)6>NK- 1>

1 型高剪切乳化搅拌机 (上海标本模型厂 );SCS1200 型
超声波分散仪 (上海轻超声波仪器有限公司 ),LS13320 型粒度和 Zeta 电位分析仪 (美国 Counter).

1.2

操作 纳米材料
加水

Na2SiO3>NaOH>NaCl.
高 速 剪 切 混 合 15 min
加分散剂



2.2

颗粒表面 Zeta 电位对分散稳定性的影响 各取 1% 的纳米 TiO2 溶液 , 分别加入 0.2% 的不同

声粉碎 20 min→ 调节 pH→ 搅拌 → 沉降实验 → 测粒径 和 Zeta 电位 .

分散剂 (总体积 100 mL), 通过滴加 0.25 mol/L 的 H2SO4 溶 液 或 0.5 mol/L 的 NaOH 溶 液 来 改 变 分 散 递 质 的

1.3 测试 1.3.1 沉降速度 取含 TiO2 15%(质 量 分 数 )的 浆液放入试管中 , 分 别读出浆液在 2 , , , , h 时的沉降 高 度 H, 然 后 4 8 12 24 由总高度 H0- 沉降高度 H 计算分层高度 . 通过 TiO2 颗 粒在溶液中的沉降高度来表征 TiO2 颗粒的分散程度 , 沉降速度 越 快,说 明 分 散 相 颗 粒 越 大,团 聚 现 象 越 严 重 , 分散效果越差 ; 反之 , 沉降速度越慢 , 分散相颗粒越 小 , 分散状态越好 . 1.3.2 纳米颗粒粒径和 Zeta 电位 纳米颗粒粒径和 Zeta 电位采用粒度和 Zeta 电位 分析仪测试 . 溶液中颗粒的粒度分布反映了粉体的分 散均匀性 , 平均粒度越小 , 颗粒 的 分 散 性 越 好 . 颗 粒 的 Zeta 电位绝对值越大 , 其分散性能越好 .Zeta 电位的绝 对值在碱 性 条 件 下 明 显 变 大,排 斥 力 增 加,有 利 于 分 散的稳定 .

pH 值测得 Zeta 电位的结果见图 2.
40


Zeta 电位 /mV

20 0 - 20 - 40 - 60 0

■ ◆ ▲ ◆ ■

◆ ■

◆ ■

◆ ◆ ■ ▲ % ■ ▲ %

▲ % % %

▲ % %

5 pH 值

10

15

◆ — NK- 1;■ — H2O;▲ — Na2SiO3;% — (NaPO3)6
图2 分散剂对 TiO2 颗粒表面 Zeta 电位的影响

从图 2 可以看出 , 加入分散剂后 , 颗粒表面的 Zeta 电位发生较 大 变 化.加 入 六 偏 磷 酸 钠 后,颗 粒 表 面 的

2
2.1

结果和讨论
分散剂对纳米二氧化钛颗粒分散的影响 各取含 TiO2 15% 的浆液 , 分 别 加 入 1% 的 不 同 分

散剂 , 整理液沉降高度结果如图 1.
7
沉淀高度 /mm
● &

5 3 1
& % ◆ ■ ● ▲ ● & % ▲ ■ ◆ ● & % ▲ ■ ◆ ● & % ▲ ■ ◆

● % & % ▲ ■ ◆

▲ ■ ◆

0

10
时间 /h

20

30

◆ — (NaPO3)6;■ — NK- 1;▲ — Na2SiO3;% —空白 ;& — NaOH;● — NaCl
图1 分散剂对 TiO2 颗粒在整理液中的分散作用

Zeta 电 位 绝 对 值 在 不 同 pH 值 下 都 有 较 大 幅 度 的 变 化 ,Zeta 电位的绝对值在 9 左右达到最大 ,pH 值 >9 时 又有下降趋势. 由于溶液 pH 值是通过 0.5 mol/L NaOH 溶液来调节的 , 加入 NaOH 不利于体系的稳定 , 当 pH 值较高时 , 如 pH 值 >10, 其分散效果有所下降 , 可能是 NaOH 对分散体系的不利影响所造成的.在六偏磷酸钠 分散剂体系中 , 纳米二氧化钛在整个 pH 范 围 内 Zeta 电位都为负值 , 绝对值很大 (- 40~- 55 mV), 所以分散稳 定 性 较 好 ; 而 分 散 剂 为 NK- 1 时 , 颗 粒 表 面 的 Zeta 电 位绝对值都较低 . 2.3 分散剂对 TiO2 在溶液中粒度分布效果的影响 不同分散剂对 TiO2 在溶液中粒度分布效果的影 响 , 见图 3. 从图 3 可知 , 加入六偏磷酸钠后 , 二氧化钛颗粒的 分散性最好 , 基本为单 颗 粒 分 散 状 态 , 平 均 粒 径 在 90 nm 左右 . 图 3 中通过粒度分布对分散的表征与图 1 中通

10 期



飞等: 纳米二氧化钛在整理液中的分散稳定性研究

39

过沉降高度的表征结果一致 .
2 000
◆ ■ ◆ ■

基形成离子键 , 对在 TiO2 表面形成溶剂化层产生不利 影响 , 所以溶液会发生沉淀 , 导致酸性条件下 (pH<5)颗 粒的单分散效果下降 .

粒径 /nm

1 500


1 000 500
▲ ▲ ■ ▲ ◆ ■ ▲ ■ ◆ ▲ ■ ▲ ◆ ■ ◆ ▲

3
3.1
15

结论
整理液中分散相颗粒因其分散状态不同而有不

0

5 pH 值

10

同程度的沉降 , 不同分散剂对体系的分散稳定性影响 程度不同 , 它们对 TiO2 颗粒在整理液中的分散能力由 大到小顺序 :(NaPO3)6>NK- 1>Na2SiO3>NaOH>NaCl.

◆ — Na2SiO3;■ — NK- 1;▲ — (NaPO3)6
图3 分散剂对 TiO2 在溶液中粒度分布效果的影响
[3]

3.2 3.3

NK- 1 通过溶剂化作用改善了纳米 颗 粒 的 分 散
以六偏磷酸钠, 硅酸钠为分散剂 , 颗粒的 Zeta 电

2.4

溶剂化作用对分散稳定性的影响

稳定性 . 位绝对值大 , 其分散性能好 .Zeta 电位的绝对值在碱性 条件下明显变 大,排 斥 力 增 加,有 利 于 整 理 液 的 分 散 稳定 . 参考文献 :
[1]
邵庆辉 , 古国榜 , 章丽娟 , 等 . 纳 米 材 料 的 合 成 与 制 备 进 展 研 究 [J]. 兵 器材料科学与工程 ,2002(4):59- 63.

从图 2 可以看出 , 在分散剂为 NK- 1 时 , 二氧化钛 颗 粒 表 面 的 Zeta 电 位 绝 对 值 较 低 , 小 于 12 mV, 其 双 电层作用所产生的分散及分散稳定性较弱 . 但图 1 和 3 均表明 , 分散剂为 NK- 1 时 , 颗粒都能具有较好的分 散稳定性 , 在以 NK- 1 为分散剂的溶液中 , 颗粒的粒度 分布也基本处于单分散状态 . 原因为分散剂 NK- 1 是 一种带有羟基的高分子物分散剂 , 带有的羟基与二氧 化钛表面的羟基通过氢键形成羟桥结构 , 并在二氧化 钛 表 面 吸 附 NK- 1 分 子 形 成 溶 剂 化 层 ,NK- 1 对 溶 液 中颗粒的分散作用不是双电层作用 , 而是溶剂化作用 的结果 . 在酸性条件下 , 溶液中大量 H+与 TiO2 表面羟

[2]

崔 爱 莉,王 亭 杰,何

红,等.超 细 二 氧 化 钛 粉 末 在 水 溶 液 中 的 分 散

[J]. 过程工程学报 ,2001(1):99- 101. [3]
聂 福 德,李 风 生,宋 洪 昌,等.超 细 粉 体 在 液 相 中 分 散 性 的 研 究 进 展

[J]. 化工进展 ,1996(4):24- 28.


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