纳米ZrO2粉的表面电性研究

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欢迎访问e展厅 展厅 11 纳米材料/工业陶瓷展厅 空心微珠, 金刚石微粉, 纳米金, 纳米铂金, 纳米铜, ... 鉴于ZrO2陶瓷在结构、功能、生物及涂料、远红外等多种领域的广泛应用，对其制备、表征、改性的研究已经较为深入。认识ZrO2的表面电性是其更好地被应用的重要方面。我们知道，粉体表面的电性是由其表面的荷电离子，如H+、OH-等决定的。研究粉体表面的双电层和Zeta电位，对其表面性质的研究有重要意义。国内外已经积极地开展了研究，如：聚丙烯酸有机物改性剂对ZrO2表面电性的影响；商用电解质溶液对ZrO2悬浮液电性的影响；分散剂对纳米 ZrO2粉体悬浮液电化学性质的作用等。 粉体表面的荷电性与其大小影响颗粒之间、颗粒与表面活性剂分子及其它化学物质之间的静电作用力，因而影响颗粒之间的凝聚和分散特性以及表面改性剂在颗粒表面的吸附作用。若颗粒表面带有某种电荷（如正电荷），其表面就会吸附相反符号的电荷（即负电荷），构成双电层。众所周知，在滑动面处产生的动电电位叫作Zeta电位，这就是我们通常所测的颗粒表面的（动电）电位。可见，Zeta电位实际上不是粒子界面的电位，只是吸附层外侧的电位。吸附层越厚，Zeta电位就越低。假如颗粒表面上的正电荷数与固定层吸附的负离子数相符，Zeta电位就变成了零，此时对应溶液的PH值称为等电点。 测定粉体的 Zeta电位，从 PH～Zeta potential关系图上求出等电点，是认识粉体表面电性的重要方法，在粉体表面处理中也是重要的手段。当然，影响Zeta电位的因素很多，如粉体的化学成分、PH值、表面缺陷、溶剂、粒度分布等等。我们对超细ZrO2粉体进行了Zeta电位的测定实验，重点对表面活性剂对其分散性进行了研究。 1. 实验部分 1.1 样品的制备 以ZrOCl2·8H2O为原料，以Y3+和Ce4+为相稳定剂，用共沉淀方法制备ZrO2系列样品。分别制得4种样品：(1)纯ZrO2(本文中记为样I)：(2)添加3％(摩尔分数)Y2O3的ZrO2(记为样Ⅱ)；(3)添加3％(摩尔分数)Y2O3和10％(摩尔分数)CeO2的ZrO2(记为样Ⅲ)；(4)添加1.5％(摩尔分数)Y2O3和4％(摩尔分数)CeO2的ZrO2(记为样IV)。 1.2 分散剂的选择 为了选择分散剂，我们选取了大量的分散剂做了实验。由于陶瓷粉体的特殊要求，含有Na等金属离子的分散剂不能选用，因此我们最后选择了效果较好的3种分散剂进行了对比实验。一种是北京化学工业研究院精细化工所研制的特制阴离子型聚羧酸盐DA，另外两种是美国罗门哈斯公司生产的高分子电解质铵盐 D3005和聚合电解质铵盐D3021。 1.3 分析方法 对第三部分所述4个系列的超细ZrO2粉体进行了Zeta电位的测定。测定时，尽量保证溶液的浓度为 0. 01％（体积分数）， HCl和 NaOH用来调节pH值，而 10－4mol/L的 NaCl溶液用来调节离子的浓度。测定所用的仪器为美国Brookhavan公司生产的zeta电位仪。溶液的Zeta电位在测定的过程中非常敏感，一点点的改变，包括浓度、温度、离子强度、pH值、粒度等都很容易使Zeta电位发生漂移。因此，在实验过程中，我们应该尽量保证严格地操作、规范地程序、精确地计算和测定。同时为了更有说服力和可比性，实验过程中尽量使各种参数保持一致。另外，样品的一次粒径用小角衍射来测定。 2. 结果与讨论 2.1 样品的粒度 粉体样品的一次粒径显然与热处理温度、化学成分、均相等因素有关，一般用透射电镜来估算其数值，这里用小角衍射的方法来测定。本实验所制备的4个系列样品一次粒径均在纳米的范围，样品Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的粒径分别为 19.8、21.4、23.3、21.9nm。 2.2未添加分散剂时样品的Zeta电位研究 对4个系列的样品分别测定Zeta电位，作出Zeta－pH关系图，求出等电点（Zpc）。 从图1不难看出，4个系列超细ZrO2粉体的Zeta～pH关系不尽相同。有以下几个特点： （1）样1的Zeta—PH关系曲线a比较光滑，等电点zPc＝4 ：8； （2）添加相稳定剂后，曲线比较类似，等电点也比较接近； （3）样Ⅱ的 zpc＝ 5.6，样Ⅲ的 ZpC＝ 5.5；样 IV的zpc＝ 5.8； （4）样Ⅳ的曲线d与前三种的一个显著差别是在PH从 11.5到 12变化时，Zeta电位没有显著的下降现象。 整体说来，它们4种的曲线类型都相近，但在ZPC的数值、曲线的光滑度和个别据点的出现及其显示度上有差别。 2.3添加活性剂后粉体的Zeta电位 我们选取了具有代表性的样 Ⅰ和样IV，在制备时添加了DA、D3005、D3021这3种分散剂，然后严格地测定了它们的Zeta电位。图2说明了样品的Zeta电位与pH的关系。 从图2不难看出，添加分散剂后，等电点都发生了很大的漂移，等电点向什么方向漂移主要取决于活性剂的类型：阴离子型、阳离子型或两性类型。样Ⅰ在添加 DA、D3005、D3021后，ZPC分别变为2.7、2.6、2.5左右；而样IV在添加了 DA、D3005、D3021后，ZpC分别变为2.3、2.1、2.0左右。说明这些分散剂对样品的分散效果大致相同，但D3021好一些。值得注意的是，在添加 D3021后，样Ⅳ的Zeta电位几乎都是负值，曲线的拐点也增多，说明D3021对样品的敏感度较大。样IV在添加 D3005以及样 Ⅰ在添加 D3005和 D3021后， pH在 11.5～12之间，曲线没有一个向下的拐点。 3 结论 以ZrOCl2·8H2O为原料，以 Y3+和 Ce4+为相稳定剂，用共沉淀方法制备ZrO2系列样品。测定了其表面Zeta电位，发现纯氧化锆样品的ZpC为4.8，而加入相稳定剂后的样品ZPC在5.6到5.8之间。添加分散剂后等电点发生不同程度的漂移，D3021的效果比较突出。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/2/2004)