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北京冠測精電儀器設(shè)備有限公司 2017-05-11 點擊1710次
近年來， 納米材料因其所表現(xiàn)出的特殊效應(yīng)和性能以及在諸多領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價值， 成為材料研究領(lǐng)域的熱點。粉體粒度大小及分布情況作為檢驗其質(zhì)量的重要物理參數(shù)， 對產(chǎn)品的工藝性能和使用性能有著直接影響。國內(nèi)外對粉體粒度測定的方法主要有篩分法、沉降法、顯微鏡法、庫爾特計數(shù)器法、激光衍射散射法等，其中激光法粒度測試儀具有測試適用范圍寬、速度快、精度高、重復(fù)性好、操作簡單和分析結(jié)果代表性好等突出優(yōu)點， 在納米尺度粉體粒度的檢測方面得到廣泛應(yīng)用。
激光粒度儀主要依據(jù)Fraunhofer 衍射和Mie 散射兩種光學(xué)理論， 基本原理基于激光和被測顆粒之間的相互作用，被測顆粒在介質(zhì)中懸浮分散，當入射光行進過程中遇到懸浮粒子發(fā)生偏離其直線傳播方向時會發(fā)生光散射現(xiàn)象， 散射光強度隨時間產(chǎn)生脈動。散射光強度隨時間的變化與顆粒的大小有直接關(guān)系，這就要求被測粉體在懸浮液中分散均勻、無團聚和沉降現(xiàn)象，因此顆粒的分散性是利用激光粒度儀進行粒度測定的關(guān)鍵。
目前，已有相關(guān)文獻對納米碳酸鈣、納米氧化鋅、超細氧化鋁、超細白炭黑等粉體的激光粒度儀測定條件做了研究。納米硫酸鋇作為一種新型功能材料，具有化學(xué)惰性強、耐酸堿、硬度適中、高白度、能吸收有害射線等優(yōu)點，廣泛用于各種涂料、醫(yī)藥、橡膠、造紙、陶瓷、化妝品等領(lǐng)域，但對其粒度準確測量的研究很少。筆者使用基于完全Mie 散射的Zetasizer Nano S90 型激光粒度分析儀對納米硫酸鋇的粒度進行測定條件研究， 結(jié)合掃描電子顯微鏡照片確定了測定納米硫酸鋇粒度的最佳條件。
1 實驗部分
1.1 實驗原料與儀器
原料：無水硫酸鈉；氯化鋇；六偏磷酸鈉；十二烷基苯磺酸鈉；氫氧化鈉；聚丙烯酸鈉分子量2000；去離子水（自制）。
儀器：Zetasizer Nano S90 型激光粒度分析儀、S-4800-1 型掃描電鏡儀、VGT-1 730T 型超聲波發(fā)生器。
1.2 實驗方法
配制體積相同、質(zhì)量濃度分別為71 g/L 的硫酸鈉與104 g/L 氯化鋇溶液，在氮氣壓力為0.2 MPa 的條件下， 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計控制反應(yīng)物的流量為10 L/h， 使其通過微反應(yīng)器制得固體質(zhì)量濃 度為58.25 g/L 納米硫酸鋇懸浮液，并用激光粒度儀對懸浮液進行粒度分析。
另取部分納米硫酸鋇懸浮液，用乙醇稀釋后使用掃描電子顯微鏡對其形貌和尺寸進行表征。
2 結(jié)果與討論
2.1 SEM 表征
圖1 為納米硫酸鋇的SEM 照片。從圖1 可以看出，制得的納米硫酸鋇的形貌接近球形，粒度范圍為30~60 nm，粒度分布較窄。
2.2 粒度分析
用激光粒度分析儀測定制得的固體質(zhì)量濃度為58.25 g/L 的納米硫酸鋇懸浮液粒度，結(jié)果見圖2。由圖2 可以看出， 納米硫酸鋇的平均粒徑為3 740.7 nm，與電鏡照片結(jié)果相差較大，并出現(xiàn)了2個分布峰。這是由于納米粉體的高比表面積、高表面能等特點，導(dǎo)致顆粒之間的范德華力大于靜電排斥力，顆粒極易發(fā)生團聚，嚴重影響了激光衍射法的測定結(jié)果的準確性。因此，需采取一定措施減少粒子團聚，探索其最佳實驗條件，從而提高測定結(jié)果的準確性和可靠性。
2.3 超聲時間的影響
分別取1 mL 納米硫酸鋇懸浮液， 放入7 個100 mL 的量筒中， 用質(zhì)量濃度為1 g/L 的六偏磷酸鈉溶液稀釋，直至滿刻度。圖3 為超聲分散不同時間后，激光粒度儀對納米硫酸鋇粒度的測量結(jié)果。由圖3 可以看出，隨著超聲分散時間的延長，納米硫酸鋇樣品的粒度先減小后增大。這是由于超聲作用將團聚在一起的納米硫酸鋇分散開， 使顆粒均勻分散在分散介質(zhì)中，因此測得的粒徑變??；但隨著超聲時間的進一步延長，超聲波發(fā)生器內(nèi)水的溫度升高，納米硫酸鋇顆粒的布朗運動加劇，分散開的硫酸鋇顆粒又重新團聚，從而使粒徑變大。從圖3 還可以看出，在超聲分散15 min 后測得的粒度結(jié)果與電鏡結(jié)果最為相近， 因此實驗選擇適宜的超聲分散時間為15 min。
2.4 分散劑的影響
無機粉體水漿料的分散劑主要分為無機類、有機類和高分子類。分散體系的穩(wěn)定在于提高斥力，降低顆粒間引力，阻止顆粒聚集。實驗選用了最常用的4 種分散劑：六偏磷酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、氫氧化鈉、聚丙烯酸鈉（分子量為2000）進行實驗對比，以期確定使納米硫酸鋇分散效果較好的分散劑。分別取1 mL 納米硫酸鋇懸浮液， 放入3 個100 mL的量筒中，并分別用質(zhì)量濃度均為1 g/L 的六偏磷酸鈉溶液、十二烷基苯磺酸鈉溶液、氫氧化鈉溶液、聚丙烯酸鈉溶液稀釋至滿刻度，超聲分散15 min 后測定粒度，結(jié)果如表1 所示。從表1 可以看出，用六偏磷酸鈉溶液分散測定的結(jié)果與電鏡照片表征的結(jié)果較為接近， 因此實驗選擇六偏磷酸鈉作為測定納米硫酸鋇粒度的分散劑。
2.5 分散劑濃度的影響
稱取一系列不同質(zhì)量的六偏磷酸鈉， 在同樣的條件下配制成不同濃度的六偏磷酸鈉溶液， 溶劑為蒸餾水。分別取1 mL 納米硫酸鋇懸浮液，放入5 個100 mL 的量筒中，用不同濃度的六偏磷酸鈉溶液稀釋至滿刻度，超聲分散15 min 后，用激光粒度儀測定樣品粒度，結(jié)果見圖4。
由圖4 可以看出，隨著分散劑濃度的增大，納米硫酸鋇的粒徑呈增大的趨勢。在分散劑固體質(zhì)量濃度為1 g/L 時測得的粒徑較小。這是由于六偏磷酸鈉提高了顆粒表面的ξ電位， 使其表面雙電子層的靜電斥力表現(xiàn)為最大，抑制了小顆粒再團聚，從而使體系穩(wěn)定，顆粒充分分散；而隨著分散劑濃度進一步增大，雙電層受到壓迫而變薄或被破壞，令顆粒間靜電斥力變小直至于完全消失，在范德華力的作用下，顆粒間又相互團聚，使測定結(jié)果變大。因此，實驗選擇適宜的分散劑六偏磷酸鈉固體質(zhì)量濃度為1 g/L。
2.6 分散介質(zhì)的影響
選擇合適的分散介質(zhì)的一般原則是分散介質(zhì)對粉體有良好的潤濕作用， 同時又要考慮到低成本、無毒、無害、無腐蝕性。
實驗分別選擇蒸餾水、無水乙醇、丙酮、無水甲醇、苯、乙二醇、聚乙二醇400 作為溶劑配制成1 g/L六偏磷酸鈉的液體分散介質(zhì)，取6 個100 mL 的量筒各加入1 mL 納米硫酸鋇懸浮液，并分別加入上述6 種配制好的分散介質(zhì)至滿刻度， 超聲分散15 min后測試粒度，結(jié)果見表2。由表2 可以看出，用水分散測定的結(jié)果與電鏡照片測定的結(jié)果相差較小，因此實驗選用蒸餾水作為測定所用分散介質(zhì)。
2.7 納米硫酸鋇固含量對粒度測定的影響
分別取納米硫酸鋇懸浮液，用1 g/L 的六偏磷酸鈉的水溶液稀釋至不同的固含量， 超聲分散15 min后，采用激光粒度儀測量其粒度，結(jié)果見圖5。由圖5可以看出， 納米硫酸鋇的粒度隨硫酸鋇固含量的增大而增大。這可能是由于隨著硫酸鋇固含量的增大，顆粒多次散射的影響較大， 同時顆粒的團聚也不容忽視，很可能得到的是團聚體的散射強度，而非一次顆粒的散射， 導(dǎo)致測定結(jié)果偏大。從圖5 還可以看出，硫酸鋇的固體質(zhì)量濃度為0.35 g/L 時，測得結(jié)果與電鏡照片表征的結(jié)果最為接近。因此，實驗選擇適宜的納米硫酸鋇固體質(zhì)量濃度為0.35 g/L。
2.8 最佳條件下納米硫酸鋇粒度的測定
圖6 為在超聲分散時間為15 min、分散劑六偏磷酸鈉質(zhì)量濃度為1 g/L、分散介質(zhì)為蒸餾水、納米硫酸鋇固體質(zhì)量濃度為0.35 g/L 的條件下， 納米硫酸鋇樣品粒度的測定結(jié)果。由圖6 可以看出，最佳條件下測得納米硫酸鋇的平均粒徑為55.3 nm，且粒徑分布較窄，該結(jié)果與電鏡照片表征結(jié)果基本符合。
3 結(jié)論
采用Zetasizer Nano S90 型激光粒度分析儀對納米硫酸鋇的粒度測定進行了研究，結(jié)果表明：在超聲分散15 min、1 g/L 的六偏磷酸鈉作分散劑、蒸餾水作分散介質(zhì)、納米硫酸鋇固體質(zhì)量濃度為0.35 g/L的條件下，測得樣品的平均粒度為55.3 nm，且粒徑分布較窄，與掃描電鏡表征結(jié)果基本一致。