氧化鋁氧化鋯復合膠體的研究范文

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《科技廣場雜志》2015年第二期

1制備及實驗方法

將水、鹽酸和鋁粉按照一定比例加熱回流，得到聚合氯化鋁溶膠（Al2（OH）2Cl4，20%（Al2O3質量分數(shù)），pH=3.8），冷卻至室溫，備用。將m（氧氯化鋯）：m（醋酸鋯）=0.6∶1混合，獲得鋯鹽均相溶液。然后按m（Al2O3）/m（ZrO2）=1∶1的比例，將鋯鹽溶液和聚合氯化鋁溶膠混合，加入wt8%的聚乙烯醇，攪拌均勻，在75℃水浴鍋中蒸餾濃縮50分鐘，得到鋯鋁前驅體溶膠。采用ZetasizerNanoZs90納米粒度分析儀（英國馬爾文儀器有限公司）測量膠體粒度隨陳化時間的變化。采用AR1500EX流變儀（美國TA儀器公司）對膠體的流變性及儲能模量G''''、耗能模量G''''''''進行檢測分析。

2結果與討論

2.1膠體粒度隨陳化時間的變化圖一為經不同陳化時間后的氧化鋁-氧化鋯溶膠的粒徑分布圖。由圖一可以看出，初始膠體粒度集中分布在1nm～100nm之間，極少部分存在大于1000nm的范圍內。此時膠體粒徑較小，分散度高，布朗運動強烈，膠體動力穩(wěn)定性好，外觀均勻透明。陳化2～4天，出現(xiàn)了大于100nm的范圍內的膠粒，且數(shù)量增多。這是因為膠粒間存在引力和斥力，當引力大于斥力時，膠粒碰撞，粒徑疊加。第5天時，膠粒間斥力大于引力，膠粒又逐漸分開。在此過程存在大粒子溶解、小粒子團聚的反復動態(tài)變化[5]。但陳化6天后處于1nm～40nm間的膠粒減少，40nm～1000nm間膠粒數(shù)量明顯增大，1000nm以上的膠粒也出現(xiàn)激增，呈現(xiàn)膠團粒子聚集的趨勢。此后，膠體中大粒子不能被分散開來，不能呈現(xiàn)聚合、分解的動態(tài)變化，分散度降低，膠體已開始聚集。這是因為膠團克服了勢壘，失去了聚集穩(wěn)定性，逐漸聚結，也失去了動力穩(wěn)定性。所以膠體的穩(wěn)定性有時限性，隨著陳化時間的延長，膠體粒度反復波動，直至膠粒間位能克服能壘發(fā)生聚沉。

2.2膠體的儲能模量、耗能模量隨振蕩頻率的變化圖二為頻率掃描試驗中，某一氧化鋁-氧化鋯膠體在陳化過程中的儲能模量G''''與耗能模量G''''''''關系變化曲線。由圖二可知，耗能模量G''''''''高于儲能模量G''''，膠體表現(xiàn)為粘性。且隨著震蕩頻率的增加，兩者呈現(xiàn)遞增趨勢。正如表一結果顯示：此時體系內動力學不穩(wěn)定，膠體極易發(fā)生沉降，穩(wěn)定性差。膠體為粘彈性物質，其結構特性與彈性最為相關。儲能模量G''''用來衡量膠體的彈性成分，耗能模量G''''''''用來衡量膠體的粘性。在時間尺度相近的過程中，特定頻率掃描下，哪個模量占主導就表明結構完整的物質是彈性還是粘性。性能穩(wěn)定的氧化鋁-氧化鋯膠體在陳化過程中儲能模量G''''高于耗能模量G''''''''，且兩個模量幾乎都與震蕩頻率相互獨立時，膠體才不太可能沉降。也就是說，可以用此檢測膠體發(fā)生沉降的可能性。

2.3PH對膠體的穩(wěn)定性的影響圖三為不同PH下膠體粘度隨溫度的變化。由圖三可以看出，不同PH下，在一定溫度范圍內膠體粘度隨溫度升高而升高，但是增長率不同。PH=3的膠體粘度其變化量和變化率均最小，膠體也最穩(wěn)定。由表二可以看出，在陳化過程中，膠體處于失水狀態(tài)，但膠體的PH依然很穩(wěn)定，這說明膠體PH變化與陳化時間關系不大。

2.4陳化溫度和含水率對動力粘度的影響如圖四所示，是膠體粘度在敞開體系中受溫度和含水率的共同作用下的變化趨勢圖。可見，隨著膠體溫度升高，體系水分揮發(fā)越快，膠體含水率降低，粘度出現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢。溫度在15℃～28℃時，含水率在40%～49%范圍內，溫度對膠體粘度的影響起主導作用。這是因為溫度對增加分子熱運動有貢獻。溫度的升高會增加溶膠體系中膠粒的活動能力，同時，原來由大量羥基作用的線性團簇開始分散，部分膠粒甚至脫離團簇的束縛，膠體的流動性增大，導致粘度下降。溫度在28℃～40℃，含水率在34%～40%范圍內，含水率對膠體粘度的影響起主導作用。這是因為溶膠中水分減少又使得膠粒不能分散，逐漸團聚。溫度在24℃～28℃，含水率在38%～44%范圍內，水分和溫度的共同作用使得分子鏈運動限制在一定空間內，使得膠體粘度比較穩(wěn)定。粘度是表征膠體穩(wěn)定性的關鍵參數(shù)。在不同反應溫度、反應時間下制得的膠體初始含水率、初始溫度不同，致使初始粘度不同，但是它們對膠體粘度變化趨勢的影響是一致的。

2.5剪切速率對表觀粘度的影響圖五為氧化鋁-氧化鋯膠體表觀粘度隨剪切力的變化圖。在甩絲成纖過程中，膠體會受到剪切力的作用。由圖五可知，隨著剪切速率的增大，膠體粘度逐漸變小，出現(xiàn)剪切變稀的現(xiàn)象。這是由于剪切力小時，結構粘度大；剪切力增加后，網狀結構被拆散，質點還會隨之定向，導致粘度下降。在體系中存在大量線性交聯(lián)聚合物，隨著剪切速度的增加，聚合物的分子鏈被拉伸、舒展、牽引排列，分子鏈之間的自由伸展阻礙減小。當剪切速率達到500.01/s以上時，膠體粘度基本趨于穩(wěn)定不再變化，此時膠體流動性好，也就是說膠體內部聚合物分子鏈分布已趨于均勻，達到相對穩(wěn)定。這也對成纖過程中的轉速控制提供了依據(jù)。

3結束語

（1）為探究膠體在陳化儲存過程中的穩(wěn)定性，采用粒徑檢測、震蕩頻率掃描試驗分析表征。結果表明，膠粒粒徑集中4nm～30nm，pH為3，儲能模量G''''高于耗能模量G''''''''，兩個模量幾乎都與震蕩頻率相互獨立時，膠體才不太可能在陳化過程中發(fā)生沉降。（2）當膠體溫度在25℃~30℃，含水率在45.7%～48.3%，剪切速率大于5001/s時，膠體在成纖過程中能被穩(wěn)定的牽伸成纖，這為膠體穩(wěn)定的儲存與成纖提供了依據(jù)。

作者：傅超李呈順白佳海劉俊成單位：山東理工大學山東魯陽股份有限公司