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氧化铝氧化锆复合胶体的研究

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《科技广场杂志》2015年第二期

1制备及实验方法

将水、盐酸和铝粉按照一定比例加热回流,得到聚合氯化铝溶胶(Al2(OH)2Cl4,20%(Al2O3质量分数),pH=3.8),冷却至室温,备用。将m(氧氯化锆):m(醋酸锆)=0.6∶1混合,获得锆盐均相溶液。然后按m(Al2O3)/m(ZrO2)=1∶1的比例,将锆盐溶液和聚合氯化铝溶胶混合,加入wt8%的聚乙烯醇,搅拌均匀,在75℃水浴锅中蒸馏浓缩50分钟,得到锆铝前驱体溶胶。采用ZetasizerNanoZs90纳米粒度分析仪(英国马尔文仪器有限公司)测量胶体粒度随陈化时间的变化。采用AR1500EX流变仪(美国TA仪器公司)对胶体的流变性及储能模量G''''、耗能模量G''''''''进行检测分析。

2结果与讨论

2.1胶体粒度随陈化时间的变化图一为经不同陈化时间后的氧化铝-氧化锆溶胶的粒径分布图。由图一可以看出,初始胶体粒度集中分布在1nm~100nm之间,极少部分存在大于1000nm的范围内。此时胶体粒径较小,分散度高,布朗运动强烈,胶体动力稳定性好,外观均匀透明。陈化2~4天,出现了大于100nm的范围内的胶粒,且数量增多。这是因为胶粒间存在引力和斥力,当引力大于斥力时,胶粒碰撞,粒径叠加。第5天时,胶粒间斥力大于引力,胶粒又逐渐分开。在此过程存在大粒子溶解、小粒子团聚的反复动态变化[5]。但陈化6天后处于1nm~40nm间的胶粒减少,40nm~1000nm间胶粒数量明显增大,1000nm以上的胶粒也出现激增,呈现胶团粒子聚集的趋势。此后,胶体中大粒子不能被分散开来,不能呈现聚合、分解的动态变化,分散度降低,胶体已开始聚集。这是因为胶团克服了势垒,失去了聚集稳定性,逐渐聚结,也失去了动力稳定性。所以胶体的稳定性有时限性,随着陈化时间的延长,胶体粒度反复波动,直至胶粒间位能克服能垒发生聚沉。

2.2胶体的储能模量、耗能模量随振荡频率的变化图二为频率扫描试验中,某一氧化铝-氧化锆胶体在陈化过程中的储能模量G''''与耗能模量G''''''''关系变化曲线。由图二可知,耗能模量G''''''''高于储能模量G'''',胶体表现为粘性。且随着震荡频率的增加,两者呈现递增趋势。正如表一结果显示:此时体系内动力学不稳定,胶体极易发生沉降,稳定性差。胶体为粘弹性物质,其结构特性与弹性最为相关。储能模量G''''用来衡量胶体的弹性成分,耗能模量G''''''''用来衡量胶体的粘性。在时间尺度相近的过程中,特定频率扫描下,哪个模量占主导就表明结构完整的物质是弹性还是粘性。性能稳定的氧化铝-氧化锆胶体在陈化过程中储能模量G''''高于耗能模量G'''''''',且两个模量几乎都与震荡频率相互独立时,胶体才不太可能沉降。也就是说,可以用此检测胶体发生沉降的可能性。

2.3PH对胶体的稳定性的影响图三为不同PH下胶体粘度随温度的变化。由图三可以看出,不同PH下,在一定温度范围内胶体粘度随温度升高而升高,但是增长率不同。PH=3的胶体粘度其变化量和变化率均最小,胶体也最稳定。由表二可以看出,在陈化过程中,胶体处于失水状态,但胶体的PH依然很稳定,这说明胶体PH变化与陈化时间关系不大。

2.4陈化温度和含水率对动力粘度的影响如图四所示,是胶体粘度在敞开体系中受温度和含水率的共同作用下的变化趋势图。可见,随着胶体温度升高,体系水分挥发越快,胶体含水率降低,粘度出现先下降后上升的变化趋势。温度在15℃~28℃时,含水率在40%~49%范围内,温度对胶体粘度的影响起主导作用。这是因为温度对增加分子热运动有贡献。温度的升高会增加溶胶体系中胶粒的活动能力,同时,原来由大量羟基作用的线性团簇开始分散,部分胶粒甚至脱离团簇的束缚,胶体的流动性增大,导致粘度下降。温度在28℃~40℃,含水率在34%~40%范围内,含水率对胶体粘度的影响起主导作用。这是因为溶胶中水分减少又使得胶粒不能分散,逐渐团聚。温度在24℃~28℃,含水率在38%~44%范围内,水分和温度的共同作用使得分子链运动限制在一定空间内,使得胶体粘度比较稳定。粘度是表征胶体稳定性的关键参数。在不同反应温度、反应时间下制得的胶体初始含水率、初始温度不同,致使初始粘度不同,但是它们对胶体粘度变化趋势的影响是一致的。

2.5剪切速率对表观粘度的影响图五为氧化铝-氧化锆胶体表观粘度随剪切力的变化图。在甩丝成纤过程中,胶体会受到剪切力的作用。由图五可知,随着剪切速率的增大,胶体粘度逐渐变小,出现剪切变稀的现象。这是由于剪切力小时,结构粘度大;剪切力增加后,网状结构被拆散,质点还会随之定向,导致粘度下降。在体系中存在大量线性交联聚合物,随着剪切速度的增加,聚合物的分子链被拉伸、舒展、牵引排列,分子链之间的自由伸展阻碍减小。当剪切速率达到500.01/s以上时,胶体粘度基本趋于稳定不再变化,此时胶体流动性好,也就是说胶体内部聚合物分子链分布已趋于均匀,达到相对稳定。这也对成纤过程中的转速控制提供了依据。

3结束语

(1)为探究胶体在陈化储存过程中的稳定性,采用粒径检测、震荡频率扫描试验分析表征。结果表明,胶粒粒径集中4nm~30nm,pH为3,储能模量G''''高于耗能模量G'''''''',两个模量几乎都与震荡频率相互独立时,胶体才不太可能在陈化过程中发生沉降。(2)当胶体温度在25℃~30℃,含水率在45.7%~48.3%,剪切速率大于5001/s时,胶体在成纤过程中能被稳定的牵伸成纤,这为胶体稳定的储存与成纤提供了依据。

作者:傅超李呈顺白佳海刘俊成单位:山东理工大学山东鲁阳股份有限公司

科技广场杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次
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