PEG粒度分布-分散剂聚合度对纳米氧化铝粉体特性的影响_顾峰

分散剂聚合度对纳米氧化铝粉体特性的影响3

顾　峰,沈　悦,徐　超,夏义本,张建成

(上海大学材料学院电子信息材料系,上海201800)

摘　要:　以不同聚合度的聚乙二醇(PEG)为分散剂,采用沉淀法制备氢氧化铝胶体,胶体经800～1100℃高温煅烧得到纳米氧化铝粉体。对粉体进行了颗粒分布、XRD谱、HR TEM形貌及电子衍射等分析。结果表明分散剂(PEG)的聚合度对纳米氧化铝的粒度分布有着重要的影响。当用PEG2000作分散剂时制备出的粉体颗粒细而均匀,平均粒径为25nm,无明显团聚与颗粒长大现象;经1000℃/2h煅烧已完全转化为α2 Al2O3。文章对不同聚合度的分散剂的分散机理进行了讨论。

关键词:　氢氧化铝胶体;纳米氧化铝;分散剂;聚合度中图分类号:　TB383文献标识码:A 文章编号:100129731(2005)022*******

1　引　言

纳米氧化铝因其具有耐高温、耐腐蚀、比表面积大、反应活性高、烧结温度低,比普通氧化铝粉有着更优异的物化特性,在人工晶体、精细陶瓷、催化剂等方面得到广泛的应用[1～5]。到目前为止纳米氧化铝粉末的制备方法众多,大致可分为气相法、固相法和液相化学反应法[1～3]等,其中液相法制备Al2O3具有平均粒径小,分布范围窄、纯度高、活性高、设备简单、制备工艺影响因素可控等优点[1]。

许多学者就纳米氧化铝的合成进行了广泛深入的研究。采用各种方法制备出纳米氧化铝粉体,但困扰纳米超细制备和应用的一个严重问题就是由于表面能造成的粉体的团聚[4～8],转相温度高而使颗粒明显长大[5],人们一般通过添加分散剂来克服团聚,因此对分散剂的合理选择,制备条件的有效控制及分散机理、分散效果的研究显得十分重要。

本实验选用聚乙二醇为分散剂,采用化学沉淀法制备具有高活性的纳米氧化铝粉体,通过XRD、TEM、Zetasizen粒度仪等分析手段重点研究了聚乙二醇的聚合度对氧化铝粉体的颗粒度及物化特性的影响。

2　实　验

2.1　实验试剂

本实验所用化学试剂为硫酸铝铵(AAS)、氨水(A W)、聚乙二醇(PEG)200、聚乙二醇(PEG)800、聚乙二醇(PEG)2000、聚乙二醇(PEG)3000、聚乙二醇(PEG)4000、乙醇等,纯度均为AR级。

2.2　样品的制备

将硫酸铝铵(AAS)配制成0.1mol/L的溶液,分别取出200ml加入6g不同聚合度的聚乙二醇(PEG),放入45℃水浴中搅拌使得聚乙二醇(PEG)迅速溶解,保持水浴温度,将50ml氨水逐滴加入匀速搅拌的溶液中,形成白色胶状沉淀,反应后抽滤,用蒸馏水和无水乙醇分别洗涤两次,得到胶体样品。胶体经60～70℃烘干,800～1100℃煅烧2h,形成了纳米Al2O3粉体。

2.3　性能表征

采用英国MAL V ERE公司的Zetersizer3000HS 型粒度仪测定了纳米氧化铝粉体的颗粒度及其分布,测试时将煅烧后的氧化铝粉体用去离子水稀释,超声震荡10min。

以DMAX2ⅢC型X射线衍射仪对不同温度煅烧的氧化铝粉体进行物相分析,衍射条件:Target Cu; Voltage40kV;Current100mA;Scan speed2°/min。

采用日本J EM22010F场发射高分辨率透射电镜观察纳米氧化铝粉体的颗粒形貌并拍摄了电子衍射照片。

3　结果与分析

3.1　分散剂的聚合度对纳米氧化铝粒径的影响

图1是采用不同聚合度的聚乙二醇(PEG)作分散剂,经1000℃/2h煅烧所制得的氧化铝粉体的粒径分布曲线,曲线的峰宽反映体系中所含颗粒尺寸的均匀程度,峰越尖,峰宽越窄则粒子的粒度越均匀。分散剂聚合度与粉体分布的峰宽和平均粒径的关系如表1所示。从图1和表1可知,以聚合度较小的PEG200分散所制得的氧化铝粉体的峰宽较宽(150～450nm),平均粒径较大(95nm);随着分散剂聚合度的增加,峰宽和平均粒径明显减小,当聚合度为2000时,峰宽减小为10～80nm,平均粒径仅为25nm;尽管聚合度为800时的峰宽略小于聚合度为2000时的峰宽,但平均粒径明显增加。随着分散剂聚合度进一步增加,峰宽和平均粒径反而明显加大,当聚合度为4000时,峰宽达50～450nm,平均粒径增大到90nm。

813功 能 材 料2005年第2期(36)卷

3基金项目:上海2应用材料研究与发展基金资助项目(0208);上海市教委资助项目(02A K26)

收稿日期:2004204205 通讯作者:顾　峰

作者简介:顾　峰　(1963-),男,上海市崇明县人,本科,高级实验师,主要从事功能陶瓷的研究。

图1　氧化铝粉体的粒径分布

Fig 1The particle dist ribution of Al 2O 3powder 表1　PEG 聚合度与粉体颗粒分布的关系

Table 1The relationship between polymerization de 2

gree of dispersing agent and particle dist ribu 2tion

聚合度

峰宽(nm )

平均粒径(nm )

200150～4509580025～8550200010～8025300035～30070

4000

50～450

90

图2是采用PEG2000作分散剂所制得的胶体经1000℃恒温煅烧2h 所得的纳米氧化铝粉体的TEM 照片,可以看出粉体颗粒分散分布、无明显团聚,呈短柱或椭圆状,大小均匀,粒径为20～30nm ,长短径比约为1.2～2.5,与用Zetersizer 3000HS 型粒度仪测定的粒径数据相吻合。这说明在Al 2O 3煅烧过程中,氧离子的迁移速率均匀一致,没有出现氧化铝晶粒的异常长大[5]。

图2　氧化铝粉体的HR TEM 形貌Fig 2HR TEM of Al 2O 3particle

3.2　聚乙二醇的分散机理

由图1可知聚乙二醇的聚合度对氧化铝的颗粒分布和平均粒径有重要的影响。本文就聚乙二醇的分散机理进行如下讨论:

聚乙二醇(PEG )的分子式为HO —(C H 2C H 2O )n H ,含有羟基和醚键两种亲水基而无疏水基,因此水溶性、稳定性极好,不易受电解质及酸、碱影响;其在水溶液中呈蛇行,易于氢氧化铝胶粒表面建立较强的氢键,其醚键也易与含氧的胶粒表面产生同名离子亲和作用,所以聚乙二醇能较容易地吸附于胶

粒表面,形成一层高分子保护膜,

包围了胶体粒子。而其呈蛇行的分子键伸向水溶液中,又使得保护膜具有一定厚度,呈现空间位阻效应[9]。当带同性电荷的胶体粒子相互接近时,胶体间的静电斥力与高分子膜空间位阻效应的共同作用,使得胶粒间的吸引力大为削弱,有效地抑制了胶体粒子的团聚。聚乙二醇(PEG )的位阻作用随着分子量(聚合度)的增加而增加,当聚合度过大时PEG 分子的体积较大,蛇形分子较长,PEG 分子间容易绞合,使胶体在水中的运动也变得比较困难,从而较难在Al (O H )3胶粒表面形成均匀的保护膜,使位阻作用变弱,本实验体系中PEG2000的分散效果最好。图3为空间位阻效应示意图。

图3　PEG 对氢氧化铝胶体的空间位阻作用Fig 3Show of t he special block of Al (O H )3colloid 3.3　氧化铝粉体的晶型转化

图4是用PEG 2000作分散剂所制得的胶体经800、900、1000、1100℃煅烧2h 得到的氧化铝粉体的XRD 图谱。由图可以看出900℃以下煅烧,已出现α2Al 2O 3相特征峰,但峰宽较宽,粉末还是以γ相为主。当煅烧温度到达1000℃时α2Al 2O 3相特征峰变得非常

尖锐,γ2Al 2O 3特征峰消失,粉末已基本转化为α相。若制备时不加任何分散剂,则转相温度>1100℃,1250℃时才能完全转变成α2Al 2O 3[3],铝凝胶的转相温

度为1100℃[5]

,本实验所制备的纳米氧化铝的转相温度比其它方法低100℃左右,较易获得纳米α2Al 2O 3颗粒。

图4　不同煅烧温度的XRD 图谱

Fig 4XRD patterns of different calcained tempera 2

t ures 图5为以PEG2000分散制备的胶体经1000℃煅烧2h 后所得氧化铝粉末的电子衍射照片。从图可以看到衍射环清晰、均匀、无明显衍射斑点,说明粉末已

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13顾　峰等:分散剂聚合度对纳米氧化铝粉体特性的影响