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《新型炭材料雜志》2016年第二期

摘要:

通過測定分散體系的吸光度，探討不同濃度的各種分散劑對石墨水懸浮液分散性能的影響，其中添加含有陰離子型、非離子型和高分子表面活性劑的三種復(fù)配分散劑(SGDF1、SGDF2、SGDF3)的石墨水懸浮液分散效果較好。進一步研究在復(fù)配分散劑存在下，pH值、靜置時間對石墨水懸浮液性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)pH值大于7后，石墨水懸浮液的分散能力維持在較高水平，pH值為9時，Zeta電位絕對值最高，吸光度最大，分散體系穩(wěn)定性最好。添加分散劑的石墨較未添加分散劑的石墨聚集程度明顯減弱，分散性能變好。其中添加SGDF3的石墨水懸浮液的石墨的聚集程度最小，分散穩(wěn)定最佳。

關(guān)鍵詞:

石墨;分散劑;吸光度

1前言

石墨具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、自潤滑性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點［1，2］，廣泛應(yīng)用于涂料、密封材料與復(fù)合材料等領(lǐng)域。但石墨作為非極性物質(zhì)，在極性水中的潤滑程度差，易形成聚集體［3，4］，從而嚴重影響了在以水作為分散介質(zhì)的體系中的貯存和使用性能。改善其分散性的有效的方法包括涂覆改性［5，6］、表面接枝改性［7，8］、酯化改性［9］、表面活性劑增加親水基團改性［10］等。張慧娟等［11］以水、乙醇及乙醇-水溶液等極性液體為分散介質(zhì)，研究了pH值、分散介質(zhì)、分散劑對納米石墨分散性能的影響。Lee［12］等研究表明，CMC、聚丙烯酸可以在石墨電極的前驅(qū)液中起到分散顆粒和保持懸浮液穩(wěn)定性的作用;Nonomura等［13］用丙酮溶液改性鱗片石墨，發(fā)現(xiàn)石墨表面增加了帶負電的活性基團，同時添加NaCl能使體系分散穩(wěn)定性進一步提高。Moraru［14］等采用超聲波分散方式研究了非離子表面活性劑TritonX-305對石墨分散。Paruchuri［15］等采用機械攪拌方式，研究十二烷基磺鈉、十二烷基三甲基溴化銨及混合表面活性劑對石墨表面結(jié)構(gòu)的影響。但石墨在水分散介質(zhì)中的分散穩(wěn)定性差的問題一直未能徹底解決，從而制約了其性能的充分發(fā)揮，本文通過測定分散體系的吸光度和Zeta電位等，探討不同自制分散劑的加入量、pH值、靜置時間對分散體系性能的影響，結(jié)果表明SGDF3在pH值5～12范圍內(nèi)的水分散介質(zhì)中均呈良好的分散穩(wěn)定性。

2實驗

2．1材料石墨粉純度為99．85%、顆粒徑≤30!m，聚乙二醇6000(PEG)及聚氧乙烯失水山梨醇單月桂酸酯(TW-20)，中國醫(yī)藥集團上海化學(xué)試劑公司;烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)，天津市科密歐化學(xué)試劑;脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(AES)及羥甲基纖維素鈉(CMC)，沈陽市化工原料公司。

2．2實驗方法按質(zhì)量分數(shù)配制濃度為10%的各種單一分散劑;按一定的質(zhì)量比取不同單一表面活性劑進行復(fù)配并溶于水中，分別得到濃度不同的SGDF1、SG-DF2及SGDF3;自制復(fù)配分散劑SGDF1的組成為100g/LAES、30g/LTW-20、20g/LOP-10;SGDF2的組成為100g/LAES、10g/LTW-20、20g/LPEG;SGDF3的組成為100g/LAES、10g/LTW-20、20g/LCMC。

3結(jié)果與討論

3．1不同分散劑對石墨分散穩(wěn)定性的影響選擇不同種類的表面活性劑作為單一分散劑，研究單一分散劑質(zhì)量濃度對石墨在水中的分散穩(wěn)定性的影響。配置100g/L石墨水懸浮液，調(diào)節(jié)pH值為9，添加不同量的各類分散劑，超聲波振蕩10min，靜置4h，測量上層液體吸光度，結(jié)果見圖1和圖2。由圖2可看出，添加復(fù)配分散劑的懸浮液分散穩(wěn)定性較好，其中添加SGDF3的懸浮液分散最穩(wěn)定。顆粒分散主要包括顆粒的潤濕、大顆粒或顆粒團聚體的解聚及分散顆粒的穩(wěn)定化3個階段。AES為陰離子型表面活性劑，有利于最大限度的增溶，TW-20為非離子表面活性劑，易于拓寬水硬度的允許值，減少帶電表面活性劑頭基之間的靜電斥力。AES、TW-20進行復(fù)配，對石墨進行潤濕、最大限度增溶，并吸附在石墨表面，發(fā)生定向排列，從而降低了石墨和水的界面張力，使得石墨與水的界面狀態(tài)發(fā)生了改變，由原來的憎水性變成了親水性。SG-DF1在AES、TW-20的基礎(chǔ)上添加OP-10，在溶液中可形成混合膠束，產(chǎn)生協(xié)同增效作用，提高表面活性，降低表面活性劑用量。SGDF2在AES、TW-20的基礎(chǔ)上添加PEG，氫鍵和親和作用使得PEG易吸附于膠粒表面形成一層高分子保護膜，而其分子鍵呈蛇形伸向水溶液中使得具有一定的厚度，靜電斥力加上高分子的空間位阻效應(yīng)，起到分散作用。SGDF3在AES、TW-20的基礎(chǔ)上添加CMC，CMC也具有氫鍵且空間位阻效應(yīng)更大，通過靜電斥力和空間斥力的共同作用使石墨在水中保持穩(wěn)定。吸光度測試結(jié)果可以說明SGDF3較SGDF1和SGDF2的協(xié)同增效作用更強，分散穩(wěn)定性更好。

3．2不同條件下SGDF1、SGDF2、SGDF3對石墨水懸浮液的性能影響由圖3可見，在不同pH值下，添加分散劑的分散體系較未添加分散劑的吸光度大，分散體系穩(wěn)定性較好;當(dāng)pH值大于7以后，吸光度維持在較高水平，在pH值為9時尤為突出，此時添加SGDF1、SG-DF2、SGDF3的吸光度分別為0．60、0．62和0．64，明顯高于未加分散劑時的0．34;更值得注意的是，添加SGDF3的分散體系的石墨水懸浮液在pH值5～12范圍內(nèi)均呈較好的分散穩(wěn)定性。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著pH值的增大，Zeta電位均逐漸增大，pH值為9時，未加分散劑、添加SGDF1、SGDF2及SG-DF3分散劑的Zeta電位極值點分別為－70．1、－73．2、－76．5和－84．1mV;表面Zeta電位是反映粉體粒子在介質(zhì)中分散行為的一個重要參數(shù)，Ze-ta電位(正或負)越高，體系越穩(wěn)定，這是由于當(dāng)粒子表面電荷密度較高時，粒子有較高的Zeta電位，粒子表面的高電荷密度使粒子間產(chǎn)生較大的靜電斥力，分散體系呈現(xiàn)較高的穩(wěn)定性［16］。pH值的增加不僅可以促進分散劑親水端解離，還可以促進石墨片表面含氧官能團解離成相應(yīng)的離子，因此隨pH值的增加，石墨表面Zeta電位逐漸增大;另一方面pH值的增加也會增加體系的電解質(zhì)濃度，壓縮帶電粒子的表面雙電層，使表面Zeta電位降低，因此隨著pH值的增加，石墨片的表面Zeta電位先增加后減小，存在一個最佳值。由圖5可見，隨著靜置時間延長，石墨水懸浮液吸光度下降;未添加分散劑的石墨懸浮液吸光度下降很快，10h后，吸光度接近0，此時石墨全部沉降;添加分散劑的懸浮液吸光度變化小，即石墨沉降速度很慢，其中添加SGDF3的懸浮液，分散性最好。對添加各種復(fù)配分散劑的懸浮體系繼續(xù)進行試驗，當(dāng)靜置到120h后，它們的吸光度依舊在0．6以上。由圖6可見，不做任何特殊分散處理的石墨干燥后有很多大的團聚體，這是由于石墨有強烈的團聚趨勢，而僅經(jīng)超聲波振蕩處理的石墨比未做任何特殊分散處理的團聚現(xiàn)象減輕，說明超聲波振蕩處理有利于石墨的分散。比較而言，添加分散劑的石墨干燥后較未添加分散劑的聚集程度明顯減弱，分散性能變好，其中添加SGDF3的石墨分散液中石墨聚集程度最小，分散性最好。從圖6可見，分散后石墨顆粒度為30!m左右，與原始石墨粉試樣的粒度范圍一致，表明石墨粉在超聲波振蕩過程中未發(fā)生破碎。

3．3紅外光譜與X-衍射分析由圖7和圖8可以看出，樣品的紅外光譜和X-衍射譜圖都基本相同;在紅外光譜中1561cm－1和1233cm－1處有吸收譜帶，為石墨材料的本征吸收峰［17］。在3461cm－1處出現(xiàn)羥基的特征吸收峰，656cm－1為羥基面外彎曲振動，這是由于石墨粉中含有少量的水分所致。在1641cm－1和1414cm－1處出現(xiàn)吸收峰，這是由碳環(huán)平面的骨架振動及碳氫單鍵的面內(nèi)彎曲振動所致，說明樣品中存在少量的碳氫化合物。X-衍射譜圖顯示，加分散處理后得到的試樣衍射譜中的衍射峰與未經(jīng)分散劑處理的石墨特征衍射峰相同，說明超聲波震蕩和加入分散劑對石墨的結(jié)構(gòu)未造成影響。在能譜分析中也未發(fā)現(xiàn)其它元素的存在，這是由于在分散體系中分散劑的加入量極少，吸附或插入石墨層間的量就更少，不足以對石墨的結(jié)構(gòu)造成影響，但會對石墨在水基體系中的分散起增強作用。

4結(jié)論

添加一定量的AES、OP-10、PEG、CMC、TW-20、SGDF1、SGDF2、SGDF3對石墨在水中的分散都起到一定效果。其中添加SGDF1、SGDF2、SGDF3與其它單一分散劑相比，對石墨分散作用更佳。隨著pH值增大，分散體系吸光度和Zeta電位逐漸增大，在pH值為9時，Zeta電位最大。當(dāng)pH值大于7以后，添加SGDF1、SGDF2、SGDF3的石墨水懸浮液的吸光度維持在較高水平;添加SGDF3的分散體系的石墨水懸浮液在pH值5～12均呈較好的分散穩(wěn)定性。添加SGDF1、SGDF2、SGDF3的石墨水懸浮液的分散穩(wěn)定性較好，其中添加SGDF3的石墨分散體系聚集程度最小，分散性最好。

作者：王麗麗 于錦 李正元 單位：沈陽工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院