CN101215430B - 一种纳米氧化铝在有机溶剂中稳定分散的处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种纳米氧化铝在有机溶剂中稳定分散的处理方法，在改性前使纳米氧化铝均匀分散在有机溶剂中。纳米氧化铝在有机溶剂稳定分散的处理方法是以高速球磨为分散方式，并在将纳米氧化铝投入有机溶剂稳定分散时，加入钛酸酯偶联剂，利用钛酸酯偶联剂对纳米氧化铝先进行有机表面处理，以提高纳米氧化铝在有机溶剂中的分散性和稳定性，使纳米氧化铝在有机溶剂中稳定分散。所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮，表面处理是直接在N-甲基吡咯烷酮中进行；所述钛酸酯偶联剂与纳米氧化铝和N-甲基吡咯烷酮的重量份数配比为N-甲基吡咯烷酮120份；纳米氧化铝10～20份；钛酸酯偶联剂1～3份。还可在纳米氧化铝与N-甲基吡咯烷酮投入到高速球磨机同时加入定量的分散剂。

Description

一种纳米氧化铝在有机溶剂中稳定分散的处理方法
技术领域
本发明涉及一种化学物质的处理方法，具体说是一种纳米氧化铝在有机溶剂中稳定分散的处理方法，该方法是利用分散剂和钛酸酯偶联剂处理纳米氧化铝，用以提高纳米氧化铝在有机溶剂N-MP中的分散性和稳定性，属于纳米科技领域。
背景技术
纳米氧化铝是一种重要的无机功能材料，广泛应用于涂料、屏蔽紫外线、光电转换、光催化等领域。但是，由于纳米氧化铝粒径小、比表面积和表面能都很大，且配位严重不足，从而表现出极强的活性，在分散介质中容易团聚，形成大的聚集体，团聚的存在又将大大阻碍纳米氧化铝优势的充分发挥，从而影响实际应用中的效果。因此如何改善纳米氧化铝粉体在液相介质中的分散性和稳定性成为十分重要的研究课题。
实验证明纳米氧化铝的有机表面处理可以改善其在有机体系中的相容性和分散性，常用的表面改性剂有脂肪酸、偶联剂和高分子等，但现在这些改性所使用的分散体系均为水，如果要将纳米氧化铝应用到这些有机体系中，还须经过干燥将水除去，过程复杂，难以实现工业化。如果能直接在有机溶剂中对纳米氧化铝进行表面处理，得到纳米氧化铝在有机溶剂中稳定分散的浆液，就可以直接应用于纳米复合材料中。因此有必要对此加以深入研究。
发明内容
本发明的目的就在于针对现有纳米氧化铝的有机表面处理的不足，提出一种新颖的纳米氧化铝在有机溶剂稳定分散的处理方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的，一种纳米氧化铝在有机溶剂稳定分散的处理方法，在改性前使纳米氧化铝均匀分散在有机溶剂中。所述的纳米氧化铝在有机溶剂稳定分散的处理方法是以高速球磨为分散方式，并在将纳米氧化铝投入有机溶剂稳定分散时，加入钛酸酯偶联剂，利用钛酸酯偶联剂对纳米氧化铝先进行有机表面处理，以提高纳米氧化铝在有机溶剂中的分散性和稳定性，使纳米氧化铝在有机溶剂中稳定分散。所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮，表面处理是直接在有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(N-MP)中进行；所述的钛酸酯偶联剂与纳米氧化铝和N-甲基吡咯烷酮的重量份数配比关系为N-甲基吡咯烷酮120份；纳米氧化铝10～20份；钛酸酯偶联剂1～3份。钛酸酯偶联剂的加入时间在纳米氧化铝与N-甲基吡咯烷酮通过高速球磨混合0.5～2小时以后加入。具体纳米氧化铝在有机溶剂稳定分散的处理方法制作工艺为：
A.选取定量的纳米氧化铝与N-甲基吡咯烷酮；
B.将纳米氧化铝与N-甲基吡咯烷酮分别投入到高速球磨机内进行高速球磨混合0.5～2小时；
C.加入定量钛酸酯偶联剂；
D.将加入定量钛酸酯偶联剂的纳米氧化铝与N-甲基吡咯烷酮的混合液继续球磨0.5～2小时；
E.最后将球磨好的浆液转移至圆底烧瓶，30℃下保持0.5～2小时，即可得到表面处理的纳米Al2O3的分散液。
为了进一步提高纳米氧化铝在N-甲基吡咯烷酮的分散性，还可以在将纳米氧化铝与N-甲基吡咯烷酮分别投入到高速球磨机同时加入定量的常规分散剂，分散剂的加入重量份数比例为N-甲基吡咯烷酮120份；纳米氧化铝10～20份；钛酸酯偶联剂1～3份；分散剂1～2份；
一般来说，纳米颗粒在溶剂中的分散过程一般包括三个阶段，即纳米颗粒表面的润湿、机械分散、分散稳定。纳米颗粒与溶剂之间的润湿过程主要取决于纳米颗粒和溶剂本身的性质，良好的润湿性是实现纳米粒子在溶剂中稳定分散的前提条件。要实现纳米粒子的稳定分散，除了要求两者之间有良好的润湿性之外，机械分散也是一个重要因素。机械分散在纳米粒子分散过程中除了将团聚体解聚之外，更重要的是它通过纳米粒子结构的变化产生新的界面，促进润湿、吸附等表面反应的进行。
通过试验发现，未经表面处理的纳米氧化铝表面羟基具有一定活性，直接在N-MP中较难分散。为避免有机表面改性剂反应或附着在纳米粒子的团聚体上，必须要在改性前使纳米氧化铝均匀分散在N-MP中。为了达到上述目的，本发明提出一种纳米氧化铝表面处理方法，即以高速球磨为分散方式，利用分散剂和钛酸酯偶联剂先对纳米氧化铝进行有机表面改性，以提高纳米氧化铝在N-MP中的分散性和稳定性。
高速球磨过程一方面可以使团聚体逐渐减小，直到解聚为初级粒子；另一方面还会使纳米颗粒产生晶格缺陷，或因表面化学键断裂而产生不饱和键和自由离子等，导致分散剂和钛酸酯偶联剂在纳米粒子表面的吸附。
分散剂在溶剂中的作用主要有两个方面：一是降低纳米粒子的表面张力，增强溶剂对纳米颗粒表面的润湿作用，减小毛细管产生的吸附力；二是利用它们在固液界面的吸附作用，形成一层液膜，阻碍颗粒间相互接触，通过库仑力及空间位阻作用，防止颗粒接触及产生排斥力，抑制团聚体形成。
钛酸酯偶联剂通过化学和物理方式吸附在纳米Al2O3的表面，从而形成稳定的、具有一定厚度的溶剂化层。因而当两个颗粒相互接近时，溶剂化层相互重叠，产生的排斥力。由于溶剂化力的出现导致两粒子之间的总斥力大于总吸引力，从而提高了纳米Al2O3粒子在N-MP中的分散稳定性。
为了评价处理后的纳米Al2O3在N-MP中的分散稳定性，我们通过15天内纳米Al2O3在溶液中的沉降率来衡量。此外，我们还应用粒度分析、红外光谱、热重分析等测试手段分别对表面处理过的纳米Al2O3进行测试，证实经过处理后的纳米Al2O3在N-MP中的分散稳定性大大提高。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实例1：
取120份N-甲基吡咯烷酮和10份纳米Al2O3分别投入到球磨桶内，球磨高速分散1h，再加入1份钛酸酯偶联剂，继续球磨一段时间，最后将浆液转移至圆底烧瓶，30℃下保持1h，即可得到表面处理的纳米Al2O3的分散液。
具体实施工艺是：
A.选取定量的纳米氧化铝与N-甲基吡咯烷酮；
B.将纳米氧化铝与N-甲基吡咯烷酮分别投入到高速球磨机内进行高速球磨混合0.5～2小时；
C.加入定量钛酸酯偶联剂；
D.将加入定量钛酸酯偶联剂的纳米氧化铝与N-甲基吡咯烷酮的混合液继续球磨0.5～2小时；
最后将球磨好的浆液转移至圆底烧瓶，30℃下保持0.5～2小时，即可得到表面处理的纳米Al2O3的分散液。
实例2：
取1份分散剂和120份N-MP分别投入到球磨桶内，搅拌混合均匀，再投入20份纳米Al2O3，球磨高速分散1h，再加入2份钛酸酯偶联剂，继续球磨一段时间，最后将浆液转移至圆底烧瓶，80℃下保持1h，即可得到表面处理的纳米Al2O3的分散液。具体实施工艺与实施例1一样。
实例3：
取2份分散剂和120份N-MP分别投入到球磨桶内，搅拌混合均匀，再投入20份纳米Al2O3，球磨高速分散1h，再加入3份钛酸酯偶联剂，继续球磨一段时间，最后将浆液转移至圆底烧瓶，120℃下保持1h，即可得到表面处理的纳米Al2O3的分散液。具体实施工艺与实施例1一样。
实例4：
取180份N-MP和20份纳米Al2O3分别投入到球磨桶内，球磨高速分散1h，再加入2份钛酸酯偶联剂，继续球磨一段时间，最后将浆液转移至圆底烧瓶，120℃下保持1h，即可得到表面处理的纳米Al2O3的分散液。具体实施工艺与实施例1一样。
实例5：
取1份分散剂和180份N-MP分别投入到球磨桶内，搅拌混合均匀，再投入20份纳米Al2O3，球磨高速分散1h，再加入3份钛酸酯偶联剂，继续球磨一段时间，最后将浆液转移至圆底烧瓶，30℃下保持1h，即可得到表面处理的纳米Al2O3的分散液。具体实施工艺与实施例1一样。
实例6：
取2份分散剂和180份N-MP分别投入到球磨桶内，搅拌混合均匀，再投入20份纳米Al2O3，球磨高速分散1h，再加入1份钛酸酯偶联剂，继续球磨一段时间，最后将浆液转移至圆底烧瓶，80℃下保持1h，即可得到表面处理的纳米Al2O3的分散液。具体实施工艺与实施例1一样。
实例7：
取120份N-MP和20份纳米Al2O3分别投入到球磨桶内，球磨高速分散1h，再加入3份钛酸酯偶联剂，继续球磨一段时间，最后将浆液转移至圆底烧瓶，80℃下保持1h，即可得到表面处理的纳米Al203幽佑幽散液。具体实施工艺与实施例1一样。
实例8：
取1份分散剂和120份N-MP分别投入到球磨桶内，搅拌混合均匀，再投入20份纳米Al2O3，球磨高速分散1h，再加入1份钛酸酯偶联剂，继续球磨一段时间，最后将浆液转移至圆底烧瓶，120℃下保持1h，即可得到表面处理的纳米Al2O3的分散液。具体实施工艺与实施例1一样。
实例9：
取2份分散剂和120份N-MP分别投入到球磨桶内，搅拌混合均匀，再投入20份纳米Al2O3，球磨高速分散1h，再加入2份钛酸酯偶联剂，继续球磨一段时间，最后将浆液转移至圆底烧瓶，30℃下保持1h，即可得到表面处理的纳米Al2O3的分散液。具体实施工艺与实施例1一样。
主要指标分析
表1 试验结果
No. N-MP 分散剂/g 偶联剂/g 处理温度/℃ 沉降率(％)
    123456789     240240240180180180120120120     012012012     123231312     308012012030808012030     37.930.6915.5410.963.456.95.52400.69

Claims (3)

1.一种纳米氧化铝在有机溶剂中稳定分散的处理方法，其特征在于：以高速球磨为分散方式，并在将纳米氧化铝投入有机溶剂稳定分散时，加入钛酸酯偶联剂，利用钛酸酯偶联剂对纳米氧化铝先进行有机表面处理，以提高纳米氧化铝在有机溶剂中的分散性和稳定性，使纳米氧化铝在有机溶剂中稳定分散；所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮，表面处理是直接在有机溶剂N-甲基吡咯烷酮中进行；所述的钛酸酯偶联剂与纳米氧化铝和N-甲基吡咯烷酮的重量份数配比关系为N-甲基吡咯烷酮120份；纳米氧化铝10～20份；钛酸酯偶联剂1～3份；具体纳米氧化铝在有机溶剂稳定分散的处理方法制作工艺为：
A、选取定量的纳米氧化铝与N-甲基吡咯烷酮；
B、将纳米氧化铝与N-甲基吡咯烷酮分别投入到高速球磨机内进行高速球磨混合0.5～2小时；
C、加入定量钛酸酯偶联剂；
D、将加入定量钛酸酯偶联剂的纳米氧化铝与N-甲基吡咯烷酮的混合液继续球磨0.5～2小时；
E、最后将球磨好的浆液转移至圆底烧瓶，30℃下保持0.5～2小时，即可得到表面处理的纳米Al2O3的分散液。
2.根据权利要求1所述的一种纳米氧化铝在有机溶剂中稳定分散的处理方法，其特征在于：所述的钛酸酯偶联剂的加入时间在纳米氧化铝与N-甲基吡咯烷酮通过高速球磨混合0.5～2小时以后加入。
3.根据权利要求1或2所述的一种纳米氧化铝在有机溶剂中稳定分散的处理方法，其特征在于：高速球磨机内进行高速球磨混合中温度为30℃～120℃。
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