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1、第2 8 卷第2 期 2 0 0 7 年2 月 纺织学报 J o 啪a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 8N o 2 F e b 2 0 0 7 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 7 ) 0 2 0 0 6 0 0 4 纳米S i 0 2 的分散对淀粉浆膜力学性能的影响 吴敏，王萌 ( 江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏无锡2 1 4 1 2 2 ) 摘要为了探讨纳米s 0 2 的分散状况对纳米S j 0 2 淀粉复合浆料浆膜力学性能的影响，采用超声波对纳米s i 0 2 进行分散，提取经不同时间分散的纳米s i 0
2、 2 水基悬浮液，用A F M 、I E M 观察纳米s i 0 2 的分散状况和其团聚体粒径， 并结合不同分散时间下的浆膜力学性能测试数据，研究纳米S j 0 2 不同分散状况下复合浆料浆膜力学性能的变化。结 果表明，当超声波分散达到5 0I I l i n 时，纳米S i o 的分散状况较好，并保持稳定，用此分散液制备的浆膜力学性能最佳。 关键词纳米s i 0 2 ；淀粉；浆膜；分散；力学性能 中图分类号：鸭1 0 3 8 4 6 1文献标识码：A E f f e c to fd i s p e r s i b i l i t yo fS i 0 2n a n o p a r t i c
3、l eo nm e c h a l l i c a lp r o p e r t yo fs t a r c h 丘l m W UM i n ，W A N GM e n g ( 研k 6 0 m f o 可矿s c 搪n c e & z D g y 矿o z 如t 泷，胁n 拓t 可矿E d M 洳n ， s o 眦k m r l g 姚洳r s 妙，阢删，胁n 舻“2 1 4 1 2 2 ，吼i M ) A b s t 阳c tI no 耐e rt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t “d i s p e 瑙i b i l i t yo fS i 0
4、 2n a n 叩a r t i c l eont h em e c h a n i c a lp r o p e I t i e s o fS i 0 2n a n o p a r t i c l e s s t a r c hf i l m ，t h ea q u e o u ss u s p e n s i o no ft h eS i 0 2n a n o p a n i c l e s ，w h i c hh a db e e nd i s p e r s e d b yt 1 1 eu l t r a s o n i ct e c h n i q u ei nd 诩 e r e n
5、 td u r a t i o n ， w a s0 b s e e db ya t o m j cf o r c em i c r o s c o p e( A F M ) a n d t r a n s l i s s i o ne l e c t m nm i c m s c o p e ( T E M ) T h er n e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ef i l mV a r y i n gw i t ht h ed i s p e r s i b i l i t y o fS i 0 2n a n o p a r t i c
6、 l e sa sar e s u l to fd i m c u l td u r a t i o no fu l t r a s o n i ct r e a t l e n tw e r ee x a m i n e d 7 1 1 1 er e s u l ti n d i c a t e d t h a tS i 0 2n a n o p a n i c l e sd i s p e r s e db yt h eu l t m s o n i ct e c h n i q u ef b r5 0m i n u t e se x h i b i t e dg o o dd i s p
7、 e r s i b i l i t ya n d s t a b i l i t y ，a n dt h ef i l mp r e p a r e dw i t ht h i sd i s p e r s i o na l s oh a do p t i m a lm e c h a n i c a lp m p e r t i e s K e yw o r d sS i 0 2n a n o p a r t i c l e s ；s t a r c h ；6 1 m ；d i s p e r s i o n ；m e c h a n i c a lp m p e r t y 淀粉浆料因资
8、源丰富、价格低廉，对天然纤维的 黏附性较好，对环境污染较小等优点在纺织经纱上 浆工艺中发挥了非常重要的作用，但是由于淀粉浆 料成膜硬而脆，自身性能尚有不足，不能满足日益丰 富多样的纱线品种和高速织机对浆纱的要求，因而 衍生了不少对淀粉浆料进行改性的技术。1 。2 1 。纳米 s i O ：可以用来提高复合材料的力学性能，将它作为 添加剂制作纳米s i 0 ，淀粉复合浆料可以赋予淀粉 浆料新的性能特点，弥补淀粉浆料自身的缺陷，进一 步提高淀粉浆料的上浆性能。纳米s i O ，通常以粉 体状存在，要使它在复合浆料中发挥特殊作用，必须 将它均匀分散，其分散效果直接影响到复合浆料的 性能。 本文采用超
9、声波分散纳米s i O ，并将其作为填 料加入淀粉中，研制了纳米s i O ：淀粉复合浆料。通 过实验分析不同分散条件下浆膜力学性能的变化， 研究纳米S i O ，的分散状况对淀粉浆膜力学性能的 影响。 1实验部分 1 1 原料 纳米s i O ：，粒径3 5n m ，比表面积4 0 0m 2 g ， 纯度9 9 5 ；六偏磷酸钠，分析纯，宜兴涂溪镇徐 收稿日期：2 0 0 6 一0 5 2 2修回日期：2 0 0 6 一0 9 0 5 作者简介：吴敏( 1 9 6 3 一) ，女，教授，博士生。主要研究领域为新型纺织工艺以及纺织企业信息化等。E m a i l ：x y c w 【d q s
10、 i n a c o m 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第2 期 吴敏等：纳米s i O ：的分散对淀粉浆膜力学性能的影响 6 I 渎化工厂；T B 一2 2 5 变性淀粉，水分1 4 0 ，灰分 0 3 5 ，蛋白质0 5 5 ，江苏省宜兴市联营淀 粉厂。 1 2 仪器 超声波清洗机，s 儿2 0 0 ，3 3k H z ，上海精洁超声设 备制造有限公司；z w I c K 万能材料试验机， B z 2 5 T N I s ，德国；z w
11、e i 9 1 e 耐磨试验机，G 5 5 2 ，德国； 原子力显微镜( A F M ) ，c s P M 3 0 0 0 ，广州本原纳米仪器 公司；透射电子显微镜( T E M ) ，日立H 7 0 0 ，日本。 1 3 试样制备 按图1 所示的工艺流程制备纳米s i 0 2 淀粉浆膜。 图1纳米S i 0 ：淀粉浆膜的制备流程 F i g 1P r e p a r a t i o np m c e s so fS i o jn a n o p a r t i c l e s s t a r c h6 l m 工艺工：为避免团聚，采用六偏磷酸钠表面活性 剂对纳米s i O ：粉体表面改性。放
12、入去离子水中，用 超声波分散，以打破团聚体。根据实验要求，纳米材 料含量为淀粉用量的3 ；超声频率和功率不变，分 别控制分散时间为1 0 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、6 0 、1 2 0m i n ，制 备7 组水基纳米S i O ，分散液。 工艺：分别将这7 组纳米s i O ，一水悬浮液与淀 粉混和，配制质量分数为6 的调浆溶液，以 1 2 0r m i n 的转速搅拌，升温烧煮到9 5c C ，然后保温 1h ，以使淀粉充分糊化。 工艺：将充分糊化后的浆液冷却至5 0 ，量 取4 0 0m L ，浇至在玻板上，在温度为2 0 ，湿度为 6 5 条件下自然干燥成膜，再在恒温恒
13、湿条件下平 衡2 4h ，以待测试。 1 4 性能测试 1 4 1 浆膜断裂强度测试 将浆膜裁成长2 2 0m m 、宽1 0m m 条状试样，在 z w I c K 万能材料试验机上测试其断裂强力( 试样夹 持距离1 0 0m m ，拉伸速度5 0m m m i n ) ，每种浆膜试验 3 0 次，计算其平均值。浆膜断裂强度用式( 1 ) 计算： 浆膜的断裂强度( N m m 2 ) ： 浆膜平均断裂强力( N ) ，。 浆膜平均厚度( m m ) 1 0m m 7 1 4 2 浆膜耐磨性测试 将制成的浆膜按照断裂强度测试所需的尺寸进 行裁剪，在G 5 5 2 耐磨试验机上试验。选用8 0
14、0 目砂 纸，加压质量为2 5 0g ，摩擦次数为10 0 0 次。每种浆 膜测试1 0 次。用式( 2 ) 计算磨耗： G = 堕产 ( 2 ) 式中：G 为磨耗；m 。为磨前试样的质量；m 。为磨后 试样的质量；s 为磨损面积。 2 结果与讨论 2 1 分散时间对S i 0 2 分散性的影响 超声波分散是一种降低纳米粒子团聚的有效方 法“。将用超声波分散1 0 、2 0 、5 0 、6 0m i n 的纳米s i O ： 水基悬浮液滴在云母载玻片上制备试样，采用A F M 扫描，所得图片如图2 所示。扫描范围为20 0 0n m 。 图2 不同超声波分散时间时纳米S i O ： 分散液的A
15、 F M 照片 F i g 2 A F Mm i c r o g r a p h so ft h ed i s p e r s e dl i q u i do fS i C b n a n o p a n i c l e sd i s p e r s e db yu l t m s o n i ci nd i f f b r e n tt i m e 经过测量分别得到纳米s i 0 ，粒子团聚体的粒 径，结果见表1 。 表l纳米S i 0 2 粒子团聚体的粒径 T a b 1D i a m e t e ro fS i 0 2 衄p a r t i c l e s 从图2 和表1 可看出，分散时
16、间的长短对纳米 s i 0 ：水悬浮液分散度的影响很明显，在每1 0m i n 为 周期的分散过程中，前2 个周期分散后纳米s i 0 ：粒 子团聚体的粒径都在1 0 0n m 以上；而最后1 个周期 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 6 2 纺织学报第2 8 卷 分散后团聚体的粒径已经降到5 0n m 范围之内，粉体 平均粒径较前2 个周期的分散，结果下降了5 0 左 右。可见选择适宜的超声时间是很重要的。 为了更清晰、直观地观察纳米s i O ，
17、粉体的粒径 及分散状况，采用透射电镜对样品进行分析。以相 同超声分散工艺，分散时间定为1 2 0r I l i n ，制备纳米 s i O ，分散液，其T E M 照片如图3 所示。 图3纳米s i 0 ：分散液的T E M 照片( 1 2 万倍) F i g 3 7 1 1 E Mm i c m g r a p h so ft h ed i 印e r s e d l i q u i do fS i 0 2n a n o p a I t i c l e s 从图3 看出，试样呈现出典型纳米氧化物粒子 的絮状和网状准结晶结构，单颗粒状不是十分明显。 分析每个网格结构，其平均大小也是5 0n m
18、左右，因 此可认为纳米s i O ：团聚体的平均粒径在5 0n m 左 右。这个尺寸比原纳米s i 0 ：产品给出的指标粒径 ( 一次结构的粒径) 大出十几纳米，这是因为在纳米 粉体颗粒的处理及存放过程中，出现颗粒相互连接、 由多个颗粒形成较大的颗粒团簇，即团聚现象4 1 ，形 成二次结构，这种聚集结构可能存在软团聚和硬团 聚，软团聚在机械力作用下还可成为一次结构，而硬 团聚则是不可逆的，只能使纳米S i O ，的粒子越来越 大，而无法将其再次分散开。由于硬团聚的存在，纳 米s i 0 ，粒子经超声分散后不能完全达到原有的一 次结构，由此可以认为超声分散时间以超过5 0m i n 为宜。 2
19、2 纳米S i o ：的分散状况对浆膜的影响 为了考察纳米材料分散状况对浆膜力学性能的 影响，按照上述试样制备工艺制样，并测试复合浆膜 的断裂强度和磨耗。图4 为超声分散时间对浆膜断 裂强度的影响。 如图4 所示，随着超声分散时间的加长，淀粉浆 膜的断裂强度呈现一定的上升趋势。当分散时间达 到5 0I I l i n 时，断裂强度达到最大值，再延长分散时 间，测试数据基本保持稳定，只出现了小幅波动。由 f i 蚕 趟 强 臻 鉴 图4 分散时间与浆膜断裂强度的关系 F i g 4C h a n g e so fb r e a k i n gt e n a c i t yo fs t a r c
20、 h f i l mw i t hd i 自f e r e md i s p e r s et i m e 此看出，适当延长分散时间对提高浆膜的力学性能， 这是有影响的，同时也说明了纳米S i O ：粉体的团聚 体粒径会影响淀粉浆膜的力学性能。 图5 为超声分散时间对浆膜耐磨性能的影响。 可以看出，随着超声分散时间的增加，浆膜的磨耗有 所下降，耐磨性能有所增强。在超声分散时间达到 5 0I I l i n 时，磨耗达到最低。 f g 曲 星 耀 地 图5 分散时间与浆膜耐磨性能的关系 F i g 5C h a n g e so fw e a rm a s sl o s s e so fs t
21、a r c h f i l mw i t l ld i f f e r e n td i s p e r s et i m e 纳米s i O ，的加入影响淀粉浆膜的力学性能，这 是由于纳米S i O ，具有絮状和网状的准颗粒结构，其 表面能高，表面严重的配位不足，易同淀粉大分子之 间产生一定的物理和化学吸附作用“。；另外纳米 s i 0 ，具有超强吸附能力和表面活性及淤渗作用，极 易与淀粉中的氧起键合作用，可提高分子间的键合 力以及与基体之间的结合强度，从而提高淀粉浆膜 的力学性能。 在超声分散初期，纳米s i 0 ：颗粒大都簇拥在一 起，团聚现象较为严重，团聚体的粒径很大，纳米粒 子表面原
22、子比例还不是很高，表面能和活性都不足， 不具有显著的表面效应。根据表l 测试数据得知， 此时的s i O ，粉体粒径大于1 0 0n m ，不能称为真正意 义上的纳米材料，用其制备的浆膜也不能说是真正 意义上的纳米复合材料，所以相对纳米级的复合材 跖硝酪铬如 O O O O 0 0 0 0 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第2 期 吴敏等：纳米s i O ：的分散对淀粉浆膜力学性能的影响 6 3 料，它的断裂强度较低。随着超声分散时间的加长， 纳米
23、s i O ，粉体的团聚体逐渐打开，粒径逐渐变小， 直到不能再小为止。在图4 、5 上就表现出，当时间 达到5 0I I l i n 时，浆膜的断裂强度及磨耗都达到最优 值，并基本保持稳定。结合图2 和表l ，在超声分散 达到5 0I I l i n 后，团聚体平均粒径也达到了一个较小 而稳定的尺寸范围。此时纳米s i O ：可以较好发挥 其应有的性能，提高淀粉浆膜的力学性能。因此根 据浆膜力学性能的变化规律，本文所使用工艺超声 分散时间应不小于5 0I I l i n 为宜。 尽管超声分散用于超细粉体的分散可获得理想 的分散效果，但由于能耗大，大规模使用成本太高， 目前仅在实验室使用。而且在
24、采用大功率进行超声 分散时会产生大量的热，导致温度升高，纳米粉体颗 粒碰撞的几率也随之增加，可能会进一步加剧团聚， 因此在分散过程中应尽量避免由于持续超声时间过 久导致的过热。随着超声技术的不断进步，超声分 散在工业生产中应用是完全可能的。 3结论 1 ) 采用超声分散可使s i 0 ：以纳米尺寸分散，添 加到淀粉浆料中，可以提高浆膜的力学性能。 2 ) 超声分散时间的长短会影响纳米s i 0 ，粉体 在水中的粒径；随着时间的增加其团聚体的粒径会 减小，在达到一定时间后，粒径尺寸达到稳定。 3 ) 当超声分散时间达到5 0I I l i n 以上时，浆膜的 力学性能最好。 4 ) 纳米s i
25、O ，对淀粉浆膜力学性能的影响可使 淀粉，纳米s i O ，复合浆料在上浆中表现出更好的 性能。 参考文献： 周永元纺织浆料的现状与发展 J 棉纺织技术， 2 0 0 0 ，2 8 ( 7 ) ：3 8 9 3 9 3 范雪荣，王强，顾溶英外国纺织浆料的研究与进 展 J 印染助剂，2 0 0 3 ，2 0 ( 3 ) ：5 8 高濂，孙静，刘阳桥纳米粉体的分散及表面改 性 M 北京：化学工业出版社，2 0 0 3 ：1 4 5 1 4 6 P a m p a c hR ， H a b e 文cK c e m m i cP o w d e r s M A m s t e r d a m ：E l
26、 s e v i e rS c i e n t i f i cP u bC o m p 舳y ，1 9 8 3 ：6 2 3 黄志杰，左美祥纳米s i 0 ：一。的应用 J 上海建材， 1 9 9 9 ( 4 ) ：2 l 一2 2 张茜，汪济奎，程树军纳米二氧化硅改性c P E 的研 究 J 功能高分子学报，2 0 0 2 ，1 5 ( 3 ) ：2 7 1 2 7 5 1j 1； l 2 3 4 5 6r；rj 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark