PDF《二氧化硅粒径对酸性硅溶胶稳定性的影响》

1 mo l L 的高盐浓度下, 其 稳定性也仅降低不到 15% (见图

2 中平均粒径为 20.

4 nm 的溶胶稳定性曲线).同时, 因硅溶胶中的 盐及其阴、 阳杂质离子浓度经过强碱性阴离子树脂 和强酸性阳离子交换树脂均可以降低到

500 Λg g 以下, 因此, 电解质盐浓度在一定程度上不会构成制 备高浓度酸性硅溶胶的主要影响因素. 一般条件下, 酸性硅溶胶体系的粘度随浓度的 增加而增大, 粘度低, 溶胶稳定性好;

粘度高, 稳定性 差.因此, 要提高酸性硅溶胶的稳定性, 就要降低溶 胶体系的粘度. 2.

2 粒径对粘度的影响 从图

3 可以看出, 二氧化硅粒径较小的硅溶胶 的粘度随浓度增加变化较为明显, 粒径大的硅溶胶 粘度随浓度的增加变化趋于平缓. 显然, 增加粒子粒 径可降低胶体体系在高浓度下的粘度. 二氧化硅粒径大小及其形状对硅溶胶的粘度产 生较大影响进而影响着硅溶胶的稳定性.由图

4 可见, 在硅溶胶浓度一定时, 平均粒径为 10.

4 nm 的 纳米二氧化硅在水中的分散性差, 粒子之间容易发 生粘连, 粒子形状不规则;

而粒径为 25.

0 nm 的二 氧化硅颗粒球体特征相对较为明显, 在水中的分散 性好. 从Einstein 公式(1) 及公式(2) 可以看出[6 ] : 在 其他条件一样时, 粒子的形状和大小直接影响到胶 体溶液的粘度, 粒子越接近球形, 半径 r 越大, 硅溶 胶体系的粘度越低, 稳定性越好, 反之粘度越高, 稳 定性越差.在相同条件下, 平均粒径为 10.

4 nm 和25.

0 nm 的硅溶胶, 在w Si O

2 = 0. 4,

25 ° C 下, 前者粘 度超过

30 m Pa・s, 后者粘度低于

5 m Pa・s. Γr =

1 + 2.

5 + J

2 16

5 (1) Γr - Γ0 Γ0 = 2.

55 1 +

1 Γ0 r

2 k Ε Ν 2Π

2 (2) 式中 Γr 为颗粒半径为 r 时的粘度, J 为颗粒的长短 轴之比. 按照胶体化学关于溶胶双电层稳定理论[6 ] 及胶 体DLVO 理论[7 ] , 相互作用的带电粒子之间主要靠 静电作用(吸引能和排斥能的综合作用) 而相对稳定 地存在.当两个带电胶粒靠近时, 体系能量 E 的变 化可用图

5 表示. 图4硅溶胶电镜扫描图象 F ig.

4 The p icture of silica so l

4 4

6 华东理工大学学报第29 卷ER 表示胶粒靠近时排斥能增加, EA 表示吸引 能的变化.曲线 E T 则代表总位能(ER + EA ) 与胶粒 间距离的关系.两个带电粒子之间的作用能可表示 为式(3): E T = EA + ER = - A

0 12H + 64K T n0 ?2 Π aΧ

2 0e - ? H (3) 从图

5 及式 (1) 可以看出, 总位能 E T 与粒子之 间的距离 Χ

0 有着密切的联系.当胶粒间距离较远时 (Χ

0 较大) , 胶粒间的总位能很低, 即粒子间相互作 用很弱, 胶粒可以看做是一个不受 外界 影响的个 体, 当然可以稳定存在.当胶粒间距离靠近时(Χ

0 减小) , 总位能因排斥能的迅速增强而先得到增加, 因此, 胶体可以在一定时间内具有 聚集稳定性 . 当胶 粒进一步靠近时, 吸引能逐渐变大成为影响总位能 的能量时, 总位能 E T 将迅速跃过能垒(C 点) 而迅速 降低最后变成负值, 这时, 胶体稳定性迅速下降.在 硅溶胶浓度一定的情况下, 如果将二氧化硅颗粒看 作球体, 在水中均匀分散, 则可以计算出颗粒之间的 距离 Χ

0 与颗粒的半径 a 成正比.硅溶胶颗粒的粒径 越小, 在相同二氧化硅浓度下, 粒子之间的距离越 小, 总位能将因 Χ

0 的降低而迅速下降, 硅溶胶的稳 定性也随之迅速降低.当总位能降低到某一临界值 时, 布朗运动赋予胶粒的动能将跃过总位能而使粒 子自发凝胶.反之, 硅溶胶粒子半径越大, 则颗粒之 间的距离越大, 颗粒之间的相互作用力越小, 硅溶胶 越稳定. 另外, 随着硅溶胶粒子半径的增加, 将使二氧化 硅粒子表面羟基基团的反应活性降低, 胶粒比表面 积减小, 胶粒吸附能降低, 从而大颗粒对小颗粒的吸 附作用力降低, 也是大粒径酸性硅溶胶相对于小粒 图5粒子之间的作用能和距离的关系 F ig.