張 曼,陶 君,李 穎,汪應(yīng)龍,朱玉峰,張宇晗,伽亮亮,丁 瑜

(湖北工程學(xué)院 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感 432000)

碳化鎢(WC)粉末具有高硬度和優(yōu)異的耐磨性，在刀具、模具以及耐磨零部件等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1-3]。眾所周知，當(dāng)WC顆粒的尺寸減小至納米時(shí)，硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度、硬度和斷裂韌性均能得到顯著提升[4]。但是由于納米顆粒比表面積大、比表面能高，極容易發(fā)生團(tuán)聚。WC粉末的團(tuán)聚會(huì)導(dǎo)致硬質(zhì)合金在燒結(jié)過程中發(fā)生異常長(zhǎng)大，嚴(yán)重?fù)p壞硬質(zhì)合金的力學(xué)性能[5-6]。因此，減少團(tuán)聚體、提高納米碳化鎢粉體的分散性對(duì)硬質(zhì)合金材料性能的提升具有重要意義。目前，粉體的分散方法分為物理法和化學(xué)法，物理法主要包括機(jī)械攪拌法和超聲分散法，化學(xué)法主要包括化學(xué)表面改性和分散劑法[7-11]。不同的分散體系間物理化學(xué)特性相差較大。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的兩親性聚合物，能夠溶于水和醇、羧酸等諸多有機(jī)溶劑中，其中，吡咯烷酮基團(tuán)為親水基團(tuán)，主鏈為碳-碳鍵的疏水性鏈段，具有親油性[12-13]。本文通過沉降實(shí)驗(yàn)，采用激光粒度分析、光學(xué)顯微分析和透射電子顯微分析研究了非離子型表面活性劑PVP含量對(duì)納米WC粉末懸浮液的分散穩(wěn)定性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

將不同含量的PVP與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的WC加入到10 mL無水乙醇中。先超聲分散20 min，后磁力攪拌5 min，制得懸浮液。將制備好的懸浮液迅速倒入10 mL量筒內(nèi)，然后進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)。每隔12 h記錄不同含量PVP的懸浮液的沉降情況。采用激光粒度分析儀來測(cè)量粉末的粒徑及粒徑分布，采用光學(xué)顯微鏡和透射電子顯微鏡表征納米WC粉末懸浮液的分散性。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉降法分析

圖1為不同含量PVP懸浮液的沉降比隨時(shí)間的變化曲線。沉降比越小，懸浮液的分散穩(wěn)定性越好。隨著沉降時(shí)間的延長(zhǎng)，納米WC懸浮液的沉降比升高。當(dāng)添加PVP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.15%時(shí)，沉降速度較快；當(dāng)沉降時(shí)間為36 h、48 h、60 h時(shí)，沉降比均在PVP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%時(shí)取得最小值，分別為54%、67%、85%；繼續(xù)增大PVP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分散效果變差。結(jié)果表明PVP可以明顯改善納米WC在無水乙醇中的分散性，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%PVP時(shí)，其分散效果最好。

圖1 不同PVP含量的懸浮液沉降比隨沉降時(shí)間的變化關(guān)系

2.2 激光粒度分析

圖2(a)和圖2(b)分別為未添加PVP和添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%PVP的懸浮液粒徑分布圖。未添加PVP的懸浮液中納米WC粉末的粒徑主要分布在200～800 nm之間，平均粒徑為396 nm，尺寸分布比較廣。添加0.25%PVP時(shí)，懸浮液中納米WC粉末的粒徑分布變窄，在100～250 nm之間，平均粒徑為146 nm。添加質(zhì)量分散為0.25%PVP后懸浮液中納米WC在無水乙醇中的分散效果明顯得到了改善。

2.3 顯微組織分析

圖3(a)和圖3(b)分別為未添加PVP和添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%PVP的顯微組織圖。未添加PVP時(shí)，納米WC團(tuán)聚明顯，并且在懸浮液中分布不均勻，整個(gè)懸浮液體系不穩(wěn)定。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%PVP后，納米WC粉體的團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減輕，納米WC粉末分散均勻。加入PVP后，納米WC粉體分散效果明顯上升。

圖3 不同PVP含量的納米WC的光學(xué)顯微組織圖：(a)未添加PVP；(b)PVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%

圖4為添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%PVP后納米WC粉末懸浮液的透射電子顯微圖。部分原始顆粒聚集著一起形成不規(guī)則的粉末聚集體。表明，一定量PVP的添加能有效改善納米WC粉末在無水乙醇中的分散性，但不能完全消除納米WC粉末的團(tuán)聚。結(jié)合透射電子顯微圖片和文獻(xiàn)分析，當(dāng)添加PVP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.15%時(shí)，沉降速度較快，可能原因是PVP的加入量過少，不能完全包裹納米WC，納米WC之間還是容易發(fā)生碰撞引起團(tuán)聚[14-15]。當(dāng)PVP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%時(shí)分散效果較佳，這可能是因?yàn)樵诔暦稚r(shí)，PVP會(huì)在納米WC表面形成一層保護(hù)膜，減少納米WC之間的相互碰撞而產(chǎn)生的團(tuán)聚，減輕了納米WC的重力沉降。繼續(xù)增大PVP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，多余的PVP會(huì)相互橋連，反而加快WC粒子之間的聚集，從而使分散效果變差。

圖4 PVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%時(shí)納米WC的透射電子顯微圖

3 結(jié)論

(1)通過沉降實(shí)驗(yàn)表明，將納米WC直接加入無水乙醇制成的懸浮液很不穩(wěn)定。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%PVP后懸浮液的分散效果相對(duì)最優(yōu)，當(dāng)沉降時(shí)間為36 h、48 h、60 h時(shí)，沉降比最小，分別為54%、67%、85%。

(2)粒徑分析表明，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%PVP后，懸浮液中納米WC粉末的平均粒徑為146 nm，粒徑分布為100～250 nm，較未添加PVP時(shí)明顯變窄。

(3)顯微組織分析表明，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%PVP后，納米WC粉體的團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減輕，分散均勻。