纳米抗静电剂SnO_2_TiO_2的合成_李玲

纳米抗静电剂SnO2/TiO2的合成

李玲

(暨南大学功能材料研究所,广东广州510632)

摘󰀁要:通过Sol󰀁Gel法合成SnO2/TiO2复合纳米抗静电剂,TEM分析和研究表明:抗静电剂

粒子大小、分散性与SnCl2浓度、搅拌速度有关;抗静电剂的电阻率大小与SnO2与TiO2的配比有

关;抗静电剂的颜色稳定性与原料配比有关。最佳工艺条件为:SnCl2浓度0.85mol/L,SnO2与

TiO2的摩尔比为1󰀁0.1,搅拌速度160r/min。抗静电剂为球形粒子,分散均匀,平均粒径为5nm;

粉末为白色,电阻率为0~10󰀁󰀁cm。

关键词:纳米抗静电剂;SnO2/TiO2;合成;工艺

中图分类号:TB383󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1000󰀁3738(2004)06󰀁0046󰀁03

SynthesisofSnO2/TiO2AntistaticNanopowders

LILing

(JinanUniversity,Guangzhou510632,China)

Abstract:SnO2/TiO2antistaticnanopowdersweresynthesizedbySol󰀁Gelmethod.TEMobservationindicated

thatthenanopowderswereaverageabout10nm.Thecolorofnanopowderswaswhiteorwhite󰀁yollowanditsresistantce

was0~10󰀁󰀁cm.Thesizesofnanopowdersandtheirdispersionwasrelatedtoprocessingparameterssuchasreactant

concentrationandstirringrates.AntistaticnanopowdersresistancewasinfluencedbytheratioofSnO2toTiO2and

processingparameters.Thebestparameterswere0.85mol/Lofthereactantconcentration,160r/minstirringrateand1

󰀁0.1SnO2/TiO2(mol/mol).

Keywords:antistaticnanopowder;SnO2/TiO2;synthesis;process

1󰀁引󰀁言

纳米无机抗静电剂粉末主要以ZnO、Fe2O3、

SnO2、TiO2等为主,例如锑掺杂的SnO2(ATO),铟

掺杂的SnO2(ITO),尤其以SnO2或Sb2O3载于

TiO2表面的粉体抗静电效果最好,一般这类抗静电

剂的电阻率可达0~100󰀁󰀁cm,特别适合用于浅色

纤维、特种涂料等[1-4]。但是,抗静电剂粉体在达

到纳米级后,颜色的稳定性下降,一般随在空气中暴

露时间延长,SnO2粉末的颜色由灰变成黑色,限制

了材料的应用。为了改善抗静电剂颜色稳定性问题,

人们采用了包覆等方法,但效果并不明显。作者采

用Sol󰀁Gel法,合成得到SnO2/TiO2复合纳米级白

收稿日期:2003󰀁08󰀁22;修订日期:2004󰀁04󰀁29

基金项目:广东省科技攻关计划资助项目(2002C1030402);广州市

科技攻关计划重点资助项目(2002Z2-2023,2003Z2-

2041)

作者简介:李玲(1960-),女,辽宁新滨人,副研究员,博士。色粉末,并通过控制TiO2与SnO2配比调整电阻率

大小、颜色深浅和稳定性。

2󰀁试样制备与试验方法

2.1󰀁试样制备

原料为:SnCl2󰀁2H2O(云南锡业股份有限公

司),化学纯;氨水,工业级;Ti(C4H9O)4(上海美兴

化工厂),化学纯;无水乙醇,化学纯;复合表面活性

剂(以Tween80为主),自制。

将SnCl2󰀁2H2O配成不同浓度溶液,边搅拌边加入

不同浓度的氨水溶液调节pH值至中性,按质量分数

0.5%~1%加入复合表面活性剂,制成溶胶,然后加入

Ti(C4H9O)4,生成白色沉淀,洗涤,过滤,在80󰀁时烘

干,得到白色或浅黄色SnO2/TiO2粉末。

2.2󰀁试验方法

用JEM󰀁1010透射电镜测试粒子形状、粒度大

小和分布;用GM󰀁󰀁电阻率测定仪测试粉末电阻

率,测量电流500mA,测量电压0~200mV,分辨率󰀁46󰀁第28卷第6期2004年6月机󰀁械󰀁工󰀁程󰀁材󰀁料

Materials󰀁for󰀁Mechanical󰀁EngineeringVol.28󰀁No.6Jun.20041󰀁󰀂󰀁m。方法为:开机稳定后,在󰀁1cm󰀁1.6cm的

标准圆柱状容器中加入纳米粉末(约3.5g),调整压

力到󰀁0󰀁,然后旋转加压螺栓,当压力读数为784N

时,读出显示值,打印。

3󰀁结果与讨论

3.1󰀁SnCl2浓度对产物平均粒径的影响

SnCl2浓度大小影响着微粒的结晶速度和颗粒

的大小,但在加入表面活性剂条件下,颗粒的大小受

到表面活性剂胶团尺寸的控制。由图1可见,随着

SnCl2浓度增大,粉末的平均粒度逐渐变小,在达到

0.85mol/L时,粒径最小,采用统计平均值法得到其

平均粒径为5nm。由图2可见,颗粒处于纳米尺度

且分散很均匀。但随着SnCl2浓度进一步增加,产

物粒度又开始增大。这表明,在表面活性剂存在下,

表面活性剂的胶团影响着微粒晶体的生长,其原因

为:在反应体系中,不同SnCl2浓度时,每个表面活

性剂分子胶团相当于一个微型反应器,多个微型反

应器在体系中构成相对的平衡。当SnCl2浓度低

时,微型反应器外围SnCl2通过向胶团内渗透参与

了反应器内的反应,因此,粒子半径较大;当达到一

定浓度时,所有SnCl2都在反应器内,只有反应器内

SnCl2与NH3󰀁H2O和钛酸丁酯进行反应,此时颗粒

大小仅与胶体微粒大小有关,因此,这时的粒子半径

最小;当SnCl2浓度继续增大,胶体颗粒密度大,各

个反应器之间易于进行碰撞而结合,形成了多个粒

子的团聚,从而使粒子粒径增大[5]。所以,在表面

活性剂浓度确定时,通过控制SnCl2浓度可以得到不同粒度大小的产物。

图1󰀁SnCl2浓度对平均粒径的影响

Fig.1󰀁Theinfluenceofreactantconcentration

onaveragediametersofpowders

3.2󰀁搅拌速度对产物平均粒径的影响

搅拌速度影响结晶生长的传质和晶粒的稳定,

图3表明,随着搅拌速度的提高,初期颗粒平均粒径

渐渐减小,在搅拌速度为160r/min时,颗粒最小,

其图2󰀁抗静电剂TEM形貌

Fig.2󰀁TEMPhotoofantistatic󰀁electricnanopowder

图3󰀁搅拌速度对平均粒径的影响

Fig.3󰀁Theinfluenceofstiringrateontheaveragediameters

平均粒径为5nm。但是搅拌速度进一步提高,粒径

开始增大。这是由于随搅拌速度开始增加使胶体粒

子之间碰撞次数增多,增加了反应物间的碰撞,反应

成核几率增加,粒度较小。但速度过大,团聚几率也

增大,产物粒径反而变大。最佳搅拌速度为160r/

min。

3.3󰀁TiO2含量对产物电阻率的影响

由图4可见,颗粒中TiO2含量越大,产物的电

阻率越大,而对抗静电剂的要求是电阻率越小越好。

所以,在合成抗静电剂时,材料中应尽量减少TiO2的加入。但同时发现,TiO2用量太少会影响颗粒的

颜色稳定性,即纳米粉体的抗氧化能力。因此,

TiO2含量、电阻率大小和颜色的关系是三个相互制约的因素。这一问题将在下面进行讨论。

图4󰀁原料配比对电阻率的影响

Fig.4󰀁TheinfluenceofTiO2/SnO2onresistance

3.4󰀁原料配比对产物颜色稳定性的影响

锡为变价金属,SnO为黑色,SnO2为白色或黄󰀁47󰀁李玲:纳米抗静电剂SnO2/TiO2的合成表1󰀁SnO2/TiO2配比对抗静电剂颜色稳定性的影响

Tab.1󰀁TheinfluenceofratioofSnO2toTiO2onthestabilityofantistaticnanopowder

试样SnO2与TiO2的

摩尔比放置时间/h(有光照/无光照)0.51362411󰀁0.02黑色/深灰色黑色/深灰色黑色/黑色黑色/黑色黑色/黑色21󰀁0.04深灰色/灰色深灰色/灰色深灰色/灰色黑色/灰色黑色/灰色31󰀁0.08浅灰色/白色浅灰色/白色浅灰色/白色浅灰色/白色浅灰色/白色41󰀁0.1白色/白色白色/白色白色/白色白色/白色白色/白色51󰀁0.2白色/白色白色/白色白色/白色白色/白色白色/白色

色,所合成的SnO2为白色,在空气、日光或离子溶

液中,SnO2可以被还原成SnO,变为黑色。而颜色

深浅直接影响抗静电剂在纤维或涂料中的使用范

围,而合成浅色或白色的纳米抗静电剂一直是抗静

电剂制备中需要解决的难题。

从表1可见,在SnO2与TiO2的摩尔比为1󰀁

0󰀁08时,纳米抗静电剂在日光下暴露时颜色基本稳

定,为灰白色。但当摩尔比为1󰀁0.1以上时,颜色为

白色不变。结合表1和图4,可以得到一个最佳原

料配比:SnO2与TiO2摩尔比为1󰀁0.1。

3.5󰀁使用条件对颜色稳定性的影响

从表2可见,在纯水中,由于无其他离子作用,

纳米抗静电剂颜色基本保持不变。在Na2SO4盐溶

液中,由于离子的作用,TiO2含量少的颗粒易于还

原,但当纳米抗静电剂中TiO2达一定量时,SnO2被

TiO2包覆,不与外界接触,因此,不受溶液中离子的

影响,颜色也不变化。同样,在高分子溶液中,纳米

抗静电剂被有机物包覆,在抗静电剂表面形成保护

膜,同样不受溶液影响。

表2󰀁不同溶液对抗静电剂颜色稳定性的影响

Tab.2󰀁Influenceofdifferentconditionsonstability

ofantistiaticnanopowder(insolution)

试样纯水1%Na2SO4溶液1%PAB溶液

1黑色黑色黑色2灰色黑色灰色3浅灰色灰色浅灰色4白色白色白色5白色白色白色󰀁󰀁当SnO2与TiO2配比为1󰀁0.1以上时,抗静电

剂颜色不受溶液性质的影响。

4󰀁结󰀁论

(1)由SnCl2与Ti(C4H9O)4可以直接合成得

到白色、球形、单分散的纳米SnO2/TiO2抗静电剂。

(2)纳米抗静电剂的电阻率是可控的,制备电

阻率最小的白色纳米抗静电剂最佳工艺条件为:

SnCl2浓度0.85mol/L,SnO2与TiO2摩尔比为1󰀁

0.1,搅拌速度160r/min,其平均粒径为5nm。

(3)日光照射和强离子溶液会使抗静电剂颜色

变深。但当SnO2与TiO2的摩尔比超过1󰀁0.1时,

抗静电剂颜色不受空气、日照、溶液性质等因素的影

响。

参考文献:

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