納米粉體通常指粒徑在l~l〇〇nm之間的微小固體顆粒，納米粉體在聚丙烯酰胺乳膠液中的微波誘導分散，屬于微觀粒子和宏觀物體交界的過渡區 域，具有一系列新的物理和化學性能[1]。納米粉體具有異乎尋常的特性，有著廣泛的應用前景。由于 納米粉體的表面原子數多，顆粒比表面積大，比表面能高，屬于熱力學不穩定體系，在制備過程中和 后處理過程中極易發生粒子凝聚、團聚現象，導致最終應用時失去納米粉體應有的物性和功能[2]。因 此，在研究和制備納米復合材料時，必須對納米粉體進行高度分散，使其盡量以單顆粒形式分散在與 其配伍的組分中，發揮其優異性能。

目前，國內外有關納米粉體的分散技術研究主要集中在以下幾方面。一是機械法分散技術的研究 [M]。由于該方法屬于機械力強制性實現納米粉體顆粒團聚體的解團，團聚顆粒盡管在強制剪切力作用 下解團，但顆粒間由于高比表面能而產生的吸引力依然存在，解團后的顆粒又可能迅速團聚。二是表 面改性的靜電抗團聚分散技術[5]。表面改性雖然可以永久性改善顆粒的抗凝聚性能，但由于改性后的顆 粒表面失去了原有的性質，會對應用效果帶來顯著的負面影響。三是超聲波分散技術^。超聲波的作用與 其作用的環境密切相關，增加了環境控制的不確定因素。同時，采用超聲波分散時，若停止超聲波振蕩， 納米粒子仍有可能再度團聚。四是在分散的懸浮液中加入分散劑[7]。分散劑的選擇是一項細致、深入的 工作，不同的材質、粒徑可能需要不同類型的分散劑和添加量，同時也會因為有機溶劑的加入，影響到納 米顆粒本身的特性。因此，研究開發新的納米粉體分散技術，解決納米粉體在工業領域中的應用問題，是 十分必要的。

聚丙烯酰胺(PAM)是一種線性水溶性聚合物，它作為水處理領域的絮凝劑、紡織印染領域的織物 后整理劑以及石油開采領域的重要油田化學品，具有廣泛的用途[8]。納米ZnO具有很好的抗菌和防紫 外線功能[9]，在PAM中加入納米ZnO,可以開發具有抗菌和防紫外線功能的織物印染后整理劑。另外， 當PAM作為絮凝劑應用時，加入納米粉體可以提高PAM的吸附和絮凝能力因此，研究開發納米 ZnO復合的PAM,對于水處理工業、紡織印染工業等具有重要的意義。

本研究在前人工作的基礎上，采用微波技術進行納米ZnO粉體在聚丙烯酰胺乳膠液中的分散工 作。其基本原理是利用微波的熱效應和其它效應，改變納米ZnO粉體化學鍵的配位和晶型結構，使納 米ZnO粉體顆粒在PAM中處于熱力學穩定狀態，避免顆粒的團聚，從而解決納米ZnO粉體在PAM 中的分散問題。該研究工作的開展，為研究納米粉體顆粒的分散問題提供一種新的手段，使得納米粉 體在母體介質中發揮其獨特的物理、化學性能，即“納米效應”。

2實驗部分

2.1原料及儀器

納米氧化鋅(ZnO%多99.7%,平均粒徑在20nm,綿陽高新區新特納米科技有限公司提供)；

蒸餾水(四川大學制)；

聚丙烯酰胺(Q/YBBY01-91,數均分子量多3xl06,化學純，湘中化學試劑開發中心提供)；

甲醇(GB/T683-1993,分析純，成都長聯化工試劑有限公司提供)；

改裝的微波爐(700W, 2450MHz,格蘭仕WP700L17)。

2.2納米ZnO粉體分散性能的表征

采用日本電子公司的JEM-100CX型透射電子顯微鏡(TEM)進行納米ZnO粉體在PAM乳膠液分散性 能的表征，透射電鏡測量范圍為lnm~5pii。

2.3實驗方法

取一定量的固體PAM,加入水和甲醇，配制成PAM乳膠液。納米粉體在聚丙烯酰胺乳膠液中的微波誘導分散，按一定比例往PAM乳膠液中添加納 米ZnO粉體。將添加納米ZnO粉體的PAM乳膠液放置在250mL三口燒瓶中，在一經過改裝的微波爐 中攪拌30min。攪拌方式采用機械攪拌，在攪拌漿與三口燒瓶的接口處采用水密封。控制微波爐的功率 為400?500W,攪拌速度為600r.min-\為了防止由于微波的熱效應造成PAM乳膠液中溶劑的揮發， 將三口燒瓶與冷凝器相連。將微波誘導分散后的PAM乳膠液靜置24hr,取樣進行納米ZnO粉體分散性 能的TEM表征。

為了觀察微波對納米ZnO粉體在PAM乳膠液中分散性能的影響，本研究還進行了常規剪切攪拌條 件下納米ZnO粉體在PAM乳膠液中分散性能的對比實驗。常規剪切攪拌實驗條件同微波誘導分散條件 相同，攪拌速度為SOOrmiiT1,攪拌時間為30min。添加納米ZnO粉體的PAM乳膠液進行常規剪切攪拌 后，靜置24hr,然后取樣進行納米ZnO粉體分散性能的TEM表征。

3實驗結果和討論

納米ZnO粉體在PAM乳膠液中微波誘導分散的TEM表征結果示如圖1和圖2。在圖1和圖2中還 同時將ZnO粉體在PAM乳膠液中微波誘導分散性能同常規剪切攪拌分散性能進行了比較。

圖1是放大58X103倍的ZnO粉體在PAM乳膠液中分散性能的TEM表征結果，其中圖1(a)是常 規剪切攪拌分散性能的TEM圖，圖1(b)是微波誘導分散性能的TEM圖。由圖1(a)可以看出，常規剪切 攪拌分散條件下，納米ZnO顆粒在PAM乳膠液中發生深度團聚，絕大多數團聚體粒徑達200nm,形狀 如球狀，且相互粘連。圖1(b)的TEM表征結果顯示，在微波誘導分散條件下，納米ZnO顆粒在PAM 乳膠液中具有很好的分散效果，團聚較少，最大團聚體粒徑為50nm左右，而且顆粒分散比較均勻，呈 鏈狀分布=

圖2是放大100X103倍的ZnO粉體在PAM乳膠液中分散性能的TEM表征結果，其中圖2(a)是常 規剪切攪拌分散性能的TEM圖，圖2(b)是微波誘導分散性能的TEM圖。圖2的實驗結果進一步證明， 常規剪切攪拌分散條件下，納米ZnO顆粒在PAM乳膠液中要發生深度團聚，團聚體粒徑達lOOnm;而 在微波誘導分散條件下，納米ZnO顆粒團聚較少，大多數顆粒的粒徑在40~70nm范圍內，而且顆粒分 散比較均勻，呈網狀分布。

(b)

⑻

圖1聚丙烯酰胺(PAM)乳膠液中納米ZnO顆粒的TEM照片(放大58 X 1〇3倍）

(a>撹拌分散；（b):微波誘導分散

Fig.l The TEM photos of nano-ZnO particles in PAM colloid (amplified by 58 >< 103 times) (a): stirring dispersion; (b): microwave-induced dispersion 圖2聚丙烯酰胺(PAM)乳膠液中納米ZnO顆粒的TEM照片(放大100 >< 103倍）

攪拌分散；（b):微波誘導分散 Fig.2 The TEM photos of nano-ZnO particles in PAM colloid (amplified by 100 >< 103 times) (a): stirring dispersion; (b): microwave-induced dispersion

從圖1和圖2所示的結果可以看出，微波作用能夠顯著阻止納米ZnO顆粒在PAM乳膠液中的團

聚，改善納米ZnO粉體的分散性能，其原因可以從以下兩方面進行解釋。本研究所選用的水、水溶 性聚合物聚丙烯酰胺均屬于介電常數較大的介質，在微波場中，這類極性分子發生偶極弛豫，在體系 內部直接引起微波的損耗，發生偶極子轉向極化和界面極化[11]。另一方面，余寶龍等[12]通過對純ZnO

微粉的XPS譜進行分析，測得鋅與氧的比率為2.1:1(分析誤差±0.03%),表明在ZnO微晶的表面有大 量的氧空位或缺陷存在。02_空位形成的正電中心在磁場作用下，俘獲一個電子并束縛在他的周圍，形 成順磁共振源。因此，在微波場作用下，將納米ZnO粉體分散在發生偶極極化的極性分子中時，微晶 俘獲或束縛周圍的空間電荷或帶電離子和基團，使其附在納米ZnO顆粒的表面形成保護層，從而抑制了

納米ZnO粉體在PAM乳膠液中的團聚。

本文還研究了添加納米ZnO粉體后PAM乳膠液的機械穩定性。以SOOr.min：1的速度機械攪拌30min后,

靜置24hr,觀察PAM乳膠液的狀況，沒有發現分層和絮凝物產生的現象，納米粉體在聚丙烯酰胺乳膠液中的微波誘導分散，表明添加納米ZnO粉體不影響 PAM乳膠液的穩定性。事實上，由于納米ZnO顆粒具有高活性和巨大比表面積，可與溶劑形成強大的相

互作用力，從而能改進PAM乳膠液的流變性和穩定性。

4結論

微波誘導分散技術能顯著提高納米ZnO顆粒在PAM乳膠液中的分散性能。在微波作用下，PAM 乳膠液中沒有明顯的納米ZnO顆粒團聚體，大多數顆粒的粒徑在40~70nm范圍內，而且顆粒分散比較 均勻，呈網狀分布。添加納米ZnO粉體不影響PAM乳膠液的穩定性。