反相微乳液的电导研究及其在氧化铝纳米颗粒制备上的应用

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本文利用CTAB/正丁醇/环己烷/Al(NO33(NH3·H2O)溶液四组分反相微乳液中的纳米水核为模板,采用微乳液法成功制备了具有纳米级粒径,颗粒大小分布均匀,分散性好的球形Al2O3颗粒。本文包括反相微乳液的选择和Al2O3纳米颗粒的制备两部分内容,采用目视和电导测量相结合的研究手段,对CTAB/正丁醇/环己烷/水四组分体系的微观结构进行了研究,探讨了表面活性剂CTAB、助表面活性剂正己醇的用量及分散相类型的改变对该体系处于W/O结构时水相的最大增溶量及体系稳定性的影响,找到了适合制备Al2O3纳米粒子的反相微乳液的最佳配比。然后以此配比下的反相微乳液为模板,通过改变不同的反应条件,成功合成了不同粒径的Al2O3纳米颗粒。采用SEM、TG-DSC和XRD等测试手段对所得粉体进行了表征。所得结论主要有以下几点:(1)通过CTAB对CTAB/正丁醇/环己烷/水微乳液在油包水结构时对增溶水量的考察,发现表面活性剂CTAB的含量对该反相微乳液的稳定性有明显的影响。表面活性刘CTAB在油相环己烷中的浓度小于0.6mol/L时,随着CTAB浓度的增大,不仅油相中反胶束的数量增多,而且单个胶束的聚集数增加,因而反相微乳液的最大增溶水量增大,稳定性增强。当表面活性剂CTAB的浓度大于0.6mol/L时,由于CTAB所形成的胶束在油相中的浓度不再变化,因此反相微乳液的最大增溶水量基本不再变化,再者,由于过多的CTAB溶解在油相中,CTAB的碳氢链相互交织缠绕造成微乳液的稳定性下降。(2)在CTAB/正丁醇/环己烷/水微乳液中,助表面活性剂正丁醇的含量对界面膜强度的影响非常大。实验发现,正丁醇在油相环己烷的浓度为3.5mol/L时,该微乳体系的界面膜强度较大,稳定性较好。但正丁醇含量的大小对该反相微乳液的最大增溶水量的影响不大。正丁醇浓度值大于或小于3.5mol/L时,该微乳体系的稳定性都将降低。(3)对于CTAB/正丁醇/环己烷/水反相微乳液,将水相替换为Al(NO33溶液和NH3·H2O溶液,该体系的最大增溶量将随着电解质浓度的增大而减小,而且水量小于水相为去离子水的含水量。这是由于离子的加入压缩了表面活性剂极性头基的扩散双电层,微乳体系的稳定性下降,使体系对水溶液的增溶能力降低。(4)微乳液在合适的配比下,随着增溶水量的增加,CTAB/正丁醇/环己烷/水微乳液连续经过三种微结构的变化,即油包水(W/O)、油水双连续(BC)及水包油(O/W)三种类型,并且当该微乳液处于油包水结构时,其电导率呈现典型的渗滤特征。(5)根据微乳体系的电导率曲线来判定微乳液的结构是可行的,选择制备Al2O3纳米颗粒的反相微乳液的最佳配比如下:油相环己烷的体积固定不变,表面活性剂CTAB的浓度为0.6mol/L,助表面活性剂正丁醇浓度为3.5mol/L。(6)在其他反应条件相同的情况下,Al2O3粒子粒径可通过调节微乳液组成中的水量来控制。由于反相微乳液的水核大小与ω值密切相关,而水核的大小限制了纳米颗粒的生长,根据ω=[water]/[surfant],因此粒子粒径可通过调节组成中的水量来控制。实验结果表明,ω1∶ω2∶ω3=1∶2∶3时,Al2O3颗粒D(ω1)、D(ω2)(D2)、Dω3的直径分别为30nm、40nm和80nm,颗粒直径随ω的增大而明显增大。但是当水量过多时,表面活性剂不能实现对水核的良好包覆,界面膜的强度变差,水核容易变形、破裂,对粒径的控制能力削弱,导致获得的纳米粒子的不仅粒径增大而且分散性较差。(7)在其他反应条件相同的情况下,Al2O3颗粒直径随微乳液中水核中增溶的反应物浓度的增加而增大。实验结果表明,Al(NO33溶液的浓度分别为0.1mol/L、0.5mol/L和1mol/L时,所对应的Al2O3颗粒的粒径分别为25nm、40nm和50nm。但是当反应物的浓度过大时,造成微乳液的稳定性下降,导致生成的纳米颗粒的分散性降低。(8)通过SEM、TG-DSC和XRD对本实验中制备的Al2O3纳米颗粒进行分析可知,用微乳液法制备的Al2O3前驱体在1150℃时就完全转化为α-Al2O3,比传统的制备方法所需的1200℃以上的温度要低。所得粉体粒度分布均匀,分散性好。
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