铜纳米流体的分散稳定性研究

摘要

本文对一步化学法制备铜纳米流体进行了研究。选择硼氢化钾(KBH4)为还原剂,硫酸铜(CuSO4·5H2O)为氧化剂并添加络合剂乙二胺四乙酸钠(EDTA-2Na)、氢氧化钾(KOH)、分散剂(聚乙烯吡咯烷酮＼PVP、阿拉伯树胶＼AG、十六烷基三甲基溴化铵＼CTAB等)以及水为溶剂,通过化学还原反应制备铜纳米流体。主要研究了分散剂的种类及其加入量、KOH加入量、EDTA-2Na加入量及温度对铜纳米流体的制备及其分散稳定性的影响。通过透射电子显微镜(TEM)、激光粒度分析仪、X射线衍射分析仪(XRD)和化学分析研究了铜纳米流体中铜颗粒的粒度、形貌；通过激光粒度分析仪、重力沉降分析、Zeta电位分析研究了铜纳米流体分散稳定性。
　　 实验结果表明:
　　 1.分散剂CTAB的加入量为0.125M,KOH加入量为1.0M,制备的铜纳米流体中铜颗粒粒度范围最窄可达1～10nm,数量平均粒度最小为1.09nm,这是迄今为止世界上最小的铜纳米流体粒径,但稳定性较差,只能稳定存在一天。当KOH加入量为0.7M时,稳定性较好,能够稳定存在两个半月。CTAB对铜纳米流体的稳定机制应该为静电位阻稳定机制。
　　 2.分散剂AG加入量为5.7×10-5M制备的铜纳米流体的数量平均粒径为47.8nm,颗粒粒度分布曲线呈不平均的双峰状；经过两周时间的放置后,沉降了大约5mm,表现出较好的稳定性,这主要是靠分散剂AG的空间稳定机制发挥作用。
　　 3.分散剂PVP加入量为0.216M,KOH的加入量为0.7M,铜纳米流体的pH值为9,制备铜纳米流体的颗粒最小平均粒径为5.30nm,粒度分布最窄。分散剂PVP在水中的溶解度随溶液pH值的增大而减小,当溶液保持pH值为8时,PVP将不会从溶液中脱溶,可以获得分散稳定性较好的铜纳米流体,一个月没有发生明显的沉淀。铜纳米流体的Zeta电位为-44.07mV,测试的Zeta电位绝对值超过了稳定液体30mV的临界值,表明制备的铜纳米流体体系是稳定的。这主要是靠分散剂PVP的空间稳定机制发挥作用。
　　 4.温度能够提高铜纳米流体制备速度,同时对铜纳米流体的分散稳定性有重要影响。当加入的分散剂为CTAB,在20℃和40℃时能够制备出平均粒径为2nm、稳定性超过两周的铜纳米流体。当加入的分散剂为阿拉伯树胶,在80℃以下温度能制备出粒径为20nm、稳定性超过两周的铜纳米流体。在高温下,分散剂CTAB可能从晶核表面脱附,从而发生奥斯特瓦尔德老化,使颗粒粒径增大。温度对阿拉伯树胶的吸附性能影响较小,温度较高时,阿拉伯树胶仍然发挥较好的分散效果。
　　 5.通过粉末XRD分析,发现制备的纳米流体中粉末主要由Cu组成,还含有微量的Cu2O。通过TEM分析,发现粉末形状大部分是球形,并且颗粒的分散性较好。采用化学分析法,分析了纳米流体中粉末中含有88.51％的Cu。
　　 6.一步化学法制备的铜纳米流体导热系数有显著增加。室温下,测得原液的导热系数平均值0.7833 W/m·K,测得经三次离心洗涤后用超声波分散制备的铜纳米流体的导热系数平均值为0.8208W/m·K,分别比纯水的增加了26.7％和32.8％。