纳米ZnO2（AI,La)棉织物红外隐身整理液分散性能的研究yd18820

王薇，张琳萍，余喜理，方帅军，毛志平    (东华大学化学化工与生物工程学院生态纺织品教育部重点实验室，上海201620)

收稿日期：2014-06-11

作者简介：王薇(1987-)，女，河北邢台人，博士研究生，主要从事功能纺织品的研究

原载：印染助剂2015/8；15-17

 

【摘要】采用砂磨方法制备纳米ZnO2(A1，La)水分散液，试验中选用粒度分析、沉降试验以及Zeta电位等技术手段探讨了分散剂种类及其用量对ZnO2(A1，La)分散性能的影响.结果表明：砂磨方法可有效地降低ZnO2(A1，La)的粒径，并得到稳定的分散液.其中阴离子型分散剂聚羧酸钠因空间位阻和静电稳定双重作用对纳米粉体具有很好的分散效果.采用该分散液制备成涂料，再以该涂料制备的涂层棉织物有良好的红外隐身效果.

【关键词】 纳米ZnO：(AI，La)；分散剂；红外隐身

【中图分类号】TQ610.42；TQ340.471 文献标识码：A 文章编号：1004-0439(2015)08-0015-03

 

ZnO2（A1，La)，即共掺铝、镧氧化锌，是一种掺杂型半导体材料.文献报道，铝和镧共掺杂氧化锌可以改变其本身的载流子密度、载流子迁移率和载流子碰撞频率，使其在红外波段具有较低的红外吸收 .课题组采用溶胶凝胶法已成功制备ZnO2(A1，La)粉体，并证实其优异的红外隐身性能 .一般军事目标的红外辐射强度都远远高于其所处的环境.实现红外隐身的有效措施是使用低发射率材料来降低目标的红外辐射强度，使之与背景的红外辐射能接近，尽可能降低目标与背景的反差，达到红外隐身的目的 .作为红外隐身材料，ZnO2(A1，La)可应用于红外伪装布、红外帐篷及红外隐身武器.然而，在制备红外隐身涂料前，必须对ZnO2(A1，La)粉体进行分散，否则会使制备的涂层极为不均匀.本文通过筛选合适的分散剂和分散工艺，制备稳定的纳米ZnO2(A1，La)分散液.

1  试验

1.1  材料和仪器

织物：棉织物，经退浆、煮练、漂白纯棉白府绸，面密度0.1 g／cm2,经密173根／10 cm，纬密120根／10 cm，经向纱支9.8 rex，纬向纱支14.75 tex.

药品：ZnO2(AI，La)，自制，其中Al的摩尔分数为5％，La的摩尔分数为2％；NaOH、HC1、PEG400(均为分析纯)，CT-324超分散剂，聚羧酸钠，氧化锆珠.

仪器：LS13320型激光粒度分析仪(美国贝克曼库尔特公司)，马尔文Nanozs激光粒度仪，IR-2型双波段发射率测量仪.

1.2  试验步骤

首先将一定量的分散剂溶于适量水中，充分搅拌溶解配成0.5％的溶液.然后将ZnO2(A1，La)粉体在搅拌条件下加入到分散剂溶液中，调节pH=10左右，球磨一定时间，超声15 min，待测.

配制ZnO2(A1，La)质量分数为20％的整理液，加入30％的聚醋酸乙烯乳液粘合剂和1％的增稠剂，对棉织物进行涂层整理，涂层厚度200 µm，80℃烘3 min，180℃焙烘2 min.

1.3  测试

采用激光粒度分析仪测试砂磨前ZnO2(A1，La)粉体的粒径.测试前超声(功率240 w)分散10 min.

使用马尔文Nanozs激光粒度仪测定ZnO2(Al，La)分散液的Zeta电位以及砂磨后ZnO2(A1，La)纳米分散液的粒径.

采用沉降法对ZnO2(Al，La)分散液的稳定性进行测试.将分散液移入10 mL试管中，静置一定时间，测定上层清液的高度.清液高度越低，分散稳定性越好.

采用IR-2双波段红外发射率测试仪对涂层织物在8 14 Ixm波段内的红外发射率进行测定，测10次，取平均值.红外发射率测量范围0.01- 0.99；灵敏度NE△e为0.001；示值误差为±0.02(ε>0.50)；重复性±0.01.

热红外成像：采用Fluke TiR 32手持热像仪对涂层前后织物的红外辐射强度进行分析.主要技术参数：红外传感器尺寸为320x240，热图图像校准范围为-10～80℃.

2  结果与讨论

2.1  分散剂种类

选用PEG400、CT-324超分散剂和聚羧酸钠3种分散剂，结合沉降试验，筛选出最适合使用的分散剂，结果见表1和表2.未进行分散的ZnO2(AI，La)浆料平均粒径为1 360 nm，粒径比较大，易聚集沉降，如果直接用于涂层，必然会影响涂层性能.因此，在涂层之前必须选择合适的分散剂进行砂磨分散.从试验数据看，当加入分散剂进行砂磨后，ZnO2(A1，La)分散液的粒径迅速降低.PEG400分散属于空间位阻机理，能够有效防止粒子在分散中的二次团聚，但分散稳定性比较差；CT-324是美国气体化工生产的超分散剂，较传统的分散剂产生较少的泡沫，主要起到润湿剪切作用，分散效果一般；聚羧酸钠分散属于静电位阻理论，可以防止颗粒的团聚和重力沉降，分散效果较好.经聚羧酸钠分散后，ZnO2(A1，La )散液的粒径低至170 nm.

表1 不同分散剂对分散液粒径的影响

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表2不同分散剂的分散液稳定性

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2.2  分散剂用量

选用聚羧酸钠作为分散剂，测定其用量对ZnO2(A1，La)浆料粒径的影响，结果如图1所示.当分散剂用量为6％时，ZnO2(A1，La)的平均粒径为170 nm；继续增加分散剂的用量，不但不会降低粒径，反而会使粒径增加，这是因为聚羧酸钠有较长的分子链，用量过多会产生分子链的相互缠结，从而发生絮凝沉淀.

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图1 分散剂用量对粒径的影响

由图2可知，砂磨后的分散液粒径分布比较集中.

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图2 分散剂用量为6％的纳米分散液粒径分布

2.3  聚羧酸钠分散机理

为了探讨聚羧酸钠分散ZnO2(A1，La)粉体的机理，分别取14份ZnO2(A1，La)分散液，采用盐酸或者氢氧化钠调节其pH为1～14，测定未加分散剂以及添加聚羧酸钠分散剂时ZnO2(A1，La)分散液的Zeta电位，结果如图3所示.

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图3  pH对纳米分散液Zeta电位的影响

由图3可知，不添加分散剂时，ZnO2(A1，La)分散液的等电点在pH=9.2左右，当pH<9.2时，Zeta电位为正值，粒子带正电；当pH>9.2时，Zeta电位为负值，粒子带负电.在强碱性条件下，不添加分散剂的ZnO2(A1，La)分散液在pH接近12时，Zeta电位绝对值达到最大值.根据DLVO理论，当Zeta电位绝对值最大时，颗粒表面双电层之间的斥力大于颗粒之间的引力，这时分散体系的粒子表面电荷密度最大，粒子之间的斥力最强，分散液的稳定性最好.而在等电点即pH=9.2时，Zeta电位为零，颗粒之间的引力大于双电层之间的斥力，这时体系中的颗粒就会发生团聚而沉降，导致分散稳定性下降.

添加聚羧酸钠后，ZnO2(A1，La)分散液的Zeta电位均为负值，粒子表面带负电，斥力增加.当pH在10左右时，分散液的Zeta电位绝对值最大，比未加分散剂大.这说明聚羧酸钠的加人使颗粒表面双电层间的斥力大于颗粒间的引力，增加了体系的分散稳定性；此时高分子链的空间位阻作用也较大，因而，分散液具有较高的稳定性.

2.4  织物红外隐身性能

物体红外发射率是研究热红外隐身材料的重要评价参数，是物体本身的热物性之一，是目标物体辐射能量与处于同一温度条件下绝对黑体发射的辐射能量比.相同环境下，目标的发射率越低，辐射的红外能量越弱，被探测到的几率越小.另外，目标的红外发射率不是越低越好，而是要能够匹配到相应的环境中.因此，研究者常常采用各种手段来有效降低目标的红外发射率[4].对棉织物进行涂层整理，采用双波段红外发射率测试仪对涂层前后织物在8～14 m波段内的红外发射率进行测定.试验结果显示，未涂层棉织物的红外发射率为0.940，没有红外隐身性能；经过涂层整理后的织物红外发射率为0.692，表现出良好的红外隐身性能.

热成像仪是利用目标自身与周围环境产生的红外辐射能量差，在显示屏上成像来完成识别、跟踪、制导和攻击任务的.热成像图上的温度颜色条用于表示红外辐射能量的高低.红色代表目标的红外辐射能量比较高，蓝色则表示目标的红外辐射能量低.采用热红外成像仪对涂层前后织物的红外辐射强度进行表征.从图4a可以看出，人体较外界环境呈现出更强的红外辐射能量.这是由于未整理的棉织物红外辐射能量高，不具有减弱目标红外辐射强度的作用.图4b是涂层织物的热红外成像图，结果表明，经ZnO2(A1，La)涂层整理后织物可以在一定程度上减弱目标的红外辐射强度，使其接近背景的红外辐射强度.

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A未涂层                    b涂层

图4 涂层前后织物的热红外成像图

3  结论

(1)ZnO2(A1，La)分散液等电点pH在9.2左右，在等电点时，纳米分散液稳定性最差，颗粒迅速沉降.

(2)分散剂聚羧酸钠对ZnO2(A1，La)的分散效果最好，用量为6％时获得具有最小粒径的稳定分散液.

(3)经过ZnO2(A1，La)涂料整理后，棉织物的红外发射率可降低至0.692，表现出良好的红外隐身性能.

参考文献：

(1] BELHADJTAHAR R.Structural and electrical properties of alumi-Hum-doped zinc oxide films prepared by sol-gel process[J].Journal of the European Ceramic Society，2005，25：3 301-3 306.

[2] DENG SH，DUAN M Y，XU M，et a1.Effect of La doping on the electronic structure and optical properties of ZnO[J].Physica B，201 1,406：2 314-2 318.

[3] MAO Z P，YU x L，ZHANG L P，et a1.Preparation，characterization and infrared emissivity study of ZnO2(A1，La)coated cotton fabrics[J].Vaccum，2014，104：1 1 1-1 15.

[4] 张建奇，方小平.红外物理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004