表面活性剂对电解锌粉形貌的影响.pdf

第5 9 卷第3 期 20 07 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a h V d ．5 9 。N o ．3 A u g u s t2007 表面活性剂对电解锌粉形貌的影响 杨欢，卢立柱，谢惠琴，邓彤 中国科学院过程工程研究所，北京1 0 0 0 8 0 摘要研究氯化铵体系电解制备超细锌粉时，三种典型的表面活性剂对槽电压，锌粉沉积状态和锌粉颗粒大小和形态的影 响。结果表明，在锌离子浓度为3 2 9 ／L 。电解液温度为6 0 “ C 时，非离子表面活性剂吐温一8 0 可以使锌粉颗粒均匀分散，表面活性剂 的加入对槽电压影响不大。 关键词冶金技术；锌粉；电解；表面活性荆；氯化氨体系 中图分类号T F l l l ．5 2 1 ；T F l 2 3 ．1 2 ；T F 8 1 3文献标识码A 文章编号1 0 0 1 - 0 2 1 1 2 0 0 7 0 3 0 0 4 9 0 3 我国锌资源十分丰富，同时又是潜在的使用超 细高活性锌粉的巨大市场，具备发展超细高活性锌 粉的优良条件。国家计委和科技部编制的近期产业 化重点就包括超细高活性球形锌粉，是国民经济急 需的新型粉体材料【lJ 。利用电解法制取超细粉末 消除了杂质，所得产品纯度很高，颗粒大小为0 ．0 1 ～1 肛m ，所得粉末已在磁性材料和其他材料生产中 得到了广泛应用[ 2 J 。目前电解法制备的锌粉【3 ．6 J 容易团聚，造成颗粒较大，而且颗粒呈片状或枝状晶 结构。对于用电解法制取超细锌粉来说，最主要的 是一方面晶核形成速率要快，另一方面又要抑制晶 核生长，因此，要适当增大电解液的浓度，同时要减 小粒子碰撞的机会，而表面活性剂具有空间位阻作 用，能有效抑制晶粒的生长[ 7 1 。由于表面活性剂具 有控制粉体颗粒形状、大小、粒径分布和分散性的功 能，因而广泛应用于粉体制备。 1实验方法 1 ．1 试剂与设备 氯化氨、氧化锌、无水乙醇和试验所用添加剂等 均为分析纯。试验用主要仪器设备有S K l 7 3 0 S L 型 直流稳压电源、8 6 0 3 4 1 型光学显微镜、X 射线衍射 仪 X ’P e r tP R OM P D 和电子扫描显微镜 J S M - 3 5 C F 。 1 ．2 试验操作 向饱和氯化氨溶液中加入一定量的氧化锌充分 溶解后作为电解液，以镀氧化钌的网状钛板为阳极， 收稿日期2 0 0 5 1 2 一0 5 ’ 作者简介杨欢 1 9 6 7 一 ，女．江苏溧阳市人，博士，主要从事有 色金属冶金及合金材料等方面的研究。 铝板为阴极，保持异极距为2 0 r a m ，电解过程中定时 测定电流强度和槽电压，电解过程中及时刮下已电 解沉积的锌粉。电解完毕后，将沉积在电解槽底部 的锌粉分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤两次，自然阴 干后称量超细锌粉的质量。 2 试验结果与讨论 分别将制备的超细锌粉经过清洗和干燥后作 X R D 物相分析，从图1 中可以看出，使用表面活性 剂对产品锌粉的纯度基本没有影响，其中使用阴离 子表面活性剂所得锌粉纯度更高。 k 、 越 鹱 图1 使用不同表面活性剂所得产物的X R D 曲线 F i g ．1X R Dp a t t e r n so fd e p o s i tp o w d 盯w i t h d i f f e r e n ts u d a c r a n t 2 ．1 添加剂对槽电压的影响 保持极间距不变。电极面积不变，电解液浓度 3 2 9 ／L ，温度为6 0 ℃，电流强度为1 A ，选用了三种典 型的表面活性剂，对电解过程中产生的锌粉进行表 面改性。首先研究了表面活性剂对槽电压的影响， 结果表明元任何添加剂时槽电压为2 ．9 V ，阴极刷蓖 麻油后槽电压升高到3 ．2 V ，阴极不刷油，往电解液 万方数据 5 0有色金属第5 9 卷 中加入阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠和阳离子 表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵后，槽电压升高 到3 ．4 V ，加入非离子表面活性剂吐温一8 0 后，槽电 压升高到3 ．1 V 。因此，加入少量添加剂会影响电解 液的导电性，升高槽电压，降低电流效率，不同的表 面活性剂对槽电压的影响大小不同，从获得大的电 流效率的角度来讲，应该选用对槽电压影响小的非 离子表面活性剂吐温一8 0 。 2 ．2 添加剂对粉末颗粒的分散作用 电解中颗粒的形成包括两个过程，一是粒子在 阴极上得到电子后，在阴极板上形成晶核，二是晶核 的长大。在所研究的电解体系中，影响晶核长大的 因素有电解液浓度和电流强度，随着电流强度的增 加，晶核形成速度快，吸附在阴极板上的晶核颗粒来 不及长大，就被新的一层晶粒覆盖，因此，大电流强 度下所得的粉末颗粒细，但团聚严重。采用较大的 电解液浓度，同样使晶核的形成速度加快，也存在团 聚现象。因此，提高电流效率和细化晶粒容易造成 团聚的加剧，为了解决这个问题，考虑在电解液中加 入表面活性剂，以此来消除锌粉粘在阴极上的问题 和粉末之间的团聚现象。 试验中采用了三种典型的表面活性剂分别加入 到电解液中，观察粉末的形成情况，并把所得的粉末 经过去离子水和无水乙醇分别冲洗，并干燥后，在光 学显微镜下放大1 0 0 倍观察分散现象。结果如图2 所示。 a 一无添加刑； b 一阴离子表面活性剂； c 一阳离子表面活性剂； d 一非离子表面活性剂 、图2 光学显微镜下照片 F i g ．2O p t i c a lm i c r o s c o p ep h o t o s 从图2 可以看到，没有添加剂所得粉末较细，但 呈条状团聚，见图2 a 。电解液中加入阴离子表面 活性剂十二烷基硫酸钠，所得的锌粉颗粒呈疏松团 聚状态，见图2 b 。这是因为在水溶液中阴离子表 面活性剂的亲水基是阴离子，由于表面活性剂与固 体颗粒的强吸附作用，阴离子表面活性剂吸附在已 经得到电荷而呈电中性的锌粉颗粒的周围，使得锌 粉颗粒带负电荷，由于带负电荷的锌粉颗粒之间以 及锌粉颗粒与阴极之间存在静电的斥力，而使得颗 粒被分散，并且不与阴极板粘附。而使用阳离子表 面活性剂十六烷基三甲基溴化铵所得的粉末颗粒分 散性要好些，颗粒有明显的油性包覆现象，见图2 c 。这是因为表面活性剂中亲水基是阳离子，带正 电荷的表面活性剂吸附在得到电荷而呈电中性的锌 粉颗粒的表面，使得表面吸附着活性剂的锌粉颗粒 又带上了正电荷，因为与阴极的静电吸引而被吸附 在阴极板上，但由于锌粉颗粒表面有表面活性剂的 吸附，所以粉末和阴极板之间是吸附而不是电解时 的生长。因此锌粉颗粒与阴极板之间不会产生粘连， 并且锌粉与锌粉之间由于吸附着表面活性剂，并且 同带正电荷，因此粉末颗粒不会继续长大，并且相互 之间不会产生团聚。吐温一8 0 和油酸都属于非离 子表面活性剂，它们在水中可以很好的溶解，但不能 离解成离子，它能在固体表面强烈吸附，其亲水的聚 氧乙烯链水化后形成的水化聚乙烯的空间位阻作 用，阻止了颗粒之间的聚结【7 J 。从图2 d 可以看 出，添加少量的吐温一8 0 可以明显的使粉末颗粒分 散，并且颗粒较细。 因此从上面的比较可以看出，使用适当的表面 活性剂，可以使粉末颗粒细小，分散比较均匀。使用 离子型表面活性剂后，对粉末的团聚状态有改变。 加入非离子表面活性剂吐温一8 0 可以较好地分散 锌粉颗粒。 2 ．3 添加剂对粉末颗粒大小和形状的影响 对没有加入添加剂和加入非离子表面活性剂吐 温一8 0 所得的粉末通过S E M 检测，结果如图3 所 示。从图3 a 可以看出，没有添加剂时电解出的粉 末呈片状结构，分散不均匀，有堆积现象，从照片上 可以估算出最小颗粒直径在几百纳米左右。从图3 b 可以看出，加入吐温一8 0 使得粉末颗粒直径变 大，颗粒直径在几百纳米左右，颗粒边界开始模糊， 近似于圆形。因为表面活性剂在溶液中吸附在锌粉 颗粒的周围，形成一层类似于球状的胶团膜，如果用 量适当，形成的球形膜强度大，所得的粉体颗粒为大 小均匀的球状颗粒，当用量少时，形成的胶团膜比较 弱，容易被破坏掉，导致出现不规则形状的颗粒，如 万方数据 第3 期杨欢等表面活性剂对电解锌粉形貌的影响 5 1 出理寺青形盎搀青形笺铆爱[ 8 3 ． a 一元添加剂； b 一非离子表面括性刑吐盈一8 0 图3 产物锌粉的S E M 照片 F i g ．3S 吲Ⅵi m a g e so fz i n cp o w d e r 气蛙裕粒呈不规则片状堆积，吐温一8 0 可以作为添加剂翌 J谁阳 电解产物起一定的分散作用，加入少量吐温一8 0 对 在氯化铵体系中电解所得的锌粉纯度很高，颗槽电压影响不大，粉末颗粒类似于球状，较易分散。 参考文献 [ 1 】谭荣和．浅析超细高活性锌粉的制备和用途[ J 1 ．有色冶炼，2 0 0 2 ，3 1 2 1 1 1 3 ． [ 2 ] 廖为鑫，饵子章．粉末冶金过程热力学分析[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 4 1 8 6 2 0 4 ． [ 3 ] 侯新刚，王胜，王玉棉．超细活性锌粉的制备与表征[ J ] ．粉末冶金工业，2 0 0 4 ，1 4 1 1 0 1 3 ． [ 4 ] 赵廷凯，唐谟堂，梁晶．制取活性锌粉的Z n Ⅱ ．N H 3 H 2 0 - 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