冷凍解凍法強迫二氧化矽漿料凝聚的應用研究

Study on Use on The Freeze/Thaw Procedure to the Aggregation of Silica Slurry

劉軒良(Hsuan-Liang Liu)

指導教授 ： 周更生

國立清華大學/工學院/化學工程學系/碩士(2013年)

摘要

本研究主要為探討冷凍解凍(Freeze/Thaw)程序強迫二氧化矽漿料聚集的應用價值，吾人討論此法與傳統的量測漿料穩定性的方法比較，並探討pH和高分子保護劑聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpyrrolidone, PVP)對二氧化矽聚集的影響。
實驗結果發現，若干二氧化矽漿料會於冷凍解凍後凝聚，使用雷射粒徑儀量測其直徑至少有二十倍的增加。除了肉眼可見漿料從透明轉成乳白色會沉澱的漿料，光學顯微鏡與電子顯微鏡也可看到聚集顆粒在漿料中產生。電子顯微鏡可看到聚集體多數呈圓形，推想這是從四面八方均勻受力擠壓的結果，因為在冷凍過程中，冰晶成長排擠二氧化矽顆粒，強制顆粒互相靠近而發生聚集。
二氧化矽漿料在高pH值和高PVP含量能抵抗因為冷凍解凍引發的聚集效果，pH=6時至少需添加0.075 (g/g Silica)的PVP能完全抵抗凝聚，隨著pH值增加，可以添加較少PVP就能抵抗凝聚，當pH=10時，僅需0.025就可以完全抵抗凝聚。然而在pH<4時，加入PVP反而會直接導致凝聚，不需要經過冷凍解凍程序。冷凍解凍所得的聚集體形狀是緊密的球形，但加入PVP而直接凝聚的聚集體結構鬆散不規則，因此猜測是PVP成二氧化矽之間的架橋，而導致凝聚。
二氧化矽與PVP的吸附平衡也被建立，初期結果發現有多層吸附現象，熱重分析(TGA)中有些仍維持原來的燃燒溫度(450℃)，而有些PVP燃燒溫度因為吸附而改變(350℃)。PVP以氫鍵吸附的強度必定大於外圍PVP的吸附強度，因此以水清洗多餘的PVP即可得到單層吸附曲線。
另外研究冷凍解凍法應用於造粒，溶膠的二氧化矽冷凍解凍造粒後震實密度(tap density) 比冷凍乾燥法大上五倍。燃燒法製造的粉末(fumed silica)經過冷凍造粒後，震實密度也提高至五倍。造粒成功的粉末在壓錠成型後並以高溫燒結，兩種樣品經可達一定的透明度，然而燒結效果除與堆積有關外，基本粒子的大小也有密切的關係，不過經由冷凍解凍程序強迫奈米粒子聚集成為自由流動的micron等級之粒子確為可行的簡易替代方法。

關鍵字

漿料分散 ； 二氧化矽 ； 冷凍-解凍 ； 聚集

參考文獻

吳宗哲 "透明的中孔二氧化矽塊材" 國立中央大學化學工程與材料工程研究所碩士論文，台灣 (2007)

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