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高分子分散剂在陶瓷浓悬浮体制备中的应用

时间:2012-01-04来源:分散剂 作者:陶瓷分散剂 点击:
良好分散的陶瓷浓悬浮体是胶态成型实现的前提和关键。本文阐述了高分子分散剂的分散稳定作用及其在多种单相复相陶瓷浓悬浮体制备中的研究和应用,进而从高分子分散剂自身特性,陶瓷分散相和分散介质的物理化学性质以及陶瓷胶态成型工艺操作等方面,分析了各因

高分子分散剂在陶瓷浓悬浮体制备中的应用

孙艳荣,张靠民,黄勇,马利国,范涛

(1.北华航天工业学院材料工程系,廊坊065000;2.新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室

(清华大学),北京100084)

摘要:良好分散的陶瓷浓悬浮体是胶态成型实现的前提和关键。本文阐述了高分子分散剂的分散稳定作用及其在多种单相复相陶瓷浓悬浮体制备中的研究和应用,进而从高分子分散剂自身特性,陶瓷分散相和分散介质的物理化学性质以及陶瓷胶态成型工艺操作等方面,分析了各因素对高分子分散剂分散效果的影响,最后指出了能够优化陶瓷浓悬浮体性能的高分子分散剂的研究趋势。

关键词:高分子分散剂;陶瓷浓悬浮体;胶态成型工艺

引言

高分子分散剂,又称超分散剂或聚合物分散剂,最早为解决颜料颗粒在有机介质中的分散问题而开发,克服了无机分散剂容易带入杂质离子和有机小分子分散剂吸附不牢固、分散稳定性差的缺点,目前已经广泛应用在涂料、油墨、印染、塑料填充、陶瓷分散、水泥分散、软磁材料等领域。

 

上世纪九十年代以来,陶瓷胶态成型工艺(Colloidal Forming Process)的蓬勃发展使高分子分散剂日渐进入陶瓷浓悬浮体制备领域。适用于胶态成型的陶瓷浓悬浮体,首先必须能够承载较高的固相含量(一般要求固相体积分数>50vo1.%),以满足原位凝固成型的需要;还要具有良好的流动性(粘度<1Pa·s),以便于充模等工艺操作。陶瓷浓悬浮体制备技术旨在实现陶瓷颗粒在液体介质中的均匀分散,从而有效消除团聚体,保证产品可靠性,因此更加注重分散剂的选择和使用。高分子分散剂以其良好的分散稳定作用,近年来在这一领域得到越来越多的研究和应用。

1分散稳定作用

在非水体系的陶瓷浓悬浮体中,高分子分散剂如鱼油、甲基丙烯酸和甲基丙烯酸酯的共聚物,以及一些商业化高分子分散剂,主要以空间排斥力起到分散稳定作用。有效的高分子分散剂要求既能够提供可吸附于陶瓷颗粒表面的功能基团,又具备足以克服颗粒间范德华引力的空间斥力长链。Kakui等以聚乙烯亚胺(PEI)为分散剂,分析了氧化铝乙醇浓悬浮体中陶瓷颗粒间的相互作用,发现接枝PEI比线型PEI更容易产生短程空间斥力,从而实现陶瓷颗粒的分散稳定。不过,由于保护环境和控制成本等原因,非水体系的应用受到限制,仅用于水会对分散体系产生有害作用的情况或者复杂的成型工艺如流延成型中。

 

当前,水基陶瓷浓悬浮体的制备研究已经引起人们的广泛关注,本文将主要讨论高分子分散剂在水基陶瓷浓悬浮体中的应用。在陶瓷浓悬浮体中添加的高分子分散剂主要是水溶性高分子,可分为两类,一类是聚电解质,在水中可以电离;另一类是非离子型聚合物。聚电解质类高分子分散剂(如聚羧酸类分散剂),主要由含羧基的不饱和单体(如丙烯酸、马来酸酐等)与其它单体共聚而成,能够以电空间稳定机制(即静电稳定和空间位阻稳定机制协同作用)实现陶瓷颗粒的良好分散,在陶瓷浓悬浮体的制备中应用较多。非离子型高分子分散剂主要有聚氧乙烯类衍生物、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮等,主要依靠空间位阻稳定机制对陶瓷颗粒进行稳定。与无机分散剂和有机小分子分散剂相比,高分子分散剂以其特有的空间位阻或电空间稳定机制,更加有利于实现陶瓷高浓悬浮体的制备,使分散介质能够承载更多的陶瓷颗粒。

 

通过分析陶瓷颗粒间相互作用的势能可以探讨高分子分散剂的分散稳定作用。浓悬浮体中陶瓷颗粒间的作用势能总和可表示为:

Vtotal=Vvdw+Velect+Vsteric

式(1)中各项意义如下:Vvdw:范德华作用势,颗粒间的长程范德华引力所产生的势能;Velect·:静电稳定势,表面带电颗粒间的静电相互作用产生的排斥势能;Vsteric:空间稳定势,表面吸附高分子的颗粒问发生空间相互作用产生的排斥势能。

1.1小分子分散剂的分散稳定作用

采用无机或有机小分子分散稳定的体系主要是静电稳定机制发挥作用,也就是说在式(1)的总势能中保留了前两项,此即众所周知的DLVO(Derjaguin-Landau-Verway-Overebeek)理论。该理论认为带电胶粒之间存在两种相互作用力:双电层重叠时的静电力和粒子间的长程范德华引力。它们的相互作用决定了胶体的稳定性。当范德华作用势占优时,胶体发生聚沉;当静电作用势占优并大到足以阻碍胶粒由于布朗运动而发生碰撞聚沉时,则胶体处于稳定状态。DLVO理论成功地描述了稀悬浮体的胶体稳定行为。在浓悬浮体中,每一个颗粒都要和它周围的所有最近颗粒发生相互作用,许多研究者据此修正DLVO理论。

1.2非离子型聚合物的分散稳定作用

非离子型聚合物主要依靠空间位阻稳定机制实现陶瓷颗粒的稳定悬浮。静电稳定是热力学亚稳定,仅凭其单一作用往往不足以使陶瓷颗粒稳定悬浮,因此人们倾向于借助总势能中的空间稳定势来使陶瓷浓悬浮体保持稳定。空间稳定势是吸附在陶瓷颗粒表面的聚合物之间产生的空间斥力位能(Steric Repulsive Energy)。当陶瓷颗粒相互接近时,吸附在陶瓷颗粒表面的聚合物之间产生空间阻碍作用,空间斥力位能增加,使分散体系趋于稳定。空间位阻稳定是热力学稳定。

1.3高分子聚电解质的分散稳定作用

高分子聚电解质采用电空间稳定机制,即由静电稳定势Velect·和空间稳定势Vsteric。联合作用来实现陶瓷颗粒在水介质中的稳定分散,其分散效果取决于高分子聚电解质在陶瓷颗粒表面的吸附状态。研究表明:高分子聚电解质的吸附行为及其形态可以通过调节pH值和离子强度等来调控引。例如阴离子型高分子聚电解质的离子化程度(α)随pH值升高而升高。如图1所示,在较低的pH值时,离子化程度较低,高分子被吸附在一个致密层内,形成密实的缠绕结构,吸附层厚度较小;反之,高pH值时,离子化程度较高,当完全解离时,高分子间的缠绕会由于相互作用链段的排斥作用而张开,此时吸附层厚度较大,分散效果较好。如果离子强度过高,则会由于屏蔽效应消弱链段的排斥作用,从而改变吸附层结构。

(责任编辑:admin)

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