分散劑和粘結劑在壓電陶瓷漿料製備中的作用

2022-09-27 17:06:05 字數 2279 閱讀 9330

本次研究所用pmn-pzt壓電陶瓷粉體採用固相法製備,分散劑用檸檬酸三銨(tac)和聚甲基丙烯酸銨(pmaa-nh4). 沉降實驗用25ml的量筒配製固相含量為4%(體積分數),不同分散劑種類和用量的懸浮體各20ml, 超聲波分散0.5h, 然後靜置陳腐48h, 測量沉降體積。

採用ndj-1旋轉粘度計測量粘度;ph值用phs-25型數顯ph計測定;用phlips掃瞄電鏡進行粉體分散前後微觀結構和形貌分析。

1. 分散劑對漿料穩定性的影響

陶瓷粉體由於具有較大的比表面積,在液相介質中容易發生團聚。尤其當固相含量量較高時,顆粒間平均距離下降,顆粒碰撞而團聚的機率大大增加,結果影響陶瓷漿料的分散性,穩定性和均勻性。為改善陶瓷漿料的效能,獲得適於成型的注模漿料,主要加入合適的分散劑,但是由於無機分散劑的離子如na+/po43-等會對陶瓷效能如導電率,介電常數等帶來不良影響,因此無機分散劑的使用在一定領域內受到限制。

和無機分散劑相比較,有機小分子和高分子分散劑在高溫煅燒時易揮發,對陶瓷效能不會帶來不良影響。因此本實驗選用了檸檬酸三銨(tac)和聚甲基烯酸胺(pmaa-nh4)兩種聚電解質分散劑,分散劑對漿料穩定性的影響如圖1所示。

由表1可知,不同分散劑對漿料沉降體積的影響規律是相同的,即隨著分散劑用量的增加,沉降體積先減少爾後再增加,存在乙個最低值。對分散劑tac來講,當其用量約為7.5%(體積分數)左右時,可獲得最小沉降體積1.

8ml; 而pmaa-nh4的用量在5.6%(體積分數)左右時,沉降體積最小。分散劑之所以會對漿料沉降體積產生如此影響主要是由於分散劑用量很低時,顆粒表面未被分散劑有效覆蓋,由布朗運動引起的顆粒碰撞,使未吸附分散劑的顆粒表面發生貼上,團聚,故穩定分散性較差;增加分散劑用量,有利於增加其對顆粒表面的覆蓋率,使體系穩定分散性增加;但分散劑加入過多時,顆粒表面吸附量已達到飽和狀態,因過剩而游離的分散劑分子會在顆粒間架橋而導致絮凝,使穩定分散性變差。

2. 分散劑對粘度的影響

圖2為分散劑tac和pmaa-nh4對漿料粘度的影響曲線,與分散劑對漿料穩定性的影響規律大致相同,在一定範圍內增加分散劑的用量,漿料的粘度持續降低,並達到最低值。但是,當分散劑用量過多或過少時,都會增大漿料的粘度,這說明分散劑的用量存在乙個最佳範圍。加入適量分散劑,當固體顆粒表面剛好覆蓋一層電解質形成單層吸附時粘度最低。

當分散劑用量少時,其在粉體表面覆蓋率較低,粉體表面有的部位帶正電,有的部位帶負電,兩個相鄰的顆粒帶不同電荷的區域相互吸引,產生橋連效應,會導致漿料絮凝。而當加入的分散劑過多時,離子強度過度,壓縮雙電層,會減小顆粒間的靜電斥力,同時過量的自由分子鏈也容易發生橋連或空缺絮凝,使穩定性下降,漿料粘度增加。兩種分散劑達到最低粘度值所需加入的量不同,tac的大約在7.

5%-8.0%(體積分數),而pmaa-nh4的用量是5.2%--5.

8%(體積分數).

3. 粒度測定:對加入分散劑前後的pmn-pzt壓電陶瓷懸浮體分別進行了粒度測定,結果如圖3和表1.

結合圖3和表1中資料可以看出,加入分散劑後粉體顆粒的團聚明顯減少,反映要粒度分布曲線上,曲線向小粒度方移動,d50從5.42um分別降至3.30和2.

64um,比表面積積從1.89m/增至3.12和3.

41m/ 分散效果優於tac的。

4. sem分析:圖4為加入不同分散劑後pmn-pzt陶瓷懸浮體的掃瞄電鏡。

對比圖4(a),(b)後不難看出,加入分散劑後陶瓷懸浮體中顆粒團聚現象減少,顆粒分散較均勻,與粒度分析結果吻合。團聚體的減少,不僅是陶瓷漿料製備時應當追求的目標之一,而且有利於成型坯體的結構和組分更加均勻,減少燒結體顯微結構缺陷,保證最終產品具有較好的效能。

5. 分散劑的作用機理

分散劑在懸浮體中通過與陶瓷微粒表面發生相互作用而阻止微粒間的團聚,穩定機理主要有三種:靜電穩定,空間穩定和靜電位阻穩定。靜電穩定又稱為雙電層穩定,即通過調節ph值使顆粒表面產生一定量的排斥力使粒子間的吸引力大大降低,從而實現顆粒的分散。

位阻穩定是通過在懸浮體中加入一定量不帶電的高分子化合物,使其錨固基團吸附在固體顆粒表面,其熔劑化鏈在介質中充分伸展形成位阻層,阻礙顆粒的碰撞團聚和重力沉降,使顆粒之間產生斥力來達到分散的目的。

通過前面的分析可以看出,pmaa-nh4對陶瓷漿料的分散效果好於tac,這主要是兩種分散劑的穩定分散機制不同造成的。tac是一種靜電分散劑,其結構式如圖5a,它在水溶液中極易離解出三價檸檬酸根陰離子,並在陶瓷顆粒表面吸附產生靜電分散作用,屬於單純的靜電分散。

而pmaa-nh4是一種陰離子型高分子聚電解質,結構如圖5b,它吸附在陶瓷顆粒表面,一方面,pmaa-nh4電離出的帶負電性的羧基離子又能吸附在陶瓷顆粒表面,有利於增加顆粒表面的負電荷,使zeta電位增大,增加粒子間的靜電排斥力,起著靜電穩定作用,故pmaa-nh4的分散機制屬於靜電位復合穩定機制,所以pmaa-nh4的分散效果比較好。

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