二元分散剂对SiC和Al2O3水基悬浮液稳定性的影响

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胶态成型是制备形状复杂的高性能陶瓷的关键工艺。为获得成分均匀、致密度高、缺陷少的陶瓷胚体,要求陶瓷悬浮液具有高固含量、低粘度、很好的分散稳定性。但随着陶瓷粉体粒径的不断减小,悬浮液的稳定体系就越复杂、越难控制。化学分散法,即通过往悬浮液中添加分散剂来提高体系的稳定性,是最常用的分散稳定陶瓷浆料的技术手段。高聚物分散剂往往通过静电位阻稳定机制来改善陶瓷悬浮液的流变性,然而目前研究较多的的是单一分散剂的分散效果,关于二元分散剂的报道则相对少些。  本文重点研究低剂量的二元分散剂对陶瓷悬浮液稳定性的影响,分别以碳化硅和α-氧化铝陶瓷悬浮液为研究对象,将阴离子型分散剂和非离子型分散剂复配成二元分散剂,比较其与单一分散剂的分散效果,对二元分散剂的稳定机理进行探讨,并研究了分散剂的添加顺序、添加量、固含量、pH值、离子强度等对悬浮液的影响。  首先,研究了碳化硅悬浮液体系,引入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为第二分散剂,和聚环氧琥珀酸(PESA)复配成二元分散剂。实验结果表明,无论在碱性还是酸性条件下,与单一添加PESA或PVP的情况相比,二元分散剂PESA/PVP都能显著降低体系的粘度,改善悬浮液的流变性。PESA在pH为9.0时完全电离出-COO-,分子构型为舒展状,使颗粒表面带有大量负电荷,使颗粒间产生很强的静电排斥力。同时,PVP吸附在碳化硅颗粒表面上,形成很厚的位阻层,进一步阻碍颗粒的靠近,二元分散剂通过静电位阻稳定机制稳定悬浮液。此外,PESA/PVP能制备出粘度更低、分散性更好的高固含量悬浮液,且具有更好的抗电解质性能。  碳化硅悬浮液在酸性条件下较难分散。PESA在酸性条件仅发生部分电离,提供的静电排斥作用很有限,但非离子型分子PVP在水中不电离,受pH的影响很小,其强大的空间位阻作用仍可以使PESA稳定的悬浮液在pH为6.0时获得较低的粘度。对于不同的分散剂添加量,有各自最佳的分散剂配比。  其次,研究了二元分散剂CA/PVP对氧化铝悬浮液的稳定情况。三级弱酸CA在pH为9.0下,完全解离出大量的-COO-,显著提高了颗粒的表面电位,能够使悬浮液很好的分散,引入第二分散剂PVP可以提供强大的空间位阻。二元分散剂CA/PVP仅以0.2wt%的添加量就能分散固含量为45v%的悬浮液,且该悬浮液为牛顿型流体,分散效果明显优于添加单一分散剂PAA、CA的情况。而且,通过添加CA/PVP能够获得固含量高、分散效果好的悬浮液,其体系的屈服应力更低。体系的固含量越高,其粘度随pH值的变化更为敏感,悬浮液能分散稳定的范围越窄,存在一个最佳分散的pH值。  pH为5.3时,与单一CA相比,CA/PVP没有明显改善悬浮液的流变性,但仍比单一PAA具有更佳的分散效果,且添加量远小于PAA。  最后,还考察了分散剂的添加顺序对悬浮液的流变性的影响。对于碳化硅和氧化铝悬浮液体系,同时添加PESA(或CA)和PVP的顺序能使体系获得最佳的分散性。原因可能是PESA、CA在陶瓷粉体表面的吸附属于非亲合吸附,需要较长的吸附时间,同时添加的顺序还能让两种分散剂更好的竞争吸附于颗粒表面上。
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