氨基磺酸系陶瓷分散剂的制备及性能与作用机理研究

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在陶瓷生产过程中,通过在泥浆中加入合适的分散剂,可改善浆料的性能,提高生产效率,降低干燥工艺能耗,并使陶瓷产品质量得到提高。目前建筑陶瓷分散剂主要以无机盐为主,对陶瓷浆料的分散稳定性和助磨效果不理想;新型陶瓷分散剂如聚羧酸类效果良好,但成本偏高,难以推广应用。深入研究新型高效分散剂,开发综合性能好、价格低、便于推广使用的高效陶瓷分散剂对陶瓷工业的发展具有重要的现实意义。本论文首先对不同种类分散剂在墙地砖陶瓷浆料中的应用进行了单掺及复配研究,筛选出性能相对好的分散剂——氨基磺酸系分散剂ASP,考察了不同工艺条件下ASP在墙地砖陶瓷浆料的应用性能,并研究了最优工艺条件下合成产品、中试产品及不同分子量级分产品的应用性能。最后,以陶瓷原料中的相对难分散的黑泥为对象,研究了不同种类分散剂、不同分子量级分ASP在黑泥/水界面的吸附性能、对黑泥Zeta电位的影响及在黑泥/水界面的吸附作用力,初步探讨了分散剂对陶瓷颗粒的作用机理。具体得出的研究结论如下:(1)比较了三聚磷酸钠、水玻璃、萘系减水剂、脂肪族减水剂、氨基磺酸系减水剂、三聚氰胺系减水剂、聚羧酸、以及一些改性木质素分散剂等不同种类分散剂在墙地砖陶瓷浆料中的应用效果,发现氨基磺酸系分散剂具有较优异的单掺和复配性能。通过单因素法研究了原料配比、反应体系浓度、pH值、缩合温度及缩合时间对ASP性能的影响,结果表明最佳的ASP合成工艺参数为:原料配比n(A): n(P): n(F)=1.00:2.66:5.09,反应体系浓度30wt%左右,pH值10.5,缩合温度85℃,缩合时间3h。ASP优化工艺生产的产品与S通过2:5的质量比复配后得到复合分散剂ASPS。(2)分别从浆体分散稳定性指数、沉淀层增长曲线、颗粒粒径增长曲线及流出时间、厚化度随放置时间的变化几方面来考察分散剂ASPS的性能,并与对比样分散剂进行对比。当分散剂掺量为0.45%时,掺ASPS的陶瓷浆料流出时间、厚化度及表观粘度分别为42.28s、1.27、254.7mPa·s,小于掺对比样无机盐分散剂的浆料;在沉降3h时,掺分散剂ASPS的陶瓷浆体分散稳定性指数、沉淀层厚度、浆体颗粒粒径分别为3.99、1.4mm、35.63μm,分散稳定效果更好;球磨后掺分散剂ASPS的陶瓷浆体颗粒平均粒径为8.51μm,筛余仅1.01%,助磨效果优于对比样分散剂。(3)研究了工业生产和应用因素对ASP性能的影响。通过比较放大20倍合成的ASP中试产品与小试产品的物化性质与应用性能,发现除了由于合成时间相对较长导致中试产品特性粘度较大外,两者物化性质大致相近,分散降粘性能差别不大。虽然烘箱干燥会使ASP水溶性及分散降粘性能变差,但喷雾干燥能得到水溶性和分散性能均优良的产品,能满足需求粉剂产品的场合。用HCl、NaOH调节制浆用水的pH值,用CaCl2和MgCl2配制不同硬度的硬水,分别考察制浆用水pH值及硬度对掺ASPS陶瓷浆料流出时间、厚化度、表观粘度的影响,结果发现制浆用水的pH值及硬度均对陶瓷浆体性能有影响。在碱性条件下,用水pH值越大,浆料流动性越差,酸性条件也不利于浆料的流动性。用水的硬度越大对浆料的流动性、分散稳定性越不利。(4)实验采用超滤设备对ASP进行超滤得到不同分子量分布的级分,并研究了不同分子量级分ASP对陶瓷浆体性能的影响及在黑泥上的吸附性能。结果发现:大分子量ASP性能优于小分子量ASP,但任一级分ASP性能均不如未分级的ASP;大分子量及未分级ASP在黑泥上的吸附量及Zeta电位绝对值均相对较大。综合不同分子量级分ASP对陶瓷浆体应用性能的影响、在黑泥/水界面的吸附等温线及对黑泥Zeta电位的影响可知,在“黑泥-水-ASP”体系中,空间位阻效应与静电斥力共同起作用(5)分别研究了ASP在不同温度下的吸附等温线及脲、NaCl、柠檬酸钠对ASP在黑泥/水界面吸附性能的影响。结果表明:温度越高ASP在黑泥上的吸附量越大;脲、柠檬酸钠的加入均会降低ASP的吸附量,NaCl的加入会增大ASP的吸附量,说明吸附过程存在氢键及络合吸附作用力,但静电吸附作用较小,无机盐的加入可起屏蔽效应从而促进ASP的吸附。
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