陶瓷分散劑在釉、漿料中的分散作用及機理

2020-12-23 陶城網

 

陶瓷牆地磚的釉、漿料是一種複雜的多元體系,一般由黏土礦物組成,各種原料的化學組成有著很大的區別,不同的化學成分發揮不同的作用,在生產過程中逐漸形成合理的顆粒結構。
 粘土顆粒呈鱗片狀,顆粒表面帶有大量的負電荷,但在顆粒邊角部,因矽氧四面體層中的矽原子和鋁氧四面體層中的鋁原子的水解與斷鍵而帶部分正電荷,從而引起了靜電作用,使粘土顆粒間形成各種空間網格結構,報過了大量自由水,使漿料產生相當高的粘性,這使得漿料難以移動。為了得到流動性較好的漿料,就需要用到分散劑。
 分散劑是一種在分子內同時具有親油性和親水性兩種相反性質的界面活性劑。分散劑可均一分散難溶解於液體中固體顆粒,同時也能防止固體顆粒的沉降和凝聚,從而形成穩定懸浮液所需的物質。在建築牆地磚生產過程中,分散劑被廣泛應用於陶瓷釉、漿料配方,對漿料質量和產品質量有著很大的影響,

分散劑的作用
 分散劑能在低水分含量條件下,有效地提高漿料的顆粒潤溼性、懸浮穩定性及漿體流變性,並使漿料具有適宜的黏度,達到節能降耗的目的。優秀的分散劑在陶瓷漿料的製備過程中同時發揮著潤溼、助磨、稀釋和穩定幾種作用,對提高陶瓷製品的性能和降低製造成本起著重要的作用。
1、潤溼作用
 潤溼通常指顆粒與顆粒之間的界面被顆粒與溶劑、分散劑等界面所取代的過程。粉體在比其自身的臨界表面張力低的溶液中分散性較好,即在同一表面張力的分散介質中,粉體的表面張力越高,介質與顆粒的接觸角越小,潤溼分散性就越好。為了提高粉體的分散性,必須採用有效的添加劑來降低介質的表面張力。
2、助磨作用
 原料粉碎是陶瓷製備過程中的一個重要環節,特別是粉碎到微米級的粒徑耗能費時較多。在溼法球磨過程中,由於分子或粒子的相互撞擊、靠近、吸引,粉料往往容易產生團聚,出現「逆研磨」現象,即在粉碎過程中,當物料達到一定細度後繼續研磨下去,就會出現越磨越粗的現象。加入分散劑可牢固地吸附在顆粒的裂縫上並能深入到裂縫深處,顆粒粉碎過程中形成的新界面,迅速被分散劑包裹,阻礙了新生界面的重新結合從而加速粉碎過程,明顯地縮短粉碎時間,節約能耗,提高研磨效率。
3、稀釋作用
 陶瓷漿料要求兼備高固體含量和良好的流動性,加入一定量的分散劑,可以有效的減小漿料的黏度,同時可以適當地減少介質的使用量,有利於減少後序處理過程中的能源消耗。
4、穩定作用
 在沒有添加分散劑的情況下,粒子在水中主要受到以下四種力的作用:重力、浮力、粒子/水界面張力和粒子間的相互作用力,導致顆粒容易沉降,漿體穩定性變差;加入分散劑後,由於分散劑吸附在粒子的表面,原有顆粒表面被分散劑部分或全部覆蓋,阻礙顆粒團聚,提高漿體的懸浮性和穩定性。

分散劑的類別及作用機理
 分散劑按使用介質的不同可分為水性和非水性分散劑;按分散劑所帶電荷性質的不同可分為離子型分散劑(陰離子型和陽離子型)和非離子型分散劑;按化學成分的不同可分為無機分散劑、有機小分子分散劑和聚合物分散劑。
 關於粉體的分散機理,國內外專家進行了廣泛的研究,提出了不同的模型,其中主要以以下三種為主:靜電穩定機理,空間位阻穩定機理和靜電位阻穩定機理。
1. 靜電穩定機理
 在固/液懸浮體系中,由於粒子表面電荷的存在,形成了雙電層結構和Zeta電位。粒子間靜電斥力的大小取決於Zeta電位,而Zeta電位取決於粒子的表面電荷以及電荷密度,電荷密度越高,Zeta電位越高。無機分散劑(三聚磷酸鈉,焦磷酸鈉等)電離成離子後吸附於顆粒表面,顆粒表面形成一種雙電層的結構,使其表面電荷密度提高,通過表面同種電荷斥力作用,克服了顆粒間的範德華吸引力,實現分散效果。
2. 空間位阻穩定機理
 空間位阻機理也稱為立體效應或熵效應,主要指顆粒表面上吸附了某些高分子化合物,粒子之間出現體積效應,在一定程度上粒子失去自由活動的空間,相應地降低其熵值,同時增加了粒子之間的相互排斥作用,使分散粒子的接觸受到空間障礙,保持了分散體系的穩定性。空間位阻機理主要是對聚合物分散劑而言的,其優越的性能取決於其結構中特有的錨固基團和溶劑化鏈。
 常見的錨固基團有(-R2、—NR3+、—COO—、—HSO3、—SO32-、—PO43-、多元胺、多元醇及聚醚)等,在水性介質中,它們通過離子鍵,共價鍵,氫鍵等相互作用強力吸附於顆粒表面;常見的溶劑化鏈有(聚醚,聚酯,聚烯烴及聚丙烯酸酯)等,在極性匹配的介質中,溶劑化鏈延伸到分散介質中,使得相鄰顆粒上的聚合物因體積效應而相斥,最終有效地維持體系的懸浮穩定性。
3. 靜電位阻穩定機理
 將顆粒間靜電斥力和空間位阻兩種力量共同作用以獲得的穩定稱為靜電空間位阻穩定。粉體顆粒進入溶解有聚合物的溶液後,聚合物分子很快緊密吸附到顆粒表面,並形成穩定的雙電層,顆粒相互靠近時既會受到雙電層間相互作用產生的靜電斥力,又會受到聚合物分子間的位阻作用,從而使顆粒處於一種平衡狀態。靜電位阻穩定機制能夠防止已分散的粒子發生絮凝,最大程度的維持懸浮液的穩定,也是性能優良的分散劑的主要分散機制。而且在製備高固含量的懸浮液時,靜電位阻穩定是最有效的途徑之一。

(張超 綜合整理)

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