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分散剂在BaT iO 3 浆料中的分散机理
章登宏, 谢湘华, 房 毅, 陈建华
(华东理工大学物理系, 上海 200237)
制造性能优良的功能陶瓷PTC 元器件决定于物理性能良好的粉体。在由陶瓷浆料制造粉体的工艺过程中, 对添加剂尤其分散剂的作用有充分地了解, 对制造符合要求的陶瓷粉体和性能良好的器件都具有重要的实践和理论意义。
在粉体颗粒与水溶液介质所处的分散体系中, 浆料中的固体颗粒在热运动、重力和搅拌的作用下, 处于不规则运动中, 存在大量的相对运动和碰撞运动, 当两个或者几个颗粒碰撞时, 颗粒间主要存在3种作用力[ 1~ 3] : 一是颗粒或者颗粒间的范德华力! ! ! 吸引力; 二是颗粒或者颗粒间的库仑力 可能是吸引力或者排斥力, (在颗粒处于电中性时, 该力可能为0); 三是颗粒或者颗粒间的空间位阻作用力。颗粒碰撞后是否成为团聚颗粒, 取决于三力间的综合作用。要使颗粒处于稳定的悬浮液中, 必须增大颗粒间的排斥力, 才能保持陶瓷浆料的分散性。
分散剂是一种在分子内同时具有亲油性和亲水性两种相反性质的界面活性剂[ 4 ] , 是一种特殊的两亲物质。能够均一分散那些难于溶解于液体的固体颗粒, 同时也能防止固体颗粒的沉降和凝聚, 形成安定悬浮液胶体。如辛基氨醋酸盐( C8H+17NH3CH2COO- 等), 当溶于水中时, 具有亲水基团的一端, 能够吸附在水化的氧化物表面,降低了它们之间的界面张力, 起到分散的作用(如图1所示)。
从BaT iO3 浆料制造PTC 粉体和瓷体, 所选择的分散剂主要应具有以下的功能: 不改变混合浆料的化学成分和均匀性, 使浆料具有悬浮的稳定性, 得到的粉料具有良好的流动性以满足无缺陷的充模过程, 脱脂后应有尽可能少的残留物。
1 浆料的组成
生产钛酸钡系PTC 半导瓷, 主要原料为BaT iO3 和添加剂A l2O3、SiO2、SrCO3、MnO2 等, 经混合、造粒、成型、烧成、检测、装配等工艺制成陶瓷元器件。在工业化的大生产中, 为了使各种原料混合均匀, 料浆中常加入分散剂、润滑剂等, 且必须注意添加物的物理状态和化学性质。在保证各种添加物适当的纯度和粒度的情况下, 原料的物理状态对料浆也有很大影响。当某种氧化物或中间合成物在料浆中的颗粒结晶形态不一致时, 浆料分布也会不均匀。一般情况下, 要求料浆中的各种添加物具有达到要求的细度, 这是保证浆料分布均匀性的一个重要条件。
2 分散剂对浆料颗粒形状的影响
分散剂的作用在于把B aT iO3 浆料中各种组分均匀分散而形成胶体溶液, 以便于喷雾造粒时形成化学成分均匀的颗粒。陶瓷浆料中所用的分散剂是一类能由库仑力、范德华力或氢键吸附在颗粒表面的有机物, 可用材料很多。分散剂是一种具有阴阳离子的表面活性剂, 分散剂在浆料化学成分界面上的吸附, 使胶粒形成球形保护膜, 使界面张力减小, 即使系统的表面能降低, 浆料系统的各种成分混合均匀且较为稳定。这层保护膜阻止颗粒直接接触, 增大了颗粒之间的距离, 减弱了颗粒间的应力, 从而提高浆料的均匀性。悬浮在液体中的颗粒, 在剪切应力作用下作旋转运动[ 5] , 旋转运动程度影响着料浆的流动性和分散性。由于不同形状颗粒的流体动力学体积不同(颗粒体积相同) (见图2) , 使得旋转运动激烈程度也不同。颗粒对称程度越高, 旋转运动越激烈, 因此, 含有球形胶粒的浆料流动型、分散性高于其它形状胶粒的悬浮液。
3 分散剂在胶体界面间形成双电层
陶瓷浆料的制备要求是低粘度、高分散、高稳定、高固相含量的悬浮体, 这是所有成型工艺竭力追求的目标。如果能制备出固含量高的陶瓷浓悬浮体, 那么对粉体制造及其成型工艺将会提高效益。
在制备浆料的过程中, 胶体溶液中离子的无规则布朗热运动引起的扰动, 导致离子在荷电表面展开, 形成 扩散双电层 Stern 层[ 6] 。S tern层是一个狭小的空间, 将界面附近的离子层(扩散双层)与紧邻于界面的带电立体 墙分开(见图3)。
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