聚乙二醇对镨掺杂硅酸锆色料颗粒的研磨和分散的影响研究
时间：2023-06-20 16:50:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
黄广华
（深圳职业技术学院霍夫曼先进材料研究院博士后创新实践基地，深圳 518055）
水性高分子分散剂是广泛存在于人们生产生活中的一类分散剂。在水性条件下，它对于色料颗粒的研磨和分散机制有两种：双电层理论和空间位阻理论。根据DLVO 理论，水性浆料中颗粒的分散和稳定取决于颗粒间的双电层挤压重叠而产生静电排斥能和vander Waals吸引能[1]。某实验合成了一种聚羧酸类水性高分子分散剂，并将其用于水性浆料中纳米二氧化硅颗粒的分散，取得很好的效果[2]。这说明，含聚丙烯酸类的阴离子型水性高分子分散剂具有较优异的静电排斥性能，这对色料颗粒具有较好的分散性能。此外，PEG 和PVP 等这类非离子型水性高分子表面活性剂，对水性浆料中的颗粒具有分散稳定性，主要表现为空间位阻能，因此通常也被用作分散剂使用[3-4]。
PEG 分子可以比较轻易地吸附在颗粒表面而形成高分子膜，而这层高分子膜可以在一定程度上抵消颗粒间的vander Waals 吸引能，使得颗粒在研磨过程中的表面能降低，从而颗粒具有一定的稳定性。因此，本论文主要是将自制的阴离子型水性高分子分散剂PAI 与商用的聚乙二醇进行复配。将其作为复合分散剂来添加到镨锆黄色料颗粒的研磨过程中，采用激光粒度的方式来分析其研磨的效果，同时将研磨液静置沉降，分析其分散稳定性能。
1.1 原料
本文中所使用的阴离子型水性高分子分散剂PAI为本实验室制备[5]，聚乙二醇（PEG2000，PEG600，PEG400和PEG200）购置于广州化学试剂厂。本文所使用的色料颗粒为镨锆黄（Pr-ZrSiO4，D50=8.849 μm）由广东佛山欧神诺陶瓷有限公司所提供。
1.2 研磨
本论文所应用于Pr-ZrSiO4色料颗粒的研磨是采用了一种中国深圳叁星飞荣机械有限公司制造的，型号为WS-0.3 的转头式砂磨机。该砂磨机中的研磨介质是尺寸为2-3 mm 的钇稳定的氧化锆磨珠。
1.3 表征
Pr-ZrSiO4颗粒样品的粒度尺寸和粒度分布（PSD）由型号为BT9300S 的激光粒度仪（丹东百特仪器公司）来测定。研磨后的Pr-ZrSiO4颗粒水性浆料的粘度值由型号为NDJ1 的粘度计（上海昌吉地质仪器有限公司）来测定。Pr-ZrSiO4颗粒水性浆料的稳定率是通过静置沉降的方式，其方法为在垂直含刻度的玻璃试管中倒入待测的Pr-ZrSiO4颗粒水性浆料，然后将其静置在桌面上，并在规定的时间内记录待测的Pr-ZrSiO4颗粒水性浆料的沉降高度。它的稳定率(F)由计算：
式中，H 为待测的Pr-ZrSiO4颗粒水性浆料整体高度；
h为待测的Pr-ZrSiO4颗粒水性浆料的沉降高度。因此，F值越大，Pr-ZrSiO4颗粒水性浆料的分散稳定性越好。
2.1 Pr-ZrSiO4 颗粒的研磨
图1（a）为在不同的质量比复配分散剂PAI 与PEG2000 时，Pr-ZrSiO4颗粒研磨后的粒度分布和中位径值（D50）。从该图中可知，当PAI 与PEG2000 质量比为8:2时，经过90 min 研磨后，得到的Pr-ZrSiO4颗粒产品的粒度细（D50=0.486 μm）且分布窄。而在其他的质量比的情况下，研磨后Pr-ZrSiO4颗粒产品的颗粒较粗且分布较宽。这是因为在适合的比例（PAI：PEG2000=8:2）添加时，颗粒研磨浆料的黏度比较适中，可以较好的发挥砂磨机的研磨效果（见图2）。
图1 （a）
图1 （b）
图2 研磨后色料颗粒浆料的黏度
另外，在研磨过程中，颗粒间的分散主要还是以静电排斥能为主。当添加过量的PEG2000 时，不利于浆料中颗粒的分散，从而影响研磨的效果。图1（b）为在质量比为8:2 的条件下，分散剂PAI 与不同分子量的聚乙二醇复配时，Pr-ZrSiO4颗粒研磨后的粒度分布和中位径值（D50）。在确定PAI 与PEG 的质量比为8:2 时，当分子量小于2000 时（PEG600，PEG400 和PEG200），研磨后Pr-ZrSiO4颗粒产品的颗粒粒度分布较宽。这可能是因为PEG 的分子量较小时，分子量不够长而不足以支撑在研磨过程中色料颗粒间所需要的空间位阻能。
图1（a）以不同的质量比复配分散剂PAI 与PEG2000 时，Pr-ZrSiO4颗粒研磨后的粒度分布和中位径值（D50）；
（b）以质量比为8:2 的条件下，分散剂PAI 与不同分子量的聚乙二醇复配时，Pr-ZrSiO4颗粒研磨后的粒度分布和中位径值（D50）
表1 为研磨前后Pr-ZrSiO4色料颗粒的中位径D50、结晶度和平均晶粒尺寸。从表中可知，经过湿法研磨后，Pr-ZrSiO4色料颗粒的粒度减小，它的晶粒的晶体结构也有所破坏，从而导致了它的结晶度的下降，平均晶粒尺寸减小。
表1 研磨前后色料颗粒的中位径D50、平均晶粒尺寸D 和结晶度
2.2 Pr-ZrSiO4 颗粒浆料的分散
图3 为分散剂（PAI:PEG2000）为不同质量比时，研磨后的Pr-ZrSiO4颗粒浆料分散性能。从图中可知，经过21 天和41 天的静置沉降，当分散剂为PAI:PEG2000=8:2的复配时，Pr-ZrSiO4颗粒浆料的分散稳定性较好。而当不添加PEG2000 或者是添加过多的PEG2000 时，Pr-ZrSiO4颗粒浆料的分散稳定性较差。这可能是因为在添加分散剂PAI 和PEG2000 的质量比8:2 时，PAI 的存在可以为Pr-ZrSiO4颗粒提供适量多的静电排斥能；
而PEG2000 的存在也为Pr-ZrSiO4颗粒提供适量的空间位阻能。当该空间位置能较少或者太多时，均不利于Pr-ZrSiO4 颗粒的分散和稳定。
图3 分散剂（PAI:PEG2000）为不同质量比时，研磨后的Pr-ZrSiO4 颗粒浆料分散性能
2.3 分散和稳定机理
通过上述的实验和分析可知，颗粒在水性浆料中的分散和稳定机理主要是由于高分子分散剂的存在，使得Pr-ZrSiO4颗粒产生了静电排斥能和空间位阻能，这两种能量来抵消颗粒间的范德华吸引能。
见图4 中所示，当两个Pr-ZrSiO4颗粒靠近时，分散剂PAI 由于存在了较多的羧酸基团（-COO-），它可以为Pr-ZrSiO4颗粒表面提供较强的静电排斥能；
另外，非离子型分散剂PEG2000 由于存在较多的羟基（-OH），它可以较好的吸附在Pr-ZrSiO4颗粒表面，从而产生较强的空间位阻能。另外，这两种类型的水性高分子分散剂的添加比例是Pr-ZrSiO4颗粒分散稳定的关键。
图4 高分子分散剂在Pr-ZrSiO4 颗粒表面形成的双电层和位阻层
本论文采用了复配水性高分子分散剂方式，探讨了PAI 和PEG 这两种类型的分散剂对Pr-ZrSiO4颗粒的研磨和分散的影响。结果表明，当PAI 和PEG 的质量比8:2时，Pr-ZrSiO4颗粒的研磨效果最好，可以得到颗粒尺寸小且粒度分布窄的产品。并且在该条件下的浆料的分散稳定性好，在较长时间的静置沉降过程中没有发生较为明显的沉降。最后，对水性高分子分散剂的作用机理分析，分散剂PAI 提供了Pr-ZrSiO4颗粒所需的静电排斥能，分散剂PEG2000 提供了Pr-ZrSiO4颗粒所需空间位阻能，以抵抗颗粒间的范德华吸引能。
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