21颗粒粒度大小对陶瓷浆料流动性能影响的初步探究

颗粒粒度大小对陶瓷浆料流动性能影响的初步探究【摘要】研究了AL2O3粒度、SIC粒度对AL2O3和SIC二组分浆料及AL2O3SICPAA浆料流动性能的影响。研究结果表明，粒径越小，二组分陶瓷浆料分散效果越好，但当SIC粒径太小时，由于SIC密度小，没有足够的能量，二组分陶瓷浆料分散效果不好；粒径大小对PAA的吸附作用也有影响。【关键词】悬浮液；流动性能；PH值；粒径1引言陶瓷粉体超细化,是高性能陶瓷粉体合成的趋势,但由于粉体颗粒尺寸小,颗粒表面存在大量的不饱和键,表面活性很大,再加上颗粒间的范德瓦尔力、静电力及悬浮液中溶剂的表面张力等都将使颗粒产生团聚,颗粒的团聚将影响粉体的均匀性,使超细粉体的优势难以发挥,且还会影响到粉体的成型和烧结过程,使制备的材料产生空洞和各种缺陷,从而大大降低材料的力学和电学性能。因此在陶瓷成型工艺中,分散均匀、稳定性好的悬浮液是获得微观结构均匀、无缺陷的坯体1,进而提高材料的烧结性能和材料力学性能的关键2。目前,各种湿法成型及胶态成型其关键技术是陶瓷料浆的制备,要求料浆在相关的操作条件下是分散完全均匀的稳定体系3。稳定浓浆料的制备是湿法成型中非常关键的一步,由于稳定的高浓度浆料能制备出密度高且均匀、结构性能优良的坯体,因此,稳定的高固相含量料浆的制备是现代高技术陶瓷制备技术的重要组成部分。在制备陶瓷浆料中运用各种分散剂得到稳定的陶瓷浆料已经是一种很普遍的方法，但在张晓庆用PAA（聚丙烯酸）分散陶瓷浆料时，发现分散SIC35WSIC质量20G、AL2O340W（AL2O3质量20G）所用PAA量和的一半大于分散SIC35WSIC质量10GAL2O340W（AL2O3质量10G）所用PAA的量。SIC的D50092M，AL2O3的D5016M。作者在做了AL2O340W和SI3N440W、AL2O340W和SIC35W和SI3N440W两个实验后，得到相同的结果。综合翻阅粒径对浆料流变性的有关文献4和课题组讨论后，猜测可能是两个不同粒度有互相影响5，于是研究了粒度对陶瓷浆料的流动性的影响。2实验过程21原料和仪器AL2O3粉料（郑州铝业），密度为39G/CM，进行适当时间的球磨，获得粒径（D50）为900M，558M，157M，055M四个不同粒度，烘干研碎成粉末。用NSKI离心式透射粒径测定仪测得粒度。SIC粉料（连云港研磨厂），密度31G/CM，粒径D50分别为688M、543M、092M。用NSKI离心式透射粒径测定仪测得粒度。高分子分散剂聚丙烯酸PAA，由南京霄科纳米陶瓷技术开发有限公司提供，数均分子量为70008000，其化学结构式如图21所示。实验中其其它化学药品见表21。CHCH2COOHM图21PAA的化学结构示意图表21实验中其他化学药品药品名称化学式纯度（或浓度）相对分子量用途浓盐酸HCL365364调节PH氢氧化钠NAOH9934001调节PH注HCL、NAOH由上海凌峰化学试剂有限公司生产。22浆料的制备将AL2O3粉料、SIC粉料与蒸馏水按一定的质量比加入干燥洁净的小烧杯中。用NAOH溶液和浓HCI调节浆料的PH值,调节PH值引起的离子强度变化忽略不计,PH值由PHS3型数字酸度计上海精密科学仪器有限公司测量。23流动性能表征用玻璃棒搅拌，加入适当浆料，直至玻璃棒离开浆料后有浆料流动滴落。本实验只是对课题的初步探究，故没有测悬浮液的粘度，粘度的测量将在以后的实验中继续测量。3结果与讨论31AL2O3粒度对AL2O3和SIC二组分浆料流动性的影响配制四份SIC35W,M40G,D50092M浆料，调节PH值至3，向其中分别加入不同粒径的AL2O3粉料，并加入适当蒸馏水使浆料中AL2O3固含量为25W，再次调节PH值至3。测得浆料开始流动时，所需AL2O3的质量如图31所示。在PH3时，AL2O3浆料可以自动分散，SIC浆料不能自动分散6,7，此实验是研究D509M，D50558M，D50157M，D50055M四种粒度AL2O3使混合浆料恰好流动时所需的AL2O3的质量。02468105105205MASGD50UM图31不同粒度AL2O3使混合浆料恰好流动时所需的AL2O3的质量从图31中可以看出，随着AL2O3粒度的增大，分散SIC浆料所需的AL2O3的质量增加。因为AL2O3颗粒增大，相同质量的氧化铝粉料所含有效颗粒数减少，微观中撞击SIC的颗粒数减少8，所需的AL2O3的质量增加。实验结果表明，在AL2O3D50055M时，仍可以分散SIC浆料，说明D50055M的AL2O3颗粒仍有足够的能量可以把团聚的SIC撞击开9。对于更小的颗粒，由于实验条件的限制，没有进行进一步实验。32SIC粒度对AL2O3和SIC二组分浆料流动性的影响AL2O325W,M40G,D50157M浆料，调节PH值至11向其中加入不同粒径的SIC粉料，并加入适当蒸馏水使SIC固含量为35W，再次调节PH值至11。测得浆料恰好流动时，所需不同粒径SIC的质量如图32所示。在PH11时，SIC浆料可以自动分散6,7，AL2O3浆料不能自动分散，此实验是研究D50688M、D50543M、D50092M三种粒度SIC使混合浆料恰好流动时所需的SIC的质量。01234567523054MASGD0UM图32不同粒度SIC使混合浆料恰好流动时所需的SIC的质量（D50092M的SIC加入407919G后浆料仍不流动，没有继续添加）本实验中688M、543M两个粒度的实验结果再次验证了上一实验的结论，即SIC粒度越小，使浆料恰好流动所需SIC的质量越少，但D50092M的SIC加入407919G后，仍无法分散AL2O3浆料。SIC密度小，与AL2O3粒径相当时其质量较小，因为只有质量达到一定程度，分散的SIC颗粒才能去分散不分散的AL2O3颗粒，所以颗粒小的SIC不能撞开比较重、密度比较大的AL2O3颗粒9。33AL2O3粒径对AL2O3SICPAA浆料流动性的影响AL2O325W,M25G浆料，D50157M、D50558M、D50900M的三种AL2O3浆料，调节PH值至8，向其中加入PAA10。在PH8时，AL2O3浆料和SIC浆料均不自动分散6,7。使AL2O3浆料流动所需的PAA的质量如图33所示。1234567891000460812MASGD0UM图33粒度不同的AL2O3浆料恰好流动时所需的PAA的质量根据图33可知，D50558M、D50900M的AL2O3浆料，粒径增大，所需PAA质量增加，粒径大的两个颗粒的接触面积比较大，虽然有些颗粒会由于重力作用沉降会减少悬浮颗粒数，但由于接触面积对浆料分散的影响比较大，使得所需PAA质量多。D50157M的AL2O3浆料，由于颗粒表面积小，且在PH8时当PH值低于粉料的等电点（AL2O3的等电点是PH85），PAA在粉体粒子表面易形成非均匀吸附11,由此导致了不同的粒子表面甚至同一粒子表面的不同区域PAA的分布不均，从而使粒子间发生絮凝，故所需PAA量明显增加。将上述分散好的D50558M、D509M的AL2O3浆料分别滴加入A、B两份SIC35WSIC质量25G浆料中，调节PH值至8，至SIC浆料流动，所需分散好的D50558M、D509M的AL2O3浆料质量分别为45527G、45183G，如图34继续向A中加入分散好的AL2O3D50558M浆料09552G，使A、B两浆料中PAA质量相同，观察到A的流动性略好。这个过程中是三组分混合，比较复杂，没有进行讨论。45000451004520045300454004550045600558900D50UMMASSG图34浆料恰好流动时所需的不同粒径的AL2O3浆料（PAA分散好的）质量4结论粒径是影响陶瓷浆料流动性能的重要因素，一般来说，粒径越小，二组分陶瓷浆料分散效果越好，当SIC粒径太小时，由于SIC密度小，没有足够的能量，二组分陶瓷浆料分散效果不好。粒径大小对PAA的吸附作用也有影响。参考文献1BRIANJOPTIMISINGTHEDISPERSIONONANALMINASUSPENSIONUSINGCOMMERCIALPOLYVALENTELECTROLYTEDISPERSANTSJJOURNALOFEURCERAMSOC,199812214121472FREDFLANGEPOWDERPROCESSINGSCIENCEANDTECHNOLOGYFORINCREASEDRELIABILITYJJAMCERAMSOC,1989,7213153陈礼永,袁继祖陶瓷浆料稳定机理的研究J中国陶瓷,1995,（3）134琚晨辉,王燕民,叶建东,李新衡颗粒粒度分布对高固相含量氧化铝浆料流变性能的影响J硅酸盐学报,2006,045456485MARRAJ,HAIRMLFORCESBETWEENTWOPOLY2VINYLPYRIDINECOVEREDSURFACESASAFUNCTIONOFIONICSTRENGTHANDPOLYMERCHARGEJJPHYSCHEM,1988,92604460516唐学原,茹红强SIC陶瓷浆料流变性能的研究J厦门大学学报自然科学版,2004,45275307赵雪菲，郭露村水基SIC悬浮液流变性能的特性J中国陶瓷，2008，44715198郑忠胶体科学科学导论M北京高等教育出版社,19899傅献彩,沈文霞,姚天扬物理化学