分散剂及粘结剂在压电陶瓷浆料制备中的作用.docVIP

本次研究所用PMN-PZT压电陶瓷粉体采用固相法制备，分散剂用柠檬酸三铵（TAC）和聚甲基丙烯酸铵(PMAA-NH4). 沉降实验用25ml的量筒配制固相含量为4%（体积分数），不同分散剂种类和用量的悬浮体各20ml, 超声波分散0.5h, 然后静置陈腐48h, 测量沉降体积。采用NDJ-1旋转粘度计测量粘度；PH值用PHS-25型数显PH计测定；用Phlips扫描电镜进行粉体分散前后微观结构和形貌分析。 1. 分散剂对浆料稳定性的影响 陶瓷粉体由于具有较大的比表面积，在液相介质中容易发生团聚。尤其当固相含量量较高时，颗粒间平均距离下降，颗粒碰撞而团聚的几率大大增加，结果影响陶瓷浆料的分散性，稳定性和均匀性。为改善陶瓷浆料的性能，获得适于成型的注模浆料，主要加入合适的分散剂，但是由于无机分散剂的离子如Na+PO43-等会对陶瓷性能如导电率，介电常数等带来不良影响，因此无机分散剂的使用在一定领域内受到限制。和无机分散剂相比较，有机小分子和高分子分散剂在高温煅烧时易挥发，对陶瓷性能不会带来不良影响。因此本实验选用了柠檬酸三铵（TAC）和聚甲基烯酸胺（PMAA-NH4)两种聚电解质分散剂，分散剂对浆料稳定性的影响如图1所示。 由表1可知，不同分散剂对浆料沉降体积的影响规律是相同的，即随着分散剂用量的增加，沉降体积先减少尔后再增加，存在一个最低值。对分散剂TAC来讲，当其用量约为7.5%(体积分数）左右时，可获得最小沉降体积1.8ml; 而PMAA-NH4的用量在5.6%（体积分数）左右时，沉降体积最小。分散剂之所以会对浆料沉降体积产生如此影响主要是由于分散剂用量很低时，颗粒表面未被分散剂有效覆盖，由布朗运动引起的颗粒碰撞，使未吸附分散剂的颗粒表面发生粘贴，团聚，故稳定分散性较差；增加分散剂用量，有利于增加其对颗粒表面的覆盖率，使体系稳定分散性增加；但分散剂加入过多时，颗粒表面吸附量已达到饱和状态，因过剩而游离的分散剂分子会在颗粒间架桥而导致絮凝，使稳定分散性变差。 2. 分散剂对粘度的影响 图2为分散剂TAC和PMAA-NH4对浆料粘度的影响曲线，与分散剂对浆料稳定性的影响规律大致相同，在一定范围内增加分散剂的用量，浆料的粘度持续降低，并达到最低值。但是，当分散剂用量过多或过少时，都会增大浆料的粘度，这说明分散剂的用量存在一个最佳范围。加入适量分散剂，当固体颗粒表面刚好覆盖一层电解质形成单层吸附时粘度最低。当分散剂用量少时，其在粉体表面覆盖率较低，粉体表面有的部位带正电，有的部位带负电，两个相邻的颗粒带不同电荷的区域相互吸引，产生桥连效应，会导致浆料絮凝。而当加入的分散剂过多时，离子强度过度，压缩双电层，会减小颗粒间的静电斥力，同时过量的自由分子链也容易发生桥连或空缺絮凝，使稳定性下降，浆料粘度增加。两种分散剂达到最低粘度值所需加入的量不同，TAC的大约在7.5%-8.0%（体积分数），而PMAA-NH4的用量是5.2%--5.8%(体积分数）. 3. 粒度测定：对加入分散剂前后的PMN-PZT压电陶瓷悬浮体分别进行了粒度测定，结果如图3和表1. 结合图3和表1中数据可以看出，加入分散剂后粉体颗粒的团聚明显减少，反映要粒度分布曲线上，曲线向小粒度方移动，D50从5.42um分别降至3.30和2.64um,比表面积积从1.89m2/C.C增至3.12和3.41m2/C.C, 分散效果优于TAC的。 4. SEM分析：图4为加入不同分散剂后PMN-PZT陶瓷悬浮体的扫描电镜。对比图4（a），（b）后不难看出，加入分散剂后陶瓷悬浮体中颗粒团聚现象减少，颗粒分散较均匀，与粒度分析结果吻合。团聚体的减少，不仅是陶瓷浆料制备时应当追求的目标之一，而且有利于成型坯体的结构和组分更加均匀，减少烧结体显微结构缺陷，保证最终产品具有较好的性能。 5. 分散剂的作用机理 分散剂在悬浮体中通过与陶瓷微粒表面发生相互作用而阻止微粒间的团聚，稳定机理主要有三种：静电稳定，空间稳定和静电位阻稳定。静电稳定又称为双电层稳定，即通过调节PH值使颗粒表面产生一定量的排斥力使粒子间的吸引力大大降低，从而实现颗粒的分散。位阻稳定是通过在悬浮体中加入一定量不带电的高分子化合物，使其锚固基团吸附在固体颗粒表面，其熔剂化链在介质中充分伸展形成位阻层，阻碍颗粒的碰撞团聚和重力沉降，使颗粒之间产生斥力来达到分散的目的。 通过前面的分析可以看出，PMAA-NH4对陶瓷浆料的分散效果好于TAC，这主要是两种分散剂的稳定分散机制不同造成的。TAC是一种静电分散剂，其结构式如图5a,它在水溶液中极易离解出三价柠檬酸根阴离子，并在陶瓷颗粒表面吸附产生静电分散作用，属于单纯的静电分散。 而PMAA-NH4是一种阴离子型高分