聚乙二醇對鐠摻雜硅酸鋯色料顆粒的研磨和分散的影響研究

黃廣華

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院霍夫曼先進(jìn)材料研究院博士后創(chuàng)新實(shí)踐基地，深圳 518055）

水性高分子分散劑是廣泛存在于人們生產(chǎn)生活中的一類分散劑。在水性條件下，它對于色料顆粒的研磨和分散機(jī)制有兩種：雙電層理論和空間位阻理論。根據(jù)DLVO 理論，水性漿料中顆粒的分散和穩(wěn)定取決于顆粒間的雙電層擠壓重疊而產(chǎn)生靜電排斥能和vander Waals吸引能[1]。某實(shí)驗(yàn)合成了一種聚羧酸類水性高分子分散劑，并將其用于水性漿料中納米二氧化硅顆粒的分散，取得很好的效果[2]。這說明，含聚丙烯酸類的陰離子型水性高分子分散劑具有較優(yōu)異的靜電排斥性能，這對色料顆粒具有較好的分散性能。此外，PEG 和PVP 等這類非離子型水性高分子表面活性劑，對水性漿料中的顆粒具有分散穩(wěn)定性，主要表現(xiàn)為空間位阻能，因此通常也被用作分散劑使用[3-4]。

PEG 分子可以比較輕易地吸附在顆粒表面而形成高分子膜，而這層高分子膜可以在一定程度上抵消顆粒間的vander Waals 吸引能，使得顆粒在研磨過程中的表面能降低，從而顆粒具有一定的穩(wěn)定性。因此，本論文主要是將自制的陰離子型水性高分子分散劑PAI 與商用的聚乙二醇進(jìn)行復(fù)配。將其作為復(fù)合分散劑來添加到鐠鋯黃色料顆粒的研磨過程中，采用激光粒度的方式來分析其研磨的效果，同時將研磨液靜置沉降，分析其分散穩(wěn)定性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

本文中所使用的陰離子型水性高分子分散劑PAI為本實(shí)驗(yàn)室制備[5]，聚乙二醇（PEG2000，PEG600，PEG400和PEG200）購置于廣州化學(xué)試劑廠。本文所使用的色料顆粒為鐠鋯黃（Pr-ZrSiO4，D50=8.849 μm）由廣東佛山歐神諾陶瓷有限公司所提供。

1.2 研磨

本論文所應(yīng)用于Pr-ZrSiO4色料顆粒的研磨是采用了一種中國深圳叁星飛榮機(jī)械有限公司制造的，型號為WS-0.3 的轉(zhuǎn)頭式砂磨機(jī)。該砂磨機(jī)中的研磨介質(zhì)是尺寸為2-3 mm 的釔穩(wěn)定的氧化鋯磨珠。

1.3 表征

Pr-ZrSiO4顆粒樣品的粒度尺寸和粒度分布（PSD）由型號為BT9300S 的激光粒度儀（丹東百特儀器公司）來測定。研磨后的Pr-ZrSiO4顆粒水性漿料的粘度值由型號為NDJ1 的粘度計（上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司）來測定。Pr-ZrSiO4顆粒水性漿料的穩(wěn)定率是通過靜置沉降的方式，其方法為在垂直含刻度的玻璃試管中倒入待測的Pr-ZrSiO4顆粒水性漿料，然后將其靜置在桌面上，并在規(guī)定的時間內(nèi)記錄待測的Pr-ZrSiO4顆粒水性漿料的沉降高度。它的穩(wěn)定率(F)由計算：

式中，H 為待測的Pr-ZrSiO4顆粒水性漿料整體高度；h為待測的Pr-ZrSiO4顆粒水性漿料的沉降高度。因此，F(xiàn)值越大，Pr-ZrSiO4顆粒水性漿料的分散穩(wěn)定性越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 Pr-ZrSiO4 顆粒的研磨

圖1（a）為在不同的質(zhì)量比復(fù)配分散劑PAI 與PEG2000 時，Pr-ZrSiO4顆粒研磨后的粒度分布和中位徑值（D50）。從該圖中可知，當(dāng)PAI 與PEG2000 質(zhì)量比為8:2時，經(jīng)過90 min 研磨后，得到的Pr-ZrSiO4顆粒產(chǎn)品的粒度細(xì)（D50=0.486 μm）且分布窄。而在其他的質(zhì)量比的情況下，研磨后Pr-ZrSiO4顆粒產(chǎn)品的顆粒較粗且分布較寬。這是因?yàn)樵谶m合的比例（PAI：PEG2000=8:2）添加時，顆粒研磨漿料的黏度比較適中，可以較好的發(fā)揮砂磨機(jī)的研磨效果（見圖2）。

圖1 （a）

圖1 （b）

圖2 研磨后色料顆粒漿料的黏度

另外，在研磨過程中，顆粒間的分散主要還是以靜電排斥能為主。當(dāng)添加過量的PEG2000 時，不利于漿料中顆粒的分散，從而影響研磨的效果。圖1（b）為在質(zhì)量比為8:2 的條件下，分散劑PAI 與不同分子量的聚乙二醇復(fù)配時，Pr-ZrSiO4顆粒研磨后的粒度分布和中位徑值（D50）。在確定PAI 與PEG 的質(zhì)量比為8:2 時，當(dāng)分子量小于2000 時（PEG600，PEG400 和PEG200），研磨后Pr-ZrSiO4顆粒產(chǎn)品的顆粒粒度分布較寬。這可能是因?yàn)镻EG 的分子量較小時，分子量不夠長而不足以支撐在研磨過程中色料顆粒間所需要的空間位阻能。

圖1（a）以不同的質(zhì)量比復(fù)配分散劑PAI 與PEG2000 時，Pr-ZrSiO4顆粒研磨后的粒度分布和中位徑值（D50）；（b）以質(zhì)量比為8:2 的條件下，分散劑PAI 與不同分子量的聚乙二醇復(fù)配時，Pr-ZrSiO4顆粒研磨后的粒度分布和中位徑值（D50）

表1 為研磨前后Pr-ZrSiO4色料顆粒的中位徑D50、結(jié)晶度和平均晶粒尺寸。從表中可知，經(jīng)過濕法研磨后，Pr-ZrSiO4色料顆粒的粒度減小，它的晶粒的晶體結(jié)構(gòu)也有所破壞，從而導(dǎo)致了它的結(jié)晶度的下降，平均晶粒尺寸減小。

表1 研磨前后色料顆粒的中位徑D50、平均晶粒尺寸D 和結(jié)晶度

2.2 Pr-ZrSiO4 顆粒漿料的分散

圖3 為分散劑（PAI:PEG2000）為不同質(zhì)量比時，研磨后的Pr-ZrSiO4顆粒漿料分散性能。從圖中可知，經(jīng)過21 天和41 天的靜置沉降，當(dāng)分散劑為PAI:PEG2000=8:2的復(fù)配時，Pr-ZrSiO4顆粒漿料的分散穩(wěn)定性較好。而當(dāng)不添加PEG2000 或者是添加過多的PEG2000 時，Pr-ZrSiO4顆粒漿料的分散穩(wěn)定性較差。這可能是因?yàn)樵谔砑臃稚㏄AI 和PEG2000 的質(zhì)量比8:2 時，PAI 的存在可以為Pr-ZrSiO4顆粒提供適量多的靜電排斥能；而PEG2000 的存在也為Pr-ZrSiO4顆粒提供適量的空間位阻能。當(dāng)該空間位置能較少或者太多時，均不利于Pr-ZrSiO4 顆粒的分散和穩(wěn)定。

圖3 分散劑（PAI:PEG2000）為不同質(zhì)量比時，研磨后的Pr-ZrSiO4 顆粒漿料分散性能

2.3 分散和穩(wěn)定機(jī)理

通過上述的實(shí)驗(yàn)和分析可知，顆粒在水性漿料中的分散和穩(wěn)定機(jī)理主要是由于高分子分散劑的存在，使得Pr-ZrSiO4顆粒產(chǎn)生了靜電排斥能和空間位阻能，這兩種能量來抵消顆粒間的范德華吸引能。

見圖4 中所示，當(dāng)兩個Pr-ZrSiO4顆?？拷鼤r，分散劑PAI 由于存在了較多的羧酸基團(tuán)（-COO-），它可以為Pr-ZrSiO4顆粒表面提供較強(qiáng)的靜電排斥能；另外，非離子型分散劑PEG2000 由于存在較多的羥基（-OH），它可以較好的吸附在Pr-ZrSiO4顆粒表面，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的空間位阻能。另外，這兩種類型的水性高分子分散劑的添加比例是Pr-ZrSiO4顆粒分散穩(wěn)定的關(guān)鍵。

圖4 高分子分散劑在Pr-ZrSiO4 顆粒表面形成的雙電層和位阻層

3 結(jié)論

本論文采用了復(fù)配水性高分子分散劑方式，探討了PAI 和PEG 這兩種類型的分散劑對Pr-ZrSiO4顆粒的研磨和分散的影響。結(jié)果表明，當(dāng)PAI 和PEG 的質(zhì)量比8:2時，Pr-ZrSiO4顆粒的研磨效果最好，可以得到顆粒尺寸小且粒度分布窄的產(chǎn)品。并且在該條件下的漿料的分散穩(wěn)定性好，在較長時間的靜置沉降過程中沒有發(fā)生較為明顯的沉降。最后，對水性高分子分散劑的作用機(jī)理分析，分散劑PAI 提供了Pr-ZrSiO4顆粒所需的靜電排斥能，分散劑PEG2000 提供了Pr-ZrSiO4顆粒所需空間位阻能，以抵抗顆粒間的范德華吸引能。