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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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(gòu)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(guó)深圳叁星飛榮機(jī)械有限公司制造的，型號(hào)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(hào)為BT9300S 的激光粒度儀（丹東百特儀器公司）來測(cè)定。研磨后的Pr-ZrSiO4顆粒水性漿料的粘度值由型號(hào)為NDJ1 的粘度計(jì)（上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司）來測(cè)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(cè)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(shí)間內(nèi)記錄待測(cè)的Pr-ZrSiO4顆粒水性漿料的沉降高度。它的穩(wěn)定率(F)由計(jì)算：

式中，H 為待測(cè)的Pr-ZrSiO4顆粒水性漿料整體高度；h為待測(cè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，當(dāng)分子量小于2000 時(shí)（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(shí)，分子量不夠長(zhǎng)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(gè)Pr-ZrSiO4顆?？拷鼤r(shí)，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(duì)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(shí)，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(zhǎng)時(shí)間的靜置沉降過程中沒有發(fā)生較為明顯的沉降。最后，對(duì)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。