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本研究根据超分子分散剂的分散作用机理,依据分子结构设计原则,以衣康酸(IA)、烯丙基磺酸钠(SAS)、甲基丙烯酸(MAA)和苯乙烯(St)为反应单体,过硫酸钾(KPS)为引发剂,采用溶液聚合法,通过自由基共聚制备了一种具有两亲结构的低相对分子质量的水溶性四元共聚物超分子分散剂(SPMISS),亦称超分散剂,研究了聚合工艺对产品性能的影响,使用红外光谱(FT-IR)、核磁共振谱(NMR)、凝胶渗透色谱(GPC)、X射线衍射(XRD)、热失重分析(TG)和扫描电镜(SEM)等现代分析手段对产品物性进行表征,主要探讨了超分子分散剂对陶瓷用粘土浆料的分散效果。
实验结果表明:
(1)较佳的溶液聚合反应工艺:n(IA):n(SAS):n(MAA):n(St)=1.0:1.0:1.3:0.1,w(KPS)=1%(以单体质量计算),并加入少量十二硫醇(TDM),采用一次投料的方式,反应温度80℃,总反应时间3h,采用氢氧化钠调节pH值为8~9,可得白色乳液,即超分子分散剂SPMISS溶液,有效物含量为30%。
(2)FT-IR和NMR证实了超分子分散剂中各单体结构单元的存在;GPC显示了聚合物的重均相对分子质量约为2631,多分散系数为1.0392,说明相对分子质量分布较窄;XRD谱图显示有一弥散形宽峰,表明SPMISS属于非晶态聚合物。
(3)通过考察超分子分散剂对浆料黏度、流速、沉降速率、沉降率、比吸光度以及Zeta电位等方面的影响,确定了SPMISS的最佳用量为浆料质量的0.34%(绝干料),该比例远远小于传统分散剂的使用量1%。添加了0.34w%SPMISS时,浆料的沉降速率、沉降率、减水率及比吸光度,分别为98.7%、26.0%、88.6%、45.0%,Zeta电位绝对值为9.695mv,且分散剂稍微过量不会对浆料体系造成负面影响,说明该分散剂的使用范围较宽。SEM观察到添加了适量分散剂的粘土浆料分散均匀。
(4)未添加分散剂的粘土浆料属于屈服拟塑性流体;而添加了0.34%的超分子分散剂后,粘土浆料转变为牛顿性流体,具有一定的正触变性,说明了SPMISS的添加可有效改善粘土浆料内部颗粒的聚集结构,使之有序且稳定分散。
(5)将超分子分散剂与无机分散剂、有机分散剂进行复配,不同复配分散剂对浆料的性能影响各不相同,其中SPMISS与六偏磷酸钠以质量比1:1复配的效果最佳,添加量为0.17%时,得到浆料减水率高达92.7%;对粘土浆料的流变性能改善效果显著,相同剪切速率下,黏度和剪切应力最小。
(6)超分子分散剂在膨润土、氧化镁以及二氧化钛浆料中的使用量各不相同,分别添加0.56%,0.60%和0.60%时,浆料分散最稳定,各沉降速率最大,黏度最小,说明分散剂SPMISS的使用量与被分散颗粒的表面积和表面性质有关。同时说明这种超分子分散剂对不同浆料均具有良好的分散性能。
本研究的创新点如下:
(1)根据超分子结构设计原则,以锚固基团取代表面活性剂的亲水基团,根据被分散粉体的表面性质选择不同极性的基团;以溶剂化链取代表面活性剂的亲油基团,其聚合单体根据分散介质的性质而定;可通过改变聚合物相对分子质量调节链长。
(2)采用的衣康酸单体属于环境友好型产品,在一定程度上满足了环境保护的要求。添加少量苯乙烯作为第四单体,用作聚合物亲水亲油平衡基团,以增强最终产物的分散性能,结果表明,在实际应用中,添加少量苯乙烯制备的共聚物能显著改善分散浆料的效果,且用量明显少于传统分散剂。
(3)本研究改变了传统制取高分子分散剂的二元共聚的手段,采用聚合单体和引发剂及分子量调节剂一次投料,直接升温,进行四元共聚反应。