PAA-PEO对亚微米陶瓷悬浮体系分散性影响的研究

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高技术陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、抗氧化等优异性能,故而在航空航天、新材料、电子、生物工程等方面具有很好的应用前景。众所周知,原料特性、材料设计(组分配方)以及制造工艺是决定高技术陶瓷材料性能优劣的三大要素。而绝大多数陶瓷材料的制造又是以粉体处理、成型、烧成三大过程为工艺主轴。要获得性能优异的高技术陶瓷产品,陶瓷材料的成型是其中的关键的一步。   陶瓷胶态成型技术具有成本低、操作简单、适合制备复杂形状陶瓷零件,免去了复杂的机加工步骤等优点。这种新型工艺的特征在于制备高固含量、低粘度的陶瓷粉体悬浮液,通过各种固化机制来实现粉体颗粒的原位固化,得到悬浮液结构相同或近似的均匀坯体,提高了陶瓷材料的结构均匀性和可靠性。也就是说,原料性状、粉体处理及成型工艺都与陶瓷微粒的分散和悬浮体系稳定性控制技术有密不可分的联系。而粉体分散的均匀程度,直接关系到其后的各个工艺阶段能否达到预期的目的,对于含有多种陶瓷颗粒的多元体系更是如此。因而分散和稳定性控制往往对最终材料或制品的性能起到决定性的作用。由此可见,如何控制陶瓷微粒的分散性和稳定性,已成为能否最大限度地利用超微和纳米粉体的优势、进一步提高陶瓷材料性能的关键所在。   目前对PAA-α-Al2O3陶瓷悬浮液体系的研究很多,但对PAA-PEO-α-Al2O3陶瓷悬浮液体系及多元浆料体系分散性影响的研究尚未见有报道,大量的复杂现象和众多影响因素之间的关系等问题有待进行大量、深入、细致的研究。对氧化铝陶瓷颗粒及多元陶瓷超细微粒体系分散性和稳定性的研究,对于高技术陶瓷技术和产业的发展将会起到积极的推动作用,具有重大的经济及社会意义。   本课题以超细氧化铝、氧化锆等一元及多元水悬浮液体系为研究对象,系统地研究了影响悬浮液分散稳定性能的主要因素,探讨了各种因素对浆料稳定性的影响机制,具体内容为:   1研究了PAA-PEO-α-Al2O3悬浮液流变性能与pH的相关特性,利用一种新型的分散剂--梳型共聚物poly(acrylic acid)-poly(ethylene oxide)(PAA-PEO),考察了pH对α-Al2O3-H2O悬浮液的流变性能的影响。通过和聚丙烯酸类分散剂poly(acrylic acid)PAA的比较,结果表明:PAA-PEO能在pH2.0~12.0的范围内使氧化铝浆料稳定,这是以前对氧化铝悬浮液稳定性研究中所没能实现的,解决了PAA在弱酸条件下对氧化铝粉体不能分散的问题。   2研究了电解质对PAA-α-Al2O3-H2O悬浮液流变性能的影响以及PAA-PEO-α-Al2O3-H2O悬浮液抵抗电解质的性能。结果表明:PAA-α-Al2O3-H2O悬浮液的流变性能受电解质的影响较大,并且二价盐比一价盐对PAA-α-Al2O3悬浮液分散和稳定性的影响更明显,电解质造成氧化铝颗粒的絮凝,使浆料的稳定性能变差。而在相同条件下,PAA-PEO-α-Al2O3-H2O悬浮液基本不受电解质的影响,浆料都保持稳定,PAA-PEO-α-Al2O3-H2O悬浮液具有很强的抗电解质能力。   3研究了添加PAA-PEO或PAA时氧化铝颗粒的表面Zeta电位,添加分散剂后,氧化铝颗粒的表面Zeta电位发生了很大的变化,等电点也从pH8.5向pH变小的方向移动,零电位时,pH分别为2.5和3.5;氧化铝颗粒对PAA-PEO和PAA的吸附性能,pH对氧化铝颗粒的吸附性能影响很大,随着pH的增加,氧化铝对PAA-PEO和PAA的饱和吸附值变小;以及高固含量的PAA-PEO-α-Al2O3浆料的流变性能,并和PAA-α-Al2O3浆料的流变性能进行了比较,在高固含量的条件下,PAA-PEO-α-Al2O3浆料在较宽的pH范围内仍保持稳定状态,而同样条件下,PAA-α-Al2O3浆料的粘度较高,只能在pH9的条件下才能保持稳定状态;研究PAA-PEO添加量对氧化铝浆料流变性能影响,随着分散剂添加量的增加,浆料的粘度变低,分散剂的添加量存在最佳值。同时发现了一个有趣的现象,就是过量的分散剂PAA-PEO的添加并不降低体系的稳定性能。这是在以前的有关氧化铝浆料稳定性的研究中没有出现过的。   4研究了pH、分散剂的添加量及固含量对ZrO2-H2O悬浮液的流变性能的影响。结果表明:在pH为3、PAA-PEO的添加量为0.3wt%,ZrO2-H2O悬浮液的粘度最低;固含量在31vol%以下时,浆料都保持稳定状态;随着固含量的增加,浆料的粘度也增加,当固含量达到33vol%时,浆料呈现出明显的剪切变稀行为。   5研究了pH、PAA-PEO的添加量以及固含量对Y-TZP/α-Al2O3-H2O悬浮液的流变性能的影响。结果表明:PAA-PEO对Y-TZP/α-Al2O3-H2O悬浮液有很好的分散性能,在pH为3的条件下,PAA-PEO能使固含量为30vol%的各种配比的Y-TZP/α-Al2O3-H2O悬浮液都达到稳定状态,并且制备出了固含量为60Vol%的稳定的Y-TZP/α-Al2O3-H2O浆料。
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