檸檬酸對(duì)凝膠澆注成形工藝中氧化鋁漿料固化的影響

摘 要 本文研究了pH＝4.5時(shí)檸檬酸對(duì)氧化鋁漿料固化的影響。用流變儀測(cè)試過(guò)硫酸銨（APS）和四甲基乙二胺（TEMED）氧化還原體系作為引發(fā)體系引發(fā)丙烯酰胺（AM)自由基聚合過(guò)程，交聯(lián)劑為N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)。通過(guò)體系聚合過(guò)程的復(fù)數(shù)模量G*和溫度的變化曲線，討論了檸檬酸對(duì)丙烯酰胺自由基聚合的阻聚作用，并用乙酸加以驗(yàn)證，說(shuō)明有機(jī)酸使氧化鋁漿料不能固化的原因。

關(guān)鍵詞 氧化鋁，凝膠澆注成形，檸檬酸，阻聚作用

1引言

凈尺寸成形是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型技術(shù)，包括凝膠澆注成形^[1～2]、直接凝固注模成形等^[3～4]。凝膠澆注法制備的高固含量的陶瓷坯體具有強(qiáng)度高、易于加工并可直接制備成所需的復(fù)雜形狀的特點(diǎn)。因而近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)凝膠澆注成形方法進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)^[5～8]。

在凝膠澆注工藝中，單體（AM）與交聯(lián)劑（MBAM）聚合時(shí)形成凈尺寸成形，從而使?jié){料固化成形^[9]。單體和交聯(lián)劑的聚合反應(yīng)屬于自由基聚合，反應(yīng)為放熱反應(yīng)，所以聚合反應(yīng)產(chǎn)生的熱量使體系的溫度迅速升高，聚合反應(yīng)結(jié)束后，體系的溫度在水浴作用下恢復(fù)到初始溫度，通過(guò)流變儀的溫度傳感器可以得到聚合反應(yīng)過(guò)程中體系的溫度變化曲線；聚合反應(yīng)過(guò)程中體系的復(fù)數(shù)模量的變化由流變儀記錄。因此可以得到聚合反應(yīng)或漿料固化過(guò)程中體系的溫度和模量與時(shí)間的關(guān)系圖。那么，體系的溫度和模量變化曲線就可以用來(lái)描述聚合反應(yīng)或漿料的固化過(guò)程。

為了制備固相含量高、粘度低的氧化鋁漿料，需要加入分散助劑。分散劑用量一般為粉體的1wt%。本實(shí)驗(yàn)使用檸檬酸作為分散劑制備氧化鋁漿料，在考察pH值對(duì)固化時(shí)間的影響過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在pH值較低（如pH＝4.5）時(shí)氧化鋁漿料不能固化。在國(guó)內(nèi)和國(guó)外的文獻(xiàn)中，還沒(méi)有關(guān)于檸檬酸或有機(jī)羧酸對(duì)凝膠澆注工藝中丙烯酰胺聚合反應(yīng)的影響的報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)使用帶有溫度傳感器的流變儀測(cè)試丙烯酰胺聚合體系的模量和溶液溫度的變化來(lái)反映聚合的過(guò)程，討論檸檬酸對(duì)氧化鋁漿料固化和丙烯酰胺聚合的影響。

2實(shí)驗(yàn)

2.1 試劑及原料

實(shí)驗(yàn)使用的丙烯酰胺（AM，98%純）、N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺（MBAM，98%純）、四甲基乙二胺（TEMED，98%純）、檸檬酸（99.5%純）、乙酸（99.5%純）由上海化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；過(guò)硫酸銨（APS，98%純）由上海凌峰化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；氧化鋁超細(xì)粉體（HFF5）由上海吳淞化肥廠生產(chǎn)，平均粒徑為0.3μm、BET比表面為5.27m²/g。

溶液配制:CAM=14wt%；AM:MBAM=10:1(wt)；CAPS= 0.08wt%；CTEMED=0.08wt%。pH值為加入分散劑之后，加入APS和TEMED之前所測(cè)值，使用鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)。測(cè)試溫度及漿料固化溫度為25℃。

2.2 測(cè)試儀器及聚合過(guò)程的表征

測(cè)試儀器為流變儀（SR5，Rheometric Scientific，U.S.A），使用夾具為自制的旋轉(zhuǎn)葉片。旋轉(zhuǎn)葉片的高為20.0mm、葉片厚度為2.0mm、直徑為20.0mm、外筒內(nèi)徑為22.0mm。測(cè)試中旋轉(zhuǎn)葉片的有效直徑為：Deff.=19.24mm^[10]。水浴循環(huán)裝置為Julabo F25型(JULABO LABORTECHNIK GMBH，Seelbach/Germany)，水浴溫度設(shè)定為25℃。所有測(cè)試過(guò)程均采用動(dòng)態(tài)模式測(cè)試，頻率為1Hz，應(yīng)變?yōu)?.5%。

由APS和TEMED氧化還原體系引發(fā)丙烯酰胺的聚合反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，聚合過(guò)程中體系的復(fù)數(shù)模量和溫度會(huì)上升，并由計(jì)算機(jī)記錄。圖1是一個(gè)典型的14wt%AM溶液聚合過(guò)程中復(fù)數(shù)模量和溫度曲線，由圖1可知，體系的模量曲線和溫度曲線的變化是一致的。圖中曲線可分為三個(gè)階段：第一階段，體系基本為水溶液，體系的模量很低，并不隨時(shí)間變化，體系的溫度也維持不變。此時(shí)體系的APS已經(jīng)開始分解并形成初級(jí)自由基，這段時(shí)間稱為idle time^[11～12]。第二階段，丙烯酰胺聚合反應(yīng)發(fā)生并伴隨反應(yīng)熱放出，此時(shí)體系的模量和溫度急劇上升。交聯(lián)聚合反應(yīng)快要結(jié)束時(shí)體系的溫度達(dá)到峰值，模量趨近最大值。在聚合反應(yīng)的減速階段，聚合產(chǎn)物的模量繼續(xù)增加并達(dá)到最大值，而此時(shí)聚合反應(yīng)放出的熱量很少，所以聚合體系的溫度開始下降。第三階段，聚合反應(yīng)結(jié)束，此時(shí)體系的模量達(dá)到最大值（18000Pa）并基本維持不變，體系的溫度在水浴的作用下恢復(fù)到設(shè)定溫度。通過(guò)曲線的第一階段可以確定丙烯酰胺聚合反應(yīng)的idle time，也就是通過(guò)聚合反應(yīng)過(guò)程的模量的突躍點(diǎn)或者第一個(gè)放熱點(diǎn)可以得到聚合反應(yīng)的idle time^[12]。所以圖1中的聚合反應(yīng)的idle time=7.5min。以下所有實(shí)驗(yàn)的idle time均按照此法獲得。

圖1 14%AM溶液聚合過(guò)程的模量和溫度曲線

3結(jié)果與討論

3.1 檸檬酸對(duì)32vol%氧化鋁漿料固化的影響

圖2、圖3為pH=4.5和pH=10.5時(shí)，加入1wt%檸檬酸的32vol%氧化鋁漿料固化的流變曲線。從圖中可以看出，在pH=10.5時(shí)，體系的模量和溫度曲線有很明顯的三個(gè)變化階段，即漿料中丙烯酰胺聚合反應(yīng)前低模量階段，此時(shí)漿料具有良好的流動(dòng)性；聚合反應(yīng)過(guò)程中模量和溫度迅速上升階段；聚合反應(yīng)結(jié)束，模量平穩(wěn)和溫度回降到環(huán)境溫度階段，并且漿料固化。從體系模量的突躍點(diǎn)或聚合反應(yīng)的第一個(gè)放熱點(diǎn)得到丙烯酰胺的idle time在10min左右。而pH=4.5時(shí)，氧化鋁漿料在3h內(nèi)都沒(méi)有固化，溫度曲線維持水平不變，模量緩慢上升。模量緩慢上升的原因是：裝在圓筒里的漿料上表面長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，表面的水分揮發(fā)導(dǎo)致漿料體系的模量上升。氧化鋁漿料不能固化的直接原因是丙烯酰胺沒(méi)有發(fā)生聚合反應(yīng)。

圖2 檸檬酸對(duì)32vol%氧化鋁漿料固化的影響（pH=4.5）

圖3 檸檬酸對(duì)32vol%氧化鋁漿料固化的影響（pH=10.5）

3.2 檸檬酸對(duì)丙烯酰胺聚合反應(yīng)的影響

檸檬酸是制備氧化鋁漿料的常用分散劑。檸檬酸分子通過(guò)羧基與氧化鋁表面的Al3+發(fā)生化學(xué)作用吸附在氧化鋁顆粒表面，達(dá)到靜電排斥或空間位阻的作用，并使?jié){料體系的粘度下降^[13]。但是在水溶液中仍然存在少量的未被吸附的分散劑分子，并可能影響到丙烯酰胺的聚合反應(yīng)。為了討論檸檬酸對(duì)氧化鋁漿料體系中的丙烯酰胺自由基聚合反應(yīng)的影響，在丙烯酰胺溶液中加入不同濃度的檸檬酸，并在pH=4.5和pH=10.5條件下分別測(cè)試了丙烯酰胺聚合反應(yīng)的模量和溫度曲線，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出：pH＝4.5時(shí)，聚合時(shí)間隨檸檬酸加入量的增加迅速增加，當(dāng)檸檬酸的量達(dá)到0.56wt%時(shí)，聚合體系中出現(xiàn)局部不聚合的現(xiàn)象。所以酸性溶液中未被吸附的檸檬酸分子對(duì)AM聚合反應(yīng)有不利的影響，可能導(dǎo)致漿料固化不好。而在pH＝10.5時(shí)，檸檬酸添加量對(duì)聚合時(shí)間的影響則不大。為了證明在酸性條件下有機(jī)酸的羧基對(duì)丙烯酰胺聚合的阻聚或緩聚作用，選擇物理和化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定的乙酸進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見(jiàn)：乙酸在pH=4.5和pH=10.5時(shí)對(duì)丙烯酰胺聚合的影響和檸檬酸基本相同。在pH＝4.5的溶液中檸檬酸和乙酸均沒(méi)有完全電離（乙酸:pk₁＝4.76；檸檬酸:pk₁＝3.18，pk₂＝4.76，pk₃＝6.40），這說(shuō)明未電離的羧基-COOH以某種方式對(duì)丙烯酰胺的聚合具有阻聚或緩聚作用。

所以，羧基-COOH對(duì)丙烯酰胺的阻聚作用是導(dǎo)致氧化鋁漿料無(wú)法固化的直接原因，而阻聚作用的機(jī)理還需要進(jìn)一步的研究。

4 總結(jié)

由于少量未被氧化鋁表面吸附的檸檬酸在pH=4.5的漿料中沒(méi)有完全電離，檸檬酸分子中未電離的羧基-COOH對(duì)丙烯酰胺的聚合反應(yīng)存在阻聚作用，使得氧化鋁漿料不能夠在較低pH值的條件下固化。

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Effect of Citric Acid on the Gel-casting of Alumina

Dong Manjiang Zhang Zhaoquan Liu Qian Jiang Dongliang

(State Key Lab of High Performance Ceramics Superfine Microstructure

Shanghai Institute of Ceramics Chinese Academy of ScienceShanghai 200050)

Abstract: The inhibition action of citric acid was found on the gelation of 32vol% alumina slurry as pH value was 4.5.The influence of citric acid on the polymerization of acrylamide cross-linked by N，N'-menthylene-bis-acrylamide initiated by APS and TEMED was investigated by a stress control rheometer equipped with a four-blade vane.The modular G* and temperature development in polymerization process were used to elucidate the polymerization process. The effect of citric acid and acetic acid on the polymerization reaction was discussed as pH value was 4.5 and 10.5 and concluded that inhibition action of citric acid were due to the carboxy group in the citric acid molecular in lower pH value solutions.

Keywords: alumina，Gel-casting，citric acid，inhibition