大粒徑氧化鋁漿料的懸浮穩(wěn)定性研究

汪永清，侯靜鵬，常啟兵，周健兒

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403；江西省高校無(wú)機(jī)膜重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

大粒徑氧化鋁漿料的懸浮穩(wěn)定性研究

汪永清，侯靜鵬，常啟兵，周健兒

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403；江西省高校無(wú)機(jī)膜重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

根據(jù)Stoke公式，大粒徑氧化鋁顆粒的沉降速率較快易造成陶瓷漿料穩(wěn)定性變差。本文提出在大粒徑氧化鋁顆粒的表面制備一層納米氧化鋁涂層，增加粉體的比表面積，進(jìn)而增強(qiáng)粉體與分散劑和穩(wěn)定劑的作用，提高漿料的穩(wěn)定性。以平均粒徑為5 μm的不規(guī)則形狀和球形α-Al2O3顆粒為研究對(duì)象，采用溶劑熱法制備納米涂層，研究了分散劑和穩(wěn)定劑含量對(duì)修飾前后氧化鋁漿料的穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：在粒徑相似的條件下，比表面積高的粉體，與有機(jī)添加劑的作用力較強(qiáng)，得到的漿料的穩(wěn)定性增加。因此，通過(guò)在大粒徑粉體表面制備納米涂層，增加粉體比表面積可以作為提高大粒徑粉體漿料穩(wěn)定性的一個(gè)有效方法。

漿料；大粒徑氧化鋁；懸浮穩(wěn)定性；納米氧化鋁涂層；沉降高度

0 引 言

陶瓷膜一般采用非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，即在多孔支撐體表面制備過(guò)渡層和分離膜層。其中，過(guò)渡層的性質(zhì)直接影響分離層的性能。對(duì)現(xiàn)有的陶瓷膜而言，采用浸涂法制備微濾陶瓷膜過(guò)渡層[1]，通常采用平均粒徑為5-10 μm的氧化鋁粉體制備陶瓷漿料。根據(jù)斯托克斯沉降公式，顆粒的沉降速度與顆粒粒徑大小的平方成正比。粉體粒徑越大，沉降速率越快，漿料的穩(wěn)定性越差，這會(huì)影響過(guò)渡層的結(jié)構(gòu)，無(wú)法掩蓋支撐體上的缺陷，導(dǎo)致缺陷傳遞至分離層。因此，過(guò)渡層涂膜漿料的穩(wěn)定性對(duì)陶瓷膜的整體結(jié)構(gòu)和性能有著重要的影響。

目前，關(guān)于大粒徑顆粒的懸浮穩(wěn)定的研究大多采用提高漿料粘度的方式延長(zhǎng)顆粒的沉降時(shí)間，如張紅宇[2]研究了以PVA 為穩(wěn)定劑配制涂膜漿料，結(jié)果顯示合適的PVA加入量應(yīng)該在3wt.%-5wt.%之間。但此時(shí)漿料的粘度快速增大，漿料的流動(dòng)性減小，不易成膜，而且燒成后膜孔徑變大。因此通過(guò)增加穩(wěn)定劑的含量以提高氧化鋁顆粒的懸浮性的方法是受到一定條件限制的。周躍華[3]等人研究了球磨時(shí)間及分散劑用量對(duì)平均粒徑為5 μm的氧化鋁懸浮穩(wěn)定性的影響，通過(guò)球磨和分散劑將粉體粒徑降低至2 μm，提高了氧化鋁的懸浮穩(wěn)定性，但是粒徑的改變會(huì)對(duì)涂膜后膜層的孔徑分布產(chǎn)生影響。尹曉琴[4]分別研究了以平均粒徑0.5 μm、2 μm、5 μm氧化鋁制備的漿料穩(wěn)定性，其中，穩(wěn)定性最佳的懸浮液中，5 μm氧化鋁含量只有2.5wt.%。低固含量漿料易導(dǎo)致膜缺陷，需要多次涂膜以控制膜層的缺陷。吳魯[5]研究了平均粒徑為7 μm的剛玉粉的懸浮穩(wěn)定性，以1.2wt.%PEG為分散劑，調(diào)整pH=9時(shí)，獲得粘度為60 mPa·s的懸浮液，但是4小時(shí)后，漿料仍然表現(xiàn)為明顯的沉降，漿料穩(wěn)定性仍然有待提高。因此，整體而言，大粒徑顆粒漿料的懸浮問(wèn)題仍未解決。

為阻止顆粒的沉降，需要在漿料中加入一定數(shù)量的有機(jī)添加劑(分散劑和穩(wěn)定劑)，有機(jī)添加劑可以吸附在粉體顆粒表面，通過(guò)靜電作用或者空間位阻效應(yīng)阻止顆粒的團(tuán)聚[6]。在此過(guò)程中，粉體顆粒表面與有機(jī)添加劑之間的相互作用成為影響漿料懸浮的重要因素。若有機(jī)添加劑在粉體顆粒表面覆蓋率較小，則游離的有機(jī)添加劑會(huì)起到絮凝劑的作用。對(duì)大粒徑粉體而言，粉體的比表面積較小，與有機(jī)添加劑的作用面積減少，降低了兩者的相互作用。因此，提高大粒徑粉體的比表面積成為改善大粒徑粉體漿料穩(wěn)定性的一種重要方法。

為解決大粒徑氧化鋁顆粒懸浮穩(wěn)定性較差的問(wèn)題，本文采用溶劑熱法在平均粒徑為5 μm的α-Al2O3顆粒的表面制備一層納米氧化鋁涂層，通過(guò)增加比表面積的方式提高氧化鋁的懸浮穩(wěn)定性，對(duì)比研究了分散劑與穩(wěn)定劑的添加量對(duì)處理前后粉體所得漿料穩(wěn)定性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 陶瓷漿料的制備

將1.5 g三嵌段聚合物Pluronics-123(P123，分子量5800，美國(guó)BASF公司)與40 g異丙醇鋁溶解于150 ml二甲苯中，然后將不規(guī)則形α-Al2O3(d50=5 μm，河南，洛陽(yáng)白鴿集團(tuán))與球形氧化鋁α-Al2O3(d50= 5 μm，安徽，蚌埠中凱電子材料有限公司)分別攪拌加入到異丙醇鋁二甲苯溶液中，轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，在120 ℃反應(yīng)12 h，冷卻后，取出混合液，倒出上層多余溶液，并將底層固體物置于烘箱內(nèi)烘干，600 ℃煅燒1 h，得到預(yù)處理氧化鋁粉體。

以處理過(guò)的氧化鋁粉體和氧化鋁原始粉體為原料，以Dolapix CE-64(德國(guó)司馬化工)作分散劑，加入不同含量的Dolapix-CE-64，超聲分散后，加入不同含量的 PVA-1799為穩(wěn)定劑，配制固含量為8wt.%的懸浮漿料。研究不同分散劑與穩(wěn)定劑的使用量對(duì)平均粒徑為5 μm的α-Al2O3顆粒懸浮性的影響。

1.2 測(cè)試與表征

使用改進(jìn)的沉降高度法測(cè)試表征漿料的穩(wěn)定性[7]，其測(cè)試方法為：將漿料置于長(zhǎng)度24 cm有機(jī)玻璃管內(nèi)，每隔4 cm鉆一小孔將玻璃管分隔成六段，使用注射器從小孔抽取每段高度的漿料，稱(chēng)量漿料的質(zhì)量，將漿料干燥后，測(cè)量該段漿料的固含量。繪制一條漿料固含量隨高度變化的曲線(xiàn)用于描述漿料的穩(wěn)定性，該曲線(xiàn)與漿料的平均固含量越接近，則說(shuō)明漿料穩(wěn)定性越好，反之漿料穩(wěn)定性越差。使用數(shù)字粘度計(jì)(LVDV-1，上海方瑞儀器有限公司)測(cè)試漿料粘度。采用BET法(BET-2000，美國(guó)Micrometer)測(cè)量粉體的比表面積。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理對(duì)粉體比表面積的影響

表1中顯示了預(yù)處理前后，球形和不規(guī)則形狀的兩種氧化鋁粉體的比表面積。從表中可以看出，在粉體粒徑?jīng)]有明顯變化的前提下，使用異丙醇鋁處理后的氧化鋁粉體的比表面積均有明顯的增加，這說(shuō)明成功的在氧化鋁顆粒的表面制備一層納米氧化鋁涂層。這一薄層納米氧化鋁較大的比表面積有助于提高粉體與有機(jī)添加劑中間的相互作用，進(jìn)而促進(jìn)漿料的懸浮穩(wěn)定性。對(duì)比球形與不規(guī)則形狀的氧化鋁粉體，可以看出，即使經(jīng)過(guò)異丙醇鋁處理，球形氧化鋁比表面積仍然比未處理的不規(guī)則氧化鋁更小，這在一定程度上會(huì)影響兩種不同粉體的懸浮性。

表1 預(yù)處理前后氧化鋁的比表面積Tab.1 Specific surface area of alumina powders before and after the pretreatment

2.2 5μm球形α-Al2O3漿料的穩(wěn)定性

圖1顯示了5 μm球形α-Al2O3粉體，添加0.05wt.% Dolapix CE-64作分散劑以及不同含量的PVA-1799配成的漿料，經(jīng)過(guò)24 h靜置后不同高度漿料的固含量變化。從圖中可以看到，在靜置前，漿料的固含量為8.0wt.%。當(dāng)PVA添加量為3.6wt.%時(shí)，玻璃管上端五段的漿料固含量差值幾乎為零，而底端固含量則激增為32.4wt.%，說(shuō)明此時(shí)5 μm球形氧化鋁完全沉降，此時(shí)漿料穩(wěn)定性極差。隨著PVA含量的進(jìn)一步增大，漿料的粘度從25.4 mPa·s、37 mPa·s、51.5 mPa·s增加為74 mPa·s，各層高度的漿料的固含量逐漸向8%靠近，說(shuō)明漿料的穩(wěn)定性變好。但是，當(dāng)PVA添加量為4.68wt.%時(shí)，漿料粘度達(dá)到了74 mPa·s，漿料流動(dòng)性變差，不利于涂膜。因此，單純?cè)黾訚{料粘度以提高漿料穩(wěn)定性的方法并不適于膜層的制備。

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PVA1799對(duì)球形氧化鋁漿料穩(wěn)定性影響Fig.1 Influence of different mass fraction of PVA1799 on the stability of the spherical alumina slurry

為了解決這一問(wèn)題，對(duì)5 μm球形氧化鋁進(jìn)行異丙醇鋁處理，在顆粒表面包裹一層納米氧化鋁顆粒，提高顆粒比表面積，增大顆粒與PVA接觸面積，提高漿料的穩(wěn)定性。圖2顯示了異丙醇鋁處理過(guò)的5 μm球形α-Al2O3添加0.05wt.%Dolapix CE-64作分散劑以及不同含量的PVA1799配成的漿料，經(jīng)24 h靜置后不同高度漿料的固含量變化。從圖2可以看到，隨著PVA含量的增加，漿料固含量逐漸向平均固含量接近，說(shuō)明漿料的穩(wěn)定性變好。對(duì)比圖1可以看到，PVA含量相同時(shí)，異丙醇鋁處理過(guò)的球形氧化鋁比未處理的球形氧化鋁配置的漿料穩(wěn)定性更好。但是，整體而言，漿料的穩(wěn)定性仍然不能滿(mǎn)足涂膜的需要?？紤]到5 μm球形氧化鋁經(jīng)過(guò)處理后包裹了一層納米氧化鋁，比表面積增大，可能造成0.05wt.%的Dolapix CE-64無(wú)法完全覆蓋顆粒表面，導(dǎo)致顆粒分散較差，因此，需進(jìn)一步調(diào)整分散劑的使用量。

圖3顯示了分散劑Dolapix CE-64含量對(duì)不同高度漿料的固含量的影響(使用異丙醇鋁處理過(guò)的5 μm球形α-Al2O3，添加4.32wt%PVA1799)。從圖中可以看出，隨著Dolapix CE-64的添加量逐漸增加，漿料穩(wěn)定性變好，最佳Dolapix CE-64添加量為0.09wt.%。這可解釋為，使用異丙醇鋁處理過(guò)的5 μm球形α-Al2O3的比表面積增大，需要增加分散劑含量以覆蓋氧化鋁顆粒的表面。因此，對(duì)于異丙醇鋁處理過(guò)的5 μm球形α-Al2O3，分散劑的使用量以0.09wt.%最佳。

2.3 5 μ m不規(guī)則狀α-Al2O3漿料穩(wěn)定性

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PVA1799對(duì)預(yù)處理的球形氧化鋁漿料穩(wěn)定性影響Fig.2 Effect of the content of PVA1799 on the stability of the pretreated spherical alumina slurry

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Dolapix CE-64對(duì)預(yù)處理的球形氧化鋁漿料穩(wěn)定性影響Fig.3 Effect of the content of Dolapix CE-64 on the stability of the pretreated spherical alumina slurry

圖4 顯示了5 μm不規(guī)則狀α-Al2O3添加0.05wt.%Dolapix CE-64作分散劑以及不同含量的PVA1799配成的漿料，經(jīng)過(guò)24 h靜置后不同高度漿料的固含量變化。從圖中可以看出，不規(guī)則狀氧化鋁具有跟球形氧化鋁相似的漿料穩(wěn)定性變化，隨著PVA含量的增加，粘度增大，各高度的漿料固含量逐漸接近于平均固含量。當(dāng)PVA添加量為4.32wt.%時(shí)，底部漿料的固含量為13%，此時(shí)漿料穩(wěn)定性最佳，粘度為52.6 mPa·s。與相同條件下制備的球形α-Al2O3漿料相比，不規(guī)則形狀氧化鋁粉體的漿料的穩(wěn)定性更好，這與不規(guī)則形狀氧化鋁粉體的比表面積相對(duì)較大有關(guān)。

圖4 PVA1799添加量對(duì)不規(guī)則形狀氧化鋁漿料穩(wěn)定性影響Fig.4 Effect of the content of PVA1799 on the stability of the irregular alumina slurry

圖5 PVA1799添加量對(duì)預(yù)處理的不規(guī)則形狀氧化鋁漿料穩(wěn)定性影響Fig.5 Effect of the content of PVA1799 on the stability of the pretreated irregular alumina slurry

圖5 顯示了使用異丙醇鋁處理過(guò)的5 μm不規(guī)則狀α-Al2O3經(jīng)過(guò)24 h靜置后不同高度漿料的固含量。對(duì)比圖4，可以看到，異丙醇鋁處理同樣可以提高氧化鋁漿料的穩(wěn)定性。當(dāng)PVA添加量同樣為4.32wt%時(shí)，經(jīng)測(cè)試底部沉淀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.93%，此時(shí)漿料穩(wěn)定性最佳，粘度適中。

圖6 不同氧化鋁所制備漿料穩(wěn)定性對(duì)比Fig.6 The solid content of the suspensions prepared with different alumina powders

2.4 不同氧化鋁最佳配方漿料穩(wěn)定性對(duì)比

圖6顯示了預(yù)處理前后氧化鋁漿料的穩(wěn)定性的影響。從圖中可以看出，預(yù)處理后的不規(guī)則形狀氧化鋁漿料穩(wěn)定性最好，而原始的球形氧化鋁漿料穩(wěn)定性最差，這與表1中所顯示的粉體的比表面積的順序是相一致的。在粒徑相似的條件下，比表面積高的粉體，與有機(jī)添加劑的作用力較強(qiáng)，得到的漿料的穩(wěn)定性增加。因此，通過(guò)在大粒徑粉體表面制備納米涂層，增加粉體比表面積可以作為提高大粒徑粉體漿料穩(wěn)定性的一個(gè)有效方法。

3 結(jié) 論

為提高大粒徑粉體漿料的懸浮穩(wěn)定性，采用溶劑熱法分別在平均粒徑為5 μm的不規(guī)則形狀和球形α-Al2O3顆粒的表面制備一層納米氧化鋁涂層，以提高氧化鋁粉體的比表面積。研究結(jié)果表明：在粒徑相似的條件下，比表面積高的粉體，與有機(jī)添加劑的作用力較強(qiáng)，得到的漿料的穩(wěn)定性增加。因此，通過(guò)在大粒徑粉體表面制備納米涂層，增加粉體比表面積可以作為提高大粒徑粉體漿料穩(wěn)定性的一個(gè)有效方法。

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Stability of Suspension Prepared with Coarse Alumina Powders

WANG Yongqing, HOU Jingpeng, CHANG Qibing, ZHOU Jian'er
(School of Materials Science and Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China; Key Laboratory of Jiangxi Universities of Inorganic membrane, Jingdezhen 333001, Jiangxi, China)

According to Stoke equation, a large settling velocity of coarse particles will result in the bad stability of a suspension. The irregular and global coarse alumina powders with the average particle size of 5μm were researched. To increase the suspension's stability, the increased specific surface area of the coarse particles is proposed to increase the interaction between the coarse powder and the added organic reagent through a nano alumina coating prepared on the coarse particles' surface. The nano coating was prepared by solvent thermal method. The effect of the content of the dispersant and the stabilizer on the stability of the alumina suspension was researched. The results show that the specific surface area of coarse alumina powders can be increased by the nano coating, which strengthens the interaction between the coarse powder and the added organic reagent. This is an effective way to increase the stability of the suspension prepared with coarse powder.

suspension; coarse alumina; stability; nano alumina; settling height

TQ174.4

A

1000-2278(2015)05-0506-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2015.05.012

2015-04-24。

2015-05-04。

科技部國(guó)際科技合作項(xiàng)目(編號(hào)：2011DFA52000)。

汪永清(1966-)，男，博士，教授。

Received date: 2015-04-24. Revised date: 2015-05-04.

Correspondent author:WANG Yongqing(1966-), male, Doc., Professor.

E-mail:wyq8248@126.com