納米陶瓷具有優(yōu)良性能的前提是納米顆粒堆積均勻,燒結(jié)收縮一致,晶粒均勻長大,但是由于納米粉體顆粒細(xì)小、顆粒間存在著較強(qiáng)的結(jié)合力,如靜電力、范德華力、毛細(xì)管力、機(jī)械咬合力等,使納米粉體存在團(tuán)聚度高、流動(dòng)性差等特點(diǎn),嚴(yán)重影響了粉體的成型性能,進(jìn)而導(dǎo)致陶瓷材料的性能下降。因此,納米陶瓷粉體的分散研究就變得尤為重要。
物理分散法
(1)機(jī)械分散法
機(jī)械分散屬于物理分散方法,是借助外界剪切力或撞擊力等機(jī)械能使納米粒子在介質(zhì)中充分分散的一種方法。機(jī)械分散法一般采用普通球磨、攪拌磨、行星磨和 剪切式高速攪拌器等方式進(jìn)行。
其中,普通球磨、研磨效率較低,常用于已分散的料漿經(jīng)擱置后的二次分散。攪拌磨、行星磨研磨效率高,簡單易行,是最常用的一種分散超細(xì)粉體的方法。但球磨最大的缺點(diǎn)是在研磨過程中,由于球與球、球與筒、球與料以及料與筒之間的撞擊、研磨,使球磨筒和球本身被磨損,磨損的物質(zhì)進(jìn)人料漿中成為雜質(zhì),這些雜質(zhì)會(huì)對漿料的純度及其后成品的性能產(chǎn)生影響。另外,球磨可能會(huì)改變粉體的物理化學(xué)性質(zhì)。因此,球磨分散方法會(huì)給料漿帶來一定的影響,分散時(shí)要控制好分散的時(shí)間。
剪切式高速攪拌器,雖然分散效果好,但它分散的過程中會(huì)導(dǎo)致大量的空氣裹入體系中,在高速剪切力的作用下,使整個(gè)料漿呈泡沫狀。
(2)超聲波分散法
超聲波分散是一種強(qiáng)度很高的物理分散手段,是把所需處理的顆粒懸浮液直接置于超聲場中,控制恰當(dāng)?shù)某暡l率及作用時(shí)間致使顆粒充分分散。利用超聲空化時(shí)產(chǎn)生的局部高溫、高壓或強(qiáng)沖擊波和微射流等,弱化微粒間的微粒作用能,可有效地防止微粒的團(tuán)聚。
超聲波用于微粒懸浮夜的分散,雖然效果很好,但存在的問題是:一旦停止超聲波振蕩,仍有可能使微粒再度團(tuán)聚;超聲波處理一定時(shí)間后,顆粒的粒度不能再 進(jìn)一步減小,繼續(xù)處理也會(huì)重新引起顆粒的團(tuán)聚;且超聲波對極細(xì)小的顆粒微粒分散效果并不理想。
化學(xué)分散法
納米陶瓷粉體的化學(xué)分散機(jī)制主要包括雙電層(靜電)穩(wěn)定機(jī)制、空間位阻穩(wěn)定機(jī)制和靜電位阻穩(wěn)定機(jī)制。
(1)雙電層(靜電)穩(wěn)定機(jī)制
靜電穩(wěn)定是指通過調(diào)節(jié)pH值和外加電解質(zhì)等方法,使顆粒表面電荷增加,形成雙電層,通過Zeta電位增加使顆粒產(chǎn)生靜電斥力,實(shí)現(xiàn)體系的穩(wěn)定。體系的穩(wěn)定是通過范德華引力能與雙電層斥力能的平衡來實(shí)現(xiàn)的。兩顆粒間總作用勢能VT=VwA+VER式中,VT為兩粒子總勢能;VwA為范德華引力勢能;VER為雙電層排斥力能。
靜電穩(wěn)定示意圖
(2)空間位阻穩(wěn)定機(jī)制
空間位阻穩(wěn)定是通過添加高分子聚合物,聚合物分子的錨固基團(tuán)吸附在固體顆粒表面,其溶劑化鏈在介質(zhì)中充分伸展,形成位阻層,充當(dāng)穩(wěn)定部分,阻礙顆粒的碰撞聚集和重力沉降。產(chǎn)生空間位阻穩(wěn)定效應(yīng)必需滿足以下條件:(1)錨固基團(tuán)在顆粒表面,覆蓋率較高且發(fā)生強(qiáng)吸附,這種吸附可以是物理吸附也可以是化學(xué)吸附;(2)溶劑化鏈充分伸展,形變形成一定厚度的吸附位阻層,通常保持顆粒間距大于10-20nm。
空間位阻穩(wěn)定示意圖
(3)靜電位阻穩(wěn)定機(jī)制
靜電位阻穩(wěn)定是固體顆粒表面吸附了一層帶電較強(qiáng)的聚合物分子層,帶電的聚合物分子層既能通過本身所帶電荷排斥周圍粒子,又用位阻效應(yīng)組織布朗運(yùn)動(dòng)的粒子靠近,產(chǎn)生復(fù)合穩(wěn)定效應(yīng),其中靜電電荷主要來源為顆粒表面凈電荷、外加電解質(zhì)和錨固基團(tuán)是聚電解質(zhì)。顆粒在距離較遠(yuǎn)時(shí),雙電層產(chǎn)生斥力,靜電主導(dǎo);顆粒在距離較近時(shí),空間位阻阻止顆?拷
參考資料:
喬木、李振榮.納米陶瓷粉體的分散
劉冰.納米陶瓷粉體的分散