两种分散剂对粉浆浇注氧化铝坯体的影响

胡倩++赵建伟++田东++徐晓娟

摘 要：该文用注浆成型工艺制备氧化铝陶瓷坯体，采用两种分散剂，研究了坯体密度随固含量和煅烧温度的变化。研究结果表明：以0.1%的聚丙烯酸钠为分散剂时，固含量为40%的坯体性能最优，经过1500 ℃煅烧后可以达到理论密度的78%；以0.5%的六偏磷酸钠作为分散剂时，经过1500 ℃煅烧后，固含量为35%的坯体密度提高幅度较大。

关键词：氧化铝 分散剂 注浆成型

中图分类号：TF124.35 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（a）-0193-02

氧化铝陶瓷具有高硬度、高强度和良好的耐腐蚀性，而且由于生产资源丰富和相对较低的价格被广泛应用在机械加工、电子工业、化学工艺和冶金工业等方面[1-2]。陶瓷粉体的成型技术种类繁多，本实验采用注浆成型的方法制备氧化铝坯体。将陶瓷或金属粉末分散在液态介质中制成悬浮液，使之具有良好的流动性，将此悬浮液注入一定形状的模腔中，通过模具的吸水作用使悬浮液固化，制得具有一定形状的生坯[3-7]。这种成型方法称为注浆成型。其主要特点是设备简单，适用性强。

1 实验方法

实验原料为分析纯的氧化铝粉（沈阳新西试剂厂）、六偏磷酸钠（国药集团）、聚丙烯酸钠（国药集团）和自制的超纯水。分别采用含量为0.1%的聚丙烯酸钠和0.5%的六偏磷酸钠作为分散剂，选取料浆固含量分别为35%、40%、45%，加入纯水将氧化铝粉和分散剂混合搅拌后放入球磨机中球磨18 h。将料浆注入自制的石膏模具中。该石膏模具为整体模具，内有圆柱状空腔，球磨好的料浆注入石膏模具的空腔后，在室温下固化48 h，随后在真空干燥箱中经60 ℃保温10 h，再经120 ℃保温10 h，脱模得到生坯。最后，将所得生坯分别经过1200 ℃和1500 ℃煅烧5 h，用万分之一天平通过真空排水法测量在不同温度煅烧后所得烧结体的密度。

2 实验结果分析

2.1 分散剂的分散作用机理

大分子型分散剂作用在颗粒表面主要通过空间位阻效应起到分散作用。空间位阻效应可以认为颗粒表面吸附高分子分散剂在“粒子-介质”界面上形成高分子吸附层，而且粒子表面只吸附高分子分散剂的部分结构，分子的其余部分，如聚合物链为分散介质溶剂化，扩展到介质中起着明显的稳定作用。

离子型分散剂在水中电离出带电离子，这些离子可牢牢地吸附在氧化铝颗粒的表面，使其带有相同的电荷，其余带相反电荷的离子自由扩散到周围液体介质中去，形成一个带有电离子的扩散层，即双电层。由于带相同电荷的粒子相互排斥，形成静电斥力，可防止颗粒絮凝，从而达到分散稳定的目的。

六偏磷酸钠作为一种无机离子型表面活性剂，是在陶瓷粉体粉浆浇注中较为常用的分散剂之一。主要通过化学吸附形式吸附在颗粒表面，六偏磷酸钠分子中带有大量的PO3—基团可以改变颗粒表面的电性，提高静电排斥作用能[8]。考虑到料浆中添加剂含量越少烧结后所得坯体各方面性能更好，所以选择0.5%六偏磷酸钠含量。

实验中所使用的聚丙烯酸钠分子量约为3×107属于大分子型分散剂。缓慢溶于水形成极粘稠的透明液体，由于分子内许多阴离子基团的离子现象使分子链增长，表现为粘度较大而形成高粘性溶液。虽然它没有起到分散剂应有的空间位阻效应，但是由于它提高了混合液的粘度也很好地阻止了氧化铝沉淀聚集。

实验证明当聚丙烯酸钠加入量较大时会起到絮凝剂的作用，悬浮液会变得十分粘稠，经粉体粒度测试得知料浆颗粒明显变大。是由于一个聚丙烯酸钠大分子可能同时吸附了几个氧化铝粒子，同时每个粒子上又有多个高分子链构成了“立体网状结构”分散在水中。而且由于混合液粘度大流动性就会相对较差，当提高固含量后，料浆十分粘稠难以搅拌均匀不利于注浆成型。所以实验中聚丙烯酸钠的加入含量为0.1%，既制成了带有一定粘性的混合液防止颗粒凝聚又保证了料浆具有流动性易于搅拌和注浆，在制作小体积坯体的实验中比较适用。

2.2 坯体密度测量结果分析

生坯经过1200 ℃烧结后，一部分再经过1500 ℃烧结后，用电子天平，真空排水法测量其坯体密度，结果见图1。由图1a可见，经过1200 ℃煅烧后，两种分散剂的坯体密度随固含量的变化规律不同，其中以聚丙烯酸钠为分散剂时，坯体密度在固含量为40%的料浆所得到的坯体密度明显高于其他试样，其相对密度达到63%。继续提高固含量，可能由于粘度较大在制备时料浆中易混入气体且在注浆过程中难以排除，所以密度反而较低。以六偏磷酸钠作为分散剂的试样密度随着固含量的升高坯体密度随之略有升高。但整体较以聚丙烯酸钠为分散剂时的密度低，仅当固含量为45%时，密度略高。

经过1500 ℃煅烧后的坯体密度变化见图1b。以聚丙烯酸钠为分散剂的坯体经过1500 ℃煅烧后，密度变化规律同1200 ℃煅烧后基本相同。同样是固含量为40%的试样密度较其他试样更高，其相对密度达到78%以上。以六偏磷酸钠为分散剂的试样在经过1500 ℃煅烧后，坯体密度同固含量呈现与1200 ℃煅烧下规律不同，坯体密度随固含量增加稍有下降。可能是由于在固含量较高的情况下，料浆的含水量较少，料浆在固化过程中石膏模具吸水较快，使料浆凝固过快，因而产生一些大的气孔，来不及排除，这些气孔在烧结过程中也无法排除，导致致密化程度较差。而相对应35%固含量时，料浆含水量相对较多，固化时间相对较长，有利于气体排除，因此经过1500 ℃煅烧后，密度提高幅度较大。

对比两图发现，经过1500 ℃煅烧后的各个固含量坯体密度皆大于其经过1200 ℃煅烧的密度，但提高幅度并不明显，而且1500 ℃煅烧后的试样密度较理论密度相对差距较大，这是因为首先，料浆中除了分析纯氧化铝粉和极少量的分散剂外，未添加任何烧结助剂，在烧结过程中不能出现液相烧结，所以致密化程度较差。另外，所有的试样均经过1200 ℃煅烧5 h，该温度保温时间过长因此再经过1500 ℃煅烧时，坯体的烧结活性下降，使得致密化程度不高。endprint

之所以两种分散剂的变化规律不同，可能是由于两种分散剂的性质不同造成，聚丙烯酸钠的加入明显使料浆粘度加大，固化时间延长，但六偏磷酸钠则通过使颗粒表面带电，增加颗粒间的斥力，两种分散剂的原理分析尚缺乏足够的实验数据加以证实，本实验的固含量的取值范围有限可能不足以反应该两种分散剂在氧化铝陶瓷坯体粉浆浇注成型应用的全部效果。另外本实验所用的石膏模具为自制模具，模具在制备过程中可能造成气孔率不等，这也是造成料浆固化速度变化的因素，以上因素都可能会影响本实验的结果。

3 结语

（1）1500 ℃煅烧后较1200 ℃煅烧后坯体的密度均有所增加，但增加的幅度随分散剂和固含量的不同而不同。

（2）以0.1%的聚丙烯酸钠作为分散剂时，固含量为40%的坯体，在两种煅烧温度下的烧结体密度均高于固含量为35%和45%时。1200煅烧后达到理论密度的63%，1500 ℃后达到78%。

（3）以0.5%的六偏磷酸钠为分散剂时。经过1500 ℃煅烧后，固含量为35%的坯体密度提高幅度较大，固含量为45%的坯体密度提高幅度较小。

（4）两种分散剂的作用效果不同可能由于两者的作用机理不同。聚丙烯酸钠的加入明显使料浆粘度加大，固化时间延长，但六偏磷酸钠则通过使颗粒表面带电，增加颗粒间的斥力。

参考文献

[1] 郝洪顺，徐利华.注浆成型工艺制备高耐磨氧化铝陶瓷[J].硅酸盐学报，2008，36（11）：1615-1619.

[2] Luo Q，Campbell D R，Babu S V.Stabilization of alumina slurry for Chemical meehanical polishing of copper[J].Langmuir，1996，12（15）：3563-3566.

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[8] 夏启斌，李忠.六偏磷酸钠对蛇纹石的分散机理研究[J].矿冶工程，2002，22（2）：51-54.endprint

之所以两种分散剂的变化规律不同，可能是由于两种分散剂的性质不同造成，聚丙烯酸钠的加入明显使料浆粘度加大，固化时间延长，但六偏磷酸钠则通过使颗粒表面带电，增加颗粒间的斥力，两种分散剂的原理分析尚缺乏足够的实验数据加以证实，本实验的固含量的取值范围有限可能不足以反应该两种分散剂在氧化铝陶瓷坯体粉浆浇注成型应用的全部效果。另外本实验所用的石膏模具为自制模具，模具在制备过程中可能造成气孔率不等，这也是造成料浆固化速度变化的因素，以上因素都可能会影响本实验的结果。

3 结语

（1）1500 ℃煅烧后较1200 ℃煅烧后坯体的密度均有所增加，但增加的幅度随分散剂和固含量的不同而不同。

（2）以0.1%的聚丙烯酸钠作为分散剂时，固含量为40%的坯体，在两种煅烧温度下的烧结体密度均高于固含量为35%和45%时。1200煅烧后达到理论密度的63%，1500 ℃后达到78%。

（3）以0.5%的六偏磷酸钠为分散剂时。经过1500 ℃煅烧后，固含量为35%的坯体密度提高幅度较大，固含量为45%的坯体密度提高幅度较小。

（4）两种分散剂的作用效果不同可能由于两者的作用机理不同。聚丙烯酸钠的加入明显使料浆粘度加大，固化时间延长，但六偏磷酸钠则通过使颗粒表面带电，增加颗粒间的斥力。

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之所以两种分散剂的变化规律不同，可能是由于两种分散剂的性质不同造成，聚丙烯酸钠的加入明显使料浆粘度加大，固化时间延长，但六偏磷酸钠则通过使颗粒表面带电，增加颗粒间的斥力，两种分散剂的原理分析尚缺乏足够的实验数据加以证实，本实验的固含量的取值范围有限可能不足以反应该两种分散剂在氧化铝陶瓷坯体粉浆浇注成型应用的全部效果。另外本实验所用的石膏模具为自制模具，模具在制备过程中可能造成气孔率不等，这也是造成料浆固化速度变化的因素，以上因素都可能会影响本实验的结果。

3 结语

（1）1500 ℃煅烧后较1200 ℃煅烧后坯体的密度均有所增加，但增加的幅度随分散剂和固含量的不同而不同。

（2）以0.1%的聚丙烯酸钠作为分散剂时，固含量为40%的坯体，在两种煅烧温度下的烧结体密度均高于固含量为35%和45%时。1200煅烧后达到理论密度的63%，1500 ℃后达到78%。

（3）以0.5%的六偏磷酸钠为分散剂时。经过1500 ℃煅烧后，固含量为35%的坯体密度提高幅度较大，固含量为45%的坯体密度提高幅度较小。

（4）两种分散剂的作用效果不同可能由于两者的作用机理不同。聚丙烯酸钠的加入明显使料浆粘度加大，固化时间延长，但六偏磷酸钠则通过使颗粒表面带电，增加颗粒间的斥力。

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