多功能復(fù)合分散劑的制備及對寶矸漿料性能研究

1、多功能復(fù)合分散劑的制備及對寶矸漿料性能研宄摘要：以三聚磷酸鈉（stpp）、腐植酸鈉 （ha-na）、改性層狀結(jié)晶二硅酸鈉（clsd）和自制衣 康酸-甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯共聚物（piamga）為 原料，混合配伍，開發(fā)出一種針對寶矸礦土使用的新 型多功能復(fù)合分散劑；研宄了各組分在復(fù)合分散劑中 的添加比例對漿料性能的影響。通過實驗得出：當(dāng) stpp、piamga、ha-na 和層硅的 t匕例為 3: 1.5： 3.5：1時，陶瓷漿料性能最優(yōu)，其流出時間、厚化度和黏 度僅為41.9 s、1.47、249.1mpa?qs,陶瓷制品性能滿 足國標(biāo) gb/t4100-2006。關(guān)鍵詞：寶矸；陶瓷分散劑；復(fù)

2、合；性能1引言 陶瓷添加劑是在陶瓷生產(chǎn)配方中所加入的化學(xué)物質(zhì)，其加入直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量的提高、品種的增加、 性能的改進和工藝技術(shù)的提高。在陶瓷原料的制備當(dāng) 中，添加劑按功能分為助磨劑、分散劑、絮凝劑、表 面改性劑、增塑劑、增強劑等應(yīng)用于每個工藝過程中， 對于粉體和漿料的制備、可塑坯料的成型、干燥燒成 等工序都是不可或缺的。陶瓷添加劑的添加量通常很 小，僅為0.5%2.0°/。（質(zhì)量分數(shù)）1，但其對于陶瓷廣品偵量的提同十分關(guān)鍵2。分散劑是陶瓷工業(yè)生產(chǎn)過程中使用最多的陶瓷添加劑，它不僅能夠使陶瓷顆粒表面迅速潤濕，同時還 能提高陶瓷顆粒間能壘3。如果不使用分散劑，自由 水容易進入原料顆粒內(nèi)

3、，使顆粒之間的距離縮短，需 要加更多的水稀釋才能使坯料、釉料具有流動性。性 能優(yōu)異的陶瓷分散劑在陶瓷漿料的制備中，通常還發(fā) 揮著潤濕、助磨、稀釋和穩(wěn)定等作用，這對降低制造 成本和提高陶瓷制品的性能起著重要的作用。目前，國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者對特種陶瓷分散劑研究 較多4，而對專門針對墻地磚類的分散劑研究較少。 大多數(shù)生產(chǎn)墻地磚的企業(yè)一般都選擇無機小分子作為 分散劑，但是效果并不理想。而高分子類分散劑雖然 效果良好，但是往往因為價格昂貴而不能廣泛應(yīng)用于 陶瓷產(chǎn)業(yè)。寶矸是一種甘肅白銀平川特有的陶土，屬于高鋁 硬質(zhì)粘土的一種，呈塊狀石塊，硬度為45，ai2o3 含量一般為24%30%，有較強的可塑性和粘結(jié)性

4、。 且寶矸礦土中tio2、fe2o3含量很低，燒后白度非常 好，已在當(dāng)?shù)靥沾蓧Φ卮u的生產(chǎn)中廣泛使用。三聚磷酸鈉(stpp)是工業(yè)常用的無機小分子類 分散劑，成本較低；腐植酸鈉(ha-na)是一種良好的助磨劑5;改性層狀結(jié)晶二硅酸鈉(clsd)是一種 以硅酸根絡(luò)陰離子為配位體和堿金屬鈉離子相結(jié)合的 晶體，具有與寶矸內(nèi)所含的大量金屬陽離子ca2+、 mg24進行離子交換的能力，理論上能夠起到對寶矸漿 料分散的作用?；谏鲜銮闆r，本文針對寶矸礦土， 以stpp、ha-na、改性層clsd和自制衣康酸-甲氧基 聚乙二醇丙烯酸酯共聚物(piamga)作為陶瓷分散劑 配伍原料，研究其對寶矸漿料的分散效果，

5、并期望開 發(fā)出一種集分散、助磨、增強于一體的復(fù)合型多功能 分散劑，該分散劑具有更好的應(yīng)用性能，且可以降低 生產(chǎn)成本和能耗。2實驗部分2.1實驗原料本實驗所采用的原料為寶矸：工業(yè)級，白銀市平 川區(qū)；改性層狀結(jié)晶二硅酸鈉(clsd)：工業(yè)級，濰坊 金水源化工有限公司；三聚磷酸鈉(stpp):分析純， 天津市江天化工科技有限公司；腐植酸鈉(ha-na)： 分析純，天津市江天化工科技有限公司；碳酸鈉：分 析純，天津市江天化工科技有限公司；衣康酸-甲氧基 聚乙二醇丙烯酸酯共聚物(piamga)：實驗室自制。2.2衣康酸-甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯共聚物 (piamga)的制備以一定配比的衣康酸(ia)、自制

6、甲氧基聚乙二醇 丙烯酸酯(mpega)為單體，一定濃度的過硫酸銨為 引發(fā)劑在水溶液中進行共聚，單體、引發(fā)劑同時開始 滴加，引發(fā)劑滯后單體0.5lh滴完。反應(yīng)46 h收 料。2.3陶瓷漿料的制備及性能測試(1) 陶瓷漿料的制備漿料制備及其分散性能測試工藝如圖1所示。(2) 漿料流動性的測定在本實驗過程中，向100 ml的涂-4杯中倒入分散 均勻的陶土漿料，靜置3 s后打開涂-4杯底部的閥門， 用秒表記錄陶瓷漿料全部流出時所用的時間，溫度控 制在25 °c，取三次測量的平均值來表示泥漿的流動 性。(3) 漿料厚化度的測定漿料厚化度的數(shù)值等于漿料在涂-4杯中靜置30 min后的流出時間與3

7、0 s流出時間的比值。厚化度反 映了粘土漿料受到外界攪拌或振動時，其粘度減小但 流動性增加且靜置后恢復(fù)原來形狀的特性。(4) 漿料黏度的測定采用brookfield公司生產(chǎn)的dv2+ pro數(shù)顯黏度計于25 °0測定靜置1 min后的球磨料漿，利用黏度值來表征復(fù)合添加劑的分散效果。其中，測試采用3號轉(zhuǎn) 子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為25r/s。（5）漿料分散性觀測取一滴球磨好的陶瓷漿料滴在粘有導(dǎo)電膠的載玻 片上，在80 °c的條件下靜置烘干，抽真空后在其表 面鍍金，采用掃描電鏡（sem）對陶瓷泥漿及陶瓷試 樣條的斷面進行分析。3結(jié)果與討論3.1單一分散劑添加比例對寶矸漿料流出時間和 厚化度

8、的影響確定陶瓷漿料的固含量約為70 wt%，不改變復(fù)合 添加劑的總摻（0.3wt%），僅改變stpp、piamga、ha-na、 clsd在復(fù)合添加劑中的比例，測試陶瓷漿料的流出時 間、厚化度的變化趨勢，實驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，從流動時間上來看，陶瓷漿料的流 出時間都會隨分散劑比例的增大而先減小后增大，每 種分散劑都有各自的最佳比例。如stpp占總添加劑的 比例為30°/。時，流出時間僅為52.4 s; piamga漿料的 最短流出時間為56.6 s，其相應(yīng)最佳添加比例為20%；而ha-na、clsd的最佳添加比例分別為30%、20%, 各自對應(yīng)的最短流出時間分別為56.3

9、s、57.4 s。對于stpp、ha-na和clsd,其分散機理主要為靜電排斥機理6。最初增加分散劑的添加量時，分散劑中的 na+置換ca2+、mg2+,會使雙電層厚度顯著增加，使 泥漿的流動性增加，分散效果明顯；但是當(dāng)加入分散 劑過多時，就會螯合陶瓷漿料表面的金屬離子，壓縮 擴散雙電層，增加漿料的流出時間。piamga的分散 機理為靜電位阻穩(wěn)定機理，一方面通過自身電荷的靜 電斥力作用排斥陶瓷顆粒；另一方面通過自身錨固基 團吸附在陶瓷顆粒上，而溶劑化鏈充分伸展后形成位 阻層，阻止了粒子間的團聚7。最初增加piamga的 添加量時，利于分散劑在陶土顆粒表面的覆蓋，從而 減短漿料的流出時間；但當(dāng)p

10、iamga添加比例過大時， 將引起電荷的不平衡分布，造成團聚，延長漿料的流 出時間8。綜上所述，stpp、piamga、ha-na、clsd 在復(fù)合 添加劑中的最佳比例范圍分別為：20%40%、10%20%、15% 35%、10% 30%。3.2添加量的優(yōu)化對上述四種分散劑：stpp、piamga、ha-na和 clsd設(shè)計四因素三水平l9 (34)的正交試驗以確定多 功能復(fù)合分散劑的最佳配比。其正交試驗結(jié)果顯示， 當(dāng)stpp、piamga、ha-na、clsd在復(fù)合分散劑中所 占比例分別為33%、17%、39%和11%時，陶瓷漿料的 流出時間最短為43 s，即流動性最好。在上述比例的基礎(chǔ)上，

11、研宄復(fù)合分散劑的總摻量對陶瓷漿料的流出時間、厚化度及黏度的變化趨勢的 影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，添加復(fù)合分散劑的陶瓷漿料具有良 好的流動性和適宜的厚化度。添加量為0.25%時，漿 料的流出時間最短僅為41.9 s,黏度為249.1 mpa?s, 厚化度值為1.47。當(dāng)其摻量在0.35%時，厚化度達到 最小值，僅為1.34。考慮陶瓷的實際生產(chǎn)情況，實驗 確定復(fù)合添加劑的最佳添加量為0.25%0.3%。3.3新型復(fù)合分散劑和市售分散劑性能的比較不同添加量的新型多功能復(fù)合分散劑a和市售分 散劑產(chǎn)品b （stpp與水玻璃的混合物）對陶瓷漿料的 流出時間、厚化度、黏度的影響如表1所示。從表1可以

12、看出，摻新型復(fù)合分散劑漿料的流動 性能普遍優(yōu)于添加市售分散劑的陶瓷漿料，特別是在 添加量為0.25%時，摻新型復(fù)合分散劑的陶瓷漿料的 流出時間、厚化度和黏度僅為41.9s、1.47、249.1 mpa?s, 其表現(xiàn)出來的分散性和穩(wěn)定性大大優(yōu)于對比樣。而就 最優(yōu)摻量而言，市售分散劑的最優(yōu)摻量為0.35%，而 新型復(fù)合分散劑的最優(yōu)摻量僅為0.25%，具體原因如 下：新型復(fù)合分散劑中的na+置換出ca2+、mg2+，增 大了雙電層厚度，提高了 zeta電位，使膠粒間斥力增 大；有機小分子既可以產(chǎn)生靜電穩(wěn)定作用又可以產(chǎn)生 一定的位阻效應(yīng)；高分子分散劑則通過自身溶劑化鏈 的伸展產(chǎn)生空間位阻穩(wěn)定效應(yīng)。復(fù)合

13、分散劑的各組分 協(xié)同作用，產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)9，促使分散體系的的穩(wěn)定 性和分散性都得到加強，使泥漿粘度下降，流動性得 以提高10。3.4寶矸漿料及其制品的sem分析本小節(jié)采用掃描電子顯微鏡對未添加分散劑和添 加了 0.25%的新型復(fù)合添加劑的寶矸漿料及其坯體斷 面進行微觀形貌分析。3.4.1寶矸漿料的sem分析添加復(fù)合添加劑前后陶瓷漿料sem圖如圖4所示。圖4 (a)為空白寶矸漿料的懸浮液。由圖可知， 球磨后的陶瓷漿料中的顆粒大多呈大小不等的片狀， 顆粒之間團聚現(xiàn)象嚴重，分散效果很差。圖4 (b)為 加入復(fù)合添加劑寶矸漿料的懸浮液。從圖中看出，大 顆粒絮凝體被明顯打破，顆粒大小均勻，未出現(xiàn)嚴重 的團

14、聚現(xiàn)象，分散效果良好。3.4.2寶矸坯體斷面的sem分析將制品的斷面放大500倍后，如圖5 (a)所示，空白陶瓷制品的斷面有明顯的氣泡和空洞，說明陶瓷 原料的各成分沒有完全熔融11;而如圖5(b)所示， 復(fù)合添加劑陶瓷制品的斷面很光滑，證明燒結(jié)很充分。 將制品的斷面放大5000倍后，如圖5 (c)所示，空 白制品還有許多微粒，說明在燒結(jié)過程中顆粒間沒有 充分團結(jié)在一起，制品的強度較差；而摻加添加劑的 制品顆粒很大，如圖5 (d)所示，顆粒與顆粒間粘結(jié) 的很好，基本沒有孔隙，各成分物質(zhì)熔融很好，力學(xué) 性能較好。4結(jié)論經(jīng)研宄發(fā)現(xiàn)，當(dāng) stpp、piamga、ha-na 和 clsd 的比例為3:

15、1.5: 3.5: 1時，寶矸漿料的性能最優(yōu)。 新型復(fù)合分散劑的最佳摻量為0.25%，明顯小于市售 分散劑的最佳添加量，而且大幅改善了寶矸漿料的分 散效果。參考文獻1 俞康泰.國內(nèi)外陶瓷添加劑的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢 及展望p.佛山陶瓷，2004, 87 (4)： 36.2 俞康泰.如何正確使用陶瓷添加劑(i )續(xù)幾陶瓷，2000 (5)： 46.3 davies j， binner j g p. the role of ammonium polyacrylate indispersing concentrated alumina suspensions. journal of theeuropean ceramic society, 2000，20 (10)：15391553.4 李鵬飛，吳長友.陶瓷用聚合物分散劑的制備 及應(yīng)用研宄進展j.中國陶瓷，2012，48 (11)： 48.5 潘蕾，孫曉然.多功能陶瓷添加劑及腐植酸鈉 應(yīng)用j.江蘇陶瓷，2005，38 (5)： 3140.6 高鐮，孫靜，劉陽橋.納米粉體的分散及表面 改性m.北京：化學(xué)工業(yè)出版，2003： 2123.7 李文旭，宋英.陶瓷添加劑一_配方?性能?應(yīng) 用m.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010： 5.8 李燕.紙張涂布分散劑_低分子量聚丙烯 酸鈉概述j.黑龍江造