分散剂结构对静电稳定型氧化铝悬浮液性质的影响外文翻译资料

 2022-07-27 14:39:00

英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

分散剂结构对静电稳定型氧化铝悬浮液性质的影响

Pirmin C. Hidber,* Thomas J. Graule amp; Ludwig J. Gauckler

Nichtmetallische Werkstoffe, Eidgenossische Technische Hochschule, ETH Zentrum, CH-8092 Ztirich, Switzerland (Received 15 September 1995; accepted 23 July 1996)

摘要

基于苯环被羟基和羧基取代，在浆料成型过程中，一系列分子常被用于作为选择分散剂的指导模板。本论文研究了小分子量有机分散剂的分子结构和它们对-Al2O3悬浮液性质影响之间的关系，尤其是讨论了附着在苯环上的官能团的性质、数量和位置对这些分子在-Al2O3上的吸附行为，以及氧化铝颗粒在其悬浮液中电泳淌度的影响。小分子量分散剂的影响主要取决于它吸附在粉体表面的能力，以及它能够离解出作为表面改性剂的官能团数量。任何给定的分散剂的最大吸附程度都在与其官能团pKa值相对应的pH值范围中。通过在同一个分子上结合若干不同pKa值的官能团，在很大pH值范围内可以实现单分散剂的高吸附能力和高效率。与粉体表面形成螯合环，可以大大提高分散剂的吸附能力。如果分散剂分子的吸附行为在其他方面相似，那么分散剂效率随每个分子携带电荷数量增多而变大。

1.前言

在陶瓷粉体的浆料成型中，其关键要素是在处理的各阶段控制悬浮液中颗粒间的相互作用力。在湿粉处理中，某些步骤依靠颗粒间的排斥力，而其他步骤可能需要有吸引力。[1]有机分散剂和无机分散剂广泛应用于调控颗粒间的电位。[2-10] 通过吸附在粉体表面增加颗粒的电荷或者在颗粒间形成位阻，这些表面活性剂能够增加粉体颗粒之间的排斥作用。了解在不同pH值下分散剂与粉体表面的作用机理，能够改善通过注浆成型法制备的陶瓷质量。

研究表明，分散剂与粉体颗粒的相互作用是复杂的。[11-13] 一些影响因素已证明是重要的，例如pH，离子强度，分散剂结构，在吸附过程中构象熵的减少，分散剂溶解度，粉体表面组成和温度等。本研究的目的是讨论有机分散剂的效率和其分子结构的关系，当前研究只限定于小分子量的分散剂。本论文选择苯环上带有不同取代基的分散剂（表1）作为模板化合物，选择这些化合物是因为稳定的芳香环能确定其几何结构，研究了附着在苯环上的官能团的性质、数量和位置对氧化铝悬浮液性质的影响，讨论了这些分子在氧化铝颗粒上的吸附行为，以及对氧化铝颗粒的电泳淌度的影响，而且论证了从芳香族分散剂研究中得到的规律也适用于脂肪族化合物。

小分子量分散剂（例如本研究中用到的分散剂）的影响主要是基于高表面电荷的积累。（在接下来讨论中，氧化铝颗粒及吸附层作为一个整体，表面电位也应该从这个方面来理解）。吸附在颗粒表面的分散剂作为单一的或多元的带电离子，可以导致颗粒表面电电荷的改变。除在分离很细的颗粒与颗粒或表面电位非常低的情况以外，由这些小分子吸附在粉体表面而导致的位阻效应一般可以忽略。分散剂的影响取决于可电离基团的数量和吸附行为。在特定的分散剂分子中，可分离基团的数量决定着每个吸附分子表面电荷的变化。分散剂在液相和颗粒表面的分布影响着离子强度（进而影响Zeta电位），而且决定着分子的吸附数量（进而改变表面电荷）。有研究表明，选择合适的分散剂浓度能够使表面电荷，等电点和悬浮液粘度调整到满足特定成型过程的要求。[9] 对于任意给定的固含量，最大Zeta电位不一定能够得到最低的悬浮液粘度，[14] 并且有可能导致生坯密度较低。

基于以上观点，可以得出结论：现在还没有理想的分散剂适用于所有的陶瓷成型过程。对于一个特定的陶瓷成型过程，这个分散剂可能在已知限定的pH值范围内有效，但另一个成型过程可能需要能在大的pH值范围内有效的分散剂。在一种情况下，可能需要分散剂最大程度地吸附在粉体颗粒表面，而另一种情况只需要分散剂部分地吸附。对于特定的成型过程，本研究的目的不是设计出最高效的分散剂，而是为了建立选择分散剂的标准。

2.实验过程

2.1 实验材料

2.1.1氧化铝

实验原料为高纯-Al2O3粉末（HRAlO, Martinswerk Bergheim, Germany），平均粒径为0.5mu;m，质量比表面积为10m2/g，粉体纯度超过99.99%，含有（ppm级）lt; 30 Na2O，lt; 50 SiO2，lt; 12 Fe2O3和 lt; 8 MgO。在使用之前，氧化铝粉末通过酸性洗涤过程洗净。在不同离子强度（动态电泳淌度测量）下由酸碱滴定测得，本研究使用的-Al2O3等电点（IEP）为9.2（9.3），[15] 这些值与报道的氧化铝零电荷点（ZPC）值相符合。[16] 对于表面AlOH基团{AlOH}t的最大交换量，也就是表面羟基能够质子化或去质子化的最大数量，有研究测得此值为2.56（-OH）/nm2（42.5mmol/kg），[15] 与Huang报道的2.7（-OH）/nm2相吻合，[17] 但是远小于从晶格点阵估算得到的6（-OH）/nm2，[18] 出现差异的原因是表面电荷的增加阻止了吸附在表面上的羟基（去）质子化。

2.1.2有机试剂

未标记的有机化合物（Fluka AG, Buchs, Switzerland），使用时未进一步纯化；14C标记的丙酸，乳酸，苹果酸和柠檬酸（Amersham, Buckinghamshire,UK.）。

2.1.3无机试剂

所有悬浮液由高纯水（电阻率gt; 20 MOmega;·cm）制得，HNO3和KOH（0.1N 和 1N，Merck, Darmstadt, Germany）用来调节pH值，KNO3（Fluka AG, Buchs, Switzerland.）用来调整离子强度。

2.2 实验方法

除非有特殊说明，否则文中所有的浓度都是相对固含量而言的，均以质量百分数（wt%）给出。悬浮液的pH通过玻璃电极（Metrohm AG, Herisau, Switzerland)）测出。

2.2.1吸附曲线

40毫升有机酸水溶液（1mM，惰性电解质KNO3 0.1M），少部分的HNO3或KOH和氧化铝（3g）加入到50ml的聚丙烯离心管中。若是脂肪族化合物，相应地添加少量14C标记的分子，相比于总的分散剂浓度而言，标记分子的浓度可以忽略不计，也就是其浓度lt; 1%。将离心管密封，置于黑暗环境下的25℃恒温柜中48h，并保持上下翻转（5rpm）；接着，测量悬浮液的pH；离心分离后（4500 g样品离心90 min），上层清液中的芳香族化合物浓度由紫外光谱测得。若是脂肪族化合物（丙酸，乳酸，苹果酸和柠檬酸），上层清液中的酸的浓度用14C追踪技术测得。[19] 由分散剂的添加量和上层清液中的残余量可以计算出其吸附量。

2.2.2动电学性质测量

利用Matec ESA-8000 装置（Matec Applied Sciences, Hopkinton, MA, USA）对3 vol%氧化铝悬浮液进行测量，将测量得到的ESA信号作为pH值的表征。在此固含量下，ESA信号和动态电泳淌度的关系仍然呈线性。[15] SP-80 ESA探针用10 vol%硅溶胶（Du Pont, Wilmington, DE, USA）校准。在25°C时，硅溶胶溶液的ESA值是-5.32 mPa m/V。[20] 所有测量过程都在25°C plusmn; 0.2°C下进行。在每次滴定前都要校准装置，在测量完成后要检查装置。在滴定后，硅溶胶参考溶液的ESA值需要在原始值的plusmn; 3% 以内。在使用之前，需要对悬浮液进行4min超声处理。装置利用HNO3或KOH（0.1 M 或 1 M）自动对悬浮液进行电位滴定，伴有45s延迟。

ESA信号的大小与粒子的动态电泳淌度mu;d 有关：[21]

ESA(omega;) =mu;d(omega;) · c · ·Phi;· Gf （2.1）

式中mu;d(omega;) 是电泳淌度，c 是悬浮液中的声速， 是粒子和溶剂的密度差，Phi; 是粒子的体积分数，Gf 是电极几何形状的几何因子，omega; 是外加场的角频率。

3.结果与讨论

3.1 芳香族化合物

3.1.1羟基

在图1中，在悬浮液不同pH值下，苯酚，邻苯二酚和连苯三酚在-Al2O3上的吸附量以“占添加量的百分比”给出。只有一个羟基的苯酚在检测限内没有表现出吸附，邻位出现第二个羟基（邻苯二酚），使其形成复杂的螯合表面，从而能够显著地改变吸附行为。在pH为4时，邻苯二酚能够吸附10%，当pH为9时，吸附量增加到80%。当苯环上出现三个羟基（连苯三酚）时，吸附效果会更好。

图2说明了这三种分子对-Al2O3 电泳淌度的影响，本论文比较的是分散剂分子添加量对电泳淌度的影响，而不是分散剂吸附密度。显而易见，苯酚不能影响粒子的电泳淌度，因为苯酚根本没有吸附在氧化铝颗粒表面。当pH从11到8时，添加邻苯二酚会使氧化铝的等电点降低超过1.5个pH单位，并且使其表面变为负电。连苯三酚能更明显地影响电泳淌度-pH曲线：表面正电进一步减少，并使等电点降到pH为6.2处。连苯三酚的前两步解离出现在比邻苯二酚解离稍低pKa值处（表1），这可能促使连苯三酚有更大的影响，尤其是在低pH范围内（3.3部分）。

3.1.2羧基

图3中给出了苯甲酸，邻苯二甲酸和连苯三甲酸在氧化铝上吸附曲线。如上文所述，吸附量随着每个分子的官能团数量增加而增加。苯甲酸在pH为4.3处出现了相对显著的吸附最大值，随着分子中的羧基增多（邻苯二甲酸和连苯三甲酸），吸附最大值变得更广。羟基衍生物优先在高pH 范围发生吸附，羧酸却在低pH区域表现出很强的吸附。

从吸附曲线可以得出，苯甲酸几乎不影响氧化铝颗粒的电泳淌度（图4），分子中出现第二个羧基（邻苯二甲酸）会在整个pH范围内影响表面电荷，同时也使等电点降低2个pH单位到更小的值。同理根据对羟基衍生物的解释，邻苯二甲酸有更大影响的原因是其在氧化铝上的吸附量增大，同时出现了第二个解离的基团。当比较邻苯二甲酸和连苯三甲酸对电泳淌度的影响时，可解离基团数量的重要性会变得更加明显。随着连苯三甲酸可解离基团数量和吸附能力增

全文共14241字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[144269]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章