成型作為氧化鋁陶瓷制備過程中最重要的環節之一，其使用的漿料性質在很大程度上決定了成品的結構和性能，尤其對于膠態成型等這些與漿料直接相關的成型工藝，制備高分散性、高穩定性和高固含量的超細氧化鋁粉體漿料是獲得高質量坯體的關鍵。然而超細氧化鋁粉體具有比表面積大，表面能大的特點，在懸浮液中受到的作用力非常復雜，尤其是在高固含量的漿料中，粒子之間的距離越近，吸引和斥力越活躍，極易引發粒子的團聚，從而導致高粘度，不利于成型工藝的進行。因此，以下從漿料中粒子的團聚、分散機理出發，探討一下如何提高氧化鋁粉體在漿料中的穩定性和流變性能。

（來源：杭州德碩智能科技有限公司）

懸浮液中粒子的團聚分散機理

根據Derjaguin等提出的膠體穩定理論（DLVO理論）：顆粒在懸浮液中的穩定性基本上由靜電排斥力（雙電層互斥力）和范德華力的平衡控制，當顆粒之間相互接近時，雙電層互斥力使得顆粒相互接近時存在能量障礙而分散開，當顆粒減小，粒子所帶電量也隨之減小，有足夠的能量克服此障礙時，范德華互吸力將會使他們牢牢地結合在一起，導致團聚，尤其是在納米粉體漿料中，除了顆粒所帶電量少，導致靜電互斥力較小外，結構化力（吸附層）或者疏水、位阻、橋連和耗散作用等產生的其他作用力也會進一步影響納米膠體粒子間的相互作用，從而影響氧化鋁粉體漿料的分散性和流變性。因此，要想提升氧化鋁漿料的穩定性和流變性，需要通過添加分散劑或懸浮液pH值、固含量等一系列參數來控制這些力的大小和性質。

DLVO理論

一、添加分散劑

氧化鋁陶瓷漿料常用的分散劑包括高聚合物分子分散劑、小分子化合物分散劑以及兩者復合形成的復合分散劑。

1、高聚合物分子分散劑

高聚合物分子分散劑也叫超分散劑，包括多己內多酯多元醇-多乙烯亞胺嵌段共聚物型分散劑、丙烯酸酯高分子型分散劑、聚氨酯或聚酯型高分子分散劑等，其用于分散穩定的高分子是由帶有固定的錨定基團和伸展開的溶劑化鏈段構成。在料漿中，這些高分子通過與帶異種電荷的粒子表面之間的靜電作用或者類似氫鍵結合等其他化學鍵作用將錨固基團錨固在粒子表面，形成吸附層；另外一些鏈段則自由伸展在溶劑中，利用空間位阻和靜電排斥使得顆粒之間彼此隔離開來，從而實現小顆粒的分散。不過，高分子的尺度在納米級別時，其添加量對于納米陶瓷分散系統的有效固相含量有較大影響，從而限制了流變性能適宜的較高固相含量納米陶瓷料漿的制備。

分散劑分散機理示意圖（左：靜電排斥機理；右：空間位阻機理）

來源：金團化學品

在氧化鋁漿料配置過程中，高聚合物分子分散劑的選擇主要考慮粉體的表面性質、分散劑與溶劑的親和相容性以及添加量等：

①表面性質：由于氧化鋁是具有強極性表面的無機顆粒，超分散劑只需要單個錨固基團，即可與顆粒表面的強極性基團以離子對的形式結合起來，形成"單點錨固"。 

②與溶劑相容性：在相容性好的溶劑中，高分子中的鏈段可以有效地伸展開，達到分散穩定粒子的作用。相反，對于相容性不好的溶劑，由于高分子不溶于溶劑，鏈段無法打開，難以發揮其空間位阻和靜電排斥穩定的的分散作用。

高分子在不同相容性的溶劑中的伸展圖，線圈表示纏繞的高分子

（a）相容性好的溶劑，（b）相容性不好的溶劑

③添加量：分散劑正確的添加量與顆粒表面積有關，添加量太多會引起錨固基纏繞，太少則會引起顆粒表面只有部分被覆蓋都均不能達到分散穩定性效果。

添加量對分散效果的影響

（來源：定銳新材）

2、小分子化合物分散劑

如今的膠態成型工藝中，使用環保性的一些有機小分子（如各類表面活性劑、檸檬酸及其衍生物、維生素C、果糖分子等）來穩定陶瓷料漿也越來越引起人們的關注。相較于高分子聚合物的分散劑，小分子化合物分散劑不僅對環境更加友好，而且在分散料漿中的納米粒子時，小分子的加入對分散體系的有效固相含量幾乎沒有影響。不過在小分子分散系統中，它的穩定機制主要是雙電層效應帶來的靜電排斥穩定，通常會帶來一定的流變滯后效應。

目前針對單一分散劑在穩定納米粒子作用的局限性，可采用多元復合分散劑來實現納米粒子的充分分散與穩定。

二、調控體系PH值

調控體系PH值主要是通過控制體系中氧化鋁粒子的Zeta電位來增強粒子之間的靜電互斥力。Zeta電位的絕對值常被代表溶膠體系的穩定性，當粒子的Zeta電位絕對值很高，意味著帶有很多負的或正的電荷，顆粒間的互斥力也很高，使得分散體系達到穩定分散的狀態。相反，當粒子的Zeta電位絕對值很低時，顆粒所帶的正或負電荷很少，范德華互吸力能夠克服顆粒間的互斥力，使得顆粒可以輕易結合。

（圖源：丹東百特）

根據Stern擴散雙電子層模型，膠粒是帶電的，膠粒會選擇吸附一定量的到相反電荷的粒子，包圍在膠粒的表面，從而形成吸附層，遠離的相反帶電荷離子則松散結合，構成擴散層。當帶電粒子運動時，擴散層中有一部分粒子隨顆粒一起做布朗運動，一部分則分散在溶液中，不隨顆粒運動，將擴散層中動與不動的界面稱為滑移面，此處的電位即為Zeta電位。

一般來說，氧化鋁等金屬氧化物的膠體粒子帶正電，在PH=7（中性）時比較容易吸附水中的OH^-離子而顯電負性。當PH<7（中性）時，溶劑中H⁺較多，能被氧化鋁膠體粒子吸附的OH^-較少，此時，氧化鋁膠體粒子的Zeta電位絕對值較小，料漿極易凝聚沉降；當PH>7（堿性）時，大量OH^-離子被Al₂O₃粒子吸附而進入固相區，均勻分布在膠體粒子周圍，使Zeta電位增大，漿料趨于穩定狀態，隨著PH繼續提升，被吸附的OH^-趨于飽和，Al₂O₃粒子周圍的OH^-已經達到足夠厚度，沒有能力再攜帶更多的OH^-離子，此時，Zeta電位達到最大值，穩定效果最好。

不同PH值下，氧化鋁漿料ZETA電位變化

三、調控固含量與流變性質的平衡

對于注漿成型等成型技術來說，需要固相含量盡可能高、流動性好的Al₂O₃料漿。然而固相體積分數 (質量分數)與顆粒間距呈反比，與顆粒直徑呈正比，即固相質量分數越大，顆粒之間距離也就越小，這將導致粒子之間范德華力增加，粒子加速相互碰撞，阻礙了料漿層流的相對位移，使粘度增大。因此為了提高最終成品的性能，必須精細調控兩者的關系，根據耿振華等的實驗證明，固相質量分數為65%的料漿能夠較好地兼顧固含量及流變性，比較適合注漿成型。

小結

高固含量的氧化鋁陶瓷漿料是制備高性能氧化鋁成品的關鍵，但也同時會導致較差的流變性，不利于成型工藝的進行。為了兼顧氧化鋁陶瓷漿料的高固含量與高流變性，目前可通過添加分散劑、調控體系PH值以及平衡固含量等方式來優化漿料體系，在分散劑的添加上，可采用復合添加劑避免單一高聚合物分子分散劑或小分子分散劑的局限性。在PH的調控上，則可通過適當增大溶劑的堿性來增大其Zeta電位絕對值。

參考來源：

1、張壯. 納米氧化鋁水基料漿的分散及流變行為研究[D].武漢理工大學.

2、耿振華,李凱,李海艦等.氧化鋁料漿流變學研究[J].現代技術陶瓷.

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