1 引言
分散劑是一種在分子內(nèi)同時(shí)具有親油性和親水性兩種相反物質(zhì)的界面活性劑。分散劑是促成原材料顆粒物勻稱分散化于介質(zhì)中，建立穩(wěn)定飄浮體的制劑。
分散劑主要利用靜電效應(yīng)和空間位阻效應(yīng)，對(duì)漿料起到了分散效應(yīng)。固體粒子分散過程分為濕潤，分散或碎裂，阻止重新聚集三個(gè)階段。
分散劑通常可分無機(jī)分散劑和有機(jī)分散劑兩類。文章介紹了聚丙烯酸銨分散劑的合成，技術(shù)指標(biāo)，和分散劑在氧化鋅壓敏電阻漿料制備中的應(yīng)用。
2 分散劑的基本原理
2.1 雙電層原理
2.1.1 雙電層
漿料使用的分散劑必須水溶，它們被選擇地吸附到粉體與水的界面上。
(1)常用的是陰離子型，它們?cè)谒须婋x形成陰離子，并具有一定的表面活性，被粉體表面吸附。粉狀粒子表面吸附分散劑后形成雙電層,陰離子被粒子表面緊密吸附，被稱為表面離子。
(2)在介質(zhì)中帶相反電荷的離子稱為反離子。它們被表面離子通過靜電吸附，① 反離子中的一部分與粒子及表面離子結(jié)合的比較緊密，它們稱束縛反離子。它們?cè)诮橘|(zhì)中成為運(yùn)動(dòng)整體，帶有負(fù)電荷。②另一部分反離子則包圍在周圍，它們稱為自由反離子，形成擴(kuò)散層。
這樣在表面離子和反離子之間就形成雙電層。
圖1示出靜電穩(wěn)定作用。
圖1 靜電穩(wěn)定作用
2.1.2 動(dòng)電電位
動(dòng)電電位：微粒所帶負(fù)電與擴(kuò)散層所帶正電形成雙電層，稱動(dòng)電電位 。
熱力電位: 所有陰離子與陽離子之間形成的雙電層，相應(yīng)的電位.
起分散作用的是動(dòng)電電位而不是熱力電位，動(dòng)電電位電荷不均衡，有電荷排斥現(xiàn)象，而熱力電位屬于電荷平衡現(xiàn)象。
如果介質(zhì)中增大反離子的濃度，而擴(kuò)散層中的自由反離子會(huì)由于靜電斥力被迫進(jìn)入束縛反離子層，這樣雙電層被壓縮，動(dòng)電電位下降，當(dāng)全部自由反離子變?yōu)槭`反離子后，動(dòng)電電位為零，稱之為等電點(diǎn)。沒有電荷排斥，體系沒有穩(wěn)定性發(fā)生絮凝。
2.2 位阻效應(yīng)
一個(gè)穩(wěn)定分散體系的形成，除了利用靜電排斥，即吸附于粒子表面的負(fù)電荷互相排斥，以阻止粒子與粒子之間的吸附/聚集而最后形成大顆粒而分層/沉降之外，還要利用空間位阻效應(yīng)的理論，即在已吸附負(fù)電荷的粒子互相接近時(shí)，使它們互相滑動(dòng)錯(cuò)開，這類起空間位阻作用的分散劑一般是非離子表面活性劑。靈活運(yùn)用靜電排斥配合空間位阻的理論，即可以構(gòu)成一個(gè)高度穩(wěn)定的分散體系。圖2示出空間位阻穩(wěn)定作用。
圖2 空間位阻穩(wěn)定作用
高分子吸附層有一定的厚度,可以有效地阻擋粒子的相互吸附,主要是依靠高分子的溶劑化層，當(dāng)粉體表面吸附層達(dá)8~9 nm時(shí)，它們之間的排斥力可以保護(hù)粒子不致絮凝。所以高分子分散劑比普通表面活性劑好。
3 分散劑的作用過程
3.1 固體粒子分散過程
固體粒子在介質(zhì)中的分散過程一般分為三個(gè)階段。
(1)固體粒子的濕潤
濕潤是固體粒子分散的最基本的條件，若要把固體粒子均勻地分散在介質(zhì)中，首先必須使每個(gè)固體微粒或粒子團(tuán)，能被截至充分地濕潤。
(2)離子團(tuán)的分散或碎裂
此過程中要使粒子團(tuán)分散或碎裂，涉及粒子團(tuán)及內(nèi)部的固固界面分離問題。分散劑的類型不同在粒子團(tuán)的分散或碎裂過程中所起的作用也有所不同。
① 通常，以水為介質(zhì)時(shí)，固體表面往往帶負(fù)電荷。對(duì)于陰離子分散劑雖然也帶負(fù)電荷，但在固體表面電勢(shì)不是很強(qiáng)的條件下，陰離子分散劑可通過范德華力克服靜電排斥力或通過鑲嵌方式而被吸附于縫隙表面，使表面因帶同種電荷而排斥力增強(qiáng)，以及滲透水產(chǎn)生滲透壓共同作用使微粒間的粘結(jié)度降低，減少了固體粒子或粒子團(tuán)碎裂所需機(jī)械功，從而使粒子團(tuán)被碎裂或使粒子碎裂成更小的晶體，并逐步分散在液體介質(zhì)中。
② 非離子分散劑也是通過范德華力被吸附于縫隙壁上，非離子分散劑存在不能使之產(chǎn)生點(diǎn)排斥力但能產(chǎn)生熵斥力及滲透水化力，使粒子團(tuán)中微裂縫間的粘結(jié)強(qiáng)度下降而有利于粒子團(tuán)碎裂. 陽離子分散劑可以通過靜電吸引力吸附于縫隙壁上，但吸附狀態(tài)不同于陰離子分散劑和非離子分散劑。
(3) 阻止固體微粒的重新聚集
固體微粒一旦分散在液體中，得到的是一個(gè)均勻的分散系，但穩(wěn)定與否取決于各自分散的固體微粒能否重新聚集形成凝聚物。
3.2 分散劑在水介質(zhì)中的分散穩(wěn)定作用
(1)對(duì)非極性固體粒子的分散作用
分散劑加入懸浮體后，由于分散劑可以降低水的表面張力，而且分散劑的疏水鍵可以通過范德華力吸附于非極性固體顆粒表面，親水基伸入水中提高其表面的親水性，使非極性固體粒子的潤濕性得到改善。
(2)對(duì)帶電質(zhì)點(diǎn)的分散穩(wěn)定作用
① 離子型分散劑與質(zhì)點(diǎn)表面帶有同種電荷
當(dāng)離子型分散劑所帶電荷與質(zhì)點(diǎn)表面相同時(shí)，由于靜電斥力而使離子型分散劑不易被吸附于帶點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)表面;但若離子型分散劑與質(zhì)點(diǎn)間的范德華力較強(qiáng)，能克服靜電斥力時(shí)離子型分散劑可通過特性吸附而吸附于質(zhì)點(diǎn)表面，此時(shí)會(huì)使質(zhì)點(diǎn)表面的zeta電勢(shì)的絕對(duì)值升高，使帶點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)在水中更穩(wěn)定。
② 離子型分散劑與質(zhì)點(diǎn)表面帶有相反電荷
若使用的離子型分散劑與質(zhì)點(diǎn)間所帶電荷相反，在分散劑濃度較低時(shí)，質(zhì)點(diǎn)表面電荷會(huì)被中和，使靜電斥力消除，可能發(fā)生絮凝;但當(dāng)分散劑濃度較高時(shí)，在生成了電性中和的粒子上再吸附了第二層分散劑離子后，固體顆粒又重新帶有電荷，由于靜電的斥力又使固體微粒重新被分散。
3.3 分散劑在有機(jī)介質(zhì)中的分散穩(wěn)定作用
質(zhì)點(diǎn)在有機(jī)介質(zhì)中的分散主要是靠空間位阻產(chǎn)生熵斥力來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于非極性的質(zhì)點(diǎn)，以克服質(zhì)點(diǎn)間的范德華力而穩(wěn)定分散于有機(jī)介質(zhì)中。
4 分散劑分類
分散劑是促成原材料顆粒物勻稱分散化于介質(zhì)團(tuán)，建立穩(wěn)定飄浮體的制劑。分散劑一般分為無機(jī)分散劑和有機(jī)分散劑兩類。常用的無機(jī)分散劑有硅酸鹽類(例如硅酸鈉)和堿金屬磷酸鹽類(例如三聚磷酸鈉，六偏磷酸鈉和焦磷酸鈉等)。有機(jī)分散劑包含三乙基己基磷酸，十二烷基硫酸鈉，甲基戊醇，纖維素化合物，聚丙烯酰胺，古爾膠，脂肪酸聚乙二醇等。
也可以說分散劑能提高和改善固體或液體物料分散性能的助劑。固體粉料球磨時(shí)，加入分散劑，有助于顆粒物粉碎并阻攔已碎顆粒物凝聚而保持分散化體穩(wěn)定。不溶解水的油性液體在高剪切應(yīng)力攪勻下，可分散成很小的液珠，停攪勻后，在界面張力的作用下很快分層，而加入分散劑后攪拌，則能形成穩(wěn)定的乳濁液。其主要作用是降低液—液和固—液間的界面張力。因而分散劑也是表面活性劑。
分散劑按使用介質(zhì)的不同可分為水性和非水性分散劑;按分散劑所帶電荷性質(zhì)的不同可分為離子型分散劑(陰離子型和陽離子型)和非離子型分散劑;按化學(xué)成分的不同可分為無機(jī)分散劑、有機(jī)小分子分散劑和聚合物分散劑。
5 聚丙烯酸銨分散劑
5.1 結(jié)構(gòu)決定性能
丙烯酸也屬于羧酸。它的聚合是其烯基作為枝接擴(kuò)鏈聚合的活性功能基團(tuán)。聚丙烯酸的分子結(jié)構(gòu)中諸多的側(cè)鏈羥基決定了其離子特性與空間位阻效果優(yōu)于一般其它的聚羧酸。
聚丙烯酸銨分散劑為疏水改性的聚合物分散劑，是一種有機(jī)高分子阻垢分散劑，具有降低研磨料粘度特點(diǎn)。適用于多種漿料研磨的高效分散。用量低，聚丙烯酸銨分散劑的分散性較一般的抗水型分散劑高，因而用量低。聚丙烯酸銨分散劑適用于多種漿料研磨的高效分散，廣泛用于含粉體顆粒類，化工，涂料，陶瓷，電子，高分子材料，油田，農(nóng)化等相關(guān)行業(yè)。
聚丙烯酸銨分散劑以丙烯酸為單體，過硫酸銨為引發(fā)劑，異丙醇為鏈轉(zhuǎn)移劑和移熱劑，合成了低分子量聚丙烯酸銨。
5.2 聚丙烯酸銨合成
聚丙烯酸銨分散劑，采用水溶液聚合法，醇類溶劑(異丙醇)為移熱溶劑和鏈轉(zhuǎn)移劑，過硫酸銨為引發(fā)劑，通過連續(xù)滴加丙烯酸銨溶液和引發(fā)劑溶液的混合物，在80~90 oC回流溫度下進(jìn)行聚合反應(yīng)，通過調(diào)節(jié)異丙醇和過硫酸銨的用量，合成出平均分子量為3000~10000的低分子量聚丙烯酸銨。
聚丙烯酸銨作為一種新型的功能高分子材料，其分子量的大小對(duì)其應(yīng)用范圍有著直接影響，依據(jù)分子量的大小的不同，分別作為分散劑，增稠劑和絮凝劑，可廣泛應(yīng)用于陶瓷行業(yè)，造紙衎業(yè)。
5.3 聚丙烯酸銨溶解性
聚丙烯酸銨是水溶性的高分子聚合物，所以聚丙烯酸銨易溶于水，在冷水中也能完全溶解，所以聚丙烯酸銨溶解性很好，可以加速懸浮液中粒子的沉降，有非常明顯的加快溶液澄清，促進(jìn)過濾等效果。
5.4 聚丙烯酸銨指標(biāo)
聚丙烯酸銨技術(shù)指標(biāo)列于表1。
表1 聚丙烯酸銨技術(shù)指標(biāo)
6 分散劑在漿料制備中的作用
6.1 助磨作用
在氧化鋅壓敏電阻材料濕法生產(chǎn)粉碎(料漿研磨)過程中，固體表面積不斷增大，表面能隨之增加，顆粒料球磨到一定時(shí)間和細(xì)度時(shí)，往往會(huì)難磨甚至產(chǎn)生團(tuán)聚，“逆研磨”現(xiàn)象。而分散劑吸附于固體表面，由于其靜態(tài)穩(wěn)定及空間穩(wěn)定機(jī)制能有效地降低顆粒表面能，使粉碎所需能量也相應(yīng)降低，顆粒更易被粉碎。另外，分散劑能吸附于顆粒表面的裂縫中，積蓄破壞應(yīng)力，以巨大的劈裂應(yīng)力將顆粒裂開。這幾種作用都可以有效地提高粉碎效率，降低顆粒粒徑，縮短粉碎時(shí)間，節(jié)能降耗，提高生產(chǎn)效率。
6.2 穩(wěn)定分散作用
制備過程中漿料的性質(zhì)直接影響著顆粒粉料成形性能，乃至產(chǎn)品的最終質(zhì)量。在漿料配制中，加入適量的分散劑可有效地防止粒子的團(tuán)聚，原料各組分可均勻分散于介質(zhì)中。研究還發(fā)現(xiàn)，加入分散劑得到的漿料粘度明顯降低，流動(dòng)性好，漿料性質(zhì)均勻穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)定分散的作用。而且制備獲得的粉料粒度更細(xì)，粉料粒度分布均勻，粒形更接近于球形，從而改善了顆粒料的形貌，增加了坯體強(qiáng)度，這些都對(duì)提高氧化鋅壓敏電阻產(chǎn)品的性能和降低制備成本起到重要的作用。
6.3 稀釋減水，節(jié)能降耗作用
以氧化鋅壓敏電阻為例，大部分生產(chǎn)廠家采用的是粉碎后制漿噴霧造粒的方法，料漿含水率在35%~45%，經(jīng)噴霧干燥塔噴霧造粒后，成型壓制要求顆粒料含水量?jī)H為0.2%~1.2%，干燥過程中需要消耗大量的能源。因此根據(jù)材料的不同，選擇加入適當(dāng)?shù)姆稚┠苡行У亟档土蠞{粘度，提高料漿的固含量，減少水的加入量，降低能耗。
7 分散劑改善壓敏電阻電性能
(1)改善氧化鋅圧敏電阻的小電流特性和大電流特性
研制了聚丙烯酸銨分散劑量和球磨時(shí)間對(duì)氧化鋅壓敏電阻材料電性能的影響。研究表明，適量的聚丙烯酸銨分散劑配合適當(dāng)?shù)那蚰r(shí)間，可有效提高氧化鋅粉體與添加劑的球磨混合效率，改善氧化鋅圧敏電阻的小電流特性和大電流特性。
(2)解決納米材料團(tuán)聚問題，提高氧化鋅圧敏電阻通流能力
圧敏電阻的通流能力與材料的化學(xué)成分，制造工藝及其幾何尺寸等因素有關(guān)。要提高通流能力，必須提高氧化鋅壓敏電阻器微觀結(jié)構(gòu)和成分的均勻性，避免由于局部電流密度過大而引起壓敏電阻器的破壞。
氧化鋅壓敏電阻為多晶陶瓷燒結(jié)體，在形成多晶陶瓷的燒結(jié)過程中，初始氧化鋅粉料的顆粒形狀和大小會(huì)影響最終燒成多晶陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響壓敏電阻的性能。顆粒細(xì)的球狀氧化鋅粉有助于改善壓敏電阻的微觀均勻性。通過使用均勻的球狀氧化鋅納米材料作為混合料，可以提高氧化鋅電阻片性能尤其是通流能力。但是納米材料存在自身易于團(tuán)聚的問題。團(tuán)聚過程是顆粒表面能減小的自發(fā)過程，顆粒越細(xì)小，團(tuán)聚越容易發(fā)生。
采用分散劑表面改性的方法來解決團(tuán)聚問題。具體做法是在添加劑球磨過程中加入合適的分散劑。該分散劑應(yīng)是一種非離子型表面活性劑，它能夠吸附于納米氧化物粒子的表面，形成一層保護(hù)膜，對(duì)粒子間的各種締合力起到減弱或屏蔽作用，并產(chǎn)生一種新的空間位阻斥力，阻止粒子間團(tuán)聚，提高料漿的穩(wěn)定性和流動(dòng)性。
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