大粒径氧化铝浆料的悬浮稳定性研究

汪永清，侯静鹏，常启兵，周健儿

(景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，江西 景德镇 333403；江西省高校无机膜重点实验室，江西 景德镇 333001)

大粒径氧化铝浆料的悬浮稳定性研究

汪永清，侯静鹏，常启兵，周健儿

(景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，江西 景德镇 333403；江西省高校无机膜重点实验室，江西 景德镇 333001)

根据Stoke公式，大粒径氧化铝颗粒的沉降速率较快易造成陶瓷浆料稳定性变差。本文提出在大粒径氧化铝颗粒的表面制备一层纳米氧化铝涂层，增加粉体的比表面积，进而增强粉体与分散剂和稳定剂的作用，提高浆料的稳定性。以平均粒径为5 μm的不规则形状和球形α-Al2O3颗粒为研究对象，采用溶剂热法制备纳米涂层，研究了分散剂和稳定剂含量对修饰前后氧化铝浆料的稳定性的影响。结果表明：在粒径相似的条件下，比表面积高的粉体，与有机添加剂的作用力较强，得到的浆料的稳定性增加。因此，通过在大粒径粉体表面制备纳米涂层，增加粉体比表面积可以作为提高大粒径粉体浆料稳定性的一个有效方法。

浆料；大粒径氧化铝；悬浮稳定性；纳米氧化铝涂层；沉降高度

0 引 言

陶瓷膜一般采用非对称结构，即在多孔支撑体表面制备过渡层和分离膜层。其中，过渡层的性质直接影响分离层的性能。对现有的陶瓷膜而言，采用浸涂法制备微滤陶瓷膜过渡层[1]，通常采用平均粒径为5-10 μm的氧化铝粉体制备陶瓷浆料。根据斯托克斯沉降公式，颗粒的沉降速度与颗粒粒径大小的平方成正比。粉体粒径越大，沉降速率越快，浆料的稳定性越差，这会影响过渡层的结构，无法掩盖支撑体上的缺陷，导致缺陷传递至分离层。因此，过渡层涂膜浆料的稳定性对陶瓷膜的整体结构和性能有着重要的影响。

目前，关于大粒径颗粒的悬浮稳定的研究大多采用提高浆料粘度的方式延长颗粒的沉降时间，如张红宇[2]研究了以PVA 为稳定剂配制涂膜浆料，结果显示合适的PVA加入量应该在3wt.%-5wt.%之间。但此时浆料的粘度快速增大，浆料的流动性减小，不易成膜，而且烧成后膜孔径变大。因此通过增加稳定剂的含量以提高氧化铝颗粒的悬浮性的方法是受到一定条件限制的。周跃华[3]等人研究了球磨时间及分散剂用量对平均粒径为5 μm的氧化铝悬浮稳定性的影响，通过球磨和分散剂将粉体粒径降低至2 μm，提高了氧化铝的悬浮稳定性，但是粒径的改变会对涂膜后膜层的孔径分布产生影响。尹晓琴[4]分别研究了以平均粒径0.5 μm、2 μm、5 μm氧化铝制备的浆料稳定性，其中，稳定性最佳的悬浮液中，5 μm氧化铝含量只有2.5wt.%。低固含量浆料易导致膜缺陷，需要多次涂膜以控制膜层的缺陷。吴鲁[5]研究了平均粒径为7 μm的刚玉粉的悬浮稳定性，以1.2wt.%PEG为分散剂，调整pH=9时，获得粘度为60 mPa·s的悬浮液，但是4小时后，浆料仍然表现为明显的沉降，浆料稳定性仍然有待提高。因此，整体而言，大粒径颗粒浆料的悬浮问题仍未解决。

为阻止颗粒的沉降，需要在浆料中加入一定数量的有机添加剂(分散剂和稳定剂)，有机添加剂可以吸附在粉体颗粒表面，通过静电作用或者空间位阻效应阻止颗粒的团聚[6]。在此过程中，粉体颗粒表面与有机添加剂之间的相互作用成为影响浆料悬浮的重要因素。若有机添加剂在粉体颗粒表面覆盖率较小，则游离的有机添加剂会起到絮凝剂的作用。对大粒径粉体而言，粉体的比表面积较小，与有机添加剂的作用面积减少，降低了两者的相互作用。因此，提高大粒径粉体的比表面积成为改善大粒径粉体浆料稳定性的一种重要方法。

为解决大粒径氧化铝颗粒悬浮稳定性较差的问题，本文采用溶剂热法在平均粒径为5 μm的α-Al2O3颗粒的表面制备一层纳米氧化铝涂层，通过增加比表面积的方式提高氧化铝的悬浮稳定性，对比研究了分散剂与稳定剂的添加量对处理前后粉体所得浆料稳定性的影响。

1 实验部分

1.1 陶瓷浆料的制备

将1.5 g三嵌段聚合物Pluronics-123(P123，分子量5800，美国BASF公司)与40 g异丙醇铝溶解于150 ml二甲苯中，然后将不规则形α-Al2O3(d50=5 μm，河南，洛阳白鸽集团)与球形氧化铝α-Al2O3(d50= 5 μm，安徽，蚌埠中凯电子材料有限公司)分别搅拌加入到异丙醇铝二甲苯溶液中，转移至反应釜中，在120 ℃反应12 h，冷却后，取出混合液，倒出上层多余溶液，并将底层固体物置于烘箱内烘干，600 ℃煅烧1 h，得到预处理氧化铝粉体。

以处理过的氧化铝粉体和氧化铝原始粉体为原料，以Dolapix CE-64(德国司马化工)作分散剂，加入不同含量的Dolapix-CE-64，超声分散后，加入不同含量的 PVA-1799为稳定剂，配制固含量为8wt.%的悬浮浆料。研究不同分散剂与稳定剂的使用量对平均粒径为5 μm的α-Al2O3颗粒悬浮性的影响。

1.2 测试与表征

使用改进的沉降高度法测试表征浆料的稳定性[7]，其测试方法为：将浆料置于长度24 cm有机玻璃管内，每隔4 cm钻一小孔将玻璃管分隔成六段，使用注射器从小孔抽取每段高度的浆料，称量浆料的质量，将浆料干燥后，测量该段浆料的固含量。绘制一条浆料固含量随高度变化的曲线用于描述浆料的稳定性，该曲线与浆料的平均固含量越接近，则说明浆料稳定性越好，反之浆料稳定性越差。使用数字粘度计(LVDV-1，上海方瑞仪器有限公司)测试浆料粘度。采用BET法(BET-2000，美国Micrometer)测量粉体的比表面积。

2 结果与讨论

2.1 预处理对粉体比表面积的影响

表1中显示了预处理前后，球形和不规则形状的两种氧化铝粉体的比表面积。从表中可以看出，在粉体粒径没有明显变化的前提下，使用异丙醇铝处理后的氧化铝粉体的比表面积均有明显的增加，这说明成功的在氧化铝颗粒的表面制备一层纳米氧化铝涂层。这一薄层纳米氧化铝较大的比表面积有助于提高粉体与有机添加剂中间的相互作用，进而促进浆料的悬浮稳定性。对比球形与不规则形状的氧化铝粉体，可以看出，即使经过异丙醇铝处理，球形氧化铝比表面积仍然比未处理的不规则氧化铝更小，这在一定程度上会影响两种不同粉体的悬浮性。

表1 预处理前后氧化铝的比表面积Tab.1 Specific surface area of alumina powders before and after the pretreatment

2.2 5μm球形α-Al2O3浆料的稳定性

图1显示了5 μm球形α-Al2O3粉体，添加0.05wt.% Dolapix CE-64作分散剂以及不同含量的PVA-1799配成的浆料，经过24 h静置后不同高度浆料的固含量变化。从图中可以看到，在静置前，浆料的固含量为8.0wt.%。当PVA添加量为3.6wt.%时，玻璃管上端五段的浆料固含量差值几乎为零，而底端固含量则激增为32.4wt.%，说明此时5 μm球形氧化铝完全沉降，此时浆料稳定性极差。随着PVA含量的进一步增大，浆料的粘度从25.4 mPa·s、37 mPa·s、51.5 mPa·s增加为74 mPa·s，各层高度的浆料的固含量逐渐向8%靠近，说明浆料的稳定性变好。但是，当PVA添加量为4.68wt.%时，浆料粘度达到了74 mPa·s，浆料流动性变差，不利于涂膜。因此，单纯增加浆料粘度以提高浆料稳定性的方法并不适于膜层的制备。

图1 不同质量分数PVA1799对球形氧化铝浆料稳定性影响Fig.1 Influence of different mass fraction of PVA1799 on the stability of the spherical alumina slurry

为了解决这一问题，对5 μm球形氧化铝进行异丙醇铝处理，在颗粒表面包裹一层纳米氧化铝颗粒，提高颗粒比表面积，增大颗粒与PVA接触面积，提高浆料的稳定性。图2显示了异丙醇铝处理过的5 μm球形α-Al2O3添加0.05wt.%Dolapix CE-64作分散剂以及不同含量的PVA1799配成的浆料，经24 h静置后不同高度浆料的固含量变化。从图2可以看到，随着PVA含量的增加，浆料固含量逐渐向平均固含量接近，说明浆料的稳定性变好。对比图1可以看到，PVA含量相同时，异丙醇铝处理过的球形氧化铝比未处理的球形氧化铝配置的浆料稳定性更好。但是，整体而言，浆料的稳定性仍然不能满足涂膜的需要。考虑到5 μm球形氧化铝经过处理后包裹了一层纳米氧化铝，比表面积增大，可能造成0.05wt.%的Dolapix CE-64无法完全覆盖颗粒表面，导致颗粒分散较差，因此，需进一步调整分散剂的使用量。

图3显示了分散剂Dolapix CE-64含量对不同高度浆料的固含量的影响(使用异丙醇铝处理过的5 μm球形α-Al2O3，添加4.32wt%PVA1799)。从图中可以看出，随着Dolapix CE-64的添加量逐渐增加，浆料稳定性变好，最佳Dolapix CE-64添加量为0.09wt.%。这可解释为，使用异丙醇铝处理过的5 μm球形α-Al2O3的比表面积增大，需要增加分散剂含量以覆盖氧化铝颗粒的表面。因此，对于异丙醇铝处理过的5 μm球形α-Al2O3，分散剂的使用量以0.09wt.%最佳。

2.3 5 μ m不规则状α-Al2O3浆料稳定性

图2 不同质量分数PVA1799对预处理的球形氧化铝浆料稳定性影响Fig.2 Effect of the content of PVA1799 on the stability of the pretreated spherical alumina slurry

图3 不同质量分数Dolapix CE-64对预处理的球形氧化铝浆料稳定性影响Fig.3 Effect of the content of Dolapix CE-64 on the stability of the pretreated spherical alumina slurry

图4 显示了5 μm不规则状α-Al2O3添加0.05wt.%Dolapix CE-64作分散剂以及不同含量的PVA1799配成的浆料，经过24 h静置后不同高度浆料的固含量变化。从图中可以看出，不规则状氧化铝具有跟球形氧化铝相似的浆料稳定性变化，随着PVA含量的增加，粘度增大，各高度的浆料固含量逐渐接近于平均固含量。当PVA添加量为4.32wt.%时，底部浆料的固含量为13%，此时浆料稳定性最佳，粘度为52.6 mPa·s。与相同条件下制备的球形α-Al2O3浆料相比，不规则形状氧化铝粉体的浆料的稳定性更好，这与不规则形状氧化铝粉体的比表面积相对较大有关。

图4 PVA1799添加量对不规则形状氧化铝浆料稳定性影响Fig.4 Effect of the content of PVA1799 on the stability of the irregular alumina slurry

图5 PVA1799添加量对预处理的不规则形状氧化铝浆料稳定性影响Fig.5 Effect of the content of PVA1799 on the stability of the pretreated irregular alumina slurry

图5 显示了使用异丙醇铝处理过的5 μm不规则状α-Al2O3经过24 h静置后不同高度浆料的固含量。对比图4，可以看到，异丙醇铝处理同样可以提高氧化铝浆料的稳定性。当PVA添加量同样为4.32wt%时，经测试底部沉淀质量分数为2.93%，此时浆料稳定性最佳，粘度适中。

图6 不同氧化铝所制备浆料稳定性对比Fig.6 The solid content of the suspensions prepared with different alumina powders

2.4 不同氧化铝最佳配方浆料稳定性对比

图6显示了预处理前后氧化铝浆料的稳定性的影响。从图中可以看出，预处理后的不规则形状氧化铝浆料稳定性最好，而原始的球形氧化铝浆料稳定性最差，这与表1中所显示的粉体的比表面积的顺序是相一致的。在粒径相似的条件下，比表面积高的粉体，与有机添加剂的作用力较强，得到的浆料的稳定性增加。因此，通过在大粒径粉体表面制备纳米涂层，增加粉体比表面积可以作为提高大粒径粉体浆料稳定性的一个有效方法。

3 结 论

为提高大粒径粉体浆料的悬浮稳定性，采用溶剂热法分别在平均粒径为5 μm的不规则形状和球形α-Al2O3颗粒的表面制备一层纳米氧化铝涂层，以提高氧化铝粉体的比表面积。研究结果表明：在粒径相似的条件下，比表面积高的粉体，与有机添加剂的作用力较强，得到的浆料的稳定性增加。因此，通过在大粒径粉体表面制备纳米涂层，增加粉体比表面积可以作为提高大粒径粉体浆料稳定性的一个有效方法。

[1] 黄仲涛, 曾昭槐, 钟邦克, 等. 无机膜技术及其应用[M]. 北京:中国石化出版社, 1999: 16-99.

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Stability of Suspension Prepared with Coarse Alumina Powders

WANG Yongqing, HOU Jingpeng, CHANG Qibing, ZHOU Jian'er
(School of Materials Science and Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China; Key Laboratory of Jiangxi Universities of Inorganic membrane, Jingdezhen 333001, Jiangxi, China)

According to Stoke equation, a large settling velocity of coarse particles will result in the bad stability of a suspension. The irregular and global coarse alumina powders with the average particle size of 5μm were researched. To increase the suspension's stability, the increased specific surface area of the coarse particles is proposed to increase the interaction between the coarse powder and the added organic reagent through a nano alumina coating prepared on the coarse particles' surface. The nano coating was prepared by solvent thermal method. The effect of the content of the dispersant and the stabilizer on the stability of the alumina suspension was researched. The results show that the specific surface area of coarse alumina powders can be increased by the nano coating, which strengthens the interaction between the coarse powder and the added organic reagent. This is an effective way to increase the stability of the suspension prepared with coarse powder.

suspension; coarse alumina; stability; nano alumina; settling height

TQ174.4

A

1000-2278(2015)05-0506-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2015.05.012

2015-04-24。

2015-05-04。

科技部国际科技合作项目(编号：2011DFA52000)。

汪永清(1966-)，男，博士，教授。

Received date: 2015-04-24. Revised date: 2015-05-04.

Correspondent author:WANG Yongqing(1966-), male, Doc., Professor.

E-mail:wyq8248@126.com