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本研究根据高分子分散剂的分散作用机理,依据分子结构设计原则,以马来酸酐—聚乙二醇单酯为反应单体,以甲基丙烯酸和苯乙烯为功能性单体,并以过硫酸钾为引发剂,通过溶液聚合法合成了较低相对分子质量的梳状聚合物分散剂,研究了聚合工艺对产品性能的影响,使用现代分析手段对产品物性进行表征,探讨了聚合物分散剂对陶瓷用粘土浆料的分散效果。
实验结果表明:
(1)较佳的溶液聚合反应工艺:n(马来酸酐MA):n(聚乙二醇200PEG200)=1∶1,反应温度为30~40℃,半酯化反应0.5~1h,得到半酯化单体MP。n(半酯化单体MP):n(甲基丙烯酸MAA):n(苯乙烯St)=1∶8∶0.2-1.0,w(过硫酸钾KPS)=1%(以单体质量计算),采用首次添加引发剂总量的2/3,缓慢滴加余下1/3的方式,并加入少量异丙醇,反应温度80℃,总反应时间2.5h,采用氢氧化钠调节ph值为8~9,可得到橙黄色液体状的聚合物分散剂PMPA。
(2)FT-IR证实了聚合物分散剂PMPA中各单体单元结构的存在;GPC显示了聚合物的重均相对分子质量约为3500,多分散系数为1.1309,说明相对分子质量分布较窄;XRD谱图显示有一弥散形宽峰,表明PMPA属于非晶态聚合物;DSC测定结果显示聚合物的玻璃化转变温度为96.4℃。
(3)通过考察聚合物分散剂PMPA对浆料沉降速率、沉降率、比吸光度以及Zeta电位等四个方面的影响,确定了PMPA的最佳使用量为浆料质量的0.08%,该比例远远小于传统分散剂的使用量1%。添加了0.08%PMPA的浆料的沉降速率、沉降率、比吸光度以及Zeta电位绝对值分别为93.75%、4.375%、93%、61.6mv,且分散剂过量不会对浆料体系造成负面影响。SEM观察到添加了适量分散剂的粘土浆料可均匀分散。
(4)未添加聚合物分散剂PMPA的粘土浆料属于屈服拟塑性流体,其触变性体现在触变滞后圈较大,且不完整;而添加了质量分数为0.08%的聚合物分散剂后,粘土浆料转变为牛顿性流体,具有完整的极小的滞后圈,说明了PMPA的添加可有效的改变粘土浆料内部颗粒聚积结构,使之有序且稳定分散。
(5)将聚合物分散剂与无机分散剂、有机分散剂进行复配,不同复配分散剂对浆料的性能影响各不相同,PMPA与六偏磷酸钠以质量比1∶1复配,添加量为0.08%时,得到浆料的沉降速率、沉降率及减水率分别为95.83%、92.5%和25%;PMPA与硅酸钠复配分散剂对粘土浆料的流变性能影响最大,相同剪切速率下,黏度和剪切应力最小。
(6)聚合物分散剂PMPA在纳米级氧化铝、二氧化钛以及颜料黄浆料中的使用量各不相同,分别添加0.1%、0.03%和0.06%时,浆料分散的最稳定,其沉降率和黏度最小,说明分散剂PMPA的使用量与被分散颗粒的表面积和表面性质有关。同时说明这种高分子分散剂对不同浆料和颜料均具有良好的分散性能。
本研究的创新点如下:
(1)根据聚合物分子设计原则,本研究以锚固基团取代表面活性剂的亲油基团,且为聚合物链,并且可根据被分散粉体的表面性质选择不同极性的基团,以保证分散剂在颗粒表面上的牢固吸附;以溶剂化链取代表面活性剂的亲水基团,其聚合单体根据分散介质的性质而定,以保证能在介质中充分伸展;链长度可通过改变聚合物相对分子质量方便地调节,保证分散剂在固体颗粒表面形成足够厚度的保护层。
(2)本研究使用马来酸酐—聚乙二醇半酯化产物作为聚合反应的单体,既可根据要求在产物中引入适量相对分子质量作为支链,又可以根据应用条件调节支链相对分子质量,这就大大拓宽了产物的应用领域,提高了产品的应用性能。
(3)本研究改变了传统制取高分子分散剂的二元共聚的手段,添加少量苯乙烯作为第三单体,用作聚合物亲水亲油平衡基团,以增强最终产物的分散性能,结果表明,在实际应用中,添加少量该聚合物即能达到良好分散浆料的效果,且用量明显少于传统分散剂。