分散劑在電子陶瓷成形中占有重要地位,合適的分散劑是制備穩(wěn)定漿料和晶粒細(xì)小的關(guān)鍵因素。
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1.分散劑是制備高性能陶瓷的必要條件
分散劑是幫助固體顆粒均勻分散于分散媒體中,具有降低漿料的粘度、提高漿料的穩(wěn)定性(防止固體顆粒的二次凝聚及沉降的作用)、實(shí)現(xiàn)高濃度化、改善分散工藝過程中的效率等作用的添加劑。

圖 分散劑分散機(jī)理,來源:圣諾普科
分散劑作為一種表面活性劑,在電子陶瓷如氧化鋁、氧化鋅、壓電陶瓷、氧化鋯、燃料電池材料電解質(zhì)、固態(tài)電解質(zhì)、氮化鋁基片、氮化硅基片、LTCC、HTCC、MLCC、氮氧傳感器芯片的濕法和干法成形中起到潤(rùn)濕、分散作用,只有粉料顆粒表面包括合適厚度的分散劑時(shí),才能夠解決漿料在儲(chǔ)存、使用過程中的團(tuán)聚問題,燒結(jié)后達(dá)到晶粒細(xì)小的目的??梢哉f分散劑是制備高性能陶瓷的必要條件。
表面活性劑溶于水時(shí),凡能離解成離子的稱作離子型表面活性劑;凡不能離解成離子的稱作非離子表面活性劑。而離子型表面活性劑按其在水中生成的表面活性離子的種類,又可分為陰離子型表面活性劑、陽離子型表面活性劑、兩性表面活性劑等。具有特殊功能或特殊組成的新型表面活性劑,未按離子性、非離子性劃分,而是根據(jù)其特殊性列入特殊表面活性劑類。在電子陶瓷漿料中常用的水基分散劑是陰離子表面活性劑;在有機(jī)溶劑體系中常用的分散劑是非離子表面活性劑。
2.電子陶瓷中常用分散劑
1)水基體系用分散劑
聚丙烯酸銨分散劑廣泛應(yīng)用于電子陶瓷料漿的潤(rùn)濕分散,如干壓成形用的氧化鋁陶瓷造粒粉,水基凝膠成形氧化鋁陶瓷基板,干壓成形氧化鋅壓敏電阻用造料粉以及壓電陶瓷干壓成形造粒粉等。
該系列分散劑包括聚丙烯酸、聚丙烯酸鈉以及聚丙烯酸銨分散劑,由于聚丙烯酸呈酸性不適合堿性物質(zhì);聚丙烯酸鈉含有鈉離子,燒結(jié)后殘留的鈉離子會(huì)對(duì)絕緣材料電氣性能有影響;而聚丙烯酸銨呈弱堿性,對(duì)材料絕緣性能沒有影響,所以廣泛用于水性電子陶瓷漿料潤(rùn)濕分散。
聚丙烯酸類分散劑含有潤(rùn)濕性良好的羧酸基、鈉離子、銨基,可以很好的潤(rùn)濕陶瓷粉料顆粒,通過靜電斥力及空間位阻兩種效應(yīng)保持粉料顆粒分散穩(wěn)定。
2)有機(jī)體系用分散劑
目前,陶瓷片狀材料多采用流延成形,由于有機(jī)體系制備基片表面光潔度好、針孔少、不易開裂、易干燥,可以成形較厚的瓷片,故目前流延采用有機(jī)體系居多。分散劑選擇是個(gè)關(guān)鍵。常用分散劑有卵磷脂(大豆卵磷脂和蛋黃卵磷脂)、蓖麻油、三油酸甘油酯(GTO)、司班-85(Span-85)、NP-10(壬基酚聚氧乙烯醚)、鯡魚油。
在有機(jī)體系陶瓷漿料中,常采用非離子表面活性劑,通過吸附不飽和高分子有機(jī)物,主要是烯烴類不飽和化合物,達(dá)到穩(wěn)定分散,分散機(jī)理是空間位阻效應(yīng)。油脂類物質(zhì)是傳統(tǒng)電子印刷漿料最常用分散劑,如茴香油、蓖麻油、鯡魚油等,這類物質(zhì)由于含有不飽和脂肪酸,容易吸附在顆粒表面,達(dá)到穩(wěn)定分散目的。
此外,苯乙烯-馬來酸共聚物( SMA) 超分散劑也應(yīng)用于電子陶瓷領(lǐng)域,適用于氧化鋁、氮化硅、氮化鋁、鈦酸鋇等無機(jī)粉體材料分散。苯乙烯-馬來酸系超分散劑對(duì)非極性和極性超細(xì)粒子均有較好的分散穩(wěn)定作用。苯乙烯-馬來酸系超分散劑通過表面吸附將超細(xì)固體顆粒包覆,即非極性苯環(huán)及碳?xì)滏溛皆诹W臃菢O性表面上,極性端基或極性側(cè)鏈覆蓋在非極性粒子表面上,產(chǎn)生雙電層效應(yīng),從而產(chǎn)生靜電斥力。

圖 兩種超分散劑的空間穩(wěn)定機(jī)理
苯乙烯-馬來酸系超分散劑中的錨固基團(tuán),如羧基、羧酸根、磺酸基、磺酸根、多元醇、多元胺及聚醚等,通過離子鍵、共價(jià)鍵、氫鍵及范德華力等相互作用,緊緊地結(jié)合在極性超細(xì)粒子表面上,另外一部分非極性苯環(huán)或碳?xì)滏渼t纏繞在粒子外表面。在粒子表面形成“厚厚的”保護(hù)層。當(dāng)兩個(gè)吸附有超分散劑分子的粒子相互“靠攏”時(shí),粒子之間會(huì)產(chǎn)生排斥力而使固體粒子彈開 , 因而不會(huì)絮凝,即產(chǎn)生空間位阻效應(yīng)。