浆料的组成与作用
粘结剂
粘结剂与其它有机成分的交互作用
[1]梁力平,赖永雄,李基森.片式叠层陶瓷电容器的制造与材料[M].暨南大学出版社,2008.
往期回顾
原文始发于微信公众号(矽瓷科技):陶瓷浆料之粘结剂
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浆料的组成与作用
陶瓷浆料一般由配方粉体、溶剂、黏结剂、塑化剂和分散剂组成。有时需要额外添加一些其他功能性助剂,如消泡剂。其中溶剂赋予了浆料流动性,可以润湿并分散粉体,溶解其他添加剂。分散剂有助于粉体颗粒在浆料中分散均一,并保持其均匀悬浮性。粘结剂是浆料中唯一的连续相,它对流延带的机械强度和可操作性有着非常大的影响。增塑剂能使浆料更加稳定均一,还能降低黏结剂的玻璃化转变温度(Tg),增强流延带的柔韧性,易于加工。
图1.陶瓷浆料组成示意图
粘结剂
粘结剂是陶瓷浆料体系中最重要的添加剂之一,常用的粘结剂主要包括乙烯基类、丙烯酸类和纤维素醚类。
乙烯基类粘结剂
乙烯基类粘结剂在不同行业中被广泛应用,如适用于制作硬质管材的PVC(聚氯乙烯)、应用于纺织工业和水系流延的PVA(聚乙烯醇)、广泛用于流延成型的PVB(聚乙烯醇缩丁醛)。最常报道和广泛研究的是PVB,它属于热熔性高分子化合物,包含醛基、羟基和乙酰基三种功能团,结构式如图2所示。决定PVB性能的,主要有四个因素,即聚合度和三种功能团各自的含量。
图2. 聚乙烯醇缩丁醛的结构式
(1)当PVB聚合度升高时,溶液粘度升高,膜片强度增大,热压着性降低。
表1.聚合度的影响1
(2)当PVB中的丁醛基含量增高,溶液粘度下降,并增强了与塑化剂的相溶性,提高了膜片的柔软性和热压着性。
表2.醛基含量的影响1
(3)当PVB中的羟基含量增高,溶液粘度升高,膜片强度增大,吸湿性也增高。
表3.羟基含量的影响1
(4)当PVB中的乙酰基含量增加,溶液粘度降低,膜片柔软性提高,热压着性增高。
表4.乙酰基含量的影响1
上述性能中,溶液粘度会影响流延效果;膜片强度会影响叠层,热压着性则会同时影响叠层、层压;与塑化剂的相溶性和耐溶性均影响浆料的均匀性;吸湿性影响叠层和膜片质量。可以根据配方粉体及产品要求来选择合适的PVB规格。
丙烯酸类聚合物
丙烯酸类聚合物是应用于陶瓷流延成型中另一种长链型粘结剂,常以乳液形态作为水基型粘结剂,其结构式如图3所示。丙烯酸类粘结剂通过分解或蒸发即可除去,这有利于其在还原气氛下烧除,且基本不残留灰分或碳。此外,丙烯酸类粘结剂还具有价格低、强度大、溶解能力强、能降低Tg、污染小等优点。但是因丙烯酸类聚合物的制备方法,引入碱金属离子杂质以及导致球磨过程易产生气泡等因素,在选择粘结剂时也因考虑在内。
图3. 聚丙烯酸的结构式
纤维素类粘结剂
纤维素类粘结剂,一般用作水系流延成型的粘结剂,更具安全和环保性。纤维素聚合物有个特点即增稠性能,这导致在合适粘度下,浆料的固含量会相对降低,进而引发干燥慢,收缩率大等问题。此外,纤维素类粘结剂在使用过程中,还存在浆料气泡较多,难以除泡的问题;其粘结性能也会随着空气湿度的变化而改变。
粘结剂与其它有机成分的交互作用
1、粘结剂与分散剂的交互作用
陶瓷浆料中,粉体颗粒被包裹入粘结剂中,聚合物位于粉体颗粒之间,起到了连接颗粒的作用。在未加粘结剂前,分散剂充分覆盖在粉体颗粒表面,这也使得后加的粘结剂只能置于颗粒之间,在颗粒间构建搭桥而非对多个颗粒进行包裹,即在分散剂有效发挥作用的前提下,粘结剂利用位阻分散机制,进一步起到分散的效果。在一定情况下,当两者同时加入时,会在颗粒表面形成竞争吸附。此时,部分粘结剂占据了颗粒表面原本属于分散剂的吸附点位置,从而导致颗粒间粘结剂减少而分散剂过多。竞争吸附使得流延片密度和烧结密度低。
2、粘结剂与塑化剂的交互作用
大多数聚合物粘结剂有远高于室温的Tg,导致流延带相对强度大,脆性高,这对后续的打孔、切割、叠层等工序要求是极为不利的。塑化剂I被称为Tg修正剂,用于软化粘结剂聚合物链,通过缩短聚合物链的长度和部分溶解聚合物链来改变聚合物的Tg。Tg降低后,聚合物链更能无断裂的伸长和缩短,促使分子链卷曲和伸展的变形量有所提高。所以塑化剂I目的即交互粘结剂,可以降低粘结剂的Tg来增加流延带的柔韧性。塑化剂II在聚合物长链之间作用,可以使其在干燥过程中更好地迁移,同时能有效阻止长链之间的交联反应,起到“润滑”的效果。
[1]梁力平,赖永雄,李基森.片式叠层陶瓷电容器的制造与材料[M].暨南大学出版社,2008.
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