分散技術與應用

刊登日期:2016/12/5
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分散技術一直是工業上從事粉體材料製程必備項目,選擇適當的分散劑得以配合分散技術的實施又為程序中最為關鍵者。本文極欲基於此一重要性,介紹與選擇分散劑議題相關的分散理論,並藉由數個與分散劑選擇上的實務操作,加以說明影響分散劑選擇性的準則和指標參數。
 
分散原理
相對於塊材,粉末狀的材料具有高比表面積的特性,因此具有高總表面能的性質。為了降低自身的總表面能,多數的粉末狀材料會藉由圖一所示之路徑和機制發生程度不等的聚集現象,包括利用電荷、滲透壓、凡德瓦耳力、表面橋接等作用而造成粉末之硬團聚和軟團聚結果。

針對粉末的聚集行為,較常見的破除方式概括兩大類:一為機械研磨法;另一為化學法。在機械方式上多以濕式研磨為主,目的在於硬團聚的破除,此外,尚包括以破除軟團聚為主的高功率超音波分散法。在化學法方面,通常是以預防性之避免再(重新)團聚為主要目的,作法為利用物理或化學方式改變粉末表面性質,以避免被分散後之粉末再次聚集。其中較常利用的粉末分散機制,如圖二所示之電子雲穩定機制、立體穩定機制和結合前述兩種之電子雲立體穩定機制等三大類。

一個良好的、穩定的分散系統,上述的機械法和化學法可謂缺一不可。但因兩者的個別技術牽涉廣泛而複雜,本文僅就化學法部分做說明。所謂的化學法乃是指對粉末材料的顆粒表面做化學性或物理性的修飾,使其表面性質因而發生變化,成為易於分散在特定界質的另一相材料中。是故,在粉體的表面修飾過程中,修飾劑或分散劑等是否能吸附於粉體表面,並能達到改變粉體的表面性質之目的,實為從事粉末分散的主要考量。圖三所示為藉由熱力學的觀點,簡單解釋分散劑的吸附行為對粉末之分散穩定性的影響。
 
分散劑選擇與實施例說明
1. 奈米鈦酸鋇之表面改質與分散
前面我們已提過多數氧化物的表面具有羥基(-OH),分散劑之官能基可藉由此與粉體產生交互作用並吸附於上。圖四顯示為數個鈦酸鋇粉末的近紅外線(FT-IR)光譜圖,圖中清楚可見原始取得之未經任何處理的鈦酸鋇粉末,其表面不具反應性官能基,因此 1,500 cm-1 以上幾乎偵測不到特徵吸收峰,特別在代表 -OH 的 3,000~3,600 cm-1 亦無明顯之 IR 吸收。當此粉末經由分散劑表面處理後,由 FT-IR 圖譜中微弱的有機物訊號(2,800 cm-1 以上)可知分散劑雖有吸附行為發生,但吸附量並不顯著。




圖四、奈米鈦酸鋇之FT-IR光譜與表面改質分散程序

 
2. 奈米二氧化鈦之表面改質與分散
已知市售二氧化鈦其表面已多經由特殊之化學處理,所以主要組成雖仍然為二氧化鈦,但表面性質卻非常的多樣化,其中又以具酸性和中性之表面性質最為常見;然而,不同的表面酸鹼性也常困擾著對分散劑種類的抉擇。就其化學組成而言,單純的二氧化鈦粉末表面應屬於中性微偏弱酸的特質(等電位點約在 pH4~6)。但一般市售所取得的二氧化鈦粉末,經由化學鑑定後,可能會得到如圖六所示之列塔電位曲線,屬於一偏酸性的表面化學性質,等電位點約在 pH2~3 之間。

基於二氧化鈦的表面性質之相關研究文獻眾多,且文獻內容多揭露二氧化鈦供應商常於粉末組成中摻混二氧化矽或氧化鋁等無機物質,以增加其熱穩定性質或調整其光觸媒效率,因此圖六之表面電位偏酸性的結果……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。



圖六、奈米二氧化鈦粉末之列塔電位曲線

 
作者:李嘉甄 / 國立台北科技大學
★本文節錄自「工業材料雜誌」360期,更多資料請見下方附檔。


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